1. 吸附原理 吸附法脫水是利用某些多孔性固體吸附天然氣中的水蒸氣。吸附是指氣體或液體與多孔的固體顆粒表面相接觸，氣體或液體與固體表面分子之間相互作用而停留在固體表上，使氣體或液體分子在固體表面上濃度增大的現(xiàn)象。被吸附的氣體或液體稱為吸附質(zhì)，吸附氣體或液體的固體稱為吸附劑(當(dāng)吸附質(zhì)是水蒸氣或水時(shí)，此固體吸附劑又稱為固體干燥劑，簡(jiǎn)稱干燥劑)。根據(jù)氣體或液體與固體表面之間的作用力不同，可將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。 物理吸附是由流體中吸附質(zhì)分子與固體吸附劑表面之間的范德華力引起的，吸附過(guò)程類似與氣體凝結(jié)的物理過(guò)程。這一類吸附的特征是吸附質(zhì)與吸附劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸附速度很快，瞬間即可達(dá)到相平衡。物理吸附放出的熱量較少，通常與氣體凝聚熱相當(dāng)。物理吸附可以是單分子層吸附，也可以是多分子層吸附。當(dāng)體系壓力降低或溫度升高時(shí)，被吸附的氣體可以很容易地從固體表面脫附，而不改變氣體原來(lái)的性狀，故吸附與脫附是可逆過(guò)程。工業(yè)上利用這種可逆性，通過(guò)改變操作條件使吸附質(zhì)脫附，達(dá)到使吸附劑再生、回收或分離吸附質(zhì)的目的。 化學(xué)吸附是吸附質(zhì)與固體吸附劑表面的未飽和化學(xué)鍵(或電價(jià)鍵)力作用的結(jié)果。這一類吸附所需的活化能大，所以吸附熱也大，與化學(xué)反應(yīng)熱有同樣的數(shù)量級(jí)。化學(xué)吸附具有選擇性，而且吸附速度較慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡�；瘜W(xué)吸附是單分子層吸附，而且這種吸附往往是不可逆的，要很高的溫度才能脫附，脫附出來(lái)的氣體又往往已發(fā)生化學(xué)變化，不復(fù)具有原來(lái)的性狀。 由于物理吸附過(guò)程是可逆的，故可通過(guò)改變溫度和壓力的方法改變平衡方向，達(dá)到吸附劑再生(即使吸附質(zhì)從吸附劑表面脫附)的目的。天然氣脫水吸附的過(guò)程多為物理吸附，故以下僅介紹氣體的物理吸附過(guò)程。 根據(jù)不同吸附劑對(duì)不同吸附質(zhì)的吸附容量不同，即不同吸附劑對(duì)不同吸附質(zhì)具有選擇性吸附作用的特點(diǎn)，使流體與固體吸附劑表面接觸，流體中吸附容量較大的一種或幾種組分被選擇性地吸附在固體表面上，從而達(dá)到與流體中其他組分分離的目的。天然氣凈化中的吸附法脫水，就是利用了這一特性。 吸附法脫水主要用于天然氣凝液回收、天然氣液化裝置中的天然氣深度脫水等。另外，在壓縮天然氣(CNG)加氣站中為防止CNG在高壓下或使用中從高壓節(jié)流至常壓時(shí)產(chǎn)生水合物堵塞，也常采用吸附法脫水。由于吸附法脫水裝置的投資和操作費(fèi)用比甘醇脫水裝置要高，通常是在甘醇法脫水滿足不了天然氣露點(diǎn)要求時(shí)采用吸附法脫水。 2. 常用吸附劑 天然氣凈化過(guò)程常用的吸附劑主要有活性氧化鋁、硅膠、分子篩等，其物理特性見表2-4。 表2-4 常用吸附劑的主要物理特性 (1) 活性氧化鋁 活性氧化鋁主要成分是水化的、多孔的和無(wú)定形的氧化鋁，并含有其他金屬化合物。一般是選用低鐵的鋁土礦石作原料，經(jīng)粉碎、燒堿熔融得到鋁酸鈉溶液，再經(jīng)中和、濃縮、加入晶種后慢慢冷卻結(jié)晶；該結(jié)晶被濾出后，將濾餅烘干，并在500～600℃下焙燒，形成多孔、高吸附性能的活性氧化鋁，其典型組成見表2-5。 表2-5 典型活性氧化鋁組成 (2) 硅膠 工業(yè)上使用的硅膠，是用硅酸鈉與硫酸反應(yīng)生成水凝膠，然后洗去硫酸鈉，將水凝膠干燥制成的粉狀或顆粒狀的具有較大孔隙率的物質(zhì)，分子式為SiO2·nH2O。 一般工業(yè)硅膠中殘余約6%的水量，需灼燒至954℃才能除去。按孔隙大小，硅膠可分為細(xì)孔和粗孔兩種。硅膠吸附水蒸氣的性能特別好，且具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。但硅膠與液態(tài)水接觸很易炸裂，產(chǎn)生粉塵，增加壓降，降低有效濕容量。硅膠的化學(xué)組成(干基)見表2-6。 (3) 分子篩 分子篩是一種人工合成的無(wú)機(jī)吸附劑。它是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體，分子式為：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O。其性能見表2-7。 表2-7 常用分子篩的性能 型號(hào) 孔直徑/nm 堆積密度/(g/L) 濕容量/% 水的吸附熱/(kJ/kg) SiO2/Al2O3的比值 吸附質(zhì)分子 排除的分子 應(yīng)用范圍 3A 0.3 640 20 4.1868 2 直徑小于0.3nm的分子如H2O、NH3等 乙烷等直徑大于0.3nm的分子 不飽和烴脫水，甲醇，乙醇脫水 4A 0.4 650 22 4.1868 2 直徑小于 0.4nm的分子，包括以上各分子及乙醇、H2S、CO2、SO2、C2H4、C2H6及C3H6 直徑大于0.4nm的分子，如丙烷等 飽和烴脫水，冷凍系統(tǒng)干燥劑 5A 0.5 690 21.5 4.1868 2 直徑小于0.5nm的分子，包括以上各分子及n-C4H9OH、C4H10、C3H8至 C22H46 直徑大于0.5nm的分子，如異構(gòu)化合物及4碳環(huán)化合物 從支鏈烴及環(huán)烷烴中分離正構(gòu)烴 10X 0.8 576 28 4.1868 2.5 直徑小于0.8nm的分子包括以上各分子及異構(gòu)烷烴、烯烴及苯 二正丁基胺及更大分子 芳烴分離 13X 1.0 610 28.5 4.1868 2.5 直徑小于1nm的分子包括以上各分子及二正丙基胺 (C4H9)3N及更大分 同時(shí)脫水、CO2、H2S等，天然氣脫H2S及硫醇 根據(jù)分子篩晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特征不同，常用的分子篩可分為A型和X型兩類。其中，A型分子篩具有與沸石構(gòu)造類似的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，所有吸附均發(fā)生在晶體內(nèi)部孔腔內(nèi)，孔腔直徑為0.4nm，由理論孔徑為0.42nm的通道聯(lián)接；X型分子篩能吸附所有能被A型分子篩吸附的分子，并且具有較高的容量。13X型分子篩可吸附芳香烴這樣的大分子。各類分子篩的pH值約為10，在pH值5～12范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。在處理酸性天然氣時(shí)，若吸附液的pH值小于5，就應(yīng)采用抗酸分子篩。 分子篩表面具有較強(qiáng)的局部電荷，因而對(duì)極性分子和不飽和分子有很高的親和力，水是強(qiáng)極性分子，分子直徑為0.27～0.31nm，比通常使用的分子篩孔徑小，所以分子篩是干燥氣體和液體的優(yōu)良吸附劑。其特點(diǎn)如下。 ① 具有很好的選擇吸附性。分子篩能按照物質(zhì)分子的大小進(jìn)行選擇吸附。由于一定型號(hào)的分子篩的孔徑大小一樣，所以只有比分子篩孔徑小的分子才能被分子篩吸附在晶體內(nèi)部的孔腔內(nèi)，大于孔徑的分子就被“篩去”。通過(guò)選用適當(dāng)型號(hào)的分子篩，就可以達(dá)到選擇性地吸附水，減少甚至消除其他氣體成分的共吸附作用，因而更加提高了吸附水的能力。經(jīng)分子篩干燥后的氣體，一般含水量可達(dá)到0.1～10g/m3，冷凝分離法輕烴回收裝置中多用4A、5A等分子篩作吸附劑，可以將天然氣干燥至低露點(diǎn)。 ② 具有高效吸附特性。分子篩在低水汽分壓、高溫、高氣體線速度等苛刻的條件下仍然保持較高的濕容量。這是因?yàn)榉肿雍Y的表面積大于一般吸附劑，可達(dá)700～900m2/g。隨著相對(duì)濕度進(jìn)一步降低，分子篩的濕容量與其他干燥劑相比相對(duì)地提高，如圖2-20所示。因而分子篩用于天然氣深度脫水時(shí)較其他吸附劑優(yōu)越。 分子篩的高效吸附性還表現(xiàn)在它的高溫脫水性能上，在高溫下只有分子篩才是有效的脫水劑。如圖2-21所示，在100℃時(shí)，分子篩的濕容量是15%，而活性氧化鋁小于3%，硅膠小于1%。因此，分子篩被廣泛地用作氣體干燥吸附劑。 (4) 復(fù)合固體吸附劑 復(fù)合固體吸附劑就是同時(shí)使用兩種或兩種以上的吸附劑，通常是將硅膠或活性氧化鋁與分子篩串聯(lián)使用，濕氣先通過(guò)硅膠或活性氧化鋁床層，再通過(guò)分子篩床層。目前，天然氣脫水普遍使用活性氧化鋁和4A分子篩串聯(lián)的雙床層，其特點(diǎn)如下。 ① 既可以減少投資，又可保證干氣露點(diǎn)。如前所述，當(dāng)氣體水含量較高時(shí)，活性氧化鋁有很高的平衡濕容量，而當(dāng)氣體水含量較低(位于吸附劑床層出口處)時(shí)，分子篩則具有較高的平衡濕容量。因此，濕氣先通過(guò)上部活性氧化鋁床層脫除大部分水(對(duì)于常溫下的飽和濕氣來(lái)講，活性氧化鋁床層的脫水量約比4A分子篩床層多50%)，再通過(guò)下部4A分子篩床層深度脫除微量水，從而獲得很低的露點(diǎn)(低于-100℃)。 ② 活性氧化鋁可作為分子篩的保護(hù)層。當(dāng)氣體中攜帶有液態(tài)水、液烴、緩蝕劑及胺類化合物時(shí)，位于上部床層的活性氧化鋁除用于氣體脫水外，還可作為下部分子篩床層的保護(hù)層。這是因?yàn)榘奉惢�合物可以破壞分子篩的晶體結(jié)構(gòu)，使分子篩永久失活，縮短了分子篩的使用壽命。此外，分子篩雖不易被液態(tài)水破壞，但因液態(tài)水會(huì)增加床層的壓力降并使氣體產(chǎn)生溝流，因而造成分子篩的磨耗和縮短使用壽命。所以，當(dāng)采用復(fù)合固體吸附劑時(shí)就可避免這些現(xiàn)象的發(fā)生。 ③ 活性氧化鋁再生時(shí)能耗比分子篩低。 ④ 活性氧化鋁的價(jià)格較低。由于活性氧化鋁與4A分子篩組成的復(fù)合固體吸附劑床層具有以上特點(diǎn)，故近幾年來(lái)在天然氣脫水中得到廣泛應(yīng)用。 3. 吸附法脫水工藝流程 由于吸附劑在脫水過(guò)程中，被水飽和后需要再生，故為了保證裝置能連續(xù)運(yùn)行，流程中至少需要兩個(gè)干燥器，一個(gè)用于脫水，另一個(gè)用于再生，兩個(gè)干燥器切換運(yùn)行。干燥器再生用氣可以是濕氣，也可以是高壓干氣或低壓干氣。 (1) 采用濕氣或進(jìn)料氣作再生氣的吸附脫水工藝流程 采用濕氣或進(jìn)料氣作再生氣的吸附脫水工藝流程如圖2-22所示。 濕氣一般是經(jīng)過(guò)一個(gè)進(jìn)口氣滌器或分離器(圖中未畫出)，除去所攜帶的液體與固體雜質(zhì)后分為兩路：小部分濕氣經(jīng)再生氣加熱器加熱后作為再生氣；大部分濕氣去干燥器脫水。由于在脫水操作時(shí)干燥器內(nèi)的氣速很大，故氣體通常是自上而下流過(guò)吸附劑床層，這樣可以減少高速氣流對(duì)吸附劑床層的擾動(dòng)。氣體在干燥器內(nèi)流經(jīng)固體吸附劑床層時(shí)，其中的水蒸氣被吸附劑選擇性吸附，直至氣體中的水含量與所接觸的固體吸附劑達(dá)到平衡為止。通常，只需要幾秒鐘就可以達(dá)到平衡。 在脫水過(guò)程中，干燥器內(nèi)的吸附劑床層不斷吸附氣體中的水蒸氣直至最后整個(gè)床層達(dá)到飽和，此時(shí)就不能再對(duì)濕氣進(jìn)行脫水。因此，在吸附劑床層未達(dá)到飽和之前就要進(jìn)行切換(圖中為自動(dòng)切換)，即將濕氣改為進(jìn)入已再生好的另一個(gè)干燥器，而剛完成脫水操作的干燥器則改用熱再生氣進(jìn)行再生。 再生用的氣量一般約占進(jìn)料氣的5%～10%，經(jīng)再生氣加熱器加熱至232～315℃后進(jìn)入干燥器。熱的再生氣將床層加熱，并使水從吸附劑上脫附。脫附出來(lái)的水蒸氣隨再生氣一起離開吸附劑床層后進(jìn)入再生氣冷卻器，大部分水蒸氣在冷卻器中冷凝下來(lái)，并在再生氣分離器中除去，分出的再生氣與進(jìn)料濕氣匯合后又去進(jìn)行脫水。加熱后的吸附劑床層由于溫度較高，在重新進(jìn)行脫水操作之前必須先用未加熱的濕氣冷卻至一定溫度后才能切換。 (2) 采用于氣作再生氣的吸附脫水工藝流程 采用干氣作再生氣的吸附脫水工藝流程如圖2-23所示。由干燥器脫水后的干氣有一小部分經(jīng)增壓(一般增壓0.28～0.35MPa)加熱后作為再生氣去干燥器，使水從吸附劑上脫附。脫附出來(lái)的水蒸氣隨再生氣一起離開吸附劑床層后經(jīng)過(guò)再生氣冷卻器與分離器，將水蒸氣冷凝下來(lái)的液態(tài)水脫除。由于此時(shí)分出的氣體是濕氣，故與進(jìn)料濕氣匯合后又去進(jìn)行脫水。 除了采用吸附脫水后的干氣作為再生氣外，還可采用其他來(lái)源的干氣(如天然氣液回收裝置脫甲烷塔塔頂氣)作為再生氣。這種再生氣的壓力通常比圖2-23中的干氣壓力要低得多，故在這種情況下脫水壓力遠(yuǎn)高于再生壓力。因此，當(dāng)干燥器完成脫水操作后，先要進(jìn)行降壓，然后再用低壓干氣進(jìn)行再生。 4. 吸附法脫水工藝參數(shù)的選擇 (1) 吸附周期 干燥器吸附劑床層的吸附周期(脫水周期)應(yīng)根據(jù)濕氣中水含量、床層空塔流速和高徑比(不應(yīng)小于2.5)、再生能耗、吸附劑壽命等進(jìn)行綜合比較后確定。對(duì)于兩塔流程，干燥器床層吸附周期一般設(shè)計(jì)為8～24h，通常取吸附周期8～12h。如果進(jìn)料氣中的相對(duì)濕度小于100%，吸附周期可大于12h。吸附周期長(zhǎng)，意味著再生次數(shù)較少，吸附劑壽命較長(zhǎng)，但因床層較長(zhǎng)，投資較高。對(duì)壓力不高、水含量較大的天然氣脫水，為避免干燥器尺寸過(guò)大，耗用吸附劑過(guò)多，吸附周期宜小于等于8h。 (2) 濕氣進(jìn)干燥器溫度 濕氣進(jìn)口溫度越高，吸附劑的濕容量越小。為保證吸附劑有較高的濕容量，進(jìn)床層的濕氣溫度最高不要超過(guò)50℃。 (3) 再生加熱與冷卻溫度 再生加熱溫度是指吸附劑床層在再生加熱時(shí)最后達(dá)到的最高溫度，通常近似取此時(shí)再生氣出吸附劑床層的溫度。再生加熱溫度越高，再生后吸附劑的濕容量也越高，但其有效使用壽命越短。再生加熱溫度與再生氣進(jìn)干燥器的溫度有關(guān)，而再生氣進(jìn)口溫度則應(yīng)根據(jù)脫水深度確定。對(duì)于分子篩，其值一般為232～315℃；對(duì)于硅膠其值一般為234～245℃；對(duì)于活性氧化鋁，介于硅膠與分子篩之間，并接近分子篩之值。 圖2-24為采用雙塔流程的吸附脫水裝置8h再生周期(包括加熱與冷卻)的溫度變化曲線。曲線1表示再生氣進(jìn)干燥器的溫度TH，曲線2表示加熱和冷卻過(guò)程中出干燥器的氣體溫度，曲線3表示進(jìn)料濕氣溫度。 由圖2-24可知，再生開始時(shí)熱再生氣進(jìn)入干燥器加熱床層及容器，出床層的氣體溫度逐漸由T1升至T2，大約在116～120℃時(shí)床層中吸附的水分開始大量脫附，所以此時(shí)升溫比較緩慢。待水分全部脫除后，繼續(xù)加熱床層以脫除不易脫附的重?zé)N和污物。當(dāng)再生時(shí)間大于4h時(shí)，離開干燥器的氣體出口溫度達(dá)到180～230℃，床層加熱完畢。熱再生氣溫度TH至少應(yīng)比再生加熱過(guò)程中所要求的最終離開床層的氣體出口溫度T4高19～55℃，一般為38℃。然后，將冷卻氣通過(guò)床層進(jìn)行冷卻，當(dāng)床層溫度大約降至50℃時(shí)停止冷卻。在一些要求深度脫水的天然氣液回收裝置中，為了避免吸附劑床層在冷卻時(shí)被水蒸氣預(yù)飽和，多采用脫水后的干氣或其他來(lái)源干氣作冷卻氣。有時(shí)，還可將冷卻用的干氣自上而下流過(guò)吸附劑床層，使冷卻氣中所含的少量水蒸氣被床層上部的吸附劑吸附，從而最大限度地降低吸附周期中出口干氣的水含量。 (4) 加熱與冷卻時(shí)間分配 加熱時(shí)間是指在再生周期中從開始用再生氣加熱吸附劑床層到床層達(dá)到最高溫度的時(shí)間；冷卻時(shí)間是指加熱完畢的吸附劑從開始用冷卻氣冷卻到床層溫度降低到指定值的時(shí)間。 對(duì)于兩塔流程的吸附脫水裝置，吸附劑床層的加熱時(shí)間一般是再生周期的55%～65%。所以，在8h的吸附周期中，通常加熱時(shí)間為4.5h；冷卻時(shí)間為3h；備用和切換時(shí)間為0.5h。 5. 吸附法脫水設(shè)備 吸附法脫水裝置的設(shè)備包括進(jìn)口氣滌器(分離器)、干燥器、過(guò)濾器、再生氣加熱器、再生氣冷卻器和分離器等，當(dāng)采用脫水后的干氣作再生氣時(shí)，還需要再生氣壓縮機(jī)。其他設(shè)備與吸收法基本相同，干燥器的結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。 由圖可知，干燥器由床層支承梁和支撐柵板、頂部和底部的氣體進(jìn)口、出口管嘴和分配器(這是由于脫水和再生分別是兩股物流從兩個(gè)方向通過(guò)吸附劑床層，因此，頂部和底部都是氣體進(jìn)出口)、裝料口和排料口以及取樣口、溫度計(jì)插孔等組成。 在支撐柵板上有一層10～20目的不銹鋼濾網(wǎng)，防止分子篩或瓷球隨進(jìn)入氣流下沉。濾網(wǎng)上放置的瓷球共二層，上層高約50～75mm，瓷球直徑為6mm；下層高約50～75mm，瓷球直徑為12mm。支撐柵板下的支承梁應(yīng)能承受住床層的靜載荷(吸附劑等的重量)及動(dòng)載荷(氣體流動(dòng)壓降)。 分配器(有時(shí)還有擋板)的作用是使進(jìn)入干燥器的氣體(尤其是從頂部進(jìn)入的濕氣，其流量很大)以徑向、低速流向吸附劑床層。床層頂部也放置有瓷球，高約100～150mm，瓷球直徑為12～50mm。瓷球?qū)酉旅媸且粚悠鹬�托作用的不銹鋼浮動(dòng)濾網(wǎng)。這層瓷球的作用主要是改善進(jìn)口氣流的分布并防止因渦流引起吸附劑的移動(dòng)與破碎。 干燥器的吸附劑床層中裝填有吸附劑。吸附劑的大小和形狀應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)不同而異。對(duì)于天然氣脫水，可采用ф3～8mm的球狀分子篩。 干燥器的尺寸會(huì)影響吸附劑床層壓降，一般情況下，對(duì)于氣體吸附來(lái)講，其最小床層高徑比為2.5:1。 6. 吸附法脫水過(guò)程特性 (1) 吸附容量 吸附容量用來(lái)表示單位吸附劑吸附質(zhì)能力的大小，其單位通常為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或kg吸附質(zhì)/1OOkg吸附劑。當(dāng)吸附質(zhì)為水蒸氣時(shí)，也叫吸附劑的濕容量，單位為kg水/1OOkg吸附劑。吸附劑的濕容量可用平衡濕容量或有效濕容量表示。 平衡濕容量是指在溫度一定時(shí)，新鮮吸附劑與一定濕度(或一定水蒸氣分壓)的氣體充分接觸，最后水蒸氣在兩相中達(dá)到平衡時(shí)的濕容量。平衡濕容量又分為靜態(tài)平衡濕容量與動(dòng)態(tài)平衡濕容量。在靜態(tài)條件(即氣體不流動(dòng))下測(cè)定的平衡濕容量稱為靜態(tài)平衡濕容量；氣體以一定流速連續(xù)流過(guò)吸附劑床層時(shí)測(cè)定的平衡濕容量稱為動(dòng)態(tài)濕容量。動(dòng)態(tài)濕容量一般是靜態(tài)濕容量的40%～60%。 在實(shí)際操作中，由于吸附劑床層反復(fù)進(jìn)行脫水與再生，吸附劑的濕容量會(huì)由于吸附劑被重?zé)N等雜質(zhì)污染及再生時(shí)高溫的影響而逐漸降低。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況確定的設(shè)計(jì)濕容量稱為有效濕容量。 (2) 吸附傳質(zhì)區(qū) ① 單組分吸附。當(dāng)氣體流經(jīng)吸附劑床層時(shí)，就會(huì)在吸附劑上發(fā)生動(dòng)態(tài)吸附，并形成吸附傳質(zhì)區(qū)。對(duì)于高壓天然氣在固定床吸附劑上的脫水操作，可近似看成是等溫吸附過(guò)程。圖2-26是只有水蒸氣為吸附質(zhì)的氣體混合物等溫吸附過(guò)程示意圖。由該圖可知，當(dāng)水蒸氣濃度為C0的濕氣自上而下流過(guò)吸附劑床層時(shí)，最頂部的吸附劑立即被水蒸氣所飽和，此時(shí)，這部分床層稱為吸附飽和區(qū)。在飽和吸附區(qū)中的吸附劑就不再吸附濕氣中的水蒸氣。當(dāng)濕氣繼續(xù)向下流過(guò)床層時(shí)，濕氣中的水蒸氣又被吸附飽和區(qū)以下的吸附劑所吸附，形成吸附傳質(zhì)區(qū)。在吸附傳質(zhì)區(qū)中，吸附劑床層上的水含量自上而下從接近飽和(氣體中水蒸氣濃度為C0)到接近零(氣體中水蒸氣濃度為CS)之間劇烈變化，形成一條S形的吸附負(fù)荷曲線。在吸附傳質(zhì)區(qū)以下的吸附劑床層中，可以看成是只有水蒸氣濃度為CS的干氣流過(guò)，因而是尚未發(fā)生吸附的未吸附區(qū)。所以，此時(shí)的吸附劑床層由吸附飽和區(qū)、吸附傳質(zhì)區(qū)和未吸附區(qū)三部分組成。隨著濕氣不斷流過(guò)吸附劑床層，飽和吸附區(qū)不斷擴(kuò)大，吸附傳質(zhì)區(qū)不斷向下推移，未吸附區(qū)不斷縮小，直至吸附傳質(zhì)區(qū)前端達(dá)到床層底部。因此，當(dāng)吸附傳質(zhì)區(qū)前端達(dá)到床層底部以前，離開床層的干氣中水蒸氣濃度一直為CS，而當(dāng)吸附傳質(zhì)區(qū)的后端達(dá)到床層底部時(shí)，由于整個(gè)床層都已處于吸附飽和區(qū)，故出口氣體中的水蒸氣濃度就與進(jìn)口氣體相同(C0)。實(shí)際操作中為了安全起見，在吸附傳質(zhì)區(qū)前端未達(dá)到床層底部時(shí)就要進(jìn)行切換，將濕氣改為進(jìn)入另一臺(tái)已完成再生周期的一干燥器中。 由圖2-26可知，當(dāng)吸附傳質(zhì)區(qū)的前端達(dá)到吸附劑床層的底部后，離開床層的氣體中吸附質(zhì)濃度就會(huì)從CS迅速增加到C0。從吸附傳質(zhì)區(qū)前端到達(dá)床層底部出口到吸附傳質(zhì)區(qū)后端到達(dá)床層底部出口這段時(shí)間，出口氣體中吸附質(zhì)濃度變化的曲線稱為透過(guò)曲線(穿透曲線、轉(zhuǎn)效曲線)，在吸附過(guò)程中，從吸附傳質(zhì)區(qū)在床層頂部開始形成到吸附傳質(zhì)區(qū)前端到達(dá)床層底部，出口氣體中吸附質(zhì)濃度開始突然增加的這段時(shí)間稱為透過(guò)時(shí)間，吸附質(zhì)濃度開始突然增加的這點(diǎn)稱為透過(guò)點(diǎn)，在透過(guò)點(diǎn)時(shí)吸附劑的濕容量稱為透過(guò)點(diǎn)濕容量。 ② 多組分混合物吸附。活性氧化鋁、硅膠及某些分子篩不僅吸附水蒸氣，而且還吸附天然氣中的其他一些組分。但是，吸附劑對(duì)天然氣中各組分的吸附活性并不相同，其順序(按吸附活性遞減)為水、甲醇、硫化氫和硫醇、二氧化碳、己烷和更重?zé)N類、戊烷、丁烷、丙烷、乙烷以及甲烷。因此，當(dāng)進(jìn)料濕氣自上而下流過(guò)吸附劑床層時(shí)，氣體中的各組分就會(huì)按不同的速度和活性被吸附。水蒸氣始終是很快被床層頂部吸附劑所吸附，天然氣中的其他組分則按吸附劑對(duì)其吸附活性的不同被床層較下面的吸附劑所吸附。換句話說(shuō)，在吸附過(guò)程開始時(shí)，床層上的吸附劑基本上是被甲烷所飽和。隨著吸附過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，吸附劑上的甲烷(以及其他吸附活性較弱的組分)將被其他吸附活性較強(qiáng)的組分所置換，故在吸附劑床層上出現(xiàn)一連串的吸附傳質(zhì)區(qū)，如圖2-27(a)所示。被置換的甲烷(以及其他吸附活性較弱的組分)繼續(xù)沿床層向下移動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，該組分最終將被全部逐出床層。如果吸附過(guò)程在進(jìn)行20～30min后停止，此時(shí)在吸附劑床層上除重?zé)N(C4、C5、C6+)外，其他烴類幾乎均被水逐出床層。因而在脫水的同時(shí)可回收天然氣中的這些烴類，如圖，2-27(b)所示。如果吸附周期為8h，或更長(zhǎng)，水蒸氣將基本上置換掉床層中已被吸附的烴類。13X分子篩還可同時(shí)用于天然氣脫硫和脫水。因此，短吸附周期主要用來(lái)進(jìn)行天然氣脫水和回收重?zé)N，長(zhǎng)吸附周期主要用于進(jìn)行天然氣脫水。當(dāng)要求干氣有較低露點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)采用較短的操作周期，在吸附傳質(zhì)區(qū)前端與床層頂端距離達(dá)到0.5～0.6床層高度時(shí)即結(jié)束脫水操作。 在吸附傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，水蒸氣的吸附是放熱過(guò)程。對(duì)于壓力大于3.5MPa的高壓天然氣，氣體中水含量較少，水蒸氣在吸附時(shí)放出的熱量被大量氣體帶走，因而床層溫升僅約1～2℃，可視為等溫吸附過(guò)程。但是，當(dāng)氣體壓力較低時(shí)，氣體中水含量較多，床層溫升將比較顯著，為了保證吸附過(guò)程正常進(jìn)行，有時(shí)需要在吸附床層內(nèi)安裝冷卻盤。