Gazele Naturale

Introducere

Creșterea semnificativă a consumului de energie, a fost o consecință a dezvoltării economiei naționale, ducând la creșterea cererii pentru resursele energetice primare și la apariția interesului pentru mărirea contribuției formelor de energie

Chiar dacă toate gazele terestre (de exemplu, aer, emisiile vulcanice, gaz de mlastină) sunt naturale, termenul de gaze naturale de obicei rezervat pentru gazele minerale găsite în rezervoare de roci subterane. Aceste gaze sunt adesea asociate cu petrol nerafinat. Gazul natural este un amestec de hidrocarburi (cum ar fi metanul, etanul, propanul) și câteva nehidrocarburi (hidrogen sulfurat, dioxid de carbon, azot, etc., și apă).

Hidrocarburile au o valoare de combustibili și că materii prime pentru industria petrochimică. În calitate de combustibili, aceștia sunt utilizați pentru incălzire, pentru gătit, pentru a genera electricitate, și din ce în ce mai mult, drept combustibili pentru autovehicule.

În uzine chimice, acestea sunt convertite la o serie de produse de consum, totul, de la produse chimice industriale, cum ar fi metanolul, pană la materiale plastice, cum ar fi polietilenă.

Nehidrocarburile sunt mai puțin valoroase; cu toate acestea, în funcție de situația de pe piată, hidrogenul sulfurat este valoros, fiind un precursor al sulfului.

Sulful la rândul său, are mai multe aplicații, dintre care cea mai importantă este, probabil, producția de ingrăsăminte chimice. Dioxidul de carbon și nitrogenul, nu au nicio valoare de incălzire, prin urmare, sunt inutile drept combustibili.

John J. Carroll, Natural Gas Hydrates A Guide for Engineers, Elsevier Science & Technology Books, 2002

Gazul natural este adesea considerat cel mai promitător combustibil alternativ pentru vehicule. Acesta este un combustibil mult mai abundent decât petrolul și este adesea descris ca fiind cel mai curat dintre combustibilii fosili, producând în mod semnificativ mai puțin monoxid de carbon, dioxid de carbon.

Preocupările legate de securitatea energetică și emisiile de gaze poluante au declanșat mai multe eforturi pentru dezvoltarea unor alternative la combustibilii convenționali pentru vehiculele rutiere. În prezența acestor preocupări, tehnologia motoarelor auto este provocată de creșterea divergențelor tot mai mari, între o putere mai mare, o mai bună economie de combustibil și cerințele referitoare la scăderea emisiilor poluante.

În ceea ce privește îngrijorarea oamenilor fată de incălzirea globală cauzată de arderea combustibililor fosili, gaze naturale atrag atenția foarte mult, pentru că au cea mai mică emisie de dioxid de carbon dintre combustibilii fosili. Astfel, punerea în aplicare a planurilor naționale sau regionale de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră, ar putea încuraja utilizarea acestuia, să inlocuiască alți combustibili fosili. În conformitate cu Energy Information Administration, consumul la nivel mondial de gaze naturale, în 2030, va fi de aproximativ 1,5 ori mai mare fată de cel din 2006, astfel încât numărul transporturilor maritime de gaz natural lichefiat (GNL) sunt de așteptat să crească în mod semnificativ în întreagă lume.

Capitolul 1

Importanta utilizarii gazelor naturale

1.1 Generalități

Timp de sute de ani, gazul natural a fost și este cunoscut că fiind o substantă foarte utilă. Chinezii au descoperit cu foarte mult timp în urmă că energia din gazele naturale poate fi valorificată, și poate fi folosită pentru incălzirea apei. În primele momente ale industriei gazelor naturale, acesta a fost folosit în principal pentru felinarele de lumină, și în casă, ocazional. Cu toate acestea, cu progresele tehnologice, mult imbunătătite a gazelor natural, acum este utilizat în moduri pe care nu le puteam crede a fi posibile.

Sunt atât de multe aplicații diferite pentru acest combustibil fosil, că este greu să oferi o listă completă pentru toate utilizările lui. Fără indoială, noi utilizări sunt descoperite tot timpul. gaze naturale având multe aplicații, în scop comercial, în case, în industrie, și chiar și în sectorul transporturilor.

În conformitate cu Energy Information Administration, energia totală provenită de la gazele naturale reprezintă pană la 23%, din energia totală consumată în tările în curs de dezvoltare, ea fiind o componentă vitală a aprovizionării cu energie a tării.

Fig. Energia totală consumata in America în 2007

Gazul natural este utilizat în toate sectoarele, în cantităti variabile. În diagrama de mai jos, observăm proporția de utilizare a gazelor naturale pe sectoare. Sectorul rezidențial reprezintă cea mai mare proporție de utilizare a gazelor naturale, în cele mai multe dintre tările în curs de dezvoltare.

Fig. Gazele naturale utilizate pe sectoare

Utilizările comerciale de gaze naturale sunt foarte similare cu utilizările în industria electrică. Sectorul comercial include întreprinderile publice și private, cum ar fi clădirile de birouri, școli, biserici, hoteluri, restaurante și clădiri guvernamentale. Principalele utilizări ale gazelor naturale în acest sector include, incălzirea spațiului, incălzirea apei și răcire. Pentru restaurante și alte unităti care au nevoie de facilităti pentru gătit, gazul natural este o alegere populară pentru a îndeplini această nevoie.

Fig. Energia folosita in sectorul comercial

1.2 Compoziția gazelor

Gazele naturale, în sine, ar putea fi considerate ca fiind gaze neinteresante-sunt incolore, fără formă și fără miros, în forma sa pură, cu excepția faptului că gazul natural este combustibil, iar atunci când este ars emană o mare cantitate de energie. Spre deosebire de alți combustibili fosili, gazul natural are o ardere curată și emite mai puține produse secundare, cu potențial nociv, în aer.

Avem nevoie de energie în mod constant, pentru a încălzi casele noastre, găti mâncarea noastră, și pentru a genera energie electrică. Această nevoie de energie, a ridicat gaze naturale, la un astfel de nivel de importanță în societatea și în viața noastră.

Gazul natural este un amestec combustibil de hidrocarburi gazoase. În timp ce gazul natural este format în principal din metan, poate include, de asemenea, etan, propan, butan și pentan. Compoziția gazelor naturale poate varia foarte mult, dar mai jos este o diagramă care prezintă gazele naturale, înainte de a fi rafinate.

Fig. Compoziția gazelor naturale

Gazele naturale sunt amestecuri de gaze și pot fi diferite în funcție de așezarea zăcământului. Cel mai mare procent îl formează metanul (85%), alături de el aflându-se gaze inerte (11%) și alți alcani (etan- C2H6, butan, propan- C3H8, pentan) în proporție de 4%. O importanță deosebită o au gazele naturale ce conțin heliu, ele fiind sursa de obținere al acestuia.

Gazele naturale mai conțin vapori de gaze condensate (sau umede), hidrogen sulfurat și dioxid de carbon ce scade calitatea gazului.

1.3 Formarea gazelor naturale

Cu milioane de ani în urmă, rămasitele din plante și animale au putrezit și au format straturi groase. Aceaste resturi putrezite de la plante și animale se numesc compus organic- un material capabil de degradare sau uneori ne putem referi la un compus ce constă în carbon. De-a lungul timpului, solul și noroiul s-au schimbat în rocă, acoperind materialul organic și prinzându-l sub rocă.. Presiunea și căldura au schimbat o parte din acest material organic în cărbune, unele în țiței (petrol), iar unele în gaze naturale-mici bule de gaz fără miros.

Ingredientul principal din gazul natural este metan, un gaz (sau compus), compus dintr-un atom de carbon și patru atomi de hidrogen,. Este incolor, fără formă și fără miros, în forma sa pură.

În unele locuri, gazele scapă din crăpăturile mici, iar în cazul în care există suficientă energie de activare de la un fulger sau de la o flacară, acesta arde. Atunci când oamenii au văzut flăcările, au experimentat cu ele și au invătat că puteau să le folosească pentru căldură și lumină.

Formarea de gaze naturale poate fi explicată începând cu plantele microscopice și vietătile care trăiesc în ocean.

Procesul a început cu milioane de ani în urmă, atunci când acestea au absorbit energia de la soare, care a fost depozitată ca molecule de carbon în corpurile lor. Când au murit, s-au scufundat pe fundul mării. De-a lungul a milioane de ani, s-au format straturi de sediment, fapt ce a rezultat formarea altor plante și bacterii.

Valoarea presiunii și gradul de căldură, impreună cu tipul de biomasă (materiale biologice derivate din organisme vii), determină dacă materialul devine petrol sau gaz natural. Mai multă căldură, produce petrol iar la căldură mai mare sau la o biomasă alcatuită predominant din material vegetal, se produce gaz natural.

Acestea se formează, dacă sunt izolate de aerul atmosferic, iar presiunea și temperatura sunt crescute, materia vegetală și animală, microorganisme moarte (alge și plancton) descompuzandu-se, condiții care sunt îndeplinite atunci când pe fundul mării se sedimentează materia, aceasta fiind acoperită de straturi impermeabile de pămant.

În România au rezultat următoarele:

– În perioadă 1917 – 1965, extracția și transportul gazelor naturale nu a necesitat instalații de comprimare a gazelor naturale.

– Între anii 1965 – 1978 în activitatea de extracție s-a pus în funcțiune o stație de motocompresoare cu 3 agregate * 1.000 CP, iar pentru transport o stație de turbocompresoare cu 2 agregate * 4.000 CP

– În prezent există 32 stații de comprimare cu 165 agregate de comprimare cu o putere instalată de 260.000 CP.

– În extracție 22 de stații cu 131 agregate moto, electro și turbocompresoare, totalizând cca. 170.000 CP.

– În transportul gazelor 6 stații de comprimare cu 17 agregate turbocompresoare cu o putere instalată de 68.000 CP.

Necesitatea comprimarii gazelor rezultă din următoarele considerente tehnico – economice:

a) Extracția gazelor naturale

Fiind exploatat pe o perioadă îndelungată, presiunea atinge valori mult mai joase, față de valoarea necesară, pentru transportul către consumatori. Din aceasta cauză este necesară comprimarea gazelor.

Prin efectul comprimării, se mărește debitul de gaze, concomitent cu creșterea factorului de recuperare.

Fig. Schema de extracție a gazelor naturale

b)    Transportul gazelor naturale

Gazul natural este produs în mod normal, departe de regiunile de consum, prin urmare, acesta necesită un sistem extins și elaborat de transport pentru a ajunge la punctul său de utilizare. Sistemul de transport al gazelor naturale constă într-o rețea complexă de conducte, proiectat pentru a transporta rapid și eficient gazele naturale de la origine, la zonele de cerere mare de gaze naturale.

Transportul de gaze naturale este strâns legat de stocarea sa, deoarece cererea gazului depinde de sezon. Din moment ce cererea de gaze naturale este mai mare în timpul iernii, gazul este păstrat în sistemele mari subterane de stocare, cum ar fi sondele de țiței și gaze sau peșterile saline. Gazul rămâne acolo până când cererea este mai mare, cum ar fi în timpul iernii pentru încălzirea locuințelor, acesta adăugându-se înapoi în conducte. În Malaezia, și alte țări tropicale, gazul este furnizat pe tot parcursul anului, prin urmare, este stocat într-un bazin mare, în uzina de procesare.

Exista trei conducte disponibile pentru transport, ruta sistemului de colectare, conducta interstatală și sistemul de distribuție. Sistemul de colectare este are o joasă presiune, conducte de diametre mici, care transporta gaze naturale brute, de la gura sondei la instalația de prelucrare.

Initial, transportul gazelor la consumatori se realizeaza prin conducte proiectate pentru anumite presiuni initiale si puncte finale si pentru debite planificate

Modificandu-se in timp unul sau mai multi parametrii, rezulta pentru sistemul de transport necesitatea construirii de conducte paralele si/sau de statii de comprimare.

Statiile de comprimare in transportul gazelor realizeaza presiunile pe conducte si prin cresterea vitezei de curgere a gazelor prin conductele existente este economica si eficienta ca durata, cost de investitii, consum de metal si protectie a mediului.

Fig. Industria gazului natural

c)     Inmagazinarea subterana a gazelor:

În sezonul rece, cererea de gaze natural esste mai mare. Pentru a putea fi satisfacuta cererea consumatorilor, gazele sunt inmagazinate subteran, în sonde de țiței si gaze, sau in peșteri saline. Acesta ramane in stocajele subterane, până crește cererea, acesta adăugându-se înapoi in conducte.

Inmagazinarile de gaze se fac prin comprimare in:

–        Zacaminte semiepuizate de gaze

–        Straturi acvivere

–        Caverne realizate in straturi de sare

–        Diferite rezervoare (mine etanse, tuneluri etc.)

1.4 Gazele naturale si calitatea acestora

Impuritatile solide ce se gasesc in gazele naturale, variaza in functie de drenarea sondelor, de durata de exploatare a acestora, executia conductelor si agresivitattea gazelor.

Impuritatile solide se gasesc in cantitati semnificative. Acestea provoaca sablarea (erodarea) conductelor si a instalatiilor tehnologice, uzarea porematura a ansamblului piston-cilindru si a rotoarelor compresoarelor de gaze, prelucrarea lor in diverse procese chimice, reducerea eficientei transportarii.

Functiunile importante a instalatiei tehnologice, la o sonda de extractie a gazelor naturale, sunt separarea si retinerea impuritatilor lichide si solide , aduse din strat concomitant cu gazele, sau aparute prin condensare datorita reducerii temperaturii pe tevile de extractie si prin laminare.

1.5 Clasificarea gazelor

In functie de metanul structural gazele asociate se clasifica in:

gaze sarace, ce au un continut crescut de metan

gaze bogate, in care omologii metanului sunt in proportii crescute

Proportia constituentilor gazului depind de o serie de factori:

tipul titeiului: titeiurile usoare/ceroase au o densitate mica si un continut ridicat de benzina si sunt insotite de gaze ce contin omologi ai metanului in cantitati crescute. Titeiurile grele/ neceroase sunt insotite de gaze bogate in metan;

raportul gaz/lichid in conditiile de presiune si temperatura din zacamant: gazele sunt mai bogate in metan cand raportul este crescut

valorile temperaturii si presiunii in separatorul de gaze de la gura sondei: daca temperatura este ridicata, iar presiunea scazuta, gazele au continut scazut in metan si proportii ridicate de omologi ai acestuia. Parametrul principal ce influeteaza compozitia gazelor e presiunea

1.6 Gazul natural lichefiat (GNL)

Gazul natural lichefiat ( GNL) e format din metan și condensat în stare lichidă. Când se raceste la -165º C și la 1 atm, acesta va deveni lichid curat, iar spatiul pe care il ocupa este de 600 de ori mai mic, astfel fiind posibila transportarea cu ambarcațiuni special proiectate.

Gazul natural lichefiat prezinta o energie asemanatoare cu cea a combustibililor petrolieri și determina o poluare mult mai scazuta. Dezevantajele constau in costurile producției care sunt mai mari și este nevoia de depozitare costisitoare, fiind tinut in depozite criogenice .

Condițiile de condensare ale gazului natural depind de mai multi factori: o compoziție precisă, de piața pe care va fi distribuit și de procesele la care urmeaza sa fie folosit.

Gazul natural se lichefiază la o temperatură între -120 și -170 grade Celsius (metanul pur se lichefiază la –161ºC) și presiuni de la 1 la 60 atm .

Gazului natural condensat îi este scazuta presiunea astfel incat să poată fi depozitat și transportat mai ușor.

Gazul natural este supus unui proces de tratare unde se elimina substanțele care la acele temperaturi scăzute de lichefiere îngheața, spre exemplu: apa, hidrocarburile, sulfații, oxigenul, nitrogenul, dioxidul de carbon, benzenul. Se poate ca purificarea sa fie proiectata astfel încât să se obtina metan pur 100%.

Gazul natural lichefiat nu este toxic sau coroziv și are densitate mai mică decât apa. Acesta este inodor și incolor, nu poluează pământul sau apa. Se produce prin criogenie și este necesara o temperatură de -163 C. Răcirea se face folosind pompele de căldură cu două sau trei trepte de schimbare a fazei, hidrocarburi și amoniac. GNL-ul este aproape metan pur. Restul de componenți ai gazului sunt separați în procesul de lichefiere. Dioxidul de carbon trebuie extras în prealabil și poate strica unitatea de lichefiere dacă se solidifică. Hidrocarburile mai grele decât metanul se vand ca materie primă folosita în industria petrochimică sau ca și carburant (GPL), astfel incat cele mai multe terminale de producere a GNL-ului produc și GPL. Mai poate rezulta și heliu, dar valoarea lui comercială nu este atat de mare.

Cea mai importantă infrastructură pentru a produce și a transporta gazul natural lichefiat este stația de lichefiere cu o capacitate de producție de GNL de 5 milioane de tone pe an .

Pe lângă stația de lichefiere pe platformă trebuie să mai existe:

terminale de descărcare a vehiculelor;

barjele pentru transport;

terminalele de descărcare din țara importatoare, unde GNL este regazeificat prin încălzire . Din aceste terminale pleacă conducte spre parcul de rezervoare pentru depozitare și spre consumatori .

GNL este mai avantajos decât gazul natural pentru că:

volumul este de 600 ori mai mic;

pot fi transportate cantități foarte mari, pe distanțe lungi;

1.7 Utilizarea gazelor naturale

Gazele naturale se utilizeaza ca si:

combustibil – gazele sunt o sursa energetica foarta importanta, cu ardere completa, fara a degaja fum sau sa lase cenusa. Acesta se transporta prin conducte, la distante foarte lungi fara a polua;

materie prima in industria electrica si chimica – in obtinerea metanului, amoniacului sau etilenei, maselor plastice, firelor si maselor sintetice si a negrului de fum.

Alte utilizari ale gazelor naturale:

utilizare casnică

transport (folosit pe scară tot mai largă ca înlocuitor al benzinei)

In industria, comprimarea gazelor natural, este utilizată pentru dezbenzinari, dectanizari, gaz lift, iar in cea chimică este folosită in special pentru producerea ingrasamintelor chimice.

Avantajele utilizarii gazului natural:

costuri mici de investitie

eficienta crescuta

cerinte scazute in materie de spatiu

un echilibru eficient al emisiilor de , dintre gama combustibililor fosili

posibila combinare cu tehnologiile ce folosesc energie regenerabila

Dezavantajele utilizarii gazului natural:

gazele natural, poluează aerul atunci cand sunt evacuate sau scapate (intentionat sau accidental) in mediu și intensifică efectului de sera, participând la incalzirea globala si la modificarea climatica

gazele naturale pot conține hidrogen sulfurat. Acesta este o substanță toxica, potential letală. Desi gazele naturale sunt substante netoxice, ele au, potential asfixiant, atunci când conțin hidrogen sulfurat.

gazele naturale sunt substante cu inflamabilitate ridicata; datorita capacitatii de a se aprinde cu oxigenul sau aerul in prezenta unei surse de aprindere, ele generand explozii

Fig. Limitele de inflamabilitate/explozie ale amestecurilor de metan si oxigen

Capitolul 2

Proprietatiile gazelor naturale

Metanul a fost descoperit de către A. Volta, în anul 1778, acesta fiind numit pentru prima dată gaz de baltă. Metanul este o hidrocarbura saturată aciclică , un alcan simplu și se găsește sub formă de zăcăminte naturale. Există zăcăminte de metan, cu puritate înalta (98-99%), în țară noastră, la Copșa Mică, Șincai, Deleni. Cantitățile mari de metan se află în minele de cărbuni, se prodce și în locurile în care fermentează celuloză în absența aerului, cum ar fi fundul bălților unde plutesc continuu plante.

Gazul natural este inflamabil doar într-o proporție de gaz-aer de 5-15%. Această are o temperatura foarte ridicată de aprindere și intervalul de inflamabilitate limitată face că aprinderea să fie puțin probabilă. Acesta nu este toxic, inhalarea neprovocand efecte negative, dar concentrațiile mari de gaze naturale pot determina stare de somnolență și respirația dificilă.

2.1 Proprietățile fizice ale gazelor naturale

Metanul este un gaz incolor, inodor, mai ușor decât aerul, insolubil în apă, solubil în alcool, eter și benzen. Neavând miros, se adaugă în conductele industriale și casnice, din motive de siguranță, pentru a face gazul ușor de recunoscut, substanțe care conțin sulf, numite mercaptani, ce au un miros puternic, de “ou stricat” și eventualele scăpări pot fi recunoscute in timp util.

Gazul natural, poate fi prins sub apă fără pierderi însemnate. Legăturile de C-H din molecula metanului, nu sunt polare. În schimb apa este un compus polar. Moleculele metanului nu vor fi înconjurate de moleculele de apă (fenomen numit salvatare), deoarece lipsesc legăturile electrostatice, iar fară acestea nu are loc dizolvarea.

Datorită greutății moleculare mai scăzute a moleculei față de molecula oxigenului , și cea a metanul este mai ușor decât aerul.

Flacăra metanului este puțin luminoasă, cu degajare mare de căldură. În prezența unei scântei, dacă există un amestec mare de metan și oxigen sau aer, acesta explodează. Cauza pentru care apar explozii in minele de cărbuni, este datorită cantităților mari de metan din aceasta. Pentru a nu se întâmpla accidente, lămpile aprinse din mine, au pânze metalice, ce înconjoara flacăra.

2.1.1 Densitatea

Densitatea (masa volumică) este raportul dintre masa și volumul unui corp, exprimată în kg/ , in condiții normale de temperature și presiune. Densitatea gazului metan la presiune si temperature normal este de 0.716 kg/

kg/m3

Unde:

m = masa;

v = volumul unui corp;

Din ecuatia generala de echilibru rezuta relatia de dependenta a densitatii gazelor de presiune si temperatura:

= R = ct.

Unde:

p – presiunea, (N/m2);

T – temperatura, (K) (273,15 + t˚C);

ρ – densitatea, (kg/m3);

R – constanta gazelor, (m/kg K).

Densitatea relativa a gazului metan in raport cu aerul reprezinta raportul dintre densitatea unui volum de gaz metan si densitatea aceluiasi volum de aer,in aceleasi conditii de temperatura si presiune. Rezulta ca densitatea relativa nu depinde de temperatura si presiune. Aceasta este un numar adimensional.

2.1.2 Greutatea volumica

Reprezinta greutatea unei unitati de volum dintr-un corp omogen si se noteaza cu γ.

(N/m3= kg/m2s2)

Unde:

= densitatea;

g = acceleratia gravitationala;

G = greutatea;

V = volumul;

M = masa;

2.1.3 Starea Normala

Uilizand valori conventionale ale temperaturii si presiunii, denumie si temperatura normala si presiune conventionala definim starea fizica a unui corp numita si stare normala.

Temperatura normala si presiunea normala se folosesc ca stari de referinta in transportul gazelor.

Starea normală fizică, pentru care se folosește N, se caracterizată prin:

Temperatura fizică: tN = 0˚C

Presiunea normală fizică: PN = 101325 N/m2 = 1,01325 bar = 760 mmHg

Starea normală tehnică pentru care se folosește indicele ˝n˝, se definește prin:

Temperatura normală tehnică: tn = 20˚C

Presiunea normală tehnică: Pn = 98066,5 N/m2 = 0,980665 bar = 735,5 mmHg

VN (m3) reprezinta volumul normal si este volumul unui corp in stare normala.

Volumul normal molar al gazului ideal = 22,414 m3/kmol

2.1.4 Presiune

Raportul F/S reprezinta presiunea exercitata de o forta F, uniform repartizata, pe o suprafata S.

Presiunea are ca unitate de masura in SI Newtonul pe metru patrat(N/m2) sau pascalul (Pa).

2.1.5 Vascozitatea gazelor

Reprezinta proprietatea de a opune rezistenta a fluidelor atunci cand doua straturi apropiate ale fluidului se deplaseaza cu viteze diferite.

Vascozitatea este de trei tipuri:

Dinamica

Cinematica

Relativa

2.2 Proprietatile chimice ale gazelor naturale

Metanul este un gaz din grupa hidrocarburilor, fără culoare și rară miros, care arde în aer cu flacără albăstruie și care se formează din materia organică în descompunere. Este o substanta stabila si putin reactiva in conditii obisnuie.

In conditii bine alese de temperatura, presiune si catalizatori si in preznta unor reactivi energici cum ar fi oxigenul sua clorul, metanul poate reactiona, conducand la produsi cu o importanta practiva remarcabila.

Metanul este valorificat si prin utilizarea lui ca agent energetic. Acesta este un combustibil superior carbunelui si produselor petroliere folosit la incalzitul cuptoarelor industriale. Avantajele din punct de vedere tehnic si economic sunt puterea calorifica mai mare, costuri de exploatare si transport mult scazute, iar cele de depozitare nu sunt existente.

Reactiile de substitutie sunt caracteristice meanului.

2.2.1 Reactia de halogenare:

Alcanii reactioneaza usor cu clorul sau cu romul la lumina, sau in lipsa ei la temperatura ridicata sau chiar in prezenta catalizatorilor, dand compusi halogenati.

Metanul reactioneaza usor cu clorul si bromul, nu reactioneaza cu iodul, iar reactia sa cu fluorul este una violenta formandu-se acid fluorhidric si tetrafluorura de carbon.

Reactiile de clorurare ale metanului in prezenta luminii rezultand un amestec de compusi clorurati:

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

Clorura de metil

CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

Clorura de metilen

CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl

Cloroform

CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

Tetraclorura de carbon

Dintre compusii rezultati din reactiile de clorurare al metanului CCl4 (tetraclorura de carbon) este utilizat ca solvent, CH3Cl (cloro metan) ca agent frigorific, CHCl3 ( cloroform) ca anestezic. Acestia sunt separati prin distilare din reactia de clorurare si sunt intermediari in sinteze organice.

Clorurarea termica a metanului este cea mai importanta metoda. Reactantii sunt incalziti la temperaturi de 400-500 o C.

CH4 + 2Cl2 C + 4HCl

2.2.2 Reactia de ardere

Arderea metanului are la baza reactia de oxidare a metanului de catre oxigen ( pur sau cel continut in aer).

Reactia de ardere poate fi:

Ardere completa

Ardere incompleta

Arderea completa inseamna transformarea totala a metanului in dioxid de carbon (CO2) si apa (H2O).

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + energie

Legaturile covalente dintre oxigen si carbon ( C-O) sunt mult mai stabie decat cele ce formeaza molecula de O2 (O-O).

Prin reactia de ardere se degaja foarte multa energie. O parte din aceasta este flosita temporar in timpul reactiei pentru a invinge inertia chimica a moleculelor de metan. Apoi se elibereaza noi cantitati de energie, reactia propagandu-se repede in intreaga masa a amestecului de metan si oxigen.

Daca aceasta reactie se executa in arzatoare speciale, in mod controlat, se obtine o flacara fierbinte de oxigen si metan ce poate conduce la o explozie, periculoasa in unele imprejurari.

Metanul este un combustibil foarte larg utilizat, dar folosirea lui pentru motoarele cu explozie nu e rentabila.

Arderea incompleta inseamna oxidarea partiala a metanului la carbon si apa. Aceasta are loc daca in mediu nu este suficient oxigen pentru a se produce arderea completa.

CH4 + O2 C + 2H2O

Negru de fum

Aici folosim o singura molecula de oxigen raportata la o molecula de metan, fata de arderea completa unde se folosesc doua molecule de oxigen.

Arderea incompleta a metanului este utilizata in scopul producerii industriale a negrului de fum (C) , dar nu este un fenomen dorit in arzatoare, unde se doreste obtinerea energiei.

Randamentul de obtinere a negrului de fum prin acest mecanism este foarte mic si nu este rentabil.

In prezent, acesta se fabrica din produsele petroliere, proces mult mai rentabil.

In cazul in care are loc reactia de ardere a metanului cu cantitati mici de aer, rezulta carbon si vapori de apa, sau dioxid de carbon si hidrogen, in functie de conditiile de reactie.

2CH4 + O2 2CO + 4H2

În practică, arderea combustibililor se face folosind oxigenul din aer. Deoarece din punct de vedere al arderii doar oxigenul contează, în termodinamica aerul este considerat ca un amestec volumic oxigen și, ceea ce face ca pentru fiecare mol de oxigen, în reacția de ardere să intre și moli de azot. Arderea metanului în aer este deci:

CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2 + căldură

2.2.3 Reactia de oxidare la aldehida formica

Alcanii se pot oxide cu oxigenul din aer, in conditii special, dand aldehyde, alcooli sau acizi organici.

Conditii de reactie : 400-600 o C si catalizatori oxizi de azot

CH4 + 2O2 CH2O + H2O

Aldehida formica

Aldehida formica (formaldehida) ajuta la obtinerea novolacului, in cataliza acida si a bachelitei(rasina sintetica),in cataliza bazica, la conservarea preparatelor anatomice.

Aldehida formica de concentratie 40% reprezinta Formolul.

2.2.4 Reactia de oxidare cu vapori de apa

Prin oxidarea metanului cu vapori de apa se obtine un gaz de sinteza.

Conditii: Ni, 300-1000 oC SI Catalizator Ni:

CH4 + H2O ↔ CO +3H2

Monoxid de carbon

Prin oxidarea metanului cu vapori de apa in prezenta catalizatorului Ni si la temperature de 300-1000 o C se obtine un ameste de monoxid de carbon (CO) si hidrogen ce poarta umele de gaz de sinteza si este folosit la obtinerea metanolului ( alcoolului metilic), alcooli superiori, benzine si in alte sinteze organice,

Monoxidul de carbon poate fi adus la dioxid de carbon.

Conditii: 400 o C si catalizatori oxizi de fier:

CO + H2O ↔ CO2 + H2

Dioxid de carbon

2.2.5 Reactia de amonooxidare

Reactia de amonooxidare reprezinta tratarea metanului cu ammoniac si oxygen, respective aer.

Conditii : catalizatori de Pt, 1000 o C

CH4 + NH3 + 3/2O2 → HCN + 3H2O
Acid cianhidric

In urma reactiei de oxidare a metanului cu aerul in prezenta amoniacului rezulta acidul cianhidric (HCN). Acesta este folosit la fabricarea materialelor plastic acrilice, a rasinilor polimetacrilice, a fibrelor sintetice de tip poliacrilonitril, la fabricarea nitrilului acrilic si a stiplexului.

2.2.6 Reactia de obtinere a acetilenei

Pentru a avea loc descompunerea termica metanului in hydrogen si acetilena, se folosesc temperature de circa 3000 o C, in arcul electric.

Conditii : 1500 o C

2CH4 → CH ≡ CH +3H2

Aceilena

Cea mai importanta reactive chimica a metanului este obtinerea acetilenei, deoarece aceasta este precursor in multe sinteze organice e duc la formarea unor produse importante cum ar fi : cauciucul sintetic, fibrele sintetice, materialele plastic, etc.

2.2.7 Reactia de obtinere a negrului de fum

Descompunerea termica a metanului este un proces ce are loc foarte greu.

Gazul se disociaza in carbon (negru de fum) si hidrogen.

La temperature de peste 6000 o C metanul se descompune, avand loc o reactie reversibila:

CH4  C + 2H2

Negru de fum

Aceasta reactive de descompunere este o reactive foarte endoderma.

Caldura necesara reactiei se obtine prin arderea altei parti de metan si de aceea reactia poate fi considerata si ca o oxidare partiala a metanului .     

CH4 + O2 → C + 2H2O

Negru de fum

Negru de fum este o sursa importanta in sintezele chimie. Acesta este folosit in industria de lacuri si vopsele pentru obtinerea lacurilor, la obtinerea cernelurilor tipografice, la fabricarea cauciucurilor si la obtinerea grafitului de mare puritate.

Ecuatia de ardere a gazelor natural ce au in component lor un grad ridicat de metan

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Această ecuație exprima un lanț de reacții la care participă și radicalii liberi formati prin oxidarea parțială a metanului la temperaturi crescute.

La temperatura de aprindere, la o presiune atmosferică de 650 – 700˚C, gazul natural arde ușor cu o flacără albăstruie.

Creșterea presiunii determina scăderea temperaturii de aprindere, dar la presiuni mai mari de 40 – 50 aprinderea nu se produce totuși sub 470˚C.

Pentru un amestec de 10% gaz în volumul de aer, temperatura maximă a flăcării este de 1880˚C.

Limitele de explozie ale amestecului gaz – aer sunt de 5 – 15%, dar acestea variaza și dupa modul de propagare al flăcării:

Propagare în sus: 5 – 15%;

Propagare orizontală: 5,40 – 14%;

Propagare în jos: 6 – 16,53%.

Gazele naturale sunt o combinatie de hidrocarburi care la presiunea și temperatura atmosferică sunt sub formă gazoasă.

Fig. Flacara aragazului ce ilustreaza arderea gazelor naturale

Capitolul 3

Modul de selectie a tehnologiilor gazelor naturale

Pentru a transporta pe conducte si/sau a folosi ca si gaze combustibile, gazele naturale trebuie supuse unor operatii tehnologice de diferite complexităti, în functie de compozitia, caracteristicile si cantitatea lor.

La sfarsit, este necesar ca parametrii gazelor naturale să se încadreze în anumite norme de calitate reglementate.

Atingerea calitătii necesare gazelor poate fi realizata prin mai multe metode.

Alegerea procedeului optim de conditionare este legata de tipul gazului, de caracteristicile acestuia, de utilizarea lui ulterioara si de avantajele si dezavantajele fiecărei metode în parte.

Cele mai importante modalitati de procesare a gazelor sunt:

– dezacidizarea (desulfurare si decarbonatare);

– recuperarea fractiilor C2+ sau numai C3+;

– uscare gaze (deshidratare)

3.1. Tehnologii de desulfurare

Gazele naturale cuprind cantităti diferite de H2S (0÷30%) în functie de locul de provenienta. Pe lângă H2S aceste gaze mai pot contine compusi cu sulf dar în concentratii mai mici.

Dezavantajele gazelor naturale le creează H2S, de aceea când se vorbeste de desulfurarea gazelor se raporteaza în special Ia inlaturarea acestui compus.

Compușii de sulf, în industria chimică și a vehiculelor alimentate cu hidrocarburi, provoaca, de asemenea, coroziunea unor părți ale rafinăriilor și a motoarelor cu combustie, din cauza formării oxi-acizilor de sulf din produsele de combustie. Compușii cu sulf sunt de asemenea nedoriți în procesele din rafinării, deoarece ele dezactivează catalizatorii utilizați în procesul de modernizare a calității combustibilului.

Gazele acide provoacă numeroase pericole pentru sănătatea umană, care depind de concentrația și de nivelul de expunere. Concentrațiile scăzute de H2S pot provoca arsuri, mâncărimi și ochi inlăcrimați, dureri de cap, amețeli, dispnee, și iritații ale pielii și ale gâtului. Expunerea ridicată la H2S poate provoca asfixierea, pierderea cunoștinței și chiar fatalitate.

Sunt situatii mai speciale în care gazele nu trebuie să contină sulf deloc (spre exemplu în cazul combustibilului de la combinatele siderurgice de oteluri speciale) si in aceste cazuri se va lua în considerare si inlaturarea celorlalti compusi cu sulf existenti în gazul respectiv (mercaptani, tioli, tiofeni etc.).

Cel mai cunoscut proces de excludere a H2S este procesul Girbotol: procesul de absorbtie în solutii apoase de etanol-amine.

Procesul Girbotol constă în absorbtia H2S din gaze într-o coloană cu talere sau umplutură folosind ca absorbant o solutie apoasă de 10÷30% etanoI-amină (MEA (mono-etanol-amină), DEA (dietanol-amină), TEA (triet-anol-amină) sau amestecuri) care formează cu H2S, Ia temperaturi reduse (20÷400C) un complex, care este trimis alaturi de solutia respectivă la coloana de desorbtie. La temperaturi mari (100÷1200C), complexul se descompune si pune în libertate H2S (care apoi se neutralizează prin procedeu Claus de reguIă) si etanol-amina care se recirculă.

La nivel mondial, se aplică si alte metode, spre exemplu:

– procesul gIico-amină, ce utilizează ca absorbant un amestec de amine si glicoli; acesta reaIizează simultan desulfurare si uscare

– procedeul de adsorbtie pe site moleculare 13 X care realizează si uscare

– procedeul sulferox

– procedeul hidroxil de fier

Procedeul sulferox si procedeul hidroxil de fier se bazează pe reactia dintre oxidul de fier respectiv hidroxidul de fier cu H2S .

3.2. Tehnologii de decarbonatare

Inlaturarea CO2 din gaze a dobandit, în ultima perioada, o dezvoltare si o importantă semnificativa atât din motive de purificare (înlăturarea caracterului coroziv si corectarea puterii calorice) cât si din motive de recuperare a CO2 având în vedere valoarea sa economică crescuta.

Printre efectele negative ale eliminării de CO2, se află efectul de seră, o problemă din ce în ce mai apăsătoare. Cauza principală a efectului de sera, constă în cantitatea enormă de dioxid de carbon, ce se acumulează în stratul aerian.

Pentru decarbonatare, pe plan mondial, se utilizează două metode:

– decarbonatarea prin absorbtie în solutii de etanol-amine (procedeul Girbotol) identic cu desulfurarea si cel mai utilizat;

– decarbonatarea prin absorbtie în apă

Alegerea tehnologiei se face in functie de natura gazului si de cantitatea si destinatia CO2 recuperat.

3.3. Tehnologii de recuperare a fractiilor C2+,C3+

O parte importanta din gazele produse în cadrul OMV Petrom o reprezintă gazele asociate bogate în componenti C2+.

Procesarea acestor gaze constă si în recuperarea fractiilor C2+ (etan) si C3+(gazolină) prin procse de deetanizare si dezbenzinare. Fractiile consemnate reprezintă materii prime necesare pentru industria chimică pe de o parte, iar pe de altă parte pot deveni dezavantaje Ia transportul gazelor datorita influentei acestora asupra punctului de rouă hidrocarburi, putând duce Ia aparitia unei faze lichide.

3.3.1. Tehnologii de dezbenzinare

Dezbenzinarea gazelor bogate constă si în recuperarea fractiilor C3+ prin diverse metode precum:

Absorbtia multicomponentilor în anumiti absorbanti prin care se retine fractia C3+, urmată si de absorbtia acesteia si recircularea absorbantului ;

Adsorbtia multicomponentilor pe cărbune activ care are două variante tehnologice:

a) Metoda ,,SUPERSORBON” cu adsorbtie Ia temperaturi reduse, urmată de desorbtie Ia temperatură crescute, uscarea si răcirea stratului de cărbune ;

b) Metoda ,,TERMOSORBON” cu adsorbtie la temperaturi crescute, urmată de desorbtie si depresurizare a stratului de cărbune .

Racirea multicomponentilor care realizează si recuperarea C3+ Ia temperaturi reduse ce se obtin într-o instalatie frigorifică (LTS – Low Temperature Separator) si stabilizare condensat.

3.3.2. Tehnologii de deetanizare

Extragerea fractiei de etan (C2+) din gazele de sondă se face prin două procedee :

– procedeul de absorbtie Ia temperatură redusa, similar cu dezbenzinarea prin absorbtie subrăcită dar cu absorbant de tip ulei usor;

– procedeul prin condensare care are trei variante tehnologice:

a) varianta cu cascadă de răcire (răcire exterioară);

b) varianta cu turboexpander;

c) varianta combinată care realizează o răcire cu propan înainte de intrarea in instalatie.

La noi in tară există două instalatii de deetanizare ambele cu turboexpander: Ia Turburea si Ia Pitesti .

Fig. 3.1. Schema a instalației de deetanizare

3.4. Uscarea gazelor

Din cauza faptului ca cele mai multe zacaminte de gaze aflate in productie se afla intr-o stare avansata de exploatare, odata cu gazele din strat intra in sonda o cantitate importanta de apa libera, care este antrenata de gaze, contribuind la saturarea acestora cu vapori de apa.

Separatoarele existente utilizate, indiferent de performantele pe care le realizeaza nu pot retine decat apa libera in diferite procente ,functie de echiparea acestora .

In acest sens, se impune ca necesara utilizarea procesului de deshidratare a gazelor naturale prin metoda absorbtiei, proces care utilizeaza trietilenglicolul ca agent absorbant.

Tehnologia uscarii gazelor gazelor in instalatii care foloseste trietilenglicolul, se foloseste de capacitatea superioara a acestuia de a retine apa din gaze, de faptul ca in urma desorbtiei calitatile higroscopice ale acestuia revin la sterea initiala de nesaturatie.

Sistemul de uscare a gazelor este format din doua unitati tehnologice diferite:

– coloana de uscare a gazului ;

– unitatea de regenerare a trietilenglicolului.

Punctul de roua

Punctul de roua al apei din gazul uscat este principalul aspect urmarit in procesul de uscare al gazelor. Valoarea obtinuta a acestui parametru reda real performantele instalatiei. Pentru obtinerea unei valori care sa respecte acordul tehnic in vigoare este necesara cunoasterea in amanunt a procesului si respectiv a operarii cat mai eficiente in conditii de randament cu consumuri tehnologice cat mai reduse.

Statia de uscare gaze are rolul de a elimina cantitati mai mari de vapori de apă din gazele provenite de la sonde sau din statiile de comprimare. Cantitatea de vapori de apă eliminată se reflectă în punctul de rouă al gazului la iesirea din statia de uscare (valoarea acestuia să fie cât mai scăzută (< -15˚C). Prezenta apei si a vaporilor de apă în conducta de transport are următoarele consecinte:

– cresterea coroziunii pe conducta de transport gaze

– scaderea debitului si a presiunii de gaz pe conducta de transport gaze care impune consumuri energetice mari pentru compensarea pierderilor

– calitatea scăzută a gazului

– formarea hidratilor

Procesul de uscare al gazului si regenerarea glicolului este un sistem complet pentru îndepărtarea vaporilor de apă din gaz. Uscarea gazului se produce trecând în contracurent gazul cu trietilenglicolul, folosind un absorber (contactor glicol).Statia de uscare gaze este automatizată iar parametrii functionali sunt monitorizati, cu posibilitatede transmitere la distantă.

La nivel mondial, producătorii de gaze sunt obligati să asigure gazul monofazic si necoroziv, care să nu depună lichide, în special apă, Ia conditiile medii de transport pe conductă.

În Romania, principala problemă cu care se confruntă producătorii de gaze este umiditatea crescută a acestora. În acest caz corectarea punctului de rouă de apă constituie cea mai importantă măsură de conditionare. Aceasta poate fi realizata prin diferite tehnologii de uscare.

Prin uscare se urmăreste scaderea continutului de apă din gaze până Ia anumite limite impuse. Datorita faptului ca punctul de rouă al gazelor caracterizează umiditatea lor si caracterizeaza temperatura de saturatie a gazelor cu apă, daca se vorbeste despre eficacitatea uscării este folosit termenul ,,depresiunea punctului de rouă, întelegând prin aceasta numărul de grade cu care scade temperatura de saturatie a gazului când presiunea rămâne constantă .

Metodele de uscare cele mai cunoscute si mai des utilizate în industria de petrol sunt următoarele :

– metode prin absorbtie în glicoli care se bazează pe proprietătile acestora de a absorbi usor vaporii de apă Ia temperaturi scăzute si de a-i elibera Ia temperaturi mari;

– metode prin adsorbtie pe site moleculare si regenerarea patului de adsorbant cu gaze fierbinti – metode de uscare prin comprimare si /sau răcire care se bazează pe dependenta umiditătii de presiune si temperatură

– metode de uscare cu solutii sau săruri higroscopice. Cel mai frecvent este utilizata solutia de CaCl2 sau chiar pelete de CaCl2solid formand puncte de rouă foarte scăzute.

Fig. 3.2. Instalație de uscare a gazelor

3.5 Criterii de selectare a metodelor de conditionare a gazelor

Fiecare metodă de conditionare a gazelor poate fi transpusă în practică prin utilizarea diferitelor tehnologii.

Alegerea unei solutii optime se stabileste pornind de Ia caracteristicile gazelor, normele de calitate impuse si pe baza avantajelor si dezavantajelor fiecărei metode în parte .

În tabelul anexat sunt prezentate sintetic criteriile de selectie prin corelarea domeniului de aplicabilitate, avantajelor si dezavantajelor principalelor metode de conditionare a gazelor, oferind o procedură de selectie rapidă si eficientă a metodei optime pentru diferite situatii

3.5.1 Desulfurare

Procedeul Girbotol

Avantaje – recuperare avansată a H2S, regenerare ușoară a absorbantului, cădere de presiune redusă

Dezavantaje – instalație complexă, consumuri energetice mari, necesită aditivare anticorozivă si antispumantă

Procedeul Glicol-Amină

Avantaje – realizează simultan desulfurare si uscare

Dezavantaje – nu se realizează puncte de rouă foarte avansate

Procedeu cu Fe

Avantaje – instalație simplă, procedeu ieftin

Dezavantaje – in general adsorbantul nu se regenerează, condiții stricte de temperatură

3.5.2 Decarbonatare

Procedeul Girbotol

Avantaje – recuperare avansată a H2S, regenerare ușoară a absorbantului, cădere de presiune redusă

Dezavantaje – instalație complexă, consumuri energetice mari, necesită aditivare anticorozivă si antispumantă

Procedeul de absorbție în apă

Avantaje – absorbant ieftin si netoxic, se obține CO2 de puritate ridicată

Dezavantaje – neecesită rații mari de recirculare, necesita presiuni mari, consumuri energetice mari

3.5.3 Recuperare fracții C2+, C3+

Dezbenzinarea prin absorbție

Avantaje – se obține un gaz sărac cu umiditate mai scăzuta, se stabilizează și absorbantul in cazul utilizării unui condens sau țiței ușor

Dezavantaje – instalație complexă, consumuri energetice mari, nu realizează recuperări mari

Deetanizarea prin absorbție la temperatură joasă

Avantaje – nu necesită separarea CO2 din gaze, absorbant ieftin (ulei ușor)

Dezavantaje – recuperare redusă de C2, pierderi de absorbant prin antrenare

3.5.4 Uscare

1. Uscarea cu site moleculare

Avantaje – realizează depresiuni mari de punct de rouă, instalație simplă, nu pun probleme de coroziune

Dezavantaje – căderi mari de presiune, absorbantul se poate otrăvi, consum mare de gaze în faza de regenerare

2. Uscarea cu glicoli

Avantaje – consum mic de gaze pentru regenerare, nu necesită recirculare de gaze in alimentare

Dezavantaje – instalație complexă si scumpă, asigură puncte de rouă medii

3. Uscarea prin comprimare/răcire

Avantaje – recuperează și fracția C3+, realizează orice punct de rouă se dorește

Dezavantaje – consum energetic mare, investiție mare

Capitolul 4.

Modernizarea tehnologiilor gazelor naturale

4.1 Deshidratarea gazelor naturale, utilizând clorură de colină pe bază de amestec eutectic.

Fig . 1 Formula moleculara a clorurii de colina; Fig 2. Aspectul clorurii de colina

Îndepărtarea apei din gazul natural este una dintre tehnicile cele mai eficiente utilizate pe scară largă în pretratarea proceselor necesare pentru evitarea problemelor industriale, cum ar fi coroziunea și formarea hidrațiilor.

Apa în gazele naturale (GN), este cea mai mare impuritate nedorită, din cauza problemelor sale industriale. Gazele naturale trebuie să fie uscate înainte de a intra în conductele de distribuție, pentru a controla coroziunea și pentru a preveni formarea de hidrați și de hidrocarburi. Îndepărtarea apei din gazele naturale folosind procesul de deshidratare, este o operațiune importantă în industria de prelucrare a gazelor. În procesele industriale actuale, metoda standard pentru deshidratarea gazelor naturale este prin absorbția apei folosind trietilenglicol (TEG). TEG este foarte higroscopic si poate scoate apa din gazele naturale până la concentrațiile specificate pentru conducte, pentru a evita formarea de hidrați. Cu toate acestea, solventul TEG convențional cauzează unele probleme industriale, cum ar fi:

Soluțiile glicol pot fi contaminate cu murdărie.

Supraîncălzirea soluției de glicol poate duce la decosmpunerea produselor si poate provoca unele pierderi de eficiență.

Pierderi de glicolului din cauza spumării, degradării, etc.

Problemele de mai sus industriale menționate, au încurajat cercetătorii să dezvolte și să îmbunătățească, noi solvenți alternativi pentru a înlocui TEG.

Noua generație de solvenți, solvenți eutectici numiți (DESs), au apărut la începutul acestui secol. Aceși solvenți eutectici au un punct de topire mai mic de 100 ° C. DESs nu sunt considerați ca fiind solvenți organici volatili și nu sunt inflamabili, ceea ce face depozitarea lor, convenabilă. In plus, au atras atenția cercetătorilor, deoarece pot fi biodegradabile, non-toxice, și compatibile cu enzyme. Acestea sunt relativ ieftine pentru a fi produse, deoarece acestea sunt realizate din materii prime ieftine și sunt ușor de preparat. Pot fi considerate ca o bună alternativă low-cost pentru multe aplicații, cum ar fi în captarea CO2, produse farmaceutice, nanotehnologie, creșterea de recuperare a petrolului, purificarea de biodiesel și alte diverse aplicații chimice și industriale

Coeficienții de activitate ai H2O în DESs au fost de asemenea investigați. Rezultatele găsite implică faptul că DESs poate fi o bună alternative a absorbantelor convenționale pentru deshidratarea gazelor naturale.

4.2 Progresele în domeniul chimiei sulfului pentru tratarea gazelor acide

Sulful, în principal, un gaz nedorit, este adesea prezent sub formă de H2S din gazele naturale industriale și este o problemă în energie, în prelucrare și în industria chimică. Gazele acide (H2S și CO2) conțin și alte impurități care includ o serie mai mică de hidrocarburi (C1-C4), benzen, toluen și xilen.

Din punct de vedere a mediului, gazele acide, în special H2S și BTX, au efecte negative serioase. Acest lucru se datorează faptului că arderea H2S și BTX produce produse secundare extrem de toxice, cum ar fi dioxidul de sulf, acid sulfuric, acid sulfuros, monoxid de carbon, hidrocarburi aromatice policiclice (PAH) și carbon. Aceste produse secundare afectează calitatea aerului și sunt, de asemenea, considerate surse majore de precipitații acide.

Compușii de sulf în industria chimică și a vehiculelor alimentate cu hidrocarburi, provoca, de asemenea, coroziunea unor părți ale rafinăriilor și a motoarelor cu combustie, din cauza formării oxi-acizilor de sulf din produsele de combustie. Compușii cu sulf sunt de asemenea nedoriți în procesele din rafinării, deoarece ele dezactivează catalizatorii utilizați în procesul de modernizare a calității combustibilului.

Gazele acide provoacă numeroase pericole pentru sănătatea umană, care depind de concentrația și de nivelul de expunere. Concentrațiile scăzute de H2S pot provoca arsuri, mâncărimi și ochi inlăcrimați, dureri de cap, amețeli, dispnee, și iritații ale pielii și ale gâtului. Expunerea ridicată la H2S poate provoca asfixierea, pierderea cunoștinței și chiar fatalitate.

Cresterea cerintelor de energie la nivel mondial a cauzat epuizarea mai rapida a materiei prime dulci si exploatarea sporita a combustibililor de hidrocarburi ‘sourer’. Acești combustibili conțin cel mai adesea gazele acide (H2S și CO2), mercaptani și urme de benzen, toluen și xilen (BTX), care sunt dăunătoare pentru sănătatea umană, mediu și echipamente industriale. EPA a propus o reducere a sulfului în benzină de la 30 ppm până la 10 ppm până în 2017. Pentru a atinge acest obiectiv, țiței și gaze trebuie să fie supuse unor procese de desulfurare mai eficiente în care gazele acide sunt produse secundare.

Gazele acide separate și impuritățile sunt prelucrate în continuare pentru recuperarea materialelor și a energiei, deoarece combustibilii cu conținut ridicat de sulf sunt limitați din cauza efectelor lor nocive. O analiză cuprinzătoare a tratării gazelor acide și a impurităților este realizată cu un design avansat a procedeului Claus, care poate capta cantități mult mai mari de sulf în faza termică și de a reduce costurile operaționale. Procesul Claus, deși este frecvent utilizat pentru recuperarea sulfului și a energiei din gazele acide, are eficiență termică scăzută etapă care deteriorează, modificând compoziția acestora. Chimia sulfului oferă o cale, pentru o mai bună înțelegere a procesului complex în faza termică a reactorului Claus cu scopul de a recupera atât energie cât și pentru a îmbunătăți calitatea sulfului produs, astfel încât etapele catalitice sunt minime.

Fig. Recuperarea sulfului cu reactorul Claus

4.3 Decarbonatarea directă a hidroxizilor dublu stratificati la o scară micrometrica fără a deteriora morfologia

Fig Structura hidroxizilor dublu stratificati

O cale directă de decarbonatare, fără deteriorări evidente morfologie a fost dezvoltată pentru hidroxizi dublu stratificați mari (LDHs) pe o scară micrometrică. În primul rând, se sintetizează LDHs puri, în formă hexagonală cu dimensiune laterală de scară micrometrică prin recent raportata metoda de hidroliză a ureei. Apoi, folosind o soluție mixtă HNO3-NaNO3, LDH obținut cu anioni de carbonat în stratul intermediar (LDH_CO3) a fost decarbonatat direct la forma sa de nitrat, LDH_NO3, morfologia și mărimea particulelor sale au fost rămas neschimbate. În comparație cu metoda de decarbonatare în două etape, publicată recent, decarbonatarea directă prezentată aici este foarte convenabilă.

Hidroxizii dublu stratificați (LDHs) au atras o mare parte din interesele actuale, datorită structurii lor unice și unui domeniu larg de aplicații, în catalizatori, absorbanți, senzori, stabilizator termic de polimer, și o recuperare a petrolului îmbunătățită, etc.

Convențional, LDHs sunt sintetizați folosind o metodă de coprecipitare prin adăugarea unei soluții de hidroxid de sodiu (NaOH) la un amestec apos de săruri metalice. Cu toate acestea, produsele rezultate au întotdeauna cristale mici în dimensiune laterală, gradul scăzut de cristalinitate și forma nedefinită. Din fericire, o metodă numită precipitare omogenă a fost dezvoltată recent pentru a sintetiza LDHs mari la scară micrometrică cu carbonat ca cationi (LDH_CO3). Recent, a fost raportată o dezintercalare de anioni de carbonat, adică decarbonatare, ale cristalelor LDH_CO3 pe o scară micrometrică folosind o soluție diluată de acid clorhidric amestecat cu clorură de sodiu.

LDH_NO3 este, probabil, cel mai frecvent utilizat LDHs schimbabil, cu capacitatea de schimb de anioni mult mai mare decât LDH_Cl.

4.4 Analiza coroziunii și studiile de inhibare în procesul de desulfurare umedă a gazelor natural

Gazul natural joacă un rol important în economia națională, și este un combustibil convenabil, curat, eficient, de înaltă calitate, și, de asemenea, o materie primă importantă pentru industria chimică. În general, există unele impurități, cum ar fi hidrogenul sulfurat (H2S) în gazele naturale, fapt ce poate provoca multe probleme, printre care poluarea aerului și coroziune.

Prin urmare, purificarea gazelor naturale devine foarte importantă. Desulfurarea poate fi împărțită în tehnologie uscată sau umedă.

Desulfurarea umedă, în care soluția lichidă conține, de obicei, unele substanțe alcaline pentru a consolida calitatea de purificare a gazului, este unul dintre procesele cele mai promițătoare în desulfurarea gazelor naturale. Metoda aminoalcooliilor, un tip de tehnologie umedă, este procedeul cel mai des utilizat datorită capacității maride fiabiliate, stabilitate și de funcționare. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că unele probleme serioase de coroziune au fost găsite în procesul de desulfurare a aminoalcoolului. În procesul de purificare a gazelor naturale, coroziunea poate provoca pierderi semnificative. În plus, poluarea soluției de amine și pierderile din cauza coroziunii vor crește costul de producție. Statisticile arată că aproximativ 60% din echipamentul chimic a fost afectat de coroziune.

Este investigată coroziunea oțelului aliat Fe-AL în procesul de desulfurare umedă a gazelor naturale. Morfologia și compoziția scalei de coroziune sunt caracterizate prin scanare electronică microscopică, difracție de putere cu raze X și spectroscopie de dispersie a energiei. Scala de coroziune constă în principal din FeS.

Se utilizează metodele electrochimice, cum ar fi curba de polarizare și spectroscopia de impedanță electrochimică, pentru a analiza efectele concentrației de alcool aminic și a temperaturii asupra coroziunii.

4.5 Impactul conditiilor de lesiere asupra degajarii constituentilor in urma FGDG si FGDG – amestec de sol

Fig. Instalatia de desulfurare a gazelor de evacuare

Arderea carbunilor in centralele electrice pe carbune genereaza anual aproximativ 120-140 de milioane de tone metrice de reziduuri de ardere, spre exemplu cenusa eliberata in aer, cenusa ce se depune la baza..

Majoritatea centralelor electrice bazate pe carbuni din Statele Unite ale Americii, folosesc procesul FGD pentru a indeplini cerintele de reducere ale emisiei SO2 stabilite in urma unor norme de poluare a aerului. Metoda de purificare umeda, ce foloseste pasta de calcar pentru purificarea gazelor e cea mai folosita metoda FGD in Statele Unite ale Americii.

Interesul in folosirea Flue Gas Desulfuriation Gypsum (material ce rezulta in urma amestecarii pastei de calcar cu reziduuri rezultate in urma arderii gazelor) (FGDG) pentru aplicatii de teren a crescut recent.

Se folosesc numeroase ratii ale pH-ului si ale lichid-solidului in urma lesierii in masa, precolare in masa si scenarii cu eliberare de difuziune controlata.

4.6 Captarea CO2 cu un inedit fluidizabil adsorbant solid: Termodinamică si temperatură programată pentru carbonatare-decarbonatare

Fig. Formula structurala a ortosilicatului de litiu

Acest studiu investighează mai mulți sorbenți pentru captarea CO2, cu accent pe dezvoltarea unui adsorbant inedit pe bază de ortosilicat de litiu. Analiza termodinamică prezice condițiile de regenerare ale sorbentului și nivelurile termice unde cinetica adsorbantului schimbă de la absorbția de CO2 la desorbția CO2.

Temperatura de carbonatare programată (TPC) si temperatura programata de decarbonatare (TPDC) sunt dezvoltate folosind o temperatură programată cu unitate fixă. Adsorbanții sunt ținuti în contact cu un curent de gaz, care conține o fracție molară de CO2 10%, și sunt supuse la o rampă de temperatură de 5˚C / min. Acest sorbent inedit fluidizabil poate contribui în mod semnificativ la îndepărtarea CO2 din gazele de ardere emise de centralele electrice.

Încălzirea globală datorată creșterii emisiilor de gaze cu efect de seră este o problemă foarte importantă, deoarece aceste emisii, care sunt, în principal dioxid de carbon, trebuie să fie atenuate pentru a minimizarea daunelor ireversibile asupra mediului. Concentrațiile de dioxid de carbon cresc de la an la an foarte mult, astfel tehnologiile noi sunt necesare pentru a capta dioxidul de carbon.

4.7 Oxidarea/adsorbția desulfurararii gazelor naturale prin ciclodextrină unită printr-o punte dimer cu încapsularea polioxometalaților

Fig. Structura ciclodextrinei

Pentru a obține ultra gaze naturale cu conținut foarte scăzut de sulf, desulfurării masive de polioxometalați, i s-a acordat o mare importanta.

Capacitatea complexului de incluziune CDP poate fi reciclat de cinci ori, cu o ușoară scăderea a eficienței desulfurarii. Aceste avantaje prezintă o aplicație potențială a complexului de incluziune CDP pentru desulfurarea gazelor naturale.

` Gazul natural este alegerea de baza pentru sistemele de generare a energiei, datorita abundentei de materie prima si a unei infrastructuri foarte bine dezvoltata. Totusi, gazul natural contine numeroase impuritati precum hidrogenul sulfurat (H2S), care reprezinta mai multe probleme precum: poluarea aerului, risc de imbolnavire, toxicitate, reducerea integritatii produselor, coroziune si costuri de operare aditionale.

Cu toate acestea, hidrogenul sulfurat din gazele naturale trebuie redus la un nivel acceptabil inainte de a fi folosit. Specificatiile de baza ale hidrogen sulfuratului sunt in general de 4 ppmv (volum parti pe milion), iar continutul de hidrogen sulfurat al rezidului gazelor naturale nu ar trebui sa depaseasca 30 ppmv.

4.8 Îmbunătățirea performanțelor folosind multiple desublimări criogenice pe baza rețelei de conducte, în timpul deshidratării și captării carbonului din gazele naturale

Captarea prin criogenie a carbonului din gaze naturale la presiuni ridicate necesită o sinteză de proces precis și determinarea parametrilor de process, datorită prezenței solide la vapori și echilibre de vapori-lichid-solid. La presiuni mari, formarea de lichid mai mare nu numai că produce probleme de funcționare, dar induce, de asemenea, pierderile de hidrocarburi în straturi compacte criogenice. Rețeaua nouă multiplă de desublimări criogenice pe baza de conducte cu secțiunile sale la diferite presiuni criogenice și profiluri de temperatură, îmbunătățesc separarea. Este explorată separarea simultană a apei și a dioxidului de carbon din amestecul de gaz de alimentare ternar (CH4-CO2-H2O)

Gazele naturale au apărut că una dintre cele mai curate, mai sigure și cele mai utile surse de energie din lume. Îndeplinește cerințele globale pentru producerea de înalta calitate, energie economică durabilă și curată. Chiar dacă gazele sunt considerate că fiind combustibil curat, în comparație cu alți combustibili fosili, gazul natural brut este format în mare parte din metan, împreună cu impurități, cum ar fi apă, dioxid de carbon și alte hidrocarburi superioare.

Avantajele constau în separarea pe bază de conducte curate, eficiente, fără chimicale sau aditivi și costul scăzut. Au fost investigați parametrii de proces, cum ar fi temperatura, debitul de alimentare, și efectul umidității asupra mediului în timpul deshidratării. Temperatura are un efect semnificativ asupra deshidratări, în cazul în care îndepărtarea procentuală a apei a crescut 75.4-93.8% pentru temperaturi de la 0 0C la -30 0C. Umiditatea a demonstrat un efect considerabil asupra procesului de deshidratare.

Fig. Instalatie de criogenie a gazelor

4.9 Performanță oxizilor rari din pământ adăugate cu sorbat de mangan cu suporturi pe baza de silicati pentru desulfurarea gazelor din cărbunii încinși

Un adsorbant pe baza de mangan cu eficientă ridicată a desulfurării, a fost fabricat utilizând diverși silicati mezoporosi, că suport și administrare a oxizilor de pământ rar.

Recent, multe țări în curs de dezvoltare au făcut cercetări pentru tehnici avansate de utilizare a gazului de huilă fierbinte că resursă de energie curate, cum ar fi ciclul combinat cu gazeificare integrată (IGCC) și cu celule de combustibil solid de oxid (SOFC). Cu toate acestea, H2S trebuie îndepărtat din gazul de huilă fierbinte din cauza efectelor sale negative asupra prelucrării chimice și a mediului. Numai concentrația de H2S este redusă la mai puțin de 20 ppm că să poată fi utilizat, gazul de cărbune fierbinte în IGCC, și mai puțin de 1 ppm în celulele de combustibil oxid solid. Termodinamică absorbției lui H2S pe oxizi Ba, Că, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Sr, W, V și Zn au fost favorabile.

Fig. Carbuni incinsi

Capitolul 5.

Coloana de adsorbtie a gazelor

5.1. Noțiuni generale

Uscarea reprezintă procesul de îndepartare pe cale termică sub formă de vapori a umidității (apă sau alte lichide) din materialele solide sau lichide.

Uscarea este un process de difuziune, deoarece trecerea umidității din material în mediul înconjurator se bazează pe uscarea umidității la suprafața materialului și pe difuziunea umidității din straturile interioare spre suprafața materialului.

În procesul de uscare un rol determinant îl are rezistența la difuziune a apei (umidității) îndepărtate.

Există doua moduri distincte de uscare: uscarea naturală efectuată în aer liber, fară încălzire artificială și având o durata mare de desfășurare și uscarea artificială efectuată cu ajutorul unui agent de uscare încalzit (gaze de ardere, aer cald, vapori) care dupa îndepărtarea umidității este evacuat din instalație.

Procesul de uscare termică se bazează pe trecerea umidității din faza solidă (din material) în faza gazoasă. Uscarea este posibila numai atunci când presiunea de vapori de pe suprafata materialului este mai mare decât presiunea parțiala a acestora în mediul încojurator în care decurge uscarea.

Umiditatea unui gaz reprezintă cantitatea de vapori de apă din gazul respectiv. La orice tip de gaz, cantritatea de vapori de apă deoinde de temperatură și într-o măsură mai mică de presiune.

La presiuni joase gazul poate avea o comportare aproape ideală, însă umiditatea maximă a gazului se poate determina cu relația (4.1):

(4.1)

unde:

– presiunea parțială a vaporilor de apă în faza gaz, (bar)

– fracția molară a vaporilor de apă în faza gaz, (bar)

– presiunea de vapori a apei la temperatura t, (bar)

Dar, în cazul presiunilor ridicate, sistemul apă – gaz nu mai are o comportate ideală, apărând devieri de la ecuația (4.1).

Operațiile de separare sau de uscare, adsorbția și desorbția se bazează pe caracterul selectiv al fenomenului de adsorbție. Adsorbantul prezintă proprietatea de a reține în mod diferențiat speciile de molecule din amestecul cu care el vine în contact, favorinzând separarea acestuia în două amestecuri:

faza adsorbită (faza care s-a fixat în adsorbant);

faza neadsorbită.

Substanțele poroase fabricate pentru a avea o suprafață mare pe unitatea de masă se numesc adsorbanți. În industrie, adsorbanții sunt utilizați pentru:

uscarea hidrocarburilor nesaturate,

uscarea gazelor,

separarea hidrocarburilor aromatice,

izomerizarea olefinelor,

conversia alcoolilor,

parafinelor, aromaticelor.

Transferul de masă care apare în acest proces poate fi controlat de două rezistențe:

rezistența filmului de fluid,

rezistența din porii adsorbantului.

Într-un sistem de tipul apă – gaz, determinarea fluxului de masă se poate face folosind zona transferului de masă. Cantitatea de adsorbant neutilizată (mzn) reprezintă rezistența transferului de masă, care împreună cu cantitatea utilizată (mzu), saturată la echilibru, alcătuiesc cantitatea de adsorbant (mst) instalată în strat.

Pentru că o parte din adsorbantul situat în zona de transfer de masă (Ztm) este parțial nesaturat, se va defini conceptul de zonă neutilizată (Zn), și corespunzător acestuia, o înălțime a zonei neutilizate (Hzn), conform relației (4.2),[9].

(4.2)

unde:

Hzn – reprezintă zona neutilizată, (m)

Hzt – reprezintă înalțimea zonei de transfer de masă, (m)

Înalțimea stratului de adsorbant (H) se calculează cu relația (4.3):

(4.3)

Unde:

Hzu – reprezintă înalțimea zonei utilizate, numită și zonă stoechiometrică, (m)

Înălțimea zonei de transfer de masă se poate determina experimental, dar se poate calcula empiric cu relația recomandată pentru operații de uscare (4.4):

(4.4)

Unde:

q – debitul de apă în gazul umed, .

vg – viteza lineară a gazului în strat, calculată pentru secțiunea liberă a adsorberului, .

ur – umiditatea relativă, (%).

A – constantă, (adimensională)

Pentru site moleculare se va alege următoarea valoarea a constantei A = 85.

Deoarece viteza excesivă de curgere a gazului în stratul de adsorbant poate provoca agitarea particulelor sau chiar fluidizarea stratului, particulele se pot degrada mecanic, se pot sfărma, ducând la formarea prafului care poate fi antrenat în gazul efluent. Astfel, va exista o viteză maximă admisibilă ce poate fi determinată de apariția acestui fenomen.

Calculul vitezei maxime admisibile se poate realiza cu relația:

(4.5)

unde:

ρg, – densitatea gazului / adsorbantului, (kg/m3)

ρad – densitatea adsorbantului, (kg/m3)

dp – diametrul mediu al particulei de adsorbant, (m)

C – constantă, (adimensională)

Valoarea constantei C, se va alege astfel:

pentru curgerea ascendentă, C = 0,0167;

pentru cea descendentă, C = 0.25 ÷ 0.32

Dacă s-ar lucra sub viteza maximă admisibilă, pierderea de adsorbant s-ar diminua sau s-ar evita complet. Alegerea vitezei de curgere sau a căderii de presiune se poate face pe baza unei relații de optimizare prin care acestea se determină reciproc. În figura 4.1 este prezentată schema tehnologică de uscare a gazelor folosind adsorber echipat cu site moleculare.

Figura 4.1. Schema tehnologică a instalației de uscare a gazelor prin adsorbție pe site

1, 2 – coloane de adsorbție (uscare), 3 – coloană de alimenatre gaz umed, 4 – cuptor, 5 – încălzitor, 6 – coloană de separare.

5.2. Dimensionarea unui adsorber echipat cu site moleculare pentru uscarea unui gaz prin adsorbție în strat fix

5.2.1. Tema și datele de proiectare

Să se realizeze dimensionarea unui adsorber echipat cu site moleculare în strat fix, folosit pentru uscarea unui gaz, și să se realizeze bialnțul termic pe ciclul adsorbție/desorbție cunoscând următoarele date:

Materia primă: V = 220 kmol / h gaz.

Masa moleculară a gazului uscat: Mg = 18, (kg/kmol)

Conținutul de apă: Y0 = 0,012 (kg apă / kg gaz)

Gazul uscat: Yr = 0,001 (kg apă / kg gaz)

Condițiile de operare ale adsorberului sunt următoarele: P = 3 (bar); tma = 40(°C); ρg = 2,2 (kg/ m3); vga = 0,70 (m/s). Gazul curge de la vârful spre baza adsorberului.

Adsorbantul utilizat în adsorber are forma de bastonașe cilindrice cu următoarele caracterisitici: dp = 2 (mm); ρad = 650 (kg/m3); capacitatea de adsorbție X0 = 0,1 (kg apă/kg sită), XX].

5.2.2. Calculul adsorberului

Diametrul adsorberului (Dad) este determinat cu ajutorul debitul de gaz (Vga), și viteza gazului (vga), cu ajutorul relației de continuitate. Înălțimea stratului de adsorbant (H), se va calcula cu relația (4.3). Înălțimea zonei utilizate se va calcula din cantitatea de apă reținută pe ciclu (mapă),de capacitatea de adsorbție le echilibru (X0), de densitatea adsorbantului (ρad) și aria secțiunii adsorberului (Sad). Înălțimea zonei de transfer de masă se va calcula pentru viteza gazului și geometria stratului de adsorbant.

Durata de operare a adsorberului constă din durata adsorbției (τa) considerată a fi de 12 (h), din durata desorbției (τd) considerată a fi de 6 (h), de durata de rupere (τr), aceasta fiind durata la care zona de transfer de masă ajunge la extremitatea înălțimi stratului, și durata de regenerare (τrg). Se va considera că durata unui ciclu este de 24 (h). Durata de regenerare se calculează cu relația (4.6):

(4.6)

Calcularea secțiunii adsorberului se va face conform relației (4.7):

(4.7)

Diametrul adsorberului se va calcula conform relației (4.8):

(4.8)

Cantitatea de gaz prelucrată pe ciclu, pe adsorber, se vor detemrina pe baza relației (4.9):

(4.9)

Cantitatea de apă adsorbită pe ciclu, (mapă) se va calcula cu relația (4.10):

(4.10)

Cantitatea de sită (adsorbant) utilizată, (mzu) se va calcula cu relația (4.11).

(4.11)

Înălțimea zonei utilizate, (Hzu) se va determina pe baza relației (4.12).

(4.12)

Înălțimea zonei de transfer de masă, (Hzt) se va determina pe baza relației (4.13).

(4.13)

Se va calcula debitul de apă în gazul umed cu relația (4.14)

(4.14)

Umiditatea relativă se va calcula cu relația următoare:

Iar viteza liniară a gazului în strat se consideră a avea valoarea . Aplicând relația (4.13) se va calcula înălțimea zonei de transfer de masă:

Înălțimea zonei neutilizate, (Hzn) se va determina cu relația (4.2):

Aplicând relațai (4.3) se va calcula înălțimea stratului de adsorbant, (H):

Cantitatea de adsorbant neutilizată, (mzn) se va calcula cu relația (4.15):

(4.15)

Cantitatea de adsorbant în strat, (mst) se va calcula cu relația (4.16):

(4.16)

Numărul de adsorbere necesare pentru funcționare continuă, (nad) se va determina cu relația (4.17):

(4.17)

Cantitatea totală de adsorbant, (mtot) se va determina conform relației (4.18):

(4.18)

Viteza maximă admisibilă a gazului, (Vmax. admis.) se va determina cu relația (4.5):

Operația inversă adsorbției este desorbția. Această operație este necesară, ea urmând operației de adsorbție. Se aplică fie pentru obținerea adsorbantului, fie pentru îndepărtarea lui de pe adsorbant.

Metodele prin care se poate realiza desorbția sunt:

Încălzirea indirectă a stratului de adsorbant.

Scăderea presiunii totale.

Striparea cu un fluid neadsorbabil.

Dizlocarea cu un fluid adsorbabil.

Procesul de desorbție poate fi un proces endoterm care poate fi condus adiabatic. În cazul în care se folosește striparea cu gaz inert, aportul de căldură se poate face prin entalpia de supraâncălzire a acestuia. În industrie, în operațiile de desorbție, temperatura gazului de desorbție este cuprinsă între 200 – 400 °C.

Operația de regenerare a adsorbanților reprezintă suma operațiilor necesare refacerii asctivității adsorbantului. Astfel, prima operație de regenerare este desorbția. ”Un ciclu tehnologic” de regenerare este reprezentat de adsorbție împreună cu restul operațiilor care asigură regenerarea.

Duratele fiecărei operații însumate formează durata unui ciclu tehnologic, determinat cu relația (4.19):

(4.19)

În industrie, în procesul de adsorbție, ponderea cea mai mare a costurilor de investiție și operare o are etapa de regenerare. Acest lucru poate fi pusă în evidență prin bilanțul de material și bilanțul termic.

Pentru un ciclu tehnologic se pot face următoarele afirmații:

Desorbția se face prin încălzire directă și stripare cu gaz inert

Răcirea se face prin contact direct cu același gaz răcit în prealabil.

Circulația gazului își schimbă sensul de la o operație la alta

Temperaturile de intrare a gazului în fiecare operație (t0, t1, t2) sunt constante în timp.

Temperatura gazului efluent este egală cu cea a stratului.

se vor calcula temperatura medie aritmetică pentru etapa de adsorbție (tma), pentru etapa de desorbție (tmd) și pentru etapa de răcire (tmr), cu relațiile (4.20) – (4.22):

(4.20)

(4.21)

(4.22)

5.2.3. Bilanțul termic pentru operația de adsorbție, desorbție și de răcire

Cantitatea de caldură degajată (Qa) ca efect termic al adsorbției, se poate transforma în caldură preluată atât de sistem, cât și de gazul efluent. Astfel, pentru operația de adsorbție, se poate scrie următoarea relație de bilanț de materiale, relația (4.23):

(4.23)

Qsa– căldura sensibilă a stratului de adsorbant, [kJ/ciclu]

Qmt – căldura sensibilă a părții metalice și izolației, [kJ/ciclu]

Qg – căldura preluată de gazul sărac efluent, [kJ/ciclu]

Qpierd – căldura pierdută în mediul ambiant [kJ/ciclu]

În etapa de desorbție, cantitatea de căldură necesară este calculată cu relația (4.24):

(4.24)

Qd – căldura de desorbție, [kJ/ciclu]

Se va ține cont de faptul că, operația de desorbție este consumatoare de căldură.

Cantitatea de gaz de desorbție, (Vgd) de la care sistemul preia caldura se va calcula din relația (4.25):

(4.25)

Cpg – căldura specifică a gazului sărac, (J/kg )

Consumul real de căldură pentru operația de desorbție, (Qp) se poate determina cu relația (4.26):

(4.26)

Bilanțul de materiale pentru operația de răcire a adsorberului se poate determina cu relația (4.27):

(4.27)

Qrc – căldura totală consumată în operația de răcire, (kJ/ciclu)

Cantitatea de gaz necesară răcirii adsorberului va fi determinată cu relația (4.28):

(4.28)

Sarcina termică a răcitorului de gaz care determină consumul de agent de răcire se va calcula cu relația (4.29):

(4.29)

Desorbția se face prin încălzire și stripare cu gaz sărac, iar răcirea se face direct, cu același gaz răcit în prealabil.

Pentru a se realiza bilanțul de materiale pentru cele trei operații adsorbție, desorbție și răcire mai sunt necesare cunoașterea următoarelor date:

pentru operația de adsorbție: ΔHa = 2430 (kJ/kg), t0 = 30°C, cpad = 0,8 (kJ/kg K), cpg = 2,36 (kJ/kg K), cpmt = 0,5 (kJ/kg K), mmt = 3500 (kg). Se va presupune temperatura stratului la sfârșitult procesului de adsorbție t1 = 53°C. Cu relația (4.20) se va calcula temperatura medie aritmetică:

Se va calcula cantitatea de căldură degajată în operația de adsorbție cu relația (4.30):

(4.30)

Se va calcula cantitatea de căldură pierdută în mediul ambiant în acestă operație cu relația (4.31):

(4.31)

Căldura sensibilă a stratului de adsorbant se va calcula cu relația (4.32):

(4.32)

Căldura preluată de gazul sărac efluent se determină cu relația (4.33)

(4.33)

Căldura sensibilă a părții metalice și izolației se determină cu relația (4.34):

(4.34)

Însumarea acestor cantități de căldură pentru operația de adsorbție este dată de relația:

pentru operația de desorbție, condițiile de operare sunt următoarele: P = 2 (bar), τd = 6 (h), cpad=0.8 (kJ/kg K), cpg=2,7 (kJ/kg K). Se va considera că, gazul circulă de la bază spre vârful adsorberului. Se va alege t2=350°C, temperatura gazului de desorbție.

Se va calcula temperatura medie aritmetică pentru operația de desorbție aplicând relația (4.21):

Căldura de desorbție (Qd) este egală cu căldura din etapan de adsorbție, conform relației (4.35):

(4.35)

Se va calcula cantitatea de căldură pierdută în mediul ambiant în operația de desorbție cu relația (4.36):

(4.36)

Căldura sensibilă a stratului de adsorbant se va calcula cu relația (4.37):

(4.37)

Căldura sensibilă a părții metalice și izolației pentru operația de desorbție se determină cu relația (4.38):

(4.38)

Însumarea acestor cantități de căldură pentru operația de desorbție este dată de relația:

Cantitatea de gaz de desorbție se va determina cu relația (4.25):

Sarcina termică a preîncalzitorului de gaz se va calcula din relația (4.26):

pentru operația de răcire, condițiile de operare sunt următoarele: P = 2 (bar), τr = 6 (h), cpad = 0,8 (kJ/kg K), cpg = 2,7 (kJ/kg K).

Căldura sensibilă a stratului de adsorbant în operația de răcirese va calcula cu relația (4.39):

(4.39)

Căldura sensibilă a părții metalice și izolației se determină cu relația (4.40):

(4.40)

Se vor însuma cele două călduri calculate:

Se va calcula cantitatea de căldură pierdută în mediul ambiant în acestă operație cu relația (4.41):

(4.41)

Cantitatea de gaz necesar răcirii adsorberului se va calcula cu relația (4.28). Mai întâi se determină temperatura medie aritmetică de rocire conform relației (4.22):

Sarcina termică a răcitorului de gaz se va calcula cu relația (4.42):

(4.42)

Capitolul 6.

Norme de protecție a muncii

Protecția muncii constituie totalitatea măsurilor luate pentru asigurarea celor mai bune condiții de muncă, prevenirea accidentelor de muncă și a îmbolnăvirilor profesionale.

La baza măsurilor de protecție a muncii stau studiile, experiențele și cerințele a două discipline stiințifice: tehnica securității muncii, care este partea tehnică a protecției muncii, având ca obiect elaborerea măsurilor de asigurarea securității muncii și igiena muncii care elaborează măsurile organizatorice.

6.1 Reguli de exploatare în cadrul stațiilor de comprimare:

La proiectarea și exploatarea stațiilor de compresoare se vor respecta următoarele:

a)     Asigurarea ventilației naturale a halei permanent prin deschideri prevăzute la partea inferioară și superioară a halei;

b)     Colectarea scăpărilor de gaze și a celor evacuate;

c)     Dotarea cu dispozitive și instalații de ridicare, de capacitate corspunzătoare greutății celei mai mari ce va fi manevrată;

d)     Izolarea termică a conductelor de eșapare și agentului de comprimare cu temperatura de peste 70oC;

e)     Prevederea de aparatori la piesele în mișcare și imbinări cu flanșe de conductele pentru fluide calde și sub presiune

f)      Montarea aparatelor de măsuraă și control necesare unei exploatări sigure a agregarelor și instalațiilor tehnologice;

g)     Montarea de scări și platforme cu balustrade pentru accesul la părțile superioare ale agregatului de comprimare;

h)     Montarea instalației de captare a uleiului și pierderilor de ulei de la etansări;

i)      Montarea instalației de purificare și reglare a gazului combustibil la parametrii indicați de furnizorul agregatului de comprimare;

j)      Montarea supapelor de siguranța și a capetelor de reținere pe conductele de refulare ale agregatelor.

În interiorul halei de compresoare la conductele de gaze naturale, se vor folosi de preferințîă imbinările sudate; în cazul folosirii asamblărilor filetate sau în flanșe, etanșeitatea acestora va fi verificată zilnic cu detectorul de gaze.

Sistemul de aprindere prin scanteie la motoarele cu gaze va fi antiexploziv. Intervențiile la organele acestui sistem se vor executa numai cu motorul oprit.

Fișele, bujiile, bobinele de inducție, magnetourile vor fi verificate pe standuri speciale, montate în atelierul de întreținere.

Pentru pornirea agregatului de comprimare  se vor verifica următoarele:

1.     Montajul corect al tuturor conductelor, acesoriilor, capacelor, apărătorilor;

2.     Existența și funcționarea corectă a aparatelor  de măsură și control;

3.     Funcționarea corectă a tuturor protecțiilor;

4.     Nivelul uleiului și lichidului de răcire;

5.     Poziția corectă a armăturilor tuturor sistemelor de funcționare;

6.     Funcționarea corectă a instalațiilor de reglare a gazului combustibil;

7.     Funcționarea instalației de aer comprimat;

8.     Refularea conductelor și buteliilor de aer și a separatoarelor de lichide de pe conductele de aer comprimat;

9.     Evacuarea personalului care nu are legătură directă cu pornirea din zona demarorului.

Pornirea motorului se face numai cu sistemul prevăzut de furnizorul agregatului; este interzisă utilizarea oxigenului, acetilenei, combustibilior lichizi pentru pornire.

Instalația de aer comprimat (compresoare, butelii, filtre) se va monta în afara halei compresoarelor, în încăpere separată, amplasată la 50 m de aceasta.

Buteliile de aer comprimat, fiind recipienți sub presiune vor fi construite, echipate, amplasate și exploatate conform prescripțiilor tehnice I.S.C.I.R.

6.2 Impactul activității de comprimare a gazelor asupra mediului

Activitatea de protecție a mediului are drept scop reducerea impactului pe care diferite activități le are asupra mediului.

Prin impactul asupra mediului se înțelege orice efect direct sau indirect al unei activități umane desfășurate într-o anumită zonă care produce o schimbare a sensului de evoluție a stării calității mediului și a ecosistemelor, schimbare ce poate afecta sanatatea omului, integritatea mediului, a patrimoniului cultural. Evaluarea impactului asupra mediului are drept evidențierea efectelor negative dar și a celor pozitive ale exercitării unei activități proiectate sau existente asupra mediului.

Evaluarea impactului se face în cadrul studiilor de impact. Elaborarea acestora este obligatorie pentru evaluarea corectă a consecințelor pe termen scurt, mediu și lung. Impactul asupra factorilor de mediu trebuie evaluat separat în cazul unui obiectiv nou:

Pe durata realizarii obiectivului – în acest caz trebuie să se obțină  un “acord de mediu”;

Pe durata exploatării sau funționării obiectivului – în acest caz este nevoie să se obțină o “autorizație de mediu”.

Poluarea apelor:

            Din stațiile de epurare sunt evacuate ape reziduale, industriale și menajere. Apele industriale au un conținut ridicat de uleiuri minerale utilizate ca lubrifianți în agregatele compresoare; de aceea apele reziduale sunt colectate în instalația industriala și dirijată către un separator de grăsimi, apoi evacuată în rețeaua de canalizare. Apele menajere, rezultate din activitatea pompieristică și de gospodarie, de regulă sunt deversate în canalizarea menajeră.

            Principalii agenți poluanți ai apelor rămân uleiurile ținând cont de faptul că randmentul separații este în general extrem de scăzut.

Poluarea aerului:

            Majoritatea noxelor emise în atmosfera din stațiile de comprimare provin de la arderea metanului în gazomotocompresoare și în centrale termice. Principalele noxe sunt gazoase: NO2, CO, CO2, COV (compusi organici volatili), SO2 (în cazul în care gazul metan conține urme de H2S sau mercaptan).

            Alte noxe, cum ar fi: vapori de solvenți, vopsele sau alte materiale inflamabile nu au caracter permanent și sunt neglijabile din punct de vedere al poluării aerului.

Poluarea solului:

            Poluarea solului determinată de desfășurarea activității în stațiile de comprimare poate interveni accidental în cazul unor avarii sau neglijențe în depozitarea deșeurilor.

            La stațiile de comprimare rezultă următoarele tipuri de deșeuri:

Uleiuri minerale uzate;

Piese de schimb uzate;

Cârpe de șters îmbibate cu uleiuri și produse petroliere;

 Resturile menajere rezultate de la angajați.

Poluarea sonoră, vibrații limită:

            Ca orice motoare cu ardere interna, motocompresoarele produc zgomote de o intensitate mai mare în special la eșaparea gazelor arse.

            Vibrațiile organelor agregatelor aflate în mișcare sunt controlate cu detectoare de vibrații și în general acestea sunt sub valorile prescrise de fabricantul utilajului.

            Toate mecanismele agregatelor în mișcare de rotație au turații și mase mici, cu excepția volantei de la motocompresoare.

            Vibrațiile acestea sunt mereu controlate.

Asezări umane, căi de acces:

Stațiile de comprimare ale gazelor naturale sunt amplasate în general în apropierea unor localități. Accesul către și în incita stației se realizează prin intermediul unor șosele betonate sau din dale de beton specifice drumurilor de sonde marginite de spații verzi.

Concluzii

În primele momente ale industriei gazelor naturale, acesta a fost folosit în principal pentru felinarele de lumină, și în casă ocazional, dar acestea au fost valorificate, și pot fi folosite pentru încălzirea apei, drept combustibil pentru autovehicule, in industrie. Fără îndoială, noi utilizări sunt descoperite tot timpul.

Principalele utilizări ale gazelor naturale în sectorul comercial includ, încălzirea spațiului, încălzirea apei și răcire. Pentru restaurante și alte unități care au nevoie de facilități pentru gătit, gazul natural este o alegere populara pentru a îndeplini această nevoie.

Gazul natural este un combustibil verde și devine foarte căutat, deoarece este sigur și curat pentru mediu. Mai mult decât atât, acest combustibil emite niveluri mai scăzute de produse secundare nocive în atmosferă. Mai presus de toate, tehnologia de metanare este considerată o viitoare metodă de tratament potențial pentru transformarea gazelor naturale acre în gaze naturale dulci.

Gazul natural este produs în mod normal, departe de regiunile de consum, prin urmare, acesta necesită un sistem extins și elaborat de transport pentru a ajunge la punctul său de utilizare. Sistemul de transport al gazelor naturale constă într-o rețea complexă de conducte, proiectat pentru a transporta rapid și eficient gazele naturale de la origine, la zonele de cerere mare de gaze naturale.

Impuritatile solide ce se gasesc in gazele naturale, variaza in functie de drenarea sondelor, de durata de exploatare a acestora, executia conductelor si agresivitattea gazelor.

Impuritatile solide se gasesc in cantitati semnificative. Acestea provoaca sablarea (erodarea) conductelor si a instalatiilor tehnologice, uzarea porematura a ansamblului piston-cilindru si a rotoarelor compresoarelor de gaze, prelucrarea lor in diverse procese chimice, reduc eficienta transportarii.