5.3. Адсорбционная осушка газов

Адсорбционная осушка газа используется для получения низких точек росы газа, подвергаемого затем низкотемпературной переработке. При адсорбционной осушке на молекулярных ситах-цеолитах точка росы осушенного газа достигает – 90 ⁰С.

5.3.1. Принципиальная схема процесса

Принципиальная схема установки адсорбционной осушки газа приведена на рис. 5.5. По этой схеме влажный газ I поступает во входной сепаратор 1, где от него отбивается капельная жидкость. Попадание жидкости в адсорбер вызывает механическое разрушение адсорбента. Из сепаратора 1 влажный газ поступает на осушку в адсорбер 2 или 3 (в зависимости от стадии цикла), из которых осушенный газ II подается на дальнейшую переработку или потребителю. Для регенерации насыщенного слоя адсорбента из основного потока осушенного газа II отбирается газодувкой 5 газ на десорбцию III, нагревается в трубчатой печи 4 и подается в адсорберы 2 или 3 (в зависимости от стадии цикла). Газ на десорбцию обычно подают в адсорберы снизу вверх – в противоположном направлении движения осушаемого газа. Влажный газ десорбции IV после конденсатора-холодильника 6 направляют в сепаратор 7, где от него отбивают капельную влагу V, и далее подают во влажный газ I. После стадии десорбции в адсорберы подают часть осушенного газа VI на охлаждение слоя адсорбента.

Осушаемый газ и газ охлаждения имеют одно направление и поступают через верх адсорбера, а отводятся снизу; газ десорбции поступает в низ адсорбера и отводится сверху. Это позволяет исключить взрыхление или уплотнение слоя адсорбента, его повышенный механический износ, обеспечить высокую

Рис. 5.5. Принципиальная технологическая схема процесса адсорбционной осушки газа:

1 – сепаратор; 2,3 – адсорберы - десорберы; 4 – трубчатая печь; 5 – газодувка; 6 – конденсатор-холодильник; 7 – сепаратор; I – влажный газ; II – осушенный газ; III – осушенный газ на десорбцию; IV – влажный газ десорбции; V – вода; VI – осушенный газ на охлаждение адсорбента

степень регенерации нижней части слоя адсорбента и низкую загрязненность этой же части слоя во время охлаждения.

Время цикла адсорбции обычно кратно 6-8 ч и колеблется от 6 до 48 ч в зависимости от размеров слоя адсорбента. Наиболее часто используется 8-часовой цикл адсорбции, в этом случае 6 часов составляет десорбция и 2 часа - охлаждение. Адсорберы работают попеременно в режимах адсорбции и десорбции-охлаждения.

Эффективность осушки газа адсорбционным способом зависит от типа адсорбента, термодинамических параметров адсорбции, степени регенерации адсорбента; состава, влажности и наличия примесей в осушаемом газе.

5.3.2. Адсорбенты и технологический режим стадии адсорбции

При осушке газа используются оксиды алюминия, силикагели и цеолиты.

Оксид алюминия – самый дешевый из перечисленных адсорбентов, устойчив по отношению к капельной влаге, обеспечивает низкую точку росы (-60 ⁰С) при высоком влагосодержании осушаемого газа. Основной недостаток адсорбента – невысокая адсорбционная емкость, быстро уменьшающаяся в процессе эксплуатации из-за хорошей адсорбции углеводородных компонентов. Высокая температура регенерации, необходимая для десорбции углеводородов, вызывает спекание и перекристаллизацию оксида алюминия. Его рекомендуется использовать в качестве защитного слоя для других адсорбентов при осушке очень влажного газа [17].

Силикагели широко применяются при осушке газа. Они являются продуктами обезвоживания геля кремниевой кислоты, промытые от примесей, высушенные и прокаленные. Технический силикагель содержит около 99,5 % мас. двуоксида кремния, некоторое количество оксидов алюминия, железа, кальция и других металлов, его применяют в виде зерен диаметром 0,2-7,0 мм. Насыпная плотность различных марок силикагеля колеблется от 400 до 670 кг/м³ (после сушки при 150 ⁰С), влагоемкость при 20 ⁰С и относительной влажности осушаемого газа 40% – от 16 до 20 % мас., суммарный удельный объем пор – от 0,21 до 4,05 см³/г, удельная плотность поверхности – 320-770 м²/г.

Для получения низких точек росы экономична двухступенчатая адсорбция. В первой по ходу влажного газа зоне размещается высокопористый сорбент с большим средним диаметром пор (3-10 нм), а во второй зоне – сорбент с относительно малым средним диаметром пор (1,5-3 нм). Такой способ осушки позволяет при использовании недорогого высокопористого адсорбента получить достаточно низкую точку росы. Его рекомендуется применять при температурах адсорбции от -50 до +90 ⁰С, давлениях до 14 МПа и скоростях газа в адсорбере от 0,015 до 3 м/с при объемных соотношениях зон от 2:1 до 3:1.

Силикагели активно сорбируют углеводороды. Легкие углеводороды вплоть до бутана полностью десорбируются в процессе регенерации, пентаны и более тяжелые десорбируются неполностью, ненасыщенные углеводороды при регенерации полимеризуются, снижая адсорбционную активность.

Хорошо адсорбирующиеся масла, гликоли, амины, ингибиторы гидратообразования и коррозии в процессе регенерации образуют смолистые соединения, закупоривающие поры сорбента. Амины разлагаются с образованием аммиака, разрушающего структуру силикагеля. Сероводород и диоксид углерода сорбируются силикагелем, но вытесняются в последующем водой, полностью десорбируясь при регенерации.

Максимально допустимая температура нагрева при регенерации составляет 200-250 ⁰С, при более высоких температурах поверхность силикагеля разрушается.

Молекулярные сита-цеолиты – самые дорогие адсорбенты. В практике находят применение искусственные и более дешевые природные цеолиты. Цеолиты обладают высокой адсорбционной активностью и избирательностью. Адсорбционная активность в отличие от оксида алюминия и силикагеля не зависит от влажности газа. Цеолиты особенно эффективны при необходимости получения низких точек росы (-70¸-90 ⁰С). Адсорбционная емкость природных цеолитов выше, чем у силикагелей, но ниже, чем у искусственных цеолитов. Поглощение углеводородов и примесных компонентов зависит от структуры и размера пор.

Для осушки газа рекомендуется применять цеолит NаА с размером пор 0,4 нм. Цеолиты типа Х, имеющие большие размеры пор, одновременно с влагой адсорбируют некоторые углеводородные компоненты газа.

При осушке газа до точки росы – 40 ⁰С можно использовать силикагель, оксид алюминия, цеолит, до более низких точек росы – только цеолит.

Цеолиты прочны при истирании и контакте с капельной влагой. Эксплуатационные затраты при их использовании самые низкие, допустимая температура нагрева при регенерации 350-370 ⁰С.

Выбор типа адсорбента обусловливается составом газа, его исходной влажностью, наличием примесей, требуемой точкой росы осушенного газа.

При адсорбции наименьшее влияние на ее эффективность оказывает давление, поэтому давление адсорбции выбирают по необходимому давлению осушенного газа.

Наиболее существенными технологическими параметрами процесса адсорбции являются температура и скорость газа в слое адсорбента.

При адсорбции на оксиде алюминия и силикагеле снижение температуры адсорбции способствует повышению поглотительной способности и увеличивает продолжительность фазы адсорбции. Для них рекомендуется температура адсорбции не выше 30 ⁰С. При осушке высоковлажного газа выделяется большое количество теплоты адсорбции. Для ее отвода рекомендуется применение охлаждающих змеевиков в слое адсорбента. При осушке на цеолите снижение температуры адсорбции вызывает уменьшение размеров входных окон и снижает поглотительную способность цеолитов. Нормальной температурой адсорбции для цеолитов считается 50-70 ⁰С.

От скорости газа зависит время контакта газа с адсорбентом. Для получения низкой точки росы время контакта должно быть не меньше 10 с, а минимальная скорость газа – 0,15 - 0,30 м/с. По мере уменьшения скорости газа увеличивается глубина осушки и продолжительность работы слоя до "проскока". Однако при этом увеличивается неравномерность распределения потока газа по сечению аппарата и требуется большой диаметр адсорбера.

Большая скорость прохождения газа через слой вызывает движение частиц адсорбента, их механическое разрушение, унос с потоком газа и увеличение гидравлического сопротивления слоя. При выборе скорости газа следует учитывать направление потока в адсорбере. При нисходящем потоке скорость газа может быть принята в 1,5-2 раза больше, чем при восходящем.