用于天然气脱水过程的吸附剂主要有活性铝土矿、活性氧化铝、硅胶、分子筛等。其中分子筛具有较大的吸附表面积，吸附活性及吸附容量较高，在使用过程中活性保持良好，使用寿命长，有较高的吸附传质速度，能简便而经济地再生，吸水后能保持较好的机械强度，具有较大的堆积密度，有良好的化学稳定性、热稳定性以及价格适宜、原料充足等特性，在天然气脱水中得到了广泛的应用。
采用不同吸附剂的天然气脱水装置其工艺流程基本上是相同的，吸附剂可以互换而无需对装置进行特别的改动。目前天然气脱水吸附设备为固定床吸附塔，为保证装置的连续操作，每套装置至少需要设置两台吸附塔，当一塔处于吸附状态时，另一塔进行吸附剂的再生和冷却，两塔切换操作。在3塔或多塔装置中，切换程序有所不同，普通的3塔流程通常按一塔脱水，一塔再生，另一塔冷却进行设计[1]。
固体吸附法具有以下优点：脱水后的干气中水含量可低于1×10-6(φ)，水露点可低于-100 ℃；对进料气体温度、压力和流量的变化不敏感；装置设计和操作简单，占地面积小[1-3]。
分子筛脱水装置的能耗通常较高，特别是对于处理量较小的装置，其脱水操作成本较高，采用合理的工艺方案、巧妙的设备设计及优化的操作参数，可最大限度地降低装置的能耗水平，提高分子筛脱水装置的经济效益[4]。
用于天然气处理工业的分子筛吸附剂应具有较大的吸附表面积；对脱除的物质具有较好的吸附活性及对要脱除的组分具有较高的吸附容量，在使用过程活性保持良好，使用寿命长；有较高的吸附传质速度；能简便而经济地再生；吸水后能保持较好的机械强度；具有较大的堆积密度，有良好的化学稳定性、热稳定性以及价格适宜、原料充足等特性[1]。
吸附水后的分子筛需再生后才能再次进行吸附脱水操作，由于4塔方案的设备投资、再生气用量及操作费用均少于3塔方案，故分子筛脱水装置3塔流程在投资及能耗方面均无优势[5-7]，因此分子筛脱水装置多采用两塔流程或4塔流程。再生多采用效果较好的降压加热再生方式。
采用两塔流程，装置运行时保持一塔吸附、一塔再生及冷吹, 其流程详见图 1。由于只有一台吸附塔冷却、再生，冷吹时再生气加热炉需停炉，不能连续操作，几小时后再启动加热炉时炉膛温度已经下降了很多，需要再次升温到操作温度，热量损失较大。相同处理量时, 由于两塔流程吸附塔尺寸及质量均较4塔大，故再生时再生气流量较4塔流程高。
采用4塔流程，装置运行时保持两塔吸附、一塔冷吹、一塔再生，流程详见图 2。4塔流程保证了原料气、产品气系统流量稳定，再生气加热炉连续操作，不存在炉膛热量损失的情况。同一股气流，先用作冷吹气，后用作再生气，既减少了再生气用量，又可回收吸附塔及分子筛吸收的热量，从而降低再生气加热炉的燃料气耗量，使综合能耗大幅度降低[6]。
以哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程为例，其430×104 m3/d 4塔分子筛脱水装置再生气流量为10 000 m3/h~14 000 m3/h(20 ℃，101.325 kPa，除特别说明外，下同)，燃料气耗量为100 m3/h~120 m3/h。而相同工况的一套200×104 m3/d两塔流程分子筛脱水装置再生气流量却达到14 000 m3/h，燃料气耗量达到了150 m3/h。可见工艺流程的选用对分子筛脱水装置的能耗而言至关重要。通常处理量超过20×104 m3/d后，随着处理量的增加，两塔分子筛脱水装置吸附塔及切换阀投资增加较多，此时选择4塔流程在技术经济方面更具优势。
循环使用的再生气中通常含有游离水，但常规的分子筛脱水装置均未设置再生气入口分离器，使得再生气将游离水带入分子筛吸附塔，这势必会增大吸附塔的脱水负荷，影响再生效果。通过在再生气进入分子筛吸附塔前增加再生气分离器即可解决这一问题。哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程分子筛脱水装置投产后再生气入口分离器每小时正常排液1次，装置在投产初期再生气入口分离器每15 min即排液1次。可见再生气重烃含量较高时，再生气入口分离器的设置对分子筛脱水装置而言是非常必要的[8]。
为节省燃料气耗量，增加装置的安全性，分子筛脱水装置采用4塔流程时可增设一台再生气/冷吹气换热器，流程详见图 2。当一台分子筛吸附塔处于热吹状态时，另一台正好处于冷吹状态。采用再生气/冷吹气换热器将出冷吹塔的再生气用正处于热吹状态的分子筛塔的再生气进行加热，这样，作热吹气的再生气就在进再生气加热炉前进行了预热，热吹后的再生气也在进空冷器前进行了预冷，大大降低了再生气加热炉及再生气空冷器的热负荷，使再生气加热炉燃料气消耗及再生气空冷器电耗也相对降低。该流程已在让纳若尔油田第三油气处理厂一期工程、土库曼巴格德雷合同区域A区块地面工程天然气处理厂、哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程等大型分子筛脱水装置中成功应用，其节能降温效果非常明显，作热吹气的再生气在进再生气加热炉前由10 ℃预热到至120 ℃，热吹后的再生气也在进空冷器前由220 ℃预冷至100 ℃。
一方面，由于分子筛脱水装置再生时再生气温度通常在230 ℃~370 ℃，与环境温度差别较大，另一方面，再生气加热炉与装置区由于安全间距的要求通常距离较远，因此高温再生气管线一般较长，高温再生气流经的管道、管件、阀门、设备热损失较大。为降低分子筛脱水装置的热量损失，采用较好的保温材料及合理的保温厚度尤为重要。
分子筛脱水装置管线、设备保温层经济厚度的选取需根据被保温管道、设备的外壁温度、周围环境温度、室外风速、保温隔热层的导热系数等参数计算后确定。尽可能采用有足够机械强度、有良好的保护层、阻燃、保温效果好、憎水型的保温材料。
保温材料选用复合硅酸盐管材及板材较经济合理且保温效果良好。但由于再生气管线上管件、阀门、设备较多，需保温部分外表面形状不规则且变化较大，对保温施工要求较高，特别是外保护层的安装需要较为专业的技能。
设置原料气入口分离器及再生气入口分离器可最大限度地降低分子筛吸附塔的脱水负荷，保护分子筛，避免因液烃在分子筛上附着导致的分子筛吸附能力降低，保证了分子筛的再生效果。
原料气入口分离器可采用带两种高效分离元件的组合式分离器。一种分离元件采用旋风分离元件分离出原料气中粒径较大的机械杂质及大部分液态水及烃类，另一种分离元件采用高效滤芯，分离出较小粒径的液态水及烃类，从而保证最大限度地脱除进入分子筛吸附塔的原料气中的游离水及液烃。对于粒径为1 μm以上的液滴，其脱除率大于99.9% 。
由于分子筛脱水再生气通常采用脱水后的产品气降压得到，故再生气中无游离水。但由于产品气中可能含有液态烃类，再生气入口分离器可采用分离效果较好的带板片式分离元件的两相分离器。
分子筛脱水装置最大的能耗是再生加热分子筛。采用内衬里的结构可最大限度地减少再生气用量，节约装置操作费用，详见图 3。如哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程分子筛脱水装置由于分子筛再生温度高达240 ℃，再生时需用加热炉将14 000 m3/h的再生气从10 ℃左右加热至240 ℃。再生气加热分子筛的同时也要加热塔内吸附的水、烃、塔体、瓷球、支撑。塔体金属质量达52.3 t，钢的比热为2.09 kJ/(kg·℃)，若无内衬里则仅加热塔体就需要17.52×106 kJ的热量。
采用保温层、耐磨层、龟甲网组合结构内衬里的分子筛脱水塔再生时，再生气仅加热了衬里，塔体温度变化很小，衬里材料质量为7.7 t，其比热仅为0.837 kJ/(kg·℃)，加热衬里仅需要1.16×106 kJ的热量。在分子筛脱水装置的每个吸附周期内，仅此一项就可节约燃料气465 m3。而吸附塔采用内衬里结构后，每个吸附周期的实际燃料气耗量仅1 440 m3，节能效果非常明显。由于内保温对施工要求较高，通常内保温施工需要在机加工、热处理条件较好的设备制造厂内进行。
分子筛脱水装置一般采用立式圆筒炉、导热油炉等加热炉作为再生气加热设备。由于立式圆筒炉结构相对简单、可靠性较高，立式圆筒炉无转动风机、循环泵等自身耗能设备，故在天然气分子筛脱水装置中使用非常广泛。
立式圆筒炉由燃烧器及点火控制系统、炉膛、炉管、烟囱等部件组成。为了充分利用燃料气燃烧后的能量，应合理设计加热炉节圆直径、耐火砖厚度、炉管高度、炉管直径、排列方式及数量等结构参数，使火墙温度、管内流速、过剩空气系数、烟囱抽力、排气温度等性能参数处于较佳的数值范围内。
此外，对于处理量较大的分子筛脱水装置，由于再生气量较大，故加热炉的热负荷也较大，为提高加热炉的热效率可在辐射段的基础上增设对流段。哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程分子筛脱水装置的加热炉设置对流段的立式圆筒炉，装置运行后烟囱出口温度约180 ℃，热效率约为75%。而未设置对流段的加热炉烟囱出口温度通常为400 ℃左右，热效率仅约60%。可见对流段的设置对立式圆筒炉的热效率提高作用是非常明显的。立式圆筒炉对流段通常水平布置对流管，对流段长度大于2 m，故设对流段的立式圆筒炉直径应大于2.2 m。
分子筛脱水装置热量交换还使用到了再生气/冷吹气换热器及再生气空冷器。设计时确定合理的工艺参数对分子筛脱水装置的投资及节能效果影响均较大。
由于进出再生气/冷吹气换热器的热再生气及冷吹气流量、压力基本不变，但温度是不断变化的，通常采用进出口的平均温度作为再生气/冷吹气换热器的入口温度设计值, 较能反映实际工况且设备投资较省。
根据当地气象条件，对管程数、管排数、管排尺寸、翅片管结构尺寸及排列方式、风量等参数进行优化设计。在压降合理的前提下，尽可能提高传热系数，降低风机电耗量。再生气空冷器多采用两管程的干式空冷器，设两台风机。每台风机采用高低速两档或变频调速的方式，根据气温及时调整供风量，减少风机电耗。
分子筛脱水装置能耗是随装置的脱水负荷变化的，脱水负荷大则能耗高。进分子筛脱水装置前通常设有压缩机、脱硫装置等。通过对压缩机、脱硫装置的操作参数进行调整可在一定范围内对进脱水装置原料气的温度、压力进行调整。在相同的气质及流量条件下，原料气温度越低、压力越高，原料气含水量则越低，分子筛脱水装置的负荷就越低。通过技术经济的比较即可确定最佳的操作参数。
哈萨克斯坦让纳若尔油田湿气回注工程分子筛脱水装置根据气温条件将进装置前压缩机出口温度由45 ℃降至30 ℃，分子筛脱水装置脱水负荷大大降低，装置能耗也大幅降低了。
分子筛脱水装置再生气用量越低则装置能耗越低。再生气用量与再生气压力、温度有直接关系。再生气压力越低、冷吹时温度越低；再生时温度越高，再生气用量就越少。分子筛脱水装置操作时应在再生气管线压降满足要求的前提下，尽可能降低再生气压力。
当装置投产后可根据在线水露点分析仪在产品气合格的条件下降低再生气用量，调整再生气出口压力调节阀及再生气入口压力调节阀，使分子筛脱水装置整个再生流程压降尽可能小，从而使再生压力尽可能低，以保证较好的再生效果。
分子筛脱水装置再生气加热炉采用立式圆筒炉时，烟囱的抽力使空气进入加热炉，与燃料气混合并充分燃烧。空气量过少则热分布情况不佳，燃烧不充分，可能产生积炭、黑烟现象，并导致燃料气耗量增加。空气量过多则会降低火焰温度及辐射热效率，从而降低炉膛温度，使烟气带走的热量增加，燃料气耗量也会相应地增加。
烟囱的抽力与空气温度、密度、大气压密切相关。故分子筛脱水装置运行时，应根据加热炉上测得的烟囱抽力和炉膛压力的差压表及压力表数值(炉膛出口处负压值控制在20 Pa ~ 50 Pa)，及时调整烟囱挡板的开度及燃烧器进风档板的开度，既要保证燃料气充分燃烧，使火焰呈黄蓝色，又要保证不会有过多的冷空气进入加热炉，提高燃料气利用效率，从而降低装置操作能耗。
分子筛脱水装置再生气加热分子筛后需进入再生气空冷器进行冷却，再经再生气出口分离器分离出液态水后出装置。通常再生气出装置温度控制在50 ℃以下即可。
由于空冷器受环境温度、空气湿度、室外风速等因素影响较大，而空冷器通常是按较恶劣的气象条件进行设计的。因此，装置运行时应根据再生气出空冷器的温度及时调整百叶窗开度、风机运行台数及风机转速(如果有变频或快、慢速档)，在保证工艺条件的前题下，尽可能地降低空冷器电耗，从而降低装置的综合能耗。
采用合理的工艺流程及工艺参数是分子筛脱水装置节能设计的关键点，主工艺流程上的工艺参数决定了分子筛脱水装置综合能耗水平及装置的经济效益优劣。优化设备的结构设计及工艺操作参数可最大限度地发挥设备及装置的节能效果。
通过对工艺流程及工艺参数、设备结构的优化设计并在装置的操作运行过程中根据不同工况不断优化各项操作参数，合理调整再生气流量，降低燃料气耗量，既可获得合格的产品气，又可取得最佳的节能效果及经济效益。
2012, Vol. 41 Issue (2): 156-160
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