2009年阿克纠宾油气股份公司为哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程招标一套分子筛脱水装置，装置原料气处理量430×104 m3/d(20 ℃，101.325 kPa(A))，压力为8.0 MPa~11.5 MPa(G)，原料气温度40 ℃~55 ℃，原料天然气中C3+含量11.9 %(y)，H2S含量2.5% (y)，CO2含量0.2%~0.7%(y)，硫醇530 mg/m3，O2含量0.2%(y)。由于原料气气质特殊，中国石油集团工程设计责任有限公司西南分公司综合考虑该装置的工况条件及气质条件后，对此设计出一套橇装分子筛脱水装置。
原料气所处工况点(特别是8.1 MPa，40 ℃时)位于相包络图两相点附近。原料气经过很小的压降(0.06 MPa)及温度降(0.58 ℃)后即进入两相区，并生成较多的液态烃(458.6 kg/h，3 668.8 kg/吸附周期)。故装置在设计时需解决原料气进入吸附塔后生成游离水及液体烃、冷吹气进入吸附塔后生成液体烃等一系列问题。据业主技术人员反映：阿克纠宾油气股份公司在哈萨克斯坦让纳若尔油田有一套类似工况的分子筛脱水装置，经常出现分子筛吸附塔被游离水及液体烃淹塔的情况。
因原料气及再生气中有0.2%(y)的O2、2.5%(y)的H2S，当分子筛脱水装置处于再生状态时，若再生温度超过250 ℃，则可能会在吸附塔中发生克劳斯反应并生成单质硫。随着单质硫在再生系统中的累积，将引发再生气系统中的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道的堵塞问题，并最终导致装置无法维持正常生产而被迫停工。
为适应该工况条件及气质条件，分子筛脱水工艺方案从工艺流程的设置、操作参数的优化、设备的选型、材料的选择等方面进行综合考虑，解决了原料气及冷吹气在进入吸附塔前生成游离水及液体烃、克劳斯反应生成的单质硫，在再生系统的设备、阀门及管道中累积，从而造成再生气系统堵塞等一系列问题。
本工艺方案的实施，成功地解决了阿克纠宾油气股份公司的脱水问题，对于类似特殊气质条件的天然气脱水具有重要的参考价值。
分子筛脱水塔采用两塔同时吸附脱水、一塔再生、一塔冷吹的四塔流程，冷却后的富再生气返回到湿气回注站压缩机一级分离器入口，流程成熟可靠。其工艺方法简单描述如下：
40 ℃~55 ℃的原料气进入本装置原料气分离器，分离出游离水及烃类液滴后从分子筛脱水塔的顶部进入，自上而下在分子筛脱水塔内完成吸附脱水过程。干燥后的天然气经产品气粉尘过滤器过滤后出装置。
本工程采用干气低压再生，热再生气自下而上吹扫分子筛床层，从产品气粉尘过滤器出来的部分产品气经调节阀减压至3.7 MPa(G)后，再经再生气入口分离器分离出烃类液滴后用作再生气，再生气流量为33.68×104 m3/d。再生气先自上而下进入分子筛脱水塔冷吹，冷吹后再经再生气/冷吹气换热器预热后进入再生气加热炉加热，从下部进入分子筛脱水塔。分子筛吸附的水被230 ℃的高温再生气加热脱附，脱附后的饱和水与再生气一起进入再生气/冷吹气换热器，温度降至140 ℃，若有单质硫生成，则在该温度下为雾状液态硫，通过液硫分离器脱除可能生成的微量雾状液硫，再经再生气空冷器冷却至50 ℃。冷却后的再生气经再生气出口分离器分离出游离水后，返回到压缩机一级分离器入口，完成再生气循环。
采用四塔流程，分子筛脱水塔的1个操作周期为12 h，其中：吸附6 h，再生3 h，冷却2 h(吸附塔冷却至比原料气入口温度高5 ℃时，冷吹气由吸附塔旁通至加热炉)，升降压转换时间各0.5 h。运行期间保持两塔吸附、一塔冷却、一塔再生。保证系统中原料气、产品气流量稳定，再生气加热炉连续操作。冷吹气和再生气共用一股气流，既减少了再生气用量，又回收了吸附塔及分子筛吸收的热量，降低了能耗及燃料气耗量。
工艺方法详见分子筛脱水装置工艺流程图(见图 1)。
装置设计处理能力为430×104 m3/d，操作弹性为50%~100%，产品气水露点要求≤-40 ℃(出装置压力条件下)。装置设计使用寿命25年，每年连续操作时间不少于350天。每天24 h操作，每周运行7天。
原料气组成(干基)见表 1。
原料气相包络图如图 2所示，原料气所处工况点(特别是8.1 MPa，40 ℃时)在相包络图两相点附近。原料气降压约0.06 MPa，同时温度降低0.58 ℃后进入两相区，经模拟计算将会生成较多的液态烃类(458.6 kg/h，3 668.8 kg/吸附周期)。故原料气进入吸附塔前必须进行液烃分离。设计中使用原料气分离器分离出游离水及烃类液滴，在冷却过程，当吸附塔温度冷至比原料气入口温度高5 ℃时，冷吹气由吸附塔旁通至加热炉，从而保证吸附操作前期原料气不会在吸附塔内生成游离水及烃类液滴。
再生气由产品气降压得到，由于产品气重烃含量同样很高，对于再生气流量为33.68×104 m3/d的情况，当产品气由11.2 MPa(G)降至3.7 MPa(G)时，再生气将析出液态烃946.9 kg/h，10 415.9 kg/吸附周期，极有可能发生液态烃淹塔现象。故再生气在进入吸附塔前必须进行液烃分离。设计中使用再生气入口分离器分离出析出的液体烃类液滴。
因原料气及再生气中有0.2%(y)的O2、2.5%(y)的H2S，当再生温度高于250 ℃时，常规分子筛对H2S与O2的克劳斯反应有催化作用，再生时可能会在吸附塔中发生克劳斯反应生成单质硫。为避免克劳斯反应的发生，本设计一方面采用了不含Al2O3且不吸附H2S的特殊酸性分子筛或复合型分子筛，从而降低H2S在分子筛上发生克劳斯反应的反应率。另一方面，采用230 ℃的再生温度，使其偏离克劳斯反应发生的温度条件，减少反应产生的单质硫量。此外，高温再生气出再生气/冷吹气换热器的温度不低于140 ℃，有可能携带微量液硫的高温再生气走管程，高温再生气出再生气/冷吹气换热器后采用液硫分离器分离出液态的单质硫。在再生气冷却过程中，单质硫凝固前将其聚结分离后脱除，避免可能生成的微量单质硫堵塞再生气管路中的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道。同时，再生气/冷吹气换热器、空冷器、再生气出口分离器均按可能存在液硫或固体硫磺颗粒进行选型设计。
为节省燃料气耗量，增加装置的安全性能，本设计增加了一台再生气/冷吹气换热器。当一台分子筛吸附塔转入冷吹流程时，因该吸附塔刚完成再生加热，吸附塔的温度较高，从吸附塔出来的冷吹气温度亦较高，若再进入再生气加热炉，由于再生气加热炉内温度也较高，因此再生气加热炉出口的再生气温度短时间内超高，将导致再生气加热炉燃料气连锁切断阀频繁动作。为避免再生气加热炉出口温度超高并回收再生气热能，减少再生气加热炉燃料气耗量及再生气空冷器电耗，设置了再生气/冷吹气换热器(E-1302)。该流程已在让纳若尔油田第三油气处理厂一期工程脱水装置中成功应用(原料气处理量600×104 m3/d，四塔低压再生流程)，节能降温效果非常好。
再生气加热炉采用效率较高的带对流段及辐射段的立式圆筒加热炉，其燃烧器操作平稳可靠，并设置了可靠的熄火安全连锁保护系统。
(1) 原料气脱水采用四塔低压再生流程，分子筛吸附、再生过程的切换周期合理。设备投资少，能耗显著下降。再生气用量小、能耗低，且再生气加热炉连续工作，装置可长周期正常、平稳地运行。吸附塔切换采用自动切换阀，流程安全可靠，分子筛使用寿命长。
(2) 进入吸附塔的原料气及再生气均设置了游离水及液体烃的分离设施，保证分子筛脱水装置不会出现游离水及液体烃淹塔的现象。从而保证装置的长期、平稳、安全、可靠运行。
(3) 在操作参数优化、设备选型、材料选择上，采取了避免单质硫生成及堵塞管路的措施。
(4) 采用了带内衬里的分子筛吸附塔、再生气/冷吹气换热器、效率较高的带对流段，及辐射段的立式圆筒加热炉、再生气空冷器等安全、高效、节能设备，与常规分子筛脱水装置相比，装置运行费用大幅度降低，且运行更加平稳、安全、可靠。
(5) 整套装置采用橇装化布置，除加热炉必须在现场制作外，其余设备均可在设备制造厂内加工制作并组橇，设备、管线安装质量均可得到保证。分子筛吸收塔及橇的重量、尺寸均不超限，可直接运输，从而降低装置的制造成本，增加装置的经济效益。
原料气分离器采用带高效分离元件的立式旋流分离器，产品气粉尘过滤器采用立式过滤器。
产品气粉尘过滤器过滤精度≥1 μm，杂质脱除率不低于99.8%。在工况点的压降低于0.015 MPa，且过滤元件在正常工况下的实际使用周期不少于12个月，为便于操作和更换滤芯，该过滤器带有快开盲板。
再生气/冷吹气换热器采用浮头式换热器，壳体材质选用20R，换热管材质20G，换热器采用单管程换热器且换热面积不增加裕量，保证高温再生气出换热器温度不低于140 ℃。有可能携带液硫的高温再生气走管程，管束无介质流动死角，减少换热器发生硫堵的可能性。
分子筛脱水塔壳体材质选用16MnR(HIC)，采用耐热层衬里，保温。由于吸附塔吸附-再生操作切换频繁，可能使设备产生疲劳，需对其进行应力分析和疲劳强度校核(SAD)。
再生气入口分离器、再生气出口分离器选用带高效分离元件的立式分离器，以方便操作、提高分离效率、减小设备尺寸，从而节省占地面积。
再生气空冷器采用干式空冷器，换热管采用304L材质，采用单管程空冷器，可能携带液硫的高温再生气走管程，管束无介质流动死角，减少硫堵塞空冷器管束的可能性。风机叶片采用铝合金材质。
组合式设备，上部为分离器，下部为液硫收集罐，整个设备保温，下部电伴热，设备上部与下部间可通过阀门切断以方便液硫的排出，下部液硫收集罐为带手孔的可拆卸型式，若发生硫堵时可方便地卸下疏通。
本设计在装置内设置了一台氮气电加热器，当再生气/冷吹气换热器、再生气空冷器、液硫分离器、再生气出口分离器等设备发生硫堵时，该设备可用于解堵吹扫，也可用于装置检修时的吹扫。氮气加热器可根据需要手动调节氮气出口的温度及流量。
再生气加热炉采用效率较高的带对流段及辐射段的立式圆筒加热炉，燃料气管线上设置连锁切断功能阀，壳体材质为Q235-B, 炉管材质为316L。
(1) 吸附剂采用不含Al2O3且不吸附H2S的特殊酸性分子筛或复合型分子筛，使分子筛不会成为克劳斯反应的催化剂。
(2) 原料气分离器、产品气粉尘过滤器、分子筛脱水塔壳体材质选用16 MnR(HIC)，再生气/冷吹气换热器、再生气入口分离器、再生气出口分离器、液硫分离器、氮气电加热器壳体材质选用20R，再生气加热炉壳体材质Q235-B, 炉管材质316L，再生气空冷器换热管材质采用304L。
(3) 原料气、产品气管道采用20G高压锅炉用无缝钢管(GB 5310-2008)。再生气、冷吹气、净化空气、氮气、低压排污及放空管管道，采用20号钢。输送流体用无缝钢管(GB/T 8163-2008)。
(4) 设备及管道保温和防烫，采用保温性能较好的复合硅酸盐板材及管壳，在保证保温效果的同时，最大限度地节省投资。
本工程装置处理规模430×104 m3/d，根据GB 50183-2004“石油天然气工程设计防火规范”的站场分级规定，该站为三级站。本装置的平、竖面布置，本着紧凑、美观、安全及有利于操作、检修的原则，采用流程式布置方式。主管廊和设备轴线与上、下游装置协调一致。
全部设备露天布置于主管廊的一侧，平面布置详见图 3。本装置加热炉与设备(介质为天然气)的外壁间距不小于20 m。
(1) 采用四塔流程，同一股气流既作为冷吹气又作为再生气，再生气流量比两塔流程大大减少。再生气/冷吹气换热器利用热吹后分子筛和吸附塔的热量加热进入再生气加热炉前的再生气，降低装置能耗。再生气冷却器采用空冷器节能效果显著。
(2) 分子筛脱水塔的内衬里采用高效绝热材料，可降低再生所需热量。此外，装置采用橇装型式，设备间距小，加热管道短，最大限度地降低了再生燃料气的耗量。
(3) 再生气加热炉采用热效率较高的带对流室的圆筒式加热炉，加热后的再生气管线采用保温材料保温，以减少热量的损失。
(4) 富再生气采用空冷器进行冷却，整套装置无需供给循环水。
本方案装置总能耗见表 2。
从表 2可以看出，本方案装置总能耗较低。
本分子筛脱水工艺方案完全能适应原料气工况条件及气质条件，达到产品气的水露点要求。
本方案成功地解决了原料气及再生气析出游离水及液体烃，使装置不能长周期安全平稳运行的问题。
本方案解决了因原料气及再生气中含有O2、H2S，再生时可能发生克劳斯反应生成微量单质硫，从而在再生气系统的换热器、空冷器、分离器、阀门及管道中形成硫堵的问题，保证了装置的长周期安全平稳运行。
本方案采取了多项安全节能措施，选用了多种节能设备，单位产量能耗低，设备布置紧凑，占地面积少，可靠性高，装置投资少。
本方案通过对工艺流程的精心设计，优化各项工艺设计参数，合理调整再生气流量，既可解决阿克纠宾油气股分公司的天然气脱水问题，获得合格的产品气，又可取得最佳的节能效果及经济效益。
2011, Vol. 40 Issue (2): 141-145, 159
2011, Vol. 40 Issue (2): 141-145, 159