СПОСОБ ДЕГИДРАТАЦИИ ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО CO Российский патент 2014 года по МПК F25J3/02 F25J3/08 

Настоящее изобретение может быть использовано в установках, предназначенных для дегидратации газов, содержащих углекислый газ.

Известен способ дегидратации углекислого газа (см. патент СА 325811, 1932), в котором газ сжимается последовательно в двух компрессорах, после каждого компрессора газ охлаждают в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) и направляют в трап, в котором из газа удаляют сконденсировавшуюся влагу. Газ из трапа далее поступает в адсорбер, где за счет процесса поглощения паров воды адсорбентами происходит окончательная дегидратация углекислого газа.

Недостатком данного способа являются большие габариты установок, реализующих этот способ, обусловленные наличием адсорберов, а также необходимость подвода энергии при регенерации адсорбента.

Ближайшим аналогом является способ дегидратации высоконапорного газа (JP 63074908, 1988), обогащенного углекислым газом, в котором газ, содержащий СО₂, охлаждается при помощи аппарата АВО, охлажденный газ расширяется в дроссельном клапане или турбине. Вода, образовавшаяся после расширения, отделяется от газа в сепараторе, газ из сепаратора сжимается в компрессоре, охлаждается с помощью АВО и направляется к потребителю газа.

Существенным недостатком описанного способа является невозможность обеспечения глубокой дегидратации газа, из-за невозможности обеспечения низких температур газа в процессе его расширения.

Целью технического решения по настоящему изобретению является обеспечение высокой степени дегидратации газа, содержащего СО₂, путем охлаждения газа до низких температур, при которых происходит образование жидкого СО₂ с растворенной в нем водой.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе дегидратации газа, содержащего СО₂, основанном на получении двухфазной смеси при ее расширении и выделении из смеси жидкой фазы в сепараторе, согласно изобретению, сырой газ охлаждают, подмешивая к нему жидкий СО₂ с растворенной в нем водой, полученную смесь разделяют на газовую фазу и жидкую фазу, содержащую воду, газовую фазу расширяют с получением жидкости, содержащей жидкий СО₂ и воду, жидкость частично или полностью направляют на смешение с сырым газом, при этом расширение проводят до температуры ниже температуры гидратообразования.

В процессе расширения газ могут пропускать через дроссельный клапан или турбодетандер.

В случае расширения газа в турбодетандере осушенный или сырой газ можно сжимать в компрессоре, установленном на одном валу с турбодетандером.

Газ могут расширять также во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора или в канале вихревой трубы.

Процесс расширения можно проводить, по крайней мере, в две стадии, причем в одной из стадий расширение проводится в циклонном сепараторе и/или в дроссельном клапане.

Двухфазную смесь, полученную после расширения, можно сепарировать на осушенный газ и двухфазный поток, из которого выделять жидкость в дополнительном сепараторе, газ из дополнительного сепаратора сжимать, охлаждать и смешивать с сырым газом.

Газ и/или смесь, образовавшуюся после смешения газа с жидкостью, содержащей воду, можно охлаждать.

На Фиг.1 представлена принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа низкотемпературной дегидратации газа, содержащего СО₂.

Установка работает следующим образом.

Сырой газ 1, содержащий СО₂, охлаждают, подмешивая к нему поток 2, содержащей жидкий СО₂ и воду, полученную смесь 3 разделяют в сепараторе 4 на газовую фазу 5 и жидкую фазу 6, содержащую воду. Жидкая фаза 6 может содержать воду в свободном виде, в растворенном виде, и в виде гидратов. Газовую фазу 5 расширяют в дроссельном клапане 7 с получением двухфазной смеси 8, из которой в сепараторе 9 отделяют жидкость 10, содержащую жидкий СО₂ и воду. При помощи насоса 11 эту жидкость или ее часть направляют на смешение с сырым газом 1. Осушенный газ 12 подвергают при необходимости, дальнейшей обработке, или сразу направляют к потребителю газа. Расширение газа в дроссельном клапане 7 проводят до температуры ниже температуры гидратообразования.

Для определения температуры гидратообразования в потоке после дросселя используют широко известные программные комплексы, такие как HYSYS и.т.п. Условие достижения температуры потока ниже температуры гидратообразования обеспечивается посредством выбора достаточной степени расширения газа.

В описанной установке дегидратация газа осуществляется за счет охлаждения газа при расширении его в дроссельном клапане 7, при этом образующуюся жидкость 10, содержащую жидкий СО₂ и воду, направляют в сырой газ 1. Воду отделяют из жидкой фазы, образовавшейся после смешения сырого газа 1 и потока 2, содержащего жидкий СО₂ и воду. Следует отметить, что за счет смешения сырого газа 1 с потоком 2, содержащем жидкий СО₂ и воду, газ сильно охлаждается за счет испарения жидкого СО₂.

Расширение газа до температуры ниже температуры гидратообразования позволяет увеличить эффективность процесса дегидратации газа. При этом образующиеся в процессе расширения кристаллогидраты растворяются в жидком СО₂, образующемся при расширении.

В некоторых случаях, когда в потоке есть свободная вода и температура смеси 3 ниже температуры гидратообразования, в сепараторе 4 сепарируют гидраты воды, которые разрушают путем их нагрева, или путем впрыска ингибиторов гидратообразования (метанола, гликоля, и.т.п.).

Для увеличения степени дегидратации газа, можно осуществлять более сильное захолаживание газа при помощи турбодетандера. Турбодетандер 13 можно устанавливать вместо дроссельного клапана, при этом компрессор 14, установленный на одном валу с турбодетандером, можно установить либо в осушенном газе, либо в сыром газе (см. Фиг.2 и 3).

На Фиг.2 компрессор 14 установлен в осушенном газе.

На Фиг.3 компрессор 14 установлен в сыром газе. Для снижения температуры сырого газа после компрессора 14 целесообразно устанавливать аппарат воздушного охлаждения 15.

Расчетные параметры основных потоков в установке, приведенной на Фиг.2, показаны в таблице 1.

В рассматриваемом случае сырой газ состоит в основном из углекислого газа. Входное давление сырого газа равно 60 атм., температура 40°С. Выходное давление осушенного газа равно 30 атм.

Предлагаемый способ можно использовать также для дегидратации газов содержащих кроме СО₂ углеводородные газы, такие как метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д, а также сероводород. В этом случае установка дегидратации, выполненная по данному способу, может быть частью комплекса извлечения из газа СО₂.

В некоторых случаях для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат вместо турбодетандера может быть установлен циклонный сепаратор или вихревая труба. В этих случаях за счет достижения в процессе расширения газа в канале циклонного сепаратора или вихревой трубы более низких давлений, чем на выходе из этих устройств, удается достичь более низких температур газа, и соответственно увеличить эффективность процесса дегидратации газа.

Один из возможных примеров установки циклонного сепаратора или вихревой трубы показан на Фиг.4. Позиция 16 обозначает циклонный сепаратор или вихревую трубу.

В некоторых случаях в вихревой трубе или циклонном сепараторе качественно отсепарировать газовый поток от жидкости не представляется возможным. Тогда двухфазную смесь 8; вытекающую из циклонного сепаратора или вихревой трубы, направляют в сепаратор 9, где газ отделяют от жидкости 10, направляемой на смешение с сырым газом 1, а газ смешивают с потоком 17 осушенного газа из циклонного сепаратора (см. Фиг.5).

Для обеспечения возможности управления параметрами работы установки в широком диапазоне параметров, расширение может проводиться, по крайней мере, в две стадии, причем в одной из стадий расширение проводится в циклонном сепараторе и/или в дроссельном клапане.

Один из вариантов реализации установки с двухступенчатым расширением газа показан на Фиг.6. В этом варианте газ сначала расширяется в турбодетандере 13, а затем в канале циклонного сепаратора (или вихревой трубы) 16.

Двухфазную смесь, полученную после расширения, можно сепарировать на осушенный газ и двухфазный поток, из которого выделять жидкость в дополнительном сепараторе, газ из дополнительного сепаратора можно сжимать, охлаждать и смешивать с сырым газом. На Фиг.7 показан пример реализации такого способа. После расширения газа в турбодетандере 13 газ расширяется дополнительно в канале циклонного сепаратора (или вихревой трубы) 16. Перед подачей газа в циклонный сепаратор (или вихревую трубу) в сепараторе 18 от газа отделяется конденсат 19. Двухфазный поток из циклонного сепаратора (вихревой трубы) вместе с продуктами дросселирования конденсата 19 направляется в сепаратор 9, Жидкость из этого сепаратора направляют в сырой газ, а газ сжимают в компрессоре 14, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения 15 и смешивают с сырым газом. Полученную смесь охлаждают в рекуперативном теплообменнике 20 за счет нагрева осушенного газа, поступающего из циклонного сепаратора (или вихревой трубы).

Для более сильного охлаждения газа, и соответственно понижения точки росы по воде осушенного газа, сырой газ, и/или смесь, образовавшуюся после смешения сырого газа с жидкостью, содержащей воду в растворенном виде, можно охладить.

На Фиг.8 показан пример реализации такого охлаждения. Сырой газ в данном варианте охлаждают последовательно в аппарате воздушного охлаждения 15 и рекуперативном теплообменнике 20, в котором в качестве хладоагента используют газ, полученный при смешении потока осушенного газа из циклонного сепаратора с потоком осушенного газа из дополнительного сепаратора 9.

Во всех приведенных вариантах реализации предлагаемого способа предполагается возможность добавления жидкости, содержащей свободную воду, в сырой газ до его расширения, при этом эта жидкость может быть дополнительно охлаждена.

Примеры реализации способа по пунктам 1-9 формулы изобретения приводятся на Фиг.1-8.

На Фиг.1 показана схема установки, реализующей заявленный способ по п.1 формулы, в соответствии с п.2 формулы расширение газа осуществляется в клапане Джоуля-Томсона.

На Фиг.2 - схема установки, в которой расширение газа осуществляется в турбодетандере 13, в компрессоре 14, установленном на одном валу с турбодетандером, осуществляется сжатие осушенного газа.

НаФиг.3 - схема установки по п.4 формулы изобретения, в которой в компрессоре 14, установленном на одном валу с турбодетандером 13 сжимают сырой газ 1, после сжатия газ охлаждают в аппарате воздушного охлаждения (АВО) 15.

На Фиг.4 - схема установки, в которой реализуется способ по п.5, 6, в которой расширение газа осуществляется в циклонном сепараторе 16 (или вихревой трубе).

НаФиг.5 - схема реализации способа по п.5, 6, в которой двухфазный поток, истекающий из циклонного сепаратора (или вихревой трубы) направляют в дополнительный сепаратор 9, где происходит сепарация жидкости 10, направляемой на смешение с сырым газом..

На Фиг.6 - схема реализации способа по п.7 с двухступенчатым расширением газа: сначала в турбодетандере 13, потом в циклонном сепараторе 16.

НаФиг.7 - схема реализации способа по п.8, в которой из потока смеси после турбодетандера 13 в сепараторе 18 сепарируется конденсат 19, который дросселируется и вместе с двухфазной смесью 8 из циклонного сепаратора 16 (или вихревой трубы) направляется в дополнительный сепаратор 9. Газ из сепаратора 9 сжимается в компрессоре 14, охлаждается в АВО 15 и смешивается с сырым газом 1, а осушенный газ 17 из циклонного сепаратора нагревается в теплообменнике 20 за счет охлаждения сырого газа и отправляется потребителю.

На Фиг.8 - схема реализации способа по п.9, в которой газ охлаждают сначала в АВО 15, а затем охлаждают в теплообменнике 20 за счет нагрева газа, полученного при смешении потока 17 осушенного газа из циклонного сепаратора с потоком осушенного газа из дополнительного сепаратора 9.

Таблица 1   1 2 3 5 6 8 10 12 Температура, С 40,00 -27,86 15,46 15,46 15,46 -30,23 -30,23 31,52 Давление(кРа) 5066,25 5066,25 5066,25 5066,25 5066,25 1400,00 1400,00 2985,85 Расход (kg/h) 300410 52937 353347 337894 15453 337894 52930 284965 Расход растворенной воды (kg/h) 410 159 325 160 165 160 159 1 Расход свободной воды (kg/h) 0 0 244 0 244 0 0 0 Содержание CO2, в мольных долях 0,9768 0,9921 0,9791 0,9811 0,9350 0,9811 0,9921 0,9791 Содержание N2, в мольных долях 0,0199 0,0006 0,0170 0,0177 0,0028 0,0177 0,0006 0,0209 Содержание Н20, в мольных долях 0,0033 0,0073 0,0039 0,0011 0,0622 0,0011 0,0073 0,0000* - значение 0.0000 в содержание Н20 указывает на то, что доля Н20 меньше чем 0.0001

Изобретение может быть использовано в установках, предназначенных для дегидратации газов, содержащих углекислый газ. Способ дегидратации газа, содержащего CO₂, основан на получении двухфазной смеси при ее расширении и выделении из смеси жидкой фазы в сепараторе. Сырой газ охлаждают, подмешивая к нему жидкий CO₂ с растворенной в нем водой, полученную смесь разделяют на газовую фазу и жидкую фазу, содержащую воду, газовую фазу расширяют с получением жидкости, содержащей жидкий CO₂ и воду, жидкость частично или полностью направляют на смешение с сырым газом, при этом расширение проводят до температуры ниже температуры гидратообразования. Техническим результатом является обеспечение глубокой степени дегидратации газа. 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ дегидратации газа, содержащего СО₂, основанный на получении двухфазной смеси при расширении газа и выделении из смеси жидкой фазы в сепараторе, отличающийся тем, что сырой газ охлаждают, подмешивая к нему жидкий СО₂ с растворенной в нем водой, полученную смесь разделяют на газовую фазу и жидкую фазу, содержащую воду, газовую фазу расширяют с получением жидкости, содержащей жидкий СО₂ и воду, жидкость частично или полностью направляют на смешение с сырым газом, при этом расширение проводят до температуры ниже температуры гидратообразования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе расширения газ пропускают через дроссельный клапан.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе расширения газ пропускают через турбодетандер.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что осушенный или сырой газ сжимают в компрессоре, установленном на одном валу с турбодетандером.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ расширяют во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ расширяют во вращающемся потоке в канале вихревой трубы.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что процесс расширения проводят, по крайней мере, в две стадии, причем в одной из стадий расширение проводится в циклонном сепараторе и/или в дроссельном клапане.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухфазную смесь, полученную после расширения, сепарируют на осушенный газ и двухфазный поток, из которого выделяют жидкость в дополнительном сепараторе, газ из дополнительного сепаратора сжимают, охлаждают и смешивают с сырым газом.

9. Способ по п.1 или 8, отличающийся тем, что газ и/или смесь, образовавшуюся после смешения газа с жидкостью, содержащей воду, охлаждают.