HYSYS動(dòng)態(tài)減壓模塊在天然氣分子篩脫水塔升降壓孔板計(jì)算中的應(yīng)用

邸志國

（大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714）

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的環(huán)境保護(hù)意識(shí)與日俱增。天然氣作為一種清潔能源，越來越受到關(guān)注。然而，開采的天然氣中存在飽和水，在天然氣管輸、陸上終端和液化等過程中，天然氣中水的存在往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果：水與天然氣形成水合物，可造成閥門、管線和設(shè)備堵塞；水的存在將加速H2S或CO2對(duì)管線和設(shè)備的腐蝕；水的析出將降低管道輸送能力，造成不必要的動(dòng)力消耗及增加設(shè)備投資[1]。因此，天然氣脫水是天然氣加工、處理與儲(chǔ)運(yùn)中的重要裝置之一，它往往是天然氣后續(xù)加工工藝正常操作的必要條件。

目前，工業(yè)上有很多種天然氣脫水方法，較為常用的有傳統(tǒng)的溶劑吸收法，低溫冷凝法，固體吸附法，膜分離法和超音速法等[2,3]。

1 固體吸附法脫水工藝

固體吸附法脫水適用于要求水露點(diǎn)較低的場合。目前常用的吸附劑有硅膠、活性氧化鋁和分子篩。分子篩具有較大的比表面積和適宜的孔道結(jié)構(gòu)，對(duì)脫水具有較高的吸附容量和選擇性，使用壽命較長，不易被液體水破壞，被廣泛用于天然氣深度脫水工藝。分子篩脫水后產(chǎn)品氣中水質(zhì)量濃度可低至1mg·L-1,露點(diǎn)可控制至-100℃[2]。

目前，天然氣的分子篩吸附脫水裝置多為固定床吸附塔。為保證裝置連續(xù)操作，工業(yè)上常采用雙塔流程和三塔流程。分子篩脫水屬于氣固吸附過程，是一個(gè)可逆過程。分子篩在低溫高壓下吸附至臨近飽和時(shí)，通過升高溫度、降低壓力被吸附物質(zhì)從分子篩表面脫附再生。再生氣和冷吹氣宜采用凈化后的干天然氣。由于壓力低有利于分子篩的再生效果，因此，在分子篩吸附塔再生之前會(huì)有泄壓過程，再生結(jié)束，吸附之前會(huì)有充壓過程。如果充壓速度過快，易造成吸附塔內(nèi)分子篩振動(dòng)，導(dǎo)致床層松動(dòng)，最終造成分子篩粉化，粉化的分子篩隨氣體進(jìn)入下游裝置，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效果變差，分子篩床層壓力升高，冷箱壓差變大，影響裝置的正常運(yùn)行，縮短分子篩的使用壽命。分子篩升降壓速度應(yīng)小于300kPa·min-1[4,5]。

2 分子篩脫水塔升降壓孔板流量和升降壓速度的計(jì)算

分子篩升降壓孔板的流量和升降壓速度的選取至關(guān)重要。為了控制分子篩的升降壓速度，在分子篩塔再生和干燥脫水切換過程中，設(shè)計(jì)了升壓孔板和降壓孔板用于控制分子篩塔再生過程中的升降壓速度。

某天然氣公司油氣加工大隊(duì)采用3A分子篩雙塔吸附脫水工藝，一個(gè)塔吸附，另一個(gè)塔保持再生。

分子篩塔操作條件如下：

吸附條件為P1=4.35MPaG，T1=40℃；

泄壓條件為P2=1.05MPaG，T2=40℃。

分子篩脫水塔直徑為1800mm，切線長為7200mm，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。

2.1 狀態(tài)方程法（平均值法）

采用狀態(tài)方程法計(jì)算出分子篩塔升降壓狀態(tài)下介質(zhì)的密度差，進(jìn)而計(jì)算出在給定時(shí)間內(nèi)通過升降壓孔板的平均流量，也可以計(jì)算出在給定時(shí)間內(nèi)分子篩平均升降壓速度。

為了簡化計(jì)算，本計(jì)算不考慮分子篩及塔內(nèi)件的體積，舉例計(jì)算泄放時(shí)間為15min時(shí)的計(jì)算過程。

計(jì)算的分子篩塔體積V=19.85m3。

吸附條件下吸附塔內(nèi)天然氣密度：

ρ1=40.45kg·m-3；

泄壓條件下吸附塔內(nèi)天然氣密度：

ρ2=9.48kg·m-3；

預(yù)估孔板泄放時(shí)間：t=15min；

孔板的平均泄放流量：

W=60×（ρ1-ρ2）×V/t=2459.0kg·h-1；

分子篩平均泄壓速度：

△P=（P1-P2）/t=220kPa·min-1。

同理，分別計(jì)算了預(yù)估泄放時(shí)間為20、25和30min時(shí)孔板的平均流量和平均升降壓速度。各泄壓時(shí)間下孔板的平均流量和平均升降壓速度詳見表2。

2.2 HYSYS動(dòng)態(tài)減壓模塊的應(yīng)用

分子篩的降壓過程屬于動(dòng)態(tài)泄放過程，使用HYSYS模擬軟件建立模型，調(diào)用動(dòng)態(tài)減壓模塊求解。分子篩脫水塔的升壓過程是降壓過程的逆過程，升壓過程通過孔板的流量等于降壓過程流經(jīng)孔板的流量。HYSYS動(dòng)態(tài)模擬的主流程和子流程見圖1、2。

圖1 動(dòng)態(tài)模擬主流程Fig.1 Dynamic simulation of main flow

圖2 動(dòng)態(tài)模擬子流程Fig.2 Dynamic simulation sub process

使用HYSYS動(dòng)態(tài)減壓模塊分別計(jì)算了在泄放時(shí)間15、20、25和30min時(shí)孔板的流量和降壓速度。各個(gè)泄放時(shí)間下的孔板泄放流量和泄壓速度見表1。筆者也對(duì)狀態(tài)方程法和HYSYS動(dòng)態(tài)模塊計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。狀態(tài)方程法和HYSYS動(dòng)態(tài)法的主要計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 HYSYS動(dòng)態(tài)法計(jì)算結(jié)果Tab.1 HYSYSdynamic method calculation results

從表1中不難發(fā)現(xiàn),升降壓孔板流量和升降壓速度為動(dòng)態(tài)值。當(dāng)降壓泄放時(shí)間為15min時(shí)，在第1min時(shí)分子篩床層泄壓速度為416kPa·min-1，在第4min后泄壓速度才滿足300kPa·min-1要求。當(dāng)降壓泄放時(shí)間為20min時(shí)，在第1min時(shí)分子篩床層泄壓速度為316kPa·min-1，在第2min后泄壓速度才滿足300kPa·min-1要求。當(dāng)泄放時(shí)間在25min時(shí)以上時(shí)，分子篩床層泄壓速度才滿足300kPa·min-1的要求。

表2 狀態(tài)方程法和動(dòng)態(tài)法計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparison table of calculation results of state equation method and dynamic method

從表2中不難發(fā)現(xiàn)，采用狀態(tài)方程法計(jì)算的升降壓孔板流量值偏低，分子篩塔升降壓速度值偏低。分子篩床層最大升降壓速度均滿足300kPa·min-1的要求。軟件計(jì)算的孔板流量均大于狀態(tài)方程法計(jì)算的孔板流量大。當(dāng)切換時(shí)間在25min時(shí)以上時(shí)，分子篩床層泄壓速度才滿足300kPa·min-1的要求。

3 結(jié)論

本文采用狀態(tài)方程法和HYSYS動(dòng)態(tài)法分別計(jì)算了某分子篩脫水塔吸附和再生過程中升降壓孔板的流量和升降壓速度。并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比。采用HYSYS軟件計(jì)算的升降壓孔板流量和升降壓速度均為動(dòng)態(tài)值。HYSYS動(dòng)態(tài)計(jì)算過程更接近于分子篩塔再生的真實(shí)過程。

因此，推薦使用HYSYS動(dòng)態(tài)減壓過程模擬計(jì)算分子篩塔再生時(shí)的升降壓過程。該分子篩塔降壓泄放時(shí)間選定25min，分子篩床層最大泄壓速度小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，對(duì)分子篩床層影響小。