Установка десорбции (испарения) с глубокой рекуперацией тепла Российский патент 2020 года по МПК B01D53/14 

Изобретения относятся к области очистки газовых смесей. И может быть применен, как в системах с экстрактивной ректификацией или для десорберов, так и при ректификации веществ с высокой температурой кубовой жидкости.

Известны способ и устройство очистки природного газа от диоксида углерода и сероводорода (см. пат. РФ №2547021, МПК B01D 53/14, 53/52, з. 20.02.2014, оп. 10.04.2015, Бюл. №10), Установка очистки природного газа от диоксида углерода и сероводорода, включающая два последовательных узла абсорбционной очистки газа, состоящих из абсорбера, регенератора, насосов, холодильника, рекуперативного теплообменника, кипятильника, емкости и трубопроводов обвязки аппаратов узлов абсорбционной очистки газа отличающаяся тем, что трубопровод подачи исходного природного газа, подключен к нижней части абсорбера первого узла абсорбционной очистки, верх абсорбера первого узла абсорбционной очистки присоединяется к нижней части абсорбера второго узла абсорбционной очистки, верх абсорбера второго узла абсорбционной очистки соединяется с трубопроводом отвода очищенного газа, верх емкости первого узла абсорбционной очистки соединяется трубопроводом подачи концентрата сероводорода с установкой Клауса для утилизации сероводорода, верх емкости второго узла абсорбционной очистки соединяется трубопроводом подачи концентрата диоксида углерода с установкой доочистки хвостовых газов или с печью дожига хвостовых газов.

Недостаток известного решения состоит в том, что в нем отсутствует термосифон, а использован ребойлер с паровым пространством, процесс происходит без массообмена с кубом десорбера, что снижает качество отделения легких фракций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентами, содержащими водные растворы аминов (см. пат. РФ №2659991, МПК B01D 53/14, з. 18.11.2016, оп. 04.07.2018, Бюл. №19), в котором устройство для его осуществления включает абсорбер, содержащий массообменные устройства, дроссельное устройство или гидравлическую (парожидкостную) турбину, сепараторы фаз, насос для перекачки насыщенного абсорбента, первый рекуперационный теплообменник, второй рекуперационный теплообменник, регенератор, содержащий массообменные устройства, кипятильник, для обеспечения теплом процесса регенерации, конденсатор для конденсации паров воды из газа регенерации, сборник флегмы для сепарации и вывода СО₂, насос регенерированного абсорбента и холодильник регенерированного абсорбента.

Недостаток известного решения состоит в том, что нет кратности циркуляции, недостаточная степень рекуперации остаточного тепла теплоносителя, что требует большее потребление энергии.

Задачей изобретения является интенсификация процесса абсорбции и повышение его эффективности путем глубокой рекуперации тепла и сокращения энерго- и капитальных затрат.

Технический результат, на достижение которого направлено предложенное техническое решение, заключается в углублении рекуперации тепловой энергии при десорбции (ректификации) посредством использования узла предварительного испарения легких фракций.

Поставленная задача решается за счет того, что в установке десорбции (испарения) с глубокой рекуперацией тепла, включающей дроссельное устройство, сепараторы фаз, насос для перекачки насыщенного абсорбента, первый рекуперационный теплообменник, второй рекуперационный теплообменник, испаритель кубовой жидкости, конденсатор для конденсации легких фракций, десорбер, рекуперационные теплообменники являются термосифонными испарителями, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым сепараторами фаз, второй вход первого термосифонного испарителя соединен через испаритель с линией подачи теплоносителя, а второй вход второго термосифонного испарителя соединен с кубовой частью десорбера, выходы сепараторов для легких фракций соединены с верхней частью десорбера и/или конденсатором, выход второго сепаратора через насос для поднятия тяжелых фракций жидкости в десорбер соединен с линией питания десорбера.

Термосифонные испарители, работая совместно с сепараторами фаз с циркуляцией, позволяют уменьшить перепад температур в процессе десорбции (испарения).

Между первым сепаратором фаз и первым термосифонным испарителем происходит циркуляция насыщенного абсорбента с десорбцией легких фракций.

Между вторым сепаратором фаз и вторым термосифонным испарителем также происходит циркуляция насыщенного абсорбента с десорбцией легких фракций.

В результате увеличивается температурный напор в термосифонном испарителе и снижает температуру паров и насыщенного абсорбента. (Температурный напор - разность средних температур теплоносителя и нагреваемой среды (насыщенного абсорбента). Что приводит к углублению рекуперации тепла. Максимальная рекуперация достигается при практическом равенстве температур на первом входе термосифонного испарителя и втором его выходе.

Использование блоков предварительной десорбции (испарения) с дроссельным устройством позволяет осуществить предварительный выпар абсорбата из крепкого раствора до десорбера, и приводит к глубокой рекуперации низкопотенциального тепла.

Достижение повышенного температурного напора в термосифонном испарителе позволяет достичь его максимальную компактность.

Позволяет минимизировать недорекуперацию между крепким и слабым растворами абсорбента по абсорбату. (Недорекуперация - разность между температурами на первом входе и втором выходе термосифонного испарителя).

Снижает нагрузку на десорбер по отделению абсорбата с подачей его при повышенной концентрации на верхние тарелки (или насадку) десорбера, либо непосредственно в конденсатор.

Минимизировано использование высокотемпературного источника тепла в испарителе десорбера (газа в печах или пара высокого давления) посредством рекуперации остаточного тепла и тепловой энергии источников с меньшим температурным потенциалом.

Что в целом позволяет решить поставленную задачу.

На чертеже представлена установка с предварительной десорбцией (испарения) с глубокой рекуперацией тепла, которое включает:

дроссель 1, первый сепаратор 2, первый рекуператор 3, второй сепаратор 4, второй рекуператор 5, конденсатор 6, колонну-десорбера 7, испаритель 8, насос 9, линия подачи теплоносителя 10, линия питания десорбера 11, куб десорбера 12.

Сепараторы 2 и 4 установлены последовательно.

Установка работает следующим образом.

Перед десорбцией (или ректификацией) насыщенный жидкостной поток (крепкий раствор абсорбента по абсорбату или смесь легких и тяжелых компонентов) дросселируется в дросселе 1 и, преобразовавшись в парожидкость, поступает в сепаратор 2, где отделяются пары, отводясь через выход в верхнюю часть колонны-десорбера 7, и/или в конденсатор 6. Жидкость из сепаратора 2 направляется частью в прямоточную часть термосифонного испарителя-рекуператора 3, и на вход второго сепаратора 4, где при повышенной кратности циркуляции образуются пары (абсорбат или легкие компоненты повышенной концентрации) и уводятся верхом сепаратора 2. В данном случае под кратностью циркуляцией понимается отношение массы всей жидкости, поступающей в сепаратор 2, к количеству образовавшихся паров на выходе из термосифонного испарителя-рекуператора 3.

Вторая часть жидкости из сепаратора 2 поступает во второй сепаратор 4, работающий также совместно с термосифонным испарителем-рекуператором повышенной кратности циркуляции 5. Между сепаратором 4 с термосифонным испарителем-рекуператором 5 происходят аналогичные процессы, как между сепаратором 2 и термосифонным испарителем-рекуператором 3.

Отбор жидкости из сепаратора 4 помимо термосифонного испарителя-рекуператора 5 поступает на нижнюю часть колонны-десорбера 7. Поступившая в него жидкость, опускаясь по насадке, обедняясь абсорбатом и концентрируясь абсорбентом опускается в куб колонны-десорбера 7. Из куба десорбера 12 жидкость частью уходит в термосифонный испаритель-рекуператор 5 повышенной кратности циркуляции, где в образующихся парах присутствует повышенной содержание абсорбата относительно кубовой жидкости, и частично в испаритель 8. Пары поднимаются по насадке десорбера 7, а жидкость циркулирует через куб десорбера 7. При этом тепло циркулирующей жидкости затрачивается на частичное испарение еще в кубовом объеме остаточного абсорбата, стекающего с насадки в куб десорбера 7.

Вторая часть отбора жидкости из куба десорбера 7, являясь более нагретой относительно жидкости из сепаратора 4, поступает в противоточную полость испарителя-рекуператора 5. Здесь слабый раствор охлаждается до необходимой степени и поступает на рецикл, либо на дальнейшую переработку.

Отработавший теплоноситель (пар или газ горения) в испарителе 8 десорбера 7 подается в противоточную полость термосифонного испаритель-рекуператора 3, где охлаждаясь, отдает тепло к потоку жидкости из сепаратора 2.

Термосифонные испарители 3 и 5, работая совместно с сепараторами фаз 2 и 4 с циркуляцией, позволяют уменьшить перепад температур в процессе десорбции (испарения).

Между первым сепаратором фаз 2 и первым термосифонным испарителем 5 происходит циркуляция насыщенного абсорбента с десорбцией легких фракций.

Между вторым сепаратором фаз 4 и вторым термосифонным испарителем 5 также происходит циркуляция насыщенного абсорбента с десорбцией легких фракций.

В результате увеличивается температурный напор в термосифонном испарителе и снижает температуру паров и насыщенного абсорбента. (Температурный напор - разность средних температур теплоносителя и нагреваемой среды (насыщенного абсорбента). Что приводит к углублению рекуперации тепла. Максимальная рекуперация достигается при практическом равенстве температур на первом входе термосифонного испарителя - рекуператора и втором его выходе. Например, на первом термосифонном испарителе - рекуператоре 3 - 53°С и 55°С.

Линия подачи теплоносителя: Теплоноситель входит в испаритель 8 десорбера и поступает в термосифонный испаритель - рекуператор 3, отдав тепло, уходит на рецикл в тепловую сеть.

Линия отбора кубовой жидкости из десорбера: соединяет отбор из куба 12 с термосифонным испарителем - рекуператором 5, после этого абсорбент подается на рецикл, либо для дальнейшего использования.

Линия питания десорбера 7: включает потоки выпара из верха сепараторов фаз 2 и 4 (при необходимости удаления из паров абсорбата абсорбента), также поток насыщенного абсорбента для окончательного отделения абсорбента от абсорбата в десорбере.

Сепараторы, в зависимости от условий эксплуатации, могут устанавливаться как последовательно (в соответствии с описанным конкретным примером), так и параллельно, если это рационально с точки зрения материально-теплового баланса десорбции (ректификации).

Поднимающиеся пары абсорбата (легких компонентов смеси) по насадке колонны-десорбера 7 обедняют стекающую жидкость абсорбента легкими компонентами, при этом концентрируются и выходят в конденсатор 6 (дефлегматор, если необходимо орошение флегмой насадки десорбера 7 для повышения чистоты абсорбата). Затем жидкость из конденсатора 6 отводится на дальнейшую переработку (использование).

При наличии параллельных низкопотенциальных источников тепла (тощий абсорбент 7 и конденсат 8 в пределах рассматриваемой десорбционной системы, возможно их использование в одном из термосифонных испарителей-рекуператоров 3 - кондесат 8, или 5 - тощий абсорбент 7, либо в дополнительных парах (двойках) аппаратов Сепаратор-Рекуператор.

В описанной системе тепла не должно подводиться более, чем необходимо для извлечения абсорбата (легких компонентов смеси) при минимальном испарении абсорбента.

Идеальным случаем работы такой системы является, например, установка отделения аммиака от этаноламинов, когда в процессе предварительного выпара в термосифонном испаритель - рекуператоре 3 и термосифонном испаритель - рекуператоре 5 отделяется аммиак высокой концентрации и уводится на 6 конденсатор, а обедненный раствор насыщенного абсорбата подается на орошение всей насадки десорбера 7 без дополнительной флегмы. Вторичная конденсация этаноламинов в объеме насадки десорбера 7 обеспечивается только за счет «холода» питательного потока насыщенного абсорбента. При такой организации работы аммиак достаточно глубоко очищается, а пара высокого давления затрачивается минимальное количество - порядка 30-50% относительно работы без блоков предварительного выпаривания.

Использование заявленной установки позволяет получить следующий экономический эффект:

1. При малом росте температур испаряющихся потоков в блоках выпаривания за счет высокой кратности циркуляции сокращается недорекуперация тепла низкого потенциала, что сокращает потребление энергоносителей для десорбции (ректификации);

2. Сравнительно увеличиваются температурные напоры при теплообмене - снижается металлоемкость теплообменников, либо увеличивается энергоэффективность системы, что может минимизировать капитальные или эксплуатационные затраты;

3. Снижается стоимость энергоносителей - осуществляется переход с высокопотенциальных источников тепла на низкопотенциальные, снижая стоимость энергоносителей;

4. При использовании печей, за счет рекуперации тепла сторонних низкопотенциальных тепловых источников (например, греющего водяного пара различных уровней давления) - сокращается количество тепловых и экологически опасных выбросов, снижая тем самым оплату экологических квот;

5. При организации новых производств описанное решение снижает требования к десорберам или ректификационным колоннам, сокращая габариты и стоимость оборудования, а также затраты на проектирование, капитальное строительство и изыскательные работы.

Изобретения относятся к области очистки газовых смесей. И может быть применен как в системах с экстрактивной ректификацией или для десорберов, так и при ректификации веществ с высокой температурой кубовой жидкости. Задачей изобретения является интенсификация процесса абсорбции и повышение его эффективности путем глубокой рекуперации тепла и сокращения энерго- и капитальных затрат. Поставленная задача решается за счет того, что в установке десорбции (испарения) с глубокой рекуперацией тепла, включающей дроссельное устройство, сепараторы фаз, насос для перекачки насыщенного абсорбента, первый рекуперационный теплообменник, второй рекуперационный теплообменник, испаритель кубовой жидкости, конденсатор для конденсации легких фракций, десорбер, рекуперационные теплообменники являются термосифонными испарителями, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым сепараторами фаз, второй вход первого термосифонного испарителя соединен через испаритель с линией подачи теплоносителя, а второй вход второго термосифонного испарителя соединен с кубовой частью десорбера, выходы сепараторов для легких фракций соединены с верхней частью десорбера и/или конденсатором, выход второго сепаратора через насос для поднятия тяжелых фракций жидкости в десорбер соединен с линией питания десорбера. 1 ил.

Установка десорбци с глубокой рекуперацией тепла, включающая дроссельное устройство, сепараторы фаз, насос для перекачки насыщенного абсорбента, первый рекуперационный теплообменник, второй рекуперационный теплообменник, испаритель кубовой жидкости, конденсатор для конденсации легких фракций, десорбер, отличающаяся тем, что рекуперационные теплообменники являются термосифонными испарителями, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым сепараторами фаз, второй вход первого термосифонного испарителя соединен через испаритель с линией подачи теплоносителя, а второй вход второго термосифонного испарителя соединен с кубовой частью десорбера, выходы сепараторов для легких фракций соединены с верхней частью десорбера и/или конденсатором, выход второго сепаратора через насос для поднятия тяжелых фракций жидкости в десорбер соединен с линией питания десорбера.