СПОСОБ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ГАЗОНАПОЛНИТЕЛЬНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ И АВТОМОБИЛЬНАЯ ГАЗОНАПОЛНИТЕЛЬНАЯ КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 2001 года по МПК B01D53/26 F17C5/06 

Изобретение относится к газовой промышленности и в частности к автомобильным газонаполнительным компрессорным станциям (далее по тексту - АГНКС).

Известен способ осушки природного газа на газонаполнительных компрессорных станциях, основанный на применении адсорбентов (см., например, Технологический регламент по заправке автомобилей сжатым природным газом на АГНКС с компрессорными установками типа 2НВ 2К 160/100, Российское акционерное общество "Газпром", М., 1994 г.). В данном конкретном случае в качестве адсорбента используют молекулярные сита (Цеосорб 4AК2).

Необходимость тщательного удаления влаги из природного газа при его дальнейшем использовании в двигателях внутреннего сгорания (в соответствии с современными требованиями содержание влаги в конечном газе не должно превышать 0,009 г/нм³) связана с нарушениями работы двигателя и особенно в зимнее время года.

При осуществлении адсорбционных методов осушки природных газов на газонаполнительных компрессорных станциях в качестве адсорбентов используют силикагели и цеолиты (см., например, Технологический регламент по заправке автомобилей сжатым природным газом на АГНКС с компрессорными установками типа 4HR 3KN-200/210-5-249 WLK, Российское акционерное общество "Газпром", М., 1995 г.)
Наиболее значительный недостаток применения дорогостоящего и достаточно ненадежного адсорбционного метода осушки природного газа, требующего постоянного слежения за состоянием адсорбента и не гарантирующего постоянства состава природного газа по влаге из-за зависимости парциального давления водяного пара над адсорбентом от различной степени его насыщения, состоит в необходимости регенерации адсорбента. При этом АГНКС снабжают по меньшей мере двумя адсорберами, один из которых работает в режиме осушки, а второй - в режиме регенерации, для чего необходимо дополнительное оборудование для нагрева воздуха или природного газа.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ осушки природного газа абсорбционным методом с использованием в качестве абсорбента растворов серной кислоты (К.С. Зарембо и Г.И. Нусинов. Очистка, осушка и одоризация природных газов. - М-Л. : Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно- топливной литературы, 1947 г., стр. 99). Данный способ отличается столь существенными недостатками, что не нашел практического применения для целей осушки природного газа и используется лишь в лабораторных условиях. Недостатки способа состоят в следующем. Если не составляет труда подобрать необходимую для глубокого обезвоживания природного газа концентрацию серной кислоты, то практически невозможно реализовать процесс с поддержанием этого состава в ходе процесса. При этом зависимость парциального давления паров воды над кислотой от ее концентрации столь значительна, что ощутимое снижение концентрации кислоты в ходе процесса недопустимо, поскольку не будут выдержаны требования к содержанию паров воды в природном газе. Регенерация кислоты, связанная с ее упаркой, - процесс весьма сложный и требующий особых приемов для соблюдения требований к экологическому состоянию производства (см. , например, Справочник сернокислотчика, Издание 2-е дополненное и переработанное под редакцией К.М. Малина. - М.: Химия, 1971 г. , стр. 659-698).

Известны АГНКС, содержащие узлы первичной очистки природного газа, осушки, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов, причем узел осушки технологически установлен после узла компремирования природного газа (см. , например, Технологический регламент по заправке автомобилей сжатым природным газом на АГНКС с компрессорными установками типа 4HR 3KN-200/210-5-249 WLK, Российское акционерное общество "Газпром", М., 1995 г.). Основной недостаток АГНКС данного типа состоит в использовании узла осушки, работающего по адсорбционному методу.

Наиболее близкой к настоящему изобретению является АГНКС, в которой узел осушки размещен перед узлом компремирования (см., например, Технологический регламент по заправке автомобилей сжатым природным газом на АГНКС с компрессорными установками типа 2НВ 2К 160/100, Российское акционерное общество "Газпром", М., 1994 г.). Основной недостаток АГНКС данного типа также состоит в использовании узла осушки, работающего по адсорбционному методу.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в упрощении способа обезвоживания природного газа, в исключении использования дорогостоящих ненадежных в эксплуатации и требующих дополнительного оборудования для регенерации адсорбентов, в упрощении конструкции и эксплуатации АГНКС.

Технический результат при использовании настоящего изобретения состоит в организации простой и надежной осушки природного газа, в стабилизации состава газа после осушки по содержанию паров воды, в удешевлении процесса и используемой аппаратуры.

Для достижения указанного технического результата в способе осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), включающем взаимодействие влажного природного газа с серной кислотой, одновременно с процессом осушки проводят регенерацию серной кислоты с поддержанием ее постоянного состава путем электролиза.

В автомобильной газонаполнительной компрессорной станции, содержащей узлы первичной очистки природного газа, осушки, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов, узел осушки выполнен в виде заполненного серной кислотой газлифтного барботажного реактора, имеющего корпус со штуцерами для подвода и вывода природного газа и вынесенную циркуляционную трубу, циркуляционная труба снабжена расширителем с установленными в нем и соединенными с источником тока электродами, штуцер для подвода природного газа связан с узлом первичной очистки, а штуцер для вывода - с узлом компремирования. Корпус газлифтного барботажного реактора со стороны штуцера для вывода природного газа снабжен расширителем с размещенными в нем брызгоуловителями. На линии, соединяющей узлы осушки и компремирования, установлен дополнительный брызгоуловитель, выполненный в виде емкости, заполненной активным по отношению к серной кислоте твердым веществом, например карбонатом, оксидом или гидроксидом магния, кальция или алюминия, вставки с волокнистыми фильтрами тонкой очистки или электрофильтра.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем. В исходном природном газе, поступающем на АГНКС, содержится избыточное против нормируемого количество паров воды. По имеющимся данным при поступлении газа под избыточным давлением 0,3-0,5 МПа содержание паров воды составляет в среднем 0,4 г/нм³. При сжатии до 20-25 МПа температура точки росы подобного газа составляет около 40^oC при нормируемой температуре точки росы 30^oC. Следовательно, из каждого нормального кубического метра природного газа должно быть уловлено не менее 390 мг.

Целесообразно привести данные по равновесному давлению паров воды и серной кислоты над растворами последней при температуре входа газа на АГНКС, составляющей около 25^oC (приведенные данные - см. Справочник сернокислотчика. Издание 2-е дополненное и переработанное под редакцией К.М. Малина, М. : Химия, 1971 г., стр. 110, таблица 11-60) (см. в конце описания).

Процесс улавливания воды из поступающего природного газа необходимо проводить при минимальной, но обеспечивающей требуемое улавливание паров воды концентрации серной кислоты, поскольку в этом случае обеспечивается минимальный же вынос паров серной кислоты из абсорбционного аппарата. Достаточно простыми расчетами требуемая концентрация серной кислоты определяется на уровне 85 вес.%. Изложенное выше подтверждает достаточно быстрое разбавление кислоты в ходе улавливания паров воды, что имеет следствием повышение парциальной упругости воды на выходе из абсорбционного процесса осушки сверх лимитируемой величины. Одновременно подтверждается необходимость разложения достаточно малого количества воды в ходе предлагаемого электролизного процесса. При проведении электролизного процесса одновременно с улавливанием кислотой паров воды достигается как постоянство ее состава в ходе процесса, так и постоянство содержания влаги в конечном газе, что практически недостижимо в имеющихся и описанных выше способах осушки природного газа.

Собственно процесс электролиза серной кислоты достаточно хорошо изучен, но лишь с целью практического применения для получения надсерной кислоты (см. , например, Проблемы электрокатализа, Академия наук СССР, М.: Наука, 1980 г. , стр. 207-216). Установлено, что при принимаемой для осушки концентрации серной кислоты и использовании платинового электрода целесообразно поддерживать рабочее напряжение на уровне 1,5-2,3 В, чем обеспечивается преимущественное выделение кислорода из воды (преимущественное образование надсерной кислоты проходит при наложенном напряжении 2,5-3,5 В). Установлено также (см., например, Л.М. Якименко. Электродные материалы в прикладной электрохимии. - М. : Химия, 1977 г., стр. 23), что процесс синтеза надсерной кислоты практически не имеет места при использовании электродов из золота (вполне стойкого в условиях предлагаемого процесса) и свинца (его применение недопустимо по причине активной коррозии в этих же условиях).

АГНКС по настоящему изобретению включает узел осушки природного газа, размещенный между узлом первичной очистки и узлом компремирования. Наиболее целесообразная конструкция узла осушки представляет собой газлифтный барботажный реактор с вынесенной циркуляционной трубой. При барботаже природного газа через слой залитой в реактор кислоты возникает естественная циркуляция, причем кислота в циркуляционной трубе практически не содержит газовых включений. Собственно конструкция барботажного реактора достаточно хорошо известна (см., например, В.Н. Соколов и И.В.Доманский. Газожидкостные реакторы. - Л. : Машиностроение, Л. О. , 1976 г., стр. 77-84). В настоящем изобретении предусматривается оснащение циркуляционной трубы расширителем, в котором размещены соединенные с источником тока электроды. Типичное межэлектродное расстояние при процессах, подобных описываемому, составляет 2-5 мм, типичные величины плотности тока лежат в пределах 0,1-0,6 А/см.

В предлагаемом процессе наиболее серьезная задача состоит в исключении выноса брызг серной кислоты из узла осушки в последующую аппаратуру. Данная задача решается выбором достаточно малых приведенных скоростей газа в барботажном реакторе, увеличением расстояния между уровнем кислоты и штуцером для вывода газа, оснащением корпуса газлифтного реактора со стороны штуцера для вывода газа расширителем со встроенными брызгоуловителями (наиболее целесообразно применение тонкопористых фторопластовых элементов или матов из фторопластовых нитей) и размещением на линии, соединяющей узлы осушки и компремирования, дополнительного брызгоуловителя. Последний может быть выполнен в виде емкости, заполненной активным по отношению к серной кислоте твердым веществом, например карбонатом, оксидом или гидроксидом магния, кальция или алюминия. Возможно выполнение дополнительного брызгоуловителя в виде вставки с волокнистыми фильтрами тонкой очистки. Более сложным, но и более надежным является выполнение дополнительного брызгоуловителя в виде электрофильтра.

Следует отметить особенность осушки газа на АГНКС, позволяющую использовать тщательную фильтрацию газа от брызг серной кислоты. В процессах общей химической технологии, имеющей дело со значительными потоками газовых фаз, использование аппаратов, создающих достаточно большое гидравлическое сопротивление, упирается в сложности, связанные с собственно тягодутьевой аппаратурой (вентиляторы, компрессоры и т.д.). В случае АГНКС исходное давление природного газа многократно превышает гидравлическое сопротивление брызгоуловителей, и их использование не составляет технических трудностей.

Следует отметить и следующее. Парциальная упругость паров серной кислоты способна в наихудшем варианте привести к выносу серной кислоты из узла осушки в виде паров в количестве, не превышающем 0,04-0,08 мг H₂SO₄/нм³ природного газа. Попадание столь малого количества серной кислоты в последующую аппаратуру не может привести к нарушениям в ее работе. В реальном процессе по настоящему изобретению в последующую аппаратуру не может попасть даже столь малое указанное выше количество серной кислоты, поскольку ее дальнейшее улавливание предусмотрено в дополнительном брызгоуловителе, размещенном на линии, соединяющей узлы осушки и компремирования АГНКС.

Собственно процесс электролиза легко управляем, например, по величине плотности или электропроводности серной кислоты.

Очевидно, что в процессе электролиза происходит выделение в газовую фазу кислорода и водорода. Однако выделившееся количество кислорода и водорода мало и не может оказать какого либо влияния на потребительские свойство природного газа.

Пример. Природный газ подводят к АГНКС с избыточным давлением 0,5 МПа при 25^oC в количестве 110 нм³/ч. Влагосодержание исходного природного газа 400 мг/нм³. Газ вводят в контакт с серной кислотой, имеющей концентрацию 85 вес.% Парциальная упругость паров воды над кислотой данного состава 0,039 мм ртутного столба, что соответствует предельно низкому равновесному с кислотой содержанию паров воды в природном газе на выходе из узла осушки на уровне 7,6 мг/м³. Природный газ на выходе имеет в своем составе 8,5 мг/нм³ водяных паров. В течение часа в узле осушки улавливают 0,043 кг воды (2,4 моль). Электролиз проводят, используя в качестве электродов титан платинированный. При выходе по току 70% для разложения данного количества воды потребно 183,8 А•ч электрической энергии. Наложенная разность потенциалов составляет 2 В. При удельной электропроводности водного раствора серной кислоты (85 вес.%) 0,098 Ом^-1• см^-1 и расстоянии между электродами 0,5 см поверхность последних при реализации способа составляет 470 см². Плотность тока в процессе - 0,39 A/см², что лежит в обычно принимаемых пределах. При электролизе выделяется 0,0435 г водорода (4,8 • 10^-4 нм³ и 0,348 г кислорода (2,4 • 10^-4 нм³ в расчете на 1 нм³ природного газа, что соответствует 0,048 и 0,024 об.%.

Общая структурная схема АГНКС по настоящему изобретению приведена на фиг. 1.

Природный газ поступает в узел первичной очистки и далее в барботажный газлифтный реактор, заполненный серной кислотой выбранной концентрации. На линии циркуляции серной кислоты (внешний контур циркуляции) установлен расширитель с размещенными в нем и соединенными с источником тока электродами. По сути расширитель представляет собой электролизер. Газлифтный реактор имеет встроенный брызгоуловитель. На линии, соединяющей газлифтный реактор и узел аккумулирования сжатого (до 20-25 МПа) природного газа, размещен дополнительный брызгоуловитель.

Собственно узел осушки природного газа конструктивно представлен на фиг. 2. Газлифтный барботажный реактор имеет корпус 1, заполненный до определенного уровня серной кислотой, штуцер 2 для подвода и штуцер 3 для вывода природного газа. Внутри корпуса размещены перфорированные решетки 4 и 5. Вынесенная циркуляционной труба 6 имеет расширитель 7. В расширителе установлены электроды 8 и 9, соединенные с источником тока. Корпус 1 со стороны штуцера 3 для вывода природного газа снабжен расширителем 10 с брызгоуловителем 11.

Газовое пространство корпуса 1 газлифтного реактора соединено с газовым пространством расширителя 7 трубопроводом 12.

АГНКС работает следующим образом. Газ, пройдя узел первичной очистки, поступает через штуцер 2 (см. фиг. 2) в корпус газлифтного реактора 1. Перфорированные решетки 4 и 5 разбивают газовый поток на мелкие струи и пузыри для увеличения поверхности контакта газа с кислотой. Поскольку газонаполненный слой кислоты в корпусе реактора 1 имеет значительно меньший удельный вес, чем собственно кислота, возникает циркуляционный поток кислоты, которая движется из корпуса реактора 1 по внешней циркуляционной трубе 6 с расширителем 7. В расширителе благодаря установленным в нем и связанным с источником тока электродам 8 и 9 проходит разложение воды (электролиз). Разлагается именно то количество воды, которое и улавливается серной кислотой в реакторе. Далее газ снижает скорость в расширителе 10 и очищается от брызг кислоты в брызгоуловителе 11. Давление газа в расширителе 7 и корпусе 1 выравнивается благодаря соединительному трубопроводу 12. Штуцер 3 выводит газ в узел компремирования.

На линии вывода газа установлен дополнительный брызгоуловитель. Полностью очищенный от брызг серной кислоты газ далее поступает в узлы компремирования, аккумулирования сжатого газа и заправки баллонов.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие технико-экономические преимущества:
- упрощение процесса удаление влаги из природного газа,
- упрощение аппаратурного оформления АГНКС,
- стабилизацию состава природного газа перед компремированием по содержанию влаги,
- возможность автоматизации процесса,
- исключение использования дорогостоящих адсорбентов и сложного процесса их регенерации,
- надежность процесса и обеспечение норм содержания влаги в природном газе.

Изобретение относится к газовой промышленности и в частности к автомобильным газонаполнительным компрессорным станциям. Способ осушки природного газа включает взаимодействие влажного природного газа с серной кислотой. Новым является одновременное с осушкой проведение регенерации серной кислоты с поддержанием ее постоянного состава путем электролиза. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция содержит узлы первичной очистки природного газа, осушки, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов. Новым является выполнение узла осушки в виде заполненного серной кислотой газлифтного барботажного реактора, имеющего корпус с штуцерами для подвода и вывода природного газа и вынесенную циркуляционную трубу. Циркуляционная труба снабжена расширителем с установленными в нем и соединенными с источником тока электродами, штуцер для подвода природного газа связан с узлом первичной очистки, а штуцер для вывода - с узлом компремирования. Корпус реактора со стороны штуцера для вывода природного газа снабжен расширителем с размещенными в нем брызгоуловителями. На линии, соединяющей узлы осушки и компремирования, установлен дополнительный брызгоуловитель. При использовании изобретения достигается простая и надежная осушка природного газа и стабилизация состава газа после осушки по содержанию паров воды. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, включающий взаимодействие влажного природного газа с серной кислотой, отличающийся тем, что одновременно с процессом осушки проводят регенерацию серной кислоты с поддержанием ее постоянного состава путем электролиза при наложенной разности потенциалов 1,5-2,3 B, расстояния между электродами 2-5 мм и величине выхода по току не менее 70%. 2. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, содержащая узлы первичной очистки природного газа, осушки, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов, отличающаяся тем, что узел осушки выполнен в виде заполненного серной кислотой газлифтного барботажного реактора, имеющего корпус с штуцерами для подвода и вывода природного газа и вынесенную циркуляционную трубу, циркуляционная труба снабжена расширителем с установленными в нем и соединенными с источником тока электродами, штуцер для подвода природного газа связан с узлом первичной очистки, а штуцер для вывода - с узлом компремирования. 3. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что корпус газлифтного барботажного реактора со стороны штуцера для вывода природного газа снабжен расширителем с размещенными в нем брызгоуловителями. 4. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция по п.2 или 3, отличающаяся тем, что на линии, соединяющей узлы осушки и компремирования, установлен дополнительный брызгоуловитель, выполненный в виде емкости, заполненной активным по отношению к серной кислоте твердым веществом, например карбонатом, оксидом или гидроксидом кальция, магния или алюминия, вставки с волокнистыми фильтрами тонкой очистки или электрофильтра.