Как осушитель газов и жидкостей какое вещество

Обновлено: 14.05.2024

Используются нерегенеративные или регенеративные осушители воздуха. Для кратковременных космических полетов используются как те, так и другие осушители воздуха. Для космических полетов длительностью свыше 30—40 суток, по всей видимости, найдут практическое применение только регенеративные осушители воздуха.

К нерегенеративным способам осушки воздуха следует отнести химические способы, подразделяемые на две группы: основанные на химическом взаимодействии и на образовании кристаллогидратов.

Процесс взаимодействия осушающих веществ первой группы заключается в их разрушении при контакте с водой и образовании новых молекул. При взаимодействии осушающих веществ второй группы с водой молекулы воды не разрушаются, а входят в новое соединение как самостоятельные.

К веществам первой группы относятся большинство окислов, перекисей и надперекисей щелочных и щелочноземельных металлов, а также ангидриды некоторых кислот. Ко второй группе осушающих веществ относятся гигроскопические соли некоторых органических веществ типа LiCl, СаСl2, ZnCL2 и др.

К регенеративным способам осушки воздуха следует отнести физико-химические и физические.

Физико-химические способы осушки воздуха в свою очередь могут быть подразделены на сорбционные и сорбционные с образованием кристаллогидратов.

Сорбенты, используемые для осушки воздуха, могут быть разделены на твердые и жидкие. К твердым сорбентам относятся силикагели, алюмогели, активированный уголь и др. К жидким сорбентам относятся серная кислота, растворы различных солей и другие гигроскопические жидкости.

Физические способы осушки воздуха могут быть основаны либо на конденсации, либо на вымораживании водяных паров.

Отличительной чертой физических способов осушки воздуха, а также способов, основанных на применении жидких сорбентов, является необходимость специальной организации этих процессов в условиях реального космического полета (динамической невесомости) . Это определяется самой системой, состоящей из трех фаз: газ — жидкость — твердое тело.

Химические способы осушки воздуха

При хемосорбции абсорбируемое вещество претерпевает химические изменения, определяемые характером химической связи и природой поверхностных радикалов. Скорость хемосорбции зависит от числа столкновений молекул с поглощающей поверхностью, коэффициента конденсации, энергии активации и вероятности столкновения молекул водяного пара с активными центрами. Хемосорбция протекает всегда при температуре, соответствующей определенной энергии активации.

Интенсивность процесса хемосорбции водяного пара из паровоздушной смеси по аналогии со скоростями протекания химических реакций определяется как химической кинетикой, так и гидродинамикой потока, характеризующей механизм переноса массы вблизи поглощающей поверхности. Гетерогенная реакция хемосорбции водяного пара протекает в несколько стадий: подвод реагирующих молекул к поверхности, на которой осуществляется реакция; собственно гетерогенная реакция (абсорбция); отвод продуктов реакции из зоны взаимодействия.

Для хлористого лития (LiCl) кинетические зависимости, показывающие связь скорости потока паровоздушной смеси и влажности воздуха с интенсивностью поглощения им водяного пара, представлены на рис. 6.

Из приведенных на рис. 6 зависимостей следует, что скорость реакции взаимодействия водяного пара с LiCl весьма велика и не оказывает существенного влияния на суммарную скорость хемосорбции и что самой медленной стадией является диффузионный подвод водяного пара к поглощающей поверхности, т. е. интенсивность процесса хемосорбции в данном случае определяется диффузионной кинетикой.

Рис. 6. Кинетические зависимости интенсивности поглощения (U) водяного пара при различных скоростях (в м/сек) потока паровоздушной смеси

0; 2 — 2; 3— 3,5; 4 — 4

В процессе поглощения влаги гигроскопическими солями типа LiCl, СаС1₂ наблюдается кристаллизационное присоединение ее, при чем относительная влажность над солью при незначительных колебаниях температуры остается практически постоянной и зависит от изменения кристаллизационной формулы вещества.

При взаимодействии таких веществ с потоком влажного воздуха на их поверхности образуется слой раствора, замедляющий дальнейший процесс поглощения водяных паров. Отрицательным фактором является изменение первоначальной формы гигроскопических солей при поглощении ими большого количества влаги. Следует также иметь в виду, что LiCl токсичен и вызывает коррозию металлов. Высушивающая способность некоторых веществ, применяемых при осуществлении химической осушки воздуха, представлена в табл. 1.

Таблица 1. Высушивающая способность некоторых веществ, применяемых при химической осушке воздуха

Физико-химические способы осушки воздуха

Как уже отмечалось, сорбенты физико-химических методов осушки воздуха могут быть твердыми и жидкими.

Осушка воздуха твердыми поглотителями влаги осуществляется за счет физико-химиче

ского взаимодействия паров воды и сорбента, т. е. сорбции влаги, образования гидратов и растворения. Твердые сорбенты представляют собой гели (природные сорбенты) и импрегнированные осушители.

Осушка воздуха гелями осуществляется путем адсорбции с последующей капиллярной конденсацией воды в пористой структуре осушителя. К твердым сорбентам следует отнести силикагель, алюмогель, активированный уголь.

Силикагель представляет собой твердое, стекловидное, химически инертное, однородное высокопористое вещество, состоящее на 99% из двуокиси кремния (SiО₂). В зависимости от величины пор силикагель делится на мелкопористый с насыпной массой 700 кг/ /м 3 и крупнопористый с насыпной массой 400-500 кг/м 3 .

Активированный уголь — древесный уголь специально обработанный с целью увеличения адсорбирующей поверхности и освобождения пор от смолистых веществ. Активированный уголь применяется в виде зерен различных размеров от 1 до 7 мм или в виде порошка. Адсорбционные свойства активированного угля зависят от величины его удельной активной поверхности, определяемой порами диаметром меньше 1*10 -5 мм.

Адсорбция в основном обусловлена физическими силами притяжения, т. е. неполярными силами Ван-дер-Ваальса, силами дипольного взаимодействия и поляризационными силами.

Для капилляров с радиусом больше 10 -5 см давление насыщенного пара над мениском практически равно давлению насыщенного пара над плоской поверхностью.

Пар из свободного пространства диффундирует в капилляр, если упругость его выше упругости насыщенного пара над вогнутой поверхностью мениска. Стенки капилляра адсорбируют пар и покрываются пленкой влаги, которая образует мениск. С его появлением возникает капиллярная конденсация, или сорбция пара. Микрокапилляры (r>10 -5 см) заполняются водой только при непосредственном соприкосновении с нею. Они не сорбируют влаги и способны отдать ее в атмосферу, насыщенную водяными парами.

Рис. 7. Зависимость равновесного массосодержания силикагеля от влагосодержания (d) при различных температурах

Температура (в °С):

1 — 5; 3 — 25; 5 — 45; 7 — 65;

2 — 15; 4 — 35; 6— 55; 5 — 75

Поглощающая способность силикагеля зависит от температуры влажного воздуха и парциального давления пара: с увеличением температуры и уменьшением парциального давления пара эта способность падает (рис. 7).

Как видно, применять силикагели при температуре свыше 35° С нецелесообразно.

В процессе осушки воздуха сорбентами их сорбционная способность снижается, и при достижении определенного состояния они уже не обеспечивают требуемого понижения влажности воздуха и нуждаются в регенерации. Наиболее распространенным способом регенерации является пропускание через сорбент воздуха, имеющего температуру +160 : 170°С и подсушенного до температуры точки росы — не выше +28 : +30° С.

Осушители с твердыми адсорбентами являются двухсекционными аппаратами. В одной секции такого аппарата происходит адсорбция влаги, в другой — регенерация с использованием электрического, газового или парового нагрева.

Адсорбционная способность алюмогеля ниже, а степень осушки воздуха выше, чем у силикагеля. Алюмогель целесообразно применять при температуре воздуха не выше 25° С.

По данным некоторых авторов, адсорбенты, применяемые для осушки воздуха, должны иметь высокую адсорбционную способность при нормальных условиях, обладать химической стабильностью и стойкостью, быть механически прочными, регенерироваться при возможно низких температурах, быть теплостойкими при переменных температурах регенерации, обладать малым объемным весом и не набухать.

Ко второй группе осушителей воздуха относятся импрегнированные осушители, изготовленные из пористых материалов, на поверхность которых нанесены гигроскопические вещества.

В этих осушителях сорбция влаги осуществляется как слоем гигроскопического вещества, так и путем капиллярной конденсации влаги.

По мере поглощения влаги гигроскопическая добавка превращается в кристаллогидрат или раствор, который принимает влагу, пока ее концентрация в нем не станет такой же, как в осушаемом воздухе.

В качестве носителей гигроскопических добавок применяют силикагель, алюмогель, активированный уголь и др.

Емкость импрегнированного осушителя определяется пористостью носителя и количеством гигроскопической добавки. Количество сорбированной влаги при 20° С у осушителей на основе крупнопористого силикагеля достигает 61% массы осушителя; на основе мелкопористого алюмогеля — 25%; на основе активированного угля — 62 %.

Например, СаСl₂, нанесенный на поверхность крупнопористого силикагеля, увеличивает его емкость по воде примерно в шесть раз.

При выборе гигроскопических добавок определяющим является минимальное давление водяного пара над ее растворами в интервале температур от 5 до 40° С.

Носитель должен хорошо пропитываться раствором гигроскопической добавки, иметь небольшую плотность и прочно удерживать раствор при инерционных перегрузках.

Физические методы осушки воздуха и способы разделения газожидкостных фаз в условиях динамической невесомости.

Рис. 8. Принципиальная схема влагоотделителя

1— вход жидкостно-газовой смеси,

2— сетчатый фильтр-коагулятор,

3 — дренажные трубки,

4 — выход отделенной жидкости,

5 — выход газовой смеси.

Рис. 9. Принципиальная схема влагоотделителя циклонного типа

2 — вход влажного воздуха,

3 — внутренняя труба,

4 — путь воздуха,

5 — выходной газовый штуцер,

6 — сливное отверстие.

Рис. 10. Принципиальная схема влагоотделителя с осевым входом

2 — вход влажного воздуха,

3 — путь влажного воздуха,

4 — разделительная диафрагма,

5 — отвод воды,

6 — выход воздуха.

Физические способы осушки воздуха заключаются в охлаждении его до температуры ниже точки росы или льда. В зависимости от конечной температуры охлаждения выделившаяся влага может быть в виде жидкой фазы — конденсата или в виде твердой фазы — льда.

Изменение влагосодержания воздуха в процессе охлаждения в расчете на один градус понижения температуры воздуха в случае вымораживания влаги является весьма незначительным, т. е. осушка воздуха вымораживанием является более теплоемким процессом по сравнению со способом конденсации. Вымораживание применяется в тех случаях, когда необходима глубокая осушка воздуха.

Осушка воздуха охлаждением обладает существенными преимуществами перед другими способами и поэтому находит широкое применение в системах кондиционирования кабин космических летательных аппаратов.

Основными преимуществами таких систем следует считать относительную простоту и надежность работы осушительного устройства, независимость веса и объема от продолжительности использования, обеспечение теп-лосъема из конденсируемого объема в процессе сушки, удаление из осушаемого воздуха одновременно с водяными парами части растворимых или легко замерзающих вредных примесей.

К недостаткам указанных систем относятся необходимость в определенных источниках холода для понижения температуры воздуха до требуемой величины и качественно новой организации разделения газожидкостной смеси в условиях реального космического полета.

В наземных установках сконденсированная жидкая фаза за счет разности в удельных весах газа и жидкости под действием собственного веса стекает в специальные емкости.

В условиях реального космического полета (динамической невесомости) процесс отделения жидкой фазы от газообразной требует принципиально нового технологического и конструктивного решения. Технологические процессы осушки воздуха (понижение температуры, конденсация влаги, влагоотделе-ние) можно совместить в одном аппарате, осуществляя все процессы одновременно, или использовать ряд аппаратов, последовательно выполняющих функцию понижения температуры, конденсации влаги при необходимости коагуляции — укрупнения капель жидкости и влагоотделения.

На рис. 8 представлена принципиальная схема влагоотделителя английской фирмы Нормалэр, применяющаяся в системе кондиционирования воздуха герметичной кабины самолета.

В сепараторе циклонного типа (рис. 9) влажный воздух поступает через тангенциально расположенный патрубок. Возникающие центробежные силы обеспечивают перемещение капелек жидкости к стенкам кожуха. Воздух по спиральной траектории в кольцевом зазоре между кожухами выходит из сепаратора через штуцер. Влага удаляется через сливное отверстие.

В центробежном сепараторе (рис. 10) с осевым входом влажный воздух закручивается в винтовом аппарате, влага стекает по стенкам и выводится через штуцер. Осушенный воздух отводится через патрубок.

Влагоотделители могут быть с отбойными конусами с центробежным эффектом, создаваемым лопатками специальной конструкции.

Существенным недостатком рассмотренных схем разделения жидкой и газообразной фаз является наличие вращающихся узлов и деталей, требующих периодической замены их, проведения профилактических работ, а также дополнительного расходования энергии.

Наиболее целесообразно отделять жидкую фазу от газообразной способом, основанным на применении гидрофильных и гидрофобных капиллярно-пористых элементов.

Следует иметь в виду, что конденсационные осушители одновременно с осушкой воздуха обеспечивают его охлаждение, т. е. осуществляют регулирование температуры и влажности воздуха в гермокабине.

Принцип работы холодильно-сушильного аппарата заключается в непрерывном охлаждении и конденсации влаги из осушаемого воздуха и отводе капель жидкости путем применения капиллярно-пористых фитилей, вплотную примыкающих к холодной поверхности радиатора. Отвод конденсируемой влаги в такой системе труднорегулируем.

Воздух из кабины с температурой 25° С и с абсолютным содержанием влаги до 17,5 г на 1 кг засасывается вентилятором 2 через всасывающий воздухопровод и нагнетается в межтрубное пространство теплообменника. По трубкам 4 циркулирует жидкий хладагент при температуре +5° С, нагнетаемый через трубопровод подачи 3 из контура радиационного теплообменника. Между трубками расположены гигроскопические фитили 5, которые соприкасаются с гигроскопическим пори-

Рис. 11. Принципиальная схема холодильно-сушильного теплообменника

1 — вход воздушного потока,

2 — вентилятор,

3 — трубопровод подачи хладагента с радиационного

теплообменника,

4 — трубки теплообменника,

6 — трубопровод выхода хладагента,

7 — фитильный сборник сконденсированной влаги,

8 — вентиль откачки конденсата,

9 — выходной воздухопровод,

10 — выход воздушного потока.

Теплообменники-разделители также могут быть построены на гидрофильных и гидро

фобных пористых элементах, в которых скорость удаления жидкой фазы определяется фильтрующей способностью этих элементов и перепадом давления между газожидкостной и жидкой фазами.

Такого типа теплообменники-разделители находят все более широкое применение в отдельных аппаратах систем обеспечения жизнедеятельности и в системах кондиционирования газовой среды.

Систематизация основных способов осушки воздуха

В системах кондиционирования воздуха по температуре и влажности удаление влаги и снижение температуры — явления, связанные весьма тесно. Основным принципом, лежащим в основе способов осушки воздуха, является выпадение конденсата атмосферной влаги на охлажденных по сравнению с воздухом поверхностях теплообменников. Характерной особенностью осушки воздуха является неминуемый фазовый переход от газообразного состояния в жидкое, что в условиях отсутствия силы тяжести значительно усложняет процесс массоотвода воды и последующей ее транспортировки к аппаратам системы. Интенсификация этого процесса использованием капиллярно-пористых элементов или каких-либо других гигроскопических материалов считается эффективным средством и находит практическое применение в реально действующих аппаратах.

В систематизированном виде по временном и физико-химическим принципам организации технологических процессов способы осушки воздуха и отделения жидкой фазы от газообразной представлены на рис. 12 и 13.

В настоящее время практическое применение находят в основном регенеративные способы осушки воздуха. Значительный интерес по своим возможностям и многоцелевому назначению представляют электрохимические способы. Электролиз на электролите Р₂O₅, H2SO4, а также с использованием серебрянопалладиевого катода при одновременном поглощении водяных паров обеспечивает получение соответствующего количества кислорода и водорода. Совмещение двух процессов (осушка воздуха, регенерация О₂) в одном аппарате приводит к значительному упрощению общего технологического цикла, связанного с разложением воды на кислород и водород и т. д.

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к осушителям газов и жидкостей. В качестве матрицы осушитель содержит вещество с открытой системой пор, а в качестве активного влагопоглощающего вещества - высокогигроскопичное вещество, способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора. Для этого используют галогениды, сульфаты, нитраты щелочных и щелочноземельных металлов и их смеси, а в качестве пористой матрицы - неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси. Пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде колец или блоков сотовой структуры. Изобретение позволяет создать эффективный композитный осушитель для газов и жидкостей. 5 з.п.ф-лы.

Формула изобретения

1. Композитный осушитель газов и жидкостей, содержащий пористую матрицу с открытой системой пор, отличающийся тем, что композитный осушитель содержит активное влагопоглощающее высокогигроскопичное вещество, помещенное в поры матрицы и способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора, причем в качестве активного влагопоглощающего вещества используют растворы сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов, нитратов щелочных и щелочноземельных металлов, галогениды щелочных металлов, галогенид кальция, и их смеси.

2. Композитный осушитель газов и жидкостей по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористых матриц используют неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси.

3. Композитный осушитель газов и жидкостей по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде колец или блоков сотовой структуры.

4. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество активного влагопоглощающего раствора составляет не менее 5 мас.%.

5. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пористую матрицу предварительно подвергают термообработке при температуре 150 -900°С в окислительной, восстановительной либо инертной атмосфере в течение 0,5-10 ч.

6. Композитный осушитель газов и жидкостей по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его регенерацию производят нагреванием при температуре не ниже 100°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сорбционной технике, а именно к осушителям газов и жидкостей, и может быть использовано для улучшения качества сырья и продуктов в химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, в криогенной технике, при сварочных работах, а также для глубокой осушки технологических газовых потоков, жидкостей, парогазовых смесей.

Для этих целей используют различные адсорбенты с развитой поверхностью, такие как силикагели, оксид алюминия, цеолиты, а также жидкие абсорбенты, например растворы солей, серную кислоту, этиленгликоль. К основным недостаткам перечисленных осушителей относятся либо невысокая динамическая и статическая сорбционная емкость, либо относительно высокая температура регенерации. Кроме того, применение жидкостных абсорбентов значительно усложняет технологическую схему осушительной установки.

Проблема создания эффективного осушителя, обладающего высокими сорбционной емкостью и механической прочностью, с одной стороны, и удобного в использовании, с другой, решается путем совмещения принципа объемного поглощения паров воды жидким осушителем и адсорбции на развитой поверхности. Данный принцип реализуется в импрегнированных осушителях [Авт. св. СССР N 406552, B 01 D 53/26, БИ 46, 21.11.73; авт. св. СССР N 566616, B 01 D 53/02, БИ 28, 30.07.77: авт. св. СССР N 1219122, B 01 D 53/26, БИ 11, 23.03.86; авт. св. СССР N 1452566, B 01 D 53/26, БИ 3, 23.01.89; авт. св. СССР N 1657218, B 01 D 53/26, БИ 23, 23.06.91; авт. св. СССР N 1657219, B 01 D 53/28, БИ 23, 23.06.91]. Такие осушители представляют собой композицию гигроскопичной соли (как правило, хлорида кальция или лития, либо бромида лития) и пористого носителя (как правило, силикагеля, оксида алюминия или пористого угля), применяемых в настоящее время, в основном, в фильтрующих элементах средств индивидуальной защиты.

Недостатками таких композитных систем являются: вытекание активного компонента из порового пространства матрицы, разрушение осушителя при регенерации, необходимость внесения в композицию дополнительного связующего и, в ряде случаев, необходимость проведения процесса пропитки при повышенной температуре и в несколько стадий. Вышеуказанные сложности вызваны, по видимому, как низкой механической прочностью используемых матриц, так и блокировкой значительной части порового пространства солью в силу неравномерного ее распределения, что приводит к вытеканию активного компонента.

Наиболее близким к предлагаемому композитному осушителю газов и жидкостей является импрегнированный формованный осушитель воздуха [Авт.св. СССР N 1620789, B 01 D 53/26,1991, содержащий пористую матрицу с открытой системой пор, и высокогигроскопические вещества.

Недостатком прототипа является невысокая динамическая емкость.

Это связано с блокировкой части порового пространства солью.

Изобретение решает задачу создания эффективного композитного осушителя для газов и жидкостей.

Задача решается путем создания композитного осушителя газов и жидкостей, состоящего из пористой матрицы и активного влагопоглощающего вещества, помещенного в поры матрицы.

В качестве матрицы он содержит вещество с открытой системой пор, а в качестве активного влагопоглощающего вещества - высокогигроскопичное вещество, способное к обратимым процессам гидратации - дегидратации, которое находится в порах в виде раствора.

В качестве активного влагопоглощающего вещества используют растворы галогенидов, сульфатов, нитратов щелочных и щелочноземельных металлов и их смеси, а в качестве пористой матрицы - неорганические оксиды, пористые угли, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси.

Пористые матрицы могут иметь микропоры, мезопоры и крупные транспортные поры и изготавливаются в виде сфер диаметром 1-6 мм, либо в виде черенков диаметром 2-5 мм и длиной 3-15 мм, либо в виде частиц неправильной формы, либо в виде колец или блоков сотовой структуры.

Количество активного влагопоглощающего раствора составляет не менее 5 мас.%.

Пористую матрицу предварительно подвергают термообработке при температуре от 150 до 900 o C в окислительной, восстановительной либо инертной атмосфере в течение 0.5 - 10 часов.

Регенерацию композитного осушителя производят нагреванием при температуре не ниже 100 o C.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 3 мм и длиной 5-7 мм, имеющий открытую систему микро-, мезо- и транспортных пор, прогревают в токе воздуха в течение 2 часов при температуре 200 o C. После охлаждения в поры оксида алюминия помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 20 мас.%. Полученный композитный осушитель помещают в адсорбер объемом 1 литр и регенерируют нагреванием до температуры 150 o C в токе воздуха в течение 5 часов. После охлаждения до комнатной температуры на вход адсорбера подают сжатый воздух, предварительно пропущенный через барботер, наполненный водой. Содержание влаги во входящем газе составляет 2.05 г/нм 3 , расход воздуха составляет 2 нм 3 /час. Процесс осушки газа прекращают после достижения выходящим воздухом влажности 100 ррм (объемных). Продолжительность цикла осушки составила 53.6 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги, определенное путем его взвешивания до и после эксперимента, составляет 220.1 г. Динамическая емкость композитного осушителя, определяемая как отношение массы поглощенной воды к массе сухого сорбента, составляет дин = 0,25 г/г.
Пример 2. Аналогично примеру 1, регенерацию композитного осушителя проводят при температуре 120 o C. Продолжительность цикла осушки составляет 53.5 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 219.5 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составила 0.248 г/г.

Пример 3. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют, активный оксид алюминия в виде сфер диаметром 4-6 мм, предварительно прогретый в токе воздуха в течение 3 часов при температуре 250 o C. После охлаждения в поры оксида алюминия помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 10 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 51.4 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 210.7 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составила 0.24 г/г.

Пример 4. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют силикагель в виде сфер диаметром 2-6 мм, обладающий открытой системой мезопор, предварительно прогретый в токе воздуха при температуре 150 o C в течение 1.5 часа. После охлаждения в поры силикагеля помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 30 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 69.8 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 286.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составила 0.45 г/г.

Пример 5. Аналогично примеру 4, но в поры силикагеля помещают раствор бромида лития. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 27.2 мас. %. Продолжительность цикла осушки составляет 72.6 часа. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 297.8 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.46 г/г.

Пример 6. Аналогично примеру 3, но в поры оксида алюминия помещают раствор сульфата натрия. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 17 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 48.7 час. Количество поглощенной композитным сорбентом влаги составляет 199.8 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.21 г/г.

Пример 7. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного сорбента используют пористый углерод в виде сфер диаметром 1-3 мм, обладающий открытой, системой микропор и крупных пор, предварительно прогретый в атмосфере кислорода при температуре 290 o C в течение 5 часов. После охлаждения в поры углерода помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 23 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 44 часа. Количество поглощенной влаги составляет 180.2 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.19 г/г.

Пример 8. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют природную глину, обладающую открытой системой крупных пор, в виде блоков сотовой структуры, предварительно прогретую в инертной атмосфере при температуре 900 o C в течение 10 часов. После охлаждения до комнатной температуры в поры глины вносят раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 10.5 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 43.5 часа. Количество поглощенной влаги составляет 178.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.2 г/г.

Пример 9. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют пористый никель, обладающий открытой системой крупных пор, предварительно прогретый в токе водорода при температуре 210 o C в течение 0.5 часа. После охлаждения в поры никеля помещают раствор хлорида кальция. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составило 5 мас. %. Продолжительность цикла осушки составляет 36.8 часа. Количество поглощенной влаги составляет 150.7 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.1 г/г.

Пример 10. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 5 мм и длиной 15 мм, а в качестве осушаемого газа используют метан. Продолжительность цикла осушки составляет 54.9 часа. Количество поглощенной влаги составляет 225.2 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.26 г/г.

Пример 11. Аналогично примеру 1, но для приготовления композитного осушителя используют активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 2 мм и длиной 3-5 мм, в поры которого помещают раствор нитрата магния. Содержание соли в композитном сорбенте в пересчете на сухой вес составляет 19 мас.%. Продолжительность цикла осушки составляет 49 часов. Количество поглощенной влаги составляет 201.3 г. Динамическая емкость композитного сорбента дин составляет 0.24 г/г.

Пример 12.99 мл ацетонитрила марки ОСЧ (содержание воды не более 0.02%) смешивают с 1 мл дистиллированной воды. Содержание воды в смеси, определенное по методу Фишера, составляет 0.980.01%. В смесь помещают 10 г композитного осушителя приготовленного и регенерированного по методике примера 1 и перемешивают в течение 15 мин магнитной мешалкой в герметично закрытой колбе. После декантации ацетонитрила содержание воды в нем, определенное по методу Фишера, не превышает 0.040.01%.

Пример 13. Аналогично примеру 12, но в качестве осушаемой жидкости используют толуол. Количество воды в осушенном толуоле не превышает 0.0350.005%.

Пример 14. 100 мл технического касторового масла с содержанием воды ок. 10% смешивают с 25 г композитного осушителя, приготовленного и регенерированного по методике примера 1, и перемешивают в течение 20 мин магнитной мешалкой в герметично закрытой колбе. После декантации масла содержание воды в нем, определенное по методике Кауфманна-Функе, составляет 0.10.01%.

Пример 15. Композитный осушитель в количестве 20 г, приготовленный и регенерированный по условиям примера 1, помещают в эксикатор, заполненный раствором серной кислоты с концентрацией 35 мас.%. Относительная влажность над раствором составляет 66 отн.%. Через 48 часов увеличение веса образца композитного осушителя составляет 11.2 г. Статическая влагоемкость осушителя, определяемая как отношение массы поглощенной сорбентом воды к сухому весу осушителя, стат составляет 0.56 г/г.

Пример 16. Композитный осушитель в количестве 18 г., приготовленный и регенерированный по условиям примера 4, помещают в эксикатор, заполненный раствором серной кислоты с концентрацией 35 мас.%. Относительная влажность над раствором составляет 66 отн.%. Через 48 часов увеличение веса образца осушителя составляет 12.4 г. Статическая влагоемкость осушителя стат составляет 0.69 г/г.

Примеры 17-20, где в качестве осушителей используют стандартные промышленные осушители, приведены для сравнения.

Пример 17. Аналогично примеру 1, но в качестве осушителя в адсорбер загружают активный оксид алюминия в виде черенков диаметром 3 мм и длинной 5-7 мм, общий объем загрузки составляет 1 литр. Продолжительность цикла осушки составляет 18.3 часа. Количество поглощенной оксидом алюминия влаги составляет 75.1 г. Динамическая емкость окиси алюминия дин составляет 0.11 г/г.

Пример 18. Аналогично примеру 4, но в качестве осушителя в адсорбер загружают силикагель марки КСМ с размером зерен 2-4 мм, общий объем загрузки составляет 1 литр. Продолжительность цикла осушки составляет 38.9 часа. Количество поглощенной силикагелем влаги составляет 159.6 г. Динамическая емкость силикагеля дин составляет 0.19 г/г.

Пример 19. Аналогично примеру 12, но в качестве осушающего агента используют цеолит марки 4А в количестве 10.5 г., регенерированный при 400 o C в течение 8 часов. После декантации ацетонитрила содержание воды в нем составляет 0.080.01%.

Пример 20. Аналогично примеру 17, но в эксикатор с раствором серной кислоты помещают силикагель с размером гранул 2-4 мм в количестве 20 г. Через 72 часа увеличение веса образца силикагеля составляет 3.3 г. Статическая влагоемкость силикагеля стат составляет 0.165 г/г.

Как следует из примеров, предлагаемые композитные осушители, обладают более высокой динамической емкостью к водяным парам (до 0.46 г воды на 1 г осушителя), чем стандартные промышленные осушители и импрегнированные осушители (в авт. св. N 1452566 динамическая емкость не превышает 0.13 г воды на 1 г осушителя), обладают более высокой осушающей способностью в отношении жидкостей, более высокой статической влагоемкостью (в авт. св. N 1657218 статическая емкость не более 0.024 г/г), и способны регенерироваться при более низких температурах. Приведенные примеры демонстрируют преимущества предлагаемых композитных осушителей по сравнению с традиционными материалами и показывают возможность применения композитных осушителей для осушки газовых потоков, включая природный газ, для осушки неполярных жидкостей, в т. ч. органических растворителей и масел, для поддержания низкой влажности в закрытых объемах в статических условиях, в том числе в оконных блоках и других областях техники и производства.

Приводим описание обычно употребляемых осушителей с указанием их осушительной способности и случаев их применения.

Безводный хлорид кальция (СаС1₂). Благодаря своей доступности, дешевизне, простоте приготовления и высокой осушительной способности широко применяется в качестве осушителя. Он очень хорошо адсорбирует воду, так как при температурах, не превышающих 30 °С, образует СаС1₂ . 6Н₂О. Однако хлорид кальция не относится к числу быстродействующих осушителей и для высушивания им требуется продолжительное время. Медленность действия обусловливается тем, что поверхность твердого хлорида кальция покрывается тонким слоем его раствора в извлекаемой воде; при стоянии вода поглощается с образованием твердого низшего гидрата, который в свою очередь также является осушителем.

В процессе приготовления безводного хлорида кальция (выпаривание насыщенного раствора и последующее прокаливание) обычно, хотя и в незначительной степени, происходит гидролиз соли. Вследствие этого осушитель всегда может содержать небольшое количество гидроксида кальция или основной соли кальция. Поэтому нельзя применять хлорид кальция для высушивания кислот или кислых жидкостей.

Хлорид кальция образует соединения со спиртами, фенолами, аминами, аминокислотами, амидами и нитрилами кислот, кетонами, некоторыми альдегидами и сложными эфирами, и потому его нельзя употреблять для высушивания таких веществ.

Безводный сульфат магния (МgSО₄). Он является очень хорошим нейтральным осушителем. Высушивает быстро, химически инертен, а потому может применяться для высушивания наибольшего числа соединений, включая и те, для которых неприменим хлорид кальция.

Гранулированный сульфат магния получают осторожным нагреванием МgSО₄-7Н₂О сначала при 150-175 °С в муфельной или какой-либо другой печи до тех пор, пока не будет удалена большая часть гидратной воды, а затем при красном калении.

Можно получить безводный сульфат магния и более быстро, но с меньшей осушительной способностью, нагревая в чашке на голом пламени горелки тонкий слой кристаллической соли. Вещество при этом частично плавится и обильно, выделяет пары воды.

Твердый остаток (кусочки и порошок) растирают в ступке в порошок и хранят в плотно закрытой банке. Если при прокаливании размешивать кристаллическую соль стеклянной папочкой, то сразу получают только сухой порошок.

Безводный сульфат натрия Nа₂SО₄). Это нейтральный, дешевый осушитель, обладающий высокой способностью к адсорбции воды: при температуре ниже 32,4 °С он образует гидрат Nа₂SО₄ . 10Н₂О. Его можно употреблять почти во всех случаях, но высушивает он медленно и не до конца. Безводный сернокислый натрий следует применять для предварительного удаления больших объемов воды. Он не пригоден в качестве осушителя для таких растворителей, как бензол и толуол, растворимость которых в воде мала; в этих случаях лучше применять безводный сульфат меди. Безводный сульфат натрия нельзя применять как осушитель при температурах выше 32,4°С - температуры разложения декагидрата (Nа₂SО₄ . 10Н₂О).

Безводный карбонат калия (К2СО₃). Обладает умеренным осушающим действием, он образует дигидрат К₂СО₃ . 2Н₂О. Применяется для высушивания кетонов, нитрилов, сложных эфиров некоторых кислот. Иногда, например, при высушивании аминов им заменяют гидроксид калия и гидроксид натрия, во избежание действия сильной щелочи. Карбонат калия нельзя потреблять для высушивания кислот, фенолов и других кислых соединений.

Безводный карбонат калия часто применяется для высаливания растворенных в воде спиртов, гликолей, кетонов, простых 1фиров и аминов. Во многих случаях безводный карбонат калия можно заменять безводным сульфатом магния.

Гидроксид натрия (NаОН) и гидроксид калия (КОН). Их применяют главным образом для высушивания аминов (для этой цели можно также применять оксид кальция, оксид бария и натронную известь). Иногда лучше применять гидроксид калия, чем гидроксид натрия. Большую часть воды можно сначала удалить встряхиванием с концентрированным раствором гидро-ксида калия. Гидроксид натрия и гидроксид калия реагируют в присутствии воды со многими органическими соединениями (кислотами, фенолами, сложными эфирами, амидами) и растворяются в некоторых органических жидкостях, поэтому находят лишь весьма ограниченное применение в качестве осушителей.

Оксид кальция (СаО). Его применяют обычно для высуши-вания спиртов, обладающих низкой молекулярной массой. Действие оксида кальция может быть усилено предварительным нагреванием его до 700-900 °С. Оксид кальция и образующийся гидроксид кальция нерастворимы в высушиваемой жидкости, устойчивы к нагреванию и практически нелетучи, поэтому нет надобности отделять осушитель перед перегонкой. Оксид кальция (из-за его сильной щелочности) нельзя применять для высушивания кислых соединений и сложных эфиров; последние претерпевали бы омыление. Спирты, высушенные перегонкой над натронной известью или оксидом кальция, все же не вполне сухи; последние следы влаги из них можно удалить перегонкой над металлическим кальцием, амальгамой магния или алюминия, или обработкой небольшим количеством натрия и высококипящим сложным эфиром.

Оксид алюминия (А1₂О₃), приготовленный из гидроксида алюминия, может адсорбировать воду до 15-20% своей массы. Активность использованного оксида алюминия может быть вос-

становлена нагреванием при 175 °С в течение 7-8 ч и заметно не снижается при повторном употреблении. Применяется как осушитель в эксикаторах.

Оксид фосфора (V) (Р₂О₅). Исключительно эффективный и быстродействующий осушитель. Однако оксид фосфора дорогой препарат и к тому же неудобный в обращении; при употреблении его поверхность быстро покрывается густым сиропом. Поэтому необходимо предварительно высушивать жидкость безводным сульфатом магния или другим подобным осушителем. Оксид фосфора следует употреблять только в тех случаях, когда требуется исключительно высокая степень высушивания. Его применяют, например, для высушивания углеводородов, простых эфиров, алкил- и арилгалргенидов и нитрилов, но не используют для осушки спиртов, кислот, аминов и кетонов. Оксид фосфора применяют иногда как осушитель в эксикаторах.

Металлический натрий (Nа). Применяется для высушивания парафиновых, циклопарафиновых, этиленовых и ароматических углеводородов, а также простых эфиров. Предварительно большую часть воды из жидкости или раствора удаляют безводным хлоридом кальция или сульфатом магния. Применение натрия наиболее эффективно в виде тонкой проволоки, которую выдавливают прямо в жидкость специальным прессом; таким путем создается большая поверхность для соприкосновения с жидкостью. Нельзя применять натрий для высушивания таких соединений, с которыми он реагирует и которым может быть вредна образующаяся щелочь или когда высушиваемое соединение может восстанавливаться водородом, выделяющимся при обезвоживании. Следовательно, нельзя применять натрий для высушивания спиртов, кислот, сложных эфиров. органических галогенидов, альдегидов, кетонов и некоторых аминов.

При работе с натрием следует соблюдать особую осторожность.

Концентрированная серная кислота (Н₂SО₄). Применяется, например, для высушивания брома, с которым она не смешивается. Для высушивания брома, бромистого этила и некоторых других галоидных алкилов их встряхивают в делительной воронке с небольшими количествами концентрированной кислоты до тех пор, пока не прекратится ее действие.

Концентрированная серная кислота широко используется в качестве осушителя в эксикаторах.

На сегодняшний день известно множество разнообразных примесей. К примеру, это могут быть механические загрязнения. Они содержатся как в сжатом воздухе, так и в самом природном газе. После того как эти примеси попадают в установки, к примеру в магистрали по перекачке газа, то все приборы, работающие в этом месте, подвергаются воздействию данных частиц. Это приводит к тому, что сильно увеличивается их износ.

Влага в качестве примеси

Естественно, нужно понимать, что механические примеси - это не единственная проблема. Довольно большую опасность несет такое вещество, как обычная жидкость, вода. Как бы это ни звучало странно, но именно во время добычи природного газа проблема с водой стоит достаточно остро. Это выражается в том, что возможно образование водяных паров. Их возникновение, а также плотность зависит от расположения места добычи. Хотя здесь важно отметить, что пары такого типа присутствуют в любом случае, просто их концентрация может быть разной.

Чем опасна влага?

Причина достаточно очевидна - коррозия металлических труб, по которым перемещается газ. В основном все приборы, как и трубопроводы, состоят именно из сплавов железа. Наличие влаги внутри такой трубы приведет к тому, что образуются гидраты. Кроме этого, не исключено образование и обычного льда. Наличие любой из этих примесей приведет к следующему эффекту: внутри образуется пробка, которая будет препятствовать транспортировке природного газа. Кроме того, появление гидратов нарушает работу большинства регулирующих органов, отвечающих за поддержание должного давления.

Из всего этого следует, что осушка газа - процедура удаления такой примеси, как влага. Данная проблема стоит наиболее остро именно при транспортировке голубого топлива. Здесь также стоит добавить, что большинство установок по добыче летучего вещества находятся вдали от инфраструктуры, на Крайнем Севере. По этим причинам все установки должны соответствовать некоторым правилам. Первое и наиболее важное требование - это способность функционировать при достаточно широком диапазоне внешних температур, включая наиболее низкие. Второе важное требование - это надежность установок, а третье - доступность в эксплуатации и обслуживании.

Способы осушки

Осушка газа - это метод, который позволяет избавиться от образования гидратов или ледяных пробок. В настоящее время различают четыре основных метода проведения этой операции.

Охлаждение. В данном случае используется холод, как естественный, так и искусственно созданный.
Метод абсорбции предполагает использование жидких поглотителей.
Метод адсорбции проводится с использованием уже твердого поглотителя.
Еще один способ является комбинированным. К примеру, можно использовать абсорбцию и охлаждение.

Способ охлаждения газа

Первый способ осушки газа - это охлаждение. Метод основывается на том, что влажность газа изменяется в зависимости от окружающей температуры. К примеру, если охладить газ, который до этого был теплым, то часть влажного пара сконденсируется. Конденсат, который выпадет в данном случае, достаточно просто удалить, а сам газ будет иметь более низкую точку росы. Для того чтобы достичь необходимой осушки газа таким способом, нужно, чтобы он охладился до температуры, которая будет немного ниже, чем минимальный показатель в трубопроводе.

Что касается естественного охлаждения, то он возможен в течение зимнего периода и в том случае, если трубопровод был проложен над землей. Также температура воздуха должна быть ниже, чем показатели почвы. Есть еще один способ, который можно использовать. Для этого необходимо, чтобы месторождение обладало запасами природного и нефтяного газа. В таком случае появляется возможность охладить нефтяной газ холодом в теплообменнике. Холод берется в нем после процедуры дросселирования природного топлива. Проводить охлаждение можно и дросселированием нефтяного газа.

Есть еще один способ охлаждения, который часто применяется на разных заводах по переработке газа. Искусственный метод проводится с использованием аммиака или пропана. Для этого проводится испарение этих веществ. Так, стоит отметить, что осушка природного газа охлаждением в любом случае будет частично удалять такие вещества, как тяжелые углеводороды.

Жидкие поглотители

Абсорбционная осушка газа, а точнее ее суть, заключается в том, что некоторые жидкие вещества способны впитывать в себя влагу из воздуха. Для того чтобы вещество можно было использовать в качестве такого поглотителя, оно должно подходить по нескольким требованиям:

влагоемкость вещества должна быть очень высокой;
поглотитель не должен быть токсичным;
стабильность;
предмет не должен обладать корродирующими характеристиками;
растворимость поглотителя в таком веществе, как газ или жидкий углеводород, должна быть минимальной;
регенерация поглотителя - простая.

Наилучшие вещества, которые подходят под это описание, - ДЭГ и ТЭГ. Расшифровываются они как диэтиленгликоль и триэтиленгликоль. Если рассматривать в основном только российские места и способы добычи, то чаще всего используется именно ДЭГ. В качестве вещества применяют такой химический реагент, как хлористый кальций.

Поглотители твердого типа

Адсорбционная осушка газа построена примерно на том же принципе, что и предыдущий метод, однако вместо жидкого вещества здесь используются твердые материалы. В данном случае эти предметы называют адсорбентами. Они отличаются тем, что их площадь достаточно большая, к тому же вся она покрыта множеством капиллярных пор. В качестве таких материалов можно успешно применять такое сырье, как активированная окись алюминия, боксит, флорит и несколько других веществ.

Здесь очень важно отметить, что если газ предварительно не пройдет очистку от некоторых других примесей, таких как тяжелые углеводороды или сероводород, то способность адсорбентов впитывать влагу будет значительно снижена. Это говорит о том, что схема осушки газа не может использоваться как самостоятельная система. Чтобы осуществить регенерацию твердых поглотителей, нужно использовать либо сухой горячий газ, либо воздух.

Конструкция установок для осушки

Оборудование для осушки состоит из нескольких сборных элементов, они оборудованы всеми средствами контроля, а также управления для выполнения операции. Все это оборудование отличается следующими особенностями:

процесс регенерации осуществляется в полностью закрытом контуре, к тому же без потребления природного топлива;
в состав входят логические схемы автоматического типа, отвечающие за управление и контроль всей системы;
рама-основание для этого приспособления стоит отдельно;
обслуживание и использование таких установок максимально простое;
гибкость станций и их надежность достаточно высоки;
при сборке они изготавливаются таким образом, чтобы оборудование могло функционировать на 100 % при условии очень низких температур.

Устройства с жидкими поглотителями

Если в качестве метода осушки газа был выбран абсорбционный, то в таком случае основным аппаратом будет абсорбер. Это вполне объяснимо. Установка осушки газа имеет и другие элементы, однако этот является наиболее важным. Абсорбер представляет собой барботажную колонну, использующуюся в качестве массообмена. Также здесь имеются специальные тарелки, у которых есть колпаки круглой или конусной формы. Они будут отвечать за то, чтобы на тарелках всегда поддерживался необходимый уровень жидкости.

Использование методов осушки

Как можно заметить, существует некоторое количество разнообразных методов осушки газа, однако стоит добавить, что их не всегда удается использовать. При выборе метода очень важно учитывать местность, где проводится добыча и, естественно, экономические затраты и выгоду.

Таким образом, в лабораториях чаще всего применяется лишь один - химический способ осушки. Здесь важно понимать, что на самом деле существует очень много веществ, которые могут выступать в роли абсорбентов или адсорбентов.

Хотя проблема заключается в том, что использование химических веществ - это одноразовый процесс, подобный факт означает, что его применение полностью не рентабельно в индустриальном масштабе. Учитывая достаточно большие объемы газовой индустрии в России, можно сделать вывод, что это будет весьма затратно. Все это подтолкнуло индустрию к развитию полностью физических методов осушки. В конце стоит лишь добавить, что метод абсорбции с точки зрения экономических затрат, а также сложности технического исполнения намного проще и дешевле, чем адсорбция, что и обусловило распространение жидких поглотителей.

Читайте также: