автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Технология адсорбционной осушки природного газа на АГНКС

с; На правах рукописи

УДК 665. 727.004.14:621.43

* С

\

Сайкин Владимир Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ АДСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА АГНКС

Специальность 05.17.07.- Химическая технология топлива

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

На правах рукописи УДК 665.727.004.14:621.43

Сайкин Владимир Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ АДСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА АГНКС

Специальность 05.17.07.- Химическая технология топлива

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий.

Научный руководитель - кандидат технических наук

ст.науч.сотр. Туревский E.H.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Шумяцкий Ю.И.

кандидат технических наук Шкляр Р. Л.

Ведущее предприятие: -ОАО "ЛенНИИхиммаш".

Защита диссертации состоится ииОЯЛ 1998 г. nl?

в d-б часов на заседании диссертационного совета К 070.01.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий по адресу: 142717 Московская область, Ленинский район, пос.Развнлка, ВНИИгаз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгаза. Автореферат разослан

апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.х.н.

Б.П.Золотовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В условиях снижения добычи нефти, ухудшения экологической обстановки и в соответствии с "Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях", одобренной Правительством Российской Федерации, РАО'Тазпром" предпринимает меры, направленные на широкомасштабное вовлечение природного газа в баланс моторного топлива, в первую очередь* на автомобильном транспорте.

В России в настоящее время создана развитая сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) общего пользования.

В скором времени начнется выпуск гаражных АГНКС (для установки в автотранспортных предприятиях и автобусных парках) и компактных недорогих бытовых компрессорных установок (для использования в котеджах и небольших фермерских хозяйствах), которые позволят заправлять автотранспорт на месте его стоянки от имеющихся разветвленных газораспределительных сетей.

Природный газ, предназначенный для использования в сжатом виде в качестве моторного топлива для газобаллонных автомобилей, должен иметь влажность, исключающую образование гидратов. Самым надежным и радикальным средством борьбы с гидратами, исключающим конденсацию паров воды из газа в газопроводах, оборудовании, арматуре, является осушка газа. Глубина осушки сжатого природного газа согласно ГОСТ 27577-87 должна соответствовать влагосодержанию 0,009 г/м3 (точка росы газа по влаге минус 30 "С при 20 МПа).

Для обеспечения требований ГОСТа к влажности товарного газа, отпускаемого на АГНКС-500 (500 заправок автомобилей в сутки), исходя из условий работы АГНКС с переменной производительностью, для осушки газа был выбран адсорбционный процесс при давлении 25 МПа, с использованием в качестве адсорбента цеолита ЫаА.

Для широкого внедрения сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива, необходимо разработать надежную технологию адсорбционной осушки для автомобильных газонаполнительных

станций на 250 , 125 и 60 заправок автомобилей в сутки, расширить ассортимент адсорбентов, которые обеспечивают требуемую ГОСТом глубину осушки сжатого природного газа при условиях эксплуатации на АГНКС. Таким образом, совершенствование технологии осушки природного газа на АГНКС является важной и актуальной научно-технической проблемой.

Цель работы.

Разработка и внедрение энергосберегающей технологии адсорбционной осушки природного газа, обеспечивающей улучшение технико-экономических показателей АГНКС.

Основные задачи исследования.

1. Разработка технологии осушки газа для автомобильных газонаполнительных станций на 250 ,125 и 60 заправок автомобилей в сутки.

2. Исследование процесса осушки газа и регенерации силикагеля при давлении 25 МПа.

3. Исследование процесса осушки газа оксидом алюминия при давлении 25 МПа.

4. Исследование влияния наличия компрессорного масла на адсорбционную осушку газа цеолитом и силикагелем.

5. Разработка прибора контроля влажности газа с использованием спектроскопического метода.

6. Разработка программы расчета осушки природного газа применительно к условиям АГНКС.

Научная новизна.

1. Исследован процесс адсорбционной осушки газа и впервые получены значения динамической активности силикагеля КСМГ и оксида алюминия при давлении 25 МПа.

2. Исследован процесс регенерации силикагеля КСМГ при давлении 25 МПа. Определена оптимальная температура процесса регенерации.

3. Изучено влияние компрессорного масла на адсорбционную активность цеолита ЫаА и силикагеля КСМГ. Показана возможность очистки адсорбентов от компрессорного масла.

Достоверность полученных результатов и выводов.

При исследованиях использовались аппаратура, материалы и реактивы соответствующие требованиям государственных стандартов. В ходе экспериментальных, опытно-промышленных и промышленных испытаний проведение измерений и обработка результатов проводились в соответствии с утвержденными методиками и ГОСТами. Результаты работы подтверждены сходимостью фактических и экспериментальных данных, полученных в ходе исследований.

Практическая значимость и реализация работы в промышленности.

Результаты выполненных исследований реализованы АО "Сумское машиностроительное (СМ) НПО им.М.В.Фрунзе" при разработке и изготовлении блоков адсорбционной осушки газа с использованием в качестве адсорбента силикагеля на АГНКС в блочно-контейнерном исполнении на 250 заправок автомобилей в сутки (БКИ-250), АГНКС в мо-дульно-блочно-контейнерном исполнении на 125 заправок автомобилей в сутки (МБКИ-125) и Опытным заводом ВНИИгаза при создании и изготовлении блока адсорбционной осушки газового заправщика ЗГ-1М.

Технология адсорбционной осушки сжатого до 25 МПа газа с использованием в качестве адсорбента оксида алюминия, изготовленного из отходов электронной промышленности, внедрена АО"Мосавтогаз" на АГНКС №7 г.Москва.

Результаты исследований положены в основу технического проекта блока адсорбционной осушки природного газа АГНКС-60, разработанного во ВНИИгазе.

Разработанная программа расчета процесса адсорбционной осушки сжатого природного газа на АГНКС передана для использования в проектные институты.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на XXIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов НПО"Союзгазтехнология", г.Москва, 1989г.;

- на ежегодных отраслевых совещаниях по проблемам использования газа в качестве моторного топлива на транспорте, совершенствова-

ния и организации эксплуатации АГНКС, г.Краснодар, 1989г., г.Яремча, 1990г., г.Екатеринбург, 1994г., г.Москва, 1997г.;

- на международной выставке "1п1егкаша-95", посвященной проблемам автоматизации и средствам измерения в газовой промышленности, Германия, Г.Дюссельдорф, 1995г.

- на семинаре специалистов отрасли, занимающихся вопросами качества газа, г.Москва, 1996г.;

- на совещаниях по вопросу создания опытного образца АГНКС МБКИ - 125, г.Киев, 1996г., г.Санкт-Петербург, 1996г.;

- на заседании секции "Автоматизация, измерительная техника и метрология", научно-технического совета РАО "Газпром" г.Калининград, 1997г.

Публикации.

Результаты исследований автора по теме диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе, трех научно-технических обзорах. 3 работы опубликованы без соавторов.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и выводов. Работа изложена на 127 страницах, в том числе содержит 25 рисунков, 10 таблиц, список литературы состоит из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, поставлены цели и задачи работы.

В первой главе приведен обзор литературы, посвященной вопросам адсорбционной осушки природного газа. Основное внимание уделено обобщению опыта эксплуатации установок осушки с использованием метода адсорбции и анализу использования различных адсорбентов на установках осушки. Отмечается, что для осушки газа в промышленных адсорбционных установках наиболее часто применяют силикагель, оксид алюминия и цеолит. Однако в промышленной практике опыт эксплуатации установок адсорбционной осушки газа при давлении свыше 20 МПа отсутствует. Не уделено должного внимания факту снижения адсорбци-

онной активности поглотителен при наличии компрессорного масла в сжатом до 25 МПа газе.

Подробный анализ приборов и методов определения содержания влаги в газах показал, что всем существующим приборам присущи те или иные недостатки, которые не позволяют достоверно судить о кондиции природного газа по влаге. Газовая промышленность не обеспечена гигрометром, надежным, простым в работе и обеспечивающим точное измерение влаги в природном газе.

При большом разнообразии описанных в литературе программ расчета адсорбционной осушки газа ни один из расчетных методов не учитывает специфики осушки газа на АГНКС, где сжатый до 25 МПа газ содержит компрессорное масло.

Литературный обзор позволил определить основные задачи исследований.

Во второй главе обобщен опыт эксплуатации установок осушки сжатого газа на АГНКС-500 на основании которого сделан вывод о том, что они обеспечивают требуемое качество газа по влаге. В результате обследования установок осушки газа АГНКС-500 была определена реальная динамическая активность цеолита №А при давлении 25 МПа. составляющая 7-11 % мае., что подтвердило правильно принятую при проектировании блоков осушки АдМ-4,0 активность цеолита, равную 8 % мае. Полученные значения динамической активности цеолита использовались для оптимизации технологии осушки газа на действующих АГНКС. Кроме того, полученные значения динамической активности были использованы при создании расчетной модели осушки газа на АГНКС. Вместе с тем было отмечено, что при разработке установок осушки газа для АГНКС меньшей производительности, следует снизить энергоемкость процесса регенерации адсорбента

Исследовано влияние компрессорного масла на осушку цеолитом. На рисунке 1 приведена зависимость влагосодержания газа от содержания компрессорного масла на цеолите. Как видно из рисунка, при пропитке цеолита ЫаА компрессорным маслом в количестве более 20 % мае. требуемое стандартом влагосодержание осушенного газа ( 0,009 г/м3 или 12 ррш) не обеспечивается и газ не соответствует кондиции по

ГОСТ 21511-Ю. Данный вывод был подтвержден в ходе обследований действующих установок осушки газа АГНКС - 500, расположенных на территории России и в странах СНГ.

Рис Л. Зависимость влагосодержания природного газа от содержания компрессорного масла на цеолите

В целях определения возможности очистки сорбента от масла и продления срока его службы были проведены опыты по экстракции из цеолита масла растворителем. Исследования показали, что поглотительная способность цеолита по влаге на отмытых бензолом образцах увеличивается в 1,5 раза, что говорит о возможности продления срока службы цеолита путем промывки его растворителем.

Проведены исследования энергосберегающей технологии осушки сжатого газа с использованием в качестве адсорбента силикагеля и регенерацией адсорбента по двум различным вариантам. В первом варианте регенерация силикагеля осуществляется с использованием части осушен-

ного сдросселированного газа при температуре 40-100 °С. По второму варианту для регенерации используется весь поток сырого компримиро-ванного газа при температуре 100-150 °С (рисунок 2). Исследования энергосберегающей технологии осушки газа силикагелем с регенерацией по второму варианту проводились с целью уточнения параметров процесса регенерации адсорбента. Исследования проводились на опытной установке производительностью 40 нм3/ч, давление адсорбции и регенерации составляло 20 МПа. Определено, что для обеспечения в цикле адсорбции влагосодержания осушенного газа не более 0,009 г/м3, согласно требованиям ГОСТ 27577-87, температура регенерации сшшкагеля должна быть не менее 130 °С.

Для определения возможности использования теплоты сжатого природного газа для регенерации сорбента на промышленной установке осушки газа АГНКС №1 в г.Макеевка исследованы осушка газа силикагелем при 25 МПа, регенерация силикагеля осушенным газом при дав-лёнии 1,5-2,0 МПа и пониженных температурах (40-100 °С).

Целью данных промышленных испытаний было определение эффективности предлагаемой технологии по глубине осушки компримиро-ванного газа в режиме продолжительной многоцикловой работы установки в условиях неравномерной загрузки по природному газу и ежесуточных остановок.

Установка осушки сжатого природного газа по энергосберегающей технологии была разработана на базе БКУО-4/25 с применением в качестве осушителя силикагеля КСМГ вместо цеолита ЫаА .

Проведенные промышленные испытания установки осушки сжатого природного газа силикагелем на АГНКС в г.Макеевка показали, что:

- предлагаемая технология работоспособна;

- достигаемая глубина осушки газа составляет 0,002-0,004 г/м5, что соответствует точке росы минус 48 - минус 40 °С (при 20 МПа);

- температура регенерации силикагеля составляет 40-100 "С;

- расход газа регенерации равен 90-120 м'/ч, что соответствует 6-7 % от количества осушаемого газа;

- фаза регенерации при испытаниях в разных опытах продолжается от 4 до 6,5 часов в зависимости от температуры отдувочного газа;

Выход осушенного газа

Выход осушенного газа

Л

т.

ч

А-1

Ф-2

с Л,

А-2

)

Принципиальная схема энергосберегающей технологии осушки газа

а). - регенерация сорбента низконапорным осушенным газом;

б). - регенерация сорбента высоконапорным сырым газом.

К-1 - компрессор; А-1, А-2-аадсорберы;С-1,С-2-сепараторы; Ф-1, Ф-2 - фильтры; Др-1 - дроссель; Т-1, Т-2, Т-3 - теплообменники.

- в условиях неравномерной загрузки по газу установка по предлагаемой технологии обеспечивает глубокую осушку газа;

- проведенная ревизия состояния слоя силикагеля показала наличие компрессорного масла в нижней части адсорбера.

На основании проведенных испытаний и успешной работы установки осушки по новой технологии в течение более полугода она была рекомендована к принятию межведомственной комиссией. Принимая во внимание, что почти все установки АдМ-4,0 и БКУО-4/25 уже поставлены потребителю НИИтехкриогенмашем, на АГНКС-500 можно рекомендовать внедрение данной технологии по мере выхода из строя подогревателей.

Промышленные испытания технологии осушки с регенерацией силикагеля сырым сжатым до давления 25 МПа газом проводились на установке осушки АГНКС N1 в г.Макеевка . Поток компримированного газа после последней ступени сжатия проходил влагомаслоотделитель и далее направлялся на верх адсорбера на регенерацию сорбента. Далее газ направлялся последовательно в теплообменник и влагомаслоотделитель и затем поступал на осушку в адсорбер. Температура газа на стадии регенерации не превышала на входе в адсорбер 96 °С и на выходе 78 "С, на стадии осушки достигала 30 °С. Глубина осушки определялась гигрометрами: лабораторным "Байкал-3" и штатным "Байкал-2". В процессе цикличной работы установки глубина осушки газа составляла минус 57 °С при 0,1 МПа. При увеличении температуры газа регенерации на входе в адсорбер до 130°С глубина осушки осушенного газа в последующем цикле адсорбции понижалась до минус 60-62 °С. Полученные при промышленной эксплуатации установки данные подтвердили возможность проведения осушки газа силикагелем с регенерацией адсорбента сырым компримированным газом. Технология осушки газа силикагелем с регенерацией сырым компримированным природным газом внедрена также на газовом заправщике ЗГ-1М. Заправщик предназначен для обеспечения автомобилей сжатым природным газом.

Учитывая положительный опыт эксплуатации опытного образца установки осушки газа с использованием в качестве адсорбента силикагеля , а также с целью снижения энергоемкости процесса регенерации сор-

бента на СМ НПО им. М.Ф.Фрунзе для АГНКС МБКИ - 250 и АГНКС МБКИ - 125 осуществляется производство блоков осушки газа с использованием в качестве осушителя силикагеля.

Обследования блоков осушки газа АГНКС МБКИ-250 в России и на Украине позволили определить динамическую активность силикагеля при давлении 25 МПа, она составила 3-6 % мае. Опыт эксплуатации установок осушки газа с использованием в качестве адсорбента силикагеля показал, что основная проблема возникает из-за присутствия в осушаемом газе компрессорного масла. В статических условиях определялась адсорбционная способность (емкость) замасленного силикагеля. На рисунке 3 приведены изотермы адсорбции воды на исходном чистом силикаге-ле и образцах, содержащих 2,0; 4,4; 11 и 20 % мае. масла.

"20 ?0 SO SO" Относительная влажность, % мае.

Рис.3. Изотермы адсорбции воды на силикагеле Содержание компрессорного масла, % мае.: 1 - 0; 2 - 2,0; 3 - 4,4; 4 -11,0; 5 - 20,0

Из рисунка 3 следует, что содержание масла на силикагеле до 11 % мае. вызывает снижение адсорбционной способности в 1,5 раза при высокой относительной влажности газа (воздуха), при снижении относительной влажности ниже 50 % мае. изотерма адсорбции образца (кривая 4) приближается к изотерме чистого силикагеля. Содержание компрессорного масла на силикагеле 20 % мае. вызывает снижение адсорбционной активности в два раза при высокой относительной влажности.

Для определения глубины осушки природного газа замасленным силикагелем исследования проводили в динамических условиях на экспериментальной установке. Динамическая емкость силикагеля была определена на чистом и на замасленном сорбенте, для чего цикл адсорбции продолжался до проскока влаги в осушенном газе.

Влагосодержание исходного и осушенного природного газа замеряли влагомером "Байкал-3". На свежем силикагеле до проскока было осушено 1353 м3 природного газа при исходной влажности 0,18 г/м3. Глубина осушки природного газа при проведении процесса адсорбции достигала 0,004 г/м3, динамическая активность силикагеля была равна 7,7 % мае. В последующих циклах исходов влагосодержание природного газа не изменялось. При пропитке силикагеля компрессорным маслом в количестве 5 % мае. в цикле адсорбции было осушено 1211 м3 природного газа, при этом динамическая активность его была равна 6,8 % мае., а глубина осушки достигалась 0,004-0,005 г/м3. При пропитке силикагеля компрессорным маслом в количестве 16 % мае., в последующих циклах адсорбции глубина осушки природного газа составляла 0,008 г/м3, а динамическая активность составляла 3,8 % мае., т.е. при наличии на силикагеле КСМГ компрессорного масла в количестве более 16 % мае. динамическая активность сорбента снижается в два раза. Опыт эксплуатации установок осушки природного газа в промышленных условиях показал, что это приводит к сокращению цикла адсорбции, увеличению количества проводимых циклов регенерации и в конечном итоге к частым заменам адсорбента. Результаты проведенных исследований иллюстрирует рисунке 4.

<

О 5 10 15 20

Количество масла, % мае.

Рис.4. Зависимость динамической активности силикагеля от содержания компрессорного масла

В целях определения возможности очистки сорбента от масла и продления срока его работы были проведены опыты по экстракции масла из силикагеля различными растворителями. В качестве растворителя использовали пентан и бензол. После отмывки масла на образцах силикагеля проводилось определение их адсорбционной активности по воде экси-каторным методом. Равновесная адсорбционная емкость отмытых образцов увеличивается в 2 - 2,3 раза.

С целью расширения ассортимента сорбентов, используемых для осушки сжатого газа на АГНКС, были проведены лабораторные исследования по определению равновесной статической и динамической вла-гоемкости оксида алюминия. Испытывались стандартный оксид алюминия АОА-1 и оксид алюминия, изготовленный из отходов электронной промышленности ОА-6. В опытах оксид алюминия имел динамическую активность порядка 6,8 % мае.

Сравнительные испытания образцов оксида алюминия (АОА-1 и ОА-6) были проведены на промышленных установках осушки газа АГНКС N5 и N7 г.Москвы , где ранее в качестве адсорбента использовался цеолит ЫаА. Из анализа результатов испытаний оксида алюминия следовало, что в качестве адсорбента для осушки сжатого природного газа на АГНКС он пригоден. Разница свойств поглотителей АОА-1 и ОА-6 незначительная, однако было отмечено, что предпочтение следует отдать оксиду алюминия ОА-6. Во-первых, данный вид адсорбента обладает небольшим преимуществом в свойстах, его динамическая активность по влаге на 5 % больше по сравнению с АОА-1. Во-вгорых, стоимость адсорбента ОА-6, изготовленного из отходов производства электронной промышленности, ниже стоимости стандартного окисида алюминия АОА-1.

В ходе испытаний была определена динамическая активность оксида алюминия при давлении 25 МПа равная 6 % мае. Было рекомендовано использовать оксид алюминия на установках осушки газа АГНКС при отсутствии других адсорбентов, либо в качестве защиты основного слоя адсорбента от капельной жидкости. При использовании оксида алюминия в качестве адсорбента на АГНКС-500 взамен цеолита производительность по осушенному природному газу должна составлять не более 40 тыс.м3 газа за один цикл, а температура регенерации должна быть не менее 200 °С.

Таким образом, проведенные исследования различных адсорбентов позволили сделать вывод о том, что для осушки сжатого до 25 МПа газа целесообразно применение в качестве адсорбента цеолита или сили-кагеля. Силикагель является конкурентоспособным сорбентом в случае применения на АГНКС компрессоров без смазки. Для осушки природного газа при давлении 2,5-7,5 МПа наиболее пригоден цеолит. Силикагель при данных давлениях поглощает из природного газа углеводороды. Вследствие этого динамическая активность силикагеля по воде снижается. Кроме того, энергозатраты при проведении процесса регенерации возрастают.

Для малогабаритной АГНКС-60 (ЗАО"Завод"Киров - Энерго-маш") разработана технология осушки газа при давлении 2,5-4,0 МПа с нагревом адсорбента промежуточным теплоносителем при регенерации.

Для АГНКС на 35-90 заправок автомобилей в сутки (объединение "Компрессор" г.Пенза) разработана технология осушки газа при давлении 3,0-7,5 МПа с регенерацией адсорбента осушенным газом. Учитывая опыт эксплуатации установок осушки сжатого до 25 МПа природного газа на АГНКС-500 и 250 и с целью повышения надежности и эффективности создаваемых установок в качестве адсорбента рекомендован цеолит, обеспечивающий наиболее низкую точку росы осушенного газа и имеющий наибольшую адсорбционную активность по воде, что позволяет минимизировать размеры адсорберов и получить компактную установку.

В третьей главе приведено обоснование возможности применения метода газовой микроволновой спектроскопии (ГМС) для измерения влажности природного газа. Измерение истинной влажности природного газа является одной из основных задач при ведении технологического процесса осушки газа.

Рассмотрены два варианта построения ГМС-гигрометра :

- без опорного канала;

- с опорным каналом.

Гигрометр без опорного канала измеряет собственно величину затухания электромагнитной волны микроволнового диапазона в зависимости от влагосодержания газа. ГМС-гнгрометр с опорным каналом в алгоритме своей работы использует выделение интерференционного члена, что позволяет кроме амплитудных соотношений учитывать еще и фазовые. Вследствие этого чувствительность ГМС-гигрометра может быть повышена в 1000 раз. Однако реализация такого алгоритма является достаточно сложной задачей.

Поэтому прежде, чем выбрать тот или иной вариант построения ГМС-гигрометра, была оценена принципиальная чувствительность метода для различных концентраций паров воды в газовой смеси природного газа.

На выходе ячейки величина регистрируемой мощности оценивается как Р = Ро е •k' ■, где Р,> - мощность микроволнового излучения на входе ГМС-ячейкп. к - коэффициент затухания. 1, - эквивалентный слой воды, определяемый массовым содержанием воды в анализируемом объ-

еме газовой смеси. Коэффициент затухания и эквивалентный слой воды численно равны: к = 46 см1; 1-, = а Ю-4 см, где а - отношение анализируемого объема газовой смеси к площади излучателя, которая участвует в формировании сигнала.

Уровень регистрируемого напряжения 1Л на выходе детектора микроволнового излучения определяется выражением и ,= ( Р Я )"2, где Я - сопротивление детектора в прямом направлении.

При использовании ГМС-ячейки без опорного канала чувствительность детектора при регистрации изменения напряжения на его выходе для различной абсолютной влажности определяется выражением: из = ( Я Р)т - ( Я Рое1.= (Я Р„)ш - ( Я Р„е-к «'»4 )"= Чувствительность ГМС-гигрометра без опорного канала зависит также от величины амплитудной нестабильности источника микроволнового излучения. Если в качестве микроволнового генератора используется диод Ганна, амплитудная нестабильность которого 5 мкВ, а соотношение сигнал/шум на выходе микроволнового детектора не менее 2, то нижний предел измеряемых значений точки росы газа - минус 50 "С. Чувствительность в этом случае не хуже 140 мкВ/К. Следовательно, разрешающая способность ГМС-гигрометра без опорного канала должна быть 0,1 К.

Для расширения предела измерения влажности газа в сторону низких температур может быть использован ГМС-гигрометр с опорным каналом. В этом случае чувствительность микроволнового детектора определяегся выражением: 1)э= [ IIР0 (1 - е - к а 10 4)

Минимальное приращение регистрируемого напряжения ГМС-гигрометра с опорным каналом не хуже 6 мВ/К, а его разрешающая спосообность составляет 0,02 К с нижним пределом измерения температуры точки росы газа минус 110 °С.

Разработка ГМС-гигромегра с опорным каналом на данном этапе представляется нецелесообразной из-за большей стоимости (в 2 -2,5 раза выше стоимости ГМС-гигрометра без опорного канала) и ряда технических проблем, связанных с подготовкой газа к измерениям.

Наличие в исследуемом природном газе примесей серы, различных углеводородов, повышенное давление и т.п., приводит к тому, что

реальная чувствительность может уменьшится на порядок и в диапазоне минус 50 - плюс 30 °С составит 1 К, а в диапазоне минус 70 - минус 50 °С будет равна 2,5 - 2 К. Это относится к ГМС-гигрометру без опорного канала.

В настоящее время создан опытный образец ГМС-гигрометра без опорного канала с точностью не хуже 1 К в диапазоне измерения температур точки росы газа минус 50 - плюс 30 °С и 2,5 - 2 К в диапазоне минус 70-минус 50 "С.

В 1998 году планируется проведение испытаний опытного образца гигрометра на взрывозащищенность и последующие испытания прибора на промыслах Уренгойского и Ямбургского месторождений и на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях.

В четвертой главе автором разработаны алгоритм и программа расчета осушки газа на АГНКС. Программа расчета адсорбционной осушки природного газа разработана для облегчения и ускорения инженерных расчетов, проводимых в целях определения оптимальных размеров аппаратов и параметров эксплуатации блоков осушки газа.

Программа состоит из двух взаимосвязанных частей - расчета адсорбции и расчета регенерации осушителя. Задача первой части сводится к определению требуемого объема адсорбента, времени защитного действия работающего слоя адсорбента, потери давления газа при прохождении через слой осушителя. Результаты, полученные при расчете процесса адсорбции, используются для расчета цикла регенерации. Процедура расчета регенерации состоит в нахождении оптимальной средней тепловой нагрузки и массового расхода регенерационного газа, необходимого для извлечения из слоя адсорбента поглощенной воды.

В целях проверки адекватности принятой математической модели расчета экспериментальным данным были проведены расчеты установки осушки газа БКУО-4/25 с использованием цеолита и оксида алюминия взамен цеолита при параметрах реальной эксплуатации.

Полученные при расчетах данные совпадают с результатами, полученными при эксплуатации промышленной адсорбционной установки осушки газа, что свидетельствует о возможности применения разрабо-

анной программы для технологических расчетов установок адсорбцион-юй осушки газа.

Удовлетворительная сходимость данных расчетов и полученных >еальных параметров эксплуатации установок осушки газа получена благодаря правильно определенным в ходе экспериментальных и промыш-генных исследований значений динамической активности и максимально 1еобходимых температур регенерации сорбентов, которые использова-шсь в качестве исходных данных для расчета.

Основные защищаемые положения.

1. Технология адсорбционной осушки сжатого до 25 МПа природного газа газа с использованием в качестве сорбента силикагеля КСМГ и жсида алюминия.

2. Оптимальные параметры процесса регенерации силикагеля КСМГ при давлении 25 МПа.

3. Значения динамической активности силикагеля КСМГ и оксида шюминия при давлении 25 МПа.

4. Возможность использования метода газовой микроволновой ;пектроскопии для определения влажности природного газа.

Выводы.

1. В результате обобщения опыта эксплуатации установок осушки :жатого газа на АГНКС-500 определены основные факторы , оказывающие негативное влияние на процесс осушки. Показано, что наличие компрессорного масла в газе значительно снижает эффективность осушки. Установлено, что для проведения высокотемпературной регенерации необходимо наличие надежного подогревателя газа.

2. Исследовано влияние компрессорного масла на адсорбционную активность цеолита и силикагеля. Показано, что осушка газа до требований ГОСТ 27577-87 не обеспечивается при наличии компрессорного масла на цеолите ЫаА в количестве более 20 % мае. Установлено, что при наличии компрессорного масла на силикагеле КСМГ более 16 % мае. адсорбционная активность сорбента снижается в 2 раза. Показана возможность очистки цеолита ЫаА и силикагеля КСМГ от компрессорного масла. Установлено, что экстракция масла бензолом увеличивает адсорбционную способность сорбентов в 1,5-2,3 раза.

3. На пилотной установке производительностью 40 нм3/час определены оптимальные параметры процесса регенерации энергосберегающей технологии осушки газа. Определено, что температура регенерации сили-кагеля сырым компримированным до 20 МПа газом должна быть не менее 130 "С.

4. Проведены испытания энергосберегающей технологии осушки газа, сжатого до 25 МПа, с регенерацией силикагеля осушенным дросселированным газом на промышленном блоке осушки газа БКУО-4/25 на АГПКС N 1 г.Макеевка. Испытания показали, что предлагаемая технология работоспособна и обеспечивает требуемую кондицию осушенного raía. Энергосберегающая технология принята к внедрению АО"СМ НПО им. М.В.Фрунзе" на АГНКС МБКИ-250 и АГНКС МБКИ-125.

5. Проведены испытания энергосберегающей технологии осушки газа с регенерацией силикагеля неосушенным компримированным до 25 МПа газом. Испытания показали, что предлагаемая технология работоспособна и обеспечивает требуемую кондицию осушенного газа. Энергосберегающая технология принята к внедрению Опытным заводом BHIII !гаэа на газовом заправщике ЗГ-1М.

6. Проведены испытания технологии осушки газа, сжатого до 25 МПа, с использованием оксида алюминия, изготовленного из отходов электронной промышленности. Испытания показали, что оксид алюминия в цикле адсорбции обеспечивает требуемую кондицию осушенного газа. Технология принята к внедрению АО "Мосавтогаз" на АГНКС № 7 г.Москва.

7. Получены данные по динамической активности сорбентов при давлении 25 МПа. Установлено, что динамическая активность цеолита, силикагеля и оксида алюминия составляют соответственно 7-11; 3,5-6 и 3-6" п мае.

8. Разработана технология осушки газа, включающая адсорбцию влаги цеолитом Na А при давлении 2,5-7,0 МПа с регенерацией сорбента при использовании минимального количества отдувочного газа, что дает возможность сократить энергозатраты. Технология принята к реализации на АГНКС-60.

9. Обоснована возможность использования метода газовой микроволновой спектроскопии для определения влажности природного газа.

10. Разработана программа расчета процесса адсорбционной осушки сжатого природного газа применительно к условиям на АГНКС.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Технология осушки сжатого газа, используемого в качестве топлива /Туревский E.H., Попов В.И., Вялкина Г.В. и др. // Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обзорная информация /ВНИ ИЭгазпром. - 1987. - N1. - 49с.

2. Вялкина Г.В., Сайкин В.В., Халиф A.JI. и др. Результаты испытаний энергосберегающей технологии осушки сжатого природного газа на АГНКС №1 г.Макеевке II Подготовка и переработка газа и газового конденсата.- Науч.-техн.сб. / ВНИИЭгазпром. - 1988. - N6. - с.1-4.

3. Сайкин В.В., Вялкина Г.В., Халиф АЛ. и др. Осушка сжатого природного газа силикагелем, загрязненным компрессорным маслом //Передовой производственный опыт, рекомендуемый для внедрения в газовой промышленности. - Науч.техн.сб. /ВНИИЭгазпром. - 1989. - N1. - с.39-41.

4. Осушка газа на АГНКС /Туревский E.H., Попов В.И., Халиф А.Л. и др. //Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обзорная информация /ВНИИЭгазпром. - 1989. - N4. - 44с.

5. Сайкин В.В., Сметанин В.Ф., Халиф А.Л. Опыт эксплуатации установок осушки газа АГНКС II Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ВНИИЭгазпром. - 1990. - N5. - с. 1-3.

6. Халиф АЛ., Рылов Е.И., Сайкин В.В. и др. Анализ подготовки газа на промысле Астраханского ГКМ // Научно-технические достижения и передовой опыт рекомендуемые для внедрения в газовой промышленности: Информац.сб. /ВНИИЭгазпром. - 1990. - NU. - с. 30-36.

7. Халиф АЛ., Сайкин В.В., Цыбулькина B.C. и др. Результаты сервисного обслуживания установок осушки газа АГНКС //Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ВНИИЭгазпром. -1991.-N2.-с.1-4.

8. Сайкин В.В., Халиф А.Л., Цыбулькина B.C. и др. Результаты испытаний новых адсорбентов на установках осушки газа АГНКС-500 //Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ВНИИЭгазпром. - 1992. -N2-3. - с.1-4.

9. Халиф А.Л., Сайкин В.В., Цыбулькина B.C. и др. О вторичном использовании цеолитов. // Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ИРЦ Газпром. - 1992. - N1. - с.5-10.

10. Халиф А.Л., Сайкин В.В. Опыт эксплуатации электроподогревателей газа регенерации установок осушки АГНКС //Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ВНИИЭгазпром. -1994.-N1.-с. 5-6.

11. Халиф А.Л.. Сайкин В.В., Цыбулькина B.C. и др. О вторичном использовании отработанного силикагеля// Подготовка, переработка и использование газа. - Науч.-техн.сб. /ИРЦ Газпром. - 1994. - N2. -с. 4-8.

12. Сайкин В.В. Повышение эффективности и надежности работы установок осушки газа АГНКС //Природный газ в качестве моторного топлива. - Науч.-техн.сб. /ИРЦ Газпром. - 1995. - N5-7. - с.46-48.

13. Приборы для определения влажности природного газа /Халиф А.Л., Туревский E.H., Сайкин В.В. и др. //Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обзорная информация /ИРЦ Газпром.-1995.-45с.

14. Сайкин В.В., Туревский А.Е. Программа расчета адсорбционной осушки природного газа//Природный газ в качестве моторного топлива. - Науч-техн.сб./ИРЦ Газпром,- 1995. - N9-10. - с.6.

15. Косцов A.M., Шульженко С.Н., Сайкин В.В. и др. Измерение влажности диэтиленгликоля с использованием метода ММДВ-спектроскопии //Материалы совещания "Совершенствование систем управления качеством продукции и сертификации на объектах РАО"Газпром'7ИРЦ Газпром. - 1996. - с.112-113.

16. Косцов A.M., Шульженко С.Н., Сайкин В.В. и др. Определение влажности природного газа //Газовая промышленность.- 1997.-N3.-с.40-41.

17. Сайкин В.В., Туревский E.H. О выборе адсорбента для установок осушки газа АГНКС//Природный газ в качестве моторного топли-ва.-Науч-техн.сб./ИРЦ Газпром. - 1997. - N9-10. - с.3-7.

18. Сайкин В.В., Туревский E.H., Роднянский В.М. и др. Совершенствование технологии осушки газа на АГНКС//Газовая промышленность,-1997. - N4. - с.64-66.

19. Сайкин В.В. Измерение влажности природного газа // Материалы совещания "О научно-технических проблемах обеспечения перехода на взаиморасчеты за поставленный природный газ по его энергетическим показателям" /ИРЦ Газпром. - 1997. - с.32-35.

20. Сайкин В.В. О выборе способа осушки газа на АГНКС //Природный газ в качестве моторного топлива. - Науч.-техн.сб. /ИРЦ Газпром. -1998,-N1-2.-с. 14-19.

Соискатель rfl/Jb/'— Сайкин В.В.

Заказ - № 32 Лицензия №020878 от 20 мая 1994г.

Тираж - 100 экз. Подписано к печати 21 апреля 1998г

1 уч.-изд. лист. Ф-т 84x108/32

Отпечатано на ротапринте ВНИИГАЗа по адресу: Московская область, Ленинский район, п.Развилка,ВНИИГАЗ

/

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (ВНИИГАЗ)

На правах рукописи САЙКИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 665. 727.004.14:621.43

ТЕХНОЛОГИЯ АДСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА АГНКС

05.17.07.- Химическая технология топлива

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук Е.Н.Туревский

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................. 4

ГЛАВА 1. Литературный обзор......................................................... 7

1.1. Анализ использования различных адсорентов

на установках осушки.................................................. 7

1.2. Обобщение опыта эксплуатации установок

осушки с использованием метода адсорбции............ 15

1.2.1. Осушка природного газа на промыслах............ 15

1.2.2. Осушка природного газа на заводах................. 19

1.2.3. Осушка природного газа на

криогенных установках..................................... 22

1.2.4. Осушка газа на АГНКС.................................... 24

1.3. Анализ приборов и методов определения содержания влаги в газах........................................... 25

1.4. Анализ программ расчета адсорбционной

осушки газа................................................................. 33

ГЛАВА 2. Разработка технологии осушки

природного газа на АГНКС............................................. 37

2.1. Обобщение опыта эксплуатации установок

осушки сжатого газа на АГНКС-500....................... 37

2.2 . Исследование влияния компрессорного

масла на осушку цеолитом................................. 39

2.3. Разработка и внедрение энергосберегающей

технологии осушки газа............................................. 44

2.3.1. Исследование процесса осушки газа силика-

гелем при давлении 20 МПа............................. 44

2.3.2. Внедрение энергосберегающей технологии осушки газа на АГНКС..................................... 51

2.3.3. Анализ эксплуатации установок осушки

газа с использованием силикагеля..................... 61

2.3.4. Исследование влияния компрессорного

масла на осушку силикагелем............................ 65

2.4. Внедрение технологии осушки газа

с использованием оксида алюминия......................... 73

2.5. Внедрение технологии осушки газа на малогабаритных АГНКС.......................................... 83

ГЛАВА 3. Разработка прибора контроля влажности газа с

использованием спектроскопического метода.............. 93

ГЛАВА 4. Разработка программы расчета осушки

газа на АГНКС................................................................. 102

4.1. Разработка алгоритма и программы расчета

осушки газа на АГНКС............................................. 102

4.2. Проверка адекватности математической модели расчета осушки газа фактическим данным................ 109

ВЫВОДЫ................................................................................................ 115

Литература.............................................................................................. 117

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее реальным и экономически целесообразным направлением снижения дефицита нефтяных моторных топлив, а также улучшения экологической обстановки признано более широкое использование на транспорте газового моторного топлива, в первую очередь компримированного природного газа /13,16,17,24/.

Перспективы использования компримированного природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте связаны с целым рядом экономических, технологических и экологических факторов:

- падение объемов добычи нефти;

- ограниченные ресурсы сжиженного нефтяного газа;

- наличие значительных ресурсов природного газа и многолетний положительный опыт использования сжатого природного газа в качестве моторного топлива;

- наличие мощной сети АГНКС и планируемое значительное ее расширение ;

- улучшение экологической обстановки при использовании сжатого природного газа;

- меньшая стоимость сжатого природного газа по сравнению со стоимостью бензина /14,19,23,103,104,117/.

В России в настоящее время создана развитая сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) общего пользования.

В скором времени начнется выпуск гаражных АГНКС (для установки в автотранспортных предприятиях и автобусных парках) и компактных недорогих бытовых компрессорных установок (для использования в котеджах и небольших фермерских хозяйствах), которые позволят заправлять автотранспорт на месте его стоянки от имеющихся разветвленных газораспределительных сетей.

Природный газ, предназначенный для использования в сжатом виде в качестве моторного топлива для газобаллонных автомобилей, должен иметь влажность, исключающую образование гидратов. Самым надежным и радикальным средством борьбы с гидратами, исключающим конденсацию паров воды из газа в газопроводах, оборудовании, арматуре, является осушка газа /27,32/. Глубина осушки сжатого природного газа согласно ГОСТ 27577-87 должна соответствовать влагосодержанию 0,009 г/м3 (точка росы газа по влаге минус 30 °С при 20 МПа).

Для обеспечения требований ГОСТа к влажности товарного газа, отпускаемого на АГНКС, исходя из условий работы АГНКС с переменной производительностью, для осушки газа был выбран адсорбционный процесс при давлении 25 МПа /18,64,93/.

Проведение осушки при высоком давлении (25 МПа) и влагосодер-жании на входе в АГНКС выше 0,4 г/м3 позволяет примерно на 1/3 снизить нагрузку на адсорбент за счет сепарации части влаги в межступенчатых отделителях жидкости, входящих в состав компрессорной установки.

Проведенные во ВНИИгазе лабораторные и пилотные исследования позволили разработать технологический регламент на установку осушки сжатого природного газа. В качестве поглотителя влаги был рекомендован цеолит NaA с динамической активностью 8 % мае. /21,65/. Для АГНКС-500 НИИТКриогенмаш создал блоки осушки АдМ-4,0 и БКУО-4/25/87/.

Для широкого внедрения адсорбционной технологии осушки необходимо обобщить опыт эксплуатации блоков осушки сжатого газа на АГНКС-500 и разработать технологию осушки для автомобильных газонаполнительных станций на 250 ,125 и 60 заправок. Таким образом, совершенствование технологии осушки природного газа на АГНКС является важной и актуальной научно-технической проблемой.

Целью настоящей работы, явившейся результатом научного сопровождения проектных и конструкторских разработок, лабораторных и на-

турных испытаний и обобщения опыта эксплуатации блоков осушки на АГНКС было:

- внедрение энергосберегающей технологии осушки природного газа на АГНКС;

- поиск и внедрение новых типов адсорбентов на установках осушки природного газа;

- разработка и внедрение гигрометра, обеспечивающего надежный и точный контроль качества природного газа.

Работа выполнена в лаборатории промысловой подготовки углеводородов ВНИИгаза, эксперементальная часть на опытном заводе ВНИИга-за, промышленные испытания проводились на АГНКС. Автор считает своим долгом отметить, что большая часть работы была выполнена под руководством Халифа А.Л.. Кроме того, автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Попову В.И., Вялкиной Г.В. и коллективу лаборатории ППУ ВНИИгаза за помощь, оказанную при выполнении работы.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Анализ использования различных адсорбентов для осушки природного газа.

Для осушки природного газа в промышленных установках наиболее часто применяют следующие адсорбенты: силикагели, оксид алюминия и цеолиты (молекулярные сита).

Адсорбенты-осушители, применяемые в промышленных установках, должны обладать следующими свойствами:

- достаточной поглотительной способностью, зависящей от величины поверхности и объема пор;

- глубиной осушки газа, зависящей от размера пор;

- полнотой и простотой регенерации;

- механической прочностью - не разрушаться под действием массы

слоя;

- прочностью от истираемости - не измельчаться от движения газа в слое адсорбента;

- стабильностью упомянутых показателей при многоцикловой работе.

Адсорбент в каждом случае выбирают, исходя из требуемых условий осушки, так как свойства адсорбентов-осушителей различны /1,4,27,32,34/.

Наиболее распространенным твердым поглотителем для промышленных установок осушки является силикагель /32,35,49/. Несмотря на то,что в последние годы бурно развиваются адсорбционные процессы с использованием цеолитов, силикагель не потерял своего промышленного значения. Основным преимуществом силикагеля является низкая температура, требуемая для регенерации (110-250 °С), и, как следствие, более низкие энергозатраты, чем при регенерации других промышленных сорбентов.

В работах /27,32/ было определено, что для осушки газа на промышленных установках наиболее эффективно применение мелкопористого си-

ликагеля. Однако мелкопористый силикагель быстро измельчается при наличии в газе капельной влаги, которая вызывает значительные напряжения в структуре гранулы как во время адсорбции, так и при регенерации.

Авторы работы /27/ не рекомендуют применять силикагель как осушитель, если в состав газа входят ненасыщенные углеводороды, так как при регенерации они полимеризуются. Насыщенные углеводороды, начиная с бутанов, сорбируются силикагелем, но их частично вытесняет вода. Легкие углеводороды (до бутанов) полностью выделяются при регенерации сили-кагеля и не влияют на адсорбционную способность силикагеля в последующих циклах. Тяжелые углеводороды С5+ более прочно удерживаются силикагелем и при регенерации удаляются не полностью .

Определено /27,28/, что динамическая адсорбционная способность силикагеля по влаге зависит от размера зерна, скорости, температуры, давления, содержания влаги в газе , а также от полноты регенерации, в свою очередь, зависящей от температуры (рис. 1.1). Максимальная температура при регенерации принимается 250 °С, так как при более высокой температуре поверхность силикагеля разрушается. Результаты исследования влияния температуры термообработки на динамическую активность мелкопористых силикагелей (шариковый и гранулированный с радиусом пор соответственно 1,0 нм и 1,4 нм) приведены в таблице 1.1 /27/.

Таблица 1.1

Влияние температуры термообработки на динамическую

активность (% мае.) силикагеля

Температура регенерации, °С 100 150 200 250 300 400

Шариковый силикагель (радиус пор 1,0 нм) 3,2 3,4 9,5 9,3 6,7 3,0

Гранулированный силикагель (радиус пор 1,4 нм) од 3,9 6,6 6,3 5,1 2,8

0,030

0,025

0,020

64

л х л

5

н

о О Я н

О

0,015

0,010

0,005

1 1

1

1

1 \

к

50

100 150

Температура, °С

200

250

Рис. 1.1. Зависимость глубины осушки газа

мелкопористым силикагелем от условий регенерации, где влагосодержание, % : 1 -2,15; 2- 1,5; 3- 1,0; 4 - 0,5; 5 - 0,1

Из приведенных данных следует, что после дегидратации при 200 °С динамическая активность обоих образцов силикагелей была максимальной. Дальнейшее повышение температуры термообработки приводило к значительному снижению динамической активности .

В работе /20/ впервые было предложено использовать силикагель для осушки природного газа при давлениях 18-25 МПа, после сжатия его в компрессорах. Динамическая активность силикагеля при этом принималась равной 4 % мае. Во ВНИИгазе разработана энергосберегающая технология адсорбционной осушки сжатого газа с регенерацией сорбента при пониженных температурах. Этот способ основан на эффекте снижения величины адсорбции с уменьшением парциального давления поглощаемого компонента (в данном случае влаги) и может быть осуществлен с применением адсорбента, имеющего пологую изотерму адсорбции /20,58,76/. Наиболее соответствующим этому условию из адсорбентов является силикагель. В промышленной практике опыт эксплуатации силикагеля при таких высоких давлениях отсутствовал.

Оксид алюминия (ОА) широко используется в качестве осушителя природного газа . Высокая активность ОА при взаимодействии с полярными адсорбтивами (прежде всего парами воды) обеспечивает глубокую осушку газа до точки росы минус 60 °С.

Для глубокой осушки технологических потоков обычно применяют мелкопористый оксид алюминия с удельной поверхностью 350-400 м2/г. В этих системах активность адсорбента пропорциональна удельной поверхности. Количества мезопор (0,1 см3/г) вполне достаточно, чтобы обеспечить интенсивный транспорт адсорбата внутрь гранул оксида алюминия /1,27,32/.

В России выпускаются сорта оксида алюминия, представляющие собой гранулы цилиндрической формы с удельной поверхностью около 200 м2/г. Основным типом адсорбента является оксид алюминия типа А-1,

но из-за небольшой удельной поверхности применение такого адсорбента для осушки технологических потоков недостаточно эффективно /27,32/.

Важной положительной особенностью оксида алюминия является его водостойкость. Именно этот показатель часто определяет выбор оксида алюминия в качестве адсорбента для осушки газов, в которых присутствует капельная влага.

Использование оксида алюминия в качестве адсорбента при давлениях свыше 20 МПа в литературе не описывается.

Цеолиты природные и синтетические, обладающие молекулярно-ситовыми свойствами, нашли широкое применение в качестве адсорбентов /12,60,61,79/.

Цеолиты - уникальное средство осушки. Адсорбция воды на цеолитах имеет ряд характерных особенностей/15,27,32/. Для всех цеолитов характерен очень крутой подъем изотерм в областей малых концентраций паров воды. Адсорбционная способность цеолитов при обычных температурах при давлении 130-260 Па (1-2 мм.рт.ст.) близка к адсорбционной способности при максимальном насыщении.

Преимущество цеолитов всех типов перед другими адсорбентами при низких давлениях адсорбтива отчетливо видно из данных таблицы 1.2, где адсорбционная способность цеолита сопоставлена с адсорбционной способностью силикагеля и оксида алюминия. Это сравнение указывает на перспективность использования цеолитов для осушки газов с невысоким содержанием водяных паров/5,102,106/.

Отличительной особенностью адсорбции паров воды на цеолитах является то, что адсорбционная способность велика при повышенных температурах /15/. При 100 °С и давлении паров воды 10 кПа для цеолитов она достигает 15-16 г/100г, при 200 °С она еще значительна (4 г/100г). В этой области температур адсорбционная способность силикагелей и оксида алюминия практически равна нулю. Возможность проведения процесса осушки при высоких температурах особенно важна в тех промышленных

установках, где технологический газ выводится из зоны высоких температур.

Таблица 1.2

Динамическая активность (% мае.) различных адсорбентов по парам воды при температуре 25 °С

Адсорбент д авление, Г а

од 1,0 10,0 100,0 1000,0

Цеолит 3,5 9,0 18,0 20,0 25,0

Оксид алюминия 1,5 2,0 3,0 5,0 14,0

Силикагель 0,2 0,4 1,2 5,0 25,0

Цеолиты отличаются очень большой скоростью поглощения влаги /15,27,32,34/. Высокая степень осушки поддерживается практически в течение всей стадии. Повышение влагосодержания газа в конце стадии наступает не постепенно, как это наблюдается в случае применения других твердых поглотителей, а резко и быстро. Вследствие такого характера выходных кривых удается почти полностью отработать адсорбционную емкость слоя. Динамическая активность даже относительно небольшого слоя цеолитов близка к равновесной статической активности. Разница между этими величинами в цеолитовых адсорберах не превышает 10-15 %.

В работах /21,85/ приводятся данные о динамической активности цеолита NaA при давлении 20 МПа, полученные на пилотной установке. Было определено, что динамическая активность по воде составляет 8 % мае.

Цеолиты обеспечивают самую высокую степень осушки: точка росы осушенного газа может достигать минус 80 °С. Цеолиты жадно поглощают влагу, но они трудно отдают ее при регенерации. В промышленных адсорберах регенерацию адсорбента, как правило, проводят продувкой слоя горячим газом /3,43,56/.

Условия регенерации цеолитов обычно выбирают по графикам, представленным на рис. 1.2 /111/. Они позволяют определить остаточную влажность сорбента после продувки газом с заданным влагосодержанием, а

Рис.1.2. Зависимость глубины осушки газа цеолитом

от условий регенерции, где влагосодержание, % :

1 - 2,35; 2 - 2,2; 3 - 2,0; 4 - 1,8; 5 - 1,6; 6-1,0; 7 - 0,5; 8 - 0,4; 9 - 0,3; 10 - 0,2; 11 - 0,15; 12-0,1; 13-0,05; 14-0,02

затем по остаточной влажности установить минимальную точку росы, которая может быть получена в последующей стадии.

На установке осушки АГНКС-500 в качестве адсорбента был выбран цеолит ИаА. Этому предшествовал ряд проведенных лабораторных и пилотных испытаний /21,87/. Установка осушки с использованием цеолита расположена после компрессоров и в газе, поступающем на осушку, будет присутствовать масло в паровой фазе. Авторы, детально исследуя ряд характеристик цеолита, не уделили должного внимания снижению его адсорбционной активности при наличии в газе компрессорного масла.

Обобщая опыт применения цеолитов для осушки газа, можно констатировать, что они обладают рядом преимуществ перед другими осушителями: высокой поглотительной способностью в области малых парциальных давлений паров воды, возможностью осушки при высоких температурах, высокой и стабильной степенью осушки, достаточно хорошими механическими свойствами. На основании вышесказанного можно сделать следующий вывод. Выбор осушителя определяется надежностью его работы и требуемым �