CN109957429A - 带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统及方法 - Google Patents

Abstract

带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统及方法，包括由多个吸附塔组成的吸附塔群、过滤器、加热器、热回收换热器、空冷器、气液分离器和压缩机，在吸附塔群中，至少一个吸附塔充当脱水塔，至少一个吸附塔充当冷却再生塔，至少一个吸附塔充当热再生塔，至少一个吸附塔充当备用塔,经过开关阀和吸附塔的相互配合，实现脱水、冷再生和热再生的过程，无废气排放，避免天然气浪费或增加其他处理设备，提高装置的操作弹性和运行的可靠性，实现大规模的连续脱水操作，可广泛的应用于天然气的脱水。

Description

带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统及方法

技术领域

本发明涉及天然气液化技术领域，尤其是一种带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统及方法。

背景技术

天然气液化工艺是将来自长输管网的原料天然气经过增压、净化后，再经冷箱液化的一系列工艺过程中。液化前，必须对原料天然气进行净化预处理，脱除原料天然气中所含的二氧化碳、硫化氢、水、汞和重烃等杂质，这些物质在液化工艺所采用的低温状态下会冻结，并堵塞设备或降低换热器的性能，通常用三甘醇吸收进行脱水将天然气水露点降到低于环境温度5℃以上，但是三甘醇脱水深度达不到深冷加工所需要的含水量，因此天然气深度脱水都采用分子筛吸附，可使脱水后天然气含水量＜0.5ppmv，分子筛脱水工艺由于可以连续、稳定、高效的脱水效果在天然气深度脱水处理工艺中得到广泛的应用。

目前常用的分子筛脱水工艺主要为1+1方案（1塔吸附1塔再生）及2+1方案（2塔吸附1塔再生），两种方法都存在以下缺点：未进行热回收利用，不能实现天然气处理装置不停产更换分子筛。由于分子筛的再生需要高温才能再生完全，而高温再生后的分子筛需要冷却才能投入到下一轮吸附操作，冷却分子筛产生的热量因未回收利用而浪费热能。另外分子筛吸附剂都有一定的使用寿命，寿命到期后分子筛会粉化、吸附能力下降，因此使用几年需要更换一次分子筛吸附剂，此时需要天然气处理装置停车，更换分子筛期间未脱水的天然气只能直接输往下游，如果下游是LNG液化系统，水饱和的天然气会使冷箱冻堵而破坏相关设备使装置不能正常运行。

中国专利“CN108822909A”具有分子筛再生气预热利用的天然气脱水系统，虽然实现了分子筛再生气的预热回收，但是同时在系统中额外增加了冷再生换热机构和热再生换热机构，并且通常当出现有分子筛需要更换时，就会停止整个工艺的过程，造成资源的浪费和缺失。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种能实现热回收利用且更换吸附剂不需要停产的带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统及方法。

本发明的技术方案为：带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，包括由多个吸附塔组成的吸附塔群、过滤器、加热器、热回收换热器、空冷器、气液分离器和压缩机，在吸附塔群中，至少一个吸附塔充当脱水塔，至少一个吸附塔充当冷却再生塔，至少一个吸附塔充当热再生塔，至少一个吸附塔充当备用塔；每个吸附塔上均连接有脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管，所述脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上均设置有阀门，多根脱水进气支管通过脱水进气主管汇聚，多根脱水出气支管通过脱水出气主管汇聚，多根冷却气进气支管通过冷却气进气主管汇聚，多根冷却气出气支管通过冷却气出气主管汇聚，多根热气进气支管通过热气进气主管汇聚，多根热气出气支管通过热气出气主管汇聚；所述过滤器的进气端与脱水出气主管连通，过滤器的出气端通过过滤器第一分支出气管与冷却气进气主管连通；所述冷却气出气主管通过加热管道与热气进气主管连通，所述加热器设置在加热管道上；所述热气出气主管依次通过管道与热回收换热器、空冷器以及气液分离器连通，所述气液分离器的出气端通过回流管道与脱水进气主管连通，所述压缩机设置在回流管道上；过滤器的出气端通过过滤器第二分支出气管与热回收换热器连通，所述热回收换热器与加热管道连通。

所述多个吸附塔相互并联。

所述第二分支出气管设置有旁通阀。

所述过滤器并联设置有两个，一个常用过滤器一个备用过滤器。

一种采用所述系统的天然气分子筛吸附脱水的方法，包括以下步骤：

S1：选用5个吸附塔，指定吸附塔群中两个塔为脱水塔、一塔为冷却再生塔、一塔为热再生塔和一塔为备用塔；

S2：当脱水塔工作时，两个脱水塔上的脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门打开，冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当冷却再生塔工作时，冷却再生塔上的冷却气进气支管和冷却气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当热再生塔工作时，热再生塔上的热气进气支管和热气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

备用塔上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

S3：天然气从脱水进气支管进入脱水塔进行吸附脱水后，从脱水出气支管到过滤器的进气端进入过滤器去除颗粒杂质；

S4：从过滤器出气端经冷却气进气支管经过冷却再生塔冷却再生后，从冷却气出气支管输送到加热器；

S5：从加热器出来的天然气经过热气进气支管到热再生塔，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器、气液分离器实现气液分离，分离出来的气体经压缩机进行气体压缩；

S6：从压缩机出来的气体重复S3的步骤；

S7：打开旁通阀，来自过滤器出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器，再经加热器加热后从热气进气支管到热再生塔，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器、气液分离器实现气液分离，分离出来的气体经压缩机进行气体压缩；

S8：重复S1-S7步骤。

本发明的有益效果为：

1、降低加热器的加热负荷及空冷器的冷却负荷，从而提高热效率；

2、空冷器冷却后的天然气经气液分离器把液态水分离，然后经过压缩机加压重新回到吸附塔入口，无废气排放，避免天然气浪费或增加其他处理设备；

3、实现吸附塔多功能同时利用，减少工艺上的复杂程度。

4、采用“2+2+1”的分子筛脱水工艺流程，实现热回收利用及装置不停更换分子筛的目的；装置需要三年到五年更换一次分子筛，更换一次分子筛需要3-5天的时间，这样可以减少装置停车时间，实现连续、稳定、高效的脱水操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-吸附塔A，2-吸附塔B，3-吸附塔C，4-吸附塔D，5-吸附塔E，6-过滤器，7-加热器，8-气液分离器，9-压缩机，10-空冷器，11-热回收换热器，12-旁通阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，包括由多个吸附塔组成的吸附塔群、过滤器6、加热器7、热回收换热器11、空冷器10、气液分离器8和压缩机9，在吸附塔群中，至少一个吸附塔充当脱水塔，至少一个吸附塔充当冷却再生塔，至少一个吸附塔充当热再生塔，至少一个吸附塔充当备用塔；每个吸附塔上均连接有脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管，所述脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上均设置有阀门，多根脱水进气支管通过脱水进气主管汇聚，多根脱水出气支管通过脱水出气主管汇聚，多根冷却气进气支管通过冷却气进气主管汇聚，多根冷却气出气支管通过冷却气出气主管汇聚，多根热气进气支管通过热气进气主管汇聚，多根热气出气支管通过热气出气主管汇聚；所述过滤器的进气端与脱水出气主管连通，过滤器的出气端通过过滤器第一分支出气管与冷却气进气主管连通；所述冷却气出气主管通过加热管道与热气进气主管连通，所述加热器设置在加热管道上；所述热气出气主管依次通过管道与热回收换热器11、空冷器10以及气液分离器8连通，所述气液分离器8的出气端通过回流管道与脱水进气主管连通，所述压缩机9设置在回流管道上；过滤器6的出气端通过过滤器6第二分支出气管与热回收换热器连通，所述热回收换热器11与加热管道连通。

所述多个吸附塔相互并联。

所述第二分支出气管设置有旁通阀12。

所述过滤器6并联设置有两个，一个常用过滤器，一个备用过滤器。

一种热回收利用分子筛吸附方法，包括以下步骤：

S1：选用5个吸附塔，指定吸附塔群中两个塔为脱水塔、一塔为冷却再生塔、一塔为热再生塔和一塔为备用塔；

S2：当脱水塔工作时，两个脱水塔上的脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门打开，冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当冷却再生塔工作时，冷却再生塔上的冷却气进气支管和冷却气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当热再生塔工作时，热再生塔上的热气进气支管和热气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

备用塔上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭。

S3：天然气从脱水进气支管进入脱水塔进行吸附脱水后，从脱水出气支管到过滤器6的进气端进入过滤器去除颗粒杂质；

S4：从过滤器6出气端经冷却气进气支管经过冷却再生塔冷却再生后，从冷却气出气支管输送到加热器7；

S5：从加热器7出来的天然气经过热气进气支管到热再生塔，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩；

S6：从压缩机9出来的气体重复S3的步骤；

S7：打开旁通阀12，来自过滤器6出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器，再经加热器加热后从热气进气支管到热再生塔，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩；

S8：重复S1-S7步骤。

具体实施例1：根据调节吸附塔和各个开关阀的操作顺序，可实现吸附与再生的轮流切换：

当吸附塔A1和吸附塔B2两塔吸附脱水时，吸附塔C3冷再生、吸附塔D4热再生、吸附塔E5备用；此时吸附塔A1和吸附塔B2为两个脱水塔，吸附塔C3为冷再生塔、吸附塔D4为热再生塔，吸附塔E5为备用塔；

打开吸附塔A1和吸附塔B2上脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门，将冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔C3上的冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔D4上的热气进气支管和热气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

吸附塔E5上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

经过吸附塔A1和吸附塔B2吸附脱水后，从脱水出气主管到过滤器6的进气端进入过滤器去除颗杂质，从过滤器6出气端经冷却气进气支管经过吸附塔C3后，从冷却气出气支管输送到加热器7，从加热器7出来的天然气经过热气进气支管到吸附塔D4，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压，从压缩机9出来的气体重复吸附塔A1和吸附塔B2吸附脱水的步骤，打开旁通阀12，来自过滤器6出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器11，再经加热器7加热后从热气进气支管到吸附塔D4，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩，重复上述步骤。

具体实施例2：

当吸附塔B2和吸附塔C3两塔吸附脱水时，吸附塔D4冷再生、吸附塔A1热再生、吸附塔E5备用，此时吸附塔B2和吸附塔C3为两个脱水塔，吸附塔D4为冷再生塔、吸附塔A1为热再生塔，吸附塔E5为备用塔；

打开吸附塔B2和吸附塔C3上脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门，将冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔D4上的冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔A1上的热气进气支管和热气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

吸附塔E5上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

经过吸附塔B2和吸附塔C3吸附脱水后，从脱水出气主管到过滤器6的进气端进入过滤器去除颗杂质，从过滤器6出气端经冷却气进气支管经过吸附塔D4后，从冷却气出气支管输送到加热器7，从加热器7出来的天然气经过热气进气支管到吸附塔A1，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压，从压缩机9出来的气体重复吸附塔B2和吸附塔C3吸附脱水的步骤，打开旁通阀12，来自过滤器6出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器11，再经加热器7加热后从热气进气支管到吸附塔A1，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩，重复上述步骤。

具体实施例3：

当吸附塔C3和吸附塔D4两塔吸附脱水时，吸附塔A1冷再生、吸附塔B2热再生、吸附塔E5备用；，此时吸附塔C3和吸附塔D4为两个脱水塔，吸附塔A1为冷再生塔、吸附塔B2为热再生塔,吸附塔E5为备用塔；

打开吸附塔C3和吸附塔D4上脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门，将冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔A1上的冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔B2上的热气进气支管和热气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

吸附塔E5上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

经过吸附塔C3和吸附塔D4吸附脱水后，从脱水出气主管到过滤器6的进气端进入过滤器去除颗杂质，从过滤器6出气端经冷却气进气支管经过吸附塔A1后，从冷却气出气支管输送到加热器7，从加热器7出来的天然气经过热气进气支管到吸附塔B2，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压，从压缩机9出来的气体重复吸附塔C3和吸附塔D4吸附脱水的步骤，打开旁通阀12，来自过滤器6出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器11，再经加热器7加热后从热气进气支管到吸附塔B2，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩，重复上述步骤。

具体实施例4：

当吸附塔A1和吸附塔D4两塔吸附脱水时，吸附塔B2冷再生、吸附塔C3热再生、吸附塔E5备用；此时吸附塔A1和吸附塔D4为两个脱水塔，吸附塔B2为冷再生塔、吸附塔C3为热再生塔,吸附塔E5为备用塔。

打开吸附塔A1和吸附塔D4上脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门，将冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔B2上的冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

打开吸附塔C3上的热气进气支管和热气出气支管上的阀门，将脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

吸附塔E5上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

经过吸附塔A1和吸附塔D4吸附脱水后，从脱水出气主管到过滤器6的进气端进入过滤器去除颗杂质，从过滤器6出气端经冷却气进气支管经过吸附塔B2后，从冷却气出气支管输送到加热器7，从加热器7出来的天然气经过热气进气支管到吸附塔C3，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压，从压缩机9出来的气体重复吸附塔A1和吸附塔D4吸附脱水的步骤，打开旁通阀12，来自过滤器6出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器11，再经加热器7加热后从热气进气支管到吸附塔C3，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器10、气液分离器8实现气液分离，分离出来的气体经压缩机9进行气体压缩，重复上述步骤。

当需要更换分子筛操作时，某一塔隔离出来进行分子筛更换，另外4个塔有1个或2个塔处于吸附脱水状态，1个塔处于热再生状态，1个塔处于冷再生状态：

更换吸附塔A1分子筛时，BCDE四塔进行正常吸附与再生；

更换吸附塔B2分子筛时，ACDE四塔进行正常吸附与再生；

更换吸附塔C3分子筛时，ABDE四塔进行正常吸附与再生；

更换吸附塔D4分子筛时，ABCE四塔进行正常吸附与再生。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，其特征在于：包括由多个吸附塔组成的吸附塔群、过滤器、加热器、热回收换热器、空冷器、气液分离器和压缩机，在吸附塔群中，至少一个吸附塔充当脱水塔，至少一个吸附塔充当冷却再生塔，至少一个吸附塔充当热再生塔，至少一个吸附塔充当备用塔； 每个吸附塔上均连接有脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管，所述脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上均设置有阀门，多根脱水进气支管通过脱水进气主管汇聚，多根脱水出气支管通过脱水出气主管汇聚，多根冷却气进气支管通过冷却气进气主管汇聚，多根冷却气出气支管通过冷却气出气主管汇聚，多根热气进气支管通过热气进气主管汇聚，多根热气出气支管通过热气出气主管汇聚；所述过滤器的进气端与脱水出气主管连通，过滤器的出气端通过过滤器第一分支出气管与冷却气进气主管连通；所述冷却气出气主管通过加热管道与热气进气主管连通，所述加热器设置在加热管道上；所述热气出气主管依次通过管道与热回收换热器、空冷器以及气液分离器连通，所述气液分离器的出气端通过回流管道与脱水进气主管连通，所述压缩机设置在回流管道上；过滤器的出气端通过过滤器第二分支出气管与热回收换热器连通，所述热回收换热器与加热管道连通。

2.根据权利要求1所述的带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，其特征在于：所述多个吸附塔相互并联。

3.根据权利要求3所述的带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，其特征在于：所述第二分支出气管设置有旁通阀。

4.根据权利要求1所述的带热回收利用结构的天然气分子筛吸附脱水的系统，其特征在于：所述过滤器并联设置有两个，一个常用过滤器一个备用过滤器。

5.一种采用如权利要求1所述系统的天然气分子筛吸附脱水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选用5个吸附塔，指定吸附塔群中两个塔为脱水塔、一塔为冷却再生塔、一塔为热再生塔和一塔为备用塔；

S2：当脱水塔工作时，两个脱水塔上的脱水进气支管和脱水出气支管上的阀门打开，冷却气进气支管、冷却气出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当冷却再生塔工作时，冷却再生塔上的冷却气进气支管和冷却气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、热气进气支管和热气出气支管上的阀门关闭；

当热再生塔工作时，热再生塔上的热气进气支管和热气出气支管的阀门打开，脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门关闭；

备用塔上热气进气支管、和热气出气支管、脱水进气支管、脱水出气支管、冷却气进气支管和冷却气出气支管上的阀门都关闭；

S3：天然气从脱水进气支管进入脱水塔进行吸附脱水后，从脱水出气支管到过滤器的进气端进入过滤器去除颗粒杂质；

S4：从过滤器出气端经冷却气进气支管经过冷却再生塔冷却再生后，从冷却气出气支管输送到加热器；

S5：从加热器出来的天然气经过热气进气支管到热再生塔，进行热再生，然后从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器、气液分离器实现气液分离，分离出来的气体经压缩机进行气体压缩；

S6：从压缩机出来的气体重复S3的步骤；

S7：打开旁通阀，来自过滤器出口段的再生气，经第二分支出气管到达热回收换热器，再经 加热器加热后从热气进气支管到热再生塔，然后再从热气出气支管出来到热回收换热器进行能量的回收，后经空冷器、气液分离器实现气液分离，分离出来的气体经压缩机进行气体压缩；

S8：重复S1-S7步骤。