Способ очистки отходящих газов от сероводорода

Способ очистки отходящих газов от сероводорода

Реферат

Изобретение может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности для очистки газа от сероводорода, который далее используется для получения серы методом Клауса.

Известен способ очистки отходящих газов процесса Клауса от сероводорода, в котором очистка отходящих газов производится путем окисления при повышенной температуре на катализаторе, включающий хромит меди с добавками оксидов меди и хрома, нанесенный на оксид алюминия, при этом достигается повышенная степень очистки (авторское свидетельство SU 1583350 A1, C01B 17/54, 07.08.1990, Бюлл. изобр №29, 1990). Недостатками данного способа являются:

- использование катализатора, что требует включения в схему процесса реактора очистки газов с периодической заменой катализатора из-за его дезактивации;

- проведение каталитического процесса при температурах 450-550°C, требующего дополнительного включения в схему процесса печи для нагрева отходящих газов с последующим охлаждением их после проведения реакции, что приводит к большим дополнительным энергозатратам;

- сероводород отходящего газа каталитически превращается в SO₂ и COS, что приводит к загрязнению окружающей среды сернистыми соединениями.

Известен также способ удаления диоксида углерода и/или сероводорода из газов, содержащих диоксид углерода и/или сероводород абсорбентом, представляющим собой композицию смеси алканоламинов (WO 2011/018479 A1 от 17.02.2011, B01D 53/14). Недостатками способа являются:

- использование смеси алканоламинов с узким диапазоном соотношений аминов в пределах от 20:20 до 30:20, обеспечивающим неполное удаление диоксида углерода лишь в пределах 88-93%;

- отсутствует информация по извлечению сероводорода из отходящего газа;

- наличие значительного количества диоксида углерода в очищенном газе ухудшает экономические показатели процесса Клауса при возвращении отходящего газа в процесс в связи с рециркуляцией диоксида углерода в системе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ очистки отходящих газов от сероводорода (процессы Хайсалф), включающий абсорбционное извлечение сероводорода аминами в абсорбере и регенерацию насыщенного абсорбента в десорбере, в котором отходящий газ обрабатывается в абсорбере с образованием обогащенного растворителя, направляемого в колонну десорбции с образованием регенерированного растворителя, при этом весь кислый газ, полученный в колонне регенерации, направляется на установку Клауса для получения серы (Ханмамедов Т.К. Семейство процессов «Хайсалф», Химия и технология топлив и масел, №6, 2003, с.7-10). Недостатками данного процесса являются:

- недостаточная степень очистки отходящего газа от сероводорода в абсорбере на уровне около 100 млн^-1, что приводит к существенному загрязнению окружающей среды и необходимости превращения сероводорода в двуокись серы в печи дожига;

- несмотря на то, что обеспечивается извлечение сероводорода из исходного газа до 99,6% мол., его концентрация в кислом газе после десорбера находится на уровне лишь 37% мол., а основную часть кислого газа составляет диоксид углерода (56,5% мол.), что усложняет последующую переработку кислого газа в процессе Клауса.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении степени глубокой очистки от сероводорода отходящих газов с одновременным увеличением селективности извлечения сероводорода в присутствии диоксида углерода и существенным сокращением его концентрации в кислом газе, поступающем на установку Клауса.

Поставленная задача решается тем, что в способе глубокой очистки отходящих газов от сероводорода, включающем абсорбционное извлечение сероводорода аминами в абсорбере и регенерацию насыщенного абсорбента в десорбере, очистку газа проводят в двух абсорберах, исходный газ подается в низ первого абсорбера, газ, выходящий с верха первого абсорбера, подвергается дополнительной очистке во втором абсорбере, в который подается регенерированный абсорбент, представляющий собой 30…50% водный раствор монодиэтаноламина, частично насыщаемый во втором абсорбере диоксидом углерода, газ, насыщенный диоксидом углерода отводится с верха второго абсорбера, частично насыщенный диоксидом углерода абсорбент с низа второго абсорбера поступает двумя разнотемпературными потоками на разные уровни в первый абсорбер, при этом первый поток частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера подается наверх первого абсорбера, а второй поток частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера нагревается до температуры 55-60°C и подается в нижнюю часть первого абсорбера, насыщенный сероводородом абсорбент с низа первого абсорбера поступает на верх регенератора, с верха которого отводится на установку Клауса газ, обогащенный сероводородом и обедненный диоксидом углерода, а регенерированный абсорбент подается на верх второго абсорбера.

В предлагаемом способе глубокой очистки отходящих газов от сероводорода процесс селективной очистки реализуется в двух абсорберах за счет того, что высокая степень извлечения сероводорода обеспечивается при относительно низком расходе растворителя, подавляя абсорбцию диоксида углерода. Второй ввод абсорбента в первый абсорбер позволяет в насыщенном абсорбенте, выходящем из первого абсорбера, дополнительно поддерживать низкую концентрацию диоксида углерода в насыщенном сероводородом абсорбенте, выходящем из первого абсорбера, за счет повышения температуры абсорбента, и соответственно формируя зону десорбции из него диоксида углерода. Так, например, при сорбции диоксида углерода моноэтаноламином при молярном соотношении диоксид углерода: моноэтаноламин, составляющем 0,45, и повышении температуры абсорбента с 50 до 75°C давление паров диоксида углерода повышается с 0,01 до 0,1 атм, что снижает растворимость последнего в абсорбенте в 10 раз (Коуль Л.А, Ризенфельд Ф.С. Очистка газа, М., «Недра», 1968 г., с.29).

Оба абсорбера могут исполняться раздельно или в одном корпусе аппарата, при этом в них размещаются контактные устройства в виде регулярной перекрестноточной насадки.

Целесообразно соотношение первого и второго потоков частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера, поступающих в первый абсорбер, поддерживать в пределах 1:2-1:3.

На чертеже представлена принципиальная схема установки, на которой реализуется заявляемый способ.

Установка глубокой очистки отходящих газов от сероводорода включает абсорбер 1, представляющий колонну с массообменными контактными устройствами, с входом 2 отходящего неочищенного газа в нижней части, выходом по линии 3 частично очищенного газа и входами по линиям 4 и 5 для раствора абсорбента, вводимого в абсорбер 1 в разных соотношениях, при этом нижний поток абсорбента нагревается в теплообменнике 6. Второй абсорбер 7, представляющий собой колонну с массообменными контактными устройствами, с входом по линии 3 частично очищенного газа в нижней части и входом 8 регенерированного абсорбента, выходами по линиям 9 и 10 частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента и газа. Узел регенерации абсорбента включает регенератор 11, также представляющий собой массообменную колонну с контактными устройствами с входом 12 раствора насыщенного абсорбента, соединенным через межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 13 с входом 8 второго абсорбера 7 через холодильник 14, накопительную емкость 15 и насос 16. Регенератор 11 снабжен в нижней части теплообменником-испарителем 17 с линией подачи теплоносителя водяного пара 18 и линией вывода конденсата 19. Кубовая жидкость регенератора 11 по линии 20 подается в межтрубное пространство теплообменника-испарителя 17, на выходе из которого паровая фаза по линии 21 возвращается в регенератор 11, а жидкая фаза по линии 22 направляется в рекуперативный теплообменник 13 через насос 23.

Регенератор 11 также имеет выход 24 для пара и газа в верхней части, который через холодильный аппарат 25 подключен к рефлюксной емкости 26 с выходами 27 и 28 для кислых газов и кислой воды соответственно. Кислая вода через насос 29 по линии 30 подается в верхнюю часть регенератора 11 в виде орошения.

В качестве массообменных контактных устройств в абсорбере 1, во втором абсорбере 7 и регенераторе 11 может быть использована перекрестноточная насадка.

Работа данной установки осуществляется при реализации заявляемого способа глубокой очистки отходящих газов от сероводорода следующим образом.

Отходящий газ, содержащий сероводород и углекислый газ, по линии 2 подается в абсорбер 1, где осуществляется его грубая очистка от сероводорода селективным абсорбентом - 45% водным раствором монодиэтаноламина. Газ из абсорбера 1 по линии 3 направляется во второй абсорбер 7, где осуществляется тонкая очистка газа жидким селективным абсорбентом до содержания сероводорода в очищенном газе 0,0001%, с низа абсорбера 1 выводится по линии 31 насыщенный сероводородом абсорбент, который далее поступает в рекуперативный теплообменник 13, где нагревается за счет тепла регенерированного абсорбента и по линии 12 подается в регенератор 11.

С верха второго абсорбера 7, по линии 10 отгоняется газ, обогащенный диоксидом углерода, с низа второго абсорбера 7 по линии 9 выводится поток насыщенного диоксидом углерода абсорбента, который разделяется на два потока 4 и 32, при этом поток по линии 4 поступает в верхнюю часть абсорбера 1, а поток 32 нагревается в теплообменнике 6 и по линии 5 поступает в нижнюю часть абсорбера 1, где от потока абсорбента отгоняется диоксид углерода.

Насыщенный раствор абсорбента по линии 12 поступает в среднюю часть регенератора 11, с верха которого по линии 24 пары сероводорода и воды отводятся в холодильник 25, после которого по линии 34 поступают в емкость для сбора конденсата 26, из которой кислый газ отводится по линии 27 для дальнейшего получения серы, а конденсат из емкости 26 по линии 28 прокачивается насосом 29 и по линии 30 возвращается в десорбер 11 в качестве орошения. Кубовая жидкость регенератора 11 по линии 20 поступает в теплообменник-испаритель 17, из которого пары по линии 21 возвращаются вниз регенератора 11, а регенерированный абсорбент из теплообменника-испарителя 17 по линии 22 через насос 23 и далее по линии 35 подается в рекуперативный теплообменник 13, где отдает тепло насыщенному абсорбенту, далее поток регенерированного абсорбента по линии 33 поступает в холодильник 14, далее по линии 36 направляется в накопительную емкость 15, после которой по линии 37 поступает на прием насоса 16 и по линии 8 направляется во второй абсорбер 7. В теплообменник-испаритель 17 по линии 18 подается водяной пар и выводится по линии 19 конденсат.

В таблице 1-3 приведены результаты расчетов способа глубокой очистки отходящих газов от сероводорода по прототипу и заявляемому изобретению.

Пример 1. Выполнено математическое моделирование способа глубокой очистки отходящих газов от сероводорода по прототипу.

При аминовой очистке по процессу Хайсалф мольное содержание компонентов на входе и выходе из абсорбера, а также в кислом газе, который направляется на установку Клауса, приведено в таблице 1. Как следует из таблицы 1, при довольно низком содержании H₂S в газе на выходе из абсорбера 0,016 кмоль/ч (концентрация H₂S равна 0,005% мол.), и в кислом газе на выходе из десорбера 4,3160 кмол/ч, его концентрация в кислом газе на выходе из десорбера составляет лишь 36,9% мол., а основную часть кислого газа составляет CO₂ - 56,6% мол., что отрицательно сказывается в процессе получения серы методом Клауса.

Пример 2. Выполнено математическое моделирование способа глубокой очистки отходящих газов от сероводорода по заявляемому изобретению.

В способе глубокой очистки отходящих газов от сероводорода мольное содержание компонентов на входе и выходе из абсорбера, а также в кислом газе, который направляется на установку Клауса, приведено в таблице 2.

При дополнительной очистке отходящего газа во втором абсорбере содержание сероводорода в газе на выходе из второго абсорбера практически отсутствует, а содержание диоксида углерода увеличилось с 52,842 до 67,419 кмоль/ч.

В результате заявляемого изобретения в кислом газе содержание сероводорода увеличилось с 4,3160 до 4,3317 кмоль/ч, то есть на 0,3% мол., что составляет 4,7 т/год, при этом резко снизилось содержание диоксида углерода (с 6,6100 до 0,2964 кмоль/ч), что приводит к повышению концентрации Н₂S в кислом газе до 85,5% мол, то есть в 2,3 раза выше, чем в прототипе.

В таблице 3 приведены массовые расходы основных потоков и компонентов в них для технологической схемы, приведенной на фиг.1.

При работе установки по заявляемому изобретению в конечном итоге степень извлечения сероводорода из отходящих газов достигает 99,99%, а диоксида углерода 99,5%.

Таблица 1
Компоненты	Содержание, кмоль/ч
на входе в абсорбер	на выходе из абсорбера	в кислом газе на установку Клауса
N2	225,873	225,864	0,0090
H2S	4,332	0,016	4,3160
H2	20,046	20,045	0,0010
CO2	59,446	52,842	6,6100
H2O	38,280	12,101	0,7510
CH4	0,177	0,177	-
Всего	348,154	311,045	11,6870
Таблица 2
Компоненты	Содержание, кмоль/ч
на входе в абсорбер	на выходе из абсорбера	в кислом газе на установку Клауса
N2	225,873	225,499	0,4030
H2S	4,332	0	4,3317
H2	20,046	20,015	0,0331
CO2	59,446	67,419	0,2964
Н2O	38,280	1,394	0
CH4	0,177	0,177	0,0001
Всего	348,154	314,504	5,0656

Таблица 3
Номер потока по фиг.1	2	3	31	4	5	9	8	10	24	27
Температура, °C	40	40	56	40	60	40	40	40	102	50
Общий массовый расход по компонентам, кг/ч
N2	6327,4890	6317,0170	11,2902	0,2506	0,5677	0,8183	0	6316,1980	0,4030	0,4030
H2S	147,6427	0,0002	147,6469	0,0014	0,0031	0,0044	0,0140	0,0098	4,3317	4,3317
H2	40,4103	40,3476	0,0668	0,0012	0,0028	0,0040	0	40,3436	0,0331	0,0331
CO2	2616,2070	2967,1050	13,0633	111,4459	252,5161	363,9619	0,0165	2603,1600	0,2964	0,2964
Н2O	689,6249	25,1199	9215,8210	2618,4300	5932,8870	8551,3160	8895,7570	369,5605	17,7600	0
CH4	2,8396	2,8374	0,0023	0,0004	0,0001	0,0001	0	2,8373	0,0001	0,0001
МДЭА	0	0,0122	7412,9730	2269,8710	5143,1140	7412,9850	7413,1310	0,1581	0,0013	0,0013
Итого	9824,2135	9352,4393	16800,8635	5000,0005	11329,0908	16329,0897	16308,9185	9332,2673	22,8256	5,0656

1. Способ глубокой очистки отходящих газов от сероводорода, включающий абсорбционное извлечение сероводорода амином в абсорбере и регенерацию насыщенного абсорбента в регенераторе, отличающийся тем, что очистку газа проводят в двух абсорберах, исходный газ подается в низ первого абсорбера, газ, выходящий с верха первого абсорбера, подвергается дополнительной очистке во втором абсорбере, в который подается регенерированный абсорбент, представляющий собой 30…50% водный раствор монодиэтаноламина, частично насыщаемый во втором абсорбере диоксидом углерода, газ, насыщенный диоксидом углерода, отводится с верха второго абсорбера, частично насыщенный диоксидом углерода абсорбент с низа второго абсорбера поступает двумя разнотемпературными потоками на разные уровни в первый абсорбер, при этом первый поток частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера подается наверх первого абсорбера, а второй поток частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера нагревается до температуры 55-60°С и подается в нижнюю часть первого абсорбера, насыщенный сероводородом абсорбент с низа первого абсорбера поступает на верх регенератора, с верха которого отводится на установку Клауса газ, обогащенный сероводородом и обедненный диоксидом углерода, а регенерированный абсорбент подается на верх второго абсорбера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение первого и второго потоков частично насыщенного диоксидом углерода абсорбента с низа второго абсорбера, поступающих в первый абсорбер, находится в пределах 1:2-1:3.