Регенерация шариков активированного Alumina: температура и расход потока — что это на самом деле (и чем это не является)

Если вы эксплуатируете промышленный осушитель сжатого воздуха, пакет подготовки приборного воздуха, предсушильную башню СПГ или PSA для усовершенствования биогаза, цикл регенерации — это та часть системы desiccant, которая определяет эксплуатационные расходы, точку росы продукта и периодичность замены слоя адсорбента. За двенадцать лет поставки шаров activated alumina производителям осушительных установок более чем в 60 странах и анализа эксплуатационных данных выборки из 32 установленных осушителей мы установили, что наиболее важными являются два рабочих параметра: пиковая температура регенерации и поверхностная скорость потока газа регенерации. В настоящем руководстве подробно рассматриваются химия, физика тепломассообмена, эксплуатационные данные, стандарты ISO 7183, ISO 8573-1, ASME PTC 12.4 и CGA G-7.1, а также 7-летняя стоимость эксплуатации регенерации activated alumina при подготовке сжатого воздуха, приборного воздуха, предсушке СПГ и усовершенствовании биогаза.

Каждый промышленный desiccant-осушитель состоит из двух частей: адсорбционной части, где влажный подаваемый газ контактирует с активированным alumina и отдает воду, и регенерационной части, где загруженный слой нагревают и удаляют из него адсорбированную воду, чтобы он был готов к повторному вводу в эксплуатацию. Адсорбционная часть определяется химическими свойствами desiccant и влажностью на входе. Регенерационная часть зависит от инженера, проектирующего осушитель, и оператора, настраивающего цикл. Если регенерация спроектирована правильно, ваш слой обеспечивает 5 to 7 years работы с небольшим простоем и стабильной точкой росы. Если все сделано неправильно — температура слишком низкая, цикл слишком быстрый или выдержка слишком короткая, — емкость слоя снижается от цикла к циклу, точка росы продукта ухудшается с -40 degrees C до -20 degrees C за шесть месяцев, и ваши операторы начинают закупать заменный desiccant за два года до того, как это действительно потребуется.

Причина, по которой активированная alumina является основным промышленным desiccant для регенерации, заключается в том, что она выдерживает 1,800 to 3,500 циклов регенерации при надлежащем контроле температуры и расхода, тогда как силикагель выдерживает лишь 80 to 200 циклов, а ранние марки molecular sieve 3A — 300 to 800 циклов. Цена активированной alumina сопоставима с ценой этих альтернатив на kg, однако стоимость одного цикла значительно ниже, если срок службы слоя составляет 5 to 10 years вместо 1 to 2 years. Ключевой вопрос: как спроектировать цикл регенерации, чтобы слой действительно достиг срока службы в 2,000 циклов, а не деградировал за 300 to 500 циклов?

Три режима отказа, ограничивающих срок службы activated alumina, следующие: (1) слишком низкая пиковая температура регенерации, из-за которой остаточная влага ускоряет спекание поверхности при многократном гидротермальном циклировании; (2) слишком высокая скорость газа регенерации, вызывающая механический истирание, пылеобразование и канализирование; (3) слишком короткая выдержка при пиковой температуре, из-за которой внутренняя часть гранул остается влажной, а слой проявляет более низкую эффективную емкость в следующем цикле. В этой статье подробно рассматриваются все три режима отказа с использованием полевых данных, приводятся целевые диапазоны проектирования и показано, что меняется при переходе от работы на сжатом воздухе к предварительной сушке LNG и к обогащению биогаза.

Activated alumina — это гамма-фаза aluminum oxide (gamma-Al2O3), получаемая путем контролируемой дегидратации aluminum hydroxide. В результате технологического процесса образуется пористая структура с удельной площадью поверхности 300 to 360 m2/g, объемом пор 0.40 to 0.50 mL/g и средним диаметром пор 4 to 6 nm. Поверхность пор содержит от трех до пяти гидроксильных групп на квадратный нанометр, распределенных по каркасу alumina. Когда водяной пар контактирует с сухим alumina, гидроксильные группы образуют водородные связи с водой, а молекулы воды диффундируют в сеть мезопор, где они конденсируются под действием капиллярных сил у изогнутого мениска внутри поры.

Чтобы обратить процесс и регенерировать слой, необходимо разорвать водородные связи между поверхностными гидроксильными группами и молекулами воды, для чего требуется энергия. Энергия десорбции складывается не только из скрытой теплоты парообразования (2,260 kJ/kg), но также из дифференциальной энтальпии адсорбции на границе раздела газ–твёрдое вещество (обычно дополнительно 800 to 1,200 kJ/kg для первого слоя воды и 100 to 300 kJ/kg для последующих слоёв). Для слоя в установившемся промышленном режиме с содержанием воды 6 to 9 wt% общая энергия, необходимая на 1 kg воды, составляет 3,500 to 4,800 kJ. Именно поэтому стандартными являются температуры регенерации 180 to 220 degrees C: они обеспечивают достаточную термическую движущую силу для удаления воды, связанной с поверхностью и сконденсированной в порах, за разумное время выдержки.

В температурном диапазоне есть важный нюанс. Ниже 120 to 140 degrees C быстро испаряется наиболее слабо связанная вода (капиллярная вода в более крупных мезопорах, влага в свободном пространстве слоя), но не испаряется прочно связанная вода поверхностных гидроксильных групп. Выше 200 degrees C вода поверхностных гидроксильных групп начинает выделяться, но происходит это с длинным хвостом десорбции, который значительно оттягивается на период выдержки. Эффективная температура пика регенерации — это температура, при которой газ на выходе из слоя достигает установившегося состояния при расчетной точке росы; в полевых условиях это обычно 180 to 220 degrees C для осушителей сжатого воздуха и приборного воздуха и 200 to 240 degrees C для предсушильных башен СПГ, где слой адсорбента глубже, а влаговая нагрузка за цикл выше.

Регенерация шариков активированного Alumina: температура и расход потока — скрытый дефект / режим отказа

Отраслевая практика, поддерживаемая кодом испытаний ASME PTC 12.4 для сушилок, устанавливает пиковую температуру на выходе из нагревателя при регенерации на уровне 180–220 градусов C для стандартного гамма-фазного activated alumina в эксплуатации TSA (temperature-swing adsorption). Нижняя граница определяется остаточной влагой: при пиковой температуре 160 градусов C после 60-минутной выдержки слой сохраняет 1.5–2.5 wt% остаточной воды, что по-прежнему позволяет эксплуатировать слой, но снижает эффективную рабочую ёмкость следующего цикла на 25–35%. Верхняя граница определяется спеканием поверхности: при температуре 260 градусов C и выше фаза gamma-Al2O3 начинает превращаться в alpha-Al2O3, сопровождаясь измеримым снижением площади поверхности (5–8% за 100 циклов) и изменением цвета гранул от белого к серому.

В оптимальном диапазоне 190 to 210 degrees C наш сорт AA-REG после выдержки в течение 60 to 90 минут сохраняет 0.5 to 1.0 wt% остаточной влаги, выдерживает 1,800 to 2,500 циклов регенерации с потерей емкости менее 10% и обеспечивает давление точки росы -30 to -45 degrees C на следующем цикле адсорбции. Время выдержки так же важно, как пиковая температура: 30 минут при 220 degrees C примерно эквивалентны 60 минутам при 200 degrees C и 90 минутам при 190 degrees C с точки зрения эффективной десорбции. Операторы, пытающиеся сэкономить время за счет сокращения выдержки с 90 до 30 минут, обычно отмечают ухудшение точки росы в течение 10 to 20 циклов и в итоге заменяют слой адсорбента раньше, несмотря на кажущуюся экономию времени.

• WhatsApp: +86 133 2522 2240 (самый быстрый ответ, в течение 12 часов)
• Email: barry@aluminaworld.com
• Запрос образца: упаковка 5 kg для НИОКР, срок поставки 3-5 дней, полный CoA с данными об истирании по ASTM D7084 и емкостью при 60% RH включен
• Оптовые заказы: MOQ 1 MT, производство 12-18 дней, FOB/CIF/CFR из порта Циндао (220 км от нашей фабрики)

Шарики Activated Alumina: температура регенерации и расход — измеренные значения по маркам

Глубина слоя определяется расчетным перепадом давления и расчетным временем проскока при требуемой точке росы на выходе. Классическое уравнение проскока, разработанное Wheeler и Robel, дает:

где t_b — время прорыва, Z — глубина слоя, V — скорость газа в свободном объёме, W — ёмкость адсорбции на единицу массы, rho_q — насыпная плотность слоя, а q — концентрация воды на входе. Для компрессорного осушителя воздуха на 2.5 MVA, работающего с расходом влажного входного воздуха 10 Nm3/min при +35 degrees C и влажностью 65% RH (концентрация воды на входе 22.6 g/Nm3), со слоем activated alumina массой 100 kg (сухая масса 90 kg, насыпная плотность 0.75 g/L, эффективная рабочая ёмкость 5 to 5.5 wt% в условиях регенерации) прорыв при точке росы на выходе -40 degrees C наступает приблизительно через 8 hours. Это типичная длительность цикла адсорбции, соответствующая нашим наблюдениям при эксплуатации.

Почему повышенный расход Activated Alumina Ball при регенерации оправдывает свою стоимость — основная химия

Охлаждение — процесс, обратный нагреву. Слой должен отдать свою физическую теплоту перед повторным повышением давления при подаче на линию адсорбции, иначе в течение первого часа адсорбции температура точки росы на выходе будет завышенной и нестабильной. Охлаждение обычно выполняют с помощью ответвления потока сухого продуктового воздуха при скорости 0.20 to 0.30 m/s либо с помощью однократного продува атмосферным воздухом через отдельный змеевик охладителя. В обоих случаях требуется 60 to 90 minutes, чтобы довести температуру слоя до температуры питающего потока с отклонением не более 10 degrees C.

Общая энергия, необходимая для регенерации 1 kg of activated alumina, включая все потери на нагрев, десорбцию и охлаждение, составляет 5,800 to 7,500 kJ (1.6 to 2.1 kWh). Показатель приблизительно распределяется следующим образом: 25 to 30% — на нагрев desiccant и сосуда до рабочей температуры, 40 to 50% — на десорбцию воды, включая дифференциальную теплоту адсорбции, 15 to 25% — на потери через стенки сосуда и выхлопную трубу и 10 to 15% — на охлаждение. Точный показатель зависит от шести факторов: температуры на входе в слой (холодный пуск требует на 5 to 8% больше энергии, чем повторное повышение давления при температуре окружающей среды), остаточной влагосодержащей нагрузки (сильно загруженные слои выделяют больше полезной скрытой теплоты, частично компенсируя потребность в энергии), температуры отработанного газа на выходе (хорошо настроенные сушилки выпускают его при 110 to 140 degrees C, а сушилки избыточного размера — при 180 to 220 degrees C и теряют 15 to 25% подводимой энергии).

В сжатом воздухе при нагревателе на 180 degrees C, скорости потока 0.35 m/s и массе слоя 100 kg общие затраты энергии на один цикл регенерации составляют 165 to 200 kWh. При типичном промышленном тарифе на электроэнергию 0.10 to 0.14 USD/kWh стоимость регенерации за цикл составляет 18 to 26 USD. Для осушителя, работающего 365 циклов в год при 8-hour цикле адсорбции, годовая стоимость электроэнергии составляет 6,500 to 9,500 USD. Переход с электрического нагрева на паровой на том же объекте обычно снижает затраты энергии на 30 to 45%, поскольку пар при 8 to 12 barg подается при 200 to 250 degrees C и имеет значительно более низкую удельную стоимость по сравнению с электрическим резистивным нагревом.

Температурный режим и расход при регенерации Activated Alumina Ball — дозирование для различных условий эксплуатации

Несколько международных стандартов регулируют проектирование и эксплуатацию промышленных desiccant-осушителей. ISO 7183:2022 распространяется на осушители сжатого воздуха, включая абсорбционные (desiccant) осушители, и устанавливает методы испытаний эксплуатационных характеристик, номинальные производительности и рекомендуемые параметры цикла регенерации. ISO 8573-1:2010 определяет классификацию чистоты сжатого воздуха: от Class 1 (менее 0.01 g воды на Nm3, точка росы -70 degrees C) до Class 6 (менее 7.8 g воды на Nm3, точка росы +10 degrees C). ASME PTC 12.4 является кодом испытаний эксплуатационных характеристик адсорберов и desiccant-осушителей и устанавливает стандартизированную процедуру измерения адсорбционной емкости, эффективности регенерации и потребления энергии.

CGA G-7.1 (Compressed Gas Association, Commodity Specification for Air) является стандартом США для качества приборного и медицинского воздуха. CGA G-7.1-2018 устанавливает пределы точки росы и концентрации частиц для дыхательного воздуха и приборного технологического воздуха, при этом для Type I air требуется точка росы по давлению -40 degrees C или ниже и менее 0.5 ppm загрязняющих веществ. CGA G-7.1 напрямую не устанавливает параметры цикла регенерации, но косвенно определяет их: для достижения выходной точки росы -40 degrees C слой activated alumina должен регенерироваться при температуре от 180 до 220 degrees C с достаточной выдержкой и достаточным расходом продувки, что в точности соответствует рабочему диапазону, рассматриваемому в этой статье.

Кинетика гидратации, контроль набора и время работы

Activated alumina — один из четырех распространенных desiccant в промышленной службе регенерации. Остальные — силикагель, molecular sieve 3A/4A/13X и carbon molecular sieve. У каждого свой температурный диапазон регенерации и свой срок службы цикла. Ниже приведено сравнение бок о бок на основе данных полевого обслуживания и опубликованных производителем данных:

Таблица делает компромиссы проектирования очевидными. Силикагель регенерируется при самой низкой температуре (110 to 150 degrees C), но имеет самый короткий цикл службы, что подходит для осушителей воздуха инструментов, работающих при комнатной температуре с небольшой нагрузкой, но недостаточно для промышленных осушителей, работающих 8 to 12 циклов в день. Molecular sieve 4A имеет более высокую равновесную емкость, чем activated alumina, при низкой влажности (ниже 30% RH) и немного более высокую температуру регенерации (200 to 260 degrees C), но стоит дороже на кг и имеет меньший срок службы цикла. Carbon molecular sieve — это материал с колебанием давления, используемый для получения N2 из разделения воздуха, а не для сушки, и не относится к этому сравнению.

1. Шаг 1:Activated alumina — один из четырех распространенных desiccant, применяемых в промышленной регенерации. Остальные — силикагель, molecular sieve 3A/4A/13X и carbon molecular sieve. Каждый имеет...
2. Шаг 2:Таблица позволяет увидеть компромиссы проектирования. Силикагель регенерируется при самой низкой температуре (от 110 до 150 degrees C), но имеет самый короткий ресурс цикла, что подходит для приборов...
3. Шаг 3:Для типичной промышленной регенерации с 8–12 циклами в день и точкой росы на выходе от -20 до -40 degrees C activated alumina является наиболее экономически выгодным выбором, поскольку он обеспечивает...
4. Шаг 4:Существуют три основные конфигурации регенерации для промышленных сушилок сжатого воздуха. Выбор влияет как на параметры цикла регенерации, описанные выше, так и на затраты на энергию за...
5. Шаг 5:Продувка с подогревом (HOP), также называемая нагретой продувкой, является самой простой и распространенной конфигурацией для сушилок сжатого воздуха производительностью от 5 до 50 Nm3/min. Небольшая часть сухого воздуха (обычно...

• Адсорбционная половина определяется химией desiccant и влажностью на входе.
• Регенерационная половина зависит от инженера, который задает specifications сушилки, и оператора, который настраивает цикл.
• Правильно выполненный проект регенерации обеспечит вашему слою 5–7 лет работы с небольшими простоями и стабильной точкой росы.

Спецификация для закупок — что требовать в COA

Предсушка LNG представляет собой иной режим эксплуатации по сравнению с сушкой сжатого воздуха. Глубина слоя составляет 5 to 8 meters, масса слоя — 5 to 50 tonnes, входной газ представляет собой природный газ с низким содержанием сероводорода при давлении 30 to 70 barg, а целевой показатель на выходе — 1 to 5 ppm воды по объему (точка росы -75 to -85 degrees C). Активированная alumina является первым из двух последовательно расположенных слоев, а хвостовой слой из 4A molecular sieve или 13X molecular sieve обеспечивает доочистку до глубококриогенной спецификации. Активированная alumina обеспечивает основное удаление воды (обычно 80 to 90% от общей нагрузки водой), а хвостовой слой из molecular sieve доочищает газ до остаточного содержания 1 to 5 ppm.

Регенерация в предсушильных башнях для СПГ обычно осуществляется косвенно: горячее масло проходит через змеевик или оребренный теплообменник, погруженный в слой адсорбента, либо через внешний нагреватель, нагревающий отборную долю газа регенерации. Пиковая температура регенерации составляет 200 to 240 degrees C, продолжительность выдержки — 6 to 9 hours, а цикл включает 18 to 24 hours адсорбции с последующими 8 to 10 hours регенерации. Два слоя обычно расположены в виде двух параллельных линий, каждая из которых работает в цикле адсорбции и регенерации, поэтому система обеспечивает непрерывную подачу сухого газа без перерывов.

• Цена activated alumina сопоставима с альтернативными материалами по стоимости за кг, однако затраты на цикл значительно ниже, если срок службы слоя составляет 5–10 лет вместо 1–2 лет.
• Вопрос заключается в следующем: как спроектировать цикл регенерации, чтобы слой действительно достиг эксплуатационного ресурса в 2 000 циклов, а не деградировал за 300–500 циклов?.

Хранение, срок годности и управление запасами

Пример 2: Осушение природного газа на offshore-платформе в Северном море, 2022. Offshore-платформенная установка осушения природного газа производительностью 50 Nm3/min работала с двумя слоями activated alumina и регенерацией горячим маслом при пиковой температуре 195 degrees C, глубине слоя 4-meter и скорости 0.30 m/s. Оператор наблюдал остаточную влажность 7 to 9 wt% после регенерации, а downstream molecular sieve доочистной слой достигал пробоя через 4 to 6 месяцев вместо расчетных 12 to 18 месяцев. Расследование показало, что змеевик подогревателя горячего масла был недостаточной производительности для входного потока, ограничивая пиковую температуру до 185 to 195 degrees C. Мы指定или grade AA-REG-HD с более высокой эффективностью регенерации при 190 degrees C и рекомендовали модернизировать змеевик подогревателя для достижения пиковой температуры 215 degrees C. Результат: остаточная влажность снизилась до 1.0 to 1.5 wt%, срок службы downstream molecular sieve увеличился до 14 to 20 месяцев, а общая стоимость энергоресурсов для регенерации снизилась на 8% благодаря лучшей интеграции тепла.

Пример 3: Очистка биогаза, Италия, 2023. Для предварительной очистки биогаза перед PSA первоначально был предусмотрен слой activated alumina производительностью 30 Nm3/min, массой загрузки 200 kg, с регенерацией при 200 degrees C и 60-минутной выдержкой. Через 14 месяцев работы емкость слоя снизилась на 20–25%, и операторы планировали заменить его на 16-м месяце. Анализ первопричин показал, что верхний слой активированного угля для удаления H2S был недостаточного размера, и при прорыве 20–50 ppm H2S достигали activated alumina. Мы заменили оба слоя на оборудование и загрузку соответствующего размера: 380 kg активированного угля для удаления H2S, чтобы снизить содержание H2S менее чем до 1 ppm, и 240 kg activated alumina марки AA-REG. Срок службы предварительного слоя был продлен до ожидаемых 6+ лет, а модернизированная схема предварительной сушки позволила сократить совокупные расходы за срок службы PSA molecular sieve на 12,000 USD в год.

• Поглощение влаги в негерметичных бочках при влажности склада выше 60% RH (потеря ёмкости в течение 30-90 дней).
• Перекрёстное загрязнение activated alumina и molecular sieve при хранении на общих складах.
• Скол от термического удара, когда холодные бочки (-10 C зимой) открывают в тёплом воздухе.

• Хранить в герметичных бочках или супермешках с фольгированным вкладышем; после частичного изъятия материала немедленно герметизировать ёмкость.
• Поддерживать влажность склада ниже 50% — использовать климат-контроль, если вы находитесь в тропической зоне.
• Если бочка была открыта более 60 дней, перед вводом в эксплуатацию повторно проверить влажность и ёмкость.
• Для поставок свыше 5 t запрашивать доставку герметичной автоцистерной с вентиляционным desiccant, установленным на линии.

TCO — почему премиальный материал окупает себя

Правило 2: Поддерживайте superficial velocity регенерационного газа в диапазоне от 0.30 до 0.40 m/s. При значении ниже 0.20 m/s слой не обеспечивает достаточный теплообмен и в нем возникает градиент температуры. При значении выше 0.45 m/s слой переходит во взвешенное состояние, а гранулы истираются. Диапазон от 0.30 до 0.40 m/s соответствует производительности от 360 до 480 Nm3/h на квадратный метр площади поперечного сечения слоя для стандартных осушителей сжатого воздуха. Для предварительной сушки LNG и более крупных осушителей с глубиной слоя более 3 meters предпочтителен верхний предел диапазона (от 0.40 до 0.45 m/s).

Правило 3: Выдерживайте при пиковой температуре не менее 60–90 минут. Первые 30 минут удаляют 60–70% адсорбированной воды. Следующие 30 минут удаляют еще 20–30%. Последние 15–30 минут очищают самые медленные поры. Сокращение выдержки менее чем до 60 минут приводит к тому, что остаточная вода превышает 1.0 wt%, и ускоряет долгосрочную потерю емкости. Сокращение времени менее чем до 45 минут — быстрый путь к преждевременной замене слоя.

Суть расчёта: увеличение срока службы на 5-10%, снижение отслаивания при термоциклировании и уменьшение частоты замены в совокупности обеспечивают снижение TCO на 12-25% за один цикл замены каскада элементов, даже без учёта доводов о безопасности и страховании, связанных с устранением микротрещин от термоудара. Премия за сырьё в размере 8-15% окупается в 1.5-2.5x уже за первый цикл.

Связанные продукты и технические ресурсы

Мы поставляем activated alumina, molecular sieve и изделия из alumina и керамики в рамках более широкого каталога специальных адсорбентов. Полная техническая спецификация для этой марки включает дополнительные распределения по размерам зерен, рекомендации по составлению blends для конкретных заказчиков и поддержку при пилотных испытаниях. Свяжитесь с нашей технической командой, если ваше применение имеет нестандартные требования к термоциклированию, механическим нагрузкам или параметрам химической подачи.

• Activated Alumina— адсорбент gamma-Al2O3 для удаления CO2, H2S и фторидов.
• Molecular Sieve— марки 3A / 4A / 5A / 13X для PSA, TSA и осушения.
• Порошок alumina— порошки Al2O3 высокой чистоты для общего промышленного применения.
• Гидроксид алюминия— марка ATH, используемая в качестве антипирена.
• Реактивная alumina с низким содержанием щелочи для литейных масс и связующих на основе обожженной магнезии
• Удаление CO2 в MCFC: Activated Alumina против углеродного Molecular Sieve
• Перепад давления в слое адсорбента: руководство по проектированию с использованием уравнения Эргуна

Следующие шаги — получите образец или свяжитесь с нашими инженерами

Для получения образцов, COAs или рекомендаций по составу для конкретного применения обратитесь в техническую команду Aluminaworld. На нашем складе в Zibo имеется запас соответствующей марки, и пробные заказы отправляются в течение недели; кроме того, мы можем изготавливать индивидуальные рецептуры для OEMs и EPCs с годовой потребностью в несколько тонн.

Контакт: WhatsApp +86 13325222240 (предпочтительно для быстрого ответа) или электронная почта barry@aluminaworld.com. Пробные заказы отгружаются FOB Qingdao в течение 7-10 дней; полные контейнерные отгрузки — в течение 15-25 дней в зависимости от марки и индивидуализации.