Осушка газа жидкими поглотителями

ОСУШКА ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ  АБСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

1. ЖИДКИЕ ОСУШИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА

Для извлечения влаги из природного газа могут применяться различные  осушители, которые должны иметь:

• удовлетворительную осушающую способность в широком интервале концентраций, давления и температур;
• вязкие давления насыщенных паров, чтобы потери при испарении были незначительными;
• температуру кипения, отличающуюся от температуры кипения воды настолько, что выделение поглощенной воды из осушителя могло бы осуществляться простыми методами;
• низкую вязкость в условиях эксплуатации, обеспечивающую хороший контакт с газом в контакторах, теплообменниках и другом массообменном оборудовании;
• высокую селективность в отношении компонентов газа, т. е. низкую взаиморастворимость с ними;
• низкие коррозионные свойства;
• низкую вспениваемость в условиях контакта с газовой смесью;
• высокую устойчивость к окислению и термическому разложению.

Кроме того, осушители должны быть дешевыми и не опасными для организма  обслуживающего персонала.

Этим требованиям в той или  иной степени отвечают гликоли-этиленгликоль, диэтиленгликоль,  триэтиленгликоль, пропиленгликоль и другие спирты парафинового ряда (метанол, этанол), смеси гликолей со спиртами и их эфирами и т.д.

Ряд производимых ди- и триэтиленгликоля и побочные вещества, получаемые при их производстве(этилкарбитол, тетраэтиленгликоль), хотя и обладают высокой гигроскопичностью, не получили применения для осушки природного газа, что объясняется трудностями, связанными с регенерацией их насыщенных растворов и относительно низкой избирательностью в отношении компонентов природного газа.

Наиболее широкое применение в качестве осушителей получили высококонцентрированные растворы этиленгликоля (ЭГ), диэтиленгликоля (ДЭГ) и триэтиленгликоля (ТЭГ). Применяют также пропиленгликоль (ПГ). Эти гликоли являются водными растворами двухатомных спиртов жирного ряда, с водой смешиваются во всех соотношениях. Их водные растворы не вызывают коррозии оборудованиях. Это позволяет изготавливать оборудования из дешевых марок стали. Физико-химические свойства водных растворов гликолей приведены в табл. III.1.

Важным  свойством гликолей является их способность  понижать температуру замерзания водных растворов. Это свойство дает возможность использовать водные растворы гликолей как антигидратный ингибитор при минусовых температурах контакта. Чем ниже дипольный момент гликоля, тем больше его способность к ассоциации и Понижению температуры замерзания раствора.

Растворы  ЭГа имеют более низкую температуру замерзания, большую степень предотвращения гидратообразования при одинаковых концентрациях, меньшую вязкость при рабочих температурах осушки и более низкую растворимость в углеводородном конденсате по сравнению с ДЭГом и ТЭГом.

Однако ЭГ имеет существенный недостаток — высокую упругость паров. Например, при температуре 20° С упругость паров 99%-ного раствора ЭГа в 2,5 и 7 раз выше, чем упругость паров ТЭГа и ДЭГа. Поэтому при осушке происходит большие потери ЭГа. Вследствие этого ЭГ не получил широкого распространения.

Растворимость природного газа в ТЭГе на 25—30% выше, чем в ДЭГе. С этой точки зрения при высоких давлениях абсорбции применение ДЭГа предпочтительнее, так как он обеспечивает более высокий коэффициент избирательности в системе вода—углеводороды.

ДЭГ проявляет меньшую склонность к пенообразованию, чем ТЭГ.

В свою очередь ТЭГ имеет ряд  преимуществ над ДЭГом. У ТЭГа летучесть меньше, чем у ДЭГа, следовательно, потери ТЭГа (унос вместе с осушенным газом) будут меньше. ТЭГ дает более значительное понижение температуры точки росы, чем ДЭГ. Кроме того, триэтиленгликоль имеет более высокую температуру начала разложения (206°С), чем диэтиленгликоль (164°С), поэтому при десорбции ТЭГ можно нагревать до большей температуры, чем ДЭГ, и достичь более высокой концентрации регенерированного раствора, без применения вакуума.

В последнее время для осушки газа применяют также пропиленгликоль. Он известен в виде двух изомеров: 1,2-пропиленглнколь CH₃CHOH—СН₂—ОН и 1,3-пропиленгликоль (триметилеягликоль) CH₂OH—СН₂—СН₂ОН. Для осушки газа наибольший интерес представляет 1,2-пропиленгликоль (ПГ). По сравнению с моно-, ди- и триэтиленгликолями он в несколько раз дешевле и имеет очень низкую температуру замерзания (60°С), что позволяет применять его в условиях Крайнего Севера как в чистом виде, так и в смеси с другими гликолями.

Упругость паров ПГа при обычных температурах выше, чем у ЭГа. ДЭГа и ТЭГа. Следовательно, потери ПГа с обрабатываемый газом при одинаковых условиях будут больше, чем остальных гликолей. Подача в абсорбер переохлажденного раствора ПГа позволила бы избежать его потери с осушенным газом.

Вязкость водных растворов гликолей возрастает с увеличением их концентрации и уменьшается с повышением температуры.

Плотность водных растворов гликолей определяется по выражению:

 

Где α – весовая доля гликоля  в растворе; - плотности соответственно чистого гликоля и воды.

Снижение вязкости гликолей. На практике иногда газ подаваемый на осушку и переработку, имеет температуру 0°С и ниже. В этих случаях применять ДЭГ или ТЭГ в качестве абсорбента нельзя, так как при низких температурах эти осушители становятся вязкими, вследствие чего ухудшается массообмен между гликолями и влагой газа. А при температурах от —6 до —7° С ДЭГ и ТЭГ становятся твердыми. Для снижения вязкостей водных растворов гликолей к ним можно добавлять органические растворители. Эти растворители одновременно должны быть осушителями и не должны способствовать образованию пены.

Коэффициент теплопередачи гликолей в несколько раз меньше, чем воды. Самые эффективные для гликолей разбавители — это бутиловый карбинол, фениловый целлозоль и бензиловый спирт. Метания также может служить разбавителем.

Физиологические действия. Гликоли относятся к веществам с относительно низкой токсичностью. Вследствие незначительной летучести гликолей при пребывании человека в среде, насыщенной парами водных растворов гликолей, отравление организма не происходит.

Длительное пребывание в среде, насыщенной парами этиленгликоля, вызывает раздражение глаз, верхних дыхательных  путей, повышенную сонливость, кратковременный наркоз.

2. ПРОТИВОТОЧНАЯ АБСОРБЦИОННАЯ ОСУШКА

Одним из совершенных методов  осушки является абсорбционный процесс в противоточных контакторах. По сравнению с адсорбционной осушкой абсорбционный метод обладает такими преимуществами, как меньшая стоимость оборудования и эксплуатационных затрат, непрерывность процесса, устраняющая потери теплоты на периодический разогрев и охлаждение оборудования, надежная работа автоматических схем контроля и управления.

В качестве осушителей могут  применяться высококонцентрированные  водные растворы моно-, ди- и триэтиленгликолей, метанола. Осушка газа этими сорбентами основана на разности парциальных давлений водяных паров в газе и осушителе.

Снижение точки росы, достигаемое при обезвоживании  газа гликолем, зависит от концентрации воды в исходном растворе осушителя, температуры контакта в абсорбционной  колонне, свойств и состава растворов  осушителя, эффективности контакта между газом и осушителем, содержании воды и тяжелых углеводородов в газе, температуры и давления процесса.

Влага извлекается из газа до тех  пор, пока величины парциального давления воды в газе и над раствором осушителя не станут равными. Этот процесс протекает в абсорбере при контакте жидкого осушителя с влажным газом.

Контактирование фаз внутри колонны может осуществляться ступенчато (в тарельчатых колоннах) или непрерывно (в насадочных колоннах).

Механизм работы колонны с тарелками  заключается в том, что каждая тарелка действует как самостоятельная  ступень контакта для встречающихся  и перемешивающихся паровых и  жидких потоков. Контактирующие фазы обмениваются веществом и энергией вследствие стремления взаимодействующих фаз к состоянию равновесия. Степень приближения контактирующих фаз к равновесию условно определяется как эффективность тарелки или коэффициент полезного действия.

Абсорбенты оборудуют, как правило, тарелками с круглыми яла желобчатыми  колпачками или с S-образными элементами, обеспечивающими постоянный уровень жидкости на тарелке.

Из-за небольших соотношений расходов жидкого осушителя я газа решетчатые, ситчатые и подобные конструкции тарелок для абсорберов установок осушки нецелесообразны, так как возможен переток («провал») жидкости и нарушение условий массообмена на тарелке.

В колонке с насадкой потоки флегмы и паров находятся в постоянном взаимодействии на поверхности насадки, перенос вещества между фазами идет непрерывно. Механизм работы такой колонны представляет собой непрерывное изменение концентраций жидких и паровых потоков вдоль всей поверхности контакта фаз.

При подготовке природного газа к транспортированию практическое применение получили тарельчатые абсорберы. Они имеют меньшие потери напора по сравнению с насадочными колоннами.

Для противоточных абсорберов условие равновесия рассматривается  при режиме контакта на верхней тарелке колонны. Получаемое снижение точки росы в основном зависит от концентрации абсорбента, температуры и времени контакта.

Концентрация абсорбента определяет максимальную глубину осушки.

В настоящее время наиболее совершенными схемами абсорбционной осушки газа являются одно- и двухступенчатые  схемы Притчарда. По одноступенчатой схеме газ осушается в одном абсорбере. По двухступенчатой схеме газ осушается в два этапа. На первой ступени происходит грубая осушка газа раствором со сравнительно низким содержанием гликоля. Окончательная осушка газа проводится раствором более высокой концентрации.

В технологической схеме установки  осушки газа (фирмы Притчарда) (рис III.3) абсорбер состоит из двух секций. В нижнюю секцию абсорбера подается частично регенерированный раствор ТЭГа, а верхнюю секцию окончательно регенерированный раствор с содержанием ТЭГа 99,95%. Температура низа колонны поддерживается на уровне 204° С. Одну часть раствора ТЭГа, отводимого с низа колонны, подают в нижнюю секцию абсорбера, а другую — во вторичную отпарную колонну, где концентрируется раствор с помощью отдувочного газа. Окончательно регенерированный раствор с содержанием ТЭГа 99,95% с низа второй отпарной колонны направляют в верхнюю часть второй секции абсорбера.

 

Следует, отметить, что раствором  ТЭГа с таким незначительным содержанием воды теоретически газ можно осушить до точки росы —84° С, что делает возможным этот процесс использовать для осушки газа, подаваемого на сжижение. Основная масса ТЭГа, уносимого осушенным газом, улавливается промывкой пентаном в дополнительной контактной секции.

Наиболее совершенные абсорбционные  установки построены для осушки газа месторождений Тюменской области. Принципиальная схема одной из них (месторождение Медвежье) приведена на рис. III.4.

При проектировании абсорбционных  установок предполагалось, что газ  после сепаратора будет иметь  температуру ниже температуры гидратообразования, поэтому был предусмотрен подогрев его. Опыт эксплуатации установок осушки показал, что практически температура газа после сепарации всегда находится в пределах 16-18°С, что на несколько градусов выше температуры гидратообразования. Поэтому в настоящее время газ перед поступлением в абсорбер не подогревается. Газ, поступающий на установку, содержит до 0,4 мл/м³  конденсата. Примерно 0,1 мл из него выпадает во входных сепараторах, 0,10-0,15 мл отделяется при осушке, а остальная часть вместе с газом поступает в магистральный газопровод.

При контакте с природным газом  гликоль поглощает углеводороды. Количество растворенных тяжелых углеводородов  составляет 0,3-0,45% от массы гликоля. Основная часть растворенных углеводородов  отделяется от раствора ДЭГе при регенерации.

Для снижения уноса ДЭГа осушенным газом после абсорберов установлены филтры, которые представляют собой цилиндрические аппараты диаметром 1000мм, высотой 4912мм. Основным элементом фильтра является сетчатый отбойник кательной жидкости.

При обследовании работы установки  гликолевой осушки расход регенерированного диэтиленгликоля (РДЭГа) составлял 10-15л/1000м³, концентрация РДЭГа - 97,5 - 99,3%, а насыщенного диэтиленгликоля (НДЭГа) - 95,0 - 97,5%.

Давление в абсорбере составляло 6,8 – 7,6 Мпа, концентрация РДЭГа 99 – 98,9%, точка росы осушенного газа достигла – 21 ÷25°С.

Влияние давления на процесс осушки. Влияние давления на скорость абсорбции паров воды жидким поглотителем можно рассчитывать по упрощенного управлению Стефана

      (III.2)

где N— скорость абсорбции (диффузии) паров воды; Рвх — парциальное давление инертного газа соответственно на выходе и входе абсорбера; D — кинематический коэффициент диффузии; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; X — эффективная толщина диффузионной пленки.

Использование уравнения (III.2) затруднено, так как определение толщины диффузионной пленки и коэффициента диффузии довольно сложно.