Файл: Макогон, Ю. Ф. Гидраты природных газов.pdf

Выбор и эффективность каждого из методов опреснения зависит от конкретных условий его применения, от объема опресняемой воды, от степени минерализации исходной и конечной воды и т. д.

Производительность установок составляет от сотен литров до десятков и сотен кубометров в сутки.

Особой группой стоят судовые опреснительные установки. Боль­ шинство современных морских судов оснащено автономными опреснптельпыми установками.

Для опреснения чаще всего используется морская вода, минера­ лизация которой достигает 5—35 кг/м3.

Рис. 114. Принципиальная схема проточной установки для опреснения воды

Кратко рассмотрим принцип работы существующих установок опреснения воды с использованием процесса гидратообразовапня.

Первый патент на такую установку был получен в 1959 г. С тех пор было опубликовано несколько новых установок, в основе кото­ рых оставался общий принцип: при образовании гидрата газа из рассола отбираются только молекулы воды, а соли остаются в рас­ творе. Гидрат разлагается на воду и газ. Энергозатраты на опресне­ ние при этом складываются из затрат на охлаждение раствора, на разложение гидрата, иа компримирование газа-гидратообразователя и подачу соленой воды в камеру под рабочим давлением.

На рис. 114 приведена принципиальная схема установки. Мине­ рализованная вода поступает в деаратор 1, где из нее удаляются растворенные газы. Далее она подается в реактор 4, предварительно охлаждаясь в теплообменниках 2 и 3 потоками пресной воды и рас­ сола. В реактор одновременно вводится через дросселирующий кла­ пан сжиженный пропан из рессивера 5. Пропан и вода смешиваются при д.авлении около 5 кгс/см2 и температуре 1,7° С, т. е. при усло­ виях интенсивного гидратообразоваиия. Степень переохлаждения при этом достигает 1,5—2° С. Образующиеся хлопья гидратов вме­ сте с рассолом направляются в сепарациоипую колонну 6, после

192

чего отмытые пресной водой (до 10 % пресной воды затрачивается на отмытие сорбированных солей от гидрата) гидраты нодаются в емкость разложения гидрата, где поддерживается давление около 6 кгс/см2 и температура 7,5° С. Гидрат разлагается на сжиженный пропан и воду. В результате различия плотностей происходит раз­ деление газа и воды. Вода подается потребителю, а газ после ком­ примирования компрессором 9, через конденсатор 10, теплообмен­ ник 11 и ресивер 5 подается снова в реактор 4.

В качестве гидратообразователя могут использоваться различные углеводороды (метан — изо-бутан) или их производные (фреоны:

Ф-12, Ф-12ВІ, Ф-21, Ф-22ВІ, Ф-142В, Ф-31 и др.).

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к гидратообразователям при проектировании опреснительных установок, являются: 1) высокое молярное соотношение вода — газ; 2) низкая теплота фазовых переходов; 3) низкое давление и высокая темпера­ тура гидратообразоваиия; 4) высокая массовая скорость гидрато-

8)взрывобезопасиость и т. д.

Следует отметить, что ряд специфических требований, которые

отсутствуют в других способах опреснения воды, ограничивают широкое распространение газогидратных установок опреснения.

Положительным фактором, привлекающим к разработке новых схем газогидратного опреснения воды являются низкие энергетиче­ ские затраты и компактность установок. Потенциальные же воз­ можности процесса гидратообразоваиия с целью опреснения вод далеко не исчерпаны, а саму технологическую схему можно значи­ тельно упростить.

На рис. 115 приведена принципиальная схема бестрансляционной газогидратной установки опреснения воды. Весь процесс опреснения воды осуществляется в двух камерах, сообщающихся между собой в газовой среде. Установка рассчитана на заданное рабочее давление. Минерализованная вода циркулирует с помощью насоса высокого давления в камере. Газ-гидратообразователь I V подается в камеру под заданным рабочим давлением, которое поддерживается одинако­ вым в обеих камерах: в камере образования гидрата и в камере раз­ ложения гидрата. В камере с помощью термоконтакторов 5 поддер­ живается температура ниже температуры гидратообразоваиия из паров воды, но выше температуры гидратообразоваиия подающегося рас­ сола, чтобы гидраты не образовывались па поверхности контакта газ — рассол.

В камерах постоянно движется ленточный транспортер 7 с по­ мощью погружного электродвигателя, помещенного на оси одного из шкивов в «высокотемпературной» камере. Соленая вода, покры­ вающая гидрофильную ленту, отжимается параллельными роли­ ками 7. Образующийся гидрат накапливается на восходящей линии ленточного транспортера и постепенно подается в камеру, где тем­ пература жидкой воды поддерживается несколько выше температуры

разложения гидрата с помощью подогревателя 9 и путем использо­ вания тепла выделяемого погруженным в воду, низкооборотным элек­ тродвигателем. Гидрат при этом разлагается. Пресная вода, накапли­ вающаяся внизу камеры, отжимается с восходящей ветви роликами. Заданный уровень воды в обеих камерах поддерживается с помощьюавтоматически сбрасывающих устройств I I I и IV.

Скорость накопления гидрата на восходящей ленте определяется температурой процесса, степенью переохлаждения и поверхностьюпспарения воды из рассола.

Рис. Г15. Принципиальная схема замкнутой установки для опреспения воды.

I — минерализованная вода; I I — газ-гидратообразователь; I I I — пресная вода; /V — обогащенный рассол. 1 — корпус; 2 — направляющий барабан; з — лента, 4 — емкость с рас­ солом; 5 — электрический контакт; б — теплонзолятор; 7 — ролик; я, 13 — соответственно регуляторы сброса пресной и соленой воды; о — нагреватель; 10 — водяной насос, 11 — тер-

модатчики; 12 — баллон с газом-гидратообразователем.

Камеры разделены пустотелой термоизолирующей перегородкой 6. С целью сокращения перетока тепла из камеры в камеру в верх­ ней части над лентой транспортера установлен охлаждающий эле­

мент 5.

Установка имеет надежную внешнюю термоизоляцию из полиуре­ тана. Внутренняя поверхность камер покрыта гидрофобной кремнийорганической пленкой.

Основными преимуществами предложенной схемы опреснения воды являются ее компактность, низкие энергетические затраты, отсутствие необходимости в компримировании газа, отсутствие традиционных узлов отмывки, транспортировки и сепарации гид­ ратов, высокая надежность в работе, низкие потери газа-гидрато- образов'ателя, малый объем газа-гидратообразователя в цикле, а сле­ довательно, и пониженная взрывоопасность.

Такие установки особенно целесообразны на судах дальнего пла­ вания.

194

§ 3. Храненію газа в гндратном состоянии

Целесообразность хранения газа в гндратном состоянии вытекает из молярного соотношения газ — вода н исключительно высокой плотности газа в гндратном состоянии. Удельная плотность газа

врешетке гидрата превышает его плотность в жидком состоянии. Хранение газа в гндратном состоянии наиболее эффективно прп относительно низких давлениях, когда при одном и том же давлении

вединице объема в гндратном состоянии содержится значительно

больше газа, чем в свободном.

Объем газа, содержащийся в гидрате в единице объема, опреде­

Определив число молей гидрата, легко определить объем газа, содержащегося в емкости при нормальных условиях Qhg'-

условиях давления и температуры гпдратообразования, величина которых зависит от состава хранимого газа. Чем ниже давление гидратообразоваиия, тем эффективнее хранение газа в гндратном состоянии. Поддержание относительно низких температур исклю­ чает необходимость компримирования газа при его накоплении в гндратном состоянии. Наиболее эффективным будет создание таких хранилищ газа в районах распространения многолетнемерзлотпых грунтов, где незначительное заглубление емкостей обеспечивает весьма экономичное создание газогидратных хранилищ для покры­ тия как суточных, так и сезонных неравномерностей потребления относительно небольших промышленных центров.

С целью определения потребного давления для обеспечения хра­ нения аналогичного объема газа в свободном состоянии необходимо

где V — объем емкости; р — давление газа, обеспечивающее хране­ ние объема газа, равное Qgh>и емкости объемом Ѵ\ р 0, Т 0 — нор­ мальные давление и температура; Т — температура хранения, °К; z — коэффициент сверхсжимаемости прп условиях р, Т.

0,6 в емкости 100 м3 в гидратном и свободном состоянии при темпе­ ратуре окружающей среды 0° С. Необходимо определить объем хра­ нимого газа в гидратном состоянии и необходимое давление хране­

р22,4-103.0,915 16о

Отсюда очевидно хранение газа в гидратном состоянии, при котором нет необходимости в сооружении емкостей и компрессорных станций высокого давления.

Интересным представляется вопрос сооружения подземных хра­ нилищ газа в районах распространения пониженных температур грунтов. Известно, что пластовые изотермы повторяют профиль залегания пластов. Таким образом, равновесная изотерма гидратообразовашш в пластовых условиях также повторяет профиль зале­ гания пластов. Исходя из этого, определив стратиграфическую структуру в разрезе, даже без литологической покрышки в такой структуре несложно создать мощное подземное хранилище свобод­ ного газа. Покрышкой при этом будет газогидратиая пленка, обра­ зующаяся на границе раздела гидратной и безгидратной зон. При этом с увеличением этажа газоносности создаваемого хранилища, с увеличением давления на кровлю исключены опасения прорыва кровли, так как мощность ее при этом будет возрастать, т. е. про­ исходит ее самоупрочнение. При отборе части газа из хранилища, давление у кровли будет снижаться и" нижняя часть гидратной кровли будет разлагаться, т. е. газ, перешедший в гидрат, не будет лежать мертвым грузом.

Создание хранилищ газа с гидратпыми покрышками представля­ ется нам весьма перспективным в наших восточных районах.

196

§ 4. Использование процессов гпдратообразовання с целью рассеяния туманов н облаков

Мощное развитие скоростной авиации и ракетной техники потре­ бовало решения проблемы обеспечения видимости взлетно-посадоч­ ных объектов в любое время года. Плотные туманы снижают види­ мость крупных предметов на расстоянии до 50 м, умеренные ту­ маны — до 500 м, слабые — до 1000 м. Туманы являются одной из причин задержки авиатранспорта в аэропортах.

Туманы образуются в результате конденсации влаги при охла­ ждении воздуха. Наиболее сильные туманы образуются при смеше­ нии теплового насыщенного влагой воздуха с охлажденным. Благо­ приятные условия для образования туманов создают крупные про­ мышленные центры, характеризующиеся высоким тепловыделением и большим загрязнением атмосферы микропылыо — отходами про­ изводства. Такие туманы отличаются высокой устойчивостью, они могут образоваться даже в не насыщенном водяным паром воздухе.

Туман представляет собой скопление капель воды радиусом от 0,1 до 100 мк. Количество капель (в см3) слабого тумана 5—50, сильного 200—600. Масса воды, содержащейся в кубометре воздуха, достигает 0,05—1 г.

Природные туманы расслаиваются путем воздействия на них различными реагентами, обеспечивающими перевод мелкодиспергироваипых капель воды в крупные агрегаты с последующим их выпа­ дением из воздуха в осадок.

Обычно туман состоит из капелек жидкой воды или кристалли­ ков льда, характерных определенной упругостью паров воды над ними. Существующие способы «рассеяния» туманов основаны на прин­ ципе понижения упругости паров воды в среде тумана ниже упруго­ сти паров воды над каплями воды путем создания микрозон пере­ охлаждения с помощью мгновенного испарения диспергированных веществ.

В качестве таких веществ используются твердая углекислота, йодистое серебро, йодистый свинец и др. Наибольшее распростра­ нение получила твердая углекислота, рассеиваемая в облако тумана переохлажденных капель воды. Температура микрозоны при испа­ рении углекислоты понижается до минус 70° С. При этом давление паров воды в воздухе не изменяется, а давление насыщенного пара вследствие понижения температуры уменьшается. Поэтому пере­ сыщение пара увеличивается и достигает критического значения, что приводит к конденсации паров в объеме. Таким образом, при этом происходит процесс конденсации паров в объеме из-за охлажде­ ния газа, содержащего пары, при контакте с более холодной поверх­ ностью. Благодаря очень низкой температуре в данном случае образуются не капли воды, а кристаллики льда. На них конденси­ руются пары воды, так как давление паров над переохлажденной каплей выше, чем над кристаллом льда. В результате уменьшается давление паров воды в воздухе и переохлажденные капли начинают

197

испаряться. Процесс протекает до полного испарения переохлаж­ денных капель. Крупинки образующегося льда или снега увеличи­ ваются и происходит их осаждение, туман рассеивается.

Указанный процесс рассеяния туманов эффективен при темпера­ турах ниже минус 7° С. Однако на практике широко распространены так называемые высокотемпературные туманы, температура кото­ рых близка к ±3° С.

Для ликвидации таких туманов целесообразно использовать свойство гидратов значительно понижать упругость паров воды.

Упругость паров воды (в мм рт. ст.) над свободной плоской по­

вода, дпн/см; М — молекулярный вес пара; б — плотность конден­ сированной фазы, г/см3; R — радиус капли, см; Т — абсолютная температура.

Сущность воздействия на туман гидратами газов или легколетучпх жидкостей заключается в следующем. В облако тумапа вводится диспергированный сжиженный гидратообразователь, высокая упру­ гость которого приводит к быстрому его испарению. Быстрое испа­ рение, в свою очередь, сопровождается значительным понижением температуры в микрозоне, окружающей испаряющуюся каплю гидратообразователя. При этом растет перенасыщение влагой указан­ ной микрозоны, происходят конденсация паров воды и процесс

жается. Идет интенсивное «перекачивание» влаги с жидких микро­ капель на поверхность растущих кристаллов гидрата.

Наиболее эффективными гидратообразователями для рассеива­ ния высокотемпературных туманов могут быть использованы газы или легколетучие жидкости, образующие гидраты при £ ( >0 оС и давлениях, близких к атмосферным, характеризующиеся высокой теплотой испарения и относительно высокой летучестью, хорошей диспергируемостыо и малой токсичностью. Вещество должно быть недефицитным.

В табл. 30 приведены некоторые вещества, достаточно хорошо удовлетворяющие указанным требованиям.

198