СПОСОБ СУШКИ ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК B01D53/26 B01D53/14 

Задачей настоящего изобретения является создание возможности простой и экономичной обработки газа, преимущественно газа под высоким давлением, содержащего значительные количества воды, для того чтобы произвести:
сухой газ, содержание воды в котором ниже, например, 10 частей на миллион (млн^-1) моль и который поэтому может быть охлажден до низкой температуры без опасности образования гидратов или льда; уровень содержания воды в сухом газе, который необходимо обеспечить, выбирается в функции температуры, которую требуется достичь при обработке или при последующем использовании газа;
воду, которая может быть удалена для биологической обработки или непосредственно сброшена в дренаж, имеющую незначительное содержание загрязнителей.

Этот способ выгодно отличается от известных и используемых в настоящее время процессов, таких как:
сушка с поглощением воды твердым высушивающим веществом, таким как молекулярные сита, силикагель или активированная окись алюминия (глинозем),
сушка с поглощением воды в жидком высушивающем веществе, улетучиваемость которого слаба при окружающих температурах, таком как триэтиленгликоль (ТЭГ).

Этот способ позволяет получить значительно меньшие содержания воды в обработанных газах, чем получаемые в способах с охлаждением и использованием растворителя, который замедляет образование льда и гидратов, солюбилизируя (растворяя) воду и уменьшая в результате этого ее летучесть.

Известен, например (патент США US-A 4 775 395), способ сушки газа, в соответствии с которым (а) газ вводят в контакт с образованной жидкой фазой воды и растворимого в воде растворителя, такого как метанол, этанол, пиридин или пиперидин, (б) удаляют жидкую водную фазу, (в) собирают газ, который увлекает пары растворителя и воды, (г) охлаждают газ для конденсации растворителя и воды и (д) собирают газ, отделенный от сконденсированных растворителя и воды, и повторно направляют последние на операцию (а). Растворитель может быть более летучим, чем вода, или менее летучим, причем рекомендуется использование растворителей, образующих азеотропные смеси с водой. Добавка водного растворителя производится на этапе (в) в собранный газ перед охлаждением и конденсацией на этапе (г). Эта добавка предназначена для компенсации потерь растворителя за счет увлечения его паров газом, собранным на этапе (д), и за счет его вывода при удалении жидкой фазы этапа (б). Несмотря на использование очень низких температур при указанном охлаждении, содержание воды в газе, собранном на этапе (д), остается значительным.

В настоящем изобретении предлагается способ сушки влажного газа, который содержит следующие операции.

А. Ввод потока указанного влажного, предназначенного для сушки газа в основание одной зоны контакта и фракционной перегонки, которая является вытянутой и вертикальной, и ввод в контакт в противотоке в указанной зоне поднимающегося потока указанного влажного газа с опускающимся потоком жидкости, содержащей воду и органический растворитель, растворимый в воде, в условиях фракционной перегонки образующих опускающегося потока жидкости.

Б. Выгрузка из основания зоны контакта и частичной перегонки обогащенного водой и обедненного указанным органическим растворителем потока жидкости.

В. Выгрузка из верхней части зоны контакта и фракционной перегонки потока высушенного газа, обогащенного парами указанного органического растворителя.

Г. Охлаждение потока высушенного газа этапа (В) для конденсации жидкой фазы и выделения указанной жидкой фазы из указанного высушенного газа.

Д. Повторная подача сконденсированной фазы, отделенной от высушенного газа на этапе (Г), в верхнюю часть зоны контакта этапа (А), для создания по меньшей мере части указанного опускающегося потока жидкости.

Е. Добавка потока жидкости, содержащего воду и органический растворитель, при содержании растворителя в количестве, по меньшей мере равном потерям органического растворителя при выгрузке потоков высушенного газа на этапе (Г) и при выгрузке жидкости из основания на этапе (Б), причем указанный способ отличается тем, что добавочный поток жидкости вводят в промежуточную зону зоны контакта и фракционной перегонки этапа (А), которая является вытянутой и расположенной вертикально, причем указанная промежуточная зона разделяет указанную зону контакта и частичной перегонки на первую зону контакта и частичной перегонки, расположенную в нижней части зоны контакта этапа (А) между зоной ввода потока влажного газа и указанной промежуточной зоной, и вторую зону контакта и частичной перегонки, расположенную в верхней части зоны контакта этапа (А) между указанной промежуточной зоной и зоной повторной подачи на этап (А) сконденсированной жидкой фазы этапа (Д), при этом растворимым в воде органическим растворителем является при условиях протекания процесса более летучий растворитель, чем вода, который не образует азеотропной смеси с водой.

Органическим растворителем добавленного потока жидкости, который действует в качестве высушивающего вещества, может быть, например, метанол, ацетон, а также среди прочего смесь метанола и ацетона, однако для применения в процессе предпочтительным является метанол. Содержание воды в этой жидкости добавки может изменяться в весьма широких пределах: можно, например, использовать в качестве жидкости добавки смесь, в молях, от 0,01 до 90 частей воды на 99,99 - 10 частей растворителя (подсчет по безводному веществу). В качестве практического примера можно указать на смеси 10-70 частей воды с 90-30 частями метанола, в молях. Можно также использовать растворенный в воде метанол, что менее дорогостояще, чем полностью безводный метанол. Имеющийся в наличии промышленный метанол обычно имеет содержание воды около 0,2 моль%. Водные растворы этанола, поступающие при рекуперации метанола промывкой водой углеводородных фракций, имеют содержание воды от 50 до 80 моль%.

Состав сконденсированной фазы, повторно подаваемой на этап (A), зависит от рабочих условий процесса. Обычно речь идет о потоке такого же органического растворителя, который был введен в поток добавки, однако с меньшим содержанием воды, чем в потоке добавки. Это содержание воды задает в определенной степени содержание воды в высушенном газе. Оно находится, например в пределах от 20 до 10000 млн^-1моль, а преимущественно от 50 до 2000 млн^-1моль. Оно определяется среди прочего эффективностью зоны контакта и фракционной перегонки. Эта зона преимущественно содержит по меньшей мере 2 (преимущественно не менее 5) теоретических тарелок в ее нижней части ( ниже зоны ввода добавки высушивающего вещества) и по меньшей мере 2 (преимущественно не менее 5) теоретических тарелок в ее верхней части (выше указанной зоны ввода добавки высушивающего вещества).

Задачей водного потока добавки среди прочего является компенсация потерь органического растворителя, в особенности тех, которые образуются в результате увлечения паров указанного растворителя полученным высушенным газом и увлечения растворителя потоком выгруженной на этапе (Б) жидкости, причем указанный поток образован главным образом водой и следами растворителя. Таким образом, минимальное количество (объем) добавляемого водного потока должно быть достаточным для компенсации указанных потерь органического растворителя. Потеря превратившегося в пар метанола в высушенном газе будет тем меньше, чем более низкой будет выбрана температура конденсации этапа (Г). В приведенных далее примерах указаны значения различных температур конденсации.

Температура и давление при вводе в контакт на этапе (А) выбираются таким образом, что контактные зоны могут функционировать в качестве зон фракционной перегонки, позволяющих собирать в верхней части вытекающий пар, обогащенный органическим растворителем, а в нижней части собирать вытекающую жидкость, обогащенную водой.

В соответствии с предпочтительным видом осуществления изобретения работа производится в вытянутой вертикальной зоне перегонки, причем поток газа впускается в нижнюю часть указанной зоны и пересекает в направлении подъема зону контакта, запитываемую сверху сконденсированной жидкой фазой, а в промежуточной точке - потоком жидкости добавки.

Для получения повышенных расходов процесса обработки и во избежание использования чрезмерно низких температур при конденсации на этапе (Г) работают преимущественно при сверхатмосферном давлении, например, при абсолютном давлении от 2 до 50 бар или выше. В контактных зонах и в их основании температура превышает такую температуру, которая вызывает образование льда или твердых гидратов.

Охлаждение и конденсация этапа (Г) могут осуществляться в зоне охлаждения, за которой следует колба разделения газа и конденсата. Можно также использовать дефлегматор, который экономично реализует две функции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения с целью еще большего уменьшения количества высушивающего органического растворителя, увлеченного полученным высушенным газом, можно произвести дополнительное охлаждение указанного высушенного газа, полученного на этапе (Г), чтобы создать двухфазный поток, который затем разделяется для выработки очищенного высушенного газа и потока собираемого (рекуперируемого) жидкого высушивающего растворителя, который может повторно использоваться в способе, например, вводом на этап (А) в потоке сконденсированной жидкой фазы. При этом не только снижается содержание растворителя, увлекаемого газом, но и дополнительно может снижаться содержание воды в указанном газе.

В качестве варианта упомянутая очистка за счет дополнительного охлаждения может быть осуществлена в дефлегматоре.

Газы, которые могут быть высушены в соответствии с настоящим способом, могут иметь самую различную природу. Однако предпочтительным является отсутствие их реакции с органическим растворителем и водой и отсутствие их избыточного растворения в воде. В качестве примеров таких газов можно указать азот, водород и жидкие или парообразные углеводороды, например от C₁ до C₆, при условии, что они более летучие, чем вода при рабочих условиях протекания процесса, и не образуют азеотропной смеси с водой.

Под влажным газом следует понимать газ, который содержит значительные количества воды в парообразном ее состоянии, например, в количествах от 5 млн^-1 на моль до насыщения, которое зависит от температуры и давления.

Указанные ранее и другие характеристики, детали и преимущества изобретения будут более ясны из последующего описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые даны в качестве примера, иллюстрирующего различные виды осуществления изобретения.

На фиг. 1 показан упрощенный вид осуществления способа в соответствии с изобретением.

На фиг. 2 изображен вид осуществления изобретения, содержащий этап дополнительной сушки и очистки.

На фиг. 3 показан вид осуществления изобретения в соответствии с фиг. 2, в котором дополнительная сушка и очистка выполнены в дефлегматоре.

Как это можно видеть на фиг. 1, влажный газ поступает по линии (под линией следует понимать трубопровод) 1 в колонну C1, проходя, если это необходимо, через обменник E1, который измеряет и регулирует его температуру при помощи устройства контроля (регулятора) температуры TC1. Колонна содержит тарелки или насадку. На фиг. 1 показаны две насадки G1 и G2.

Вытекающий в верхней части пар (линия 3) охлаждается в обменнике E2, температура которого регулируется регулятором температуры TC2. Становящийся двухфазным эфлюент направляется по линии 4 в разделительную колбу B1. Высушенный газ отводится по линии 5.

Конденсат повторно направляется насосом P1 по линии 6 в верхнюю часть колонны C1. Его расход может устанавливаться устройством контроля FC. Добавка органического растворителя производится по линии 7, которая входит в колонну C1 в промежуточной точке, таким образом, что определенное число контактных ступеней в противотоке предусмотрено, с одной стороны, между этой промежуточной точкой и точкой впуска потока конденсата по линии 6 и, с другой стороны, между этой промежуточной точкой и точкой впуска влажного газа по линии 1. Расход по линии 7 может быть увязан с уровнем конденсата в B1 при помощи устройства контроля LC.

На дне колонны C1 собирают сброшенную по линии 2 воду, которая может содержать следы органического растворителя, преимущественно менее 100 млн^-1 , а еще лучше 10 млн^-1 моль.

В показанном на фиг. 2 виде осуществления изобретения высушенный газ подвергается дополнительному охлаждению в обменнике E3, и образовавшийся конденсат направляется по линии 8 в отстойник B2. Очищенный газ, в котором понижено содержание органического растворителя и в случае необходимости воды, отводится по линии 9, в то время как линия 10 позволяет повторно направлять конденсат через насос P2 и обменник E4 в колбу B1. Устройство контроля TC2 может быть связано с трубопроводом 5.

В показанном на фиг. 3 виде осуществления изобретения обменники E3 и E4 и колба B2 заменены дефлегматором E5 с классическим типом функционирования, который нет необходимости описывать здесь более подробно.

Приведенные далее примеры служат для иллюстрации изобретения.

Пример 1. Сушка азота.

Были проведены различные испытания сушки азота с использованием метанола в качестве высушивающего органического растворителя, который не образует азеотропной смеси с водой. Необходим азот под абсолютным давлением 12,5 бар при температуре 50^oC, однако в зависимости от случая температура азота может повышаться или опускаться в обменнике E1 для адаптации к температурам колонны C1, указанным в таблице 1. Азот содержит 9298 млн^-1 на моль воды и поставляется с производительностью 1250 кмоль/ч.

Добавочное высушивающее вещество (линия 7) является смесью 50/50% моль воды и метанола.

Колонна имеет 20 теоретических ступеней в зоне сушки (G2) и 10 теоретических ступеней в зоне очистки (G1).

Экспериментальные условия и результаты указанных испытаний сведены в таблицу 1, из которой следует, что характеристики процесса улучшаются при понижении температуры конденсации:
содержание метанола в сухом газе уменьшается и достигает приблизительно 3000 млн^-1 моль, когда
температура колбы B1 составляет -5^oC;
расход добавки высушивающего вещества падает в той же пропорции;
теплота обмена в обменнике E2 уменьшается, когда
температура колбы B1 ниже 20^oC, при этом нет необходимости нагревать газ в обменнике E1;
расход рефлюкса колонны C1 (линия 6) уменьшается.

Оптимальные условия получают при возможно меньшей температуре B1 с учетом имеющегося в наличии охладителя. В колбе B1 могут использоваться температуры ниже -5^oC, например до -50^oC. Однако температура основания колонны C1 должна быть выше температуры образования льда или гидратов.

Пример 2. Сушка этана.

Работу производят в основном аналогично случаю AZ1-1, описанному в таблице 1, при абсолютном давлении 12,5 бар с этаном, содержащим 9298 млн^-1 на моль воды. В верхней части колонны C1 температура составляет 56^oC, а температура основания колонны C1 составляет 78^oC. Получают высушенный этан (линия 5) с содержанием метанола 28059 млн^-1 на моль и с содержанием воды 1 млн^-1 на моль.

При работе с давлением 25 бар содержаниe метанола и воды в этане равняeтся соответственно 18098 млн^-1 на моль и 1 млн^-1 на моль, что указывает на предпочтительность работы при повышенном давлении.

Если использовать добавку высушивающего вещества, которая содержит 40% на моль воды вместо 50%, то можно получить такой же состав сухого этана при пониженном потреблении тепловой энергии и более низких расходах рефлюкса и добавки.

Пример 3. Сушка газовой смеси.

Были проведены 5 испытаний по сушке газовых смесей с изменяемым содержанием гексана при использовании настоящего способа в его основном варианте, который показан на фиг. 1.

Подлежащий сушке газ образован смесью метана и n-гексана, которая подается при температуре 50^oC и при абсолютном давлении 40 бар. Этот газ содержит 3045 млн^-1 моль воды. Используемым высушивающим веществом является метанол.

Указанный газ высушен перегонкой на установке, в которой колонна C1 оборудована двумя слоями насадки. Насадка высушивания (G2) содержит 7 теоретических ступеней, а насадка удаления высушивающего вещества (G1) содержит 8 теоретических ступеней.

Различные случаи, сведенные в таблицу 2, были изучены для содержаний этанола в диапазоне приблизительно от 0,1 до 0,5%. Температура охлаждения в обменнике E2 составляла 10^oC. Для всех случаев содержание воды в газе было 1 млн^-1 моль, а содержание метанола в отброшенной воде также составляло 1 млн^-1 моль.

Эти результаты также показаны в таблице 2.

Можно констатировать, что требуется больший расход высушивающего вещества, если содержание гексана в газовой смеси увеличивается, так как гексан, растворяясь в высушивающем веществе, снижает его эффективность.

Пример 4. Сушка азота с дополнительной очисткой полученного сухого газа.

Испытания по сушке азота были проведены с использованием способа в его улучшенной версии, которая показана на фиг. 2, при изменении числа теоретических ступеней насадки сушки (G2) колонны C1. Подлежащий сушке газ образован азотом, поступающим при абсолютном давлении 12,5 бар и при температуре 50^oC, насыщенным водой. Используемым высушивающим веществом является метанол.

Указанный газ высушен перегонкой на установке, в которой колонна C1 снабжена двумя слоями насадки. Насадка сушки (G2) содержит от 3 до 30 теоретических ступеней, а насадка высушивающего вещества (G1) содержит 10 теоретических ступеней.

Температура охлаждения в обменнике E2 составляет 10^oC. Во всех случаях содержание метанола в отброшенной воде составляло 1 млн^-1 моль.

Экспериментальные условия и результаты этих испытаний сведены в таблицу 3. Дополнительный этап очистки сухого газа позволяет получить значительные улучшения процесса:
содержание метанола в очищенном газе уменьшено с 7300 до 350 млн^-1 моль;
содержание воды в очищенном газе ниже, чем в сухом газе;
в колонне перегонки требуется меньше теоретических ступеней переноса.

Изобретение предназначено для сушки газа. Способ осуществляют путем введения в основание вертикально вытянутой зоны контакта и фракционной перегонки потока газа, предназначенного для сушки. Поток поднимающегося влажного газа вводят в контакт в противотоке с опускающимся потоком жидкости, содержащим воду и растворимый в воде органический растворитель. Из основания зоны контакта и фракционной перегонки выгружают поток жидкости, обогащенный водой и обедненный органическим растворителем. Из верхней части зоны контакта и фракционной перегонки выгружают поток высушенного газа, обогащенного парами органического растворителя. Охлаждают поток высушенного газа для конденсации жидкой фазы и ее выделения из высушенного газа. Повторно подают сконденсированную фазу в верхнюю часть зоны контакта для создания по меньшей мере части опускающегося потока. Добавляют поток жидкости, содержащий воду и органический растворитель, при содержании растворителя в количестве, по меньшей мере равном потерям органического растворителя при выгрузке потоков высушенного газа и при выгрузке жидкости из основания в промежуточную зону, разделяющую зону контакта и фракционной перегонки на первую зону контакта и фракционной перегонки, расположенную в нижней части зоны контакта между зоной ввода потока влажного газа и промежуточной зоной, и вторую зону контакта и фракционной перегонки, расположенную в верхней части зоны контакта и фракционной перегонки между промежуточной зоной и зоной повторной подачи сконденсированной жидкой фазы. При этом растворимым в воде органическим растворителем является более летучий, чем вода, растворитель, не образующий азеотропной смеси с водой. Способ позволяет повысить степень сушки газа. 9 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

1. Способ сушки влажного газа, отличающийся тем, что в основание вертикально вытянутой зоны контакта и фракционной перегонки вводят поток газа, предназначенный для сушки, поток поднимающегося влажного газа вводят в контакт в противотоке с опускающимся потоком жидкости, содержащим воду и растворимый в воде органический растворитель, выгружают из основания зоны контакта и фракционной перегонки поток жидкости, обогащенный водой и обедненный органическим растворителем, выгружают из верхней части зоны контакта и фракционной перегонки поток высушенного газа, обогащенного парами органического растворителя, охлаждают поток высушенного газа для конденсации жидкой фазы и ее выделения из высушенного газа, повторно подают сконденсированную фазу в верхнюю часть зоны контакта для создания по меньшей мере части опускающегося потока, добавляют поток жидкости, содержащий воду и органический растворитель, при содержании растворителя в количестве, по меньшей мере равном потерям органического растворителя при выгрузке потоков высушенного газа и при выгрузке жидкости из основания в промежуточную зону, разделяющую зону контакта и фракционной перегонки на первую зону контакта и фракционной перегонки, расположенную в нижней части зоны контакта между зоной ввода потока влажного газа и промежуточной зоной, и вторую зону контакта и фракционной перегонки, расположенную в верхней части зоны контакта и фракционной перегонки между промежуточной зоной и зоной повторной подачи сконденсированной жидкой фазы, при этом растворимым в воде органическим растворителем является более летучий, чем вода, растворитель, не образующий азеотропной смеси с водой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что органическим растворителем является метанол. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что добавка потока жидкости содержит от 0,01 до 90 молей воды и 99,99 - 10 молей органического растворителя. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что добавка жидкости содержит от 10 до 70 молей воды и 90 - 30 молей органического растворителя. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая из первой и второй зон контакта и фракционной перегонки обладает эффективностью, соответствующей по меньшей мере 2 теоретическим тарелкам. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая из первой и второй зон контакта и фракционной перегонки обладает эффективностью, соответствующей по меньшей мере 5 теоретическим тарелкам. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что сконденсированная фаза, вновь направляемая в верхнюю часть зоны контакта, содержит от 50 до 2000 млн^-1 молей воды, а компенсацию потерь осуществляют органическим растворителем. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подлежащий сушке влажный газ образован одним или несколькими углеводородами от С₁ до С₆. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток жидкости, выгружаемой из основания зоны контакта и фракционной перегонки, имеет содержание органического растворителя менее 100 млн^-1 молей. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что поток жидкости, выгружаемой из основания зоны контакта и фракционной перегонки, имеет содержание органического растворителя менее 10 млн^-1 молей.