Способ очистки нефтяного газа от сероводорода

Способ очистки нефтяного газа от сероводорода

Реферат

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к способам очистки газов от сероводорода, и может быть использовано для подготовки нефтяного газа к потреблению.

Известен способ удаления сероводорода из газовых смесей (патент RU 2160152 С2, опубл. 10.12.2000 г.), заключающийся в растворении сероводорода в анолите, образующемся при электролизе воды в прианодном слое в электролизере мембранного типа с последующим окислением сероводорода с присутствующим в анолите атомарным кислородом. При этом сера выпадает в осадок, а образовавшаяся в процессе окисления вода возвращается в процесс. Недостатком указанного способа является малое время жизни атомарного кислорода в прианодном слое электролита (воды) вследствие рекомбинации атомарного кислорода в молекулярный, обладающий существенно более низкой активностью. Кроме того, вода является прочным соединением, требующим для своего разложения больших затрат электроэнергии. Кроме того, плотность анодного тока в данном способе составляет 1,3·10³-1,7·10³ А/дм² против обычно используемых в гальванических процессах в водных электролитах 5-15 А/дм².

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ очистки нефтяного газа от серосодержащих соединений типа сероводорода или сероуглерода (RU 2287617 С1, опубл. 20.11.2006 г.), заключающийся в отделении сероводорода от нефтяного газа путем его растворения в дистиллированной воде, с последующей диссоциацией сероводорода с образованием ионов серы и водорода, превращающим дистиллированную воду в электролит. Посредством электролиза на анодных и катодных пластинах выделяются сера и водород соответственно. Растворение и последующая диссоциация сероводорода, а также электролиз, в данном способе производятся в одной и той же герметичной емкости с дистиллированной водой.

Недостатком данного способа является то, что раствор сероводорода в воде является слабым электролитом, обладающим относительно низкой проводимостью, а электрический ток, для разложения сероводорода, в количествах, обычно встречающихся в нефтяных газах, должен быть достаточно большим. Так, секундный выход серы при 4% содержании сероводорода и годовом объеме нефтяного газа 800 000 м³ равен 1,45 г. В соответствии с законом электролиза Фарадея, ток, необходимый для выделения данного количества серы, составит 8,74·10³ А. Столь значительная величина тока и низкая проводимость электролита (раствора сероводорода) неизбежно приведут к сильному нагреву электролита и большому расходу электроэнергии. Растворимость же сероводорода в воде быстро снижается с ростом температуры. Таким образом, растворение сероводорода в воде (степень очистки нефтяного газа от сероводорода) и эффективность выделения серы при проведении процесса в общей емкости являются конкурирующими процессами, что приводит к низкой эффективности процесса очистки нефтяного газа от сероводорода (не выше 40-70%).

Технический результат заключается в создании способа очистки нефтяного газа от сероводорода с высокой степенью очистки (до 99,99%) за счет разделения процесса на два этапа, а именно первого этапа отмывки нефтяного газа от сероводорода и переноса сероводорода в воздушный поток с образованием воздушной смеси, и второго этапа очистки воздушной смеси от сероводорода путем растворения сероводорода в электролите с последующей утилизацией сероводорода электролизом.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе очистки нефтяного газа от сероводорода путем его диссоциации при растворении сероводорода в воде с последующим электролизным разложением сероводорода, согласно изобретению, содержащийся в нефтяном газе сероводород удаляют с использованием трех массообменных колонн, работающих по принципу противоточной циркуляции, при этом нефтяной газ подают в нижнюю часть первой массообменной колонны, а предварительно охлажденную воду подают противотоком в ее верхнюю часть, при этом из верхней части указанной массообменной колонны отводят очищенный нефтяной газ, а предварительно подогретую и насыщенную сероводородом воду подают в верхнюю часть второй массообменной колонны, в нижнюю часть которой противотоком нагнетают воздух, и в процессе массообмена осуществляют вымывание из нее сероводорода, причем очищенную воду из нижней части второй массообменной колонны охлаждают и подают в верхнюю часть первой массообменной колонны с образованием замкнутого циркуляционного контура, при этом насыщенную сероводородом воздушную смесь нагнетают в нижнюю часть третьей массообменной колонны, в верхнюю часть которой подают электролит, растворяющий содержащийся в воздушной смеси сероводорода, затем насыщенный сероводородом электролит из нижней части третьей массообменной колонны подвергают электролизу с разложением растворенного в электролите сероводорода на элементарные серу и водород, после чего водород вместе с остаточными газами возвращают в процесс, а очищенный от сероводорода электролит подают в верхнюю часть третьей массообменной колонны, образуя замкнутый контур циркуляции электролита.

Заявляемый способ в отличии от прототипа осуществляется не в один, а в два этапа. На первом этапе происходит растворение сероводорода в воде в первой массообменной колонне и последующий перенос его в воздушный поток воздуха с образованием воздушной смеси во второй массообменной колонне. Обе колонны работают по принципу противоточной циркуляции и объединены замкнутым циркуляционным контуром.

Второй этап очистки воздушной смеси от сероводорода осуществляется в замкнутом контуре циркуляции электролита путем растворения сероводорода в электролите в третьей массообменной колонне.

В процессе очистки в результате массообмена очищенный воздух уходит в атмосферу, а сероводород электролитом по замкнутому контуру переносится в электролизер, в котором в процессе электролиза происходит осаждение элементарной серы на аноде и выделение водорода на катоде. Газовую фракцию, состоящую из водорода, выделяющегося при нагреве электролита в процессе электролиза сероводорода, и остаточных газов, подают в нижнюю часть третьей колонны, возвращая в процесс электролитической утилизации.

Заявляемый способ позволяет производить высокоэффективную очистку нефтяных газов от сероводорода. Степень очистки может достигать 99,99%.

Изобретение иллюстрируется следующим образом.

На фигуре схематично изображена установка для осуществления заявляемого способа. Установка включает первую 1, вторую 2 и третью 3 массообменные колонны. Первая 1 и вторая 2 массообменные колонны объединены замкнутым контуром циркуляции воды с помощью трубопроводов 4, 5, 6, 7, 8, 9, в которые встроены насосы 10, 11 и тепловой насос 12. Тепловой насос 12 служит для увеличения эффективности работы массообменных колонн 1 и 2, за счет использования зависимости растворимости сероводорода в воде от температуры. Трубопроводы 13, 14, объединенные с входным фильтром 15 служат для подачи нефтяного газа из газового коллектора в первую массообменную колонну 1. Трубопровод 16 служит для вывода очищенного нефтяного газа из первой массообменной колонны 1. Вихревой компрессор 17 соединен со второй массообменной колонной 2 через трубопровод 18. Трубопровод 19 объединяет газовый выход второй массообменной колонны 2, через эжекторный смеситель 20 и через трубопровод 21, с газовым входом третьей массообменной колонны 3. Электролизер 22 соединен через трубопровод 23, насос 24 и трубопровод 25 с верхней частью третьей массообменной колонны 3. Трубопровод 26 соединяет нижнюю часть третьей массообменной колонны 3 с электролизером 22, образуя замкнутый контур циркуляции электролита. Трубопровод 27 соединяет электролизер 22 и устройство для отмывки и сушки серы 28.

Способ осуществляется следующим образом.

Нефтяной газ по трубопроводу 13 проходит через входной фильтр 15 и подается в нижнюю часть первой массообменной колонны 1 по трубопроводу 14. Охлажденная в тепловом насосе 12 вода по трубопроводу 8 подается в насос 10 и по трубопроводу 9 поступает в верхнюю часть первой массообменной колонны 1 противотоком по отношению к потоку газа. Очищенный от сероводорода газ выводится из первой массообменной колонны 1 по трубопроводу 16 и направляется потребителю.

Насыщенная сероводородом вода по трубопроводу 4 проходит через тепловой насос 12, нагревается и подается по трубопроводу 5 насосом 11 по трубопроводу 6 в верхнюю часть второй массообменной колонны 2 (горячая вода + H₂S). В нижнюю часть второй массообменной колонны 2 с помощью вихревого компрессора 17 через трубопровод 18 подается воздух. Очищение воды от сероводорода происходит аналогичным способом, а именно путем движения потока воздуха и воды с сероводородом в противотоке. Вода, очищенная от сероводорода, проходит по трубопроводу 7 через тепловой насос 12, где охлаждается и поступает в трубопровод 8, образуя замкнутый цикл движения воды в массообменных колоннах 1 и 2. Таким образом, в результате взаимодействия потоков газа и циркулирующей в замкнутом контуре массообменных колонн 1 и 2 воды сероводород из состава нефтяного газа на входе переносится в воздушный поток на выходе массообменной колонны 2, образуя воздушную смесь (воздух + H₂S), которая далее через трубопровод 19 поступает в эжекторный смеситель 20, откуда по трубопроводу 21 подается в нижнюю часть третьей массообменной колонны 3, по которой движется в противотоке с потоком электролита, поступающего через трубопровод 25, насос 24, трубопровод 23 из электролизера 22.

Очищенный в третьей массообменной колонне 3 воздух по трубопроводу 29 выводится в атмосферу через очистной фильтр 30. В электролизере 22 с помощью схемы электропитания и управления 31 электролизером 22 происходит очистка пластин от осажденной серы. Из электролизера 22 по трубопроводу 32 выходит газовая фракция после электролиза, состоящая из водорода и выделившихся из электролита газов, которая подается в эжекторный смеситель 20. Затем она, через трубопровод 21, подается в нижнюю часть массообменной колонны 3. Из электролизера 22 по трубопроводу 27 эмульсия серы поступает на устройство 28 для отмывки и сушки серы, которая далее отправляется на склад.

Пример осуществления способа

Очистке подвергали модельный нефтяной газ, состоящий из 96% метана и 4% сероводорода. Газ после прохождения через фильтр 15 подавался в нижнюю часть колонны 1, расход составил 25 л/сек. В верхнюю часть колонны 1 подавали охлажденную до 16°C воду с расходом 0,45 л/сек. Рабочая температура в колонне 1 составляла от +14 до +16°C. В верхнюю часть колонны 2 подавалась насыщенная сероводородом вода (горячая вода + H₂S). Вихревым компрессором снизу колонны 2 подавали воздух со скоростью 2,9 м/сек в «живом» сечении колонны 2 и расходом 25 л/сек. Рабочая температура внутри массообменной колонны 2 составляла от +35 до +40°C. В результате взаимодействия двух потоков H₂S из водного раствора перешел в воздушную смесь (воздух + H₂S). Концентрация H₂S в воздушной смеси составляла 3%.

Воздушная смесь в колонне 3 взаимодействовала с потоком электролита, представлявшего собой слабый 5-10% раствор серной кислоты.

Очищенный воздух выводился в атмосферу, а серу осаждали на пластинах электролизера 22. Ток для работы электролизера 22 составил 500 А, а площадь анодных и катодных пластин - 0,5 м².

Конечная концентрация H₂S измерялась хроматографом INFICON 3000 Micro GC и составила 0,8%. Степень очистки составила 99,2%.

Способ очистки нефтяного газа от сероводорода путем его диссоциации при растворении сероводорода в воде с последующим электролитическим разложением сероводорода,отличающийся тем, чтосодержащийся в нефтяном газе сероводород удаляют с использованием трех массообменных колонн, работающих по принципу противоточной циркуляции, при этом нефтяной газ подают в нижнюю часть первой массообменной колонны, а предварительно охлажденную воду подают противотоком в ее верхнюю часть, при этом из верхней части указанной массообменной колонны отводят очищенный нефтяной газ, а предварительно подогретую и насыщенную сероводородом воду подают в верхнюю часть второй массообменной колонны, в нижнюю часть которой противотоком нагнетают воздух, и в процессе массообмена осуществляют вымывание из нее сероводорода, причем очищенную воду из нижней части второй массообменной колонны охлаждают и подают в верхнюю часть первой массообменной колонны с образованием замкнутого циркуляционного контура, при этом насыщенную сероводородом воздушную смесь нагнетают в нижнюю часть третьей массообменной колонны, в верхнюю часть которой подают электролит, растворяющий содержащийся в воздушной смеси сероводород, затем насыщенный сероводородом электролит из нижней части третьей массообменной колонны подвергают электролизу с разложением растворенного в электролите сероводорода на элементарные серу и водород, после чего водород вместе с остаточными газами возвращают в процесс, а очищенный от сероводорода электролит подают в верхнюю часть третьей массообменной колонны, образуя замкнутый контур циркуляции электролита.