Optimierung der Dehydratisierung von Erdgas: Molekularsieb-Adsorbentien

Einführung

Einer der wichtigsten Schritte bei der Erdgasaufbereitung ist die Dehydrierung des Erdgases, die Qualität und Effizienz gewährleistet, bevor es unsere Haushalte und Industrien erreicht. Dabei wird dem Gasstrom Wasserdampf entzogen, um Korrosion, Hydratbildung und einen geringeren Heizwert zu vermeiden. Molekularsieb-Adsorbentien sind eine der effektivsten Methoden zur Dehydratisierung von Erdgas, da sie aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in der Lage sind, Wassermoleküle aus natürlichen Gasen zu entfernen. In diesem Beitrag werden wir uns mit den grundlegenden Prinzipien der Erdgastrocknung, den verschiedenen Methoden der Dehydratisierung und der entscheidenden Rolle, die Molekularsiebadsorber dabei spielen, befassen.

Molekularsiebe sind wirksame Trockenmittel für die Adsorptionstrocknung, die in der Erdgasindustrie häufig eingesetzt wird. Die einheitliche Porenstruktur dieser Adsorptionsmittel gewährleistet die Selektivität für Wassermoleküle unter Ausschluss größerer Kohlenwasserstoffmoleküle und ermöglicht so eine effiziente Dehydratisierung ohne nennenswerte Verluste wertvoller Bestandteile.

Verständnis der Dehydratisierung von Erdgas

Bei der Erdgastrocknung wird dem Roh-Erdgas Wasserdampf entzogen, um trockenes Erdgas zu erhalten, das transportiert und verbraucht werden kann. Roh-Erdgas enthält oft Wasserdampf, der kondensieren kann, was zu Problemen in Pipelines und Verarbeitungsanlagen führt. Der Wassergehalt von Roh-Erdgas liegt zwischen 0,1 und 1,5 lb/MMcf (U.S. Energy Information Administration, 2020). Das Verfahren zur Entfernung von Wasserdampf aus Erdgas zielt darauf ab, die Menge dieser Verbindung auf ein Niveau zu senken, das für die meisten Pipeline-Qualitätsstandards akzeptabel ist und normalerweise unter 7 lbs/MMcf liegt.

Die Dehydrierung muss aus verschiedenen Gründen erfolgen. Wasserdampf könnte mit sauren Gasen wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff korrosive Verbindungen bilden, die Pipelines und Ausrüstung korrodieren würden. Außerdem verbindet es sich mit schweren Kohlenwasserstoffen und bildet bei hohem Druck und niedrigen Temperaturen feste Hydrate, die die Pipelines verstopfen und den Durchfluss unterbrechen würden. Außerdem eliminiert Wasser brennbare Bestandteile und verringert so den Heizwert von Erdgas, wenn diese den Raum einnehmen, den es hätte füllen können. Diese Probleme können durch den Entzug von Wasserdampf durch den Prozess der Dehydratisierung von Erdgas gelöst werden, wodurch die Substanz des Brennstoffs und seine Zuverlässigkeit auf dem Markt gewährleistet werden.

Dehydratisierungsmethoden in der Erdgasverarbeitung

Für die Dehydratisierung von Erdgas werden verschiedene Verfahren eingesetzt, nämlich Absorptionsdehydratisierung (Glykoldehydratisierung), Adsorptionsdehydratisierung (Trocknungsmitteldehydratisierung), Kühlung und Membrantrennung. In der Erdgasindustrie wird in der Regel die Absorptionsmethode angewandt, die auch als Glykolentwässerung bekannt ist. Dabei wird ein flüssiges Trockenmittel, normalerweise Triethylenglykol (TEG), verwendet, um in einer Gastrocknungsanlage Wasserdampf aus dem feuchten Erdgasstrom zu absorbieren. Obwohl die Glykolentwässerung bei der Entfernung von Wasserdampf aus Erdgasströmen mit Taupunkttemperaturen von -10°C bis -20°C wirksam ist, hat sie einige Einschränkungen, wie z. B. die Möglichkeit von Glykolverlusten, die Notwendigkeit regelmäßiger Wartung und den hohen Energieverbrauch während der Glykolregeneration im Regenerationsbereich. Die Reinheit des Glykols und die Effizienz des Glykolregenerationsprozesses können sich auf die Gesamtleistung der Gastrocknungsanlage auswirken.

Feste Trockenmittel oder Molekularsiebe, die aus Kieselgel bestehen, werden bei der Adsorptionstrocknung oder Trocknung mit festen Trockenmitteln eingesetzt, um Wasserdampf aus Erdgasströmen zu entfernen. Das feuchte Erdgas durchströmt ein Adsorptionsmittelbett, in dem Moleküle, die hauptsächlich aus H2O bestehen, mit der Oberfläche des porösen Materials, das sie aufnimmt, in Kontakt kommen. Zu den Vorteilen der Adsorption gehören niedrigere Energiekosten als bei glykolbasierten Verfahren, eine höhere Effizienz bei der Entfernung und die Möglichkeit, sehr niedrige Wassertaupunkttemperaturen (-50°C bis -100°C) zu erreichen. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Molekularsieb-Adsorbentien sehr effektiv bei der Entfernung von Feuchtigkeitsspuren, da sie eine sehr saugfähige Porenstruktur aufweisen. Das dehydrierte Erdgas kann dann weiterverarbeitet werden, um Erdgasflüssigkeiten zu gewinnen, die in Lagertanks gespeichert werden.

Im Vergleich zu anderen Verfahren wie der Kühlung und der Membrantrennung werden in der Erdgasindustrie häufiger Glykol- und Feststofftrocknungsanlagen eingesetzt. Bei der Kühlung werden die Gase abgekühlt, um die entstehende Flüssigkeit zu kondensieren und abzutrennen, während bei der Membrantrennung selektive Membranen verwendet werden, die Wassermoleküle durchlassen, aber Kohlenwasserstoffe zurückhalten.

Implementierung der Adsorptionsentwässerung in Erdgasaufbereitungsanlagen

In Erdgasaufbereitungsanlagen sind Adsorptionstrocknungsanlagen in der Regel den ersten Trenn- und Verdichtungsstufen nachgeschaltet. Faktoren wie der gewünschte Taupunkt, das Vorhandensein anderer Verunreinigungen und das gesamte Prozessablaufschema bestimmen die Platzierung einer Dehydrationseinheit. Die Adsorptionstrocknung kann zusammen mit anderen Trocknungsmethoden wie der Glykolentwässerung eingesetzt werden, um den erforderlichen Taupunkt zu erreichen. Ein gutes Beispiel ist, wenn eine Glykolentwässerungsanlage zunächst Wasser entfernt und dann eine Adsorptionsanlage eingesetzt wird, um die strengen Taupunktanforderungen zu erfüllen. Bei der Auswahl und Auslegung von Adsorptionstrocknern, die optimal und zu minimalen Kosten arbeiten, müssen Faktoren wie Gasdurchsatz, Feuchtigkeitsgehalt des Gasstroms, Regenerationszyklus und der erforderliche Taupunkt berücksichtigt werden.

Die Dehydratisierung durch mehrstufige Adsorption kann bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen extrem niedrige Wassertaupunkte (unter -100°C) erwünscht sind, wie bei der Flüssiggasproduktion oder bei kryogenen Prozessen. Mehrstufige Adsorptionssysteme bestehen aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Adsorberbehältern, wobei jede Stufe darauf abzielt, einen niedrigeren Taupunkt zu erreichen als die vorherige. In der ersten Stufe wird die höchste Wasserdampfkonzentration entfernt, während die nachfolgenden Stufen mit dem Trocknungsprozess fortfahren. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Adsorberbetten, wodurch eine sehr niedrige Feuchtigkeitssättigung erreicht werden kann. Bei mehrstufigen Adsorptionsentwässerungssystemen können in verschiedenen Stufen unterschiedliche Arten von Molekularsieben eingesetzt werden, um die Leistung häufig zu optimieren.

Adsorptions-Dehydrationsverfahren im Detail

Ein Adsorptionstrocknungssystem besteht in der Regel aus mehreren Hauptkomponenten wie Adsorberbehältern, Ventilen und Rohrleitungen des Regenerationssystems sowie Instrumentierung und Steuerung. Die Adsorberbehälter enthalten die festen Trockenmittelbetten, in der Regel Molekularsiebe oder Silikagel, die je nach Anlagenkapazität und gewünschtem Regenerationszyklus erhöht werden können. Andererseits umfasst das Regenerationssystem in der Regel einen Regenerationsgaserhitzer, einen Kompressor und einen Kühler, die für das Aufheizen und Abkühlen des Regenerationsgases verantwortlich sind, das zur Entfernung von Wasser aus den gesättigten Trockenmittelbetten verwendet wird.

Der Adsorptionsentwässerungsprozess erfolgt in zwei Hauptphasen: Adsorption und Regeneration. In der Adsorptionsphase gelangt feuchtes Erdgas in einen Adsorberbehälter, der ein festes Trockenmittelbett enthält. Beim Durchströmen des Bettes nimmt das Gas Wassermoleküle mit, die sich an der Oberfläche des Bettes anlagern, während trockene Gase wieder aus dem Bett austreten. In diesem Fall laufen all diese Prozesse so lange ab, bis das Wasser im Trockenmittelbett gesättigt ist. Wenn die Sättigung in einem bestimmten Trockenmittelbett eingetreten ist, bedeutet dies, dass der betreffende Absorberbehälter außer Betrieb genommen werden muss, bis er regeneriert werden kann. Ein heißes Regenerationsgas (in der Regel ein Teil des trockenen Produktgases) wird durch das gesättigte Bett geleitet, um ihm das absorbierte Wasser zu entziehen; der nächste Schritt nach der Gewinnung sauberer Luft ist die Abkühlung der Regenerationsluft, um sie zu kondensieren. Das regenerierte Trockenmittelbett wird abgekühlt und ist bereit für den nächsten ADSORPTIONS-Zyklus. In einigen Fällen können zwei oder mehr parallele Adsorberbehälter verwendet werden, so dass ein Behälter immer in Betrieb bleiben kann, während ein anderer oder mehrere andere in Betrieb bleiben.

Molekularsieb-Adsorbentien: Adsorption und Dehydratisierung im Fokus

Molekularsieb-Adsorbentien sind kristalline Alumosilikate, die eine regelmäßige Porenstruktur aufweisen, die es ihnen ermöglicht, Moleküle je nach Größe und Form selektiv zu adsorbieren. Diese Adsorbentien werden aus natürlichen oder synthetischen Zeolithen hergestellt und haben ein dreidimensionales Netz von miteinander verbundenen Poren und Kanälen. Das gebräuchlichste Molekularsieb, das bei der Dehydratisierung von Erdgas eingesetzt wird, ist Zeolith 4A, dessen Porendurchmesser in der Größenordnung von vier Angström (Å) liegt. Molekularsiebe haben aufgrund ihres hydrophilen Charakters und der starken Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und dem Zeolithgerüst eine hohe Affinität zu Wasser, so dass sie Wasserdampf aus Erdgasströmen mit niedriger Konzentration wirksam entfernen können.

Im Vergleich zu anderen Trocknungsmitteln für die Erdgastrocknung haben Molekularsiebadsorber mehrere Vorteile. Sie haben eine große spezifische Oberfläche und ein großes Porenvolumen, wodurch sie in der Lage sind, große Mengen an Wasserdampf pro Masseneinheit des Adsorptionsmittels zu adsorbieren. Eine effiziente Entwässerung ohne wesentliche Verluste wertvoller Bestandteile hängt von der selektiven Adsorption von Wassermolekülen durch die gleichmäßige Porenstruktur der Molekularsiebe ab, während größere Kohlenwasserstoffmoleküle ausgeschlossen werden. Molekularsiebe können im Vergleich zu anderen Trockenmitteln bei niedrigeren Temperaturen (150 °C - 300 °C) regeneriert werden, was den Energieverbrauch und die Betriebskosten reduziert (Chemical Engineering Transactions, 2017). Bei ordnungsgemäßer Regeneration und Wartung können Molekularsiebbetten mehrere Jahre lang halten, wodurch sich die Notwendigkeit eines häufigen Austauschs minimiert. Darüber hinaus verfügen Molekularsiebe über eine höhere Trocknungskapazität, so dass kleinere Einheiten eingesetzt werden können, was zu einer Verringerung des Platzbedarfs und der Kapitalkosten im Zusammenhang mit der für Gasverarbeitungsanlagen erforderlichen Infrastruktur führt.

Die Wahl eines geeigneten Molekularsiebtyps für die Erdgastrocknung wird von verschiedenen Faktoren wie Gaszusammensetzung, Betriebsbedingungen, gewünschtem Taupunkt und Regenerationsverfahren beeinflusst. Eine Beratung mit den Herstellern von Molekularsieben und die Durchführung von Tests im Pilotmaßstab können bei der Bestimmung des am besten geeigneten Adsorptionsmittels für eine bestimmte Erdgastrocknungsanwendung hilfreich sein.

Regeneration von Adsorbentien im Dehydrierungsprozess

Während des Adsorptionsentwässerungsprozesses bei der Erdgasaufbereitung ist der Regenerationsschritt ein entscheidender Aspekt für den kontinuierlichen, effizienten Betrieb der Anlage, die das Wasser entwässert und so sicherstellt, dass das Gas den erforderlichen Wassertaupunkt einhält. Das Regenerationsverfahren im Zusammenhang mit der Erdgastrocknung beinhaltet die Desorption des absorbierten Wassers aus dem wassergesättigten Molekularsiebbett, woraufhin dessen Adsorptionskapazität verjüngt wird, um für einen weiteren Zyklus verwendet werden zu können. Dies ist notwendig, um den Wassertaupunkt in Erdgasströmen auf dem gewünschten Niveau zu halten und Hydratbildung und Korrosionsprobleme im Zusammenhang mit nachgeschalteten Prozessen zu vermeiden und gleichzeitig die Investitionskosten zu minimieren (Chemical Engineering Transactions, 2017).

Bei der Regenerierung von Erdgastrocknungssystemen werden hauptsächlich zwei Methoden angewandt: die thermische Wechselregeneration (TSR) und die Druckwechselregeneration (PSR). Bei der TSR wird heißes Regenerationsgas oder ein Teil der trockenen Produktgase verwendet, um gesättigte Molekularsiebbetten aufzuheizen, bis sie adsorbiertes Wasser desorbieren können, wodurch die Wasserkonzentration in der Dampfphase verringert wird. Die Regenerationstemperaturen liegen zwischen 150°C und 300°C, abhängig von der Art der Molekularsiebe und dem Grad der Entwässerung, der erforderlich ist, um den gewünschten Wassertaupunkt zu erreichen. Alternativ dazu wird bei der PSR der Druck innerhalb des gesättigten Molekularsiebbetts reduziert, so dass adsorbiertes Wasser desorbiert und freies Wasser entfernt wird. Dies bedeutet, dass das Bett vom Hochdruck-Einsatzgas isoliert und dann auf einen niedrigeren Druck nahe dem Atmosphärendruck entspannt wird. Bei der Erdgastrocknung wird meist das TSR-Verfahren eingesetzt, weil damit sehr niedrige Wassertaupunkte unter -60°C erreicht werden, die für die Erdgasverarbeitung erforderlich sind.

Die Aufrechterhaltung der langfristigen Leistung und Lebensdauer von Molekularsiebadsorbern beim Einsatz in Erdgastrocknern erfordert eine ordnungsgemäße Regenerierung. Eine unzureichende oder ineffiziente Regeneration kann zu einer schrittweisen Verringerung der Adsorptionskapazitäten und zu einem Rückgang der Trocknungseffizienz führen, was wiederum höhere Wasserkonzentrationen im behandelten Erdgas zur Folge hat. Dies kann zu Problemen während des Betriebs und zur Nichteinhaltung der Pipelinespezifikationen führen. Um eine zuverlässige Leistung eines Adsorptionstrockners und eine qualitativ hochwertige Trockenmethanproduktion zu gewährleisten, sind eine regelmäßige Überwachung, eine Optimierung des Regenerationsprozesses und ein regelmäßiger Austausch unbedingt erforderlich.

Die Wahl von Jalon als zuverlässiger Molekularsieb-Lieferant für die Dehydratisierung von Erdgas

Wenn es um die Auswahl eines zuverlässigen Anbieters von Molekularsieben für die Erdgastrocknung geht, ist Jalon ein branchenführender Anbieter von hochwertigen Molekularsiebprodukten. Mit Hightech-Produktionsanlagen und einer starken Betonung auf Forschung und Entwicklung bietet Jalon Molekularsiebe an, die speziell entwickelt wurden, um sicherzustellen, dass Erdgasverarbeitungsanwendungen effizient und zuverlässig sind. Wenn Sie auf der Suche nach hochwertigen Molekularsieben für die Erdgastrocknung sind, kann die Zusammenarbeit mit Jalon der Schlüssel zur Maximierung der Dehydrierungseffizienz und zur Gewährleistung einer langfristigen Rentabilität sein.

Schlussfolgerung

Die Adsorptionstrocknung, bei der Molekularsiebe als Adsorptionsmittel eingesetzt werden, ist eine sehr wirksame Methode zur Erdgastrocknung, die für die Qualität und Zuverlässigkeit unserer Erdgasversorgung wichtig ist. Molekularsiebe haben beispielsweise Eigenschaften wie eine einheitliche Porenstruktur, eine hohe Adsorptionskapazität und eine selektive Adsorption, die sie für die Entfernung von Wasserdampf aus Erdgasströmen prädestinieren. Angesichts der steigenden Nachfrage nach sauberen und effizienten Energieressourcen ist die Adsorptionstrocknung die bevorzugte Methode, um den künftigen Bedarf der Erdgasindustrie zu decken, da sie sich als kostengünstige und vielseitige Technik erwiesen hat.