В технологических процессах подготовки газа после этапа абсорбционной осушки часто применяется более глубокая адсорбционная осушка. Этот метод использует твердые поглотители, такие как силикагели, алюмогели, активная окись алюминия и цеолиты (молекулярные сита). Главное преимущество адсорбции — возможность достичь чрезвычайно низкой точки росы, вплоть до -40...-70 °C, а в некоторых специальных случаях даже ниже -100 °C.
Свойства и принцип работы адсорбентов
Эффективные адсорбенты-осушители должны сочетать несколько ключевых характеристик: высокую поглотительную способность по отношению к воде, простоту регенерации, механическую прочность и химическую стабильность. Эти материалы являются высокопористыми твердыми веществами с развитой внутренней поверхностью, которая может достигать 200–1000 м²/г (у активных углей — до 1700 м²/г). Объем пор в них составляет от 0,20 до 1,02 см³/г и более.
Структура пор адсорбента играет решающую роль. Самые мелкие, микропоры, имеют эффективный радиус 0,5–1,5 нанометра, что сравнимо с размером молекул поглощаемых веществ. Именно в них происходит основной процесс удержания влаги. Более крупные, переходные поры (радиусом 1,5–200 нм), служат транспортными каналами, доставляя молекулы воды к микропорам. Сам процесс адсорбции можно представить как заполнение этих микропор целевым веществом. Важно отметить, что поглотительная способность адсорбентов падает с ростом температуры, поэтому для их регенерации (десорбции) чаще всего используется именно нагрев.
Основные типы адсорбентов
Силикагели производятся на основе геля кремниевой кислоты (SiO₂). Их поры имеют наноразмерный диаметр (1–5 нм). Насыпная плотность силикагелей варьируется от 400–500 до 670–890 кг/м³ при истинной плотности около 2250 кг/м³. Они выпускаются в виде гранул неправильной или сферической формы размером от 0,2 до 7 мм и представлены множеством марок (более 15), подразделяющихся на мелкозернистые и крупнозернистые сорта.
Алюмогели (на основе оксида алюминия) имеют насыпную плотность 400–550 кг/м³. Их производят в форме зерен или шариков размером 4–6 мм. Алюмогели нашли широкое применение не только как осушители, но и как носители для различных катализаторов.
Цеолиты (молекулярные сита) — это особая группа адсорбентов, способная селективно разделять молекулы по размеру. Они бывают природными (например, минералы бентонит, анальцит) и синтетическими. Синтетические цеолиты (типы A, X, Y) отличаются высокой упорядоченностью кристаллической структуры и строго определенными размерами входных окон в поры — от 0,4 нм у типа A до 1,0 нм у типа X. Это позволяет им работать как «молекулярные сита». Для глубокой осушки газов обычно используют цеолиты марок NaA и NaX. Они выпускаются в виде порошка, гранул или шариков диаметром 1,6–3,2 мм.
Эффективность и регенерация
Глубина осушки напрямую зависит от типа адсорбента: силикагели позволяют достичь точки росы до -20...-40 °C, алюмогели — до -40...-50 °C, а цеолиты — до -60...-70 °C и ниже. Эффективность адсорбции, как и в случае с абсорбцией, повышается при снижении температуры и увеличении давления. Обратный процесс — регенерация насыщенного влагой адсорбента — проводится при повышенной температуре (180–220 °C и выше) и пониженном давлении. Существует также метод регенерации за счет ступенчатого снижения давления без нагрева.
Устройство адсорбционной установки
Типичная адсорбционная установка включает несколько ключевых аппаратов: фильтр-сепаратор для удаления капельной влаги (которая может разрушить адсорбент), две или три адсорбционные колонны, а также систему для регенерации с нагревателем, холодильником и сепаратором газа.
В колоннах адсорбент размещается слоями. В рабочем режиме осушения газ проходит через слой сверху вниз. В режиме регенерации горячий газ-десорбент подается снизу вверх. Количество колонн в установке определяется соотношением длительности циклов адсорбции и регенерации. Если время адсорбции больше, используют две колонны, работающие попеременно. Если время регенерации (включая охлаждение) больше, необходима третья колонна, что позволяет обеспечить непрерывность процесса. Существуют также установки с движущимся слоем адсорбента, где материал циркулирует между адсорбером и отдельным десорбером с помощью пневмотранспорта.
Дополнительные возможности и комплексная очистка
Адсорбционная осушка, особенно на цеолитах и активных углях, часто совмещается с тонкой очисткой газов от сернистых соединений (меркаптанов) и других примесей. Адсорберы на цеолитах могут работать в широком диапазоне температур — от -183 до +480 °C, что делает их пригодными для обработки различных газов (водорода, кислорода, инертных газов).
Для сверхглубокой очистки, где допустимое содержание микропримесей может не превышать 1 ppm (0,0001%), применяются синтетические цеолиты и новые виды полимерных активных углей, в том числе волокнистых.
В целом, технологические схемы абсорбционной и адсорбционной осушки газа отличаются большим разнообразием. Они могут комбинироваться с процессами очистки от сероводорода и диоксида углерода, а также с процессами разделения углеводородных газов для выделения ценных компонентов, таких как этан, пропан и бутан. Чем выше степень извлечения этих компонентов, тем сложнее становится технологическая схема установки и газоперерабатывающего завода в целом.