Проблема равномерного распределения газового потока в адсорберах осушки газа при подготовке газа к транспорту
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
«Точка росы» товарного газа является одним из основных нормируемых показателей, поскольку содержание влаги в товарном газе оказывает значительное влияние на время безотказной работы средств автоматики и снижение коррозии газопроводов, технологического оборудования и компрессорных станций в процессе транспортирования газа. Адсорбционная осушка природного газа получила широкое распространение в российской газовой промышленности. Для данного метода осушки газа характерны достаточно высокие показатели в области экологической безопасности. Кроме того, преимуществами данного метода являются отсутствие жидкой фазы и коррозионно-активных флюидов в товарном газе, низкий удельный расход адсорбента, высокая степень автоматизации процесса. Представлен обзор существующих методов адсорбционной осушки природного газа, осуществляемой в целях его подготовки к транспортированию. Рассмотрены преимущества адсорбционной осушки перед другими существующими способами, а также описаны конструктивные недостатки различных видов адсорберов и предложены способы их устранения.

Ключевые слова:
подготовка природного газа, осушка природного газа, адсорбционный способ осушки газа, силикагели, цеолиты
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Введение

Топливно-энергетический комплекс играет важную роль в экономике России: он является одной из ключевых составляющих экономической безопасности страны, приносит около четверти валового внутреннего продукта, вносит существенный вклад в формирование и развитие внешнеторговых взаимоотношений РФ с другими странами (более 45 % производимых в стране энергоресурсов отправляется на экспорт), а также в развитие международных энергетических рынков; большая часть валютных поступлений нашей страны формируется за счет экспорта энергоресурсов.

Мировой рынок природного газа является одним из наиболее динамично развивающихся рынков энергоносителей. Расширение сферы применения газа в экономике связано с его экологичностью, технологичностью и эффективностью использования в промышленности и коммунальном хозяйстве. Согласно консенсус-прогнозу, дополнительная потребность Европы в импортном газе составит 77 млрд м3 к 2030 г. и 88 млрд м3 к 2040 г. [1].

Протяженность магистральных газопроводов и отводов в настоящее время составляет 170,7 тыс. км (в однониточном исчислении). В эксплуатации находятся 250 линейных компрессорных станций, на которых установлено 3 825 газоперекачивающих агрегатов общей мощностью 46,1 ГВт. Объемы ежегодной реконструкции и технического перевооружения компрессорных станций оцениваются в 1,5–2,0 ГВт/год установленной мощности газоперекачивающих агрегатов. Оператором газотранспортной системы является ПАО «Газпром» [2].

 

Особенности адсорбционной осушки природного газа

Параметр «точка росы», который определяет влагосодержание природного газа, является нормируемым показателем при подготовке газа к транспорту. Чем ниже температура, до которой охлаждается природный газ при переработке и транспортировании, тем более серьезные требования предъявляются к его точке росы [3]. Точка росы определяет условия безгидратного транспорта газа, а также оказывает значительное влияние на время безотказной работы средств автоматики и снижение коррозии газопроводов, технологического оборудования и компрессорных станций.

В процессе переработки газа, а также во время его транспортировки из-за снижения температуры происходит конденсация водяных паров и, как следствие, образование водного конденсата. Водный конденсат, взаимодействуя с компонентами природного газа, образует гидраты. Отложение гидратов в газопроводе приводит к уменьшению их сечения, нарушению режима работы технологических установок, что может стать причиной аварийной остановки [4].

Содержание влаги в газе – даже в небольших количествах – увеличивает коррозионную активность сырья, в особенности при содержании в сырье кислых компонентов. Кроме того, влага понижает калорийность горючих газов [4].

Технические требования к качеству и безопасности природного горючего газа определены в основном нормативном документе газовой отрасли, регламентирующем качество транспортируемых углеводородных газов, СТО Газпром 089-2010 «Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия» [5]. В целях соответствия установленным требованиям по температуре точки росы применяют следующие технологические решения.

Низкотемпературная сепарация. Данная технология предусматривает:

– начальную сепарацию поступающего газа и улавливание жидкостных пробок во входном сепараторе газа;

– охлаждение входящего потока газа потоком охлажденного газа в теплообменнике газ/газ;

– охлаждение газа с помощью дросселирования потока, в процессе которого могут использоваться дроссель (эффект Джоуля – Томсона), турбодетандер, трубка Ранка;

– дальнейшую сепарацию охлажденного газа в низкотемпературном сепараторе газа;

– подогрев подготовленного газа в теплообменнике перед направлением в магистральный трубопровод.

Низкотемпературная конденсация. Технология включает:

– начальную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном сепараторе газа;

– охлаждение входящего потока газа в специальном теплообменнике с помощью внешнего источника охлаждения, например холодильной машины или аппарата воздушного охлаждения;

– дальнейшую сепарацию охлажденного газового потока в низкотемпературном сепараторе газа.

Абсорбционная подготовка газа. Технология предусматривает:

– начальную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном сепараторе газа;

– поглощение влаги из газа посредством прохождения через жидкий абсорбент абсорбционной установки;

– улавливание абсорбента, находящегося в газе, в выходном газосепараторе.

Адсорбционная подготовка газа. Технология включает:

– начальную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном сепараторе газа;

– извлечение влаги из газа путем прохождения через адсорбент в адсорбционной колонне;

– осаждение адсорбционной пыли в выходном сепараторе.

Адсорбционный процесс осушки газа является одним из самых распространенных процессов подготовки газов к транспортированию. Для него характерны достаточно высокие показатели в области защиты окружающей среды. Кроме того, преимуществами данного метода является отсутствие жидкой фазы и коррозионно-активных флюидов в товарном газе, низкий удельный расход адсорбента, высокая степень автоматизации процесса. В зависимости от способа взаимодействия извлекаемого компонента с твердым поглотителем различают химическую и физическую адсорбцию. В процессе химической адсорбции происходит обмен электронов между адсорбированными молекулами и твердым телом, в результате чего образуется химическое соединение. Наличие данного химического соединения характерно только для поверхности твердого тела. Главным недостатком процесса химической адсорбции является трудность регенерации твердых поглотителей и их утилизация после отработки [6].

В промышленности для осушки газа в основном используются методы физической адсорбции. Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, ключевую роль в создании которого играют дисперсионные силы. В основном дисперсионные силы усиливаются ориентационными силами, т. е. силами, обусловленными постоянными дипольными моментами адсорбированных молекул. Данные закономерности легли в основу современных процессов очистки и глубокой осушки природного газа. Согласно теории адсорбции, разработанной Н. А. Шиловым, насыщение адсорбента происходит послойно. В момент прохождения газа через адсорбент сначала происходит полное насыщение фронтального участка слоя адсорбента, далее газ проходит через этот участок без изменения, а зона поглощения постепенно смещается по направлению движения газового потока. После того как весь слой адсорбента насыщен, происходит «проскок» всех компонентов через слой адсорбента. Условия для протекания процессов адсорбции могут быть и динамическими, и статическими. В газовой промышленности в основном применяется динамическая адсорбция, т. е. адсорбция, осуществляющаяся путем прохождения газового потока через неподвижный слой адсорбента [7].

В промышленных установках для осушки природного газа чаще всего применяются силикагель и цеолиты (молекулярные сита). Цеолиты интенсивно поглощают влагу, но с трудом отдают ее при регенерации. В промышленных адсорберах регенерацию осуществляют методом термической десорбции, т. е. проводят продувку слоя горячим газом. Остаточное содержание влаги в цеолите определяется температурой слоя в конце стадии и влажностью продувочного газа. Допустимая температура нагрева при термической десорбции 320–350 °С, со скоростью 60–70 °С/ч [6].

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся некоторые виды твердого топлива, активированные угли, а также углеродные волокнистые материалы. Неуглеродные адсорбенты включают в себя активный оксид алюминия, силикагели, цеолиты, алюмогели и глинистые природные силикаты [8]. 

Особенность цеолита – сохранение адсорбционной способности при любой относительной влажности газа, кроме того, они имеют высокую активность в широком интервале температур [9].

Осушка газов при относительно высоких значениях исходной относительной влажности (в диапазоне от 20 до 100 %) осуществляется с использованием силикагелей, для которых характерны большие размеры сорбирующих пор и немалые значения их объемов. При небольших значениях влажности осушка газа происходит с использованием цеолитов со сравнительно небольшими объемами пор. Силикагели рационально использовать в промысловой подготовке газов, и они позволяют проводить процессы осушки до их конечной влажности, как правило, не очень глубокой (точка росы 0 °С), что объясняется относительно пологим видом изотермы адсорбции паров воды на силикагелях [10].

Отличительной особенностью конструкции применяемых адсорберов является то, что выше слоя адсорбента на специальной металлической сетке размещен слой керамических шаров. Данная сетка является препятствием для уноса частиц адсорбента с поверхности адсорбера с регенерационным газом, который на стадии регенерации адсорбента движется снизу вверх, а слой керамических шаров способствует фиксации сетки на слое адсорбента и выравниванию входящего через верхний штуцер потока газа.

Наличие в адсорбере слоя керамических шаров, расположенных над адсорбционным слоем, приводит к появлению дополнительных трудностей при применении направляющего устройства с плоским диском-экраном. В связи с тем, что в насыпном слое керамических шаров отсутствуют разграничивающие поверхности, плоская струя со стенки корпуса не растекается перед насыпным слоем, а продолжает свое движение внутрь слоя, от сечения к сечению, с выходом части газа из насыпного слоя в центральную зону с пониженным статическим давлением. Поскольку керамические шары не зафиксированы между собой и имеют небольшую массу, то проходящий поток газа вовлекает их в движение, вызывая колебания и перемещение с газовым потоком. Перемешивание между собой керамических шаров и зерен адсорбента приводит к их истиранию и образованию оседающих в адсорбенте мелких частиц, что в результате увеличивает гидравлическое сопротивление адсорбента.

Движение газового потока в адсорбере, в котором установлено распределительное устройство с применением диска-экрана, осуществляется радиально, в виде плоской струи, направленной в сторону вертикальной стенки корпуса аппарата.

У данного распределительного устройства существует значительный недостаток, который заключается в отсутствии возможности выровнять поток газа при его входе в слой адсорбента. Происходит это из-за вихревого движения газа, образованного смешением газа у стенки корпуса адсорбера, и газа, находящегося в центральной части аппарата. На освободившееся место из удаленных от плоской решетки сечений поступают другие порции газа. Таким образом, под решеткой возникают обратные токи, а профиль скорости газа под плоской решеткой будет иметь «перевернутую» форму по сравнению с начальным профилем потока. Неравномерное распределение потока газа в плоскости аппарата является причиной неравномерного поступления газа в слой адсорбента и, соответственно, неравномерного движения его вдоль слоя адсорбента.

В целях выравнивания газового потока, в случае центрального ввода потока в аппарат, в промышленности используют различные распределительные устройства, размещаемые на выходе потока газа из верхнего штуцера. Установлено [11], что на равномерное распределение газового потока существенное влияние оказывают также показатель сопротивления распределительного устройства и расстояние от рабочего слоя до выхода газового потока из распределительного устройства.

В качестве адсорбента на установках осушки и отбензинивания газа Астраханского газоперерабатывающего завода используются цеолиты марки NaA-Y диаметром 1,6 мм и 3,2 мм. Комбинированная схема распределения потока осушаемого газа в адсорбере приведена на рис.

 

Схема распределения газового потока

 

В основе конструкции лежит плоский диск-экран, установленный на расстоянии от нижнего обреза верхнего штуцера. Диск-экран прикреплен к штуцеру с помощью ребер, приваренных к расширительному патрубку штуцера. Слой керамических шаров диаметром 12–13 мм высотой около 100 мм располагается на расстоянии 1,6 м от расширительного патрубка штуцера. Керамические шары распределены равномерно на металлической сетке с размером ячеи 1 × 1 мм. Газ, из которого с помощью диэтаноламина удалены сернистые соединения, подается на установку осушки и отбензинивания газа. На данной установке происходит процесс промывки газа от капель диэтаноламина с дальнейшим предварительным охлаждением до температуры не более 28 °С и направлением газа на осушку в адсорбер. Адсорбентом в данных адсорберах являются цеолиты (молекулярные сита). Газ поступает через основной штуцер, и далее происходит его распределение с помощью диска-экрана, который расположен под входным штуцером. Анализ параметров работы адсорберов в условиях промышленной эксплуатации и лабораторные исследования модели адсорбера с распределительным устройством, содержащим плоский диск-экран и слой керамических шаров, подтвердили наличие неравномерного распределения газового потока в адсорбере [12]. Таким образом, по завершении цикла адсорбции неиспользованным остается 30 % цеолитов.

Формирование неравномерного распределения потока газа в адсорбере происходит из-за образования вихревого движения потока, что, в свою очередь, приводит к неэффективному использованию цеолита в результате невозможности достижения выравнивания газового потока в поперечном сечении адсорбера.

 

Заключение

Обеспечение равномерного распределения потока газа в поперечном сечении аппарата является весьма важной задачей для совершенствования процесса осушки природного газа, т. к. позволит производить равномерное распределение осушаемого газа на входе в адсорбционный слой, уменьшить истирание и образование мелких частиц, добиться минимального гидравлического сопротивления (перепада давления по слоям адсорбента) в период срока службы цеолита. Таким образом, целесообразно предусматривать в конструкции адсорберов распределительные устройства для включения в работу всего поперечного слоя загруженного цеолита в адсорбер с целью равномерного использования всего объема цеолитов.

Список литературы

1. Бурмистрова Е. В. Прагматизм и свобода от предрассудков // Нефтегазовая вертикаль: национальный отраслевой журнал. 2018. URL: http://www.ngv.ru/magazines/article/pragmatizm-i-svoboda-ot-predrassudkov (дата обращения: 24.12.2019).

2. Прогноз научно-технического развития отраслей ТЭК // Министерство энергетики Российской Федерации - 2018. URL: https://minenergo.gov.ru/node/6366 (дата обращения: 24.12.2019).

3. Афанасьев А. И., Афанасьев Ю. М., Бекиров Т. М. и др. Технология переработки природного газа и конденсата. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. 517 с.

4. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. 592 с.

5. Стандарт организации: СТО Газпром 089-2010. Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия. М., 2010. 20 с.

6. Жданова Н. В., Халиф А. Л. Осушка углеводородных газов. М.: Химия, 1984. 192 с.

7. Николаев В. В., Бусыгина Н. В., Бусыгин И. Г. Основные процессы физической и физико-хими¬ческой переработки газа. М.: Недра, 1998. 184 с.

8. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1995. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты. 368 с.

9. Бекиров Т. М., Ланчаков Г. А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. 596 с.

10. Новый справочник химика и технолога. Основные свойства неорганических, органических и элементоорганических соединений. СПб.: АНО НПО «Мир и Семья», 2002. Ч. 1. 964 с.

11. Идельчик И. Е. Аэродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 351 с.

12. Искалиева С. К. Совершенствование технологии процесса адсорбционной осушки обессеренного газа: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2012. 156 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?