СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА И РЕГЕНЕРАЦИИ ОДНОГО ИЛИ БОЛЬШЕГО ЧИСЛА АДСОРБЕРОВ Российский патент 2014 года по МПК B01D53/04 B01D53/02 B01D53/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Предложенный способ относится к очистке природного газа с помощью одного или большего числа адсорберов и к регенерации адсорберов.

Уровень техники

Природный газ, который может быть получен из источников, находящихся на некотором расстоянии от берега, может быть очищен с помощью адсорбции с использованием молекулярного сита. Обычно используют регенерацию по открытому контуру из-за желания адсорбировать более чем одну загрязняющую примесь, такую как диоксид углерода. Использование регенерации с замкнутым контуром циркуляции может быть нежелательным, если присутствуют другие примеси, такие как вода, из-за избыточного числа промывок, которые обычно необходимы для удаления этих примесей в контуре регенерации. Хотя регенерация с замкнутым контуром была предложена при осуществлении стадии нагревания в процессе регенерации адсорбера, такие системы с замкнутым контуром могут быть неэффективными для обеспечения достаточной гибкости при изменении уровня содержания примесей в природном газе. Обычно требуется удалять воду и/или диоксид углерода из природного газа до таких уровней, при которых в процессе последующей обработки, такой как сжижение не образуется твердая фаза и/или гидраты.

Раскрытие изобретения

Одним примером воплощения может быть способ очистки природного газа с помощью первого и второго адсорберов. Способ может включать пропускание сырья, содержащего природный газ, через первый адсорбер для получения продукта, содержащего очищенный природный газ, регенерацию второго адсорбера на стадии нагревания, и регенерацию второго адсорбера на стадии охлаждения. Стадия нагревания может включать отделение части сырья, содержащегося в газе регенерации, подачу газа регенерации в осушитель для удаления воды, нагревание газа регенерации с помощью нагревателя после его выхода из осушителя и подачу газа регенерации во второй адсорбер для регенерации второго адсорбера. При начале процесса охлаждения стадия охлаждения может включать подачу, по меньшей мере, части текучей среды, находящейся во втором адсорбере, в осушитель для десорбирования воды из адсорбента, находящегося в осушителе, и охлаждение второго адсорбера за счет циркуляции газа регенерации, байпасирующего нагреватель.

Другим примером воплощения может быть способ регенерации со стадией нагревания и стадией охлаждения адсорбера, очищающего поток природного газа. Способ может включать регенерацию, осуществляемую на стадии нагревания и на стадии охлаждения. Стадия нагревания может включать подачу газа регенерации, содержащего сырье, включающее природный газ, в осушитель для удаления из него воды, подачу осушенного газа регенерации в нагреватель, и подачу нагретого газа регенерации в регенерируемый адсорбер. Стадия охлаждения может включать подачу газа регенерации в начале охлаждения из адсорбера обратно в осушитель во время проведения регенерации для регенерации осушителя.

Еще одним примером воплощения может быть способ двухстадийной регенерации адсорбера для удаления одного или большего числа компонентов из природного газа. Способ может включать нагревание адсорбера с помощью газа регенерации, содержащего сырье, включающее природный газ, проходящего в первом направлении, и охлаждение адсорбера газом регенерации, протекающем в другом направлении. Обычно исходную текучую среду, находящуюся в адсорбере в начале охлаждения, направляют в осушитель для регенерации размещенного в нем молекулярного сита.

Описанные здесь воплощения используют осушитель для удаления воды во время стадии нагревания при регенерации адсорбера. При проведении стадии нагревания вещества или компоненты, такие как диоксид углерода, вода и/или сероводород, могут быть десорбированы из адсорбера. Помимо того, осушитель может быть, в свою очередь, регенерирован при проведении стадии охлаждения процесса регенерации за счет использования текучей среды, находящейся в адсорбере в начале охлаждения. Как таковая регенерация, осуществляемая в замкнутом контуре, может быть использована для минимизации потерь продукта и/или сырья, включающего природный газ, используемого в качестве газа регенерации. Регенерация в замкнутом контуре может также минимизировать потери энергии за счет уменьшения количества подпиточного газа, который во время регенерации необходимо сжимать.

Определения

Используемый здесь термин «поток» может включать молекулы различных углеводородов, таких как неразветвленные, разветвленные или циклические алканы, алкены, алкадиены и алкины и, по усмотрению, другие вещества, такие как газ, например, водород, или примеси, такие как тяжелые металлы и соединения серы и азота. Поток может также включать ароматические и неароматические углеводороды. Помимо этого, молекулы углеводородов могут быть сокращенно обозначены как C1, C2, C3…Cn, где «n» представляет собой число атомов углерода в одной или большем количестве молекул углеводородов. Кроме того, в сокращенной записи одного или более обозначений углеводородов могут быть использованы верхние индексы «+» или «-», например, обозначения С3⁺ или С3^- которые представляют собой сокращенное обозначение одного или более углеводородов. В качестве примера, сокращенная запись «С3⁺» означает одну или большее число молекул углеводорода, содержащую три атома углерода и/или более.

Используемый здесь термин «зона» может относиться к некоторой области, содержащей одну или большее число единиц оборудования и/или одну и/или более субзон (подзон). Единицы оборудования могут включать один или большее число реакторов, нагревателей, теплообменников, трубопроводов, насосов, компрессоров и регуляторов. Кроме того, единица оборудования, например, реактор, осушитель, или резервуар также может содержать одну или большее число зон или подзон.

Используемый здесь термин «богатый» может означать содержание в потоке, по меньшей мере, 50 мол.%, предпочтительно 70 мол.% соединения или класса соединений.

Используемый здесь термин «по существу» может означать содержание в потоке, по меньшей мере, 80 мол.%, предпочтительно 90 мол.% и оптимально 99 мол.% соединения или класса соединений.

Используемые здесь термины «адсорбент» и «адсорбер» включают в себя, соответственно, абсорбент и абсорбер, и относятся к таким процессам, как абсорбция и/или адсорбция, но не ограничивается ими.

Используемый здесь термин «газ» может включать один (одну) или большее число газов, жидкостей и/или твердых частиц в виде суспензии, такой как аэрозоль.

Используемый здесь термин «продукт, содержащий очищенный природный газ» может относиться к природному газу, который прошел через адсорбер для удаления, например, диоксида углерода и/или воды, и содержит продукт, включающий природный газ, который подвергают последующей обработке, такой как фильтрация твердых частиц.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена принципиальная схема примера воплощения установки.

Осуществление изобретения

Представленная на фиг.1 в качестве примера установка 10 для очистки природного газа может содержать фильтр 20, ряд фильтров 40, ряд осушителей 70 и ряд адсорберов 120, охладитель 170, газожидкостный сепаратор 180, компрессор 220, другой компрессор 260, другой охладитель 280 и другой газожидкостный сепаратор 290. Вообще, по меньшей мере, некоторые из указанных единиц оборудования могут быть включены в регенерационный контур 60 нагревания, служащий для осуществления стадии нагревания, и в регенерационный контур 250 охлаждения, служащий для осуществления стадии охлаждения при регенерации. Хотя установка 10 может содержать два осушителя, а именно, первый осушитель 80 и второй осушитель 90, и содержать три адсорбера, а именно, первый адсорбер 130, второй адсорбер 140 и третий адсорбер 150, могут быть использованы дополнительные осушители и/или адсорберы. Вообще, в каждом адсорбере 130, 140 и 150 осуществляются три стадии, а именно, стадия адсорбции, и стадии нагревания и охлаждения при регенерации. Показанные на фигуре линии технологической схемы могут относиться, в равной степени, например, к трубопроводным линиям, трубопроводам, потокам, продуктам, долям или частям.

Природный газ может быть использован в установке 10 в качестве сырья 12. Обычно сырье 12 может содержать один или большее число углеводородов C1-C6, предпочтительно один или более углеводородов C1-C2. Вообще природный газ содержит один или большее число углеводородов C1 и C2, таких как метан и этан в количестве, по меньшей мере, 70 мол.%, и предпочтительно, по меньшей мере, 90 мол.%, оптимально 95 мол.% метана. В дополнение к углеводородам, природный газ может содержать азот, диоксид углерода и воду. Природный газ может содержать азот в количестве не более 3 мол.%, предпочтительно не более 2 мол.%, диоксид углерода с содержанием не более 2 мол.%, предпочтительно не более 1,0 мол.%, более предпочтительно не более 0,5 мол.% и оптимально не более 0,2 мол.%, исходя из количества молей природного газа; и не более 7500 ppm, предпочтительно не более 500 ppm (в объемных долях) воды, исходя из объема природного газа. Природный газ может быть получен из природных источников, таких как одна или большее количество скважин, или из искусственных источников, таких как одна или большее число установок для газификации или из полигонов для захоронения отходов.

Обычно исходное сырье 12 может находиться при температуре в интервале от 10 ДО 70°С, предпочтительно от 10 до 40°С, и давлении в интервале от 600 до 1200 кПа, предпочтительно от 600 до 6000 кПа. Предпочтительно давление исходного сырья в установке 12 может быть относительно постоянным.

Сырье 12 может быть направлено к фильтру 20, которым в этом примере воплощения может быть коагулятор 20 (фильтр с коалесцирующими фильтрующими элементами). Коагулятор 20 может удалять жидкую фракцию из сырья 12, которое может находиться в газообразном состоянии. Вообще, жидкая фракция выходит из коагулятора 20 в виде потока 22 конденсата. Остальная часть сырья 12 может поступать в трубопровод 24 и некоторая часть, обычно существенная часть, может быть через трубопровод 26 направлена в третий адсорбер 150 ряда адсорберов 120, а другая часть может быть направлена в трубопровод 14 так, как это будет описано ниже. Третий адсорбер 150 может удалять из подаваемого в него сырья воду и диоксид углерода.

Ряд адсорберов 120, например, третий адсорбер 150, может содержать любой подходящий адсорбент или некоторую комбинацию адсорбентов с тем, чтобы обеспечить требуемую селективность для воды и диоксида углерода. Подходящие адсорбенты могут включать одно или большее число кристаллических молекулярных сит, описанных, например, в патентном документе US 5089034. Молекулярные сита включают, например, кремнийалюмофосфаты и алюмофосфаты, описанные, например, в US 4440871 и US 4310440.

Цеолиты, которые могут быть использованы в качестве адсорбентов, включают шабазит, называемый также цеолитом D, клиноптилолит, эриоцит, фожазит, называемые также цеолитом X и цеолитом Y, феррьерит, морденит, цеолит A и цеолит P. Другими подходящими для использования цеолитами могут быть цеолиты из числа имеющих высокое содержание кремния, т.е. имеющих отношение содержания кремния к содержанию алюминия более 10. Примеры цеолитов приведены, например, в патентных документах US 4061724, US 4073865, US 4775396 и US 4935580.

Во многих случаях желательно агломерировать кристаллическое молекулярное сито связующим. Примеры таких связующих могут включать один или большее число оксидов металла, глины, диоксиды кремния, оксиды алюминия, оксиды кремния - оксиды алюминия, оксиды кремния - оксиды циркония, оксиды кремния - оксиды тория, оксиды кремния - оксиды бериллия, оксиды кремния - оксиды титана, оксиды кремния - оксиды алюминия - оксиды тория, оксиды кремния - оксиды алюминия - оксиды циркония и смеси указанных веществ. Глинистое связующее вещество может быть предпочтительным. Примеры глинистых связующих могут включать аттапульгит, каолин, волклей, сепиолит, полигорскит, каолинит, бентонит, монтмориллонит, иллит и хлорит.

Третий адсорбер 150 может функционировать при любых подходящих температуре и давлении, указанных выше. Температура в процессе адсорбции может находиться в интервале от 0 до 70°C, предпочтительно от 15 до 50°C. Вообще, температура адсорбции превышает точку конденсации углеводорода или температуру образования гидратов. Обычно сырьевой газ проходит через третий адсорбер 150 в режиме нисходящего течения.

Продукт, содержащий очищенный природный газ, может выходить из адсорбера по трубопроводу 28. Трубопровод 28 может быть разветвлен на трубопроводные ветви 30 и 32, и продукт, содержащий очищенный природный газ, может проходить в ряд фильтров 40, включающих первый фильтр 42 и второй фильтр 44, служащие для удаления одной или большего количества твердых частиц, диаметр которых превышает, например, 10 микрон, из продукта, содержащего очищенный природный газ. Фильтрованный газ может выходить через трубопроводы 46 и 48 из соответствующих фильтров 42 и 44 и может быть объединен в трубопроводе 50. В другом примере воплощения фильтры 42 и 44 могут работать попеременно таким образом, что один фильтр удаляет твердые частицы, в то время как другой фильтр выключен из работы. Некоторая часть потока может быть отведена по трубопроводу 52, как это описано ниже, а другая часть потока может быть отведена в качестве продукта по трубопроводу 54. Полученный газ может в результате находиться при подходящих параметрах для последующих процессов обработки, таких как сжижение.

Часть фильтрованного газа, отведенная по трубопроводу 52 в «А», посредством трубопровода 56 может быть объединена с рециркуляционным газом, используемым при регенерации, подаваемым из трубопровода 224. Газ, проходящий через трубопровод 14, и объединенные потоки газов в трубопроводе 56 могут быть направлены в контур 60 нагревания для использования при регенерации одного или большего числа адсорберов. Таким образом, газ регенерации может включать продукт, содержащий очищенный природный газ, поступающий из трубопровода 52, объединенный с рециркуляционным газом регенерации, проходящим по трубопроводу 224, и с частью сырьевого газа, транспортируемого по трубопроводу 14. Газ регенерации может содержать, по меньшей мере, 70 мол.%, по меньшей мере, одного вещества, выбранного из метана и этана. Газ регенерации может содержать, по меньшей мере, 95 мол.% метана. Газ регенерации может содержать не более 2 мол.% диоксида углерода. В частности, регенерация может осуществляться в регенерационном контуре 60 нагревания и в регенерационном контуре 250 охлаждения. Соответственно, газ регенерации может быть объединен в трубопроводе 58 и направлен в первый осушитель 80 ряда осушителей 70. Каждый осушитель 80 и 90 может, независимо один от другого, содержать адсорбент, такой как молекулярное сито, как это было указано выше в отношении ряда адсорберов 120. Первый осушитель 80 может удалять воду из объединенного потока газа с получением газа, подходящего для регенерации. Вообще, первый осушитель 80 может уменьшить количество воды до не более чем 10 ppm (в объемных долях), предпочтительно до 0,1 ppm (в объемных долях), исходя из объема газа, отводимого из осушителя через трубопровод 82. После осушки газ может выходить из первого осушителя 80 и поступать в трубопровод 82.

Газ регенерации, транспортируемый по трубопроводу 82, может поступать в нагреватель 100, использующий любой подходящий источник теплоты, такой как камера сгорания, электрический нагреватель, теплообменник, или любая их комбинация. В качестве примера теплообменник может использовать любой подходящий поток 102 нагревающей текучей среды, такой как находящийся под давлением поток, например, поток водяного пара под давлением, причем за теплообменником может быть размещен последующий нагреватель, например, электрический нагреватель. Нагретый газ может выходить из нагревателя в трубопровод 104 при температуре в интервале от 120 до 320°C, предпочтительно от 120 до 300°C. Давление, в общем, такое же, как указанное выше.

Газ может поступать в первый адсорбер 130 ряда адсорберов 120, как правило, в другом или противоположном направлении (например, в режиме восходящего потока) по отношению к газу, который поступает в первый адсорбер 130 на стадии адсорбции. При проведении стадии нагревания газ регенерирует первый адсорбер 130 с постепенным повышением температуры первого адсорбера 130 во времени, осуществляемым обычно до достижения предварительно заданной температуры. После достижения предварительно заданной температуры неконденсируемые примеси, такие как диоксид углерода и/или вода из адсорбента удаляются. Могут быть десорбированы также и другие компоненты, такие как сероводород. Вообще часть сырья 12 может быть использована в качестве газа регенерации вследствие повышенной температуры регенерации и сравнительно высокого уровня содержания диоксида углерода, циркулирующего в контуре 60 нагревания при регенерации. В большинстве случаев газ может поступать в адсорбер 130 в режиме восходящего течения.

Газ, содержащий примеси, может выходить из первого адсорбера 130 и через трубопровод 160 поступать в охладитель 170, которым может быть единственный воздушный охладитель 170, за которым, при необходимости, расположен другой теплообменник, например, теплообменник, в котором используется технологическая или оборотная охлаждающая вода. Воздушный охладитель 170 может понижать температуру газа, выходящего из адсорбера, с конденсацией тяжелых углеводородов и воды. Газ может выходить из воздушного охладителя 170 и через трубопровод 172 поступать в газожидкостный сепаратор 180.

Газожидкостный сепаратор 180 может содержать каплеуловитель 182, трубопровод 184 для отвода конденсата, обычно содержащего воду, и трубопровод 186 для отвода газа. Газ, отводимый по трубопроводу 186, может быть разделен на продувочный поток, транспортируемый по трубопроводу 190, и поток рециркуляционного газа регенерации в трубопроводе 200. Газ в трубопроводе 200 может быть направлен на всасывание в компрессор 220 и из компрессора нагнетается в трубопровод 224. Как отмечено выше, газ, нагнетаемый компрессором 220, может быть объединен с газом, содержащим сырье, транспортируемым по трубопроводу 14, и продуктом, содержащим фильтрованный природный газ, проходящим через трубопровод 52, с образованием газа регенерации.

В то время как в первом адсорбере 130 осуществляется стадия нагревания процесса регенерации, во втором адсорбере 140 может проводиться стадия охлаждения процесса регенерации. Соответственно, если во втором адсорбере 140 проводится стадия нагревания, в первом адсорбере может быть осуществлена стадия охлаждения с тем, чтобы создать в нем условия для проведения стадии адсорбции, осуществляемой в это время показанным на фигуре третьим адсорбером 150.

При начале стадии охлаждения нагретый газ, выходящий из второго адсорбера 140, может поступать в коллектор путем его транспортирования через трубопровод 162 и открытый клапан 164 в «В». Затем этот газ проходит по трубопроводу 252 и через открытый клапан 254. После этого газ может быть направлен в компрессор 260, установленный в регенерационном контуре 250 охлаждения. Сжатый в компрессоре охлаждающий газ через трубопровод 262 может быть направлен во второй адсорбер 140. Первоначально во втором адсорбере 140 может находиться нагретая текучая среда, обычно газ, нагретый на стадии нагревания процесса регенерации. Этот газ может проходить через второй адсорбер 140 в трубопровод 264. В рассматриваемом примере воплощения газ, поступающий во второй адсорбер 140, может проходить в другом или противоположном направлении по сравнению со стадией нагревания, например, течение газа может быть нисходящим. Первоначально клапан 276 может быть закрыт, а клапан 266 открыт. Нагретый газ может проходить через трубопровод 268 во второй осушитель 90. Вообще, второй осушитель 90 используют для удаления воды из продувочного газа во время проведения стадии нагревания процесса регенерации. Пропускание нагретого газа, отведенного из второго адсорбера 140, может десорбировать воду из сита во втором осушителе 90, которая отводится в трубопровод 270. После этого газ через трубопровод 278 может поступать в охладитель 280, которым может быть воздушный охладитель 280. При необходимости, после воздушного охладителя 280 может быть размещен другой теплообменник, например, теплообменник, в котором используется технологическая или оборотная охлаждающая вода.

Воздушный охладитель 280 может охлаждать газ, который через трубопровод 282 может поступать в газожидкостный сепаратор 290. Газожидкостный сепаратор 290 может содержать каплеуловитель 292. Из газожидкостного сепаратора 290 конденсат, обычно вода, отводится в трубопровод 296, а газ направляется в трубопровод 294.

Газ по трубопроводу 258 может поступать в компрессор 260 и циркулировать в замкнутом контуре, что позволяет минимизировать потери вещества и энергии.

При циркуляции газа охлажденный газ с температурой в интервале от 10 до 70°C может проходить от второго адсорбера 140 ко второму осушителю 90. Когда второй осушитель 90 охлажден, клапан 266 может быть закрыт, а клапан 276 может быть открыт для байпасирования второго осушителя 90, обеспечивая возможность прохождения газа через трубопровод 274 с тем, чтобы ускорить охлаждение второго адсорбера 140 и минимизировать потребление электрической энергии. Когда стадия охлаждения завершена, второй адсорбер 140 может быть использован для осуществления адсорбции с получением продукта, содержащего очищенный природный газ.

Хотя на фигуре показаны конкретные единицы оборудования, такие как нагреватели, охладители, резервуары и машины с вращающимися роторами, следует понимать, что показанные изображения могут обозначать ряд единиц такого оборудования, причем, при необходимости, различного типа. В качестве примера показанный воздушный охладитель может обозначать ряд охладителей, таких как воздушные теплообменники и теплообменники, использующие технологическую и оборотную охлаждающую воду.

Предполагается, что специалист в данной области техники, используя вышеприведенное описание, может без дополнительной проработки использовать настоящее изобретение во всей его полноте. Поэтому раскрытые выше предпочтительные конкретные воплощения следует рассматривать лишь как иллюстративные, и никаким образом не ограничивающие остальную часть описания.

В вышеприведенном описании все температуры приведены в градусах Цельсия и все доли и проценты являются весовыми, если не указано иное.

Из вышеприведенного описания специалист может легко выявить существенные признаки настоящего изобретения и без выхода за пределы сущности и объема изобретения может осуществить различные изменения и модификации изобретения с тем, чтобы приспособить его к различным условиям и случаям применения.

Способ относится к очистке природного газа с помощью одного или большего числа адсорберов и к регенерации адсорберов. Способ включает прохождение сырья, содержащего природный газ, через первый адсорбер для получения продукта, содержащего очищенный природный газ; регенерацию второго адсорбера на стадии нагревания, и регенерацию второго адсорбера на стадии охлаждения. Стадия нагревания включает отделение части сырья, содержащегося в газе регенерации, подачу газа регенерации в осушитель для удаления воды, затем нагревание газа регенерации, и подачу газа регенерации во второй адсорбер для регенерации второго адсорбера. Стадия охлаждения включает подачу в начале стадии охлаждения, по меньшей мере, части текучей среды, находящейся во втором адсорбере, в осушитель для десорбирования воды из молекулярного сита в осушителе, и затем охлаждение второго адсорбера. Технический результат - минимизация потерь продукта или сырья, включающего природный газ, используемого в качестве газа регенерации. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки природного газа с помощью первого и второго адсорберов, включающий:
A) прохождение сырья, содержащего природный газ, через первый адсорбер для получения продукта, содержащего очищенный природный газ;
B) регенерацию второго адсорбера на стадии нагревания, которая включает:
- отделение части сырья, содержащегося в газе регенерации,
- подачу газа регенерации в осушитель для удаления воды,
- нагревание газа регенерации с помощью нагревателя после его выхода из осушителя, и
- подачу газа регенерации во второй адсорбер для регенерации второго адсорбера; и
C) регенерацию второго адсорбера на стадии охлаждения, которая включает:
- подачу в начале стадии охлаждения, по меньшей мере, части текучей среды, находящейся во втором адсорбере, в осушитель для десорбирования воды из адсорбента, находящегося в указанном осушителе, и
- охлаждение второго адсорбера за счет циркуляции газа регенерации, байпасирующего нагреватель.

2. Способ по п.1, в котором природный газ содержит, по меньшей мере, 70 мол.%, по меньшей мере, одного вещества, выбранного из метана и этана.

3. Способ по п.1, в котором природный газ содержит, по меньшей мере, 95 мол.% метана.

4. Способ по п.1, в котором природный газ содержит не более 2 мол.% диоксида углерода.

5. Способ по п.1, в котором природный газ содержит не более 0,5 мол.% диоксида углерода.

6. Способ по п.1, в котором природный газ содержит воду в количестве не более 7500 ppm, в объемных долях.

7. Способ по п.1, в котором природный газ содержит воду в количестве не более 500 ppm, в объемных долях.

8. Способ по п.1, в котором газ регенерации содержит, по меньшей мере, 70 мол.%, по меньшей мере, одного вещества, выбранного из метана и этана.

9. Способ по п.1, в котором газ регенерации содержит, по меньшей мере, 95 мол.%
метана.

10. Способ по любому из пп.1-9, в котором газ регенерации содержит не более 2 мол.% диоксида углерода.