CC BY
79
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2017. Т. 17, вып. 2
УДК 544.723.212
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ДАВЛЕНИЯХ 20-25 МПа АЛЮМОГЕЛЕМ И ЦЕОЛИТОМ №А4А
И. А. Никифоров, А. А. Кривоносов
Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского E-mail:[email protected]
Пары воды, содержащиеся в природном газе, препятствуют его нормальной транспортировке и применению в качестве топлива внутреннего сгорания. Наиболее перспективной технологией осушки газа является адсорбция при высоком давлении. Важной задачей является оптимизация процесса при помощи построения математической модели. С помощью математической модели процесса адсорбции воды из природного газа подобраны оптимальные условия осушки на цеолите NaA 4A и алюмогеле при давлении 20-25 МПа и температуре 5-40°С. Расчеты разработанной модели хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Расчетная модельная точка росы - 80°С достигнута при входной температуре газа 5°С и давлении 20-25 МПа на цеолите NaA 4A.
Ключевые слова: адсорбция, цеолит, алюмогель, математическая модель, природный газ.
Modelling of Drying Process of Natural Gas
at a Pressure of 20-25 MPa
through Aluminogel and NaA 4A Zeolite
I. A. Nikiforov, A. A. Krivonosov
Containment of water vapor in natural gas prevents its transportation and applying as an internal combustion fuel. The most demanded drying technology is adsorption at high pressure. The construction of a mathematical model for predicting the process is a significant task. Through a mathematical model of the process of water adsorption from natural gas at pressures of 20-25 MPa and temperatures of 5-40°C in the presence of NaA 4A zeolite and aluminogel, commonly used dehumidifier, optimal drying conditions were selected. The proposed model with suitable accuracy allows achieve high convergence with experimental data. The dew point -80°C using the proposed model was achieved on a NaA 4A zeolite at temperature of inlet gas 5°C, pressure 20-25 MPa.
Key words: adsorption, zeolite, aluminogel, mathematical models, natural gas.
DOI: 10.18500/1816-9775-2017-17-2-166-169
Вследствие постоянного ужесточения экологических требований к выбросам двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в нашей стране активно развивается сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). Природный газ является перспективным видом топлива. Он экологичен, недорогой, его применение увеличивает ресурс ДВС по сравнению с жидкими видами топлива.
Сырьем для АГНКС является магистральный природный газ, который компримируется компрессором установки до 20-25 МПа. Поставка только сжатого газа потребителю напрямую невозможна вследствие высокого содержания в нем паров воды. Пары воды, содержащиеся в магистральном природном газе при высоких давлениях 20-25 МПа, способны образовывать гидраты с углеводородами и кристаллизироваться уже при положительных температурах, образуя при этом пробки, которые, в свою очередь, осложняют работу установки АГНКС и газобаллонного оборудования автомобиля. Поэтому актуальной задачей является выбор наиболее эффективного метода осушки, позволяющего производить осушку газа при 20-25 МПа и при этом быть максимально автоматизированным, недорогим в эксплуатации и ремонте. Наиболее удовлетворяющим перечисленным требованиям методом является адсорбция, позволяющая достигать депрессию точки росы до 100 °С. В качестве адсорбентов широко применяются силикагели, различные цеолиты, а также алюмогель. Но, к сожалению, применение в качестве осушителей природного газа перечисленных адсорбентов при давлениях выше 20 МПа недостаточно изучено [1].
Вследствие сложности постановки эксперимента проведен предварительный сравнительный анализ возможности использования в качестве осушителя природного газа алюмогеля и цеолита марки NaA 4A, основанный на математическом моделировании процессов адсорбции и десорбции влаги на поверхности адсорбента при температурах 5, 25, 40 °С в интервале давлений 20-25 МПа.
При анализе изотерм адсорбции паров воды на цеолитах и у -оксиде алюминия можно сделать вывод, что данные изотермы относятся к лэнгмюровскому типу, и процессы адсорбции и десорбции возможно описать мономолекулярной теорией адсорбции.
Общее уравнение мономолекулярной адсорбции можно выразить следующим образом:
a • г
© Никифоров И. А., Кривоносов А. А., 2017
Никифоров И. А., Кривоносов А. А. Моделирование осушки природного газа
где а - коэффициент, характеризующий степень заполнения адсорбента; га - скорость адсорбции; гс1 - скорость десорбции.
При этом скорость адсорбции принималась А • Р • х
равной га = —а—-=——, где Аа - константа, чис-\Т
ленно равная 1 -; Р - давление, кПа;
V 2•я •т•к
х— - объемная доля воды в природном газе; Т -температура, К.
Скорость десорбции гс1 , полученная в ходе кинетического анализа изотерм десорбции воды из цеолита КаЛ 4А и алюмогеля при различных температурах и давлениях [1-3], принималась - Е • Рх
равной тЛ = АЛ ■ ехр(-^-) • Ру, где Р - дав-
Л • Т
ление, кПа; Л - универсальная газовая постоянная, Т - температура, К; х = 0.1291; у = 0.1117; для цеолита КаЛ 4А; Ай = 48; Ей = 5,9 КДж/моль; для алюмогеля А(1 = 40; Е^ = 5,4 КДж/моль.
Режим адсорбции принят следующий: время контакта газа со слоем адсорбента - 48 мин, давление - 20 и 25 МПа, температура входного газа - 5, 25, 40 °С.
При моделировании учитывались только процессы сорбции и десорбции паров воды, по остальным компонентам расчет не проводился. Для цеолита КаЛ 4А динамическая активность принята 9% мас., для алюмогеля - 6% мас.
Рассчитан состав входного сырого газа (таблица), соответствующий точке росы, равной минус 3.7 °С при 25 МПа.
Состав сырого газа
Компонент Объемная доля в газе, %
Вода 0,12132
Метан 96,95569
Этан 1,28730
Пропан 0,19827
Бутан 0,09913
Азот 1,28873
Углекислый газ 0,04956
Согласно проведенным расчетам, увеличение давления с 20 до 25 МПа незначительно способствует повышению степени осушки газа. Так, при температуре входного газа 5°С для цеолита КаЛ 4А точка росы составила -80.60 и -80.86 °С при давлениях 20 и 25 МПа соответственно, а для алюмогеля -74.86 и 76.00 °С (рис. 1).
и—в—в—в На выходе из адсорбера 4А Т=5 С, Р=25 МПа •—•—•—• На выходе из адсорбера ИаА 4А Т=25С, Р=20 МПа ■—■—■—■ На выходе из адсорбера ИаА 4А Т=25 С, Р=25 МПа —*—*—+ На выходе из адсорбера ИаА 4А Т=5 С, Р=20 МПа •—•—•—• На выходе из адсорбера ИаА 4А Т=40 С, Р=25 МПа Н а выходе из адсорбера N й 4А Т =40 С, Р=20 М П а 0 0 0 0 На выходе из адсорбера А0А Т=5 С, Р=25 МПа На выходе из адсорбера ОАО Т=5 С, Р=20 МПа
«—*—'—* На выходе из адсорбера А0А Т=25 С, Р=25 МПа 0—0—0—0 На выходе из адсорбера ОАО Т=25 С, Р=20 МПа
*—*—*—* На выходе из адсорбера А0А Т=40 С, Р=25 МПа о—е—е—о На выходе из адсорбера ОАО Т=40 С, Р=20 МПа
Рис. 1. Зависимость точки росы на выходе из адсорбера от времени на цеолите ЫаЛ 4А и алюмогеле при 20 и 25 МПа,
при температуре входного газа 5, 25, 40 °С
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2017. Т. 17, вып. 2
Гораздо более существенное влияние на конечное качество осушенного газа оказывает температура процесса. Так, при давлении 25 МПа и температуре процесса 5°С точка росы -80.86°С, а при 40 °С точка росы уже -74.26°С. Данная зависимость сохраняется и для алюмогеля. Так, при давлении 25 МПа и температуре 5°С точка росы -76°С, при 40 °С равна -69.61°С. При этом
Массы воды, кг
Время, мин
•—•—•—• Масса адсорбированной воды на цеолите ЫаД ■—■—■—■ Масса адсорбированной воды на цеолите ОА
Рис. 2. Зависимость массы адсорбированной воды на адсорбенте во времени в режиме десорбции на
цеолите ЫаЛ и алюмогеле
стоит отметить, что в случае алюмогеля увеличение температуры процесса до 40 °С сокращает цикл осушки на 780 мин.
Десорбция воды моделировалась при постепенном нагреве слоя адсорбента до температуры 190 °С и при постоянном удалении паров воды до предельного остаточного давления 5,5 кПа (рис. 2).
В условиях регенерации, при максимальной температуре 190°С и остаточном давлении 5,5 кПа, цеолит КаЛ не десорбирует 23% поглощенной в процессе осушки влаги, в связи с чем реальная влагоемкость цеолита при дальнейших циклах осушки будет соизмерима с алюмогелем. Время регенерации цеолита КаЛ до полного прекращения отдачи влаги составило 4 часа, в то время как для алюмогеля - 3 часа.
Из перечисленного выше следует, что наиболее перспективным является использование в качестве осушителя для АНГКС цеолита КаЛ 4А при возможности полной его регенерации. При условиях максимальной температуры регенерации 190 °С и остаточного давления
5,5 кПа целесообразней использовать алюмогель вследствие меньших энергетических затрат. Время регенерация цеолита КаЛ 4А составляет 4 часа, полная регенерация алюмогеля - 3 часа.
Полученные результаты расчета модели хорошо согласуются с экспериментальными данными [1], согласно которым точка росы при давлении 20МПа и температуре 30°С на алюмогеле составляет -70°С (расчетные -72°С). Это дает основание полагать, что выбранный метод расчета является достаточно точным, и позволяет оценить преимущества и недостатки использования адсорбентов цеолита КаЛ 4Л и алюмогеля в качестве осушителей природного газа для АГНКС при давлениях 20-25 МПа.
168
Научный отдел
Никифоров И. А., Кривоносов А. А. Моделирование осушки природного газа
minas I. Surface of Eta and Gamma Aluminia // J. of Cataiysis. 1963. Vol. 2. P. 485-497.
4. Колобродов В. Г., Кулько В. Б., Карнацевич Л. В., Винокуров Э. И., Хажмурадов М. А., Жуковин В. И., Тимохина Н. В. Адсорбция и десорбция паров воды различными цеолитами / // Вопросы атомной науки и техники. Харьков, 2002. № 1. С. 50-55.
5. Колобродов В. Г., Карнацевич Л. В., Хажмурадов М. А. Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме // Вопросы атомной науки и техники. Харьков, 2002. № 1. С. 56-61.
Образец для цитирования:
Никифоров И. А., Кривоносов А. А. Моделирование осушки природного газа при давлениях 20-25 МПа алюмогелем и цеолитом NaA 4A // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2017. Т. 17, вып. 2. С. 166-169. DOI: 10.18500/1816-9775-2017-17-2-166-169.
Cite this article as:
Nikiforov I. A., Krivonosov A. A. Modelling of Drying Process of Natural Gas at a Pressure of 20-25 MPa through Aluminogel and NaA 4A Zeolite. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2017, vol. 17, iss. 2, pp. 166-169 (in Russian). DOI: 10.18500/1816-9775-2017-17-2-166-169.
Список литературы
1. Сайкин В. В. Технология адсорбционной осушки природного газа для АГНКС : дис. ... канд. техн. наук. М.,1998. 130 с.
2. Сергунин А. С., Симаненков С. И., Гатапова Н. Ц. Исследование динамики адсорбции и десорбции паров воды активным оксидом алюминия и цеолитом NaX // Вестн. ТГТУ. 2012. Т. 18, № 3. С. 664-671.
3. Maciver O. S., Tobin H. H., Barth R. T. Catalytic Alu-
