Теплофизические характеристики адсорбентов и параметры их регенерации

Тип цеолита	Теплофизическая характеристика в интервале 120–570 К			Характеристика процесса регенерации
	с, кДж/(кг·К)	λ, Вт/(м·К)	а·104, м2/ч	Т, К	ωрег, л/(мин·см2)	, ч
NaX	–	–	–	650–675	0,1–4	8–10
NaA	0,5–1	0,1–0,3	6–11	675–700	0,1–4	10–12
КА	–	0,1–0,25	–	700–725	0,1–4	11–13
Силикагель	0,6–1,3	–	6–10	440–475	0,2–1,5	4–10
Алюмогель	0,4–1,0	–	5–9	525–625	0,2–2	5–12

Скорость газового потока в адсорберах в процессе адсорбции, отнесенная ко всему живому сечению адсорбера и рабочим условиям очистки, обычно принимается в пределах от 0,02 до 2 л/(мин·см²), т. е. от 0,2 до 2 м/мин.

Расчет блоков адсорбционной осушки ПГ может производиться путем определения геометрических размеров адсорберов и массы адсорбента, исходя из принятой степени осушки, расхода осушаемого ПГ, времени защитного действия адсорберов и свойств адсорбента и физических свойств ПГ. Для принятого типоразмера адсорберов блока осушки производится поверочный расчет, при котором, исходя из расхода осушаемого ПГ, свойств адсорбента и ПГ, исходного содержания в ПГ влаги и заданной степени осушки, производится определение объемной скорости осушаемого газа и ее соответствия возможному диапазону изменений и времени защитного действия адсорбента, находящегося в адсорберах.

Возможные варианты принципиальных схем адсорбционных блоков осушки и методы их расчета изложены в работах [26–29 и др.].

Кроме того, необходимо иметь в виду, что оптимальные условия работы блока адсорбционной осушки при использовании синтетических цеолитов определяются температурой газа, поступающего в блок, равной 278–283 К.

В этой связи перед подачей газа в блок осушки его дополнительно охлаждают либо в предварительном теплообменнике, используя холод потоков неожиженной части газа, либо в испарителе холодильной машины, обеспечивающей предварительное охлаждение ПГ.

В установках ожижения ПГ небольшой производительности иногда используют осушку ПГ методом вымораживания.

Принципиальная схема узла осушки ПГ методом вымораживания показана на рис. 1.2.2.

Рис. 1.2.2. Принципиальная схема узла осушки ПГ методом вымораживания H₂O:

1– теплообменник;2– влагоотделитель; 3,4– вымораживатели влаги

Для регулирования температуры ПГ, выходящего из теплообменника 1, с целью поддержания ее на уровне выше 273 К, что исключает замерзание в теплообменнике1влаги, выпавшей из ПГ,предусмотрена байпасная линия, которая при необходимости позволяетперепускать часть неожиженного ПГ с холодного конца теплообменника на теплый.

По выходе из влагоотделителя 2поток ПГ поступает в один из вымораживателей влаги 3или4. Содержащаяся в ПГ влага вымораживается на наружной поверхности трубок вымораживателя. Когда гидравлическое сопротивление межтрубного пространства превысит допустимый предел вследствие отложения значительного количества льда и снега, теплообменники переключают.

Для охлаждения трубного пространства вымораживателя может использоваться либо поток неожиженного ПГ, который после вымораживателя направляется на охлаждение ПГ в теплообменник 1, либохолодильная машина, из которой жидкий хладагент поступает в трубкивымораживателя, где кипит, а образовавшиеся пары отводятся в холодильную машину.

Отогрев вымораживателя может производиться либо горячими парами хладагента, поступающего из холодильной машины, либо другим газом, например азотом, подогретым до необходимой температуры.

По мере оттаивания межтрубного пространства вымораживателя, поставленного на отогрев, влага стекает вниз и выводится во влагоотделитель (на рис. 1.2.2 не показан), откуда периодически сдувается. Обычно охлаждение ПГ в вымораживателях осуществляется до Т = 233–230 К при температуре кипения жидкого хлад­агента Т_кип  = 223–228 К.

При осушке больших газовых потоков на головных сооружениях магистральных газопроводов значительное распространение получили установки абсорбционной осушки этиленгликолями. Технологические схемы установок, использующих метод абсорбции, более сложные по сравнению с адсорбционными системами, но их эксплуатационные и приведенные затраты примерно в три раза ниже.

На рис. 1.2.3 показан один из возможных вариантов схемы установки осушки ПГ этиленгликолями [19].

Осушаемый ПГ под давлением 2,7–7,0 МПа и температуре окружающей среды поступает в нижнюю часть абсорбера А. Противотоком к газу в верхнюю часть абсорбера с помощью насоса Н1 подается охлажденный в холодильнике ХА водный раствор этилен-гликоля или триэтиленгликоля с концентрацией гликоля 95–98 %. Врезультате абсорбции влаги точка росы осушаемого ПГ снижается на 22–43 °С.

Рис. 1.2.3. Принципиальная схема установки осушки ПГ этиленгликолями:

А – абсорбер; Н1, Н2 – насосы; ХА – холодильник; С – сепаратор; ТОА – теплообменник; РС1 – расширительный сосуд; ДВ – дроссельный вентиль; Ф – фильтр; Д – десорбер; РД – рибойлер; СБ – сборник; Э1, Э2 – эжекторы; КД – конденсатор

Осушаемый газ через сепаратор С, в котором отделяется от газа взвешенный гликоль, направляется потребителю.

Насыщенный абсорбент с концентрацией гликоля 90–96,5 % через теплообменник ТОА подается в расширительный сосуд РС1. Жидкая фракция из РС1 через дроссельный вентиль ДВ и фильтр Ф направляется в десорбер Д.

В десорбере поддерживается давление на уровне 0,11–0,05 МПа, а температура в кубе десорбера 135–175 °С. В результате подогрева и снижения давления из абсорбента удаляется влага, собирающаяся в сборнике СБ, которая частично насосом Н2 подается на орошение десорбера, а избыточная влага отводится из системы.

Давление в системе десорбции ниже атмосферного поддерживается с помощью эжектора Э1. Рибойлер РД подогревается водяным паром под давлением 0,3–0,7 МПа.

Очистка природных газов.Помимо удаления влаги из ПГ, поступающего на ожижение, непременным условием является егоочистка от СО₂ и Н₂S_. Параметры тройной точки диоксида углеро-да:Р= 0,516 МПа иТ= 216,56 К. Таким образом, при парциальном давлении СО₂в ПГ менее 0,516 МПа диоксид углерода может находиться только в твердом состоянии.

Это вызывает необходимость удаления СО₂ из ПГ, так как при понижении температуры ПГ в связи с его ожижением, СО₂ выпадает в твердом виде, вызывая закупорку арматуры и теплообменных аппаратов.

Незначительное количество СО₂, которое остается в метане после очистки, может раствориться в жидком метане. Однако растворимость СО₂ в жидком метане невелика и приТ= 112–120 К составляет 0,04–0,08 объем. %.

При применении адсорбционной осушки с помощью синтетических цеолитов помимо Н₂О из ПГ можно удалять и примеси СО₂, Н₂Sи другие сернистые соединения, т. е. в этих случаях одновременно с осушкой производится и очистка ПГ.

Кроме процесса адсорбции широкое применение находит и процесс абсорбции, при котором из ПГ удаляются примеси СО₂ и Н₂S. Вкачестве абсорбентов обычно используют моно- и диэтаноламины. Растворы моноэтаноламина (МЭА) и диэтаноламина (ДЭА) обладают высокой поглотительной способностью даже при очень малом парциальном давлении СО₂в исходном газе.

При температурах выше 373 К растворы аминов диссоциируют, выделяя СО₂. Это свойство аминов используется для регенерации.

Для проведения процесса регенерации растворов аминов необходимо подвести теплоту, количество которой может быть определено из уравнения теплового баланса процесса регенерации

Q_р=Q_н +Q_дес+Q_пара +Q_с,

где Q_н – теплота нагрева 1 м³ раствора до температуры регенерации; Q_дес – теплота десорбции СО₂, отгоняемой из 1 м³ раствора; Q_пара – теплота парообразования (испарения воды) при отгонке СО₂; Q_с – теплопотери в окружающую среду.

Экспериментально установлено, что при абсорбции смеси СО₂ иН₂Sсначала происходит селективное поглощение СО₂.

Принципиальная схема установки очистки ПГ от СО₂и Н₂Sрастворами моноэтаноламина ничем не отличается от схемы осушки ПГ водными растворами диэтиленгликоля.

В последние годы начинают успешно применять для очистки ПГ от примесей мембранную технологию взамен традиционных аминовых и гликолевых установок осушки и очистки ПГ, что приводит к значительному снижению капитальных и эксплуатационных затрат.

В работе [30] приводятся сведения об использовании полимерных мембран в газосепарационной системе «Сепарекс». Система мембранной очистки была разработана компанией «Эйр Продакшн» ипредназначена для очистки 0,5 млн м³/сут ПГ. В процессе его очистки содержание СО₂в ПГ снижается с 6,1 объем. % до 3 %, при этом уменьшается и количество Н₂О с 0,1 объем. % до 0,01 %.

Конструкция мембранной системы «Сепарекс» проста и надежна; одновременное удаление из ПГ водяных паров позволяет отказаться от гликолевой установки осушки. Для работы системы требуются только азот (для пуска и очистной продувки), воздух или газ для пневмосистемы и электроэнергия.

Такая же система успешно использовалась на месторождении ПГ в штате Луизиана, где степень очистки от СО₂достигала 1 %.