[发明专利]气体脱水方法及装置

说明书

本发明涉及一种可去除各种气体内所含水分的方法及装置，使气体内的含水量降低到所要求的任意低水平。例如，其露点温度(即其中水分的凝结)温度达到-100°F以下。此方法与装置的效率高、成本低，具有逐步取代各种现有的气体脱水方法与装置的潜力。

绝大部分的工业用气体或气态能源都需要在加工、输送、或使用之前除去其中所含的水分。目前普遍采用的气体脱水工艺主要有三种，即固体干燥剂(含分子筛)吸收法、液体干燥剂吸收法、和冷冻脱水法。这三种工艺渊源长久，各有其优缺点与技术限制，故仅适用于各自的特定领域。几十年来，并无一项根本性的改进，足以改变气体脱水装置市场的结构。

在科学技术迅猛发展的今日，这些相对古老的气体脱水工艺已暴露出许多不适应时代要求的根本性弱点。例如，目前占天然气脱水装置市场约百分之九十的乙二醇(一种液体干燥剂)脱水装置，由于脱水时其中的乙二醇吸收天然气中含有的几种有毒有机物，特别是苯、甲苯、乙基苯及二甲苯(合称BTEX)，然后排放到大气之中，造成环境污染。目前各国对环境保护的法规日趋严密，对BTEX的危害已开始重视。美国有些州已开始制订限制BTEX排放的法律。预计此种乙二醇脱水装置将于下世纪初被无BTEX传染的脱水装置所逐步代替。为此，有不少发明试图改进乙二醇脱水装置。例如美国专利No.5，163，981“控制天然气脱水装置的污染物排放的方法与设备”，其特征是在原有装置上添加一大冷凝排放气体的系统，以回收冷凝为液态的BTEX。新近发展的一种改进乙二醇脱水工艺，称为DRIEEO，也是在原有装置上添加一套更复杂的有机溶剂萃取系统，以消除BTEX的排放并同时提高其露点降低能力(由100°F加大至约200°F)。但所有这类改进都使乙二醇脱水工艺复杂化，从而提高了成本，其结果是乙二醇脱水装置的市场将丧失，而天然气生产者转向采用其它的无污染脱水工艺。

固体干燥剂吸收法可以控制BTEX的排放，同时具有超过200°F的露点降低能力。但它的价格比乙二醇脱水装置贵得多，故迄今未能进入天然气脱水的主要市场，即天然气输送的脱水。因此，目前固体干燥剂脱水装置主要用于需要极低露点的各种工艺气体的脱水，其中也包括进行深度加工的天然气。然而，即使在这类应用中，固体干燥剂吸收装置也遭遇到许多运行与维护上的困难，特别是难于处理单位重量气体内含水量特别高的低压力或高温度的工艺气体。

冷冻脱水装置原则上可以消除BTEX的排放，但由于天然气脱水过程中会生成固态的气体水化物，沉积在冷冻设备的换热表面，从而堵塞气体流道;而且低压天然气脱水后的露点甚至低于水的水点。因此目前此种脱水装置只限用于工业用的压缩空气脱水(露点的35°F以上)，而从未用于天然气脱水。历史上曾有一些发明试图改进冷冻式脱水工艺，例如美国专利No.2，475，255“气体脱水方法”，其特征在于采用深度冷却的固体颗粒悬浮在气流之中，使所含水分冻结于无数小颗粒上，再加以收集去除，从而回避了流道堵塞问题。但此项发明缺乏实际操作性，故从未进入市场。

然而，随着现代冷冻与空调技术的突飞猛进与日益普及，而冷冻脱水工艺又具有消除BTEX污染的潜力，故冷冻脱水法又引起天然气工业的重视。为了克服固体水化物堵塞流道的障碍，本人曾提出在冷冻脱水装置内利用紊流气体内水蒸汽产生涡流扩散的原理，使水化物沿狭长流道壁面更均匀地沉积，以而推迟堵塞过程，延长换热器的再生操作周期。该项发明称为“再生式气体脱水装置”，于1997年获得美国专利No.5，664，426，并已由原型试验阶段进入商业示范阶段，不仅得到美国许多天然气脱水装置制造厂的重视，而且得到若干工业气体脱水装置制造厂(现采用固体干燥剂脱水工艺)的支持。因此，目前美国气体脱水装置的市场结构，已开始有出现变化的迹象。

然而，本人提出该项发明的本来目的主要是针对消除现有天然气脱水装置的BTEX污染，并使其露点降低到天然气管道输送所要求的水平。这种工艺可以在上述范围内取代现有的乙二醇脱水装置，但并不能在更低的露点范围内与现有的固体干燥剂脱水器相竞争。即使在天然气脱水领域，对于处理杂质含量高的，以及极低压或高压的气体，也存在一定的技术或经济上的困难。特别是在无外电源供应的偏僻天然气井址，尚不能与相对较为简单且无需外电源运行的乙二醇脱水装置竞争。因此，要真正用冷冻脱水技术改变目前全部的气体脱水装置市场的结构，还有待于更大的技术突破。