Способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений и устройство для его осуществления

Способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к способам и устройствам струйной очистки газов от кислых газов: сероводорода, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов.

Известен способ абсорбционной очистки природного и попутных нефтяных газов от сероводорода, диоксида углерода и других компонентов, включающий поглощение этих компонентов хемсорбентом в абсорбере с последующим их выделением из хемсорбента в десорбере методом нагрева и возвращения 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 для нагрева хемсорбента и удаления абсорбированных компонентов, насос для подачи хемсорбента в ступени абсорбера, 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 вышеуказанных способа и устройства - это сравнительно невысокий коэффициент массопередачи в абсорбере и недостаточно глубокое выделение сернистых соединений, диоксида углерода из очищаемого газа, что приводит к увеличению габаритов и металлоемкости абсорбера и десорбера, к большим затратам энергии на нагрев хемсорбента в процессе десорбции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ очистки отходящих газов электрических станций от диоксида углерода, включающий подачу в поток газа, параллельно потоку, щелочного раствора оборотной воды золоудаления с последующим отделением щелочного раствора с абсорбированным диоксидом углерода в сепараторе (Патент РФ №2250129, МПК B01D 53/14, 53/52, опубл. 20.11.2004 г.).

Известно также устройство для очистки отходящих газов тепловых электрических станций от диоксида углерода, содержащее трубу, в которой производят смешение отходящих газов с щелочным раствором воды, насос для подачи раствора в трубу, сепаратор для отделения абсорбента от газа (Патент РФ №2250129, МПК B01D 53/52, опубл. 20.11,2004 г.).

Основным недостатком вышеуказанных способа и устройства является недостаточная интенсивность массообмена между удаляемыми компонентами и абсорбентом и для достижения требуемой глубины очистки газа увеличивают время контакта газа с абсорбентом, снижают скорость газового потока для предотвращения уноса абсорбента с газом, что приводит к росту габаритов аппаратов, а также к росту затрат электроэнергии на повышение давления газа и обеспечение относительно высокого парциального давления удаляемых компонентов.

Решаемая задача - повышение коэффициента массопередачи при контакте очищаемого газа и абсорбента, снижение массогабаритных размеров аппарата и блока очистки газа и уменьшение удельных затрат абсорбентов и энергии на очистку газа.

Решение поставленной задачи заключается в том, что способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов, включающий контакт очищаемого газа с жидким абсорбентом и поглощение этим абсорбентом извлекаемых компонентов с последующей десорбцией поглощенных компонентов из абсорбента путем нагрева для повторного его использования, контакт очищаемого газа и абсорбента производят в вакуумной полости аппарата с трубками переменного сечения, в котором создают вакуум за счет преобразования потенциальной и внутренней энергии газа в кинетическую энергию в результате повышения скорости очищаемого газа на входе в эту полость, в пределах 650-700 м/с, для соответствия его отношению к скорости звука в этом газе М=1.5-1.65 и создания вакуума величиной 0.005-0.007, с последующим снижением скорости потока в этой полости и повышением давления до 1.0-1.5 МПа, а в качестве абсорбента используют воду, насыщенную ионами гидроксильной группы (ОН)^- и свободного водорода Н⁺, которую получают в электролизере при добавлении в воду 1-2% хлорида натрия для повышения электропроводности и создания щелочной среды с рН выше 7, затем ее нагревают до температуры 80-90°С за счет утилизации тепла, омагничивают в магнитном поле магнитной индукцией 0.2-0.3 Тл для повышения поверхностной энергии, и подают в вакуумную полость со скоростью 30-40 м/с в количестве 35-40% от массы очищаемого газа, где переводят активированную воду в паровую фазу, увеличивая поверхность контакта газа и абсорбента на молекулярном уровне, затем во втором сопле на выходе из вакуумной полости обеспечивают скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с, генерируя ультразвуковые колебания для интенсификации смешения контактирующих фракций, охлаждают ее в теплообменнике и конденсируют в циркуляционном контуре, а в сепараторе отделяют жидкость от очищенного газа, который направляют или на следующую технологическую операцию, или на повторную доочистку, в зависимости от требований по глубине очистки, а отделенную жидкость нагревают, десорбируют поглощенные компоненты и горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

Устройство для очистки природного и попутного нефтяного газов, содержащее абсорбер, десорбер, насос, подогреватель абсорбента, насыщенного извлекаемыми компонентами; абсорбер выполнен в виде аппарата с каналами переменного сечения с промежуточной полостью для преобразования потенциальной энергии потока газа в кинетическую, кинетической энергии - в потенциальную с целью создания в промежуточной полости вакуума, дополнительно оснащено электролизером для насыщения воды с хлоридом натрия гидроксид-ионами и ионами водорода, магнитным аппаратом для омагничивания воды перед ее подачей в вакуумную полость аппарата, рекуперативным теплообменником для утилизации тепла сжатого газа и нагрева воды в циркуляционном контуре.

Проведенный анализ технического уровня 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 по очистке газа от сернистых соединений и диоксида углерода.

Устройство содержит фильтр 1 для очистки газа от влаги и твердых частиц перед подачей в компрессор 2, предназначенный для повышения давления газа, теплообменник 3 для охлаждения сжатого газа, аппарат 4 с входным и выходным соплами, между которыми размещена промежуточная полость большого объема, в которой производят смешение газа с парами активированного водяного абсорбента, теплообменник 5 для охлаждения газопаровой смеси и конденсации жидкости, вихревой сепаратор 6 для отделения жидкости от газа, бак 7 для десорбции из жидкости абсорбированных газов, бак 8 для сбора и активации абсорбента, при этом в баке 8 установлены электроды 9 (анод) и 10 (катод), которые подключены к выпрямителю тока 11, для насыщения воды гидроксид-ионами и ионами водорода, магнитный аппарат 12, установленный на линии подачи абсорбента в вакуумную полость аппарата, для повышения поверхностной энергии воды, насос 13 для циркуляции воды в замкнутом контуре, электронагреватель 14 для нагрева отделенной жидкости и десорбции поглощенных компонентов газа, свечу 15 для отвода десорбированных газов в атмосферу, арматуры 16 и 17 для регулирования потока газа, дюзу 18 для ограничения обратного потока газа, манометры 19 и 20 для контроля давлений газа на входе и газопаровой смеси на выходе из аппарата, мановакууметр 21 для контроля давления в вакуумной полости аппарата 4. Принцип работы устройства заключается в следующем. Исходный газ после очистки от влаги и твердых частиц в фильтре 1 сжимают в компрессоре 2 до давления, например, 0.4 МПа (абс) и после охлаждения в теплообменнике 3 направляют в аппарат 4, где сечение входного в вакуумную полость сопла выполнено таким образом, чтобы обеспечить скорость газа, в зависимости от плотности газа, в пределах 650-700 м/с для обеспечения отношения реальной скорости газа к скорости звука в газе, определяемом критерием Маха в пределах М=1.5-1.65, для создания вакуума величиной 0.005-0.007 МПа (абс) и турбулизации потока газа для интенсификации процесса смешения молекул газа с парами щелочной воды и повышения массопередачи, а в сечении выходного из вакуумной полости сопла обеспечивает скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с и повышение ее давления до 1.5 МПа для генерации ультразвуковых колебаний. Одновременно под действием перепада давления в вакуумную полость подают щелочную воду, которую получают предварительным нагревом в теплообменнике 3, при охлаждении сжатого газа до температуры 80-90°С, потом в баке 8 воду подвергают диссоциации в электролизере на водород (Н₂ ⁺) и гидроксид-ионы (ОН^-), для чего в воду добавляют хлорид натрия (NaCl) в количестве 1-23% от массы воды для повышения ее электропроводности и получают слабый щелочной раствор с рН выше 7. Затем воду, содержащую гидроксид-ионы и ионы водорода, пропускают через постоянный магнитный аппарат с индукцией 0.2-0.3 Тл для повышения поверхностной энергии и вводят в вакуумную полость в количестве 35-40% от массы обрабатываемого газа при скорости 30-40 м/с. В вакуумной полости, где давление 0.005-0.007 МПа, вода с температурой 80-90°С испаряется и переходит в паровую фазу. Ввиду большой скорости газа на входе в вакуумную полость имеет место активная турбулизация газа, особенно в приграничном слое, поэтому в вакуумной полости происходит как молекулярная, так и турбулентная диффузия молекул газа. Пары воды взаимодействуют с молекулами газа, расстояние между которыми в вакуумной полости значительно больше, чем при высоком давлении, и пары воды, обладая повышенной электромагнитной напряженностью и энергией поверхностного слоя из-за наличия в нем гидроксид-ионов, вступают во взаимодействие с кислыми газами: сероводород, диоксид углерода, то есть имеет место реакция нейтрализации кислотных компонентов газа, которая проистекает более интенсивно, чем в процессе физического растворения этих компонентов в воде. Щелочная вода активно поглощает эти компоненты, т.к. их растворимость в воде значительно выше других компонентов газов: метана, этана и др. Образовавшуюся в вакуумной полости газопаровую смесь пропускают через выходное сопло аппарата 4, сечение которого обеспечивает скорость потока 180-250 м/с и создание противодавления в пределах 1.5-2.0 МПа, генерируют ультразвуковые колебания и интенсифицируют процесс смешения и поглощения парами воды кислых газов, затем газопаровую смесь охлаждают в теплообменнике 5 циркулирующей водой с помощью насоса 13, конденсируют пары воды с поглощенными компонентами и направляют в вихревой сепаратор 6, где отделяют воду от газа, последний направляют на следующий технологический процесс или возвращают на всасывание компрессора 2, в случае, когда полученное содержание кислых компонентов в газе выше требуемых значений. Отделенную воду из сепаратора направляют в бак 7, где нагревают ее ТЭН-ами 14 до температуры 90-95°С, при которой поглощенные компоненты десорбируют из воды, и через свечу 15 выбрасывают в атмосферу или же направляют на переработку, а горячую воду из бака 7 направляют в бак 8 для повторного использования.

Пример выполнения способа очистки природного и попутного нефтяного газа от сернистых соединений и диоксида углерода.

Попутный нефтяной газ, содержащий 5% сероводорода и меркаптанов, а также 3% диоксида углерода расходом 600 нм³/ч при исходной плотности 0.78 кг/м³, сжимают в компрессоре с давления 0.1 МПа до 0.4 МПа. Сжатый газ после компрессора при температуре 130-135°С подают в теплообменник 3, который охлаждают циркуляционной водой, при этом расход воды ограничивают таким образом, чтобы температура воды на выходе из теплообменника 3 составляла 90-95°С. Горячий газ подают в аппарат 4, при этом площадь сечения отверстия на входе в вакуумную полость рассчитана таким образом, чтобы обеспечить скорость газа равную 700 м/с. При этой скорости потока в вакуумной полости трубы образуют остаточное давление, равное 0.005-0.007 МПа, которое обеспечивает отношение к барометрическому давлению, под которым находится вода в баке, порядка 15-20. Под действием этого перепада давления воду в количестве 165 кг/ч, содержащую гидроксид-ионы и водород, пропускают через постоянный магнитный аппарат напряженностью 0.25 Тл и тангенциально подают в вакуумную полость через сопло со скоростью 40 м/с. В вакуумной полости пары испарившейся щелочной воды поглощают кислые газы: сероводород и диоксид углерода. Газопаровую смесь пропускают через выходное сопло аппарата 4 со скоростью 210 м/с и создают противодавление 1.2 МПа, при котором возникают ультразвуковые колебания, которые интенсифицируют процесс смешения и поглощения удаляемых кислых компонентов щелочной водой, направляют в теплообменник 5, где в результате охлаждения смеси пары абсорбента конденсируют и отделяют в вихревом сепараторе 6. Очищенный газ с остаточным содержанием сероводорода 0.05% и диоксида углерода 0.08%, которые существенно ниже исходной их концентрации при одноразовой обработке и может быть еще снижено при повторной обработке, направляют потребителю, а отделенную воду отводят в бак 7, где повышают температуру электронагревателями до температуры 95°С, при которой десорбируют поглощенные компоненты и сбрасывают их в атмосферу, или на факел на сжигание, или на рассеивание, а горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

Производительность насоса 13 для циркуляции охлаждающей воде в данном примере составляет 0.3 м³/ч при напоре 0.3 МПа, а расход активированной воды, подаваемой в вакуумную полость, составляет около 0,2 м³/ч.

Предлагаемое техническое решение позволяет производить абсорбционную очистку газов в струе потока без существенных затрат на электроэнергию при давлении исходного газа более 0.4 МПа, без специальных хемсорбентов, применение которых предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости материалов, позволяет значительно снизить металлоемкость и габариты установки.

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

1. Способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов, включающий контакт очищаемого газа с жидким абсорбентом и поглощение этим абсорбентом извлекаемых компонентов с последующей десорбцией поглощенных компонентов из абсорбента путем нагрева для повторного его использования, отличающийся тем, что контакт очищаемого газа и абсорбента производят в вакуумной полости аппарата с трубками переменного сечения, в котором создают вакуум за счет преобразования потенциальной и внутренней энергии газа в кинетическую энергию в результате повышения скорости очищаемого газа на входе в эту полость, в пределах 650-700 м/с, для соответствия его отношению к скорости звука в этом газе М=1,5-1,65, и создания вакуума величиной 0,005-0,007 МПа (абс) и повышением давления до 1,0-1,5 МПа, а в качестве абсорбента используют воду, насыщенную ионами гидроксильной группы (ОН)^- и свободного водорода Н⁺, которую получают в электролизере при добавлении в воду 1-2%-ного хлорида натрия, для повышения электропроводности и создания щелочной среды с рН выше 7, затем ее нагревают до температуры 80-90°С за счет утилизации тепла, омагничивают в магнитном поле с магнитной индукцией 0,2-0,3 Тл для повышения поверхностной энергии и подают в вакуумную полость со скоростью 30-40 м/с в количестве 35-40% от массы очищаемого газа, где переводят ее в паровую фазу, увеличивая поверхность контакта газа и абсорбента на молекулярном уровне, затем, во втором сопле на выходе из вакуумной полости обеспечивают скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с, генерируя ультразвуковые колебания для интенсификации смешения контактирующих компонентов, охлаждают ее в теплообменнике и конденсируют в циркуляционном контуре, а в сепараторе отделяют жидкость от очищенного газа, который направляют или на следующую технологическую операцию, или на повторную доочистку, в зависимости от требований по глубине очистки, а отделенную жидкость нагревают, десорбируют поглощенные компоненты, а горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

2. Устройство для очистки природного и попутного нефтяного газов, содержащее абсорбер, десорбер, насос, подогреватель абсорбента, насыщенного извлекаемыми компонентами, отличающееся тем, что абсорбер выполнен в виде аппарата с каналами переменного сечения с промежуточной полостью для преобразования потенциальной энергии потока газа в кинетическую и создания вакуума величиной 0,005-0,007 МПа, а в последующем преобразования кинетической энергии газопаровой смеси в потенциальную энергию, при этом устройство дополнительно оснащено электролизером для диссоциации воды с хлоридом натрия на гидроксид-ионы и ионы водорода, магнитным аппаратом для омагничивания воды перед ее подачей в вакуумную полость аппарата, рекуперативным теплообменником для утилизации тепла сжатого газа и нагрева воды в циркуляционном контуре.