Расчет установки адсорбционной осушки природного газа

Расчет материального и теплового балансов и оборудования установки адсорбционной осушки природного газа. Физико-химические основы процесса адсорбции. Адсорбенты, типы адсорберов. Технологическая схема установки адсорбционной осушки и отбензинивания газа.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 24.05.2019
Размер файла 1,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

  • СОДЕРЖАНИЕ
  • Введение
  • 1. Адсорбционная осушка природного газа
    • 1.1 Физико-химические основы процесса адсорбции
    • 1.2 Адсорбенты, применяемые в промышленности
      • 1.2.1 Активный оксид алюминия
      • 1.2.2 Силикагель
      • 1.2.3 Цеолиты
    • 1.3 Принципиальная схема установки адсорбционной осушки
    • 1.4 Типы адсорберов
  • 2. Технологическая схема установки адсорбционной осушки и отбензинивания газа
  • 3. Расчёт установки
    • 3.1 Расчёт материального баланса
    • 3.2 Расчёт основного оборудования
  • Заключение
  • Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

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.

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

1.1 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.

1.2 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.

1.2.1 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.

1.2.2 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.

1.2.3 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.

1.3 Принципиальная схема 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 на месторождении «Медвежье» представлена на рисунке 3 [5].

Рисунок 3 - Принципиальная технологическая схема адсорбционной установки осушки газа на месторождении «Медвежье» 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.

1.4 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;

Рисунок 4 - Адсорбер на месторождении «Медвежье» [5]

1 - штуцер входа газа; 2 - штуцер выхода газа; 3 - корпус верхнего дефлектора; 6 - опорный фонарь нижнего дефлектора; 7 - сегменты с отверстиями; 8 - верхняя поверхность нижнего дефлектора; 9 - корпус сосуда; 10, 11 - муллит; 12 - сетки разделительные; 13 - силикагель мелкопористый; 14 - силикагель крупнопористый; 15 - сетка верхняя; 16 - штуцер для индикатора температуры; 17 - люк-лаз; 18 - люк

- разделительная сетка (размер клетки 2 мм) (12);

- защитный слой крупнопористого силикагеля толщиной 350 мм (гранулометрия 2,8-7,0), предназначенный, в основном, для поглощения капельной влаги и углеводородов С5+В (14);

- основной слой мелкопористого силикагеля толщиной 3050 мм (гранулометрия 2,8-7,0) (13), предназначенный для поглощения паров влаги из газа;

- слой муллита толщиной 150 мм (гранулометрия 7-15 мм) (11);

- нижний дефлектор формы усечённого конуса, предназначенный для равномерного распределения потока газа стадий регенерации и охлаждения адсорбента по сечению адсорбера.

Также на адсорбере установлены: манометр показывающий; дифференциальный манометр, предназначенный для контроля перепада давления на объемном слое адсорбента; два термометра сопротивления, установленных в верхней и нижней частях адсорбера для контроля температуры.

На линии входа и выхода адсорберов установлен манифольд, предназначенный для переключения адсорберов в стадии осушки газа, регенерации и охлаждения адсорбента.

Также в адсорбционных установках осушки и очистки природного газа могут быть использованы адсорберы с кипящим и движущимся слоем адсорбента.

Использование адсорбционной установки с адсорбером с псевдоожиженным слоем адсорбента позволяет осуществлять непрерывный процесс адсорбции. В качестве адсорбента используются мелкие частицы размером от 20 до 500 мкм. Адсорберы с псевдоожиженным тонкозернистым адсорбентом бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем одноступенчатого типа, представленный на рисунке 5, представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, внутри которого смонтированы газораспределительная решетка, устройство типа циклона для улавливания и возвращения в кипящий слой части адсорбента. Адсорбент из блока регенерации поступает в адсорбер сверху через транспортную трубу и выводится через подобную снизу на регенерацию. Природный газ, предназначенный для осушки или очистки, поступает в адсорбер под газораспределительную решетку через нижний патрубок со скоростью, превышающей скорость начала псевдоожижения. Процесс абсорбции компонентов из газа протекает в псевдоожиженном слое адсорбента, и далее осушенный или очищенный газ выводится из аппарата через верхний патрубок, пройдя циклон.

Рисунок 5 - Адсорбер с кипящим слоем адсорбента [5]

1 - корпус; 2 - адсорбент; 3 - газораспределительная решетка; 4 - транспортная труба адсорбента; 5 - пылеулавливающее устройство (циклон); Потоки: I - природный газ на осушку (очистку); II - осушенный (очищенный) газ; III - регенерированный адсорбент; IV - адсорбент на регенерацию

Вариант адсорбера с многоступенчатым псевдоожиженным движущимся слоем представлен на рисунке 6 [5].

Рисунок 6 - Адсорбер с многоступенчатым псевдоожиженным слоем [5]

1 - корпус; 2 - контактная тарелка с псевдоожиженным слоем; 3 - переточное устройство; 4 - циклон; 5 - люк-лаз; Потоки: I - природный газ на осушку (очистку); II - осушенный (очищенный) газ; III - регенерированный адсорбент; IV - адсорбент на регенерацию

Адсорбер имеет несколько объемных слоев на контактных тарелках и переточные устройства для снижения возможности «проскока» газов через слой адсорбента. Газ поступает снизу-вверх противотоком адсорбенту, а адсорбент двигается по контактным устройствам и далее сверху вниз через переточные устройства с одной контактной ступени на следующую. На специальных контактных устройствах (тарелках) происходит гидродинамический контакт между газовой фазой и порошкообразным адсорбентом, и вследствие этого микрочастицы адсорбента переводятся в состояние псевдоожижения. При этом осуществляется интенсивный тепло- и массоперенос за счет большой поверхности микрочастиц (размером от 20 до 500 мкм) и более интенсивного обновления их контактной поверхности. Осушенный (очищенный) газ с верхней контактной тарелки поступает в циклоны, где из газового потока отделяются частицы адсорбента, и далее выходит из адсорбера. Насыщенный адсорбент с нижней контактной тарелки поступает в бункер адсорбера и оттуда в блок регенерации адсорбента.

При проектировании адсорбционных процессов осушки и очистки природного газа типы и конструкции адсорберов и их внутренних устройств могут быть разработаны и предложены самые разнообразные. Целесообразность их применения будет определяться многими факторами: технологическим назначением аппарата и его производительностью, составом газа, содержанием влаги, сернистых соединений и других примесей, требованиями потребителя к осушенному (очищенному) газу, производственной инфраструктурой и местом в ней адсорбционного процесса и др.

технологический адсорбционный осушка отбензинивание газ

2. Технологическая схема установки адсорбционной осушки и отбензинивания газа

Установка обеспечивает удаление влаги и тяжёлых углеводородов из газа. Для осушки используется процесс адсорбции при помощи цеолитов марки NaA, а секция отбензинивания применяют технологию низкотемпературной сепарации (НТС).

Ниже приведено описание одной технологической линии, принципиальная технологическая схема которой приведена на рисунке 7 (блок осушки) и 8 (блок отбензинивания). С целью упрощения на них не указаны насосы, а группы теплообменников, конденсаторов-холодильников, холодильников и другого оборудования одного и того же назначения объединены и представлены в виде одного аппарата.

Осушка газа, регенерация молекулярных сит и охлаждение адсорбера

Очищенный от сероводорода газ с установок с температурой не более 55°C и давлением 5,8-6,3 МПа поступает в нижнюю часть колонны С02, где газ отмывается от капель амина деминерализованной водой. На входе в колонну С02 установлен завихритель для улучшения сепарации амина от газа.

В верхней части колонны С02 смонтирован каплеотбойник из нержавеющей сетки. Циркуляция воды в колонне осуществляется насосами. Для предотвращения чрезмерного насыщения воды аминами из буферной ёмкости непрерывно вводится свежая деминерализованная вода, подача которой осуществляется в линию промывочной воды. Балансовый избыток воды из колонны С02 выводится на установку очистка газа от серы.

Промытый газ выходит с верхней части колонны С02 и распределяется на два потока. Один поток газа поступает в теплообменник Е01, где охлаждается до температуры не выше 25°C холодным потоком товарного газа. Второй поток проходит теплообменник Е03, где охлаждается до температуры не более 30°С холодным потоком ШФЛУ с 12-й тарелки деэтанизатора С01.

Рисунок 7 - Принципиальная схема установки осушки и отбензинивания очищенного газа: блок осушки [3]

С02 - колонна промывки; Е01, Е02, Е04 - теплообменники; В01, В06 - трёхфазные сепараторы; В05А, В05В - адсорберы; FL01 - фильтр; F01, F11 - печи; А03 - холодильник воздушного охлаждения; К03, К13 - компрессоры.

Охлаждённые в теплообменниках Е01 и Е03 потоки газа смешиваются и одним потоком поступают в трёхфазный сепаратор В01, где происходит отделение сконденсировавшейся воды и жидких углеводородов от газа.

Газ из сепаратора В01 подаётся на осушку в адсорбер В05, а вода выводится на установку очистка газа от серы. Жидкие углеводороды отводятся на установку стабилизации.

Осушка газа производится в двух адсорберах В05, один из которых при нормальной работе находится в режиме регенерации (десорбции), а другой - в режиме адсорбции.

Рисунок 8 - Принципиальная схема установки осушки и отбензинивания очищенного газа: блок отбензинивания [3]

В02, В07 - сепараторы; В04 - рефлюксная ёмкость; С03 - ректификационная колонна; С01 - колонна деэтанизатор; КТ01 - турбодетандер; К01, К02 - компрессоры; Е05 теплообменник; Е03, Е06 - рибойлеры; Е08, Е09 - холодильники; АВО01, АВО02 - холодильники воздушного охлаждения

Основной поток осушенного газа проходит два параллельно работающих теплообменника Е04 (межтрубное пространство, охлаждение происходит обратным потоком ШФЛУ с температурой до -90°С) и Е02 (трубное пространство, охлаждение происходит обратным потоком товарного газа с температурой до -80°С), где охлаждается до температуры -52°С и общим потоком подаётся в сепаратор В02.

Осушенный газ, используемый для регенерации, после фильтров FL01 поступает в печь F01, где нагревается до температуры 290-300°С. Горячий газ поступает в нижнюю часть регенерируемого адсорбера В05, где разогревает молекулярные сита, испаряет и уносит влагу. Насыщенный влагой газ регенерации выходит с верха В05 и поступает в холодильник воздушного охлаждения А03, где охлаждается до температуры 50°С для конденсации влаги.

Охлаждённый газ регенерации с А03 проходит трёхфазный сепаратор В06, где от него отделяются сконденсированная вода и жидкие углеводороды. Газ с верха В06 подаётся компрессором К03 на установку очистки газа от сероводорода.

Отбензинивание газа. Основной поток осушенного газа подают на блок (отделение) отбензинивания газа в сепаратор В02, оборудованный сетчатым каплеотбойником, и далее в колонну С03. Жидкие углеводороды вместе с конденсатом из колонны С03 через теплообменник Е04 направляют в колонну-деэтанизатор С01.

Отбензиненный холодный газ с верха сепаратора В02 поступает на вход турбодетандера КТ01, где газ охлаждают до температуры не ниже -103°С за счёт его изоэнтропического расширения на лопатках детандера при снижении давления с 6,15 до 1,8 МПа. Используя кинетическую энергию сжатого газа, турбодетандер служит приводом спаренных с ними центробежных компрессоров К01.

Из турбодетандера КТ01 образовавшаяся газожидкостная смесь поступает под нижнюю тарелку колонны С03, где разделяется на жидкую и газовую фазы.

В колонне С03 установлено семь однопоточных тарелок клапанного типа. В верхней части колонны оборудован каплеотбойник из нержавеющей сетки. Газ, проходя снизу-вверх колонну С03, контактирует на тарелках с жидкими углеводородами, состоящими преимущественно из этана, подаваемыми на верхнюю тарелку в виде орошения. Жидкость абсорбирует из газовой фазы серооксид углерода и меркаптаны и поступает в куб колонны С03.

Жидкую фазу (сжиженные углеводороды) из куба колонны С03 через теплообменник Е04 совместно с жидкими углеводородами из сепаратора В02 подают в деэтанизатор С01. Газ с верха колонны С03 с температурой не ниже -103°С подают в теплообменник Е05, где его нагревают до температуры не ниже -84°С газом, поступающим с верха деэтанизатора С01. После теплообменника Е05 газ проходит последовательно теплообменники Е02 и Е01, где нагревается соответственно осушенным газом до температуры 9-16°С и обессеренным газом до температуры 38-44°С, и поступает на приём компрессора К01.

Товарный газ компримируют в компрессоре К01 до 2,1 МПа за счёт энергии, выделяемой газом при расширении в турбодетандере КТ01, и подают на охлаждение в холодильник воздушного охлаждения А01. После холодильника А01 предусмотрена линия подачи товарного газа в топливную сеть.

Охлаждённый в холодильнике воздушного охлаждения А01 товарный газ поступает в сепаратор В07, который оборудован сетчатым каплеотбойником. Газ из сепаратора В07 поступает на приём компрессора К02, где его компримируют до давления 5,9 МПа.

Для подвода тепла в куб колонны С01 часть газа с линии нагнетания компрессора К02 подаётся в рибойлер Е06, откуда он возвращается на смешение с другой частью газа и подаётся на охлаждение в холодильник воздушного охлаждения А02.

Товарный газ после компрессора К02 и рибойлера Е06 проходит холодильник воздушного охлаждения А02, где охлаждается до 65°С. После охлаждения в А02 товарный газ подают в водяной холодильник Е08, где его охлаждают оборотной водой до температуры 40°С, и направляют в газопровод товарного газа.

Деэтанизатор С01 предназначен для выделения из ШФЛУ метана, этана, азота и диоксида углерода и имеет 24 однопоточные клапанные тарелки и два рибойлера Е03 и Е06. ШФЛУ из сепаратора В02 и колонны С03 нагревают в теплообменнике Е04 до температуры не выше -20єC и общим потоком подают на 12-ю тарелку С01. Процесс ректификации на тарелках С01 осуществляется за счёт подачи орошения на верхнюю 24-ю тарелку и создания восходящего парового потока путём подогрева ШФЛУ на двух уровнях в рибойлерах Е03 и Е06.

Пары из головной части колонны С01 поступают в конденсатор Е05, в котором частично конденсируются за счёт охлаждения товарным газом из колонны С03. Газоконденсатная смесь из конденсатора Е05 поступает в рефлюксную ёмкость В04, где происходит разделение жидкого дистиллята от паровой фазы. Паровую фазу смешивают с газом, выходящим из конденсатора Е05, и направляют на приём компрессора K01 [3].

3. Расчёт установки

3.1 Расчёт материального баланса

1) Температура в осушителе 30°С;

2) Общее давление в осушителе 6 Мпа;

3) Число часов работы цикла 8 часов;

4) Производительность установки 284304 кг/ч;

5) Линейная скорость газа в свободном сечении 0,226 м/с

Состав газа для осушки приведён в таблице 5

Таблица 5

Состав газа для осушки

Компонент

Кмоль/ч

С1

13951,08

С2

451,55

С3

270,30

С4

93,75

С5

76,56

С6

25,00

С7

18,44

COS

3,59

CH3SH

6,56

C2H5SH

2,81

CO2

687,48

N2

34,37

Данные взяты из [8].

Цеолиты:

- насыпная плотность 660 кг/м3;

- влагоёмкость 19%.

В таблице 8 представлен состав газа до осушки без воды.

Таблица 6

Состав газа до осушки без воды

Компонент

Молек. масса, г/моль

кг/ч

кмоль/час

yi

yi*Mi

С1

16

223217,34

13951,08

0,8949

14,318

С2

30

13546,41

451,55

0,0290

0,869

С3

44

11893,34

270,30

0,0173

0,763

С4

58

5437,31

93,75

0,0060

0,349

С5

72

5512,31

76,56

0,0049

0,354

С6

86

2149,93

25,00

0,0016

0,138

С7

100

1843,69

18,44

0,0012

0,118

COS

60

215,62

3,59

0,0002

0,014

CH3SH

48

314,99

6,56

0,0004

0,020

C2H5SH

62

174,37

2,81

0,0002

0,011

CO2

44

130,62

2,97

0,0002

0,008

N2

28

19249,34

687,48

0,0441

1,235

Итого

28685,27

15590,09

1

18,196

В таблице 7 - приведены критические параметры компонентов.

Таблица 7

Критические параметры компонентов

Компонент

Ткр, К

Ркр, МПа

yi

Ркр* yi

Ткр*yi

С1

191,1

4,63

0,8929

4,134

170,63

С2

305,5

4,88

0,0289

0,141

8,83

С3

370

4,25

0,0173

0,074

6,40

С4

425,2

3,79

0,0060

0,023

2,55

С5

469,8

3,37

0,0049

0,017

2,30

С6

507,9

3,03

0,0016

0,005

0,81

С7

540,2

2,73

0,0012

0,003

0,64

COS

378,2

6,18

0,0002

0,001

0,09

CH3SH

196,8

7,23

0,0004

0,003

0,08

C2H5SH

226

5,49

0,0002

0,001

0,04

CO2

304,2

7,38

0,0002

0,001

0,06

N2

126,2

3,39

0,0440

0,149

5,55

Итого:

0,9978

4,552

197,99

Н2О

647,4

22,11

0,0022

0,049

1,42

Давление отдельных компонентов можно рассчитать по формулам:

Pi = П·yi (1)

Pвп = П·yвп (2)

Преобразовав их, получим:

П = Pi/yi (3)

П = Pвп/yвп (4)

Из чего можно перейти к равенству:

Pi/xi = Pвп/yвп (5)

yi = Ni/У Ni = gi/(Mi У Ni) (6)

Где gi - масса i-го компонента;

Мi - молекулярная масса i-го компонента;

П - общее давление в системе;

Ni - число молей i-го компонента;

xi - мольная доля i-го компонента;

gвп - масса водяного пара;

Мвп - молекулярная масса водяного пара;

Nвп - число молей водяного пара;

Xвп - мольная доля водяного пара.

xвп = Nвп/У Ni = gвп/(Mвп У Ni) (7)

Pг Mг У Ni / gг = Pвп Mвп У Ni / gвп (8)

Так как это неидеальный газ, а реальный, то вместо давления в уравнение надо подставить значение фугитивности. Фугитивность - это такая функция всех веществ смеси, а также Т и P, которая при подставке вместо давления в уравнение для идеального газа, сохраняет внешнею форму последнего и делает его применимым для реальных газов.

Тпр газа = Тгаза/Уyi ·Tiкр = 1,53

Рпр газа = Ргаза/ Уyi ·Рi кр = 1,25

нгаза = 0,95

нгаза - коэффициент фугитивности газа.

fгаза = нгаза· Ргаза = 5,986 МПа

fгаза - фугитивность газа, МПа

Тпр вп = Твпкр вп = 0,468

Рпр вп = Рвпкр вп = 0,0006

нвп = 1

нвп - коэффициент фугитивности водяного пара.

fвп = нвп· Рвп = 0,0132 МПа

gвп = (Pвп·Mвп gг)/(Pг·Mг) = (0,0132·18·283685,27)/(5,986·18,197) =

= 618,73 кг/ч;

Поскольку осушку ведут до содержания воды в газе 1 ppm массовые, необходим расчёт массы воды, которую надо удалить, для этого нужно решить уравнение:

0,000001 = (618,73-x)/(284304-х) (9)

Где 0,000001 - это содержание воды в газе после осушки.

Решив данное уравнение получим массу воды, которую надо удалить - 618,45 кг/час. В таблице 8 представлен материальный баланс

Таблица 8

Материальный баланс

Статьи прихода/расхода

Статьи прихода

кг/ч

%масс.

нм3

%об.

1. Обессеренный газ

284304

100

349989,5

100

ИТОГО

284304

100

349989,5

100

Статьи расхода

1. Осушенный газ

283685,55

99,78

349209,0

99,78

2. Вода

618,45

0,22

780,5

0,22

ИТОГО

284304

100

349989,5

100

3.2 Расчёт основного оборудования

Необходимо рассчитать массу влаги, которая удаляется за время работы цикла:

gвп уд·tц = 618,45·8 = 2473,8 кг

V1 = (P0 ·V0 ·z·T1)/(P1 ·T0) (10)

Где, V1 - объемный расход газа при данных условиях, м3/ч;

V0 - объемный расход газа при нормальных условиях, м3/ч;

z - коэффициент сжатия, определяется по приведенным параметрам и равен 0,88;

P0 - давление при нормальных условиях, равно 0,101 МПа;

P1 - давление при данных условиях, МПа;

T0 - температура при нормальных условиях, равна 273 К;

T1 - температура при данных условиях, К

V1 = (6·349989,5·0,88·303)/(0,101·273) = 5754,2 м3

Находим площадь поперечного сечения адсорбера:

S = V1/3600/w = 5754,2/3600/0,226 = 7,07 м2

Находим диаметр адсорбера:

D = (4·S/3,14)0,5 = (4·7,07/3,14)0,5 = 3 м

Находим массу цеолита NaA-У, необходимую для удаления рассчитанной массы воды:

mцеолита = gвп уд·aвлагоем. = 2473,8·0,19 = 13020 кг

Находим объём цеолита:

Vцеол = mцеолитац = 13020/660 = 19,7 м3

Находим высоту слоя цеолита:

Hцеолита = Vцеол/ S = 19,7/7,07 = 2,8 м

3.3 Расчёт теплового баланса

Находим плотности входящего и выходящего газа:

свх газа = Gвх газа/V = 0,8123 кг/м3

свых газа = Gвых газа/V = 0,8124 кг/м3

Находим энтальпии входящего и выходящего газа:

Нt вх = (582 - 263,4 свх газа)+(1,916 - 0,599·свх газа)·t + (0,002106 -

- 0,0002394·свх газа)·t2-146,54·(1- свх газа)3 = 411,667 кДж/кг

Нt вых = (582 - 263,4· свых газа)+(1,916 - 0,599·свых газа)·t+(0,002106 -

- 0,0002394 свых газа)·t2-146,54·(1- свых газа)3 = 411,662 кДж/кг

Находим теплоту входящего и выходящего газа и теплоту, выделенную при адсорбции:

Qвх = Ht вх · Gвх газа = 27972 Мкал/ч

Qвых = Ht вых · Gвых газа = 27911 Мкал/ч

Теплота поглощения у цеолита равна 414 кДж/кг

Qвыдел = споглощения·G поглощенной воды = 61 Мкал/ч

В таблице 9 представлен тепловой баланс.

Таблица 9

Тепловой баланс

Статьи прихода/расхода

Статьи прихода

Мкал/ч

%

1.Обессеренный газ

27972

100

ИТОГО

27972

100

Статьи расхода

1.Осушенный газ

27911

99,78

2.Теплота адсорбции

61

0,22

ИТОГО

27972

100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были рассчитаны материальный и тепловой балансы, а также основное оборудование установки адсорбционной осушки. Развитие этого процесса обуславливается тем, что необходимо повышения качества изготовляемой продукции, а также улучшение технико-экономических показателей процесса.

Осушка газа является основополагающим процессом в переработке газа, поскольку удаление влаги необходимо для исключения образования газогидратов, которые имеют негативное влияние.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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.

5. Мельник В.Б. Промысловый сбор и переработка газа и газового конденсата: Учебник. - М.: Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2017. - 464 с.: ил [+ 16 с. вкл.] ISBN 978-5-91961-241-4

6. Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013 - 405 с.: ил. ISBN 978-5-91961-101-1

7. Рахимов Бобомурод Рустамович Изучение свойств адсорбентов для осушки газа // Вопросы науки и образования. 2018. №3 (15)

8. ИТС 50-2017 Переработка природного и попутного газа. М.: Бюро НТД, 2017 - 213 с.

Размещено на allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.