Спосіб поділу біогазу

Спосіб поділу біогазу, що включає контакт біогазу з водою з утворенням газогідрату, який 3 будуть утворюватися змішані гідрати всіх компонентів біогазу, по-друге: при ступінчатому зниженню тиску в газгольдері також буде вивільнятись газова суміш (Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра. 1974. 208 с, Бык С. Ш., Макогон Ю. Ф., Фомина В. И. Газовые гидраты. М.:Химия.1980. 296 с), а не індивідуальні компоненти з високою ступінню чистоти, як сподіваються автори відомого патенту. Цей спосіб передбачає зв'язування всього біогазу в газогідрат, а це, як виходить з рисунку потребує додаткових енерговитрат на стиснення біогазу до такого тиску, при якому рівноважний парціальний тиск гідратоутворення метану має бути рівним 5 МПа, тому що саме при такому тиску утворюються гідрати чистого метану при температурі +5 °С (фіг.). Так для наведеного в способі, як приклад, складу біогазу , (% об'єм.): - СH4 - 55, СО2 - 40, N2 - 3, Н2 - 1, H2S 1, при якому вміст метану становить 55 %, необхідно досягти загального тиску біогазу 9.1 МПа. (Цю величину вирахували по формулі Рзагальний біогазу = Р парціальний метану* 100/ % СН4. У формулі рівноважний парціальний тиск гідратоутворення метану, згідно фіг., становить 5 Мпа, а вміст метану в біогазі – 55 %. Саме при такому загальному тиску рівноважний парціальний тиск гідратоутворення метану при температурі +5 °С буде дорівнювати 5 МПа і весь метан, включаючи й всі інші компоненти біогазу, окрім азоту, перейдуть в газогідрат (фіг.)). Крім того, збільшується металоємність установки, а наявні енергоматеріальні витрати сприяють збільшенню вартості кондиційного (очищеного) біогазу. Цей спосіб статичний і розрахований на джерела біогазу з невеликим дебітом. Якщо ж необхідно безперервно постачати кондиційний газ споживачу, то цей спосіб не підходить. В основу пропозиції поставлене завдання вдосконалення способу поділу біогазу, в якому, в результаті безперервного контакту біогазу з водою з утворенням газогідрату при температурі +1 +10 °С та відповідному цим температурам рівноважному парціальному тиску гідратоутворення диоксиду вуглецю (фіг.), забезпечують поділ біогазу на дві фракції: метанову та фракцію газогідрату диоксиду вуглецю, а контакт біогазу з водою, при якому утворюють газогідрати фракції диоксиду вуглецю, здійснюють в безперервному потоці біогазу (проточний режим), чим забезпечують безперервну подачу метанової фракції, що утворилася, споживачу при умові підтримання високої якості її, зниження загального тиску гідратоутворення, і, за рахунок цього, зменшення матеріало- та енерговитрат, що обумовлює здешевлення кондиційної метанової фракції біогазу. Поставлене завдання вирішено завдяки тому, що спосіб поділу біогазу, який включає контакт біогазу з водою з утворенням газогідрату, згідно пропозиції, поділ біогазу здійснюють на дві фракції - газову метанову фракцію та твердий газогідрат фракції диоксиду вуглецю при темпера гідратоутворення диоксиду вуглецю, причому контакт біогазу з водою здійснюють в проточному режимі, а метанову фракцію біогазу, що виходить з апарату, направляють споживачеві. 48937 4 Запропонований спосіб дозволяє вирішити поставлене завдання завдяки тому, що контакт біогазу з водою здійснюють при температурі +1 +10 °С та відповідному цим температурам рівноважному парціальному тиску гідратоутворення диоксиду вуглецю в проточному режимі, при цьому відбувається поділ біогазу на дві фракції - газогідрат фракції диоксиду вуглецю та метанову фракцію, причому метанову фракцію біогазу подають споживачеві, що забезпечує безперервне постачання споживача та якість продукту відповідно вимогам, при цьому скорочується кількість операцій в технологічній схемі, зменшується вага апаратів за рахунок зменшення товщини стінки апаратів відповідно меншому тиску гідратоутворення і, згідно з цим, зменшуються енергоматеріальні витрати. Поділ біогазу запропонованим енергозберігаючим способом здійснюють таким чином. Здійснюють контакт біогазу з охолодженою до +1 +10 °С водою та відповідному цим температурам рівноважному парціальному тиску гідратоутворення диоксиду вуглецю (фіг.) в проточному режимі. При цьому утворюються дві фракції: газогідрат фракції диоксиду вуглецю та газова метанова фракція. Газовий гідрат фракції диоксиду вуглецю, як осад, виводять з апарату, а газову метанову фракцію, що виходить з апарату направляють споживачеві. Виведений з апарату газогідрат розкладають шляхом зниження тиску газу над гідратом (дроселювання). Фракцію диоксиду вуглецю, яка виділяється при розкладенні (руйнуванні) газогідрату, використовують для сайклінг-процесу або випускають в атмосферу. Воду, яка вивільнилась з розкладеного газогідрату після додаткового охолодження повертають в цикл. Приклад 1 (на прототип). Поділ біогазу згідно способу здійснювали таким чином. Біогаз мав склад, (% об'єм.): - СH4 - 55, СО2 - 40, N2 - 3, Н2 - 1, H2S - 1. Газгольдер, що являв собою термостат високого тиску, заповнювали водою. В газгольдері підтримували постійну температуру 5 °С. Далі в газгольдер компресором нагнітали біогаз до тиску більш, ніж 5 МПа (в даному випадку згідно рисунку, метан перейде в газогідрат тільки при тиску 9.1 МПа. Цю величину вирахували по формулі: Рзагальний біогазу = р парціальний метану* 100/ % СН4. В цій формулі рівноважний температурі +5 °С парціальний тиск гідратоутворення метану, згідно графіку становить 5 Мпа, а вміст метану в біогазі – 55 %.). При цьому, як стверджують автори, компоненти біогазу - сірководень, диоксид вуглецю, метан - в сполуці з водою переходили в форму газових гідратів, а азот залишався в газоподібній формі у вигляді газових пухирців. При досягненні заданих умов газгольдер виконував функцію сховища біогазу, в прикладі, що розглядається 1 м3 води зв'язував 156 207 м3 біогазу. У випадку подальшого використання компонентів біогазу здійснювали процес дегідратації, який полягав в послідовному ступінчатому зниженні тиску в газгольдері, яке досягали випуском із нього компонентів біогазу. В прикладі, що розглядається, на першому етапі виводили з газгольдеру азот, при цьому тиск не знижували нижче рівня 5 МПа. На другому етапі тиск знижували до рівня 2.5 МПа, 5 при цьому метан звільнявся від гідратної форми та переходив в газоподібну форму. На третьому етапі тиск знижували до 0.5 МПа, при цьому виводили з газгольдеру диоксид вуглецю. На наступному етапі видаляли сірководень. Поділу біогазу на дві фракції: газогідрат фракції диоксиду вуглецю та метанову фракцію біогазу не відбувалося. Приклад 2 (на запропонований спосіб). Поділ біогазу запропонованим енергозберігаючим способом здійснюють таким чином. Для одержання метанової фракції біогазу, як товарного продукту, біогаз (склад біогазу приймають таким , як в прикладі 1) подають в проточний контактний апарат, в якому здійснюють його контакт з охолодженою до +1 °С водою. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 1.3 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2 В цій формулі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 1.3 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 3.25 МПа. В результаті контакту з водою, фракція диоксиду вуглецю утворює тверду фазу - газовий гідрат диоксиду вуглецю, який має формулу – СО2 6.1 Н2О. Таким чином, біогаз розділяється на два продукти - твердий газовий гідрат диоксиду вуглецю та газоподібну метанову фракцію. Газовий гідрат диоксиду вуглецю, кристалічні решітки котрого включають в свій склад також в деякій кількості гази - H2S, N2, Н2, CH4, як осад, виводять з апарату, а метанову фракцію, тобто газову фракцію збагачену метаном, що виходить з апарату, направляють споживачеві. Виведений з апарату газогідрат розкладають шляхом зниження тиску газу над гідратом (дроселювання). Фракцію диоксиду вуглецю, яка виділяється при розкладенні (руйнуванні) газогідрату, використовують для сайклінг-процесу або випускають в атмосферу. Воду, яка вивільнилась з розкладеного газогідрату після додаткового охолодження повертають в цикл. Приклад 3 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +2 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 1.4 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2. В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 1.4 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 3.5 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 4 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +3 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю скла 48937 6 дає 1.6 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2 В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 1.6 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 4 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 5 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +4 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 1.9 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2. В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 1.9 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 4.75 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 6 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +5 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 2.2 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2 В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 2.2 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 5.5 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 7 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +6 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 2.5 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2. В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 2.5 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 6.2 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 8 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +7 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 2.8 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: 7 СО2 48937 Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % 8 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2 В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 3.66 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 9.15 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 11 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +10 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 3.75 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2. В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 3.75 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 9.38 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. В таблиці наведені технологічні показники процесів поділу біогазу за двома технологіями: згідно прототипу та запропонованому способу. В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 2.8 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 7.0 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 9 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +8 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 3.2 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 при його вмісті в біогазі – 40 %, вираховують за формулою: Рзагальний біогазу = р парціальний диоксиду вуглецю * 100/ % СО2 В цій формулі парціальний тиск диоксиду вуглецю, згідно графіку, становить 3.2 МПа, а вміст в біогазі – 40 %.). Загальний тиск біогазу становить 8.0 МПа. Поділ біогазу на дві фракції відбувається. Приклад 10 (на запропонований спосіб). Так, як у прикладі 2, тільки температура дорівнює +9 °С. Рівноважний цій температурі парціальний тиск гідратоутворення диоксиду вуглецю складає 3.66 МПа (фіг.), а загальний тиск біогазу, який забезпечує вищенаведений парціальний тиск СО2 Таблиця Порівняння технологічних показників процесів поділу біогазу Найменування показника Температура гідратоутворення, °С Тиск гідратоутворення, МПа Кількість технологічних операцій для одержання метанової фракції Кількість технологічних операцій для розкладення газогідрату Значення пропозиція, приклади 5 6 7 8 4 5 6 7 прототип приклад 1 5 2 1 3 2 4 3 9.1 3 3.2 1 3.5 1 4.0 1 4.8 1 5.5 1 6.2 1 4 1 1 1 1 1 1 Як видно із вищенаведеної таблиці, запропонований спосіб має переваги над прототипом, тому що дає можливість скоротити низку технологічних операцій при умові підтримання якості товарного продукту, що значно спрощує одержання товарної метанової фракції. Запропонований енергозберігаючий спосіб має переваги перед прототипом, бо він більш простий для впрова 9 8 10 9 11 10 7.0 1 8.0 1 9.2 1 9.4 1 1 1 1 1 дження в виробництво, потребує менше метало затрат на технологічне обладнання (за рахунок меншого тиску в апараті, а звідси і меншої товщини стінки апарату), а також в ньому відсутні додаткові витрати електроенергії на стиснення біогазу, бо процес розділення відбувається при значно нижчому тиску. Таким чином, зменшується вартість одержуваної товарної метанової фракції. 9 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 48937 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601