Наиболее распространённым твердым поглотителем для производственных осушающих установок является силикагель. Силикагель представляет собой обезвоженный гидрогель кремниевой кислоты. По химической природе силикагель - это диоксид кремния разной степени обводнения SiO₂*nH₂O.

Вода входит в структуру силикагеля в виде гидроксильных групп, химически связанных с атомами кремния на поверхности. Силикагель обладает пористой структурой: суммарная поверхность пор от 100 до 700 м³/г.

Инертное химическое соединение – силикагель может быть использован для адсорбции многих веществ. Благодаря своим высоким гидрофильным свойствам, силикагель- ценный адсорбент при адсорбции водяных паров. Адсорбированная вода удерживается на силикагеле за счет водородных связей ОН-группы поверхности решетки. При нагревании силикагель легко возвращает поглощенные вещества, восстанавливая при этом свои адсорбционные свойства. Однако при температуре выше 200⁰С ( особенно при нагревании в вакууме) снижается степень покрытия поверхности гидроксилами и соответственно уменьшается в дальнейшем адсорбция воды, метанола, аминов и других адсорбтивов в области мономолекулярного заполнения.

Силикагели по ГОСТ 3956-76 представляют собой твердые стекловидные прозрачные или матовые зерна насыпной плотностью в пределах 0.4-0,8 г/см³. В зависимости от характера пористой структуры кусковые и гранулированные силикагели делятся на крупно- и мелкопористые. Первые из них характеризуются средним радиусом пор 5 нм, а вторые-1-1,5 нм. Промежуточную структуру составляют среднепористые силикагели.

В зависимости от гранулометрического состава, формы частиц и характера пористости силикагели обозначают четырьмя буквами: первая буква характеризует размер гранул, вторая- (всегдаС)- силикагель, третья- размер пор, последняя форму частиц. Так, крупный силикагель мелкопористый гранулированный обозначают КСМГ, мелкий силикагель мелкопористый кусковой- МСМК. Средние фракции силикагеля называют «шихтой» и обозначают: ШСМК, ШСКГ, ШСМГ. Индикаторный силикагель (ГОСТ 8984-58) –силикагель, пропитанный солями кобальта. В зависимости от влажности среды он изменяет цвет от светло-голубого до розового.

Выпускается силикагель в виде шариков или кусочков неправильной формы с зернами размером в пределах 0,1-7,0 мм. В зависимости от аппаратурного оформления рекомендуют следующий гранулометрический состав силикагеля: 0,1-0,25 мм- для процессов с кипящим слоем адсорбентов; 0,5-2,0 мм – для жидкофазных процессов и процессов с движущимся слоем адсорбента; 2,0 – 7,0 мм – для процессов в газовой фазе со стационарным слоем адсорбента.

Косвенной характеристикой структуры является насыпная плотность. Силикагель мелкопористый имеет плотность около 700 г/л, а крупнопористый - от 400 до 500 г/л. Механическая прочность как от истирания так и от раздавливания также различна: у мелкопористого она более высокая.

Промышленный силикагель содержит некоторое количество примесей - оксидов алюминия, железа, кальция и других металлов. Некоторые из них активные катализаторы и они способствуют протеканию крекинга при регенерации; в результате на поверхности силикагеля образуется кокс, снижающий активность поглотителя. Учитывая это, для осушки газов, в которых присутствуют высококипящие углеводороды, используют более чистые силикагели с наибольшим содержанием диоксида кремния.

Для осушки газа на промышленных установках наиболее эффективно применение мелкопористого силикагеля. Однако, следует учитывать, что мелкопористый силикагель быстро измельчается при наличии в газе капельной влаги, которая вызывает значительные напряжения в структуре гранулы как во время адсорбции, так и при регенерации. Более устойчив к пересыщенным влагой газам крупнопористый силикагель.

Не рекомендуется применять силикагель как осушитель, если в состав газа входят ненасыщенные углеводороды, так как при регенерации они полимеризуются. Насыщенные углеводороды, начиная с бутанов, сорбируются силикагелем, но их частично заменяет вода. Легкие углеводороды ( до бутанов) полностью выделяются при регенерации силикагеля и не влияют на адсорбционную способность силикагеля в последующих циклах. Тяжелые углеводороды С₅ и выше более прочно удерживаются силикагелем и при регенерации удаляются не полностью.

Масла, гликоли и амины легко сорбируются силикагелем и при регенерации в зависимости от температуры остаются на поверхности или разлагаются, образуя смолистые соединения, которые закупоривают поры адсорбента и снижают его адсорбционную способность. Амины разлагаются с образованием аммиака, который разрушает структуру силикагеля, увеличивает размер пор и уменьшает его поверхность.

Сероводород и диоксид углерода сорбируются на силикагеле подобно бутану и как бутан большей частью вытесняются парами воды при адсорбции и целиком удаляются при регенерации.

 Динамическая адсорбционная способность силикагеля по влаге зависит: 1-.от размера зерна; 2.-скорости потока; 3.-содержания влаги в газе. ( см. рис. 1,2).

Рис.1. Динамическая адсорбционная способность слоя мелкопористого силикагеля (h=0,3 м) при разном размере зерна и скорости потока (w, м/с). Осушка до точки росы -60⁰С.

Рис.2 Динамическая адсорбционная способность слоя силикагелей (h=1 м) при разной скорости потока:

а) осушка для «проскоковой» концентрации, соответствующей точки росы t_р=-40⁰С;

б) то же, t=0⁰С;

1- крупнопористый силикагель; 2-среднепористый; 3-мелкопористый.

Кроме того, динамическая, адсорбционная способность силикагеля по влаге зависит от полноты регенерации, в свою очередь зависящей от температуры. Максимальная температура при регенерации 200-250⁰С, так как при более высокой температуре поверхность силикагеля разрушается. Ниже приводятся результаты исследования действия температуры регенерации на динамическую адсорбционную способность мелкопористого силикагеля (мг/см³) при осушки до точки росы минус 40⁰С:

Получение силикагелей.

Промышленное производство силикагелей осуществляется по двум принципиально различным направлениям : производство кускового и производство гранулированного (шарикового ) силикагеля. В производстве кускового силикагеля гелеобразующие растворы сравнительно низких концентраций сливают в таких отношениях, чтобы полученный золь имел кислую реакцию и не застудневал в короткое время. Такой золь тщательно гомогенизируют и оставляют в покое до образования геля. Гель разрезают на куски и в кусках промывают его, а затем сушат, размалывают и рассеивают на нужные фракции.

Широкое распространение получили гранулированные силикагели. Принципиальная технологическая схема производства этого продукта показана ниже.

Схема получения гранулированного силикагеля.

1 – склад силикат-глыбы; 2 – дробилка; 3 – автоклав для разварки силикат- глыбы;4 – емкость для жидкого стекла;5 – емкость для концентрированной серной кислоты; 6 – емкость для раствора серной кислоты; 7 – склад тригидрата оксида алюминия; 8 – реактор для получения сульфата алюминия; 9 – емкость для раствора сульфата алюминия; 10 – насосы; 11 – ротаметры; 12 – смеситель; 13 – формовочный коиус; 14 – формовочная колона; 15 – колонна для мокрой обратотки; 16 – сборник масла; 17 – сборник сниревисиой жидкости; 18 – сборник для активирующего раствора; 19 – сборник для промывной воды; 20 – сборник для промывной воды; 21 – сепаратор; 22 – сушильный агрегат; 23 – классификатор; 24 – узел затаривания силикагеля.

По описанной выше технологии получают шариковый силикагель с зернами размером 1,0-7,5 мм. Продукты такого фракционного состава удовлетворяют требованиям процессов со стационарным слоем адсорбента. Регулируя фракционный состав получают более узкие фракции шарикового силикагеля ( например, 1,0-2,5; 2,0-4,0 или 3,0-5,0 мм).

Представленный технологический процесс получения гранулированных силикагелей позволяет в довольно широких пределах регулировать их пористость.

Косвенной характеристикой структуры силикагелей является насыпная плотность: у крупнопористых она равна 0,4-0,5, у мелкопористых 0,7-0,8 г/см³. Мелкопористая структура механически более прочная, чем крупнопористая. Показатель прочности, определенный по устойчивости к истиранию во вращающемся барабане со стальными мелющими телами, для крупнопористых силикагелей находится в пределах 60-85%, а для мелкопористых 85-95%.

Силикагели разрушаются под воздействием капельной влаги. Существуют методы получения водостойких сортов силикагелей, но они обладают пониженной влагоемкостью, и технология их изготовления сложнее. Чтобы предотвратить разрушение силикагелей при эксплуатации в тех случаях, когда возможно проникание в адсорбер капельной влаги, в небольшом защитном слое используют другие водостойкие типы промышленных адсорбентов, например активный оксид алюминия.

Литература.

1. Кельцев Н.В. « Основы адсорбционной техники» 2 изд., М., 1984г.

2. Жданова Н.В., Халиф А.Л « Осушка углеводородных газов», М., «Химия», 1984г.

3. Кемпбел Д.М. « Очистка и переработка природных газов», М., «Недра», 1977г.

4. Страус В. « Промышленная очистка газов», М., «Химия», 1981г.

5. ГОСТ Р53521-2009 – Переработка природного газа., М., Стандартинорм, 2010г.

6. Кондауров С.Ю. и др. « Перспективы использования адсорбционных технологий для подготовки газа к транспорту», Ж. « Газовая промышленность», 2010г., №10,с.52.