天然气脱水塔的设计

赵永刚

摘  要：为了获得最佳的天然气开采效果，针对天然气脱水塔设计展开分析。介绍脱水塔设计条件，从确定干燥塔数量、再生气方案设计、分子筛脱水塔设计、干燥塔时间分配方案四个方面阐述脱水塔设计方案，最后从运用变气量再生技术、改变操作时间、变气量解吸处理、调整再生气量四个方面提出设计优化建议，总结科学的脱水塔设计方案，提高天然气脱水质量，为油藏开采工作提供先进的设备支持。

关键词：天然气;脱水塔;油藏;水蒸气

中图分类号：TE96         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0068-02

Abstract： In order to obtain the best effect of natural gas exploitation， the design of natural gas dehydration tower is analyzed. This paper introduces the design conditions of dehydration tower， and expounds the design scheme of dehydration tower from four aspects： determining the number of drying tower， the design of regeneration scheme， the design of molecular sieve dehydration tower， and the time distribution scheme of drying tower. Finally， the design optimization suggestions are put forward from the following four aspects： the application of variable gas regeneration technology， changing operation time， variable gas desorption treatment and adjusting the amount of regenerated gas， and then summarizes the scientific design scheme of dewatering tower to improve the dehydration quality of natural gas， so as to provide advanced equipment support for reservoir production.

Keywords： natural gas; dehydration tower; reservoir; water vapor

天然气往往在离开油藏时含有大量水蒸气，受天然气压力、温度变化的影响，水蒸气有可能会形成水化物，水化物一旦出现局部积累，会对管线内部天然气流通率带来限制，导致出现管线压降、输气量降低等现象，如果情节比较严重还会堵塞管道，直接中断输气。天然气如果形成水分，还会破坏设备、仪表与管线，导致出现腐蚀。所以，为了解决该问题，设计脱水塔非常必要。对于脱水塔的设计，期间存在诸多影响因素，具体需要设计科学的设计方案，为此下面围绕这一问题展开分析。

1 脱水塔设计条件

在诸多脱水塔设计方法中，最常用的一种为分子筛脱水法，采用该方法设计天然气脱水塔，需要选择合理的吸附剂，分子筛类型比较多，按照孔径与分子筛内部SiO2、Al2O3摩尔比，可以大概确定分子筛的几种型号，包括3A、4A、5A[1]。目前复合固体吸附剂的应用最为普遍，主要原因是该吸附剂性能极佳，可以将活性氧化铝、分子筛结合，将氧化铝床层视为分子筛保护层，湿气分别经过活性氧化铝床层与分子筛床层。因为活性氧化铝与分子筛相比，在价格与再生时能耗方面具有極大的优势，不仅可以节省投资，还能够确保干气露点。所以设计天然气脱水塔时建议采用复合固体脱水吸附剂。

2 天然气脱水塔设计方案

2.1 确定干燥塔数量

如果采用分子筛脱水方法，在设计脱水塔时分为二塔流程、三塔流程、四塔流程。其中二塔式天然气脱水塔的设计，是一塔吸附、一塔再生同时进行，再生气加热、冷吹期间则采用间断操作的方法;三塔式设计时，将其中一塔调整为吸附状态，剩余两塔分别处在加热、冷吹状态，再生气环节连续进行;四塔设计所使用的和三塔相似度极高，但是区别在于吸附周期更长，再生气环节依然连续进行[2]。具体设计要结合天然气脱水塔设计实际情况，确定不同塔的数量与参数。

分析可知，三塔设计中的分子筛装填量小，但设备的总重量却比较大。四塔设计中的单塔天然气流量是二塔、三塔的50%，单塔设计需要的壳体直径比较小，壁厚薄，因此总重量与三塔相比更小，天然气处理量更大。另外，四塔设计中涉及到的再生气量在所有种类中最小，并且再生气为连续操作，所以在设计天然气脱水塔时采用四塔式脱水流程为宜。

2.2 再生气方案设计

采用四塔式脱水流程进行再生设计，将其体现在天然气液化装置当中主要有以下几种方案：其一是再生气利用循环压缩机实现在再生系统中的循环，其二是再生气在干燥器出口脱水天然气中取出，通过再生过程环节再返回到原料气，或者直接充当燃料气应用;其三是再生气在压缩之后的闪蒸气中提取，也就是从燃料气压缩机冷却器出口经过再生环节处理，通过燃料气管线上阀门形成的压差作用再次回到燃料气系统当中。针对这三种方案进行对比，第一种功耗比较小，但是再生气压缩机数量增加，无法有效达到完全再生的目的，第二种方案操作与控制更加简单，但是再生气中包括重烃，第三种方案再生气属于干气，不涉及重烃，同样具有系统操作简单与功耗小的特点，但是在实际操作过程中燃料气管网会存在一定程度的扰动。

通过对比可以确定第三种方案可以获得最为理想的再生气流程，再生气从燃料气压缩机水冷器出口调节阀前提取，再生环节之后返回到调节阀，随后燃料气压缩机出口将操作压力提升，与燃料气管网压力规定相符，如果操作过程中对燃料气管网带来扰动，建议通过其余辅助气源压力调节达到控制的效果[3]。

2.3 分子筛脱水塔设计

采用分子筛脱水方法设计天然气脱水塔，需要应用四台分子筛干燥塔进行切换操作，首先经过脱酸处理的湿天然气按照从上至下的方向进入到干燥塔中，干燥塔同时进行吸附脱水处理与再生。再生气进入过滤处理，随后经过再生气加热器，将加热器温度调整至240℃，从干燥塔的底部不断向上方流动，对分子筛床层进行加热，将分子筛筛孔上吸附的水分筛出，由此便可结束干燥塔再生。使用过滤器将干燥塔顶部排出的含水再生气过滤，过滤之后进入到再生气冷却器中降温处理，随后通过再生气分液罐去除含有的水分。

干燥塔再生处理期间，干燥塔执行吹冷操作。干燥塔出口冷却与脱水之后的再生气，会先经过压缩冷却，并且进入到再生气干燥器内部脱水，再经过干燥塔底部冷吹。干燥塔出口再生气在加热器内部加热便可以进入到干燥塔内部。当干燥塔冷却处理完成后，干燥塔的再生冷却也同时结束，切换干燥塔和负责吸附操作的干燥塔，即将干燥塔的吸附与再生处理操作交换，这样一来便可以在吸附、再生、冷却、吸附流程下完成分子筛脱水塔设计。

2.4 干燥塔时间分配方案

基于现有四塔式分子筛脱水塔设计成功经验，不同塔时间分配分别以8h短周期、24h长周期为主。8h短周期的分子筛用量相对较少，且干燥器尺寸比较小，再生次数多，再生耗能大，分子筛使用时间有限。24h长周期与之相反，再生次数少，再生能耗不高，分子筛使用时间长，但是这种长周期分子筛用量会随着时间的变化而增加，干燥器尺寸与压降也会随之加大。所以，对于各塔时间的分配，需要充分结合短周期、长周期的优势进行设置。

3 天然气脱水塔设计优化建议

3.1 运用变气量再生技术

将恒定气量再生技术替换为变气量再生技术，是优化天然气脱水塔设计的有效方法。因为再生气系统热负荷为恒定，将再生气量进行调整，可以对再生温度进行控制。在设计中建议组织南八深冷装置试验，设置再生气量初始参数，以7000m3/h为最佳，使用导热油炉进行加热处理，提高再生气温度为250℃，这时分子筛便可以进行后续的初步再生操作。当运行时间超过3h，再生气出口的温度为180℃，吸附于分子筛之上的水携带而出，这时将再生气量调整成为6000m3/h，但是导热油炉负荷维持原数据，再生气温度提高到283℃。随后便可以展开分子筛高温冲刺再生作业，减少吸附水含量。

3.2 改变操作时间

在变气量再生技术实践操作过程中，以确保分子筛正常脱水为基础，尽可能的将吸附与再生时间延长，减小床层切换次数。经过一系列调整之后，分子筛操作时间从之前的8h延长到12h。数据对比之后发现，完成调整的原料气露点降低比较明显，从-74℃降低到-82℃，并且后续设备并没有水冻堵现象发生。所以，分子筛操作时间以12h为宜。

3.3 变气量解吸处理

当开始分子筛再生热吹之后，对于热为分子筛、瓷球、罐体结构、分子筛吸附水升温的要求比较高，因此需要通过大气量升温这一方式快速提高温度，使其能够以最快的效率达到最佳解吸温度标准值。分子筛再生系统温度提升了一段时间以后，导热油炉内部的再生气量降低，这时以恒定导热油炉负荷为前提，提高分子筛再生气温度，获得更加理想的升温与初步解吸分子筛再生效果，并且进一步加强活性。

3.4 调整再生气量

针对天然气脱水塔分子筛设计展开试验，期间可以采用调节再生气量的方式，具体操作流程如下：第一，将再生气量变更为6000m3/h，运行时间为3h。如果导热油炉负荷正常，加热之后的再生气温度提高到250℃，以循序渐进的方式加热脱水塔。分子筛出口再生气温度为180℃，这时分子筛上吸附的水初步完成解析，可以使用程序控制法完成分子筛初步再生，随后再将系统转入至冲刺再生环节。第二，将再生气量变更为5300m3/h，运行时间为1h。如果导热油炉负荷正常，加热再生气温度提高至280℃，这时该温度下的再生气进行初步再生处理，分子筛再生彻底完成，吸附的水解析更加彻底。此时分子筛活性与脱水效率显著提升。第三，调整气量至正常值，实施冷吹降温。将再生塔调整到冷吹状态，气量变更为6000m3/h，在20℃温度下进行干气冷吹。这时吸附器逐渐冷却，冷吹气出口温度约为40℃，同时结束冷吹。

4 结束语

综上所述，采用分子筛脱水设计法进行天然气脱水塔设计，有效节省能源，还可以满足脱水处理规范要求。由此可以明确分子筛脱水设计法在天然气脱水处理中的重要作用。同时，今后进行脱水塔设计，需要以分子筛脱水设计法为依据，在节省成本、降低能耗的目标下进行开发，结合现有设计技术应用效果更佳的脱水塔设计方案，提高天然气脱水塔设计效果。

参考文献：

[1]王強.天然气脱水分子筛后粉尘过滤器改造[J].化工管理，2019（30）：183-184.

[2]彭波，张波，谭健，等.基于工艺参数灰色关联度分析的天然气脱水装置异常检测[J].装备环境工程，2019，16（05）：18-23.

[3]安迪，赵镒雯.传统天然气脱水方法与新型气液分离器比较分析[J].清洗世界，2019，35（01）：30-31.

[4]王继辉.地下储气库采出天然气脱水工艺技术探讨[J].化工管理，2018（26）：136-137.

[5]张迪，孙秀会，关晓龙.大牛地气田天然气脱水脱烃工程消防系统设计[J].石油工程建设，2017，43（05）：37-39.

[6]刘武，刘姝，韩国强，等.天然气脱水循环中的乙二醇发泡性能影响实验[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2017，19（04）：32-34.