При необходимости после абсорбционной осушки газа осуществляется последующая адсорбционная осушка газа на твердых поглотителях - адсорбентах (силикагели, алюмогели, активная окись алюминия, силикаты алюминия, цеолиты - молекулярные сита и др.). Глубокая адсорбционная осушка газа позволяет достичь точки росы (минус 40-70 °С и в некоторых случаях ниже минус 100 °С).
Адсорбенты - осушители должны обладать высокой поглотительной способностью по отношению к воде, легкой регенерируемостью, механической прочностью и др. Адсорбенты - высокопористые твердые вещества с развитой удельной поверхностью от 200-1000 м2/г (активные угли имеют 600-1700 м2/г) и объемом пор 0,20-1,02 см3/г и больше. Микропоры адсорбентов имеют эффективный радиус 0,5-1,5 нм (1 нм = 10_9м = 0,001 мкм), соизмеримый с размером молекул адсорбируемых веществ. Адсорбируемое вещество транспортируется к микропорам через переходные поры (с эффективным радиусом от 1,5 до 200 нм), в которых адсорбционный эффект проявляется не во всем их объеме, а лишь на небольшом расстоянии от стенок этих пор. Процесс адсорбции сводится к заполнению пор адсорбента поглощаемым веществом. Адсорбционная (поглотительная) способность адсорбентов снижается с повышением температуры, поэтому регенерацию (десорбцию) насыщенных адсорбентов производят чаще всего повышением температуры.
Силикагели (на основе геля кремневой кислоты Si02) имеют поры средним диаметром 1-5 нм (наноразмеры), насыпную плотность от 400-500 до 670-890 кг/м3 при истинной плотности 2250 кг/м3, суммарный объем пор от 0,2 до 4,0 см3/г, удельную поверхность 270-500 м2/г. Частицы силикагеля неправильной формы или гранулированные (сферические и овальные) имеют размеры от 0,2-1,0 до 7 мм. Выпускают силикагели двух сортов (мелкозернистый и крупнозернистый) и разных марок (более 15).
плотность 400-550 кг/м3 при истинной плотности 3250-3500 кг/м3. Они изготавливаются в виде зерен и в форме шариков размером 4-6 мм. Алюмогели выпускают разных марок, они широко применяются и как носитель целого семейства катализаторов.
Цеолиты (молекулярные сита) получили название благодаря способности разделять смеси углеводородов, имеющих разные размеры молекул; они впервые применены в 1959 г. фирмой «Linde» (США). Цеолиты бывают природные (минералы - бентонит, анальцит и др.) и синтетические на основе искусственно полученных алюмосиликатов Si02-Al203 щелочных и щелочноземельных металлов калия К, натрия Na и кальция Са. Синтетические цеолиты типа А, X и Y отличаются высокой регулярностью своей кристаллической структуры как от природных цеолитов, так и от других адсорбентов. Это проявляется, в частности, в том, что они имеют практически одинаковые диаметры внутренних полостей, но разные диаметры входных окон: 0,4-0,5 нм у цеолитов типа А и 0,8-1,0 нм у цеолитов типа X. Выпускают много сортов цеолитов, их характеристики постоянно совершенствуются, они используются для разделения углеводородных смесей, на их основе изготавливают многочисленные эффективные катализаторы. Цеолиты - поглотители воды для глубокой осушки газов типа NaA и NaX имеют насыпную плотность 680-730 и 590-620 кг/м3 при истинной плотности 2700-2830 кг/м3 и предельный адсорбционный объем 0,25 см3/г; они изготавливаются в виде порошка, гранул и шариков диаметром 1,6-3,2 мм. Пять типов цеолитов различаются по отечественной (КА, NaA, СаА, СаХ и NaX) и американской (ЗА, 4А, 5А, 10Х и 13Х) классификациям с размером входных окон соответственно 0,3; 0,4; 0,5; 0,8 и 1,0 нм (наноразмеры).
Осушка газов достигается до температуры точки росы (до минус 20-40 °С на силикагелях, до минус 40-50 °С на алюмогелях и до минус 60-70 °С и ниже на цеолитах). Эффективность адсорбции, как и абсорбции, увеличивается с понижением температуры и повышением давления, и наоборот: регенерацию адсорбентов проводят при пониженном давлении и высокой температуре (180-220 °С и выше в зависимости от природы адсорбента). Регенерацию адсорбента можно осуществить также только за счет ступенчатого снижения давления до 0,350-0,007 МПа без изменения температуры в адсорбере.
Адсорбционная установка (рис. 2.3) включает следующие аппараты: фильтр-сепаратор влажного газа (так как обычные адсорбенты разрушаются в присутствии капельной влаги), две или три адсорбционные колонны, для десорбирующего агента: высокотемпературный нагреватель газа, холодильник газа, сепаратор газа и др. В адсорбере поглотитель расположен одним или несколькими слоями (в зависимости от механической прочности и гидравлического сопротивления слоя адсорбента). В режиме адсорбции осушаемый газ проходит слой поглотителя сверху вниз, а в режиме десорбции горячий газ - десорбирующий агент проходит через слой поглотителя снизу вверх. Если время режима адсорбции больше времени режима десорбции
и охлаждения адсорбента, используют два аппарата, в каждом из которых попеременно идет процесс адсорбции, а потом (после автоматического переключения с помощью клапанов на трубопроводах) процесс десорбции. Если же время адсорбции меньше времени десорбции, то используют три аппарата, в которых в одном идет процесс адсорбции, во втором - процесс десорбции и в третьем - охлаждение адсорбента, режим работы аппаратов автоматически переключается. Эксплуатируются адсорберы и с движущимся слоем адсорбента, который с помощью пневмотранспорта поступает последовательно в адсорбер и затем в отдельный аппарат - десорбер.
При адсорбционной осушке, особенно на цеолитах и активных углях, происходит также тонкая очистка газовых смесей от сернистых соединений (меркаптаны и др.) и других нежелательных газов и поглощение углеводородов. Адсорберы на цеолитах в зависимости от назначения (инертные газы, водород, кислород и др.) должны работать при значительных температурных перепадах в интервале от минус 183 до 480 °С. При сверхглубокой очистке газов концентрация микропримесей часто не должна превышать 1 ppm (parts per million - одна часть на миллион), что равно 10 4 %. Например, для очистки криогенных газов применяют синтетические цеолиты (частицы 2-3 мм) и новый класс полимерных активных углей, в том числе волокнистых (частицы 0,5-1,5 мм).
Технологические процессы абсорбционной и адсорбционной осушки газа разнообразны по своему аппаратурному оформлению, рабочим давлению и температуре как основного процесса, так и процесса регенерации поглотителя (абсорбента и адсорбента). Если осушаемый газ содержит сероводород и углерода (их содержание может изменяться в широком интервале), то используется комбинирование процессов осушки с процессами очистки газа и при необходимости также и с процессами разделения углеводородных газов с целью, например, выделения из них этана, пропана, бутана и др. Высокая степень извлечения пропана и особенно этана существенно усложняет схему технологических установок и ГПЗ в целом.