Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор
1.1 Современное состояние процесса адсорбционной осушки углеводородных газов 8
1.2 Основные виды современных осушителей и адсорбентов
1.2.1 Осушители зернистой формы 19
1.2.2 Блочные осушители сотовой структуры 26
1.2.3 Высокопористые материалы с сетчато-ячеистым каркасом ... 27
1.3 Закономерности осушки природного газа на цеолитах 30
1.4 Устройства для распределения газового потока в аппаратах со стационарной загрузкой зернистого слоя 34
1.5 Использование постоянного магнитного поля в технологических процессах очистки и осушки газов.. 39
1.6 Выводы по обзору и постановка задачи исследования 41
Глава 2 Объекты и методы исследований
2.1. Объекты исследования и вспомогательные материалы 43
2.2 Описание блока адсорбционной осушки природного газа промышленной установки 52
2.3 Методы проведения исследований
2.3.1 Методы анализа адсорбентов 56
2.3.2 Методика отбора проб цеолита из адсорбера 59
2.3.3 Экспериментальная установка для изучения эффективности адсорбционного процесса 60
2.3.4 Методика оценки эффективности распределительного устройства 61
2.3.5 Методика исследований фильтрации газа через высокопористые ячеистые материалы
2.3.5.1 Методика исследований адсорбции газа через высокопористые проницаемые ячеистые материалы (матричный материал - керамические алюмосиликаты) 63
2.3.5.2 Методика исследований фильтрации газа через двухслойные высокопроницаемые ячеистые материалы (матричный материал: медно -никелевый сплав)
2.3.6 Математическое планирование эксперимента 64
2.3.7 Методы определения геометрических размеров молекул диэтаноламина и его производных 65
2.3.8 Методика расчета остаточного ресурса цеолита 66
Глава 3 Экспериментальное изучение процесса адсорбционной осушки обессеренного газа
3.1 Исследование распределения газового потока в промышленном адсорбере 68
3.2 Исследование влияния технологических параметров на глубину осушки газа - 77
3.3 Исследование влияния режимов регенерации на эксплуатационные свойства цеолита NaA 90
3.4 Результаты исследования влияния вносимых с газом аминовых примесей на свойства цеолита
3.4.1 Исследование влияния залповых выносов вспененного амина из сепараторов на эксплуатационные свойства цеолитов 92
3.4.20пределение пороговой концентрации ДЭА в воде промывки 93
3.5 Исследование эффективности различных адсорбентов
3.5.1 Испытания гранулированного оксида алюминия промышленного осушителя газа 101
3.5.2 Исследования адсорбентов из высокопористых ячеистых материалов
3.5.2.1 Высокопористый ячеистый материал с носителем из гамма-оксид алюминия 104
3.5.2.2 Высокопористый ячеистый носитель из металлических .материалов 105
3.6 Усовершенствование конструкции распределительного устройства адсорбера
3.6.1 Лабораторные испытания распределительных устройств разной конструкции 107
3.6.2 Влияние постоянного магнитного поля на распределение потока газа 114
Глава 4 Предложения по усовершенствованию технологической схемы процесса адсорбционной осушки обессеренного газа
4.1 Рекомендации по промышленному внедрению комплекса мероприятий на блоке осушки обессеренного газа 117
4.2 Материальный баланс циклов адсорбции и регенерации . 132
Глава 5 Технико-экономические показатели процесса 135
Общие выводы 142
Список используемой литературы
- Высокопористые материалы с сетчато-ячеистым каркасом
- Результаты исследования влияния вносимых с газом аминовых примесей на свойства цеолита
- Усовершенствование конструкции распределительного устройства адсорбера
- Материальный баланс циклов адсорбции и регенерации
Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия наблюдается тенденция к увеличению добычи и переработки природного газа из числа газоконденсатних месторождений со сложным компонентным составом, содержащим жидкие углеводороды, влагу, углекислый газ, сероводород и серосодержащие соединения, и другие примеси. Содержание воды в газе растёт при увеличении температуры и содержания тяжелых углеводородных компонентов, диоксида углерода, сероводорода и меркаптанов. Даже незначительное количество влаги в газе усиливает коррозию оборудования, особенно при содержании в сырье кислых компонентов, вызывает опасность образования газовых гидратов, снижает калорийность горючих газов. Поэтому одним из основных нормируемых показателей углеводородного газа является его влагосодержание.
Наиболее эффективными процессами осушки газа сложного химического состава являются адсорбционные процессы. Несмотря на многолетнюю эксплуатацию адсорбционных установок, следует отметить её «минусы» - неэффективная глубина осушки газа, «чувствительность» к примесям, небольшой срок службы адсорбента, что вызывает необходимость его частой замены. Постепенное необратимое снижение адсорбционной ёмкости цеолита с каждым циклом «адсорбция-регенерация» вызвано образованием в нем нерегенерируе-мых коксоподобных отложений, образующихся за счет деструкции различных примесей осушаемого газа. Неравномерное распределение потока газа приводит к неодинаковой выработке адсорбента и избыточной нагрузке определенных зон в адсорбере.
Таким образом, исследование, направленное на разработку решений по повышению эффективности процесса адсорбционной осушки природного газа с применением в качестве адсорбента цеолита, является важной и весьма актуальной научно-прикладной задачей.
Цель работы — совершенствование технологии процесса адсорбционной осушки газа за счет внедрения комплекса технологических и конструктивных решений по защите адсорбента от примесей в осушаемом газе, повышению эффективности регенерации цеолита, улучшению распределения потока газа.
Основные задачи исследования:
выявить технологические факторы, влияющие на глубину осушки газа и дать оценку работы промышленного блока осушки обессеренного газа;
усовершенствовать распределительное устройство для обеспечения равномерного распределения газового потока по всему сечению адсорбера;
экспериментально определить влияние примесей амина на эксплуатационные свойства цеолита и установить их пороговую концентрацию в воде промывки обессеренного газа;
разработать способ защиты цеолита от аминовых примесей, попадающих с потоком газа в адсорбер после водной промывки;
исследовать возможности высокопористых материалов в качестве адсорбентов или фильтров в процессе осушки газа;
- разработать технологические и конструктивные решения для повышения
эффективности процесса адсорбционной осушки газа;
- дать технико-экономическую оценку предложенных технологических
решений и схем.
Научная новизна.
-
Разработаны оригинальные экспериментальные методики для изучения влияния аминовых примесей в газе на эксплуатационные свойства цеолита и для оценки равномерности распределения потока газа в адсорбере.
-
Впервые экспериментально получены зависимости влияния примесей амина в газе на физико-химические и механические свойства цеолита NaA и установлена пороговая концентрация амина в воде промывки обессеренного газа не более 2% масс. При помощи квантово-механических методов расчёта выявлено вероятное поведение диэтаноламина (ДЭА) и продуктов его разложения на цеолите NaA.
-
Впервые предложена методика расчета оценки остаточного ресурса цеолита NaA в процессе адсорбционной осушки обессеренного газа. Выявлено, что неравномерное распределение газового потока в адсорбере приводит к снижению остаточного ресурса из-за нерационального использования цеолита -третья часть загрузки имеет выработку менее 50%.
-
Определены математические зависимости влияния параметров высоты защитного слоя и концентрации ДЭА на динамическую ёмкость цеолита.
-
Предложено усовершенствованное распределительное кольцевое устройство, снабжённое постоянными магнитами, практически полностью выравнивающее поток газа по загрузке цеолита.
Практическая значимость.
-
Изменения в технологический регламент блока осушки обессеренного газа по ограничению допустимой концентрации ДЭА в воде промывки не более 2% масс, с целью предотвращения «отравления» цеолита NaA аминовыми примесями.
-
Обеспечение высокой динамической активности цеолита за счет поддержания температуры газа на входе в адсорбер не выше 25С, применения трёхступенчатой регенерации при температурах 90С, 21(^0 и 350С с целью последовательного удаления сероводорода, сероокиси углерода, меркаптанов и влаги.
-
Технологические решения защиты цеолита от примесей ДЭА в осушаемом газе с помощью защитного слоя в адсорбере или установкой дополнительных ёмкостей-фильтров с оксидом алюминия, обеспечивающие защитный эффект от 22 до 100 % соответственно.
-
Применение усовершенствованного распределительного кольцевого устройства, снабжённого постоянными магнитами, позволяет практически полностью исключить «мёртвые» зоны в слое цеолита, повысить ресурс цеолита с 2 до 3-4 лет и тем самым продлить межрегенерационный период на блоке осушки.
5. Технико-экономическая оценка от внедрения мероприятий по усовершенствованию технологии адсорбционной осушки обессеренного газа (увеличение срока службы цеолита за счёт предложенного распределительного устройства и защиты его от примесей, а также увеличении межремонтного периода) показывает экономию в 4,8 млн. руб. Защищаемые положения:
эффективность разработанных экспериментальных методик для изучения влияния примесей и для оценки равномерности распределения потока газа в адсорбере;
методика оценки остаточного ресурса цеолита, позволяющая определить срок службы адсорбента;
-закономерности влияния примесей ДЭА на физико-химические и механические свойства цеолита NaA;
-усовершенствованная схема процесса осушки газа при внедрении трехступенчатой регенерации при температурах 90С, 210"С и 350"С, поддержании температуры газа не выше 25С на входе в адсорбер;
технологические варианты защиты цеолита от примесей ДЭА в осушаемом газе с помощью защитного слоя в адсорбере или установкой дополнительных ёмкостей-фильтров с оксидом алюминия;
распределительное устройство, снабжённое постоянными магнитами, позволяющее повысить эффективность процесса адсорбции и увеличить межреге-нерационный период на блоке осушки.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: в 2005г. на VI Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» 27-30 сентября, г Москва; в 2006 г. на международной конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых», г. Санкт-Петербург; в 2009г. на VIII Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», г. Москва; в 2009г. на V международной научно-практической конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем», г. Москва.
На отраслевых научно-технических и научно-практических конференциях: в 2008г. на научно-технической конференции молодых руководителей и специалистов на тему «Поиск и внедрение новых технологий по решению проблем добычи и переработки газа и нефти на заключительной стадии разработки месторождений», г. Оренбург; в 2008 - 2009 гг, на Н,Ш конференциях молодых специалистов и работников ООО «Газпром добыча Астрахань», г. Астрахань, в
-
г. на XVII Конкурсе на лучшую молодежную научно-техническую разработку по проблемам топливно-энергетического комплекса, г. Москва; в 2006-
-
гг. на 50-54 Научных конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского Государственного Технического Университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа: в том числе патент РФ, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 статей в
научных сборниках, журналах и 12 тезисов докладов в материалах международных, всероссийских и отраслевых конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах, включает 20 таблиц, 51 рисунков и состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованных источников из 115 наименований, содержит приложения 1-5.
Высокопористые материалы с сетчато-ячеистым каркасом
Переход к добыче и переработке сероводородсодержащего газа из газоконденсатных месторождений требует применения новых технологий, призванных решать новые задачи как при подготовке газа к транспорту, так и при организации глубокой переработки природного газа.
Одним из основных нормируемых показателей при подготовке природного газа является его влагосодержание, характеризуемый параметром «точки росы». Чем ниже температура, до которой охлаждается газ при транспортировке и переработке, тем более жесткие требования предъявляются к его точке росы [1].
При обработке и транспортировании газа за счет снижения температуры в системе происходит конденсация водяных паров и, следовательно, образование в ней водного конденсата. Последний с компонентами природного газа образует газовые гидраты. Это твердые кристаллические соединения, в которых молекулы газов размером не более 0,69 нм заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды. Один объем воды в гидратном состоянии связывает от 70 до 300 объемов газа. Гидраты, отлагаясь в газопроводах, уменьшают их сечение, нарушают режим работы технологических установок, а иногда приводят к аварийным остановкам [4].
Даже незначительное количество влаги в газе усиливает коррозию оборудования, особенно при содержании в сырье кислых компонентов. Также влага снижает калорийность горючих газов [1].
Повышение требований к качеству товарного газа и дальнейшей его транспортировке в однофазном газообразном состоянии, большое разнообразие физических и химических свойств адсорбентов, их избирательная активность в отношении извлекаемых из газа компонентов обусловливают перспективность применения адсорбционных процессов при подготовке газа сложного химического состава. Адсорбционные процессы применяют как для подготовки газов к транспортированию, так и для глубокой осушки газа. Для них присущи высокие экологические показатели, отсутствие жидкой фазы и коррозионно-активных флюидов в товарном газе, низкий удельный расход адсорбента, высокая степень автоматизации процесса.
В зависимости от природы взаимодействия извлекаемого компонента с твердым поглотителем различают физическую и химическую адсорбцию. При хемосорбции происходит переход электронов между твердым телом и адсорбированными молекулами, в результате чего образуется химическое соединение. Образуется оно только в одном слое атомов или молекул на поверхности твердого тела. Основной недостаток процессов химической адсорбции - сложность регенерации твердых поглотителей и их утилизация после отработки [5].
Для глубокой осушки природного газа в промышленности часто используются преимущественно методы физической адсорбции. Физическая адсорбция вызывается силами межмолекулярного взаимодействия, основной вклад, в энергию взаимодействия которого вносят дисперсионные силы. В большинстве случаев, дисперсионные силы усиливаются ориентационными силами, т.е. силами, обусловленными постоянными дипольными моментами адсорбированных молекул. Именно такие явления лежат в основе современных процессов очистки и глубокой осушки природного газа. Согласно теории адсорбции, разработанной Н.А. Шиловым [4], насьщение адсорбента происходит послойно. При прохождении газа через слой адсорбента сначала происходит полное насьщение фронтального участка слоя адсорбента, после чего газовый поток «проскакивает» через этот участок без изменения, а зона поглощения постепенно перемещается в направлении движении газового потока. После насыщения всего слоя адсорбента происходит «проскок» всех компонентов через слой адсорбента. Процессы осушки могут реализоваться как в статических, так и в динамических условиях. В статических условиях осушка применяется для консервации оборудования, поддержания заданной влажности в герметичных объемах. Эффективность осушки в этом случае определяется сорбционной емкостью адсорбента при конкретных условиях работы. В промышленных условиях процессы адсорбции целевых компонентов осуществляются путем пропускания газового потока через неподвижный слой адсорбента, т.е. имеет место так называемая динамическая адсорбция [4].
Для осушки газов в промышленных установках больше всего применяются силикагель и цеолиты (молекулярные сита). Осушка газов при высоких значениях исходной относительной влажности (от 20 до 100%) осуществляется с использованием силикагелей, обладающих высокими значениями объемов и размеров сорбирующих пор. При низких значениях влажности осущка газов осуществляется с применением цеолитов, характеризующихся сравнительно низкими объемами пор малых размеров. Силикагели целесообразно применять в промысловой подготовке газов, и они дают возможность проводить процессы осушки до их конечной влажности, как правило, не очень глубокой (точка росы 0 С), что объясняется сравнительно пологим видом изотермы адсорбции паров воды на силикагелях [6].
По этой причине глубокая осушка газов (до точки росы минус 70 С и ниже) на силикагелях экономически нецелесообразна. Глубокую осушку газов, что в дальнейшем обуславливает его использование в процессах подготовки газа к сжижению и низкотемпературной переработке целесообразно проводить с использованием цеолитов, которые, не обладая высоким объемом пор, характеризуются значительной сорбционной емкостью по воде, как при высоких, так и при низких равновесных давлениях паров воды, т. е. крутой изотермой адсорбции (Рисунок 1.1) [6].
Результаты исследования влияния вносимых с газом аминовых примесей на свойства цеолита
Для оценки состояния адсорбента и изучения факторов, влияющих на обеспечение равномерной работы цеолита по высоте и по поперечному сечению адсорбера, во время планового ремонта отбирали пробы цеолита по методу, представленному в главе 2.
На момент выгрузки отработанный адсорбент в некоторых слоях имел закоксованные спёкшиеся агломераты гранул цеолита, которые характеризовались значительным разрушением с образованием пыли. Решающим из параметров, влияющих на изменение гранулометрических характеристик адсорбента, особенно на нижние его слои, является статическая и динамическая нагрузка. Статическая нагрузка остается практически без изменения для всех слоев в течение всего цикла. Динамическая нагрузка обусловлена гидравлическим сопротивлением слоя адсорбента потоку газа и неоднократно меняется в течение цикла. При переходе из стадии адсорбции на стадию регенерации динамическая нагрузка скачкообразно падает, так как поток горячего газа регенерации имеет обратное направление. В последнем периоде динамическая нагрузка имеет минимальное значение, однако в цикле охлаждения она также минимальна, но совпадает по направлению с направлением адсорбции [4, 61,62].
Как известно, основной характеристикой, определяющей осушающую способность адсорбента, является его динамическая емкость. Анализ фактических данных показывает, что адсорбционные свойства проб цеолитов значительно ниже требуемых значений, заложенных в нормативных документах ТУ 2163-003-15285215-2006 для цеолитов Ишимбайского завода катализаторов. Максимальное значение адсорбционной способности при 50 %-ной относительной влажности 15,9 % и 13,7% при 10%-ной относительной влажности, а минимальное значение достигло 3,2% и 1,8%, в то время как нормативные показатели - 21,6% и 19,5% соответственно (Рисунок 3.1).
Зоны максимальной адсорбционной способности, т.е. те зоны, которые были способны адсорбировать максимальное количество влаги: в верхнем слое ограничена точками отбора проб 1,4 и 7; в среднем - пробами 3,4,6 и 7, в нижнем слое - 4,5,7. К зонам минимальной адсорбционной способности цеолита при 10%-ной относительной влажности в верхнем слое можно отнести пробы 2, 3, в среднем и нижнем слое полученные значения достаточно близки между собой и это зона ограничивается одной точкой отбора проб - проба №1. В среднем и нижнем слое пробы №1 имеют очень низкие показатели 1,85 (3,15) соответственно (Рисунок 3.2).
В результате остаточный ресурс по адсорбционной ёмкости для отработанного цеолита составляет 74% - 15%. Из рисунков 3.1 и 3.2 видно, что в целом адсорбционная способность отработанного цеолита как при 10%-ной, так и при 50%-ной относительной влажности увеличивается от центра к периферии во всех трех слоях. Характеристика показателей отработанного цеолита представлена в Адсорбционная способность цеолитов при 10% относительной влажности, % масс Важной характеристикой адсорбента является его механическая прочность. На момент загрузки в адсорбер механическая прочность цеолита имела показатель 1,8 кг/м , однако за период эксплуатации минимальные значения достигли: 1,0 кг/м в верхнем слое, 0,8 кг/м в середине и 1,11 кг/м в нижнем слое. Отклонение от нормы в среднем составляет 54%. К зонам максимальных значений можно отнести пробы в верхнем слое 7В -1,80 кг/м , в среднем 7С-1,64 кг/м и в нижнем слое 6Н -1,49 кг/м (Рисунок 3.3). Остаточный ресурс по механической прочности снижается в пределах от 97 до 43%.
Зоны с малым содержанием крошки и пыли свидетельствуют о том, что адсорбент здесь в меньшей степени подвергся механическому разрушению. В верхнем слое в меньшей степени разрушились гранулы, расположенные в центральной зоне, в то время как в среднем слое она достигает максимального показателя в пробе 6 - 24,4 % масс. В нижнем слое содержание крошки и пыли меньше, чем в вышележащих слоях.
Механическая прочность цеолита на раздавливание, кг/мм2 Это явление объясняется следующим образом: в верхней части адсорбера создается наибольшая гидродинамическая нагрузка, и верхний слой цеолита подвергается разрушению в большей степени.
Однако количество крошки и пыли увеличивается от верхнего и нижнего слоя адсорбента к среднему. Небольшое количество пыли в верхнем слое можно объяснить тем, что она уносится потоком осушаемого газа в низшие слои цеолита. Но в свою очередь газ регенерации поднимает её вверх, поэтому большое количество крошки и пыли оказывается в среднем слое адсорбера, а именно в пробах номер 4 и 6 (Рисунок 3.4) .
Размер гранул по среднему диаметру для свежего цеолита составляет 3,5 ± 0,5 мм. В исследуемых пробах размеры частиц цеолита в среднем меньше на 1 мм. Причина разрушения адсорбента - попадание капельной влаги, истирание, механическое разрушение. За счет разрушения цеолита его насыпная плотность увеличилась и превысила нормативные требования примерно на 20 %. Характер изменения насыпной плотности по высоте и поперечному сечению слоя цеолита вполне закономерно аналогичен характеру изменения суммарного содержания крошки и пыли. Это подтверждается тем, что пробам с большим количеством крошки и пыли соответствуют большие значения насыпной плотности. Насыпная плотность цеолита, также как и количество крошки и пыли, увеличивается от верхнего и нижнего слоя к среднему (Рисунок 3.5). Стоит отметить, что зоны высокой насыпной плотности отработанного цеолита совпадают с зонами меньшей адсорбционной способности, особенно это прослеживается в пробе 1 нижнего слоя цеолита, где наблюдается максимальное значение насыпной плотности (0,97 г/смЗ).
Этот факт может быть объяснен тем, что при переходе адсорбера со стадии регенерации на стадию охлаждения, газ охлаждения подается в нижнюю часть аппарата, попадая тем самым на наиболее горячий нижний слой цеолита [15].
Усовершенствование конструкции распределительного устройства адсорбера
На промышленной установке разделение газового потока осуществляется с помощью распределительного устройства, установленного в верхней части адсорбера, представляющего собой поперечную по отношению к потоку газа перегородку, с помощью которой поток направляется от центра к периферии. Эта конструкция предназначена для предотвращения разрушения гранул адсорбента в центре верхнего слоя. Однако на практике такое распределительное устройство способствует образованию вихревого движения потока, что, в свою очередь, приводит к образованию неравномерного движения газа при прохождении его через слой адсорбента и, как следствие, неэффективному использованию цеолитам.
В лабораторных условиях эксперименты проводили с распределительным устройством, аналогичном используемому на промышленной установке и с кольцевым распределительным устройством, параметры которого ранее получены расчётным путём в работе [далее в главе 4].
Кольцевое устройство имеет два соосных металлических кольца разных диаметров и поперечную по отношению к потоку газа круглую перегородку, расположенных в адсорбере последовательно по ходу движения газа, а диаметры колец и перегородки рассчитаны так, что обеспечивают разделение потока газа на три равные части (Рисунок 3.26).
Кроме того, кольца и круглая перегородка снабжены с нижней стороны двенадцатью цостоянными магнитами, устройство изготовлено из нержавеющей стали аустенитного класса. Постоянные магниты расположены под углом 30 по отношению друг к другу в количестве 12 шт. - верхнее кольцо, 2 - внутреннее кольцо, 3 - круглую перегородку, 4 -постоянные магниты с креплениями, установленными на нижней стороне колец и круглой перегородки, 5 - радиальная крепёжная опора, 6 - адсорбер, 7 -входной патрубок для газа
Геометрические размеры основных узлов устройства определяются по формулам [65]: Оо=Вадс 0,42; Di = (D0)2/12 h1;D2=(D0)2/12 h2; D3=1,25D0; где D0 - диаметр входного патрубка; Вадс- диаметр адсорбера; 81 - внутренний диаметр верхнего кольца; 82 - внутренний диаметр промежуточного кольца; D3 - диаметр круглой перегородки; h0 = Do/12, hj = (D0)2/12 D1; h2= (D0)2 /12 D2 где ho - высота между нижней поверхностью входного патрубка и верхним кольцом; hi - высота между верхним и промежуточным кольцом; Й2 - высота между промежуточным кольцом и круглой перегородкой. Поскольку в процессах переработки обесеренный газ после водной промывки представляет собой дисперсную систему, состоящую из углеводородов С1-С4, влаги (как в капельном виде, так и в парообразном), а иногда и диэтаноламина, то в целом газовую смесь можно рассматривать как дисперсную систему, которая способна изменяться под влиянием внешних полей [92,113,115]. Известно, что молекулы воды и диэтаноламина являются диполями, что делает эти вещества «чувствительными» к действию магнитного поля при его пересечении. Возможности применения магнитных полей или магнитных материалов при переработке углеводородного сырья, в том числе газов, упоминаются авторами [48-50].
Между кольцами и перегородкой газо-жидкостная дисперсная система подвергается воздействию постоянного магнитного поля. Количество и расположение 12-и постоянных магнитов под углом 30 друг к другу обусловлено необходимостью обеспечения величины магнитной индукцией в интервале 0,050-0,012 Тл.
На рисунке 3.26 показано предлагаемое кольцевое устройство, установленное в адсорбере (вид сбоку и снизу). Оно содержит верхнее кольцо (1), внутреннее кольцо (2), круглую перегородку (3), постоянные магниты с креплениями, установленными на нижней стороне колец и круглой перегородки (4), радиальную крепёжную опору (5), предназначенную одновременно как для соединения колец и круглой перегородки, так и для крепления внутри адсорбера. Устройство установлено в адсорбере (6), которое имеет входной патрубок для газа (7).
Устройство работает следующим образом: газ поступает в адсорбер (6) через входной патрубок (7), обтекает поверхности колец (1 - 2) и круглой перегородки (3), одновременно проходя через соосные отверстия колец перпендикулярно оси устройства, направляясь вниз на поверхность адсорбента, В результате выравнивания потока газа в кольцевом устройстве количество неокрашенных гранул уменьшается, снижается и количество сильноокрашенных гранул.
Движение фронта газа при использовании распределительных устройств разных конструкций демонстрируют фотографии (рисунок 3.27 -3.32). Состояние адсорбента до начала испытаний показано на рисунке 3.27. При использовании распределительного устройства, аналогичного используемому на промышленной установке движение фронта газа неравномерное, характеризующееся «языками» как в середине цикла адсорбции, так и в конце его (рисунок 3.28 и 3.29 соответственно). При использовании усовершенствованного кольцевого распределительного устройства движение фронта газа выравнивается на всем протяжении цикла (рисунок 3.30 и 3.32 соответственно).
Материальный баланс циклов адсорбции и регенерации
Регенерация гамма-оксида алюминия в ёмкости ЕФ может производиться по аналогии с этой процедурой в адсорберах, для чего потребуется определить расходы потоков газа на стадии нагрева, регенерации, охлаждении.
1. Расход тепла на проведение стадии нагрева равен произведению массы оксида алюминия (16400 кг) на его теплоёмкость (0,96 кДж/(кг К)) и на разность температур оксида алюминия в конце и начале прогрева. Начальную температуру примем равной 20С, конечную температуру определили как среднее арифметическое из значения температур в конце стадии нагрева. Температура оксида алюминия в верхней части ёмкости Ф01 в конце стадии нагрева близка к температуре газа, поступающего на регенерацию, т.е. равна 250С (для цеолита температура газа регенерации составит 350С, но для оксида алюминия она будет равна 250С). Оксид алюминия предлагаем прогревать не полностью: ввод горячего газа прекращаем в тот момент времени, когда температура на выходе достигнет 100-110С. Предполагаем, что глубокая дегидратация замыкающего слоя произойдет в результате перемещения тепла из прогретых слоев потоком газа, вводимого в ёмкость Ф01 на стадии охлаждения.
2. Средняя температура на стадии нагрева равна (250+110)/2= 180С. Разность температур на выходе равна: 180-20=160С.
3. Расход тепла на расход адсорбента: 16400 кг 0,96 кДж/(кг К) 180С =2833920 кДж/стадию.
4. Расход тепла на нагрев аппарата равен произведению его массы на теплоёмкость стали(0,5 кДж/кг) и разность температур (160С). Масса цилиндрической части ёмкости Ф01 составит: 7,8 3 (л/4) (3,2 -3 ) = 22,7 т, где 7,8 - плотность стали, т/м . Масса крышек и внутренних элементов адсорбера на этой стадии проектирования определена в виде коэффициента запаса и равна 1,5. Отсюда ожидаемая полная масса ёмкости ЕФ: 1,5 22,7=34 т.
Итого: расход тепла на нагрев аппарата равен: 34000 0,5 160=2720000 кДж/стадия. - За стадию длительностью 8 часов при расходе газа 250000 м3/ч поглотилось воды: 8 250000 3,3 10-2 0,1/6= 1100 кг., где 250000- производительность установки по газу, м3/час;3,3 10-2-начальная концентрация воды в газе, г/м3;
Расход тепла на десорбцию воды составит: 1100 4200 = 4620000 кДж/стадия, где 4200 кДж/кг - теплота адсорбции воды. Итого расход тепла по основным составляющим: 2833920+2720000+4620000 = 10173920 кДж/стадия. Расход с учетом потерь в окружающую среду равен: 1,1 10173920= 11191312кДж/стадия.
5. Определим расход обессеренного газа на проведение стадии нагрева. Примем, что нагрев осуществляется при том же давлении (5,39 МПа), что и адсорбция воды. Он равен отношению количества необходимого тепла (10173920 кДж/стадия) к теплоёмкости природного газа, которая при 5,39 МПа и повышенных температурах составляет 65,4 кДж/м К, и средней разности температур.
Средняя разность температур определяется следующим образом: температуру на входе в ёмкость ЕФ была принята, равной 250С. Температура на входе переменна: она равна 20С в начале стадии нагрева и 110С в конце, средняя температура на выходе составляет (20+110)/2=65С. Отсюда средняя разность температур: 250-65=185С.
Расход природного газа на нагрев: 11191312/ (65,4 185) = 925 м3/стадия, или в расчете на газ, находящийся при атмосферном давлении 925 6/0,1= 55500 м3/стадия. 128
6. Определим, сколько тепла надо отвести от ёмкости Ф01, чтобы охладить его. Учёту подлежат две составляющие: тепло, отводимое от адсорбента, и тепло, отводимое от собственно адсорбера. Их сумма приближенно равна: 2833920+2720000 =5553920 кДж/стадия.
7. Определим расход обессеренного газа на охлаждение ёмкости. Примем, что давление при охлаждении, такое же, как при адсорбции и нагреве. При охлаждении на вход ёмкости ФОІпоступает природный газ с температурой 20С. На выходе температура переменна: вначале выходит газ, имеющий температуру 110С, затем газ с температурой 250С, затем газ, поступавший на охлаждение (20С). Принимаем, что средняя температура на выходе равна средней температуре слоя к концу стадии нагрева, т.е. 180С. Отсюда средняя разность температур: 180-20=160С.
Расход обессеренного газа на охлаждение равен: 5553920/(120 160)= 289 м3/стадия, где 120кДж/м3К - теплоёмкость природного газа при 20С и давлении бМпа. Расход к атмосферному давлению равен: 289 6/0,1=17340 м3/стадия. 8. Определим расход обессеренного газа на регенерацию: 55500+17340=72840 м3/стадия, или 72840/8=9100 м3/ч. Доля газа, идущего на регенерацию, составляет 9100 100/250000 = 0,3%. Расход газа небольшой и регенерация гамма-оксида алюминия в ёмкости ЕФ осуществляется по аналогии с регенерацией цеолитов в адсорберах, для чего потребуется соответствующая обвязка.
На рисунке 4.3 приведена принципиальная схема блока осушки с установленной дополнительной ёмкостью. Изменение в схеме заключается в том, что газ из сепаратора В11 поступает в дополнительную ёмкость Ф01, заполненную гамма-оксидом алюминия. После очистки от возможных примесей и осушки газ направляется в адсорберы по существующей схеме.
