Адсорбционные способы осушки природных газов

ВЫБОР АДСОРБЕНТА [Справочник]

Для осушки газа в промышленных установках больше всего применяются силикагели и молекулярные сита.

Основные преимущества силикагелей: низкая температура, требуемая для регенерации (до 200 °С) и, как следствие, более низкие энергозатраты, чем при регенерации других промышленных минеральных сорбентов (окись алюминия, цеолиты), низкая себестоимость при крупнотоннажном промышленном производстве.

Для осушки газа на промышленных установках наиболее эффективно применение мелкопористого силикагеля марки КСМ. Он обладает наибольшей адсорбционной емкостью по сравнению с другими марками силикагеля, дает более низкую степень осушки, имеет более высокую механическую прочность как от истирания, так и от раздавливания. Однако следует учитывать, что мелкопористый силикагель быстро измельчается при наличии в газе капельной влаги. Поэтому обычно предусматривают защиту слоя мелкопористого силикагеля слоем инертного к капельной влаге адсорбента.

Адсорбированные углеводороды, начиная с бутанов, легко сорбируются силикагелем, но их частично вытесняет вода. Легкие углеводороды (до бутанов) полностью выделяются при регенерации силикагеля и не влияют на адсорбционную способность силикагеля в последующих циклах. Десорбция влаги из силикагеля заканчивается к 150—160 °С, но присутствие тяжелых углеводородов требует более высокой температуры нагрева слоя сорбента. Тяжелые углеводороды С₅ и выше более прочно удерживаются силикагелем и при регенерации удаляются не полностью. При этом необходимо иметь в виду, что нагрев силикагеля выше 220 °С ведет к деструктивным изменениям поверхности силикагеля, что снижает его адсорбционную емкость, а нагрев выше 250 °С ведет к резкому падению активности силикагеля.

Неполная десорбция тяжелых углеводородов, постепенное измельчение гранул силикагеля и другие неблагоприятные факторы приводят к постоянному снижению адсорбционной активности сорбента. В начальный период загрузки силикагеля он будет иметь высокую активность 15-20 % вес. В этот период адсорберы можно эксплуатировать в более длительном цикле, если ставится задача извлечения только воды из газа, при этом поглощаемая вода постепенно вытесняет из слоя другие сорбированные компоненты, например, метанол и углеводороды, облегчая условия последующей регенерации силикагеля.

В процессе эксплуатации активность сорбента понижается и к концу эксплуатационного срока ее можно принять, равной 7 % мас. (по практическим данным).

Необходимо отметить, что на динамическую активность силикагеля сильно влияет скорость потока газа: при повышении скорости газа динамическая активность сорбента падает. В эксплуатационных условиях, когда возможно превышение номинальной производительности по газу, это свойство силикагеля отрицательно сказывается на глубине осушки. Кроме того, при осушке силикагелем происходит постоянное увеличение содержания влаги в осушенном газе в течение цикла адсорбции и тем самым не удается получить стабильную глубину осушки потока газа.

Широкое применение в качестве адсорбентов нашли цеолиты природные и синтетические, обладающие молекулярно-ситовыми свойствами.

Синтетические цеолиты - самый дорогой адсорбент. Они обеспечивают очень низкую точку росы при высокой адсорбционной способности, прочны при контакте с капельной влагой. Эксплуатационные расходы при их использовании наиболее низкие.

Очень важным показателем, который влияет на адсорбционную способность большинства адсорбентов, является относительное насыщение осушаемого газа. Чем выше влажность газа, тем выше поглотительная способность адсорбентов. Но цеолит составляет исключение и практически имеет постоянную адсорбционную способность при любой относительной влажности газа.

В отличие от силикагелей цеолиты имеют высокую активность при низких парциальных давлениях паров воды, следовательно, эти адсорбенты могут применяться для осушки газов с низким содержанием воды, при этом показывая высокую активность. Кроме того, молекулярные сита сохраняют высокую активность в широком интервале температур. Благодаря этому можно уменьшить продолжительность времени охлаждения адсорбента.

Скорость адсорбции на цеолитах велика, что обусловливает малую длину рабочей зоны слоя сорбента, поэтому цеолиты способны работать при более высоких скоростях газа (до 0,3 м/с) без заметного изменения динамической активности и качества обработки газа.

Если наряду с осушкой газа ставится задача об извлечении из него тяжелых углеводородов (С₅₊), можно рекомендовать цеолит NaX. Этот адсорбент обладает высокой активностью по воде и углеводородам, причем в течение цикла адсорбции обеспечивает стабильную глубину осушки. Цеолит NaX устойчиво работает при изменениях исходной влажности и скорости потока газа, что немаловажно в промышленных условиях, когда возможны колебания производительности установки по газу.

Цеолит NaX инертен к действию капельной влаги в исходном газе и при регенерации его в процессе нагрева, испаре­ния влаги и ее конденсации при контакте с холодным (еще не нагретым) слоями сорбента.

Цеолит NaX более устойчив к воздействию низких температур, чем силикагель. Опыт эксплуатации адсорбентов в северных условиях (Мессояха, Медвежье), а также научные исследования показывают, что при многократных воздействиях низких температур силикагель растрескивается: обводненный силикагель разрушается на 15-20 %, а регенерированный - на 5-7 %; цеолит же в этих условиях визуально не изменяется и не снижает своих свойств (емкости, прочности и т.д.).

Цеолит NaX требует более высокой температуры регенерации. При этом происходит более глубокая десорбция тяжелых углеводородов, но следует отметить, что нагрев слоя выше 320-350 °С может вызвать закоксовывание пор цеолита и привести к снижению его активности. Суммарную активность цеолита NaX по воде и другим компонентам к концу эксплуатационного периода можно принять, равной 9 % мае.

Высокая механическая прочность адсорбента NaX позволит эксплуатировать колонны при минимальном перепаде давления, близком к его расчетному значению.

Основные показатели адсорбента NaX следующие:

Кажущаяся плотность, кг/м³......... 1080-1160

Насыпная плотность, кг/м³.......... 680-740

Пористость, %............................ 40

Теплоемкость, ккал/кг*°С............22

Активность по воде, %:

при 25 °С............................... 32

при 100 ^оС.............................. 16

Срок службы можно принимать 2,5-3 года.

Молекулярные сита NaX изготавливаются Ишимбаевским и Салаватским нефтехимическими заводами.

При принятии в качестве адсорбента цеолита NaX температура регенерации (нагрев адсорбента) составит 320 °С. Благодаря этому, в будущем, при необходимости переход на другие адсорбенты не потребует реконструкцию систем регенерации.

Если ставится задача только по осушке газа, то целесообразно применение цеолита NaA. Основные показатели адсорбента цеолита NaA близки к значениям, приведенным выше для цеолита NaX. Основное отличие цеолита NaA от NaX в том, что он поглощает компоненты промышленных газов, критический размер молекул которых не превышает 0,4 м, т.е. не сорбирует пропан и органические соединения с числом атомов углерода более 3.

В зависимости от удельного количества извлекаемых компонентов, глубины осушки газа, характеристики применяемого оборудования и свойства адсорбентов на практике могут реализоваться схемы 3-х и 2-х адсорберных установок осушки газа.

Самые крупные промышленные установки адсорбционной осушки газа построены и эксплуатируются на месторождении Медвежье. Всего построены 5 УКПГ. Каждая технологическая нитка этих установок включает в себя два адсорбера.

Номинальная производительность каждой УКПГ составляет 8 млрд. м³ в год или 24 млн. м³/сут. Каждая УКПГ состоит из 4-х технологических ниток пропускной способностью одной нитки 2 млрд. м³ в год или б млн. м³/сут при давлении 7,7 МПа.

Принципиальная схема технологической нитки приведена на рис. 2.44.

Перед поступлением в адсорберы из сырьевого газа в сепараторе С-1 отделяются механические примеси и капельная жидкость. После сепаратора газ сверху вниз проходит через один из адсорберов. Осушенный газ отводится в коллектор сухого газа. Второй адсорбер в это время находится на стадии регенерации (нагрев, охлаждение или ожидание).

Газ регенерации отбирается из потока осушенного газа и компрессором ДК подается в печь подогрева П-1 и с температурой 180-200 °С подается снизу вверх через адсорбер, в котором производится десорбция воды и тяжелых углеводородов. Отработанный газ регенерации охлаждается в воздушном холодильнике ВХ и поступает в сепаратор С-2, где из газа отделяются сконденсировавшиеся углеводороды и вода. После С-2 газ возвращается во входной сепаратор С-1 и повторно проходит весь цикл.

В табл. 2.19 приведены проектные показатели адсорбционной установки осушки газа. По проекту предусматривалась комбинированная загрузка адсорбента: защитный слой – крупнопористый силикагель типа В, а основной осушающий слой – мелкопористый силикагель типа А.

Перед защитным слоем устанавливается слой муллита, который представляет собой твердые частицы, близкие по форме к сфере диаметром 7-40 мм. Назначение слоя – обеспечение равномерного распределения газа по сечению аппарата.

Таблица

Дата добавления: 2015-07-24