Выбор принципиальной схемы установки адсорбционной осушки

Введение…………………………………………………………….…………….2
1 Литературный обзор…………………………………………....….…...………3
1.1 Адсорбционная осушка природного газа……………………….…………..3
1.2 Физико-химические основы процесса адсорбции…………….……………4
1.3 Адсорбенты, применяемые в промышленности…………….….…....……..5
1.3.1 Активный оксид алюминия………………………………….…....………..6
1.3.2 Силикагель…………………………………………………………………..8
1.3.3 Цеолиты………………………………………………….…………………10
2 Выбор принципиальной схемы установки адсорбционной осушки…..……14
2.1 Типы адсорберов………………………………………………..……………15
3 Технологическая часть………………………………………………………...20
3.1 Описание технологической схема…………………………………………..21
3.2 Расчеты технологических процессов……………………………………… 26
3.3 Расчет материального баланса……………………………………………... 26
3.4 Расчёт основного оборудования…………………………………………….29
3.5 Расчет теплового баланса……………………………………………………30
4 Аналитический контроль производства……………………………………...32
5 Автоматизация технологического процесса…………………………………35
6 Охрана труда и окружающей среды………………………………………….39
Заключение……………………………………………………………………….42
Список использованных источников…………………………………………...43

Весь текст будет доступен после покупки

На сегодняшний день природный газ является одним из основных и перспективных энергоносителей. Его добыча и переработка – это важная часть топливно-энергетического комплекса и всей экономики. Однако в Российской Федерации эта отрасль имеет ряд проблем, которые тормозят её развитие. При переработке и добыче газа используют технологии и установки, которые были разработаны зачастую ещё в прошлом веке. Новые и современные методы переработки постепенно внедряют в промышленность, однако этот процесс крайне медленный. В 21 веке стала актуальна тема экологии, в связи с чем вводятся новые экологические стандарты для товарных продуктов нефтегазовой отрасли, а также для самих производств.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Адсорбционная осушка природного газа
Природный газ, находящийся в пласте, содержит в себе пары воды, которые являются нежелательными примесями. Необходимость их удаления обусловлена тем, что при определённых условиях, а именно понижении температуры, росте давления, могут образовываться газогидраты, которые, в свою очередь, способны забивать и закупоривать трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру, теплообменники и другое оборудование. Всё это может привести к снижению производительности установок или даже к аварийным остановкам.
Газогидраты – это твёрдые кристаллические соединения, которые образуются при определённых термобарических условиях из воды и низкомолекулярных газов.
Газогидраты не единственная проблема, которой способствует наличие влаги в газе. Например, для некоторых катализаторов дальнейших процессов, влага будет иметь отравляющий характер, т.е. ухудшать их технологические свойства. Также влага способствует усилению коррозии оборудования, особенно когда в газе содержатся кислые компоненты.
Одним из важнейших показателей качества процесса осушки является температура точка росы. Температура точка росы (ТТР) – это температура при текущем давлении, при которой пары воды приходят в состояние насыщения, т.е. это наивысшая температура, при которой при данном давлении и составе газа могут конденсироваться капли влаги. Чем осушка глубже, тем температура точки росы ниже. Разностью ТТР осушенного и влажного газа, называют депрессией точки росы или же степенью осушки газа. Этот показатель задаётся в зависимости от дальнейшего пути газа. Если газ следует к потребителю, то после осушки точка росы газа должна быть на несколько градусов ниже, чем минимальная температуры, до которой газ может охладиться в время транспортировки. Если же газ направляется на дальнейшую переработку, то точку росы подбирают таким образом, чтобы она была ниже рабочей температуры следующих стадий переработки.
На сегодняшний день, существует два основных метода осушки газа:
• Абсорбционная
• Адсорбционная

1.2 Физико-химические основы процесса адсорбции
Под адсорбцией в современной науке подразумевают процесс, в котором поверхность твёрдого тела поглощает компоненты газов или жидкостей. При это адсорбентом называется твёрдое вещество, которое поглощает, адсорбатом – поглощенное.
Адсорбцию подразделяют на два вида:
• Физическую;
• Химическую.
Молекулы любого вещества обладают флуктуирующими диполями и квадруполями, вызывающими «мгновенные» отклонения распределения электронной плотности от среднего распределения. При сближении молекул сырья с атомами или молекулами адсорбента движение флуктуирующих диполей (квадруполей) приобретает упорядоченный характер, обусловливающий возникновение притяжения между ними. Дисперсионные силы также могут усиливаться электростатическими силами ? индукционными и ориентационными. Проявление индукционных сил обусловлено изменением электронной структуры молекул адсорбтива и центров адсорбции в адсорбенте под действием друг друга: возникновением в молекулах адсорбтива дипольных моментов, наведенных зарядами центров адсорбции, или, наоборот, возникновением дипольных моментов в центрах адсорбции под действием зарядов молекул адсорбтива. Ориентационные силы возникают при взаимодействии полярных молекул с центрами адсорбции в структуре адсорбента, содержащими электростатические заряды (ионы, диполи). Межмолекулярное взаимодействие также может усиливаться в результате образования водородной связи между адсорбированной молекулой и молекулами адсорбента. Характерным примером адсорбции с образованием водородной связи является поглощение воды (паров влаги из газов), спиртов, органических кислот и других соединений типа R ? OH на силикагеле, цеолитах, глинах, в структуре которых содержится значительное количество гидроксильных групп. При хемосорбции поглощенные вещества взаимодействуют с адсорбентом, образуя химические связи (химические соединения). Хемосорбционный процесс должен рассматриваться как химическая реакция, протекающая на поверхности раздела фаз. При физической адсорбции связь молекул поглощенного вещества с адсорбентом менее прочна, чем при хемосорбции. Адсорбция является самопроизвольным экзотермическим процессом. Теплота физической адсорбции газов и паров приблизительно равна теплоте их конденсации.

1.3 Адсорбенты, применяемые в промышленности
Адсорбенты, которые используют в промышленных установках, должны иметь ряд свойств, таких как [1]:
• Достаточная поглотительная способность;
• Обеспечение низкого остаточного содержания воды в газе;
• Полнота и простота регенерации;
• Механическая прочность;
• Прочность от истирания;
• Стабильность вышеуказанных свойств при многоцикловой работе.
Несмотря на вышеперечисленные основные требования, при выборе адсорбента для промышленного использования часто отдают предпочтение тем или иным эксплуатационным показателям.
В нефтегазовой отрасли в промышленных процессах адсорбции применяются такие твердые пористые тела с высокоразвитой поверхностью, как: силикагели, алюмосиликаты, активный оксид алюминия, глины, цеолиты (молекулярные сита), активированные угли и некоторые другие.
Адсорбенты могут изготавливаться и применяться в следующей геометрической форме: в виде экструдатов (червячков) и таблеток с диаметром от 1 до 8 мм, которые могут использоваться в процессах адсорбции только со стационарным (неподвижным) слоем адсорбента; в виде шариков диаметром от 2 до 8 мм, которые могут использоваться в процессах адсорбции как со стационарным, так и с движущимся слоем адсорбента, в виде порошков с диаметром частиц от 20 до 500 мкм.
Шариковая форма частиц адсорбента позволяет производить компактную и равномерную загрузку в адсорбер с крайне низкой усадкой впоследствии, что, соответственно, позволяет реализовать более высокие скорости потока осушаемых или очищаемых газов, использовать более высокопроизводительные установки для осушки и очистки газов вследствие низкого перепада давления.

1.3.1 Активный оксид алюминия
Активный оксид алюминия (алюмогель) - А12О3 - тип адсорбента, широко распространенный в природе и давно используемый в промышленности. Активированный оксид алюминия (АОА) выпускается нескольких марок и разной формы: гранулированный, цилиндрический и шариковый. Это самый дешевый адсорбент, но его адсорбционная способность невысока. Достоинством АОА является стойкость по отношению к капельной влаге. Он также может использоваться в качестве защитного слоя для силикагеля и цеолитов, которые при попадании капельной влаги растрескиваются.
Характеристика отечественного АОА приведена в таблице 1 [5].
Для сравнения в таблице 2 представлена характеристика АОА фирмы «Bayer» типа «Alumac D» [5].


Таблица 1
Характеристика отечественного АОА [5]
Наименование показателя Норма
Марка А Марка Б
Внешний вид Экструдаты цилиндрической формы белого, кремового или розового цвета Сферические гранулы белого, кремового или розового цвета
Насыпная плотность, г/см3 0,50-0,70 0,73-0,78
Размеры гранул: диаметр, мм, не более 5,0±1,0 2,8-8,0
Массовая доля потерь при прокаливании, %, не более 5,0 8,0
Прочность при истирании, %, не менее 65,0 65,0
Массовая доля пыли и мелочи размером менее 2,0 мм, %, не более 0,5 0,5
Удельная поверхность, м2/г, не менее 200 200
Общий объём пор, см3/г, не менее 0,65 0,50
Статическая активность по адсорбции водяного пара из воздуха при 20-25 °С, г воды на 100 г осушителя, не менее:
При относительной влажности 10 % 3,0 4,5
При относительной влажности 60 % 9,0 14,0

Таблица 2
Характеристика АОА фирмы «Bayer» типа «Alumac D» [5]
Наименование показателя Значение
Alumac 2-5 D Alumac 2,5-5 D Alumac 4-8 D
Диаметр шариков, мм 2-5 2,5-5 4-8
Массовая доля Al2O3, % 93,5 93,5 93,5
Массовая доля Na2O, % 0,32 0,32 0,32
Суммарный объём пор, см3/100 г 44 44 44
Массовая доля потерь при прокаливании (300-1000°С), % 5 5 4,9
Удельная поверхность, м2/г 335 335 330
Насыпная плотность при рукавной загрузке, кг/м3 780 780 770
Насыпная плотность при плотной загрузке, кг/м3 860 860 850
Прочность гранулы на раздавливание, Н 190 210 440
Устойчивость к истиранию, % 99,5 99,3 99,2
Статическая адсорбция при относительной влажности 60% 21,5 21,5 20,8

Адсорбенты на основе активированной окиси алюминия «Alumac D» представляют собой гранулированный материал белого цвета, с частицами в форме шариков с гладкой, микропористой поверхностью и обладают высокой стойкостью к капельной влаге.
Адсорбенты на основе активного оксида алюминия марок «Alumac 2-5 D», «Alumac 2,5-5 D» и «Alumac 4-8 D» производятся из алюминиевой руды боксит. Производство алюмогеля «Alumac D» в форме шариков с гладкой поверхностью, с большой удельной поверхностью, с большим объемом пор, с высокой прочностью на раздавливание и устойчивостью к истиранию и с высокими адсорбционными характеристиками ведется с использованием запатентованной и уникальной «Flash» (Флэш) технологии «Pechiney» (Пешине).
Активные оксиды алюминия «Alumac D» позволяют осушать газ до значения точки росы по влаге до минус 70°С. Активированные оксиды алюминия «Alumac D» обладают стабильной адсорбционной активностью при многократной регенерации - до 600 циклов, что обеспечивает длительный срок службы – до 3 лет.
Регенерацию АОА наиболее часто осуществляют при температуре от 160°C до 220°C, в зависимости от состава газа регенерации и содержания в нем воды. В качестве газа регенерации можно использовать: осушенный газ при том же или более низком давлении, что и влажный осушаемый газ; сам осушаемый газ при том же или пониженном давлении.

1.3.2 Силикагель
Силикагель представляет собой обезвоженный гель кремниевой кислоты, очищенный от примесей, прокалённый. Он может содержать незначительное количество оксидов железа, алюминия, кальция и других металлов, исходя из сырья, которое использовалось для его производства. Силикагели, в зависимости от размера пор и зёрен, производят нескольких марок. Основные свойства некоторых из них, приведены в таблице 4 [1].
Технические марки гранулированных силикагелей, приведенных в таблице 3 [1]: КСМ – крупнозернистый силикагель мелкопористый; ШСМ – шихта, силикагель мелкопористый; КСК – крупнозернистый силикагель крупнопористый; ШСК – шихта, силикагель крупнопористый.

Таблица 3
Свойства гранулированных силикагелей [1]
Показатели Мелкопористый силикагель Крупнопористый силикагель
КСМ ШСМ КСК ШСК
Размер зёрен, мм 2,7-7 1,0-3,5 2,7-7,0 1,0-3,5
Механическая плотность, % 94 85 86 62
Насыпная плотность, кг/л, не менее 0,67 0,67 0,4-0,5 0,4-0,5
Влагоёмкость, % (масс.), не менее, при 20°С и относительной влажности, %:
20 9 6 Не нормируется
40 16 16 Не нормируется
60 Не нормируется Не нормируется
100 35 35 70 70

Температура регенерации силикагеля (110-200°С) является одним из основных его плюсов, поскольку другие адсорбенты обладают более высокими температурами регенерации, что влечёт за собой более высокие энергозатраты. Однако даже высококачественный силикагель при нагреве свыше 200°С постепенно утрачивает свои адсорбционные свойства из-за снижения степени покрытия поверхности «активными центрами». Также, важными преимуществами силикагелей, являются их относительно невысокая себестоимость, высокая механическая прочность.
Наличие высших углеводородов в газе негативно сказывается на процессе осушки, поскольку они сорбируются силикагелем, что позже приводит к необходимости повышения температуры регенерации и к понижению влагоёмкости осушителя.
На рисунке 1 для примера показана зависимость динамической адсорбционной активности силикагеля от скорости потока газа. Видно, что увеличение скорости потока газа приводит к снижению динамической адсорбционной способности силикагелей всех типов пористости [5].


Рисунок 1 – Зависимость динамической адсорбционной способности объемного слоя силикагеля (h = 1м) от скорости потока при осушке до «проскоковой» концентрации соответствующей температуре точки росы по влаге минус 40°С [5]: 1 – крупнопористый силикагель; 2 – среднепористый; 3 – мелкопористый
Нас сегодняшний день в промышленности широко используется силикагель марки КСМ. По сравнению с другими силикагелями, он эффективнее осушает газ, обладает лучшей механической прочностью.
Из-за неполного удаления высших углеводородов, стирания гранул и других негативных факторов, наблюдается понижение адсорбционной активности силикагеля. Это приводит к постепенному увеличению количества влаги в осушенном газе, а значит получить стабильную глубину осушки газа не удаётся.

1.3.3 Цеолиты
Синтетические цеолиты или же молекулярные сита – это адсорбенты, полученные из щелочноземельных алюмосиликатов за счёт катионного обмена, который даёт однородность пор. Размеры пор цеолитов соразмерны с размерами молекул, что позволяет «просеивать» отдельные молекулы.
Общая химическая формула цеолитов
Ме2/nО • А12О3 • xSiO2 • уН2О,
где Me – катион металла; n ? его валентность. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами SiO4 и А1О4, соединенными вершинами в ажурные каркасы, в полостях и каналах которых находятся катионы металлов и молекулы Н2О, а их избыточный отрицательный заряд компенсирован положительным зарядом катионов соответствующих металлов. Они характеризуются рыхлой структурой с каналами (рисунок 2) [5].


Рисунок 2 - Структурные единицы цеолитов [5]
Так, цеолиты типа А имеют поры диаметром от 0,3 до 0,5 нм, а цеолиты типа X ? от 0,7 до 1,3 нм.
В освободившихся полостях могут селективно сорбироваться молекулы воды, диоксида углерода, сероводорода, аммиака и других веществ. Поэтому цеолиты применяются как адсорбенты при очистке, осушке и разделении газов, а также для других целей.
Катионы цеолитов при определенных условиях их обработки могут быть замещены на необходимые катионы из контактируемых с ними растворов, что позволяет рассматривать цеолиты как катионообменники.
В качестве природных цеолитов используют различные минералы: содалит, шабазит, морденит, фожазит и др.
Синтетические цеолиты имеют строение и геометрическую структуру, подобные природным цеолитам.
Цеолиты типа А относятся к низкокремнистым формам: в них отношение SiO2:Al2O3 не превышает 2.
Цеолиты типа X имеют мольное отношение SiO2:Al2O3, которое может изменяться от 2,2 до 3,3.
Для адсорбентов важным показателем является относительное насыщение осушаемого газа, т.е. чем выше содержание влаги в газе, тем выше адсорбционная способность адсорбента. Однако цеолит является исключением и на практике обладает неизменной адсорбционной способностью при любой относительной влажности газа. Это свойство позволяет цеолитам иметь высокую активность при малых парциальных давлениях паров воды, а значит данные адсорбенты применимы для осушки газов с малым содержанием воды.
При осушке и очистке газа от кислых и серосодержащих компонентов наибольшее практическое применение получили цеолиты типа А и X, имеющие двухзначные обозначения: КА, NaA, СаА, NaX, СаХ, где первая часть обозначения указывает на преобладающий в нем катион (К+, Na+, Са+2), вторая – тип решетки (А или X).
В таблице 4 представлены данные о свойствах некоторых твёрдых осушителей, применяемых в промышленности [7].
Таблица 4
Характеристика адсорбентов, применяемых для осушки газа [7]
Показатели Марка цеолита
КА NaA CaA NaX CaX
Насыпная плотность, г/см3, не менее 0,62 0,65 0,65 0,60 0,60
Гранулометрический состав (содержание фракции частиц номинального размера, вес. %) не менее 94 94 94 94 94
Механическая плотность, не менее
На раздавливание, кг/мм2 0,40 0,55 0,50 0,45 0,40
На истирание, вес % 40 60 55 55 50
Водостойкость, вес. %, не менее - 96 96 96 96
Потери при прокаливание, вес %, не более 5 5 5 5 5

Цеолиты в качестве адсорбентов, например, для осушки газа, имеют следующие преимущества:
- большая механическая прочность;
- более высокое сопротивление к воздействию капельной влаги;
- более высокая динамическая адсорбционная активность, в том числе и при низких парциальных давлениях паров воды, что позволяет их применять для осушки газов с низким содержанием воды;
- сохраняют высокую активность в широком интервале температур и давлений;
- обладают более высокой скоростью адсорбции до установления заданной степени влагосодержания, что позволяет их применять при более высоких скоростях газа (до 0,3 м/с) без заметного изменения динамической активности и качества обработки газа.
Основным недостатком цеолитов является их более высокая стоимость.

























2 Выбор принципиальной схемы установки адсорбционной осушки
Процессы адсорбционной осушки газа можно осуществлять периодически в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента или непрерывно в аппаратах с движущимся или с кипящим слоем адсорбента. В настоящее время непрерывные адсорбционные процессы осушки газа не получили широкого распространения ввиду сложного аппаратурного и технологического оформления.
На установках адсорбционной осушки газа основным аппаратом является адсорбер, в котором осуществляются последовательно следующие три технологических периода (стадии): осушка газа, регенерация и охлаждение адсорбента. В соответствии с этим для осуществления непрерывного процесса необходимо, чтобы в составе установки было три аппарата – для проведения каждой стадии в отдельном аппарате. В большинстве случаев используют два аппарата: в одном проводят осушку газа, а в другом – регенерацию адсорбента при повышенных температурах и затем его охлаждение.
Принципиальная технологическая схема адсорбционной установки осушки представлена на рисунке 3 [5].


Рисунок 3 - Принципиальная технологическая схема адсорбционной установки осушки газа с регенерацией сухим газом: 1 – сепаратор С – 1; 2 – адсорберы А; 3 – компрессор К; 4 – печь П; 5 – аппарат воздушного охлаждения АВО; 6 – сепаратор С – 2; 7 – дожимная компрессорная станция ДКС.
Сырьевой газ поступает в сепаратор С-1, где отделяются капельная жидкость (ВМР + газовый конденсат) и механические примеси. Отсепарированный газ с температурой 10-32°С, давлением 2,5-5,0 МПа направляется в один из адсорберов сверху вниз для осушки. Осушенный газ с заданной температурой точки росы по влаге отводится в межпромысловый коллектор сухого газа. В это же время второй адсорбер находится на технологических стадиях регенерации и охлаждения с ожиданием переключения на стадию осушки газа.
После насыщения адсорбента до заданного предела по содержанию влаги в газе, что контролируется влажностью выходящего газа или по времени, поток сырого газа переключается на второй адсорбер, а первый подвергается регенерации. Для регенерации используется часть осушенного газа после работающего адсорбера, необходимое количество которого компрессором К подается в печь подогрева П, где он нагревается до температуры 180-200°С и затем подается снизу вверх в регенерируемый адсорбер, в котором за счет высокой температуры происходит десорбция поглощенных во время цикла адсорбции воды и тяжелых углеводородов. После этого газ регенерации охлаждается в аппарате воздушного охлаждения АВО и поступает в сепаратор С-2 для отделения сконденсировавшихся продуктов десорбции. Из сепаратора С-2 газ поступает во входной сепаратор С-1, и весь цикл повторяется. При достижении температуры низа адсорбера 50°С охлаждение адсорбента считается законченным.

2.1 Типы адсорберов
Аппараты, в которых осуществляют поглощение компонентов из газовой или жидкой фаз твердым телом, называются адсорберами.
В настоящее время на практике промысловая переработка природного газа осуществляется с применением адсорберов со стационарным объемным слоем адсорбента, например, на УКПГ месторождения «Медвежье».
Схема адсорбера, используемого на УКПГ месторождения «Медвежье», представлена на рисунке 4 [5].
Адсорбер представляет собой вертикальный сосуд. Внутренняя часть адсорбера оборудована следующими элементами:
– верхний конический дефлектор (3), предназначенный для равномерного распределения потока осушаемого газа по сечению адсорбера;
– верхняя сетка с размером клетки 17 мм (15), уложенная на верхний слой муллита (10) толщиной 150 мм (гранулометрия 20–40 мм) для защиты слоя крупнопористого силикагеля от воздействия капельной жидкости осушаемого газа и дополнительного равномерного распределения потока осушаемого газа по сечению адсорбера;

Весь текст будет доступен после покупки

1. Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. – 596 с.
2. ГОСТ 5542-2014 Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия
3. Тараканов Г.В. Технология переработки природного газа и газового конденсата на Астраханском газоперерабатывающем заводе: учеб. пособие / Г.В. Тараканов; Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013 – 148 с.
4. Регламент установки “осушка и отбензинивание газа” Астраханского газаперерабатывающего завода.

Весь текст будет доступен после покупки