Учебное пособие 800525

Корпус теплообменника состоит из двух полукольцевых в поперечном сечении камер 1, 2, которые разделены перегородками 4 с переточными окнами 5, 6. Газораспределительное устройство 3, состоящее из внутреннего 7 и наружного 8 ободов, между которыми установлены профильные лопатки 9, обеспечивающие направленный вдув газа и воздуха.

Воздухоподогреватель работает следующим образом. При подаче в аппарат снизу вверх греющего газа и воздуха дисперсный материал, расположенный на газораспределительной решетке (на схеме не показан), псевдоожижается и одновременно перемещается в сторону наклона лопаток газораспределительной решетки. За счет циркуляции дисперсного материала (насадки) происходит непрерывно теплообмен между греющим теплоносителем (продуктами сгорания) и нагреваемым (воздухом).

С целью проверки работоспособности предлагаемой конструкции теплообменника и оценки тепловой эффективности были проведены его экспериментальные исследования воздухоподогревателя. Корпус экспериментального теплообменника образован двумя коаксиальными обечайками диаметрами 200 и 300 мм. В нижней части корпуса закреплена жалюзийная газораспределительная решетка, обеспечивающая вдув газообразных теплоносителей под углом 30° к горизонту. Подача газообразных теплоносителей в аппарат производилась двумя высоконапорными вентиляторами Ц 10–28. Воздух, который служил греющим теплоносителем, предварительно нагревался в электрокалорифере. Измерение температуры теплоносителей производилось термопарами градуировки ХК и автоматическим потенциометром КСП–4. В качестве насадки использовались частицы эквивалентным диаметром 5 мм из алюминиевого сплава плотностью 2850 кг/м3.

Эксперименты проводились в следующей последовательности. В аппарат засыпалось определенное количество дисперсного материала, затем включались вентиляторы и электрокалорифер. После установления стационарного режима измеряли объемные расходы и температуры газообразных теплоносителей, а также массовый расход насадки. Для оценки тепловых потерь в окружающую среду составлялся тепловой баланс, невязка которого не превышала 3 %.

Расчет коэффициента тепловой эффективности воздухоподогревателя t , % производился по общепринятой формуле:

21

величина коэффициента тепловой эффективности зависит, в основном, от соотношения водяных эквивалентов газообразных теплоносителей и насадки. В результате статистической обработки опытных данных было получено следующее эмпирическое соотношение:

где 0, 2 Wв / Wн 0,6 .

Отдельные результаты опытных данных и расчетных по формуле (6) показаны на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента тепловой эффективности от водяных эквивалентов теплоносителей: • – эксперимент; – рас-

чет по формуле (6)

Среднеквадратичное отклонение опытных данных от расчетных по полученному соотношению составляет 6,6 %.

22

Литература

1.Сотникова, О.А. Децентрализованное теплоснабжение / О.А. Сотникова. – Воронеж: ВГАСУ, 1999. – 124 с.

2.Липов, Ю.М. Компоновка и тепловой расчет парогенератора / Ю.М. Липов, Ю.Ф. Самойлов, З.Г. Модель. – М.: Энергия, 1975. – 176 с.

3.Хзмалян, Д.М. Теория горения и топочные устройства/ Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган. – М.: Энергия, 1976. – 488 с.

4.Тебеньков, Б.П. Рекуператоры для промышленных печей / Б.П. Тебеньков. – М.: Металлургия, 1975. – 296 с.

5.Агапов, Ю.Н. Сравнительная эффективность теплообменников для использования теплоты отходящих газов теплотехнологических установок / Ю.Н. Агапов, Л.Н. Сидельковский // Энергосбережение в высокотемпературной технологии: сб. науч. тр. – М.: МЭИ,

1987. – С.73–79.

6Надеев, А.А. Определение коэффициентов тепловой эффективности многоступенчатых аппаратов с центробежным слоем / А.А. Надеев, Д.Ю. Агапов и другие // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2011. – Т. 7. – № 10. – С. 132–135.

7.Бараков А.В. Исследование гидродинамики регенератора с дисперсной насадкой / А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских

//Энергосбережение и водоподготовка. – 2009. – № 1. – С. 47–48.

8. А.С. 1150470 СССР Регенеративный теплообменник / Ю.Н. Агапов (СССР) № 3630327/24–06. Заявл. 29.07.83. Опубл. 15.04.85, бюл. № 14. – 3 с.

Воронежский государственный технический университет

23

УДК 543.544.414.2

В.А. Алексеева, студент

ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЕНТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ОСУШКЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Аннотация: в данной работе представлены основные свойства адсорбентов, применяемых при осушке и очистке природных газов, а также анализ использования различных типов адсорбентов в зависимости от условий проведения процесса осушки газа

Ключевые слова: адсорбент, осушка, природный газ, влажность, динамическая активность

С экономической точки зрения наиболее оптимальным методом подготовки природного газа является адсорбционная осушка. Адсорбционная технология осушки является безотходным экологически чистым процессом, исключающим загрязнение окружающей среды. В связи с этим в настоящее время возрастает перспектива использования адсорбционных технологий.

Адсорбцией называется любой процесс, в котором молекулы удерживаются на поверхности твёрдого тела, называемого адсорбентом, с помощью поверхностных сил. Поглощаемое вещество, находящееся в объёме фазы адсорбтивом, а поглощённое адсорбатом. Выделяют два вида адсорбции: физическая адсорбция и хемосорбция, в которой адсорбенты реагируют химически. В процессах переработки природного газа хемосорбция практически не применяется.

Физическая адсорбция − процесс, обусловленный силами межмолекулярного взаимодействия. Адсорбенты, применяемые для осушки и очистки природного газа должны обладать рядом свойств:

1.Достаточной поглотительной способностью;

2.Глубиной поглощения влаги, зависящей от размера пор;

3.Полнотой и простотой регенерации;

4.Механической прочностью − не разрушаться под действием массы слоя;

5.Прочностью от истираемости − не измельчаться от движения газа в слое адсорбента;

6.Высокой стабильностью – способностью сохранять достаточную активность после многократной регенерации.

Адсорбционная способность (активность адсорбента) выражается количеством поглощенного адсорбата единицей массы или объёма ад-

24

сорбента (см3/г, или в процентном выражении). Различают равновесную и динамическую активность адсорбентов. Равновесная статическая активность – это количество поглощённого адсорбтива при установлении в системе его равновесного содержания. Равновесная статическая активность зависит от пористой структуры адсорбента, температуры и парциального давления паров адсорбтива.

Впромышленности более значимой характеристикой является динамическая активность − количество поглощённой влаги при прохождении влажного газа через слой адсорбента до момента появления паров воды за слоем адсорбента в количестве, превышающем заданную величину [1].

Вдинамических условиях в начале процесса адсорбтив извлекается из потока во входной части слоя адсорбента до заданного уровня равновесия. Высота слоя адсорбента, соответствующая такому извлечению, называется адсорбционной зоной. Эта зона перемещается по высоте слоя с определённой скоростью, зависящей от рабочих условий. Когда адсорбционная зона достигнет конца слоя, происходит, так называемый, «проскок» влаги, после чего влажность осушаемого газа на выходе быстро повышается. На рис. 1 показано изменение концентрации адсорбата в слоях адсорбента при движении газового потока [2].

Рис. 1. Движение фронта насыщения по слою адсорбента во времени: ОА – слой, достигший предела сорбции; АВ – слой, участвующий в процессе адсорбции; ВС – слой, в котором адсорбент ещё не вступил в работу

Динамическая активность адсорбента определяется: высотой слоя; временем контакта (следовательно, скоростью движения потока адсорбтива); температурой среды; влажностью осушаемого газа; размером и формой зёрен адсорбента; равномерностью распределения потока по сечению слоя; степенью предыдущей регенерации.

25

На рис. 2 и рис. 3 показаны зависимости динамической активности адсорбента от перечисленных выше факторов.

Рис. 2. Зависимость динамической активности адсорбента от давления и скорости движения потока адсорбтива

Рис. 3. Зависимость динамической активности адсорбента от температуры среды и влажности осушаемого газа

26

При уменьшении высоты слоя и влажности осушаемого газа снижается динамическая активность, а небольшой размер гранул адсорбента улучшает кинетику процесса, но при этом увеличивает сопротивление слоя.

Наиболее важный показатель, определяющий поглотительную способность слоя осушителя − относительная влажность газа. Чем больше относительная влажность, тем выше активность адсорбента.

При времени контакта «газ–адсорбент», а, следовательно, меньшей скорости газа, увеличиваются глубина осушки и продолжительность работы слоя до момента проскока.

При выборе адсорбента (типа и марки) для конкретного процесса необходимо учитывать все перечисленные показатели.

Для осушки природных газов в промышленных установках применяют следующие адсорбенты: силикагели, оксид алюминия и цеолиты (молекулярные сита). Эти адсорбенты в зависимости от наличия в них пор преобладающего размера подразделяются на микропористые, макропористые и переходнопористые. Самые маленькие микропоры имеют размеры эффективных радиусов до 1,5 нм; самые большие макропоры имеют эффективные радиусы от 100 до 200 нм и переходные поры, по которым адсорбтив поступает к микропорам, имеют эффективные радиусы от 1,5 до 100 нм. Таким образом, силикагели причисляют к переходнопористым, а цеолиты к микропористым сорбентам.

Целесообразность использования какого–либо типа адсорбента зависит от условий проведения процесса, в первую очередь от влажности поступающего газа и температурного режима осушки. Для выяснения этой зависимости были проведены испытания.

Исследования проводились на шариковом силикагеле КСМГ с диаметром сфер 2 мм и синтетическом цеолите NaA, гранулы которого имели высоту и диаметр также 2 мм. Скорость потока газа составляла 0,25 м/с. Осушали газ различного влагосодержания при трёх различных температурах.

Равновесная адсорбционная способность силикагеля превосходит соответствующий показатель для цеолита только при осушке газа с высоким влагосодержанием (10 ºC по точке росы) при относительно низких температурах (25 ºC).

В результате расчёта динамики процесса осушки газа силикагелем показано, что даже при бесконечно большом слое силикагеля степень использования его адсорбционной ёмкости при осушке газа

27

с высокой относительной влажностью не может превышать 75 %. По этой причине во всех режимах осушки использование слоя цеолита предпочтительнее использования слоя силикагеля той же высоты.

Сравнительный анализ эффективности применения оксида алюминия и цеолитов была проведена на природном газе. Для испытаний в схему были включены два адсорбера, ёмкостью по 10 л каждый. В один адсорбер было загружено 8 кг оксида алюминия, а в другой −7 кг цеолита NaA. Процесс осушки проводился одновременно в параллельно включённых адсорберах при одинаковых скоростях, давлениях и температурах. Осушке были подвергнут отбензиненный на углеадсорбционной установке природный газ. Во всех случаях цеолит обеспечивал большую глубину осушки при более высокой влагоёмкости. Объем осушенного до точки росы минус 5 ºC газа составлял 30 тыс. м3/т для оксида алюминия и 100 тыс м3/т для цеолита.

Проводились исследования по осушке природного газа с помощью комбинированной шихты: мелкопористый силикагель–цеолит NaA. Эксперименты проводились при разном влагосодержании природного газа и различных температурах, а также при различных соотношениях: силикагель–цеолит.

В ходе исследований выявлено, что применение двухслойной шихты на адсорбционных установках с точки зрения времени защитного действия слоя, динамической активности и ряда других показателей целесообразно только в случае высокого содержания влаги в газе (10 ºC и выше по точке росы), если процесс проводится при относительно низких температурах (приблизительно 25 ºC). Во все других условиях время защитного действия слоя понижается с уменьшением доли цеолита в шихте.

Из вышеизложенного следует, что качественная осушка природных газов зависит от анализа условий процесса и рациональном выборе адсорбента для каждого конкретного случая.

Литература

1.Кемпбел, Д.М. Очистка и переработка природных газов /

Д.М. Кемпбел. − М.: «Недра», 1977. − 349 с.

2.Жданова, Н.В. Осушка углеводородных газов / Н.В. Жданова,

А.Л. Халиф. – М.: Химия, 1984. – 192 с.

Воронежский государственный технический университет

28

УДК 66.067.8.081.3

М.В. Малеваный, студент; В.В. Черниченко, к.т.н., доцент

СПОСОБ АДСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ГАЗА С ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ РЕГЕНЕРАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ГАЗА РЕГЕНЕРАЦИИ

Аннотация: рассматривается способ осушки природного газа с замкнутым циклом регенерации, позволяющий исключить потери газа регенерации в атмосферу и использовать его тепловой потенциал

Ключевые слова: адсорбция, осушка, регенерация, очистка газа

Сущность адсорбционной осушки состоит в избирательном поглощении поверхностью пор твёрдого адсорбента молекул воды с последующим извлечением их из пор внешними воздействиями (повышением температуры адсорбента или снижением давления среды)

[1].

Для адсорбционной осушки природного газа, подаваемого в газоиспользующее оборудование, в том числе и в компрессорные установки, используют блоки осушки газа (БОГ), где газ предварительно очищается от механических примесей и капельной влаги, затем осушается с помощью адсорбента, находящегося в адсорберах.

Распространённый недостаток, характеризующий многие блоки осушки, – недостаточная экологичность в связи с утилизацией (сжиганием) или сбросом в атмосферу отработанного газа регенерации.

Рассмотрим способ для адсорбционной осушки природного газа, исключающий (минимизирующий) выбросы газа регенерации в атмосферу и блок осушки для его реализации (рис.).

Предлагаемый способ может быть реализован при помощи блока, имеющего следующую конструкцию. Агрегаты блока смонтированы на раме. Блок содержит два адсорбера 1 и 2, заполненных адсорбентом и снабженных манометрами 3 и 4 соответственно; теплообменника 5. Теплообменник 5 предназначен для подогрева газа регенерации, поступающего на потребление и охлаждения отработанного газа регенерации.

29