Абсорбер и абсорбент для удаления кислых газов из газообразного углеводородсодержащего сырья Российский патент 2023 года по МПК B01D53/18 B01D53/62 

Изобретение относится к области технологии очистки газообразного сырья (природный газ, ПНГ, биогаз, углеводородсодержащие газы, абгазы, атмосферные выбросы, дымовые газы, газовые среды и т.д.) от углекислого газа и может быть использовано при очистке любого газообразного углеводородного сырья от углекислого газа.

В дальнейшем при характеристике разработанного технического решения будет использована фраза «контактные диски с гофрами установлены так, что их поверхности равноудалены друг от друга». В рамках настоящей заявки это означает, что контактные диски установлены на вращающемся вале параллельно друг другу на равном расстоянии.

Известно (RU, патент 2689620, опубл. 28.05.2019) устройство извлечения СО₂ из газового потока, содержащее абсорбционную колонну СО₂, выполненную с возможностью удаления СO₂ путем приведения СО₂ в отработавшем газе, который введен через линию выпуска отработавшего газа и смешан с высвобожденным газом, и жидкости, абсорбирующей СO₂, в контакт друг с другом; колонну регенерации жидкости, абсорбирующей СО₂, выполненную с возможностью регенерации обогащенного раствора, содержащего абсорбированный СO₂ посредством водяного пара ребойлера; линию подачи обогащенного раствора для отбора обогащенного раствора из абсорбционной колонны СО₂ и ввода обогащенного раствора в колонну регенерации жидкости, абсорбирующей СО₂; линию подачи обедненного раствора для отбора обедненного раствора из колонны регенерации жидкости, абсорбирующей СО₂, ввода обедненного раствора в абсорбционную колонну СО₂ и повторного использования обедненного раствора в качестве жидкости, абсорбирующей СО₂, при этом обедненный раствор регенерирован в колонне регенерации жидкости, абсорбирующей СО₂, и из него высвобожден СO₂; и третий регенератор, выполненный с возможностью регенерации обедненного раствора путем отбора обедненного раствора из линии подачи обедненного раствора.

В качестве абсорбента СО₂ использован водный раствор аминов. Недостатком известного технического решения следует признать сложность конструкции абсорбера, а также использование токсичного абсорбента.

Известен также (RU, патент 2406559, опубл. 20.12.2010) способ очистки углеводородного газа от сероводорода в присутствии диоксида углерода, включающий его подачу на установку, содержащую технологическое оборудование - абсорбер и сепаратор, путем направления углеводородного газа в абсорбер для контактирования с абсорбентом - растворами сульфата железа и аммиака, с последующей сепарацией, при этом дополнительно углеводородный газ перед подачей в абсорбер пропускают через сепаратор и вводят в него абсорбент, контактирование осуществляют в прямоточном абсорбере, выполненном в виде вертикальной пустотелой трубы, снабженной двумя отводами в виде нижнего и верхнего колена, предельное время контакта абсорбента с углеводородным газом составляет 20 мин, а углеводородного газа с абсорбентом не превышает 2 с, причем в качестве раствора сульфата железа используют раствор сульфата двухвалентного железа.

Недостатками изобретения являются: низкая эффективность абсорбции сероводорода в пустотелом прямоточном абсорбере из-за малого времени контакта очищаемого газа с абсорбентом, при котором число теоретических тарелок не превышает 2-3 и энергозатратность регенерации абсорбента.

Известен (RU, патент 2733774, опубл. 06.10.2020) способ выделения диоксида углерода из дымовых газов, включающий стабилизацию их температуры на уровне 250-350°С, очистку от оксидов азота с использованием восстановительного компонента на оксидном вольфрамо-ванадиевом катализаторе, абсорбцию и десорбцию углекислого газа этаноламинной композицией, очистку и регенерацию абсорбента от продуктов коррозии и деградации, компримирование газообразного диоксида углерода с последующим его охлаждением, осушкой и переводом в сжиженное состояние, причем очистку от оксидов азота осуществляют за счет гетерогенного селективного катализа на оксидном вольфрамо-ванадиевом катализаторе, а в качестве абсорбента диоксида углерода выступает композиция, включающая метилдиэтаноламин, активатор процесса хемосорбции пиперазин и ингибитор коррозии технологического оборудования ИКФ-1, взятые в соотношении 7:(1-3):(0,01-0,03).

Для реализации указанного способа предложено использовать устройство, содержащее последовательно размещенные теплообменник стабилизации температуры дымового газа и нейтрализатор содержащихся в нем оксидов азота, причем в качестве нейтрализатора используют проточный каталитический реактор с волокнисто-керамическим носителем блочного типа на основе ТiO₂ с нанесенными на него V₂O₅ и WO₃, при этом реактор связан с узлом охлаждения получаемого очищенного газового потока, газодувкой и системой абсорберов, состоящей из параллельно размещенных двухсекционных аппаратов, снабженных колпачковыми и ситчатыми тарелками в верхней и нижней частях соответственно, при этом насыщенный углекислым газом абсорбент подают насосом через теплообменник в десорбер газа с выносным или встроенным теплообменником и далее в кипятильник-конденсатор, холодильник и аппарат очистки абсорбента от смол и продуктов коррозии, а выходящий из десорбера газообразный диоксид углерода направляют в компрессор, холодильник, блок осушки и на линию ожижения, включающую конденсатор, холодильную машину с винтовым компрессором и емкость для жидкого углекислого газа.

Недостатком известного технического решения следует признать сложность технологического процесса и используемого оборудования, использование токсичного абсорбента, а также невысокое качество очистки.

Техническая задача, решаемая на основе разработанного изобретения, состоит в создании технического решения для очистки газовых потоков от примесей углекислого газа, на основе физической абсорбции СО₂, не требующей расхода химических реагентов и/или регенерации хемосорбентов.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного решения, состоит в очистке газа путем абсорбции физическим абсорбентом в дисковых пленочных абсорберах разработанной конструкции без регенерации абсорбента.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать абсорбер для удаления СО₂ из газообразного сырья разработанной конструкции. Указанный абсорбер содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода очищаемого газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкого абсорбента, по продольной оси корпуса установлен с возможностью вращения вал, на котором размещены контактные диски с отверстиями, установленные с зазором относительно корпуса, вала и друг друга с возможностью частичного погружения в жидкий абсорбент с обеспечением совместного формирования течения потоков очищаемого газа и жидкого абсорбента, причем каждый контактный диск выполнен с отверстиями, в которых расположены направляющие для формирования направленного потока газа, по внешнему диаметру контактных дисков с обеих сторон установлены уплотнения.

В некоторых вариантах реализации абсорбера на контактных дисках дополнительно выполнены кольцевые гофры, при этом контактные диски с гофрами установлены так, что их поверхности равноудалены друг от друга.

Также указанный технический результат достигается при использовании разработанного абсорбента для удаления СО₂ из газообразного углеводородсодержащего сырья, дымовых и прочих газов путем растворения СО₂ без хемосорбции или образования побочных продуктов связывания СО₂. В качестве указанного абсорбента использована вода (или любой физический абсорбент, растворяющий СО₂ без образования продуктов связывания, хемосорбции), при этом расход воды задан производительностью процесса по сырью и СO₂, а также числом циклов короткоцикловой абсорбции/десорбции СО₂. Частные случаю расхода воды приведены в табл. 1

Предпочтительно, технологическая линия, предназначенная для очистки газообразного сырья в минимальной комплектации содержит два последовательно соединенных дисковых пленочных аппаратов разработанной конструкции, обеспечивающие циркуляцию абсорбента между ними, причем первый аппарат (абсорбер) выполняет функцию удаления СO₂ из газообразного сырья, а второй, десорбер, обеспечивает десорбцию СО₂ из отработанного абсорбента, абсорбировавшего СО₂ в первом абсорбере.

Очистку сырья проводят в разработанном абсорбере. Абсорбер характеризуется тем, что содержит вращающиеся контактные диски, установленные на вращающемся валу параллельно друг другу и на равном расстоянии друг от друга. Способ предусматривает физическую абсорбцию и десорбцию СО₂ в разработанных контактных устройствах, в абсорбере очистки физическим абсорбентом, циркулирующим между абсорбером и десорбером.

Работа указанной технологической линии предусматривает очистку газообразного сырья от примесей СO₂ в дисковом пленочном абсорбере путем физической абсорбции жидким абсорбентом. Очистка основана на использовании физической абсорбции СO₂, не сопровождающейся хемосорбцией и образованием каких-либо побочных продуктов связывания СO₂ абсорбентом.

На входы первого абсорбера поступает очищаемый газ и насосом подают физический абсорбент. С выхода абсорбера выходит очищенный газ, отработанный абсорбент поступает в десорбер на десорбцию СО₂. Десорбция СО₂ происходит за счет массообмена газ-жидкость в дисковом пленочном десорбере. С выхода десорбера выходит газообразный СО₂, и абсорбент возвращается в цикл очистки газа, на вход абсорбера.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную установку очистки газообразного сырья- от углекислого газа.

Разработанная установка содержит, как минимум, один абсорбер очистки газа от СO₂, и, как минимум, один десорбер очистки абсорбента от примесей абсорбированного в абсорбере СO₂. При этом установка содержит, по крайней мере, средства подачи в абсорбер очищаемых газообразных сред и насосное оборудование подачи абсорбента.

Степень удаления СО₂ из газа, как показано в примерах реализации способа, составляет до 96% и более %, в случае необходимости.

Для очистки газообразное сырье поступает на вход абсорбера, туда же насосом подают абсорбент. В ходе массообмена газ-жидкость в дисковом пленочном абсорбере СО₂ переходит из состава газа в состав абсорбента. Очищенный газ с выхода реактора поступает потребителю. Абсорбент с абсорбированным в абсорбере углекислым газом подают на десорбцию СО₂ в десорбер. С выхода десорбера абсорбент подают на вход абсорбера. Абсорбент используют в замкнутом цикле абсорбции/десорбции СО₂, протекающих в абсорбере/десорбере соответственно.

В дальнейшем сущность и преимущества разработанного технического решения будут рассмотрены с использованием примеров реализации.

Пример 1. Очистка газа с удалением 86% СO₂, один цикл абсорбции/десорбции СО₂.

В абсорбер подают метан, содержащий 10% СО₂, и абсорбент -воду. Давление газа 3 МПа, температура 16°С, расход абсорбента 150 м³/ч. На выходе абсорбера содержание СО₂ в метане составляет 1,4%. Степень очистки 86%. Газ подают потребителю. Абсорбент с перешедшим в его состав углекислым газом поступает с выхода абсорбера на вход десорбера. После десорбции СО₂ абсорбент возвращается в голову процесса, на вход абсорбера.

Пример 2. Очистка газа с удалением 96% СО₂ при использовании двух циклов абсорбции/десорбции СО₂.

На вход абсорбера 1 поступает газ с содержанием СO₂ 10% и абсорбент - вода. Первый цикл абсорбции СО₂ реализуется в условиях примера 1. На выходе абсорбера 1 содержание СО₂ в газе 1,4%, и газ с выхода абсорбера 1 подается на вход абсорбера 2. Абсорбент на вход абсорбера 2 поступает с выхода десорбера 1. На выходе абсорбера 2 содержание СO₂ в газе равно 0,4%, и газ поступает потребителю. Абсорбент с выхода абсорбера 1 с перешедшим в его состав СО₂ поступает на вход десорбера 1. С выхода десорбера 1 абсорбент после удаления СO₂ поступает на вход десорбера 2. С выхода десорбера 2 абсорбент возвращается в голову процесса, на вход абсорбера 1.

Технический результат реализации способа состоит в удалении 85-96% СО₂. Результат достигнут за счет использования физического абсорбента, обеспечивающего селективную сорбцию углекислого газа из метана. Примеси метана в абсорбенте на выходе абсорбера отсутствуют. Конструкция массообменного аппарата (дискового пленочного абсорбера) обеспечивает количественную десорбцию СO₂ в десорбере, удаление абсорбата для возврата абсорбента в цикл очистки газа.

Преимущество способа состоит в упрощении десорбции СО₂ относительно регенерации амина в рамках т.н. аминовой очистки газа от СO₂ за счет снижения температуры и отсутствия побочных продуктов деструкции абсорбента Результаты реализации способа приведены в табл. 1, 2.

Изобретение относится к области технологии очистки газообразного сырья от углекислого газа и может быть использовано при очистке любого газообразного углеводородного сырья от углекислого газа. Абсорбер содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода очищаемого газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкого абсорбента - воды. По продольной оси корпуса установлен с возможностью вращения вал, на котором размещены контактные диски с отверстиями, установленные с зазором относительно корпуса, вала и друг друга с возможностью частичного погружения в жидкий абсорбент с обеспечением совместного формирования течения потоков очищаемого газа и жидкого абсорбента. Каждый контактный диск выполнен с отверстиями, в которых расположены направляющие для формирования направленного потока газа. По внешнему диаметру контактных дисков с обеих сторон установлены уплотнения. Обеспечивается очистка газа путем абсорбции физическим абсорбентом в дисковых пленочных абсорберах разработанной конструкции без регенерации абсорбента. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Абсорбер для удаления углекислого газа из газообразного углеводородсодержащего сырья, отличающийся тем, что он содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода очищаемого газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкого абсорбента, по продольной оси корпуса установлен с возможностью вращения вал, на котором размещены контактные диски с отверстиями, установленные с зазором относительно корпуса, вала и друг друга с возможностью частичного погружения в жидкий абсорбент с обеспечением совместного формирования течения потоков очищаемого газа и жидкого абсорбента, причем каждый контактный диск выполнен с отверстиями, в которых расположены направляющие для формирования направленного потока газа, по внешнему диаметру контактных дисков с обеих сторон установлены уплотнения.

2. Абсорбер по п. 1, отличающийся тем, что на контактных дисках выполнены кольцевые гофры, при этом контактные диски с гофрами установлены так, что их поверхности равноудалены друг от друга.

3. Абсорбент для удаления углекислого газа из газообразного углеводородсодержащего сырья в абсорбере по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой воду, при этом расход воды задан производительностью процесса по сырью и СО₂, а также числом циклов короткоцикловой абсорбции/десорбции СО₂.