Осушка газа абсорбцией

Абсорбция - это объёмное поглощение газов и паров жидкостью (абсор­бентом) с образованием раствора. Процесс обратный абсорбции называется де­сорбцией.

Различают физическую, химическую и так называемую промежуточную абсорбцию. Физическая абсорбция связана с образованием физического раствора

без химического взаимодействия поглощаемого компонента и растворителя. Энергия взаимодействия поглощаемого компонента и растворителя всегда 20 кДж/моль поглощаемого вещества. Химическая абсорбция (хемосорбция) связана с протеканием определённых химических реакций между поглощаемым компо­нентом и абсорбентом. Энергия взаимодействия в этом случае всегда > 25 кДж/моль. Наконец, промежуточная абсорбция связана с образованием между молекулами поглощаемого вещества и абсорбента слабых координационных свя­зей (например, водородных) с энергиями взаимодействия 20 - 30 кДж/моль.

При физической абсорбции поглощающая способность абсорбента (разу­меется при достижении равновесия) определяется константой фазового равнове­сия). Чем она меньше тем лучше поглотительные возможности растворителя. Константа фазового равновесия, в свою очередь, является функцией давления, температуры и состава газа и жидкости, т.е.:

причём, решающее влияние принадлежит первым двум аргументам:

- с ростом давления растворимость любого компонента газа увеличивает­ся (константа фазового равновесия понижается);

- с ростом температуры растворимость плохо растворимых газов увели­чивается (за исключением водных растворов), а растворимость хорошо раствори­мых газов уменьшается.

При химической абсорбции поглощающая способность абсорбента (при достижении равновесия) определяется константой равновесия конкретной хими­ческой реакции, которая, в свою очередь, подчиняется принципам Ля -Шателье. Поскольку поглощение идёт с уменьшением объёма, то:

- с ростом давления растворимость увеличивается. Поскольку хемосорб­ция может идти как с выделением, так и с поглощением тепла, причём, в гораздо больших количествах, чем при физической абсорбции, то:

- с ростом температуры растворимость будет уменьшаться, если реакция идёт с выделением тепла, и, наоборот, будет возрастать, если реакция идёт с по­глощением тепла. Кроме того, при хемосорбции роль двух последних аргументов,

пожалуй, не менее значительна, ибо может привести либо к полному прекраще­нию реакции (ингибирующие добавки), либо к её стремительному протеканию в присутствии катализирующих добавок. При этом, с термодинамической точки зрения химическая абсорбция особо выгодна для удаления из газа компонентов с малыми концентрациями, в то время как для грубой очистки пригодны оба мето­да.

- При физической абсорбции поглощаемый газ в результате молекуляр­ной, конвективной, а также турбулентной диффузии из ядра газового потока пе­реносится к границе раздела фаз, а затем, по такому же механизму равномерно распределяется в объёме жидкости. При химической абсорбции эти процессы ос­ложняются химической реакцией, причём, скорость каждого процесса сказывает­ся на скорости реакции. Поскольку скорость химической реакции, как правило, намного выше скорости диффузии, именно последняя (во всех своих проявлени­ях) является лимитирующей стадией процесса.

Абсорбция осуществляется в массообменных аппаратах называемых аб­сорберами (скрубберами). Их классификация, устройство, расчет и анализ работы подробно изложены в материалах практических занятий.

Абсорбцию, как правило, осуществляют в виде абсорбционно - десорбци-онного цикла (рис.56).

Рис.56. Технологическая схема абсорбционно - десорбционного цикла.

Однако, стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорб­ции получают готовый продукт или регенерация поглотителя невозможна (ра­зомкнутый цикл). При этом, чем выше циркуляция поглотителя, тем меньше раз-

меры абсорбера, но выше эксплуатационные расходы и побочное поглощение из газа нецелевых компонентов. Для снижения этих расходов поглотитель может по­даваться в абсорбер разной степени регенерированности в разные точки, соответ­ственно, и отбираться из десорбера он будет из разных точек. Регенерация абсор­бентов, как правило, проводится либо снижением давления, либо нагреванием, либо отдувкой плохо растворимым газом.

Физическую абсорбцию осуществляют, как правило, при температуре при­ходящего газа (20 - 40°С) или при специально понижаемых температурах, т.к. при этом возрастает растворимость хорошо поглощаемого компонента и снижается растворимость плохо поглощаемых компонентов, т.е. повышается селективность процесса (любой компонент можно сделать хорошо или плохо растворимым, ме­няя марку растворителя). Кроме этого, уменьшаются потери растворителя от ис­парения и рост парциального давления поглощаемого компонента в исходном газе практически не влияет на степень циркуляции поглотителя чего не скажешь о хе-мосорбции.

К жидкому абсорбенту, предназначенному для осушки газа, предъявляют­ся многочисленные требования, основные из которых сводятся к следующему:

1. Высокая влагоёмкость;

2. Нетоксичность;

3. Стабильность;

4. Отсутствие корредирующих свойств;

5. Низкая растворяющая способность по отношению к углеводородам и слабая растворимость в них;

6. Простота регенерации.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают диэтиленгликоль и триэтиленгликоль (ДЭГ и ТЭГ) - ГОСТ 10136 - 77. Используя ДЭГ, можно уменьшить температуру точки росы газа по воде примерно на 30°С. ТЭГ обладает более высокой влагоёмкостью, но труднее регенерируется по сравнению с ДЭ-Гом. В России, в основном, используется ДЭГ. Во ВНИИСПТнефти и ЦКБН соз­даны блочные, автоматизированные установки осушки газа ДЭГом пропускной способностью 100, 200 и 300 тыс.м ³/сутки на рабочее давление 10 атм и пропуск­ной способностью 500 тыс м³/сутки на рабочее давление 6 атм. В последнее время появились установки пропускной способностью 1200 и 2400 тыс м³/сутки на ра­бочее давление 10 атм. Немало осталось в России и установок спроектированных в ГДР, основанных на использовании ТЭГа с пропускной способностью 500 тыс

м³/сутки на рабочее давление 6 атм. Принципиальные технологические схемы отечественных и импортных установок осушки газа аналогичны и приведены на рис. 57:

Рис.57. Принципиальная схема абсорбционной осушки газа. Установка работает следующим образом:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Осушка газа адсорбцией

Адсорбция - это объемное поглощение газов и паров поверхностью твер­дого тела (адсорбентом) с образованием обновленной поверхности.

Процесс обратный адсорбции называется десорбцией.

Различают физическую, химическую и так называемую промежуточную адсорбцию. Физическая адсорбция связана, как правило, с Вандер-Ваальсовыми силами, удерживающими молекулы газов и паров у поверхности твердого тела и не сопровождается химическим взаимодействием между поглощаемым компо­нентом и поглотителем. Энергия взаимодействия в этом случае не превышает не­скольких десятков кДж/ моль поглощаемого вещества.

Химическая адсорбция (хемосорбция) связана с протеканием определен­ных поверхностных химических реакций между поглощаемым веществом и ад­сорбентом и для своего осуществления требуют преодоления определенного ак-тивационного барьера. Энергия взаимодействия, в этом случае, достигает не­скольких сотен кДж/модь поглощаемого вещества. Наконец, промежуточная ад­сорбция связана с образованием между молекулами поглощаемого вещества и по­верхностью адсорбента слабых координационных связей (например, водородных) с промежуточными значениями энергии взаимодействия.

При физической адсорбции поглощающая способность адсорбента (разу­меется, при достижении равновесия) определяется температурой, давлением, кон­центрацией поглощаемого компонента и удельной поверхностью поглотителя.

- чем выше температура, тем меньше поглощающая способность адсорбен­та, т.е. физическая адсорбция экзотермична.

-с ростом давления, наоборот, поглощающая способность адсорбента на­растает (разумеется, речь идет о парциальном давлении поглощаемого компонен­та).

- влияние концентрации поглощаемого компонента и удельной поверхно­сти адсорбента аналогичны влиянию давления.

При химической адсорбции поглощающая способность адсорбента (при достижении равновесия), как и при абсорбции, целиком определяется константой равновесия конкретной химической реакции, которая, как известно, подчиняется принципу Ля-Шателъе.

Существует множество технологических приемов проведения адсорбцион­ных процессов. Наибольшее распространение получили циклические (переодиче­ские) установки с неподвижным слоем адсорбента, основной узел которых - один или несколько адсорберов, выполненных в виде полых колонн, заполненных гра­нулированным адсорбентом. Газовый поток, содержащий адсорбируемые компо­ненты, пропускается через слой адсорбента до проскока. После этого, адсорбент в адсорбере регенерируют, а газовый поток направляют в другой адсорбер. Регене-рацию проводят нагреванием, сбросом давления, вытеснением или комбинацией этих методов. Так как время адсорбции и регенерации не совпадает, то подбирают такое число одновременно работающих и регенерируемых адсорберов, чтобы в целом процесс шел непрерывно. При этом, возможно 2 варианта: 1 - целевой про­дукт адсорбируется и может быть выделен только при регенерации. 2-адсорбируются нецелевые компоненты. В этом случае, целевой продукт получают непосредственно при адсорбции.

Менее распространены установки с движущимся слоем адсорбента. Последний под действием силы тяжести медленно опускается по адсор-

беру, выводится из его нижней части и попадает в так называемый эр­лифт, представляющий собой вертикальную трубу, параллельную адсорб­ционной колонне. По этой трубе снизу вверх движется поток воздуха, ко­торый поднимает зерна адсорбента в верхнюю часть колонны. Перераба­тываемый газовый поток поступает в среднюю часть адсорбера и движет­ся вверх противотоком к адсорбенту. В верхней части колонны непрерыв­но происходит адсорбция, в нижней - регенерация. Возможна и другая конструкция - когда десорбер выполнен в виде отдельного аппарата, па­раллельного адсорберу. В этом случае, необходимы два эрлифта.

Наконец, существуют установки с псевдоожиженным (кипящим) слоем ад­сорбента, при котором, газовый поток, поступающий в адсорбер снизу, приводит адсорбент во взвешенное состояние. При этом, резко увеличивается эффектив­ность массообмена между адсорбентом и газом и сокращается длительность ад­сорбции и десорбции, проводимой, обычно, в другом аппарате.

К твердому адсорбенту, предназначенному для осушки газа, предъявляют­ся многочисленные требования, основные из которых сводятся к следующему:

1. Большая адсорбционная емкость

2. Легкость регенерации

3. Механическая прочность

4. Химическая инертность и термическая стойкость

5. Низкое сопротивление потоку газа

6. Способность выдерживать много циклов адсорбция - десорбция

7. Доступность.

Наиболее полно данным требованиям отвечают адсорбенты, основные свойства которых приведены в табл.35.

Табл.35. Основные свойства адсорбентов, применяемых для осушки газа.

Показатели	γ-А12О3	Бок- сит	Флюо- рит	Сили- кагель		Цеолиты
						NaX (синт.)	Клиноптилолит
Насыпная плотность, кг/м3 Влагоёмкость, % маc	~720 ~5 -60	~880 ~5 -60	~720 ~5 -70	~650 ~6 -60		~650-680 -7 -70	~720-750 ~8 -80

Достигаемая точка ро- сы,oС Скорость газа, м/с Температура, °С: Адсорбции Десорбции

0,1-0,25 0-30 180-200

0,1-0,3 0-40 180-200

0,1-0,3 0-40 180-200

0,1-0,35 5-40 150-200

0,1-0,35 0-40 200-450

0,1-0,4 0-40 400-550

Принципиальная технологическая схема осушки газа методом адсорбции приведена на рис. 58

Рис.58. Принципиальная технологическая схема осушки газа методом ад­сорбции

Установка работает следующим образом:

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Содержание в газе высокомолекулярных углеводородов, Н₂S, CO₂, твёр­дых и жидких взвешенных частиц снижает поглотительную способность адсор­бентов, поэтому газ до поступления на осушку целесообразно очищать от указан­ных примесей.

Цеолиты, кроме влаги, способны поглощать высокомолекулярные углево­дороды, Н₂S, CO₂ т.е. одновременно осуществляют частичную очистку газа.

Подведём итог: область применения (по требуемой точке росы) всех рас­смотренных способов осушки газа может быть проиллюстрирована рис.59.

Рис.59. Область применения (по требуемой точке росы) всех рассмотренных спо­собов осушки газа

1. Цеолиты; 2. Оксид алюминия и силикагель; 3. Гликоли; 4. Хлористый литий (р - р);

5. Хлористый кальций (р-р); 6. Дросселирование; 7. Холодильные машины; 8. Охлаждение водой; 9. Охлаждение воздухом; 10. Детандер.

Очистка газа от агрессивных примесей

Под агрессивными примесями в природных и попутных газах понимают совокупность естественных компонентов, способных вызвать (особенно в присут­ствии свободной воды) интенсивную коррозию трубопроводов и оборудования. К ним, в основном относят H₂S, CO₂ и меркаптаны R-SH. Помимо коррозионной ак­тивности ряд агрессивных компонентов способен оказывать крайне нежелатель­ное воздействие на окружающую среду и даже непосредственно угрожать здоро­вью и жизни человека. К подобным компонентам относят прежде всего H₂S и R-SH. Наконец, многие агрессивные компоненты при использовании газа в качестве топлива способны образовывать различные оксиды серы, ещё более опасные для флоры и фауны, не говоря уже о оборудовании, чем исходные серосодержащие

вещества. К подобным компонентам, кроме названных сероводорода и меркапта­нов, относят COS и CS₂.

Суммарная концентрация подобных веществ может достигать нескольких десятков грамм на каждые 100 м³ газа, взятого при н.у.; в то время как в очищен­ном газе она колеблется в пределах от 150 до 700 мг/100 м³ газа, взятого при н.у., в зависимости от жесткости нормативных документов в конкретной стране.

Принято различать очистку газов методом абсорбции; методом адсорбции; с использованием мембранных технологий и дистилляционные процессы.

Наибольшее распространение получил метод очистки газов с помощью аб­сорбции, который, в свою очередь, может быть представлен 4-я группами:

- процессы, основанные на химическом взаимодействии кислых компонен-тов с жидким поглотителем (хемосорбция);

- процессы, основанные на применении жидких абсорбентов, которые осуществляют поглощение за счет физического растворения кислых компонентов (физическая абсорбция);

- процессы, основанные на применении смеси физических и химических растворителей;

- процессы, сочетающие абсорбцию с одновременной окислительной кон­версией сернистых соединений в элементарную серу.