HYSYS动态减压模块在天然气分子筛脱水塔升降压孔板计算中的应用

邸志国

（大庆石化工程有限公司，黑龙江 大庆 163714）

随着经济和科学技术的不断发展，人类的环境保护意识与日俱增。天然气作为一种清洁能源，越来越受到关注。然而，开采的天然气中存在饱和水，在天然气管输、陆上终端和液化等过程中，天然气中水的存在往往会造成严重的后果：水与天然气形成水合物，可造成阀门、管线和设备堵塞；水的存在将加速H2S或CO2对管线和设备的腐蚀；水的析出将降低管道输送能力，造成不必要的动力消耗及增加设备投资[1]。因此，天然气脱水是天然气加工、处理与储运中的重要装置之一，它往往是天然气后续加工工艺正常操作的必要条件。

目前，工业上有很多种天然气脱水方法，较为常用的有传统的溶剂吸收法，低温冷凝法，固体吸附法，膜分离法和超音速法等[2,3]。

1 固体吸附法脱水工艺

固体吸附法脱水适用于要求水露点较低的场合。目前常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛。分子筛具有较大的比表面积和适宜的孔道结构，对脱水具有较高的吸附容量和选择性，使用寿命较长，不易被液体水破坏，被广泛用于天然气深度脱水工艺。分子筛脱水后产品气中水质量浓度可低至1mg·L-1,露点可控制至-100℃[2]。

目前，天然气的分子筛吸附脱水装置多为固定床吸附塔。为保证装置连续操作，工业上常采用双塔流程和三塔流程。分子筛脱水属于气固吸附过程，是一个可逆过程。分子筛在低温高压下吸附至临近饱和时，通过升高温度、降低压力被吸附物质从分子筛表面脱附再生。再生气和冷吹气宜采用净化后的干天然气。由于压力低有利于分子筛的再生效果，因此，在分子筛吸附塔再生之前会有泄压过程，再生结束，吸附之前会有充压过程。如果充压速度过快，易造成吸附塔内分子筛振动，导致床层松动，最终造成分子筛粉化，粉化的分子筛随气体进入下游装置，导致换热器换热效果变差，分子筛床层压力升高，冷箱压差变大，影响装置的正常运行，缩短分子筛的使用寿命。分子筛升降压速度应小于300kPa·min-1[4,5]。

2 分子筛脱水塔升降压孔板流量和升降压速度的计算

分子筛升降压孔板的流量和升降压速度的选取至关重要。为了控制分子筛的升降压速度，在分子筛塔再生和干燥脱水切换过程中，设计了升压孔板和降压孔板用于控制分子筛塔再生过程中的升降压速度。

某天然气公司油气加工大队采用3A分子筛双塔吸附脱水工艺，一个塔吸附，另一个塔保持再生。

分子筛塔操作条件如下：

吸附条件为P1=4.35MPaG，T1=40℃；

泄压条件为P2=1.05MPaG，T2=40℃。

分子筛脱水塔直径为1800mm，切线长为7200mm，标准椭圆封头。

2.1 状态方程法（平均值法）

采用状态方程法计算出分子筛塔升降压状态下介质的密度差，进而计算出在给定时间内通过升降压孔板的平均流量，也可以计算出在给定时间内分子筛平均升降压速度。

为了简化计算，本计算不考虑分子筛及塔内件的体积，举例计算泄放时间为15min时的计算过程。

计算的分子筛塔体积V=19.85m3。

吸附条件下吸附塔内天然气密度：

ρ1=40.45kg·m-3；

泄压条件下吸附塔内天然气密度：

ρ2=9.48kg·m-3；

预估孔板泄放时间：t=15min；

孔板的平均泄放流量：

W=60×（ρ1-ρ2）×V/t=2459.0kg·h-1；

分子筛平均泄压速度：

△P=（P1-P2）/t=220kPa·min-1。

同理，分别计算了预估泄放时间为20、25和30min时孔板的平均流量和平均升降压速度。各泄压时间下孔板的平均流量和平均升降压速度详见表2。

2.2 HYSYS动态减压模块的应用

分子筛的降压过程属于动态泄放过程，使用HYSYS模拟软件建立模型，调用动态减压模块求解。分子筛脱水塔的升压过程是降压过程的逆过程，升压过程通过孔板的流量等于降压过程流经孔板的流量。HYSYS动态模拟的主流程和子流程见图1、2。

图1 动态模拟主流程Fig.1 Dynamic simulation of main flow

图2 动态模拟子流程Fig.2 Dynamic simulation sub process

使用HYSYS动态减压模块分别计算了在泄放时间15、20、25和30min时孔板的流量和降压速度。各个泄放时间下的孔板泄放流量和泄压速度见表1。笔者也对状态方程法和HYSYS动态模块计算结果进行了对比。状态方程法和HYSYS动态法的主要计算结果见表2。

表1 HYSYS动态法计算结果Tab.1 HYSYSdynamic method calculation results

从表1中不难发现,升降压孔板流量和升降压速度为动态值。当降压泄放时间为15min时，在第1min时分子筛床层泄压速度为416kPa·min-1，在第4min后泄压速度才满足300kPa·min-1要求。当降压泄放时间为20min时，在第1min时分子筛床层泄压速度为316kPa·min-1，在第2min后泄压速度才满足300kPa·min-1要求。当泄放时间在25min时以上时，分子筛床层泄压速度才满足300kPa·min-1的要求。

表2 状态方程法和动态法计算结果对比表Tab.2 Comparison table of calculation results of state equation method and dynamic method

从表2中不难发现，采用状态方程法计算的升降压孔板流量值偏低，分子筛塔升降压速度值偏低。分子筛床层最大升降压速度均满足300kPa·min-1的要求。软件计算的孔板流量均大于状态方程法计算的孔板流量大。当切换时间在25min时以上时，分子筛床层泄压速度才满足300kPa·min-1的要求。

3 结论

本文采用状态方程法和HYSYS动态法分别计算了某分子筛脱水塔吸附和再生过程中升降压孔板的流量和升降压速度。并对两种方法的计算结果进行了分析和对比。采用HYSYS软件计算的升降压孔板流量和升降压速度均为动态值。HYSYS动态计算过程更接近于分子筛塔再生的真实过程。

因此，推荐使用HYSYS动态减压过程模拟计算分子筛塔再生时的升降压过程。该分子筛塔降压泄放时间选定25min，分子筛床层最大泄压速度小于标准规定值，对分子筛床层影响小。