Влагосодержание газов и осушка их цеолитами

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Тиллоева Ш.Ф.

Аннотация

В статье проанализированы способы восстановления адсорбционной способности цеолитов при адсорбционной осушке природных газов и даны рекомендации по их совершенствованию. Адсорбционные свойства и способность к регенерации этих адсорбентов определяются в основном химическим состоянием их поверхности и характером пористости. Переходные поры заполняются полностью при достаточно высоких парциальных давлениях пара сорбируемого компонента. При исследовании кинетики десорбции определили взаимосвязь этого процесса с равновесным на примере осушки газовых потоков на цеолитах.

Ключевые слова: адсорбент, цеолит, абсорбционная способность, пористость, твердость, удельная поверхность, природный газ, относительная влажность, абсолютная влажность.

Abstract

Keywords: adsorbent, zeolite, absorbency, porosity, hardness, specific surface, natural gas, relative humidity, absolute humidity.

Газ в пластовых условиях насыщен парами влаги до равновесного содержания. При добыче газа в технологических схемах промысловой обработки происходит изменение термодинамических условий (давление, температура), при которых конденсируются пары влаги. Выпавшая капельная влага вызывает осложнения как в технологических элементах установок промысловой подготовки газа, так и при транспортировании его по магистральным газопроводам. Основное осложнение - образование гидратных пробок, которые приводят к созданию аварийных ситуаций. Поэтому перед подачей природного газа в магистральные газопроводы или на глубокую низкотемпературную переработку газ осушают.

Влагосодержанием газа называется отношение массового количества влаги, содержащейся во влажном газе, к массовому количеству сухого газа.

Абсолютная влажность - величина парциального давления водяного пара (р_п) во влажном газе. Иногда абсолютной влажностью называют массу водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного газа, выраженного в граммах. Численно эти две величины - парциальное давление водяного пара в миллиметрах ртутного столба и масса водяного пара в граммах на 1 м³ влажного газа - почти равны друг другу, а при температуре 16,5°С строго равны друг другу. минеральный адсорбент цеолит осушка природный газ

Относительной влажностью газа называется отношение массы водяного пара (проценты или доли), фактически находящегося в газовой смеси, к массе насыщенного пара, который мог бы быть в данном объеме при той же температуре. Относительную влажность ф можно также выразить в виде отношения парциального давления водяного пара р_п, содержащегося во влажном газе, к давлению насыщения водяного пара p_s при данной температуре (т.е. к максимально возможному парциальному давлению водяного пара при этой температуре):

Величина ф обычно выражается в процентах. Поскольку 0< р_п< р₈, то 0< ф <100%. Для абсолютно сухого газа ф = 0, для насыщенного газа ф = 100%.

Температура, при которой в данной газовой смеси происходит образование капель воды, называется точкой росы. В промышленной практике широкое применение получили углеродные и минеральные адсорбенты. К первым относят активные угли, ко вторым - силикагели, алюмогели, цеолиты. Адсорбционные свойства и способность к регенерации этих адсорбентов определяются в основном химическим состоянием их поверхности и характером пористости. Пористые адсорбенты могут иметь макропоры, переходные поры и микропоры. Радиусы пор условно принимаются следующими. Макропоры имеют средние радиусы более 10^-7 м, т. е. свыше 1000 А, и удельную поверхность (отнесенную к единице массы адсорбента) 0,5-2,0 м²/г. Малая величина удельной поверхности свидетельствует о том, что макропоры не играют заметной роли в величине адсорбции, однако они являются транспортными каналами, по которым адсорбируемые молекулы проникают в глубь гранул адсорбента.

Переходные поры имеют эффективные радиусы в интервале от (1,5-1,6) * 10^-9 до 10-⁷ м, т.е. от 15-16 до 1000 А, что значительно превышает размеры обычно адсорбируемых молекул. Удельные поверхности переходных пор могут достигать 400 м²/г. Переходные поры заполняются полностью при достаточно высоких парциальных давлениях пара сорбируемого компонента.

Средние радиусы микропор находятся в области ниже (1,5-1,6)* 10^-9 м, т.е. <15-16 А. По размерам микропоры соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Энергия адсорбции в микропорах значительно выше, чем при адсорбции в переходных порах и макропорах, вследствие чего происходит резкое повышение адсорбционной способности в области малых концентраций целевого компонента. Адсорбция в микропорах при этом приводит к их объемному заполнению молекулами адсорбата. Одним из основных параметров микропор является их объем. Удельный объем микропор (отнесенный к единице массы адсорбента) составляет примерно (1-6) * 10 м³/кг, или 0,1-0,6 см³/г.

Цеолиты (молекулярные сита) - алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов и отличающиеся строго регулярной структурой пор. Этот сравнительно новый тип адсорбентов подразделяется на природные и синтетические цеолиты.

Синтетические молекулярные сита отличаются от других адсорбентов практически идеально однородной микропористой структурой и способностью избирательно адсорбировать молекулы малых размеров при низких концентрациях адсорбируемого компонента. В Узбекистане наибольшее применение получили синтетические молекулярные сита марок КА, NaA, СаА, NaX, СаХ. Первый индекс марки цеолитов соответствует форме катионов (например, К+, Са²⁺, Na+), а второй обозначает тип кристаллической решетки. Цеолиты имеют следующие размеры входных «окон»:

Цеолит КАNaACaACaXNaX

Размер 3*10^-10(3) 4*10^-10(4) 5*10^-10(5) 8*10^-10(8) 10*10^-10(10) «окон»,

м А входных

В промышленности выпускаются цеолиты со связующим и без него. В качестве связующих веществ используют каолинитовые и бентонитовые глины или их смеси (в цеолитную массу добавляют 10-20% глины). Цеолиты без связующего по физическим свойствам близки к обычным цеолитам, но превосходят их по механической прочности.

Как следует из сказанного выше, активные угли, силикагели и алюмогели не обладают упорядоченной кристаллической структурой и поэтому характеризуются неоднородной пористостью. Распределение пор по диаметрам у адсорбентов может быть узким (от 20 до 50 А) и широким (от 20 до не скольких тысяч ангстремов).

Широким распределением пор отличаются, в частности, активные угли, и поры в них доступны практически для молекул всевозможных соединений. Цеолиты же, как отмечалось, имеют однородные поры (от 3 до 13 А). Распределение пор, характерное для цеолитов, силикагелей и активных углей, условно показано на рис. 1.

Рисунок. 1. Распределение пор по размерам в микропористых адсорбентах

В зависимости от химической природы и пористой структуры возникают различные адсорбционные силы в системе адсорбент-адсорбтив. Например, активные угли имеют неоднородную пористую структуру и однородную энергетическую структуру, выраженную действием дисперсионных сил. В отличие от них такие адсорбенты, как цеолиты, имеют строго упорядоченную структуру, однако их энергетическая структура неоднородна: помимо дисперсионного взаимодействия в данном случае существенный вклад в адсорбцию может вносить электростатическое взаимодействие.

В последнее время в ряде работ, объясняется роль различных энергетических взаимодействий на адсорбционное равновесие на цеолитах. В частности, выявлено влияние катионов как активных центров на равновесное состояние. Авторы работы при исследовании кинетики десорбции попытались показать взаимосвязь этого процесса с равновесным на примере осушки газовых потоков на цеолитах.

Использованные источники

1. Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Регенерация адсорбентов. - Л.: Химия, 1993 - 216 с., ил.

2. Астахов В.Л., Дубинин М.М. - Изв. АН СССР. Сер. хим., 1971, №1, с. 17.

3. Сатторов, М.О. (2017). Изучения процесса хемосорбционной очистки природного газа. Научный аспект, (1-2), 199-201

4. Тураева, Х.Т., & Тиллоева, Ш.Ф. (2017). Изучение методов осушки и очистки газов растворами гликолей. Вопросы науки и образования, (3 (4)).

5. Ш.Ф. Тиллоева, К.К. Шарипов. (2022) Исследование абсорбционных свойств минеральных адсорбентов-цеолитов. Science and education scientific Journal ISSN 2181-0842 VOLUME 3, ISSUE 10 183 b.

6. Ш.Ф. Тиллоева, К.К. Шарипов Адсорбенты, применяемые при сушке газов. Science and education scientific Journal ISSN 2181-0842 8 b

7. Беринг Б.Я., Гордеева В.А., Дубинин М.М. и др. - Изв. АН СССР. Сер. хим., 1971, №1, с. 22.

8. A. Corma, D. Kumar. Micro-and Meso-porous Materials as Catalysts. In “New Trends in material Chemistry“. NATO ASI, vol. 498,1997, p.403.

9. Дж.В. Смит. Структура цеолитов. В кн «Химия цеолитов и катализ на цеолитах». Под ред. Дж.Рабо. «Мир», 1980, с.11.

Размещено на Allbest.Ru