АДСОРБЦИОННЫЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ СЫРОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В ОТНОШЕНИИ ЕЕ МЕНЕЕ ПРОЧНО АДСОРБИРОВАННОГО КОМПОНЕНТА Российский патент 1997 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к основанному на дифференциале давления адсорбционному способу очистки сырой газовой смеси высокого давления (более 200 фунтов/кв.дюйм, т.е. 14,1 кг/см²) в отношении ее трудно адсорбируемого компонента.

Важной областью применения настоящего изобретения является очистка находящегося под высоким давлением потока сырого природного газа в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента, в результате чего получают указанный компонент высокой степени чистоты и с высокой степенью рекуперации.

В технике известно осуществление циклов основанной на дифференциале давлений адсорбционной (ДДА) очистки сырой газовой смеси высокого давления в отношении ее трудно адсорбируемого компонента. Трудно адсорбируемый компонент может включать в себя один или несколько ингредиентов, а на его долю обычно приходится, по меньшей мере, 75% сырой смеси в пересчете на ее объем.

Оставшийся более легко адсорбируемый компонент в таком процессе может также включать в себя один или несколько ингредиентов, причем его обычно либо сбрасывают в отход, либо, когда сырьем служит природный газ, сжигают с целью утилизировать его топливные возможности. В случае, когда число стадий минимально, такие циклы состоят из нижеследующих трех стадий:
а) пропускание сырой газовой смеси через адсорбционный слой, содержащий адсорбент, который селективно адсорбирует легко адсорбируемый компонент, в результате чего образуется адсорбционный слой, насыщенный легко адсорбированным компонентом, и поток продукта, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом,
б) сброс давления над адсорбционным слоем с получением направляемого в отход потока материала, обогащенного легко адсорбируемым компонентом,
с) повторное повышение давления в адсорбционной зоне до уровня давления исходной газовой смеси с последующим началом нового цикла.

В соответствии с известной техникой ДДА для повышения степени чистоты трудно адсорбируемого компонента, получаемого на стадиях (а) обработки содержащего продукт потока, предусмотрено осуществление стадии продувки, на которой адсорбционный слой продувают потоком газа, состоящего прежде всего из трудно адсорбируемого компонента, непосредственно после завершения стадии сброса давления.

Такая продувка под низким давлением повышает степень чистоты потока продукта, полученного на стадии (а), поскольку в результате из слоя выдувается весь легко адсорбируемый компонент, который может оставаться в этом слое после завершения стадии сброса давления и который способен, следовательно, загрязнять отводимый поток продукта на последующей стадии адсорбции.

Примером ДДА-цикла очистки сырой газовой смеси высокого давления в отношении его трудно адсорбируемого компонента, в ходе осуществления которого используют как продувку под низким давлением так и уравновешивание давлений, служит техническое решение, изложенное в описании к американскому патенту N 3986849, кл. B 01 D 53/04, 1976.

Согласно этому патенту, для частичной утилизации энергии давления исходной газовой смеси высокого давления, предусмотрено использование трех переносов уравновешивания давления.

При очистке сырой газовой смеси высокого давления в отношении ее трудно адсорбируемого компонента обычно кажется, что высокое давление сырья сообщает движущую силу или производит работу, которой достаточно для того, чтобы сброс давления до уровня ниже атмосферного (и связанная с этим потеря энергии) не является необходимым (количество работы, которая совершается для разделения в ходе ДДА-цикла зависит от величины дифференциала давления при сбросе давления, чем больше дифференциал давления, тем больше работа, совершаемая для эффекта разделения).

Так, например, в соответствии с патентом США N 3986849, давление сбрасывают только до атмосферного уровня. Однако в соответствии с настоящим изобретением совершенно неожиданно было установлено, что сброс давления до уровня ниже атмосферного в ходе ДДА-цикла, в котором используют продувку под низким давлением и уравновешивание давлений во время очистки газовой смеси высокого давления в отношении трудно адсорбированного компонента, выгодно для повышения как (1) рекуперации трудно адсорбируемого компонента, так и (2) емкости адсорбционного слоя в отношении сырья после связанной с этим потери энергии.

Важной областью применения настоящего изобретения является очистка потока сырого природного газа высокого давления в отношении его метан/C₂-углеводородного компонента, в результате чего указанный компонент получают с высокой степенью чистоты и с достижением высокой степени рекуперации.

Природный газ, включает в себя такие примеси, как вода, серосодержащие соединения, легкие углеводороды (то есть C₃-углеводороды), тяжелые углеводороды (то есть углеводороды C₄) и двуокись углерода, которую удаляют перед сжижением с получением жидкого метанового топлива.

Удаление воды, серосодержащих соединений и тяжелых углеводородов лучше всего осуществлять адсорбционной обработкой с тепловым дифференциалом (АТД), поскольку регенерация адсорбента, который насыщен такими соединениями, затруднена и, следовательно, обычно требует нагревания адсорбционного слоя перед простым сбросом давления над адсорбционным слоем.

Оставшуюся двуокись углерода и легкие углеводороды лучше всего удалять в соответствии с ДДА-способом настоящего изобретения.

Предметом настоящего изобретения является основанный на дифференциале давлений адсорбционный (ДДА) способ очистки сырой газовой смеси высокого давления (более 200 фунтов/кв.дюйм, т.е. 14,1 кг/см²) в отношении ее трудно адсорбируемого компонента. Помимо основной адсорбционной стадии и стадий сброса давления и восстановления давления, способ, соответствующий настоящему изобретению, включает в себя стадию продувки под низким давлением и один или несколько переносов уравновешиваний давления.

Ключевым фактором настоящего изобретения является то, что стадию сброса давления осуществляют до достижения давления ниже уровня атмосферного.

На чертеже представлена схема, иллюстрирующая один из вариантов воплощения настоящего изобретения, в котором применяют шесть адсорбционных слоев и три переноса уравнивания давлений.

Изобретение иллюстрируется со ссылкой на конкретный вариант его воплощения, в частности, такой как представлен на чертеже, где предусмотрено применение шести адсорбционных слоев и трех переносов уравнивания давлений.

Способ реализуется с помощью технологической схемы, включающей вакуумный насос VI, клапаны с 1 по 31 и шесть адсорбционных слоев с В1 по В6, каждый из которых содержит адсорбент, селективный для адсорбции легко адсорбируемого компонента.

В случае сырого природного газа можно использовать любой адсорбент (любые адсорбенты), способный селективно адсорбировать примеси природного газа. Можно также использовать множество слоев адсорбентов. Примерами таких адсорбентов служат цеолиты, глиноземы, активированные угли и силикагели.

В соответствии с настоящим изобретением цикл стадий с (а) по (f) осуществляют в каждом из шести адсорбционных слоев, как показано на чертеже, в последовательности чередования фаз, которая суммирована в таблице.

Помимо последовательности стадий в адсорбционных слоях, показанных на чертеже, в таблице сведена также последовательность работы клапанов для полного цикла. В таблице отражены 12 интервалов времени и общее количество времени из 24 промежутков времени, которые охватывает цикл стадий с (а) по (f) таким образом, что можно четко указать относительные временные промежутки для каждой стадии.

Совершенно очевидно, что представленный на чертеже вариант и проиллюстрированная в таблице операционная последовательность являются лишь примером. Любому специалисту в данной области техники совершенно очевидна возможность других вариантов.

Представленные в качестве примера в таблице последовательность стадий и последовательность клапанов ниже описаны в отношении процесса работы адсорбционного слоя В1, иллюстрируемого чертежом.

В течение первого и второго временных интервалов (промежутки времени 0-4) в слое В1 осуществляется адсорбционная стадия или стадия (а) способа настоящего изобретения. Исходная газовая смесь высокого давления поступает в слой В1 через открытый клапан 1, в результате чего образуются адсорбционный слой, насыщенный легко адсорбируемым компонентом, и поток продукта, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом, причем этот поток продукта отводят из такого слоя через открытый клапан 25.

В течение второго временного интервала (промежутки времени 2-4) часть продукта, отходящего из слоя В1, используют как для (1) восстановления давления над слоем В2 посредством открытого клапана 26, так и для (2) продувки слоя В4 через открытые клапаны 16 и 28.

В течение третьего, четвертого и пятого временных интервалов (промежутки времени 4-10) в слое В1 осуществляют начальную стадию сброса давления или стадию (6) способа по настоящему изобретению, в соответствии с которой предусмотрено три последовательных перехода уравнения давлений.

Во время первого перехода уравнивания давлений (стадия (b) (i), которая соответствует промежуткам времени 4-6) газ, отводимый из слоя В1, через открытые клапаны 2 и 10 переводят в слой В3, в котором в этот момент осуществляется стадия (е) (iii), в результате чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В3.

Во время второго перехода уравнения давлений (стадия (b) (ii), которая соответствует промежуткам времени 6-8) газ, отводимый из слоя В1 через открытые клапаны 2 и 14, вводят в слой В4, в котором в данный момент осуществляется стадия (е) (ii), в результате чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В4.

Во время третьего перехода давлений (стадия (b) (iii), которая соответствует промежуткам времени 8-10) газ, отводимый из слоя В1 через открытые клапаны 3 и 19, вводят в слой В5, в котором в данный момент осуществляется стадия (е) (i), в результате чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В5.

В течение шестого и седьмого временных интервалов (промежутки времени 10-14) в слое В1 осуществляется дополнительная стадия сброса давления или стадия (с) способа по настоящему изобретению.

В течение шестого временного интервала (промежутки времени 10-12) за счет отвода газового потока из слоя В1 через открытые клапаны 3 и 31 давление над этим слоем сбрасывают до атмосферного. В течение седьмого временного интервала (промежутки времени 12-14) за счет отвода газового потока из слоя В1 через открытый клапан 4 и с помощью вакуумного насоса VI давление над эти слоем сбрасывают до уровня ниже атмосферного.

Материал, отходящий с дополнительной стадии сброса давления, обогащается легко адсорбируемым компонентом, после чего его либо сбрасывают в отход, либо, когда в качестве сырья по трубопроводу подают природный газ, сжимают и возвращают в этот трубопровод.

В течение восьмого временного интервала (промежутки времени 14-16) в слое В1 осуществляется стадия продувки или стадия (d) способа по настоящему изобретению. При все еще работающем вакуумном насосе VI слой В1 через открытые клапаны 4 и 25 продувают частью продукта, отводимого из слоя В4, в котором в данный момент осуществляется стадия адсорбции. С материалом, отводимым со стадии продувки, обычно осуществляют те же самые манипуляции, что и с материалом, отводимым с дополнительной стадии сброса давления.

В течение девятого, десятого и одиннадцатого временных интервалов (промежутки времени 16-22) в слое В1 осуществляют начальную стадию восстановления давления или стадию (е) способа по настоящему изобретению, в соответствии с которой также предусмотрено три последовательных перехода уравнивания давлений.

В течение начального перехода уравнивания давлений (стадия (е) (i), которая соответствует промежуткам времени 16-18) газ, отводимый из слоя В3, в котором в данный момент осуществляется стадия (b) (iii), через открытые клапаны 3 и 11 направляют в слой В1, вследствие чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В3.

В течение последующего перехода выравнивания давлений (стадия (е) (ii), которая соответствует промежуткам времени 18-20), газ, отводимый из слоя В4, в котором в данный момент осуществляется стадия (b) (iii), направляют через открытые клапаны 2 и 14 к слою В1, вследствие чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В4.

В течение заключительного перехода уравнивания давлений (стадия (е) (iii), которая соответствует промежуткам времени 20-22) газ, отводимый из слоя В5, в котором в данный момент осуществляется стадия (b) (i), через открытые клапаны 2 и 18 направляют в слой В1, вследствие чего происходит выравнивание давлений в слоях В1 и В5.

Наконец, в течение двенадцатого временного интервала (промежутки времени 22-24) в слое В1 осуществляется дополнительная стадия восстановления давления или стадия (f) способа по настоящему изобретению. С использованием части продукта, отводимого из слоя В6, в котором в данный момент осуществляется стадия адсорбции, посредством открытых клапанов 25 и 30 над слоем В1 дополнительно восстанавливают давление, доводя его до уровня давления исходной газовой смеси.

После восстановления давления цикл в слое В1 завершается и можно начинать новый цикл. В каждом адсорбционном слое осуществляют последовательность операций, аналогичную вышеописанной для слоя В1, как это можно видеть из данных таблицы.

Необходимо отметить, что возможны другие вариации представленного на чертеже варианта воплощения способа, в частности нижеследующие:
(1) осуществление стадий уравнивания давлений не между концами для подачи сырья к слоям, а между концами для отвода продукта из слоев,
(2) уравнивание давлений с помощью продукта, вследствие чего часть газообразного продукта из слоя на стадии (а) используют для уравнивания давлений со слоем на стадии (е) (iii) (это позволяет уменьшить колебания в потоке продукта в сочетании с компенсацией части себестоимости продукта),
(3) уравнивание давлений, способствующее продувке, в результате чего некоторую часть или весь газ вакуумной продувки для стадии (d) получают со стороны отвода продукта из слоя, где осуществляется стадия (b) (ii), и
(4) включение в систему дополнительных слоев с целью ее приспособления к циклу, в котором осуществляется одновременная подача сырья и/или одновременный сброс давления до уровня ниже атмосферного в двух или большем числе слоев.

В результате компьютерного моделирования, представленного на чертеже варианта осуществления способа очистки потока сырья под давлением 400 фунтов/кв.дюйм (28,1 кг/см²) и при температуре 74^oF (23^oC), содержащего 86% метана и 11% этана в качестве менее адсорбируемого компонента и 3% двуокиси углерода в качестве более адсорбируемого компонента, где в качестве адсорбента использовали цеолит N_fX, получили поток продукта, который содержал 93,2% метана, 6,8% этана и лишь 50 ч./1000000 ч. углекислого газа. Степень рекуперации метана для потока продукта составляла 95,5% тогда как степень рекуперации метана плюс этан для этого потока продукта была равной 91,0% Емкость по сырью составляла 15,1 мфунт-мол. сырья на фунт адсорбента (соответственно 0,454 г-мол./454 г адсорбента).

Такие показатели степени чистоты, рекуперации и емкости по сырью свидетельствуют о значительно более высокой эффективности в сравнении с традиционными циклами ДДА-очистки, при осуществлении которых не предусмотрен сброс давления до уровня ниже атмосферного.

Существо настоящего изобретения изложено со ссылкой на конкретный вариант его воплощения. Этот вариант не следует рассматривать как ограничивающий рамки настоящего изобретения, которые определены формулой изобретения.

Использование: очистка газов, в частности разделение сырой газовой смеси высокого давления. Сущность способа: способ основан на дифференциале давлений адсорбционной очистки газов (ДДА). Способ включает: адсорбцию легко адсорбируемого компонента газовой смеси и отвод газа, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом. Этот газ используют в другом адсорбционном слое для повышения давления в этом слое. При этом давление в первом адсорбционном слое понижается. Повышение и понижение давлений между слоями идет в одну или более ступеней до выравнивания давления между слоями. Затем первый адсорбционный слой, содержащий легко адсорбируемый компонент, продувают газом, содержащим трудно адсорбируемый компонент, и подают туда газ, содержащий трудно адсорбируемый компонент, для повышения давления в слое и понижения его в другом адсорбционном слое после легко адсорбируемого компонента из газа. Повышение и понижение давлений вновь ведут до их выравнивания в одну или более ступеней. Понижение давления осуществляют до уровня ниже атмосферного. Исходная газовая смесь состоит из не менее, чем 75% от объема трудно адсорбируемых компонентов: метан и C₂-углеводороды. Легко адсорбируемые компоненты - CO₂ и C₃-углеводороды. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ разделения сырой газовой смеси высокого давления, превышающего 14,1 кг/см², включающий адсорбцию легко адсорбируемого компонента в адсорбционном слое, работающем в фазовой последовательности с другими адсорбционными слоями, отвод газа, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом, из адсорбционного слоя и подачу его в другой адсорбционный слой для понижения давления над первым адсорбционным слоем и повышения его над вторым адсорбционным слоем до равной величины давления между ними, осуществляемую в одну или более ступени, продувку первого адсорбционного слоя газом, обогащенным трудно адсорбируемым компонентом, подачу в слой газа, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом, отводимым из другого адсорбционного слоя, адсорбировавшего легко адсорбируемый компонент исходной газовой смеси, для повышения давления над первым слоем и понижения его над вторым слоем до равной величины давления между ними, осуществляемую в одну или более ступени, окончательное повышение давления над адсорбционным слоем до давления исходной газовой смеси с последующим использованием адсорбционного слоя для адсорбции легко адсорбируемого компонента исходной газовой смеси, отличающийся тем, что после понижения давления над первым адсорбционным слоем осуществляют дополнительное понижение давления до уровня ниже атмосферного путем отвода газа, обогащенного трудно летучим компонентом. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трудно адсорбируемый компонент составляет по меньшей мере 75% от объема исходной газовой смеси. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что исходная газовая смесь содержит в качестве трудно адсорбируемого компонента метан и С₂-углеводороды, в качестве легко адсорбируемого компонента CO₂ и С₃-углеводороды, ее подают на адсорбцию по трубопроводу для природного газа, адсорбцию ведут с использованием в качестве адсорбента одного или нескольких соединений, выбранных из ряда цеолиты, глиноземы, активированные угли, силикагели, а газ, обогащенный трудно адсорбируемым компонентом, отведенный со стадии понижения давления ниже атмосферного и полученный после продувки адсорбционного слоя, сжимают и возвращают в трубопровод для природного газа. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу и отвод газа, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом, для повышения и понижения давления между адсорбционными слоями до равной величины ведут через точки адсорбционных слоев, через которые поступает исходная газовая смесь. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу и отвод газа, обогащенного трудно адсорбируемым компонентом, для повышения и понижения давления между адсорбционными слоями до равной величины ведут через точки адсорбционных слоев, через которые отводят газ со стадии адсорбции. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что понижение и повышение давления над адсорбционными слоями до равной величины давления между ними проводят последовательно в три ступени на каждом слое, на первой ступени газ отводят с первой ступени понижения давления и подают его на третью ступень повышения давления, уравнивая давление между слоями, на второй газ с второй ступени понижения давления подают на вторую ступень повышения давления, уравнивая давление между слоями, и на третьей газ с третьей ступени понижения давления подают на первую ступень повышения давления, уравнивая давление между слоями.