СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к области подготовки газов, в частности к подготовке природного и попутного нефтяного газа к дальнейшему транспорту, глубокой очистке газов от влаги, тяжелых углеводородов, различных механических примесей, подготовки природного и попутного нефтяного газа для использования в качестве топлива печей нагрева, котельных, газопоршневых или газотурбинных установок.

Как известно, активность адсорбента возрастает с увеличением концентрации (или парциального давления) адсорбируемого компонента и с понижением температуры процесса, в то время как для процесса десорбции благоприятными условиями являются повышенная температура и понижение общего давления в системе либо парциального давления адсорбированных компонентов (Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Издательство «Химия», М., 1972 г. - 496 с., с.384-387).

Известен способ адсорбционной осушки газа, в котором после адсорбционной осушки газа давление в адсорбере постепенно снижают до атмосферного, проводят глубокое вакуумирование, выдерживают под вакуумом, затем продувают адсорбер сухим газом, продолжая вакуумирование, после чего поднимают давление до давления осушки и охлаждают силикагель не нагретым сухим газом (Патент РФ №2073554 кл. B01D 53/26, 20.02.1997).

Недостатками данного способа адсорбционной осушки газа являются:

- отсутствие предварительного отделения капельной жидкости перед адсорберами, что излишне нагружает адсорбер уже сконденсировавшейся в процессе предварительного транспорта капельной жидкостью и существенно сокращает время эффективной работы адсорбента;

- отсутствие возможности охлаждения адсорбера, находящегося на стадии адсорбции, что снижает адсорбционную емкость адсорбента и таким образом снижает эффективность процесса адсорбции.

Недостатком данного устройства также является использование отдельных нагревателей (в описанном примере используется трубчатая огневая печь) для нагрева сухого газа, используемого одновременно для нагрева и продувки адсорбента, находящегося на стадии регенерации.

Также известен способ комплексной очистки газа и устройство для его осуществления, осуществляющий периодическую очистку газа в одном из адсорберов, с одновременной регенерацией адсорбента в другом адсорбере регенерирующим газом, в качестве которого используют очищенный газ при давлении ниже рабочего давления адсорбции. Давление регенерирующего газа создают вакуум-компрессором с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, тепло сжатия используют для нагрева очищенного газа перед регенерацией, а на выходе из регенерируемого адсорбера регенерирующий газ очищают жидкостью, впрыскиваемой в рабочую полость сжатия вакуум-компрессора, и возвращают в поток газа, подаваемого на очистку (Патент РФ №2241524 кл. B01D 53/04, 53/96, 10.12.2004).

Недостаток вышеуказанного способа и устройства заключается в использовании для нагрева очищенного газа, поступающего на регенерацию, тепла сжатия вакуум-компрессора. Низкий коэффициент теплопроводности газов, не более 0,0361 Вт/(м*К) при 50°С для метана (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г.Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил с.530), потребует большой площади теплообмена для снижения ΔТ между нагреваемым и нагретым газом, что приводит к значительному увеличению металлоемкости установки и ограничению по температуре нагреваемого газа, что в свою очередь увеличивает время проведения регенерации адсорбента. Отрицательным фактором также является отсутствие возможности охлаждения адсорбера, находящегося на стадии адсорбции, что снижает емкость адсорбента и таким образом снижает эффективность процесса адсорбции.

Наиболее близким по техническому устройству к заявляемому изобретению является низкотемпературная установка для очистки и разделения газов, осуществляющая предварительное охлаждение газа в циклично переключаемых регенераторах, последующую его фильтрацию и дальнейшую адсорбцию с охлаждением неадсорбировавшегося газа с помощью холодильной машины - детандера и утилизацией тепла адсорбции в другом адсорбере (Авторское Свидетельство SU №504545 кл. B01D 53/00, 1976).

Недостатком данного устройства и, соответственно, способа является низкая эффективность нагрева адсорбера, находящегося на стадии десорбции, теплом, выделяющимся в процессе адсорбции. Теплота адсорбции очень мала и существенно ограничивает процесс десорбции, так как примерно равна теплоте конденсации (см. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии Скобло А., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А., Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. ~ 677 с.: ил) и ориентировочно составляет в кДж на 1 кг поглощенного газа: для углекислоты 710, метана 1180, этана и этилена 590, пропана 460, газового бензина (М»80) 630 (см. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. Эмирджанов Р.Т. изд. Химия - М.: Москва 1965 г. ст.544), что при соотношении 1 кВт/ч = 3600 кДж представляет собой незначительное количество энергии, что вкупе с низкой плотностью природного и попутного нефтяного газа, колеблющейся в пределах 0,7÷1,4 кг/м³ (в зависимости от углеводородного состава, попутный нефтяной газ тяжелее природного, так как содержит большее количество «жирных» углеводородов), вне зависимости от производительности установки обеспечит незначительный нагрев адсорбента. К тому же с учетом того, что для охлаждения детандера используется весь очищенный газ, по закону сохранения энергии с учетом потерь на теплопередачу и незначительный нагрев адсорбента, температура газа после адсорбера будет ниже или равна температуре газа, поступающего на адсорбцию. Таким образом количество тепла, которое будет вноситься в адсорбер, находящийся на стадии десорбции, будет столь незначительным, что не позволит увеличить эффективность процесса десорбции по сравнению с безнагревным процессом (см. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции. В.Г.Матвейкин, В.А.Погонин, С.Б.Путин, С.А.Скворцов. - М.: «Издательство Машиностроение-1», 2007. - 140 с.).

Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности способа и устройства подготовки газов за счет использования тепла компрессора холодильной машины и холода холодильной машины.

Указанная задача решается тем, что в способе подготовки газов, включающем очистку путем адсорбции в одном из адсорберов с одновременной десорбцией адсорбента в другом адсорбере, с отводом тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер с помощью холодильной машины, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным оборудованием, согласно изобретению отвод тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер осуществляют путем нагрева хладагента холодильной машины, оборудованной компрессором, в теплообменном устройстве, совмещенном с первым адсорбером, с последующим дополнительным нагревом хладагента в компрессоре и последующим отводом тепла в теплообменном устройстве, совмещенном с другим адсорбером, причем в другой адсорбер подают очищенный газ.

Дополнительно осуществляют предварительную очистку газа от капельной жидкости в фильтр-сепараторах в две ступени, с дополнительным охлаждением газа перед второй ступенью.

Десорбцию адсорбента проводят при давлении ниже атмосферного, создаваемом подключением к адсорберу вакуум создающего оборудования.

После завершения десорбции осуществляют переключение процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.

Указанная задача решается также тем, что устройство для подготовки газов, содержащее два параллельно установленных адсорбера, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным оборудованием, первый для адсорбции, а другой для десорбции, холодильную машину, согласно изобретению в качестве холодильной машины установлена холодильная машина, оборудованная компрессором, теплообменное устройство, совмещенное с первым адсорбером, соединено с компрессором, а компрессор - с теплообменным устройством, совмещенным с другим адсорбером, оснащенным линией подачи в него очищенного газа.

Дополнительно устройство содержит в качестве фильтров фильтр-сепараторы для очистки газа от капельной жидкости в две ступени с блоком охлаждения между ступенями.

Адсорбер для десорбции соединен с вакуум создающим оборудованием.

Устройство оснащено задвижками для переключения процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.

Заявляемые технические решения иллюстрируются фигурами 1, 2. Причем фиг.1 касается осуществления способа и устройства по основным пунктам формулы заявляемой группы изобретений - п.1 и п.5 соответственно, а фиг.2 касается их оптимальных вариантов. Здесь:

1 - фильтр-сепаратор предварительной грубой очистки;

2 - фильтр-сепаратор улавливания капельной жидкости;

3 - блок охлаждения внешними источниками холода;

4 - первый адсорбер, совмещенный с теплообменным оборудованием;

5 - второй адсорбер, совмещенный с теплообменным оборудованием;

6 - компрессор холодильной машины;

7 - вакуум создающее оборудование;

8 - дроссель;

9 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с фильтр-сепаратора 1 предварительной грубой очистки;

10 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с фильтр-сепаратора 2 улавливания капельной жидкости;

11 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с вакуум создающего оборудования 7;

12 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества подготовленного газа;

13 - датчик давления;

14 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на блок охлаждения внешними источниками холода 3;

15 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на адсорбционную осушку;

16 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на выход с установки;

17 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 2 на адсорбционную осушку;

18 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 2 на выход с установки;

19 - задвижка с электроприводом на линии подачи газа в адсорбер 4;

20 - задвижка с электроприводом на линии подачи газа в адсорбер 5;

21 - задвижка с электроприводом на линии подготовленного газа после адсорбера 4;

22 - задвижка с электроприводом на линии подготовленного газа после адсорбера 5;

23 - задвижка с электроприводом на линии между адсорбером 5 и вакуум создающим оборудованием 7;

24 - задвижка с электроприводом на линии между адсорбером 4 и вакуум создающим оборудованием 7;

25 - задвижка с электроприводом на линии между компрессором холодильной машины 6 и теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 5;

26 - задвижка с электроприводом на линии между теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 4, и компрессором холодильной машины 6;

27 - задвижка с электроприводом на линии между компрессором холодильной машины 6 и теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 4;

28 - задвижка с электроприводом на линии между теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 5, и компрессором холодильной машины 6;

29 - регулирующий кран, установленный на линии слива уловленной капельной жидкости с фильтр-сепаратора 1;

30 - регулирующий кран, установленный на линии слива уловленной капельной жидкости с фильтр-сепаратора 2;

31 - регулирующий кран для подачи очищенного газа на продувку адсорберов 4, 5;

32 - обратный клапан, закрывающий прямую подачу очищенного газа после адсорбера 4 в адсорбер 5;

33 - обратный клапан, закрывающий прямую подачу очищенного газа после адсорбера 5 в адсорбер 4;

34 - обратный клапан, закрывающий подачу подготовленного газа после фильтр-сепараторов 1 и 2 в адсорберы 4 и 5.

Холодильная машина, таким образом, представлена следующим оборудованием: компрессором - 6; дросселем - 8; задвижками с электроприводом - 25-28; теплообменным оборудованием (устройством), совмещенным с каждым из адсорберов 4, 5.

В отличие от элементов устройства, пронумерованных арабскими цифрами, линии потоков на фиг.1, 2 обозначены римскими цифрами:

I - линия подачи газа на подготовку;

II - линия отвода подготовленного газа;

III - линия отвода адсорбата;

IV - линия отвода уловленной капельной жидкости.

Способ подготовки газов по п.1 заявляемой формулы реализуется, соответственно, устройством по п.5 заявляемой формулы группы изобретений.

Осуществляют очистку газов путем адсорбции в одном из адсорберов 4 с одновременной десорбцией адсорбента в другом адсорбере 5, с отводом тепла адсорбции из первого адсорбера 4 в другой адсорбер 5 путем нагрева хладагента холодильной машины, оборудованной компрессором 6, в теплообменном устройстве, совмещенном с первым адсорбером 4, с последующим дополнительным нагревом хладагента в компрессоре 6 и последующим отводом тепла от нагретого таким образом хладагента в теплообменном устройстве, совмещенном с другим адсорбером 5, причем в другой адсорбер подают очищенный газ.

В оптимальном варианте способ осуществляется следующим образом.

На первой ступени очистки осуществляется удаление механических примесей и капельной жидкости в фильтре-сепараторе 1, на второй ступени охлаждение газа за счет внешних источников холода 3 с отделением выпадающей за счет смещения равновесия капельной жидкости с помощью фильтра-сепаратора 2.

На третей ступени - адсорбционная осушка газа с охлаждением адсорбционного слоя за счет холода, получаемого холодильной машиной; при этом осушка осуществляется в двух адсорберах 4, 5, которые, попеременно переключаясь, находятся: один - в процессе адсорбции, а другой - в процессе десорбции. Тепло и холод, получаемые в процессе работы холодильной машины, передаются с помощью хладагента в соответствующие адсорберы. Холод поступает в адсорбер, находящийся на стадии адсорбции, а тепло подается в адсорбер, находящийся на стадии десорбции. Подбор адсорбента осуществляется в зависимости от свойств и концентрации поглощаемых из исходного газа компонентов. Процесс десорбции проводят при давлении ниже атмосферного, создаваемом с помощью вакуум создающего оборудования 7, при этом количество подаваемого для интенсификации десорбции очищенного газа регулируют по датчику давления 13, установленному на линии перед вакуум создающим оборудованием 7, а продолжительность процесса десорбции - по качеству газа, отбираемого в точке 11 на линии отвода адсорбата.

Устройство, в его оптимальном варианте, работает следующим способом. Исходный газ, содержащий нежелательные примеси (тяжелые углеводороды, капельную жидкость, механические примеси и т.п.), по линии I поступает на предварительную очистку в фильтр-сепаратор 1. В фильтр-сепараторе 1 из исходного газа отделяют капельную жидкость и улавливают механические примеси. Уловленная капельная жидкость по мере накопления автоматически через регулирующий кран 29 сливается в линию IV. Очищенный от капельной жидкости и механических примесей газ выводится из фильтр-сепаратора 1. После фильтр-сепаратора 1 в точке 9 периодически осуществляется контроль качества газа. В случае, если качество газа соответствует установленному требованию, открывается задвижка 16, а задвижки 14, 15 закрываются, и очищенный газ поступает потребителю через линию II.

Если фиксируется отклонение от допустимого параметра качества газа, проводится охлаждение газа для смещения равновесия с целью выделения дополнительного количества примесей в блоке охлаждения 3 за счет использования внешних источников холода; задвижка 15, 16 закрывается, а задвижка 14 открывается, направляя исходный газ в блок охлаждения 3 для снижения температуры. В результате понижения температуры в блоке охлаждения 3 точка росы исходного газа снижается, при этом из газа дополнительно в виде капельной жидкости выделяются нежелательные примеси. Охлажденный газ поступает в фильтр-сепаратор 2, в котором выделившиеся из газа компоненты отделяются, и по мере накопления автоматически через регулирующий кран 30 сливается в линию IV.

После фильтр-сепаратора 2 в точке 10 периодически осуществляется контроль качества газа. В случае, если качество газа соответствует установленному требованию, открывается задвижка 18, а задвижка 17 закрывается, и очищенный газ поступает потребителю через линию II.

В случае, если фиксируется отклонение от допустимого параметра качества газа, задвижка 18 закрывается и открывается задвижка 17, направляя газ на третью ступень очистки.

В случае, если возможность эффективно снизить температуру газа за счет использования внешних источников холода 3 отсутствует, что не позволяет эффективно использовать вторую ступень очистки, задвижки 14, 16, 18 закрываются, а задвижки 15, 17 открываются, направляя газ непосредственно на третью ступень очистки газа.

Очищенный от капельной жидкости газ поступает через открытую задвижку 19 в адсорбер 4, задвижка 20 закрыта. Адсорбер 5 находится на стадии десорбции.

Особенность работы третей ступени очистки газа заключается в использовании холодильной машины, оборудованной компрессором. Рассмотрим работу такой холодильной машины на примере следующей ситуации: адсорбер 4 находится на стадии адсорбции, адсорбер 5 находится на стадии десорбции. В этом случае задвижки 25 и 26 открыты, 27 и 28 закрыты. Сжатый компрессором 6 хладагент поступает через открытую задвижку 25 в теплообменное устройство, совмещенное с адсорбером 5, в котором проходит процесс десорбции. Отдавая тепло сжатия насыщенному адсорбенту, хладагент охлаждается. Далее хладагент проходит дроссель 8, в котором за счет адиабатического расширения его температура снижается, и он поступает в теплообменное устройство, совмещенное с адсорбером 4. Здесь, забирая тепло адсорбции поступающего на адсорбцию газа, хладагент через открытую задвижку 26 вновь поступает на прием компрессора 6.

В случае, когда адсорбер 4 находится на стадии десорбции, а адсорбер 5 на стадии адсорбции, поток хладагента направляется в обратную сторону. Смена направления движения хладагента проводится путем закрытия задвижек 25 и 26 и открытием задвижек 27 и 28.

По мере прохождения газа через слой адсорбента происходит поглощение нежелательных компонентов газа. Подготовленный газ через открытую задвижку 21 и обратный клапан 34 поступает в линию II. Задвижка 22 закрыта. Качество газа периодически контролируют в точке 12.

Для интенсификации и увеличения глубины десорбции поглощенных компонентов процесс проводят при давлении ниже атмосферного. Для получения вакуума установка оснащена вакуум создающим оборудованием 7. В описываемом случае вакуум создающее оборудование 7 работает для снижения давления в адсорбере 5. При этом задвижка 23 открыта, задвижка 24 закрыта. Пониженное давление, а также подвод тепла позволяет интенсифицировать процесс десорбции и значительно повысить качество извлечения поглощенных компонентов. Удаление выделившихся из адсорбента компонентов происходит за счет замещения объема чистым газом, перепускаемым с линии II через регулирующий клапан 31 и обратный клапан 33. Количество перепускаемого газа автоматически поддерживает заданный уровень вакуума в адсорбере 5. Контроль процесса десорбции осуществляется периодически по изменению качества газа в точке 11 на линии III после вакуум создающего оборудования 7 и датчиком давления 13, установленным до вакуум создающего оборудования 7. После того как процесс десорбции в адсорбере 5 проведен и качество газа в линии III соответствует качеству газа в линии II, производится переключение процесса адсорбции и десорбции между адсорберами 4 и 5. Данный процесс проводится следующим образом: отключается вакуум создающее оборудование 7 и закрывается задвижка 23; работа холодильной машины переключается на обратный контур за счет закрытия задвижек 25, 26 и одновременного с этим открытия задвижек 27, 28; открываются задвижки 20 и 22, подключая прошедший регенерацию адсорбер 5 на процесс адсорбции; закрываются задвижки 19 и 21; открывается задвижка 24; запускается вакуум создающее оборудование 7, переводя адсорбер 4 на десорбцию.

Сравнение существенных признаков и технических результатов предложенного и известных технических решений дает основание полагать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процессов адсорбции и десорбции, отказаться от подогрева продувочного газа, за счет использования тепла компрессора холодильной машины. Дальнейшее повышение эффективности подготовки газа возможно за счет использования на второй ступени очистки внешних источников холода.

Группа изобретений может быть использована при подготовке природного и нефтяного газов к транспортировке и дальнейшему использованию, а также для глубокой очистки газов. Устройство для подготовки газов содержит два параллельно установленных адсорбера 4 и 5, совмещенных с теплообменным устройством, холодильную машину, оборудованную компрессором 6, фильтры-сепараторы 1 и 2 для очистки газа от капельной жидкости в две ступени с блоком охлаждения 3 между ними и вакуум создающим оборудованием. Один из адсорберов работает в режиме адсорбции, другой - в режиме десорбции при давлении ниже атмосферного, создаваемом вакуум создающим оборудованием. Теплообменные устройства соединены с компрессором 6 и с линией подачи газа. Тепло и холод, получаемые в процессе работы, холодильной машиной передаются с помощью агента в соответствующие адсорберы. Холод поступает в адсорбер, работающий в режиме адсорбции, а тепло - в адсорбер, работающий в режиме десорбции. Технический результат заключается в повышении эффективности за счет использования тепла и холода и исключении подогрева продувочного газа. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подготовки газов, включающий очистку путем адсорбции в одном из адсорберов с одновременной десорбцией адсорбента в другом адсорбере, с отводом тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер с помощью холодильной машины, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным оборудованием, отличающийся тем, что отвод тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер осуществляют путем нагрева хладагента холодильной машины, оборудованной компрессором, в теплообменном устройстве, совмещенном с первым адсорбером, и последующим отводом тепла в теплообменном устройстве, совмещенном с другим адсорбером, причем в другой адсорбер подают очищенный газ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют предварительную очистку газа в первом фильтр-сепараторе от капельной жидкости и механических примесей, затем охлаждение газа за счет внешних источников холода и отделение капельной жидкости с помощью второго фильтр-сепаратора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что десорбцию адсорбента проводят при давлении ниже атмосферного, создаваемого подключением к адсорберу вакуум создающего оборудования.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после завершения десорбции осуществляют переключение процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.

5. Устройство для подготовки газов, содержащее два параллельно установленных адсорбера, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным устройством, первый - для адсорбции, а другой - для десорбции, холодильную машину, отличающееся тем, что в качестве холодильной машины установлена холодильная машина, оборудованная компрессором, теплообменное устройство, совмещенное с первым адсорбером, соединено с компрессором, а компрессор - с теплообменным устройством, совмещенным с другим адсорбером, оснащенным линией подачи в него очищенного газа.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно содержит в качестве фильтров фильтр-сепараторы для очистки газа от капельной жидкости в две ступени с блоком охлаждения между ступенями.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что адсорбер для десорбции соединен с вакуум создающим оборудованием.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оснащено задвижками для переключения процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.