Способ комбинированной очистки природного газа и устройство для его осуществления

Способ комбинированной очистки природного газа и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к способам и устройствам комплексной очистки газов от кислых компонентов, диоксида углерода, сернистых соединений и влаги.

Известен способ глубокой комплексной очистки природного газа от двуокиси углерода и влаги, включающий адсорбцию удаляемых компонентов твердыми молекулярными ситами - цеолитами с последующей их регенерацией - восстановлением адсорбционных свойств цеолитов методом нагрева и продувки газом (Н.В.Кельцев. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976 г., стр.411).

Известно также устройство для комплексной очистки природного газа, содержащее попеременно работающие адсорберы с молекулярными ситами-цеолитами, нагреватель регенерирующих газов, холодильник для охлаждения газов, сепаратор для отделения конденсата после охлаждения газа и газодувку для возвращения регенерирующих газов в исходный газопровод (Н.В.Кельцев. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976 г., стр.411).

Основной недостаток способа и устройства заключается в том, что известные молекулярные сита имеют низкую адсорбционную способность по двуокиси углерода, поэтому приходится использовать большое их количество, которое приводит к росту массы и габаритов блока комплексной очистки увеличивает первоначальную стоимость и энергетические затраты на регенерацию адсорбента.

Известен также способ абсорбционной очистки природного газа, включающий поглощение двуокиси углерода хемсорбентом в абсорбере с последующим выделением двуокиси углерода из хемсорбента в десорбере методом нагрева хемсорбента и возвращении отрегенерированного хемсорбента после охлаждения в абсорбер для повторного использования (А.П.Клименко. Сжиженные углеводородные газы. М.: Недра, 1974 г., стр.213, рис.118).

Устройство для осуществления вышеуказанного способа очистки газа содержит двухступенчатый насадочный или тарельчатый абсорбер для контакта очищаемого газа с хемсорбентом, десорбер, предназначенный для нагрева и удаления абсорбированной двуокиси углерода, насосы для подачи хемсорбента в ступени абсорбера, рекуперативные теплообменники для охлаждения хемсорбента и утилизации тепла кубовой жидкости десорбера, подогреватель кубовой жидкости (А.П.Клименко. Сжиженные углеводородные газы. М.: Недра. 1974 г., стр.213, рис.118).

Основной недостаток вышеуказанного способа и устройства - это сравнительно невысокий коэффициент массопередачи в абсорбере и недостаточно глубокое выделение двуокиси углерода в десорбере, что приводит к увеличению габаритов и металлоемкости абсорбера и десорбера, к большим затратам тепловой энергии на нагрев хемсорбента в процессе десорбции, а также не удовлетворяет требованиям по степени очистки газа, предъявляемым к составу газа, направляемого на сжижение.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является способ комбинированной очистки природного газа, который включает два этапа очистки газа, вначале исходный газ предварительно очищают от кислых компонентов абсорбцией в аппарате, обеспечивающем контакт очищаемого газа и хемсорбента, отделяют поглощенные кислые компоненты газа от хемсорбента в десорбере за счет его нагрева, затем охлаждают хемсорбент в теплообменнике и подают насосом в абсорбер, а на втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газа адсорбцией на попеременно работающих адсорберах (Заявка №2000107466/04 от 27.03.2000, Патент №2176266, Бюл. №33 от 27.11.2001 г.).

Известно также устройство для очистки и осушки природного и попутного газа, содержащее фильтр для очистки исходного газа от механических примесей и капельной влаги, рекуперативный теплообменник, аппарат для обеспечения контакта очищаемого газа и хемсорбента, насос, теплообменник, сепаратор и блок глубокой адсорбционной очистки и осушки газа (Заявка №2001123552/12 от 22.08.2001, Патент №2197318, Бюл. №3 от 27.01.2003 г.).

Основной недостаток указанных способа и устройства заключается в использовании для сорбции кислых компонентов газов хемсорбентом, абсорбера, обеспечивающего контакт между газом и частицами хемсорбента, при котором происходит поглощение последним кислых компонентов природного газа. Абсорбцию двуокиси углерода хемсорбентом, как правило, проводят под давлением для увеличения количества поглощаемой двуокиси углерода одним куб.м. хемсорбента. Кроме того, во всех применяемых абсорберах скорость потока газа небольшая, чтобы не было капельного уноса хемсорбента, и она распределена по сечению абсорбера и по ходу газа неравномерно, различна и величина капель хемсорбента и их скорость во встречном потоке, поэтому не происходит в полном объеме абсорбера эффективный контакт и массоперенос от газа к хемсорбенту кислых компонентов, например двуокиси углерода, за единицу времени, поэтому приходится увеличивать время контакта газа и хемсорбента за счет увеличения высоты абсорбера, а это приводит увеличению габарита, металлоемкости абсорбера и усложняет его обслуживание.

Решаемая задача - повышение коэффициента массопередачи при контакте очищаемого газа и хемсорбента, снижение массогабаритных размеров блока комбинированной очистки и его материалоемкости.

Решение поставленной задачи заключается в том, что способ комбинированной очистки природного газа включает два этапа очистки газа, вначале исходный газ предварительно очищают от кислых компонентов абсорбцией в аппарате, обеспечивающем контакт очищаемого газа и хемсорбента, отделяют поглощенные кислые компоненты газа от хемсорбента в десорбере за счет его нагрева, затем охлаждают хемсорбент в теплообменнике и подают насосом в абсорбер, а на втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газа адсорбцией на попеременно работающих адсорберах, абсорбцию кислых компонентов проводят в винтовом компрессоре в процессе сжатия газа, при этом в рабочую полость сжатия винтового компрессора подают хемсорбент, который обрабатывают в электромагнитном поле магнитной индукцией 0.15-0.25 Тл, а десорбцию продуктов очистки проводят в десорбере под давлением 0.8-0.9 бар (абс.), создаваемым водокольцевым вакуум-насосом, которым одновременно улавливают пары воды и хемсорбента, устройство для комбинированной очистки природного газа, содержащее фильтр для очистки потока газа, рекуперативный теплообменник, аппарат для обеспечения контакта очищаемого газа и хемсорбента, насос, теплообменник, сепаратор и блок глубокой адсорбционной очистки и осушки газа, оно дополнительно снабжено винтовым компрессором, размещенным после фильтра для очистки потока газа, и фильтром для очистки хемсорбента, магнитным аппаратом, установленным после теплообменника, концевым теплообменником, подключенным после винтового компрессора, и объемным сепаратором, установленным за концевым теплообменником, десорбером и подогревателем, встроенным в него, и размещенным после рекуперативного теплообменника, а также - водокольцевым вакуум-насосом, установленным за десорбером с подогревателем, и баком, встроенным между объемным сепаратором и десорбером с подогревателем, при этом рекуперативный теплообменник и теплообменник размещены последовательно перед магнитным аппаратом, аппарат для обеспечения контакта очищаемого газа и хемсорбента выполнен в виде винтового компрессора с впрыском в полость сжатия хемсорбента, а блок глубокой адсорбционной очистки и осушки газа содержит два адсорбера.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства комбинированной очистки газа от двуокиси углерода и влаги.

Устройство содержит фильтр 1, установленный перед винтовым компрессором 2, насос 3 для подачи впрыскиваемой жидкости - хемсорбента в полость сжатия винтового компрессора 2 через фильтр 4, рекуперативный теплообменник 5 для утилизации тепла нагретой жидкости, теплообменник 6 для охлаждения жидкости и магнитный аппарат 7 для повышения сорбционной способности хемсорбента. В теплообменнике 8 охлаждают газожидкостную смесь и направляют в объемный сепаратор 9, который служит для отделения сжатого природного газа от жидкости-хемсорбента. Сжатый природный газ после отделителя 9 после отделения конденсата в сепараторе 10 подают в блок адсорбционной осушки и глубокой очистки газа 11 и 12. Хемсорбент из отделителя 9 под давлением подают через теплообменник 5 в десорбер 13. В поддоне регенератора хемсорбент нагревают подогревателем 14 и под действием вакуума, создаваемого вакуум-насосом 15, и высокой температуры десорбируют газы, поглощенные хемсорбентом, и отводят их или на факел, или на всасывание компрессора, а бак 16 служит промежуточной резервуаром для циркуляции хемсорбента, когда концентрация извлекаемых компонентов в хемсорбенте еще не достиг допустимой величины, а также для восполнения уноса хемсорбента.

Устройство состоит из: линии подачи исходного газа - I; линии нагнетания газожидкостной смеси и отделения газа от хемсорбента - II; линии подачи газа на глубокую очистку и осушки - III; линии подачи очищенного газа в холодный блок на сжижение IV; линии подачи хемсорбента на регенерацию - V; линии подачи отрегенерированного хемсорбента на впрыск в полость сжатия компрессора - VI; линии подачи отсепарированных газов на факел сжигания - VII.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Исходный природный газ с содержанием двуокиси углерода и насыщенный влагой подают через фильтр 1, где производят отделение механических твердых частиц и капельной влаги, на всасывание винтового компрессора 2. В начале процесса сжатия в рабочую полость компрессора 2 насосом 3 подают хемсорбент, который предварительно очищают от механических примесей в фильтре 4, охлаждают в теплообменнике 5, одновременно нагревая хемсорбент, подаваемый в десорбер 13 на регенерацию, охлаждают в воздушном или водяном теплообменнике 6 и омагничивают, пропуская через электромагнитный аппарат 7 с регулируемой магнитной индукцией. В рабочей полости винтового компрессора производят смешение очищаемого газа и хемсорбента. Учитывая высокую скорость вращения ведущего и ведомого роторов и количество винтовых полостей, количество газа и количество подаваемого в компрессор хемсорбента за единицу времени, они разбиваются на сотни тысяч мелких частиц и смешиваются, а в процессе сжатия, когда уменьшается объем рабочей полости компрессора, в котором заключена газожидкостная смесь, а также под действием высоких центростремительных ускорений и турбулентных вихрей происходит интенсивное поглощение и связывание двуокиси углерода в хемсорбенте. Смесь охлаждают в теплообменнике 8 и подают в отделитель 9 компрессора 2, где отделяют газ от жидкого хемсорбента. Сжатый газ очищают от конденсата в сепараторе 10 и направляют на попеременно работающие адсорберы с молекулярными ситами - цеолитами 11 или 12. Когда один адсорбер, например 11, находится в режиме глубокой очистки газа от остатков двуокиси углерода и осушки газа, то второй адсорбер 12 находится в режиме регенерации адсорбента. Затем через определенное время отрегенерированный адсорбер переводят в режим осушки и очистки, а насыщенный адсорбент - в режим регенерации. Хемсорбент, насыщенный двуокисью углерода, выводят из отделителя 9 и под давлением подают после нагрева в теплообменнике 5, за счет утилизации тепла, в десорбер 13. В десорбере 13 создают вакуум водокольцевым вакуум-насосом 15. В десорбере 13 хемсорбент распыляют и нагревают подогревателем 14. Благодаря снижению давления и повышения температуры хемсорбента, содержащуюся в нем двуокись углерода десорбируют и вакуум-насосом 15 подают или на всасывание компрессора, или на факел для сжигания. При откачивании вакуум-насосом 15 из десорбера 13 двуокиси углерода и паров хемсорбента последние абсорбируются водой циркулирующей в вакуум-насосе, что позволяет снизить унос хемсорбента. Воду от водокольцевого насоса с небольшим содержанием хемсорбента используют при приготовлении свежего водного раствора хемсорбента.

Пример выполнения способа комплексной очистки газа.

Исходный природный газ с расходом 6000 нм³/ч, давлением 10 бар, температурой 20°С и содержанием двуокиси углерода СО₂ - 5.0 об.%, после очистки от твердых частиц и капельной влаги в фильтре 1 сжимают в винтовом компрессоре 2, имеющем раздельную подачу масла на подшипники компрессора и хемсорбента в рабочую полость сжатия. Хемсорбент может представлять собой 20% водный раствор моноэтаноламина или диэтаноламина. Расход водного раствора моноэтаноламина составляет - 300 л/мин или 18.0 м³/ч. Природный газ в винтовом компрессоре сжимают до давления 50 бар, которое необходимо для проведения технологического процесса сжижения природного газа в холодильно-дроссельном цикле. При этом степень повышения давления составляет П=5. Частота вращения ведущего ротора, как правило, равна 3000 об/мин. Ведущий ротор винтового компрессора имеет 4-5 рабочих полости, а диаметр ротора на вышеуказанную производительность равен около 320 мм. Общий часовой расход газа и водного раствора моноэтаноламина разбивается более чем на 720 000 частей, что способствует более полному контакту газа и хемсорбента в замкнутом объеме и интенсивной массопередаче и поглощению двуокиси углерода моноэтаноламином. Этому также способствуют: повышение давления в процессе массопередачи в 5 раз, высокое центростремительное ускорение, превышающее ускорение силы тяжести g на несколько порядков, а также повышенная сорбционная способность водного раствора моноэтаноламина в результате его омагничивания. Омагничивание хемсорбента проводят электромагнитом с оптимальной магнитной индукцией 0.15-0.25 Тл. В результате высоких центростремительных ускорений происходит расслоение природного газа, состоящего из смеси углеводородов различной плотности, поэтому тяжелые углеводороды и двуокись углерода более интенсивно контактируют и растворяются в хемсорбенте, чем легкий метан, который в рассматриваемом технологическом процессе является целевым продуктом. Благодаря относительно высокой теплоемкости водного раствора моноэтаноламина температура газожидкостной смеси на выходе из компрессора не превышает 60-70°С. В теплообменнике 8 газожидкостную смесь охлаждают до температуры 30-35°С. Отделяют газ от водного раствора моноэтаноламина в объемном штатном сепараторе 9, который, как правило, входит в комплект поставки компрессорного агрегата "мокрого" сжатия. Газ с содержанием двуокиси углерода менее 0.01 г/м³ направляют на глубокую очистку и осушку в попеременно работающие адсорберы 11 или 12 после отделения конденсата в сепараторе 10. В адсорбере с молекулярными ситами - цеолитом, например NaX, производят осушку газа до точки росы ниже минус 70°С, и очистку от CO₂ до остаточного содержания не более 50 ppm.

Водный раствор моноэтаноламина с содержанием двуокиси углерода, которое возросло за один часовой цикл работы только на 3,5 мас.%, по сравнению с исходным содержанием, выводят из объемного сепаратора 9 с давлением 50 бар. Учитывая небольшое содержание СО₂ в водном растворе моноэтаноламина и его способность растворять и связывать CO₂ до 50% своей массы, то целесообразно циркулировать моноэтаноламин в течение 10-15 часов без регенерации через бак 16, сохраняя процесс его охлаждения и омагничивания. Такое решение позволяет уменьшить затраты энергии на нагрев хемсорбента. Снижение расхода моноэтаноламина, впрыскиваемого в полость сжатия компрессора, менее 18.0 м³/ч не представляется рациональным, так как увеличивается температура газа на выходе из компрессора и ухудшаются технико-экономические показатели работы винтового компрессора. По истечении 10-15 часов циркуляции моноэтаноламина или при достижении концентрации СО₂ в моноэтаноламине 50 мас.%, его направляют в десорбер 13, предварительно нагревая в теплообменнике 5 за счет рекуперации тепла до температуры 85-90°С, и распыляют в форсунках. Давление в десорбере поддерживают водокольцевым вакуум-насосом 15 на уровне 0.8-0.9 бар (абс.). В поддоне десорбера 13 нагревают моноэтаноламин подогревателем 14 до температуры 110-120°С. Под действием высокого перепада давлений и температуры производят десорбцию двуокиси углерода из водного раствора моноэтаноламина, который вакуум-насосом направляют на всасывание компрессора или подают на факел для сжигания с остатками десорбированных углеводородов. Отрегенерированный моноэтаноламин из десорбера 13 забирают насосом 3, очищают от механических примесей в фильтре 4, затем охлаждают в теплообменниках 5 и 6 и после омагничивания магнитной индукцией 0.15-0.25 Тл подают в рабочую полость винтового компрессора 2.

Для сравнения. При адсорбционной очистке природного газа на вышеуказанные параметры с целью обеспечения технических требований по чистоте газа потребовалось бы не менее 2 адсорберов объемом 150 м³ каждый и цеолита 180 тонн при 3-часовой их работе в режиме очистки. А для регенерации такого количества цеолита потребовалось бы подвести высокотемпературную тепловую энергию на уровне 250-350°С около 1.0 МВт·ч.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для комплексной очистки природного газа позволяет обеспечить технические требования, предъявляемые к газу перед его подачей на сжижение и существенно сокращают как первоначальную стоимость блока комплексной очистки, так и производственные затраты на процесс очистки.

Предлагаемое техническое решение позволяет совместить процесс повышения давления природного газа для обеспечения технологического цикла его сжижения с процессом очистки газа от диоксида углерода. Такой же принцип можно применить при очистке газа от сернистых соединений, заменив абсорберы большой высоты (около 15-18 м) на винтовые компрессоры "мокрого" сжатия.

Сравнение существенных признаков предложенного изобретения и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

1. Способ комбинированной очистки природного газа, который включает два этапа очистки газа, вначале исходный газ предварительно очищают от кислых компонентов абсорбцией в аппарате, обеспечивающем контакт очищаемого газа и хемсорбента, отделяют поглощенные кислые компоненты газа от хемсорбента в десорбере за счет его нагрева, затем охлаждают хемсорбент в теплообменнике и подают насосом в абсорбер, а на втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газа адсорбцией на попеременно работающих адсорберах, отличающийся тем, что абсорбцию кислых компонентов проводят в винтовом компрессоре в процессе сжатия газа, при этом в рабочую полость сжатия винтового компрессора подают хемсорбент, который обрабатывают в электромагнитном поле магнитной индукцией 0,15-0,25 Тл, а десорбцию продуктов очистки проводят в десорбере под давлением 0,8-0,9 бар (абс.), создаваемым водокольцевым вакуум-насосом, которым одновременно улавливают пары воды и хемсорбента.

2. Устройство для комбинированной очистки природного газа, содержащее фильтр для очистки потока газа, рекуперативный теплообменник, аппарат для обеспечения контакта очищаемого газа и хемсорбента, насос, теплообменник, сепаратор и блок глубокой адсорбционной очистки и осушки газа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено винтовым компрессором, размещенным после фильтра для очистки потока газа, и фильтром для очистки хемсорбента, магнитным аппаратом, установленным после теплообменника, концевым теплообменником, подключенным после винтового компрессора, и объемным сепаратором, установленным за концевым теплообменником, десорбером и подогревателем, встроенным в него, и размещенным после рекуперативного теплообменника, а также водокольцевым вакуум-насосом, установленным за десорбером с подогревателем, и баком, встроенным между объемным сепаратором и десорбером с подогревателем, при этом рекуперативный теплообменник и теплообменник размещены последовательно перед магнитным аппаратом, аппарат для обеспечения контакта очищаемого газа и хемсорбента выполнен в виде винтового компрессора с впрыском в полость сжатия хемсорбента, а блок глубокой адсорбционной очистки и осушки газа содержит два адсорбера.