ЖИДКИЙ АБСОРБЕНТ ДЛЯ СО2 И/ИЛИ Н2S. А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК B01D53/14 B01D53/52 B01D53/62 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к жидкому абсорбенту для CO₂ (диоксида углерода) и/или H₂S (сероводорода), а также устройству и способу с его использованием, и в частности, к жидкому абсорбенту для CO₂, содержащегося в отходящих газах продукта сгорания, а также устройству и способу удаления CO₂.

Уровень техники

Обычно предлагаются разнообразные способы, касающиеся процедуры удаления кислых газов, в частности, CO₂, которые содержатся в газах, производимых на химических заводах и электростанциях, таких как природный газ и синтетический газ, а также отходящих газах сгорания. Примеры такого способа включают в себя способ удаления CO₂ и H₂S, содержащихся в отходящих газах сгорания, путём контактирования с водным раствором алканоламина в качестве жидкого абсорбента.

Например, принимая в качестве примера жидкий абсорбент моноэтаноламин (МЭА), являющийся первичным моноамином в числе прочих алканоламинов, следует отметить, что характеристики самого вышеупомянутого жидкого абсорбента ухудшаются вследствие наличия кислорода и подобных данному веществу продуктов, содержащихся в отходящих газах сгорания. Так, известен жидкий абсорбент, образованный путем составления смеси вторичного моноамина с вторичным циклическим диамином или определённым первичным моноамином, характеризующимся сильным эффектом стерического затруднения (например, Патентный документ 1); жидкий абсорбент, образованный путем добавления третичного моноамина к смеси вторичного моноамина и вторичного циклического диамина (например, Патентные документы 2 и 3); и жидкий абсорбент, образованный путем смешения определённого первичного моноамина, характеризующегося сильным эффектом стерического затруднения, вторичного моноамина и третичного моноамина (например, Патентный документ 4).

Список цитированных документов

Патентные документы

Патентный документ 1: Японский патент № 5215595

Патентный документ 2: Японский патент № 4634384

Патентный документ 3: публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 2013-086079

Патентный документ 4: публикация не прошедшей экспертизу заявки на японский патент № 2008-168227

Раскрытие изобретения

Проблема, подлежащая разрешению при помощи данного изобретения

Однако в случае данных компонентов и их отношения в композиции для получения жидких абсорбентов, раскрытых в Патентных документах 1 - 4, имеется проблема, заключающаяся в том, что ребойлер для осуществления регенерации жидкого абсорбента требует большого количества тепла.

С учётом вышеуказанных обстоятельств настоящее изобретение нацелено на обеспечение жидкого абсорбента для CO₂ и/или H₂S, а также устройства и способа с его использованием, которые делают возможным снижение тепловой нагрузки на ребойлер при осуществлении регенерации жидкого абсорбента.

Средства решения проблемы

Согласно первому аспекту настоящего изобретения настоящее изобретение представляет собой жидкий абсорбент, который абсорбирует CO₂ и/или H₂S в газе, содержащий следующие компоненты: (a) вторичный линейный моноамин; (b1) третичный линейный моноамин или (b2) стерически затруднённый первичный моноамин; и (c) вторичный циклический диамин, в котором концентрация каждого из указанных компонентов составляет менее 30% масс.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте первого аспекта концентрация вторичного циклического диамина (c) меньше концентрации вторичного линейного моноамина (a) и меньше концентрации третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте первого аспекта или второго аспекта концентрация третичного моноамина (b1) или стерически затруднённого первичного моноамина (b2) является такой же или меньше концентрации вторичного линейного моноамина (a) в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту.

Согласно четвёртому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до третьего, сумма концентраций вторичного линейного моноамина (a) и третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) составляет от 20 до 55% масс. или меньше.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до четвёртого, суммарная концентрация вторичного линейного моноамина (a), третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) и вторичного циклического диамина (c) составляет 70% масс. или меньше.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до пятого, компонент (a), являющийся вторичным линейным моноамином, представляет собой соединение, представленное формулой (I), приведённой ниже:

где R1 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R2 представляет собой гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до шестого, третичный линейный моноамин (b1) представляет собой соединение, представленное формулой (II), приведённой ниже:

где R3 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R4 и R5 каждый представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

Согласно восьмому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до седьмого, первичный моноамин (b2) представляет собой соединение, представленное формулой (III), приведённой ниже:

.

где R6 - R8 каждый представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

В дополнение к этому, согласно девятому аспекту настоящего изобретения в жидком абсорбенте любого одного из аспектов, от первого до восьмого, вторичный циклический диамин (c) представляет собой производное пиперазина.

Кроме того, согласно десятому аспекту настоящего изобретения настоящее изобретение представляет собой устройство для удаления CO₂ и/или H₂S, содержащее: жидкий абсорбент согласно любому одному из аспектов, от первого до девятого; абсорбционную башню, в которой абсорбируется CO₂ и/или H₂S, содержащиеся в газе; и регенерационную башню, в которой при помощи тепла ребойлера регенерируется жидкий абсорбент, содержащий CO₂ и/или H₂S, абсорбированные в нём.

Кроме того, согласно одиннадцатому аспекту настоящего изобретения настоящее изобретение представляет собой способ удаления CO₂ и/или H₂S, включающий в себя: абсорбционную стадию для осуществления абсорбции CO₂ и/или H₂S путём приведения жидкого абсорбента по любому одному из аспектов, от первого до девятого, в контакт с газом; и регенерационную стадию для осуществления регенерации жидкого абсорбента, содержащего CO₂ и/или H₂S, абсорбированные в нём, при помощи тепла ребойлера.

Эффекты изобретения

Согласно настоящему изобретению, путём составления смеси вторичного линейного моноамина (a), третичного линейного моноамина (b1) или стерически затруднённого первичного моноамина (b2) и вторичного циклического диамина (c) в заданном соотношении можно обеспечить жидкий абсорбент для CO₂ и/или H₂S, а также устройство и способ с его использованием, которые делают возможным уменьшение количества тепла, подаваемого в ребойлер при осуществлении регенерации жидкого абсорбента.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую вариант осуществления устройства для удаления CO₂ и/или H₂S согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет собой график, иллюстрирующий отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае примеров и сравнительного примера жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет собой график, иллюстрирующий отношение тепловой нагрузки на ребойлер с концентрацией аминового компонента в случае примеров и сравнительного примера жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 представляет собой график, иллюстрирующий отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае примеров и сравнительного примера жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий отношение тепловой нагрузки на ребойлер с концентрацией аминового компонента в случае примеров и сравнительного примера жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Далее в настоящем документе приведено подробное описание варианта осуществления жидкого абсорбента для CO₂ и/или H₂S, а также устройства и способа с его использованием согласно настоящему изобретению. Настоящее изобретение не ограничивается вариантом осуществления, описанным ниже.

Жидкий абсорбент первого варианта осуществления

Описание представлено для первого варианта осуществления жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению. Жидкий абсорбент настоящего варианта осуществления содержит следующие компоненты: (a) вторичный линейный моноамин, (b1) третичный линейный моноамин и (c) вторичный циклический диамин. В дополнение к этому, концентрация каждого из компонентов: вторичного линейного моноамина, третичного линейного моноамина и вторичного циклического диамина, составляет менее 30% масс. относительно массы жидкого абсорбента. Суммарная концентрация вторичного линейного моноамина, третичного линейного моноамина и вторичного циклического диамина предпочтительно составляет 70% масс. или меньше, а более предпочтительно 10% масс. или больше по отношению к жидкому абсорбенту. Жидкий абсорбент образован путем растворения и смешивания вышеупомянутых компонентов в воде, и основной составляющей частью, отличной от вышеуказанных компонентов, является вода.

Верхний предел концентрации вторичного линейного моноамина (a) составляет меньше 30% масс., а предпочтительно составляет 28% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации составляет, более предпочтительно 10% масс. или больше, а ещё предпочтительнее 15% масс. или больше. Верхний предел концентрации третичного линейного моноамина (b1) составляет менее 30% масс., предпочтительно 28% масс. или меньше, а ещё предпочтительнее 25% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации предпочтительно составляет 10% масс. или больше, а более предпочтительно 15% масс. или больше. Верхний предел концентрации вторичного циклического диамина (c) составляет менее 30% масс., предпочтительно находится в пределах диапазона 15% масс. или меньше, а более предпочтительно 10% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации предпочтительно составляет 1% масс. или больше, а более предпочтительно 5% масс. или больше.

Суммарная концентрация вторичного линейного моноамина и третичного линейного моноамина по отношению к жидкому абсорбенту предпочтительно составляет от 20 до 55% масс., а более предпочтительно от 25 до 50% масс. В дополнение к этому, концентрация третичного линейного моноамина предпочтительно является такой же или меньше концентрации вторичного линейного моноамина в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту. В частности, концентрация третичного линейного моноамина более предпочтительно составляет от 0,6 до 1 в массовом отношении к концентрации вторичного линейного амина. Концентрация вторичного циклического диамина предпочтительно меньше концентраций вторичного линейного моноамина и третичного линейного моноамина в процентах от массы жидкого абсорбента.

Как описано выше, если вторичный линейный моноамин (a), третичный линейный моноамин (b1) и вторичный циклический диамин (c) находятся в вышеуказанных концентрациях, очень хорошая способность вторичного линейного моноамина (a) и вторичного циклического диамина (c) абсорбировать CO₂ поддерживает абсорбционную способность жидкого абсорбента в отношении CO₂, а очень хорошая способность вторичного линейного моноамина (a) и третичного линейного моноамина (b1) в отношении отгонки CO₂ может улучшать показатели жидкого абсорбента при отгонке CO₂. Таким образом, можно уменьшать тепловую нагрузку на ребойлер при осуществлении регенерации жидкого абсорбента, который абсорбировал CO₂.

Вторичный линейный моноамин представляет собой соединение, представленное формулой (I) ниже. В формуле (I) R1 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R2 представляет собой гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

В частности, вторичный линейный моноамин представляет собой по меньшей мере одно из соединений, выбранных из группы, состоящей из N-(метиламино)этанола (C₃H₉NO), N-(этиламино)этанола (C₄H₁₁NO), N-(пропиламино)этанола (C₅H₁₃NO) и N-(бутиламино)этанола (C₆H₁₅NO).

Третичный линейный моноамин представляет собой соединение, представленное формулой (II) ниже. В формуле (II) R3 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, R4 представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R5 представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

В частности, третичный линейный моноамин представляет собой по меньшей мере одно из соединений, выбранных из группы, состоящей из N-метилдиэтаноламина (C₅H₁₃NO₂), N-этилдиэтаноламина (C₆H₁₅NO₂), N-бутилэтаноламина (C₈H₁₉NO₂), 4-диметиламинобутанола-1 (C₆H₁₅NO), 2-(диметиламино)этанола (C₄H₁₁NO), 2-(диэтиламино)этанола (C₆H₁₅NO), 2-ди-н-бутиламиноэтанола (C₁₀H₂₃NO), N-этил-N-метилэтаноламина (C₅H₁₃NO), 3-диметиламинопропанола-1 (C₅H₁₃NO) и 2-диметиламино-2-метилпропанола-1 (C₆H₁₅NO).

В дополнение к этому, вторичный циклический диамин представляет собой производное пиперазина. Примеры указанных производных пиперазина включают в себя такие соединения, как пиперазин (C₄H₁₀N₂), 2-метилпиперазин (C₅H₁₂N₂) и 2,5-диметилпиперазин (C₆H₁₄N₂), а также их смесь.

Жидкий абсорбент второго варианта осуществления

Предлагается описание для второго варианта осуществления жидкого абсорбента согласно настоящему изобретению. Жидкий абсорбент данного варианта осуществления отличается главным образом тем, что третичный линейный моноамин (b1), описанный выше в качестве компонента, заменён стерически затруднённым первичным моноамином (b2). Пояснение тех же составляющих, что и в первом варианте осуществления, опускается.

Стерически затруднённый первичный моноамин (b2) представляет собой соединение, представленное формулой (III) ниже. В формуле (III) каждый из R6 - R8 представляет собой водород или углеводородную группу, содержащую от 1 до 3 атомов углерода.

В частности, первичный моноамин представляет собой по меньшей мере одно из соединений, выбранных из группы, состоящей из 2-амино-2-метилпропанола-1 (C₄H₁₁NO), 2- аминопропанола-1 (C₃H₉NO), 2-аминобутанола-1 (C₄H₁₁NO), 2-амино-3-метилбутанола-1 (C₅H₁₃NO), 1-аминопропанола-2 (C₃H₉NO) и 1-аминобутанола-2 (C₄H₁₁NO).

Концентрация каждого из компонентов: вторичного линейного моноамина, стерически затруднённого первичного моноамина и вторичного циклического диамина, составляет менее 30% масс. в расчёте на массу жидкого абсорбента. Суммарная концентрация вторичного линейного моноамина, стерически затруднённого первичного моноамина и вторичного циклического диамина предпочтительно составляет 70% масс. или меньше, а более предпочтительно 10% масс. или больше по отношению к жидкому абсорбенту. Верхний предел концентрации вторичного линейного моноамина (a) составляет менее 30% масс., а предпочтительно 28% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации более предпочтительно составляет 10% масс. или больше, а ещё предпочтительнее 15% масс. или больше. Верхний предел концентрации стерически затруднённого первичного моноамина (b2) составляет менее 30% масс., предпочтительно 28% масс. или меньше, а ещё предпочтительнее 25% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации предпочтительно составляет 10% масс. или больше, а более предпочтительно 15% масс. или больше. Верхний предел концентрации вторичного циклического диамина (c) составляет менее 30% масс., предпочтительно находится в пределах диапазона 15% масс. или меньше, а более предпочтительно 10% масс. или меньше. В дополнение к этому, нижний предел концентрации предпочтительно составляет 1% масс. или больше, а более предпочтительно 5% масс. или больше.

Суммарная концентрация вторичного линейного моноамина и стерически затруднённого первичного моноамина относительно жидкого абсорбента составляет от 20 до 55% масс., а предпочтительно от 25 до 50% масс. В дополнение к этому, концентрация стерически затруднённого первичного моноамина предпочтительно является такой же или меньше концентрации вторичного линейного моноамина в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту. В частности, концентрация стерически затруднённого первичного моноамина предпочтительно составляет от 0,6 до 1 в массовом отношении к концентрации вторичного линейного моноамина. Концентрация вторичного циклического диамина предпочтительно меньше концентраций вторичного линейного моноамина и первичного моноамина в процентах на массу жидкого абсорбента.

Как описано выше, если вторичный линейный моноамин (a), стерически затруднённый первичный моноамин (b2) и вторичный циклический диамин (c) находятся в вышеуказанных концентрациях, очень хорошая способность вторичного линейного моноамина (a) и вторичного циклического диамина (c) абсорбировать CO₂ поддерживает абсорбционную способность жидкого абсорбента в отношении CO₂, а очень хорошая способность вторичного линейного моноамина (a) и стерически затруднённого первичного моноамина (b2) к отгонке CO₂ может улучшать показатели жидкого абсорбента при отгонке CO₂. Таким образом, можно уменьшать количество тепла, подаваемого в ребойлер при осуществлении регенерации жидкого абсорбента, который абсорбировал CO₂.

Устройство для удаления CO₂

Предлагается описание варианта осуществления устройства для удаления CO₂ с использованием жидкого абсорбента, имеющего указанный выше состав, со ссылкой на фиг. 1. Устройство 1 для удаления CO₂, проиллюстрированное на фиг. 1, содержит по меньшей мере абсорбционную башню 10 и регенерационную башню 20. Устройство для удаления CO₂, изображённое на данной фигуре, представляет собой схему для его общего описания, и его сопутствующее оборудование частично опущено.

Абсорбционная башня 10 содержит нижнюю насадочную секцию 11a, верхнюю насадочную секцию или тарелку 11b и сборник 11c для жидкости, заключает в себе жидкий абсорбент, внутри которого абсорбируется CO₂ и/или H₂S, содержащиеся в отходящих газах сгорания, и содержит выносные холодильники 12 и 13. Регенерационная башня 20 предусмотрена ниже по ходу потока жидкого абсорбента, который абсорбировал CO₂, от абсорбционной башни 10, и содержит нижнюю насадочную секцию 21a и верхнюю насадочную секцию или тарелку 21b, а также содержит ребойлер 22, холодильник 23 и газо-жидкостной сепаратор 24 вне своих пределов. Регенерационная башня 20 содержит теплообменник 25 для жидкого абсорбента между абсорбционной башней 10 и регенерационной башней 20. Регенерационная башня 20 выполнена с возможностью осуществления регенерации жидкого абсорбента, который абсорбировал CO₂ и/или H₂S, при помощи тепла ребойлера. В дополнение к этому, устройство 1 для удаления CO₂ содержит охлаждающую башню 30 выше по ходу потока отходящего газа сгорания от абсорбционной башни 10. Охлаждающая башня 30 содержит по меньшей мере насадочную секцию 31, которая обеспечивает, чтобы охлаждающая вода и газ приходили в контакт друг с другом, а также она содержит выносной холодильник 32, который охлаждает охлаждающую воду.

Способ удаления CO₂

Предлагается описание способа удаления CO₂ согласно настоящему изобретению путём пояснения того, как работает устройство для удаления CO₂, имеющее вышеуказанную конфигурацию. Способ удаления CO₂ согласно настоящему варианту осуществления включает в себя стадию охлаждения, абсорбционную стадию и регенерационную стадию.

На стадии охлаждения отходящий газ сгорания подают по линии L₀ в охлаждающую башню 30 для охлаждения. В охлаждающей башне 30 отходящий газ сгорания приводят в контакт с охлаждающей водой из холодильника 32 в насадочной секции 31, охлажденной до заданной температуры, и вводят при помощи газодувки B₁ по линии L₁ в нижнюю часть абсорбционной башни 10. Температура отходящего газа сгорания, подлежащего охлаждению, может составлять от 30 до 40°C, к примеру, с точки зрения показателей абсорбции. С другой стороны, охлаждающая вода, которая приходит в контакт с отходящим газом сгорания, хранится в нижней концевой части охлаждающей башни 30, а затем циркулирует для использования при помощи насоса P₂ по линии L₂ и через холодильник 32 в охлаждающую башню 30. На данной стадии, если количество воды в отходящем газе сгорания мало, то поскольку количество охлаждающей воды постепенно уменьшается за счёт увлажнения и охлаждения отходящего газа сгорания, охлаждающую воду подают по непоказанной линии подачи воды, предусмотренной в линии L₂. Если количество воды в отходящем газе сгорания велико, то поскольку количество охлаждающей воды увеличивается вследствие конденсации воды отходящего газа сгорания за счёт контакта с охлаждающей водой, избыточное количество воды отводится через дренажную отводную линию (не показана), предусмотренную в линии L₂.

Затем, на абсорбционной стадии, отходящий газ сгорания, подаваемый в абсорбционную башню 10, приводят в противоточный контакт с жидким абсорбентом, вводимым по линии L₈ и имеющим заданную концентрацию, описанную ниже, в нижней насадочной секции 11a. В результате этого жидкий абсорбент абсорбирует CO₂, содержащийся в отходящем газе сгорания, удаляя из него CO₂. В частности, в нижней насадочной секции 11a CO₂ удаляют путём приведения регенерированного жидкого абсорбента (обеднённый жидкий абсорбент), подаваемого по линии L₈, в контакт с отходящим газом сгорания. Это делает возможным удаление 90% или больше CO₂, содержащегося в отходящем газе сгорания. Отходящий газ сгорания, из которого удалён CO₂, содержат аминовый абсорбент и воду, испарившиеся при высокой температуре, обусловленной экзотермической реакцией при абсорбции CO₂. Таким образом, вода и аминовый абсорбент конденсируются из отходящего газа сгорания в жидкость в холодильнике 13, и кроме того, их приводят в контакт с промывной жидкостью, являющейся охлаждённой конденсационной водой, в верхней насадочной секции 11b. Воду и аминовый абсорбент, содержащиеся в газе, конденсируют и извлекают в качестве промывной жидкости. Таким образом, воду и жидкий абсорбент собирают из отходящего газа сгорания. Отходящий газ сгорания, из которого удалён CO₂, выпускают из верхней части абсорбционной башни 10 по линии L₃. В дополнение к этому, на данной стадии промывную жидкость, содержащую воду и жидкий абсорбент, извлечённые из отходящего газа сгорания, собирают в сборнике 11c для жидкости; насос P₅ осуществляет циркуляцию части промывной жидкости по линии L₅ для использования путём охлаждения её при помощи холодильника 13, а избыточное количество промывной жидкости добавляют к обеднённому жидкому абсорбенту по линии L₆ с целью извлечения в качестве жидкого абсорбента. С другой стороны, жидкий абсорбент, который абсорбировал CO₂ (обогащённый жидкий абсорбент), собирают в нижней концевой части, расположенной под нижней насадочной секцией 11a. Обогащённый жидкий абсорбент направляют при помощи насоса P₄ по линии L₄ в теплообменник 25 жидкого абсорбента, с последующим повышением температуры в результате теплообмена с обеднённым жидким абсорбентом, описанным ниже, а затем направляют в регенерационную башню 20.

Следующая далее регенерационная стадия представляет собой стадию осуществления регенерации жидкого абсорбента путём обеспечения возможности нагрева ребойлером 22 жидкого абсорбента, содержащего CO₂, для высвобождения из него CO₂. Более конкретно, обогащённый жидкий абсорбент, подаваемый в регенерационную башню 20, проходит нисходящим потоком регенерационную башню 20 и накапливается в резервуаре для жидкости, находящемся в нижней части, при одновременном выделении CO₂ вследствие экзотермической реакции, протекающей в нижней насадочной секции 21a, а ребойлер 22 повышает температуру жидкого абсорбента, пропускаемого по линии L₇, за счёт теплообмена с высокотемпературным насыщенным паром, подаваемым извне. В результате этого высвобождается CO₂, содержащийся в жидком абсорбенте. Насыщенный водяной пар, вводимый в ребойлер 22, конденсируется в насыщенную воду за счёт теплообмена с жидким абсорбентом и выпускается из ребойлера 22. Путём отгонки CO₂ из жидкого абсорбента получают обеднённый жидкий абсорбент. Как описано выше, для регенерации жидкого абсорбента путём отгонки CO₂ в регенерационной башне 20, в частности в ребойлере 22, требуется большое количество тепловой энергии водяного пара. Поскольку жидкий абсорбент согласно настоящему изобретению характеризуется высоким показателем отгонки CO₂, как описано выше, в ребойлере 22 можно уменьшать количество насыщенного водяного пара, подаваемого в ребойлер 22, и таким образом снижать величину тепловой нагрузки на ребойлер за счёт эффективной отгонки CO₂.

Обеднённый жидкий абсорбент, из которого CO₂ отогнан с использованием тепла, подаваемого в ребойлер 22, вводят в теплообменник 25 жидкого абсорбента по линии L₈. В теплообменнике 25 жидкого абсорбента обеднённый жидкий абсорбент охлаждают за счёт теплообмена с обогащённым жидким абсорбентом, поступающим из абсорбционной башни 10, и вводят в абсорбционную башню 10. Температуру обеднённого жидкого абсорбента, подлежащего подаче в абсорбционную башню 10, можно регулировать при помощи теплообменника 25 жидкого абсорбента или холодильника 12, предусмотренного на линии L₈ ниже по ходу потока от него. С другой стороны, из CO₂, отделённого от жидкого абсорбента, удаляют сопровождающий его жидкий абсорбент в верхней насадочной секции 21b, расположенной в верхней части регенерационной башни 20, путём газожидкостного контакта с орошающей водой, подаваемой по линии L₉. Затем CO₂ отводят по линии L₁₀ из верхней части регенерационной башни 20. Холодильник 23 охлаждает газообразный CO₂, содержащий водяной пар, при нахождении в линии L₁₀, для конденсации водяного пара с последующим разделением на CO₂ и орошающую воду, в которую водяной пар сконденсировался в газо-жидкостном сепараторе 24. После этого отделённый CO₂ высокой чистоты отводят в линию L₁₁ извлечения для его выделения, а орошающую воду возвращают обратным потоком при помощи насоса P₉ в регенерационную башню 20 по линии L₉ для повторного использования.

CO₂ высокой чистоты, извлечённый, как описано выше, можно впрыскивать в истощённое нефтяное месторождение для хранения или, предпочтительно, можно повторно использовать для повышения степени извлечения нефти и природного газа, в целях осуществления синтеза таких химических продуктов, как мочевина и метанол, а также для общего назначения, как например, получения сухого льда.

Примеры

Далее в данном документе настоящее изобретение описано подробно с использованием примеров для пояснения эффекта настоящего изобретения. Жидкий абсорбент для CO₂ и/или H₂S, а также устройство и способ с его использованием не ограничиваются представленными примерами.

1.1 Приготовление согласно примерам испытаний

Жидкий абсорбент примера испытания 1-1 приготовляли путём растворения и смешивания N-(бутиламино)этанола в качестве вторичного линейного моноамина, 2-метилпиперазина в качестве вторичного циклического диамина и N-метилдиэтаноламина в качестве третичного линейного моноамина в воде, при этом каждый из них находился в количестве менее 30% масс. В дополнение к этому, вторичный линейный моноамин и третичный линейный моноамин содержались в жидком абсорбенте практически в одинаковых концентрациях, выраженных в массовых процентах, а количество вторичного циклического диамина было наименьшим по концентрации в массовых процентах. Жидкий абсорбент примера испытания 1-2 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 1-1, за исключением того, что вторичный циклический диамин представлял собой пиперазин. Жидкий абсорбент примера испытания 1-3 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 1-1, за исключением того, что третичный линейный моноамин представляет собой N-бутилдиэтаноламин. Жидкий абсорбент примера испытания 1-4 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 1-1, за исключением того, что вторичный линейный моноамин представлял собой N-(этиламино)этанол, вторичный циклический диамин представлял собой пиперазин, а третичный линейный моноамин представляет собой N-этилдиэтаноламин. Пример испытания 1-5 выполняли тем же способом, как и пример испытания 1-1, за исключением того, что вторичный линейный моноамин представлял собой N-(этиламино)этанол, вторичный циклический диамин представлял собой пиперазин, а третичный линейный моноамин представляет собой 2-(диэтиламино)этанол. В дополнение к этому, в качестве сравнительного примера жидкий абсорбент сравнительного примера 1-6 приготовляли путём растворения и перемешивания моноэтаноламина (МЭА) в воде при 30% масс. В таблице 1 представлены композиции компонентов примеров испытаний и сравнительного примера.

Таблица 1

Таблица 1. Компоненты жидкого абсорбента

Вторичный линейный моноамин (a) Третичный линейный моноамин (b1) Вторичный
циклический диамин (c) Пример испытания 1-1 N-(бутиламино)этанол N-метилдиэтаноламин 2- метилпиперазин Пример испытания 1-2 N-(бутиламино)этанол N-метилдиэтаноламин Пиперазин Пример испытания 1-3 N-(бутиламино)этанол N-бутилдиэтаноламин 2-метилпиперазин Пример испытания 1-4 N-(этиламино)этанол N-этилдиэтаноламин Пиперазин Пример испытания 1-5 N-(этиламино)этанол 2-(диэтиламино)этанол Пиперазин Первичный моноамин Сравнительный пример 1-6 Моноэтаноламин

1.2 Оценка отношения тепловой нагрузки на ребойлер

Тепловую нагрузку на ребойлер измеряли при использовании жидких абсорбентов примеров испытания и сравнительного примера и оценивали тепловую нагрузку на ребойлер для примеров испытаний в виде отношения тепловых нагрузок в сопоставлении со случаем использования жидкого абсорбента сравнительного примера. На фиг. 2 показаны результаты оценки.

Как проиллюстрировано на фиг. 2, если тепловую нагрузку в случае использования жидкого абсорбента сравнительного примера 1-6 принимали равной 1, отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидких абсорбентов примеров испытаний 1-1 и 1-2 составляли менее 0,90; отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидких абсорбентов примеров испытаний 1-3 и 1-4 составляли около 0,90, а отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидкого абсорбента примера 1-5 испытания составляло около 0,96. Приведённые выше результаты показывают, что жидкие абсорбенты примеров испытаний от 1-1 до 1-5 с использованием вторичного линейного моноамина, вторичного циклического диамина и третичного линейного моноамина могут снижать тепловую нагрузку на ребойлер на 10% или больше в сопоставлении со сравнительным примером 1-6, в котором использован моноэтаноламин. В частности, показано, что жидкие абсорбенты примеров испытаний от 1-1 до 1-3 способны снижать тепловую нагрузку на ребойлер на 10% или больше.

1.3 Оценка отношения тепловой нагрузки на ребойлер с концентрацией компонентов

Далее жидкий абсорбент приготовляли путём растворения и смешивания N-(бутиламино)этанола в качестве вторичного линейного моноамина и N-бутилдиэтаноламина в качестве третичного линейного моноамина в воде при общей концентрации двух указанных компонентов, равной 40% масс. Затем выполняли исследование в аспекте отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае варьирования концентраций компонентов при поддержании указанной общей концентрации постоянной и равной 40% масс.; отношение тепловой нагрузки на ребойлер вычисляли таким образом, что результат использования жидкого абсорбента примера испытания 1-6 был равен 1. На фиг. 3 показаны результаты оценки.

Как проиллюстрировано на фиг. 3, если концентрация компонента вторичного линейного моноамина составляла 10% масс., отношение тепловой нагрузки на ребойлер составляло около 0,88, и отношение тепловой нагрузки на ребойлер уменьшалось при повышении концентрации указанного компонента до значения около 20% масс. Отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае концентрации указанного компонента около 20% масс. составляло около 0,87; отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае концентрации около 25% масс. составляло около 0,88, и отношение количества тепла, подаваемого в ребойлер, увеличивалось до значения около 0,90 при повышении концентрации указанного компонента до 30% масс. В дополнение к этому, если концентрация компонента третичного линейного моноамина составляла 10% масс., отношение тепловой нагрузки на ребойлер составляло около 0,90; отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае концентрации около 15% масс. составляло около 0,88, и отношение тепловой нагрузки на ребойлер снижалось при повышении концентрации указанного компонента до 20% масс. Отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае концентрации указанного компонента около 20% масс. составляло около 0,87; и отношение тепловой нагрузки на ребойлер увеличивалось до значения около 0,88 при повышении концентрации указанного компонента до 30% масс.

2.1 Приготовление композиций примеров испытаний

Жидкий абсорбент примера испытания 2-1 приготовляли путём растворения и смешивания N-(бутиламино)этанола в качестве вторичного линейного моноамина, 2-метилпиперазина в качестве вторичного циклического диамина и 2-амино-2-метилпропанола-1 в качестве стерически затруднённого первичного моноамина в воде, при этом каждый из них находился в количестве менее 30% масс. В дополнение к этому, вторичный линейный моноамин и первичный моноамин содержались в жидком абсорбенте практически в одинаковых концентрациях, выраженных в массовых процентах, а количество вторичного циклического диамина было наименьшим по концентрации в массовых процентах, как в случае примеров испытаний, описанных выше. Жидкий абсорбент примера испытания 2-2 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 2-1, за исключением того, что вторичный циклический диамин представляет собой пиперазин. Жидкий абсорбент примера испытания 2-3 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 2-1, за исключением того, что вторичный линейный моноамин представлял собой N-(этиламино)этанол. Жидкий абсорбент примера испытания 2-4 приготовляли тем же способом, как и в примере испытания 2-1, за исключением того, что вторичный циклический диамин представлял собой пиперазин, а вторичный линейный моноамин представляет собой N-этиламиноэтанол. В дополнение к этому, в качестве сравнительного примера жидкий абсорбент сравнительного примера 2-5 приготовляли путём растворения и перемешивания моноэтаноламина (МЭА) в воде при 30% масс. В таблице 2 представлены композиции компонентов примеров испытаний и сравнительного примера.

Таблица 2. Компоненты жидкого абсорбента

Вторичный линейный моноамин (a) Первичный моноамин (b2) Вторичный циклический диамин (c) Пример испытания 2-1 N-(бутиламино)этанол 2-амино-2-метил- пропанол-1 2- метилпиперазин Пример испытания 2-2 N-(бутиламино)этанол 2-амино-2-метил-пропанол-1 Пиперазин Пример испытания 2-3 N-(этиламино)этанол 2-амино-2-метил- пропанол-1 2-метилпиперазин Пример испытания 2-4 N-(этиламино)этанол 2-амино-2-метил-пропанол-1 Пиперазин Первичный моноамин Сравнительный пример 2-5 Моноэтаноламин

2.2 Оценка отношения тепловой нагрузки на ребойлер

Тепловую нагрузку на ребойлер измеряли при использовании жидких абсорбентов примеров испытаний от 2-1 до 2-4 и сравнительного примера 2-5, и оценивали тепловую нагрузку на ребойлер для примеров испытаний в виде отношения тепловых нагрузок в сопоставлении со случаем использования жидкого абсорбента сравнительного примера тем же способом, что и при оценке отношения тепловых нагрузок, описанным выше. На фиг. 4 показаны результаты оценки.

Как проиллюстрировано на фиг. 4 в сопоставлении с жидким абсорбентом сравнительного примера 2-5, отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидкого абсорбента примера испытания 2-1 составляло около 0,90, отношения тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидких абсорбентов примеров испытания 2-2 и 2-4 составляли менее 0,93, а отношение тепловой нагрузки на ребойлер в случае использования жидкого абсорбента примера испытания 2-3 составляло около 0,98.

Приведённые выше результаты показывают, что жидкие абсорбенты примеров испытаний от 2-1 до 2-4 с использованием вторичного линейного моноамина, вторичного циклического диамина и стерически затруднённого первичного моноамина могут приводить к уменьшению количества тепла, подаваемого в ребойлер, на величину около 10% в сопоставлении с жидким абсорбентом сравнительного примера 2-5, в котором используют моноэтаноламин. В частности, показано, что жидкий абсорбент примера испытания 2-1, 2-2 или 2-4 способен приводить к уменьшению количества тепла, подаваемого в ребойлер, на величину от 7 до 10%.

2.3 Оценка отношения тепловой нагрузки на ребойлер с концентрацией компонентов

После этого жидкий абсорбент приготовляли путём смешивания N-(бутиламино)этанола в качестве вторичного линейного моноамина и 2-амино-2-метилпропанола-1 в качестве стерически затруднённого первичного моноамина в воде при общей концентрации двух указанных компонентов, равной 48% масс. Затем выполняли исследование в аспекте отношения количества тепла, подаваемого в ребойлер, в случае варьирования концентраций компонентов при поддержании указанной обшей концентрации постоянной и равной 48% масс. в диапазоне концентрации 2-амино-2-метилпропанола-1, составляющей 30% масс. или меньше. Отношение количества тепла, подаваемого в ребойлер, вычисляли таким образом, что результат использования жидкого абсорбента примера испытания 2-5 был равен 1. На фиг. 5 показаны результаты оценки.

Как проиллюстрировано на фиг. 5, если концентрация компонента вторичного линейного моноамина составляла около 10% масс., отношение тепловой нагрузки на ребойлер составляло около 0,92; отношение тепловой нагрузки на ребойлер уменьшалось до значения около 0,90 при повышении концентрации указанного компонента до значения около 20% масс.; и отношение тепловой нагрузки на ребойлер увеличивалось до значения около 0,93 при повышении концентрации указанного компонента до 30% масс. В дополнение к этому, если концентрация компонента первичного моноамина составляла 10% масс., отношение количества тепла, подаваемого в ребойлер, составляло около 0,94; отношение количества тепла, подаваемого в ребойлер, снижалось до значения около 0,92 при повышении концентрации указанного компонента до величины около 20% масс.; отношение тепловой нагрузки на ребойлер уменьшалось до значения около 0,90 при повышении концентрации указанного компонента до значения около 28% масс.; и отношение тепловой нагрузки на ребойлер быстро увеличивалось до значения около 0,92 при повышении концентрации указанного компонента до 30% масс.

Список условных обозначений позиций

1 устройство для удаления CO₂

10 абсорбционная башня

11a нижняя насадочная секция

11b верхняя насадочная секция

11c сборник для жидкости

12, 13, 23, 32 холодильник

20 регенерационная башня

22 ребойлер

24 газо-жидкостной сепаратор

25 теплообменник для жидкого абсорбента

30 охлаждающая башня

31 насадочная секция.

Настоящее изобретение относится к жидкому абсорбенту для CO₂ и/или H₂S, а также устройству и способу с его использованием. Предложен жидкий абсорбент, который абсорбирует CO₂ и/или H₂S, содержащиеся в газе. Абсорбент содержит следующие компоненты: (a) вторичный линейный моноамин; (b1) третичный линейный моноамин или (b2) стерически затруднённый первичный моноамин; и (c) вторичный циклический диамин, в котором концентрация каждого из указанных компонентов составляет менее 30 мас.%. Изобретение обеспечивает уменьшение количества тепла, подаваемого в ребойлер при осуществлении регенерации жидкого абсорбента. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Жидкий абсорбент, который абсорбирует по меньшей мере один из CO₂ и H₂S, содержащихся в газе, содержащий следующие компоненты:

(a) вторичный линейный моноамин;

(b1) третичный линейный моноамин или (b2) стерически затруднённый первичный моноамин; и

(c) вторичный циклический диамин, при этом

концентрация каждого из компонентов составляет менее 30 мас.%,

причем общая концентрация (а) вторичного линейного моноамина, (b1) третичного линейного моноамина или (b2) стерически затруднённого первичного моноамина, и (с) вторичного циклического диамина составляет 70 мас.% или меньше,

концентрация вторичного циклического диамина (c) меньше концентрации вторичного линейного моноамина (a) и меньше концентрации третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту, и

концентрация третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) является такой же или меньше концентрации вторичного линейного моноамина (a) в массовых процентах по отношению к жидкому абсорбенту.

2. Жидкий абсорбент по п. 1, в котором общая концентрация вторичного линейного моноамина (a) и третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) составляет от 20 до 55 мас.%.

3. Жидкий абсорбент по п. 1 или 2, в котором общая концентрация вторичного линейного моноамина (a), третичного линейного моноамина (b1) или первичного моноамина (b2) и вторичного циклического диамина (c) составляет 10 мас.% или больше.

4. Жидкий абсорбент по любому из пп. 1-3, в котором вторичный линейный моноамин (a) представляет собой соединение, представленное формулой (I), приведённой ниже:

где R1 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R2 представляет собой гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

5. Жидкий абсорбент по любому из пп. 1-4, в котором третичный линейный моноамин (b1) представляет собой соединение, представленное формулой (II), приведённой ниже:

где R3 представляет собой углеводородную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, а R4 и R5 каждый представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

6. Жидкий абсорбент по любому из пп. 1-5, в котором первичный моноамин (b2) представляет собой соединение, представленное формулой (III), приведённой ниже:

где R6-R8 каждый представляет собой углеводородную группу или гидроксиалкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода.

7. Жидкий абсорбент по любому из пп. 1-6, в котором вторичный циклический диамин (c) представляет собой производное пиперазина.

8. Устройство для удаления по меньшей мере одного из CO₂ и H₂S, содержащихся в газе, содержащее:

абсорбционную башню, которая содержит жидкий абсорбент по любому из пп. 1-7 и в которой абсорбируется по меньшей мере один из CO₂ и H₂S, содержащихся в указанном газе; и

регенерационную башню, в которой при помощи тепла ребойлера регенерируется жидкий абсорбент, содержащий по меньшей мере один из CO₂ и H₂S, абсорбированных в нём.

9. Способ удаления по меньшей мере одного из CO₂ и H₂S, содержащихся в газе, включающий в себя:

абсорбционную стадию для осуществления абсорбции по меньшей мере одного из CO₂ и H₂S путём приведения жидкого абсорбента по любому из пп. 1-7 в контакт с указанным газом; и

регенерационную стадию для осуществления регенерации жидкого абсорбента, содержащего по меньшей мере один из CO₂ и H₂S, абсорбированных в нём, при помощи тепла ребойлера.