吸附是指氣體或液體與多孔的固體顆粒表面接觸，氣體或液體分子與固體表面分子之間相互作用而停留在固體表面上，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。當吸附質(zhì)是水蒸氣或水時，此固體吸附劑又稱為固體干燥劑，也簡稱干燥劑。

根據(jù)氣體或液體與固體表面之間的作用不同，可將吸附分為物理吸附和化學吸附兩類。

物理吸附是由流體中吸附質(zhì)分子與吸附劑表面之間的范德華力引起的，吸附過程類似氣體液化和蒸氣冷凝的物理過程。其特征是吸附質(zhì)與吸附劑不發(fā)生化學反應，吸附速度很快，瞬間即可達到相平衡。物理吸附放出的熱量較少，通常與液體氣化熱和蒸氣冷凝熱相當。氣體在吸附劑表面可形成單層或多層分子吸附，當體系壓力降低或溫度升高時，被吸附的氣體可很容易地從固體表面脫附，而不改變氣體原來的性狀，故吸附和脫附是可逆過程。工業(yè)上利用這種可逆性，通過改變操作條件使吸附質(zhì)脫附，達到使吸附劑再生并回收或分離吸附質(zhì)的目的。

吸附法脫水就是采用吸附劑脫除氣體混合物中水蒸氣或液體中溶解水的工藝過程。

通過使吸附劑升溫達到再生的方法稱為變溫吸附(TSA)。通常，采用某加熱后的氣體通過吸附劑使其升溫再生，再生完畢后再用冷氣體使吸附劑冷卻降溫，然后又開始下一個循環(huán)。由于加熱、冷卻時間較長，故TSA多用于處理氣體混合物中吸附質(zhì)含量較少或氣體流量很小的場合。通過使體系壓力降低使吸附劑再生的方法稱為變壓吸附(PSA)。由于循環(huán)快速完成，通常只需幾分鐘甚至幾秒鐘，因此處理量較高。天然氣吸附法脫水通常采用變溫吸附進行再生。

化學吸附是流體中吸附質(zhì)分子與吸附劑表面的分子起化學反應，生成表面絡(luò)合物的結(jié)果。這種吸附所需的活化能大，故吸附熱也大，接近化學反應熱，比物理吸附太得多?；瘜W吸附具有選擇性，而且吸附速度較陵，需要較長時間才能達到平衡。化學吸附是單分子吸附，而且多是不可逆的，或需要很高溫度才能脫附，脫附出來的吸附質(zhì)分子又往往已發(fā)生化學變化，不復具有原來的性狀。

固體吸附劑的吸附容量(當吸附質(zhì)是水蒸氣時，又稱為濕容量)與被吸附氣體(即吸附質(zhì))}的特性和分壓、固體吸附劑的特性、比表面積、空隙率以及吸附溫度等有關(guān)，故吸附容量(通常用kg吸附質(zhì)/1OOkg吸附劑表示)可因吸附質(zhì)和吸附劑體系不同而有很大差別。所以，盡管某種吸附劑可以吸附多種不同氣體，但不同吸附劑對不同氣體的吸附容量往往有很大差別，亦即具有選擇性吸附作用。因此，可利用吸附過程這種特點，選擇合適的吸附劑，使氣體混合物中吸附容量較大的一種或幾種組分被選擇性地吸附到吸附劑表面上，從而達到與氣體混合物中其他組分分離的目的。

在天然氣凝液回收、天然氣液化裝置和汽車用壓縮天然氣(CNG)加氣站中，為保證低溫或高壓系統(tǒng)的氣體有較低的水露點，大多采用吸附法脫水。此外，在天然氣脫硫過程中有時也采用吸附法脫硫。由于這些吸附法脫水、脫硫均為物理吸附，故下面僅討論物理吸附，并以介紹天然氣吸附法脫水為主。

吸附法脫水裝置的投資和操作費用比甘醇脫水裝置要高，故其僅用于以下場合：①高含硫天然氣；②要求的水露點很低；③同時控制水、烴露點；④天然氣中含氧。如果低溫法中的溫度很低，就應選用吸附法脫水而不采用注甲醇的方法。

雖然許多固體表面對于氣體或液體或多或少具有吸附作用，但用于天然氣脫水的干燥劑應具有下列物理性質(zhì)：①必須是多微孔性的，具有足夠大的比表面積(其比表面積一般都在500～800m²/g)，比表面積愈大，其吸附容量愈大；②對天然氣中不同組分具有選擇性吸附能力，即對所要脫除的水蒸氣具有較高的吸附容量，這樣才能達到對其分離(即脫除)的目的；③具有較高的吸附傳質(zhì)速度，可在瞬間達到相平衡；④可經(jīng)濟而簡便地進行再生，且在使用過程中能保持較高的吸附容量，使用壽命長；⑤顆粒大小均勻，堆積密度大，具有較高的強度和耐磨性；⑥具有良好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，價格便宜，原料充足等。

(一) 吸附劑的類型

目前，常用的天然氣干燥劑有活性氧化鋁、硅膠和分子篩三類。一些干燥劑的物理性質(zhì)見表3-6。

① 表中數(shù)據(jù)僅供參考，設(shè)計所需數(shù)據(jù)應由制造廠商提供

1.?活性氧化鋁

活性氧化鋁是一種極性吸附劑，以部分水合與多孔的無定形Al₂O₃為主，并含有少量其他金屬化合物，其比表面積可達250m²/g以上。例如，F(xiàn)-200活性氧化鋁的組成為：Al₂O_3?94%、H₂O 5.5%、Na₂O 0.3%及Fe₂O₃?0.02%。

由于活性氧化鋁的濕容量大，故常用于水含量高的氣體脫水。但是，因其呈堿性，可與無機酸發(fā)生反應，故不宜用于酸性天然氣脫水。此外，因其微孔孔徑極不均勻(見圖3-13)，沒有明顯的吸附選擇性，所以在脫水時還能吸附重烴且在再生時不易脫除。通常，采用活性氧化鋁干燥后的氣體露點可達-70℃。

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2.?硅膠

硅膠是一種晶粒狀無定形氧化硅，分子式為SiO₂·nH₂O，其比表面積可達300m²/g。Davison 03型硅膠的化學組成見表3-7。

????硅膠為極性吸附劑，它在吸附氣體中的水蒸氣時，其量可達自身質(zhì)量的50%，即使在相對濕度為60%的空氣流中，微孔硅膠的濕容量也達24%，故常用于水含量高的氣體脫水。硅膠在吸附水分時會放出大量的吸附熱，易使其破裂產(chǎn)生粉塵。此外，它的微孔孔徑也極不均勻，沒有明顯的吸附選擇性。采用硅膠干燥后的氣體露點可達-60℃。

? ??3.?分子篩

? ??目前常用的分子篩系人工合成沸石，是強極性吸附劑，對極性、不飽和化合物和易極化分子特別是水有很大的親和力，故可按照氣體分子極性、不飽和度和空間結(jié)構(gòu)不同對其進行分離。

????分子篩的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性高，又具有許多孔徑均勻的微孔孔道和排列整齊的空腔，故其比表面積大(800～1000m²/g)，且只允許直徑比其孔徑小的分子進入微孔，從而使大小和形狀不同的分子分開，起到了篩分分子的選擇性吸附作用，因而稱之為分子篩。

? ??人工合成沸石是結(jié)晶硅鋁酸鹽的多水化合物，其化學通式為

??? Me_x/n[(AlO₂)_x(SiO₂)_y]·mH₂O

????式中，Me為正離子，主要是Na⁺、K⁺和Ca²⁺等堿金屬或堿土金屬離子；x/n是價數(shù)為n的可交換金屬正離子Me的數(shù)目；m是結(jié)晶水的摩爾數(shù)。

????根據(jù)分子篩孔徑、化學組成、晶體結(jié)構(gòu)以及SiO₂與Al₂O₃的物質(zhì)的量之比不同，可將常用的分子篩分為A、X、Y和AW型幾種。A型基本組成是硅鋁酸鈉，孔徑為0.4nm(4?)，稱為4A分子篩。用鈣離子交換4A分子篩中鈉離子后形成0.5nm(5?)孔徑的孔道，稱為5A分子篩。用鉀離子交換4A分子篩中鈉離子后形成0.3nm(3?)孔徑的孔道，稱為3A分子篩。X型基本組成也是硅鋁酸鈉，但因晶體結(jié)構(gòu)與A型不同，形成約1.0nm(10?)孔徑的孔道，稱為13X分子篩。用鈣離子交換13X分子篩中鈉離子后形成約0.8nm(8?)孔徑的孔道，稱為10X分子篩。Y型與X型具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但其化學組成(SiO₂/Al₂O₃之比)與X型不同，通常多用作催化劑。AW型為絲光沸石或菱沸石結(jié)構(gòu)，系抗酸性分子篩，AW-500型孔徑為0.5nm(5?)。

????幾種常用分子篩化學組成見表3-8。A、X和Y型分子篩晶體結(jié)構(gòu)見圖3-14。

????由于分子篩表面有很多較強的局部電荷，因而對極性分子和不飽和分子具有很大的親和力，是一種孔徑均勻的強極性干燥劑。

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????水是強極性分子，分子直徑為0.27～0.31nm，比A型分子篩微孔孔徑小，因而A型分子篩是氣體或液體脫水的優(yōu)良干燥劑，采用分子篩干燥后的氣體露點可低于-100℃。在天然氣處理過程中常見的幾種物質(zhì)分子的公稱直徑見表3-9。表3-9中稱為公稱直徑的原因，是因為這些分子并非球形，而且可在微孔孔道中被擠壓。