CC BY
172
Research of process of adsorption of H2S, CO2 and NO2 from natural gas on purpose computer modelling
Section 15. Chemistry
Bayramova Aygun Seymur qizi, Azerbaijan State Oil Academy, doctoral candidate, faculty of “Chemical technology" E-mail: aygun.b74@mail.ru Yusubov Faxraddin Vali oglu, Azerbaijan State Oil Academy, professor, faculty of “Chemical technology" E-mail: yusfax@mail.ru Babayev Rauf Kamil oglu, Azerbaijan State Oil Academy, associate professor, faculty of “Chemical technology" E-mail: rauf1206@mail.ru
Research of process of adsorption of H2S, CO2 and NO2 from natural gas on purpose computer modelling
Abstract: The carried-out analysis of various adsorbents for adsorption of CO2, H2S and NO2 from natural gas showed that it is expedient to use NaX zeolite. Dynamic activity of adsorbents is the main indicator determining the sizes of adsorbers and time of a cycle of adsorption. Adsorption isotherms and also exact value of dynamic activity have especially important practical value at computer modelling.
Keywords: Adsorption of CO2, H2S and NO2, NaX zeolite, adsorption isotherms, dynamic activity.
Байрамова Айгюн Сеймур кызы, Азербайджанская Государственная Нефтяная Академия, докторант, факультет химической технологии,
E-mail: aygun.b74@mail.ru Юсубов Фахраддин Вали оглы, Азербайджанская Государственная Нефтяная Академия, профессор, факультет химической технологии,
E-mail: yusfax@mail.ru Бабаев Рауф Камиль оглы, Азербайджанская Государственная Нефтяная Академия, доцент, факультет химической технологии,
E-mail: rauf1206@mail.ru
Исследование процесса адсорбции H2S, CO2 и NO2 от природного газа с целью компьютерного моделирования
Аннотация: Проведенный анализ различных адсорбентов для адсорбции СО2 Н^ и NO2 от природного газа показал, что целесообразно использовать цеолит NaX. Динамическая активность адсорбентов является основным показателем, определяющим размеры адсорберов и время цикла адсорбции. Изотермы адсорбции, а также точное значение динамической активности имеют при компьютерном моделировании особо важное практическое значение.
Ключевые слова: Адсорбция СО2 и NO2 цеолит NaX, изотермы адсорбции, динамическая активность.
123
Section 15. Chemistry
Как известно, очистку природного газа от H2S, CO2 и NO2 можно проводить адсорбцией или абсорбцией. Наиболее оптимальным сорбционным способом очистки природного газа от H2S, CO2 и NO2 является адсорбционная очистка. Адсорбентами для С02 являются активированный уголь и цеолиты, а для H2S — только цеолиты. Этот способ позволяет упростить конструкцию системы очистки, так как для регенерации адсорбента, которую можно вести очищенным природным газом, подогретым в теплообменнике, не требуется специального оборудования. Недостаток этого способа состоит в дополнительном расходе природного газа на регенерацию адсорберов [1].
При удалении из природного газа С02 и H2S абсорбцией, используют моно- и диэтаноламины, обладающие высокой поглотительной способностью. Однако, их применение требует введения в систему очистки дополнительного сложного оборудования, связанного с абсорбцией примесей, содержащихся в природном газе и регенерацией абсорбентов с подводом тепла [2].
Подготовка газа, а также очистка газа адсорбционным способом на практике нашло широкое применение и имеет ряд преимуществ. Это высокие
Таблица1. - Адсорбционны
экологические показатели, большая глубина осушки, низкий удельный расход адсорбента, а также хорошие эксплуатационные характеристики установок.
Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:
1) глубокая очистка газов от токсичных примесей;
2) сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство;
Применение непрерывных способов очистки в движущемся адсорбенте требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена. Поглотительная емкость адсорбента в условиях эксплуатации считается его рабочей или динамической активностью. Динамическая активность всегда ниже статической и зависит от условий работы адсорбента. Динамическая активность адсорбентов является основным показателем, определяющим размеры адсорберов и время цикла сорбции. Для очистки газов от H2S, CO2 и NO2 применяют в основном цеолиты.
При компьютерном моделировании особо важное значение имеют изотермы адсорбции, а также точное численное значение динамической активности. свойства адсорбентов NaX
Показатели Образцы
1 2 3
Плотность, г/см 3 0,485 0,470 0,447
Зернение (в мм),%
2,7-2,0 33,2 34,0 31,6
2,0-1,5 63,7 62,8 63,8
1,5-1,0 3,1 3,2 4,6
Содержание,%
золы 7,4 7,1 7,9
калия 0,20 0,26 0,27
серы 0,46 0, 47 0,67
Объем пор, см 3/г
V 0,28 0,32 0,33
V 0,11 0,13 0,12
V. 0,28 0,31 0,35
Vv 0,67 0,76 0, 80
Структурные константы
W см 3/г 0,29 0,33 0,35
В • 10 6 (по бензолу) 0,44 0,54 0,54
Адсорбционная способность, г/100 г
aC3H3 9,0 12,8 13,0
аСН 16,2 20,6 20,8
В работах [1-2] показана возможность выделе- адсорбции H2S, CO2 и NO2 оказывает природа цеоли-
ния H2S, CO2 и NO2 из природных газов на цеолитах та NaX, его кратность по отношению к сырью и изо-
NaX. Как известно, большое влияние на результаты терма адсорбции природных газов.
124
Research of process of adsorption of H2S, CO2 and NO2 from natural gas on purpose computer modelling
Вместе с тем изучение термической устойчивости цеолитных адсорбентов имеет важное значение, которое позволяет произвести оценку термической стабильности одновременно с определением влагоемкости и некоторых других характеристик адсорбента.
Данный экспериментальный материал посвящен изучению адсорбции в динамических условиях H2S, CO2 и NO2 из природных газов и определению их изотермы адсорбции, а также динамической активности.
Характеристики адсорбент образцы цеолита NaX приведены, в таблице 1.
Адсорбция позволяет почти полностью извлечь из газовой смеси загрязняющие компоненты и дает возможность осуществлять глубокую очистку газов.
Таблица 2. - Характеристика и о
Этим объясняется все большее применение в защите окружающей среды адсорбционных методов разделения и очистки газов там, где другие методы оказываются недостаточно эффективными.
Адсорбенты, используемые в системах очистки отходящих газов, должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую адсорбционную способность при поглощении компонентов, имеющие небольшую концентрацию в газовых смесях, обладать высокой селективностью, иметь высокую механическую прочность, обладать способностью к регенерации и иметь низкую стоимость. На практике нашли применение следующие адсорбенты: активированные угли и цеолиты. Характеристика некоторых активированных углей представлены в табл. 2 юти применения активных углей
Марка адсорбента Размер гранул, мм Насыпная плотность, кг/м3 Время защитного действия, мин Предельный адсорбционный объем микропор, см3/г
БАУ 1-5 350 - 0,26
СКТ 1-3,5 380-500 70 0,45-0,59
АГ-3 1,5-2,7 450 38 0,3
АГ-5 1-1,5 450 45 0,3
САУ 1-5 450 - 0,36
КАУ 1-5 400 - 0,33
АР-3 1-5,5 550 - 0,33
125
Section 15. Chemistry
Из приведенных в таблице 2 характеристик различных адсорбентов нами, для исследования, был выбран адсорбент марки СКТ, который обладает высокой насыпной плотностью и наибольшим объемом пор.
Опыты по адсорбции проводились по следующей методике. Навески цеолита NaX активировали в муфельной печи при 673 К в течение 2 часа, затем охлаждали в эксикаторе.
Процесс очистки природного газа на синтетических цеолитах изучали на модельной установке проточного типа. Природный газ из общего коллектора подавался на адсорбционную колонку, представляющую собой цилиндрический аппарат общей высотой 1250 и диаметром 100 мм (объем 10 л). На рисунке 1 изображена схема экспериментальной установки.
Адсорбционные методы очистки основаны на поглощении примесей твердыми телами с развитой поверхностью адсорбентами. Поглощаемые молекулы удерживаются на поверхности твердых тел силами Ван-дер-Ваальса (физическая адсорбция) или хими-
ческими силами (хемосорбция). Адсорбенты — материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью (природные и синтетические): обычно активированные угли и цеолиты.
По результатам анализа рассчитывали динамическую активность адсорбента NaX по формуле:
А = С0 W
где С0 - начальная концентрация H2S, CO2 и NO2 в растворе, г/100г;
W - скорость газового потока;
т - время защитного действия адсорбента
Нами изучены изотермы адсорбции СО2, H2S и NO2 на адсорбентах - активированный уголь СКТ и цеолит NaX.
Изотермы адсорбции определены на адсорбентах цеолит NaX. Установлено целесообразность использования для адсорбционного выделения СО2, H2S и NO2 цеолит NaX.
Изотермы адсорбции количественно описаны уравнениями Лэнгмюра.
На рисунке 2 показаны изотермы адсорбции СО2, H2S и NO2 от природного газа.
Рис. 2. Изотермы адсорбции H2S, CO2 и NO2 на цеолите NaX Х-Н^, Д-СО2, 0-NO2
Из рисунка 2 видно, что равновесная величина адсорбции в зависимости от газов различны. Установлена предельная статическая активность адсорбента NaX по СО2, Н^ и NO2. Проведенный анализ различных адсорбентов для адсорбции СО2, Н^ и NO2 от природного газа показал, что целесообразно использовать цеолит NaX. Полученные нами изотермы адсорбции СО2, Н^ и NO2 природного газа могут быть основой дальнейшего математического описания процесса [3].
Динамическая адсорбционная емкость поглотителя меньше его равновесной адсорбционной емкости,
поскольку в рабочих условиях при непродолжительном контакте твердой и газовой фаз адсорбционное равновесие не может установиться.
ад = а» П,
где п — степень использования равновесной (статистической) адсорбционной емкости.
При следующих условиях проведения процесса адсорбции: высота слоя адсорбента На = 0,6...0,75 м; w = 0,3-0,5 м/с; С0 = (1-17) • 10-3 кг/м3 степень использования равновесной адсорбционной емкости п принимает значения от 0,85 до 0,9.
126
Research of process of adsorption of H2S, CO2 and NO2 from natural gas on purpose computer modelling
Рис. 3. Зависимость величины адсорбции от времени контакта
X-H2S, Д-СО2, 0-NO2
Таким образом, коэффициент запаса — величи- w - скорость газового потока, м/с;
на, обратная степени использования равновесной тз - время защитного действия слоя адсорбента
адсорбционной емкости имеет вид: определяется по уравнению Шилова:
k 1 a°
з=n = a
и изменяется в пределах от 1,12 до 1,25.
Динамическая сорбционная емкость (активность) ад — количество адсорбтива, поглощенного слоем сорбента до момента его появления за слоем (проскока), кг/м2.
а = С-w-т,
д 0 з
где С0 - начальная концентрация адсорбтива в газовом потоке, кг/м3;
т = k (H - h ); k •h = т0; т3 = k •H - т0; k =
з з 4 а ах ' з а 0 3 з а (К з
w ■ Cn
где ^ — коэффициент защитного действия слоя адсорбента, выражающий время перемещения фронта сорбции на единицу высоты слоя поглотителя, с/м;
h - высота неиспользованного слоя адсорбента в условиях динамического опыта, м;
тз - время защитного действия слоя адсорбента, с. Это время, прошедшее от начала пропускания парогазовой смеси через слой адсорбента до момента появления (проскока) адсорбтива за слоем адсорбента.
a
Таблица 2. - Величины статической и динамической активностей адсорбентов активированный уголь СКТ и цеолит NaX
Адсорбенты Активир. угол СКТ Цеолит NaX
компоненты H,S СО, no2 НД СО2 no2
Статическая активность, г/100 г 9.88 7.63 6.96 12.27 10.51 9.75
Динамическая активность, г/100 г 7.02 5.24 4.73 9.89 8.34 7.81
Проведенный анализ различных адсорбентов для адсорбции СО2 H2S и NO2 от природного газа показал, что целесообразно использовать цеолит NaX. При компьютерном моделировании особо важное значение имеет изотермы адсорбции, а также точ-
ное численное значение динамической активности. Динамическая активность адсорбентов является основным показателем, определяющим размеры адсорберов и время цикла сорбции.
Список литературы:
1. Кемпбел Д. М. Очистка и переработка природных газов. Пер. с англ. М., “Недра", 1977, 349 с.
2. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. Москва, 1984, 592 с.
3. Юсубов Ф. В., Зейналов Р. И., Ибрагимов Ч. Ш. Исследование сорбционных процессов в переходном режиме. Журнал прикладной химии, т. 74, вып. 69, Санкт-Петербург, Россия. C. 59-62.
127
