Оптимизация процесса обезвоживания природного газа: Адсорбенты на основе молекулярных сит

Введение

Одним из важнейших этапов переработки природного газа является его осушка, которая гарантирует качество и эффективность до того, как газ попадет в наши дома и промышленные предприятия. Она подразумевает удаление водяных паров из газового потока во избежание коррозии, образования гидратов и снижения теплотворной способности. Адсорбенты на основе молекулярных сит являются одним из наиболее эффективных способов обезвоживания природного газа, поскольку они обладают уникальными свойствами, позволяющими им удалять молекулы воды из природного газа. В этой статье мы рассмотрим основные принципы, лежащие в основе обезвоживания природного газа, различные методы обезвоживания, а также важнейшую роль, которую играют в этом адсорбенты на основе молекулярных сит.

Молекулярные сита - эффективные влагопоглотители, используемые в адсорбционном методе обезвоживания, который широко применяется в газовой промышленности. Однородная структура пор этих адсорбентов обеспечивает селективность для молекул воды и исключение более крупных молекул углеводородов, что позволяет эффективно обезвоживать газ без значительных потерь ценных компонентов.

Понятие о дегидратации природного газа

Обезвоживание природного газа - это удаление водяного пара из сырого природного газа для получения сухого природного газа, который можно транспортировать и потреблять. Часто сырой природный газ содержит водяной пар, который может конденсироваться, что приводит к проблемам с трубопроводами и перерабатывающим оборудованием. Содержание воды в сыром природном газе колеблется в пределах 0,1-1,5 фунта на метр кубический (Управление энергетической информации США, 2020). Процесс удаления водяного пара из природного газа направлен на снижение содержания этого соединения до уровня, приемлемого для большинства стандартов качества трубопровода, обычно менее 7 фунтов на метр кубический.

Обезвоживание должно происходить по разным причинам. Водяной пар может образовывать коррозионные соединения с кислыми газами, такими как диоксид углерода и сероводород, которые разъедают трубопроводы и оборудование. Кроме того, при высоких давлениях и низких температурах она соединяется с тяжелыми углеводородами, образуя твердые гидраты, что приводит к закупорке трубопроводов и нарушению их проходимости. Кроме того, вода устраняет горючие компоненты, снижая теплотворную способность природного газа, когда они занимают пространство, которое он мог бы заполнить. Эти проблемы можно решить, удалив водяной пар с помощью процесса, получившего название "дегидратация природного газа", что гарантирует сохранность вещества топлива, а также его надежность при поставках на рынок.

Методы обезвоживания при переработке природного газа

Для обезвоживания природного газа используются различные методы, а именно абсорбционная дегидратация (гликолевая дегидратация), адсорбционная дегидратация (дегидратация с использованием твердых влагопоглотителей), охлаждение и мембранное разделение. В газовой промышленности обычно используется метод абсорбции, также известный как гликолевая дегидратация. По этой причине жидкий осушитель, обычно триэтиленгликоль (ТЭГ), используется для поглощения водяного пара из потока влажного природного газа в установке для осушки газа. Хотя гликолевая дегидратация эффективна для удаления водяного пара из потоков природного газа с температурой точки росы на выходе от -10°C до -20°C, она имеет ряд ограничений, таких как возможность потерь гликоля, необходимость регулярного технического обслуживания и высокий расход энергии при регенерации гликоля в секции регенерации. Чистота гликоля и эффективность процесса регенерации гликоля могут влиять на общую производительность установки осушки газа.

Твердые влагопоглотители или молекулярные сита, состоящие из силикагеля, используются в адсорбционной дегидратации или дегидратации с твердым влагопоглотителем для удаления водяных паров из потоков природного газа. Влажный природный газ проходит через слой адсорбента, где молекулы, состоящие в основном из H2O, вступают в контакт с поверхностью пористого материала, который их собирает. Некоторые преимущества, связанные с адсорбцией, включают более низкие энергозатраты по сравнению с процессами на основе гликолей, более высокую эффективность удаления и возможность достижения очень низких температур точки росы (от -50°C до -100°C). Благодаря этим характеристикам адсорбенты на основе молекулярных сит высокоэффективны при удалении следов влаги, поскольку имеют высокопористую структуру пор. Обезвоженный природный газ может быть подвергнут дальнейшей переработке для извлечения газовых жидкостей, которые хранятся в резервуарах.

По сравнению с другими методами, такими как охлаждение и мембранное разделение, в газовой промышленности чаще всего используются гликолевая дегидратация и дегидратация твердыми осушителями. Охлаждение подразумевает охлаждение газов с целью конденсации и отделения полученной жидкости, в то время как мембранное разделение использует селективные мембраны, которые пропускают молекулы воды, но задерживают углеводороды.

Внедрение адсорбционной дегидратации на заводах по переработке природного газа

На заводах по переработке природного газа установки адсорбционного обезвоживания обычно располагаются ниже начальных стадий сепарации и сжатия. Такие факторы, как желаемая точка росы, наличие других примесей и общая схема технологического процесса, определяют размещение установки осушки. Адсорбционное обезвоживание может использоваться наряду с другими методами обезвоживания, такими как гликолевое обезвоживание, для получения необходимой точки росы; например, хорошим примером является ситуация, когда в установке гликолевого обезвоживания сначала удаляется вода, а затем применяется адсорбционная установка для полировки до жестких требований к точке росы. При выборе и проектировании адсорбционных дегидраторов, которые работают оптимально и с минимальными затратами, необходимо учитывать такие факторы, как скорость потока газа, содержание влаги в газовом потоке, цикл регенерации и требуемая точка росы.

Обезвоживание с помощью многоступенчатой адсорбции может использоваться в тех случаях, когда требуется чрезвычайно низкая точка росы (ниже -100°C), например, при производстве сжиженного нефтяного газа или в криогенных процессах. Многоступенчатые адсорбционные системы состоят из двух или более последовательно соединенных адсорбционных емкостей; каждая ступень направлена на достижение более низкой точки росы, чем предыдущая. На первой ступени удаляется самая большая концентрация водяного пара, а на последующих ступенях продолжается процесс осушения. Это способствует лучшему использованию слоев адсорбента, что позволяет достичь очень низких уровней насыщения влагой. Различные типы молекулярных сит могут использоваться на разных этапах многоступенчатых систем адсорбционного обезвоживания для оптимизации производительности.

Процесс адсорбционной дегидратации в деталях

Как правило, адсорбционная система обезвоживания состоит из нескольких основных компонентов, таких как адсорберные емкости, клапаны и трубопроводы системы регенерации, а также приборы и средства управления. Адсорберы содержат слои твердого осушителя, обычно молекулярных сит или силикагеля; их количество может быть увеличено в зависимости от мощности установки и желаемого цикла регенерации. С другой стороны, система регенерации обычно включает в себя нагреватель регенерационного газа, компрессор и охладитель, которые отвечают за нагрев и охлаждение регенерационного газа, используемого для удаления воды из насыщенных слоев десиканта.

Процесс адсорбционного обезвоживания проходит в два основных этапа: адсорбция и регенерация. На этапе адсорбции влажный природный газ попадает в адсорбер, содержащий твердый слой осушителя. Проходя через слой, газ уносит молекулы воды, которые затем закрепляются на его поверхности, а сухие газы снова выходят из него. В этом случае все эти процессы происходят до тех пор, пока вода не насытится в слое влагопоглотителя. Следовательно, как только происходит насыщение в слое влагопоглотителя, этот абсорбер должен быть выведен из эксплуатации в ожидании регенерации. Горячий регенерирующий газ (обычно часть сухого продуктового газа) пропускается через насыщенный слой для удаления из него поглощенной воды. Следующим шагом после получения чистого воздуха является охлаждение регенерирующего воздуха для конденсации. В некоторых случаях могут использоваться два или более параллельных адсорбера, так что один из них всегда может оставаться в работе, используя другой (другие).

Молекулярно-ситовые адсорбенты: Фокус на адсорбционной дегидратации

Молекулярные ситовые адсорбенты - это кристаллические алюмосиликаты с регулярной структурой пор, позволяющей им избирательно адсорбировать молекулы в зависимости от их размера и формы. Эти адсорбенты изготавливаются из природных или синтетических цеолитов и имеют трехмерную сеть взаимосвязанных пор и каналов. Самым распространенным молекулярным ситом, используемым для обезвоживания природного газа, является цеолит 4A, диаметр пор которого составляет порядка четырех ангстрем (Å). Молекулярные сита демонстрируют сильное сродство к воде благодаря своей гидрофильной природе и сильному взаимодействию между молекулами воды и каркасом цеолита, что позволяет им эффективно удалять водяной пар из низкоконцентрированных потоков природного газа.

По сравнению с другими осушителями при обезвоживании природного газа адсорбенты на основе молекулярных сит имеют ряд преимуществ. Они имеют высокую удельную поверхность и объем пор, что позволяет им адсорбировать большое количество водяного пара на единицу массы адсорбента. Эффективное обезвоживание без существенной потери ценных компонентов зависит от селективной адсорбции молекул воды однородной структурой пор молекулярных сит, исключая при этом более крупные молекулы углеводородов. Молекулярные сита можно регенерировать при более низких температурах (150-300°C) по сравнению с другими осушителями, что позволяет снизить энергопотребление и эксплуатационные расходы (Chemical Engineering Transactions, 2017). При правильной регенерации и обслуживании слои молекулярных сит могут прослужить несколько лет, что сводит к минимуму необходимость их частой замены. Кроме того, молекулярные сита обладают более высокой производительностью по обезвоживанию, что позволяет использовать более компактные установки, что ведет к сокращению площади, а также капитальных затрат, связанных с инфраструктурой, необходимой для заводов по переработке газа.

На выбор подходящего типа молекулярного сита для осушки природного газа влияют различные факторы, такие как состав газа, условия эксплуатации, желаемая точка росы и метод регенерации. Консультации с производителями молекулярных сит и проведение опытно-промышленных испытаний могут помочь в определении наиболее подходящего адсорбента для конкретной задачи по обезвоживанию природного газа.

Регенерация адсорбентов в процессе обезвоживания

В процессе адсорбционного обезвоживания при подготовке природного газа этап регенерации является важнейшим аспектом для непрерывной и эффективной работы установки, которая обезвоживает воду, обеспечивая соответствие газа требуемой точке росы. Процедура регенерации в контексте осушки природного газа включает в себя десорбцию поглощенной воды из насыщенного водой слоя молекулярного сита, после чего его адсорбционная способность восстанавливается, чтобы быть использованной в другом цикле. Это необходимо для поддержания точки росы на требуемом уровне в потоках природного газа и предотвращения образования гидратов и проблем коррозии, связанных с последующими процессами, а также для минимизации инвестиционных затрат (Chemical Engineering Transactions, 2017).

Для регенерации систем осушки природного газа используются два основных метода: термическая регенерация (TSR) и регенерация под давлением (PSR). В TSR горячий регенерационный газ или часть сухих продуктовых газов используются для нагрева насыщенных слоев молекулярных сит до тех пор, пока они не смогут десорбировать адсорбированную воду, снижая концентрацию воды в паровой фазе. Температура регенерации варьируется от 150°C до 300°C, в зависимости от типа молекулярных сит, а также уровня дегидратации, необходимого для достижения желаемой точки росы. Альтернативный вариант PSR подразумевает снижение давления в насыщенном слое молекулярных сит таким образом, что адсорбированная вода десорбируется, удаляя свободную воду. Это означает, что слой изолируется от исходного газа высокого давления, а затем разгерметизируется до более низкого давления, близкого к атмосферному. При осушении природного газа в основном используется TSR, поскольку с его помощью достигаются очень низкие точки росы воды ниже -60°C, необходимые для переработки природного газа.

Для поддержания долгосрочной производительности и срока службы адсорберов из молекулярных сит при их использовании в дегидраторах природного газа требуется правильная регенерация. Недостаточная или неэффективная регенерация может привести к постепенному снижению адсорбционной способности и падению эффективности осушки, что приведет к повышению концентрации воды в очищенных природных газах. Это может привести к проблемам во время эксплуатации и несоответствию техническим условиям трубопровода. Для обеспечения надежной работы адсорбционного дегидратора и качественного производства сухого метана совершенно необходимы регулярный мониторинг, оптимизация процесса регенерации и периодическая замена.

Выбор компании Jalon в качестве надежного поставщика молекулярных сит для обезвоживания природного газа

Если речь идет о выборе надежного поставщика молекулярных сит для осушки природного газа, то компания Jalon является лидером в области производства высококачественных молекулярных сит. Используя высокотехнологичное производственное оборудование и уделяя большое внимание исследованиям и разработкам, компания Jalon поставляет молекулярные сита, специально разработанные для обеспечения эффективности и надежности процессов переработки природного газа. Для тех, кто ищет превосходные молекулярные сита для обезвоживания природного газа, сотрудничество с Jalon может стать ключом к максимизации эффективности обезвоживания и обеспечению долгосрочной рентабельности.

Заключение

Адсорбционное обезвоживание, в котором используются адсорбенты на основе молекулярных сит, - это очень эффективный метод обезвоживания природного газа, который важен для обеспечения качества и надежности газоснабжения. Например, молекулярные сита обладают такими характеристиками, как однородная структура пор, высокая адсорбционная способность и селективная адсорбция, что делает их наиболее подходящими для удаления водяного пара из потоков природного газа. В свете растущего спроса на чистые и эффективные энергоресурсы адсорбционное обезвоживание является наиболее предпочтительным способом удовлетворения будущих потребностей газовой промышленности, поскольку оно зарекомендовало себя как экономически эффективный и универсальный метод.