Экспериментальный комплекс по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов Российский патент 2024 года по МПК C12M1/00 

Изобретение относится к нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано для исследования процессов очистки углеводородных и других газов от кислых компонентов, в основном, сероводорода и углекислого газа, абсорбцией растворами аминов с последующей их регенерацией и разработки новых абсорбентов.

Известна лабораторная установка для исследования процессов абсорбции и десорбции при атмосферном давлении и температуре до 80°С (Ida М. Bernhardsena, Cristina Perinub, Klaus J. Jensb, Diego D.D. Pintoa, Absorption and desorption study of alkylamine promoted DEEA solvents for CO₂ capture, Chemical Engineering Transaction, v. 69, 2018), дающая информацию о скорости абсорбции СО₂ растворителями и абсорбционной способности. Реактор (абсорбер/десорбер) заполнен водным раствором амина, оснащен обогревом и перемешивающим устройством.

Известна лабораторная установка, предназначенная для изучения равновесия и кинетики поглощения СО₂ в смесях аминов (Pao-Chi Chen, Selection of Mixed Amines in the CO₂ Capture Process, Journal of Carbon Research, С 2021, 7, 25). Установка включает барботажную колонну, системы подачи газа, системы подачи жидкости, системы обогрева и системы жидкостного охлаждения.

Известна пилотная установка для исследования удаления СО₂ из дымовых газов раствором моноэтаноламина (Ismael Aouini, Alain Ledoux, Lionel Estel. Pilot Plant Studies for CO₂ Capture from Waste Incinerator Flue Gas Using MEA Based Solvent, Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP Energies nouvelles, Vol.69 (2014), No. 6, pp. 1091-1104). В основе конструкции установки лежит классическая технологическая схема процесса применения алканоламина. Температура и давление идентичны спецификациям промышленного процесса, а также гидродинамическим условиям колонны и условиям массообмена. На известной установке осуществляют подачу модельного газа из баллонов через смесительный узел и обогреваемые газовые линии в абсорбционную колонну, поглощение кислых компонентов сырого газа раствором абсорбента, подогрев его в рекуперативном теплообменнике и отпарка кислых газов с парами воды в десорбере, низ которого подогревается рибойлером, отвод кислых газов с верха десорбера после конденсации кислой воды в сепараторе и возврат в рецикл регенерированного раствора амина.

Подача газа в абсорбционную колонну осуществляется смесительным агрегатом, работающим от баллонов с индивидуальными газами. Контролируемыми параметрами являются скорости потока, температуры и составы. Выбранный состав газа достигается с помощью массовых расходомеров. Сначала азотно-кислородная смесь проходит через колонну увлажнителя, где поток газа насыщен водой. Желаемая температура достигается путем регулирования расхода горячей воды. Примеси и CO₂ добавляются впоследствии из-за их высокой растворимости в воде. Электрическая трассировка поддерживает температуру газового потока и предотвращает образование конденсата между увлажнителем и абсорбционными колоннами.

Известна установка для очистки газа от кислых компонентов (С. Y. Yang, Н. G. Chang, J. L. Hel. Selective Absorption of H₂S from Gas Mixtures Contains CO₂ into New Sterically Hindered Amine DTBP for Natural Gas Purification, Chemistry and Engineering (IWMCE 2018), pages 456-465) с помощью которой осуществляют поглощение кислых компонентов подаваемым на орошение абсорбера водным раствором нового затрудненного алканоламина, с последующей регенерацией насыщенного раствора в десорбере путем контакта насыщенного абсорбента в противотоке с восходящими парами, получаемыми в результате нагрева нижней части десорбера электронагревателем, последующую рекуперацию этого тепла в теплообменнике потоком насыщенного амина, а также подачу на орошение абсорбера регенерированного водного раствора абсорбента, отводимого с низа десорбера.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является экспериментальная абсорбционная установка (Chikezie Nwaoha, Paitoon Tontiwachwuthikul, Abdelbaki Benamor. CO₂ capture from water-gas shift process plant: Comparative bench-scale pilot plant investigation of MDEA-PZ blend vs novel MDEA activated by 1,5-diamino-2-methylpentane. International Journal of Greenhouse Gas Control 82 (2019) 218-228), контакт газа с жидкостью в которой обеспечивается 14 элементами лабораторных структурированных упаковок (LDX Sulzer от Sulzer Chemtech Ltd., Швейцария), вставленных в аппарат колонного типа. Кроме абсорбера установка включает баллон с источником модельного газа, N₂ с CO₂ в равных объемных долях, сатуратор воды, емкости и насосы для регенерированного и насыщенного раствора амина, инфракрасный аналитический блок на базе ПК, запорно-регулирующую аппаратуру и измерительные приборы.

Недостатками известных установок является ограниченность функциональных возможностей установок и невозможность проведения всего комплекса исследований для разработки состава абсорбента, в частности, для лабораторных установок - ограниченность параметров работы и проведение испытаний в условиях, отличных от промышленных; для стендовых - необходимость одновременной работы абсорбционной и десорбционной колонн, исключающая независимую их работу, обусловленная наличием узла рекуперации тепла регенерированного абсорбента, а также наличие единственного места подачи абсорбента только в верхнюю точку абсорбера, что с исследовательской точки зрения ограничивает возможности варьирования таким параметром как время пребывания реагентов в зоне контакта.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка экспериментального комплекса для исследования процессов очистки технологических газов от кислых компонентов, позволяющего расширить диапазон решаемых исследовательских задач.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности исследования процессов абсорбционной очистки технологических газов, а также расширение функциональных возможностей за счет возможности проводить одновременно два параллельных эксперимента как с одинаковыми, так и с различными составами раствора абсорбента на одной модельной газовой смеси, что позволяет провести одномоментный сравнительный анализ исследованных рецептур абсорбентов, выбрать наиболее эффективные композиции и одновременно провести испытания выбранных композиций абсорбентов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что экспериментальный комплекс по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов, включает блок управления, аналитический блок, соединительные трубопроводы, снабженные запорно-регулирующей арматурой, измерительной аппаратурой, пробоотборными кранами, лабораторную установку, стендовую установку. Лабораторная установка содержит санитарную колонну, оснащенную насосом, первую и вторую калиброванные емкости, смесительный узел, оснащенный регуляторами расхода газа, две независимые линии абсорберов, каждая из которых включает абсорбер, оснащенный барботером и электронагревателем, и регулятор давления. Стендовая установка содержит абсорбционную колонну, десорбционную колонну, первую, вторую, третью емкости с абсорбентом и емкость с раствором щелочи, сепаратор, экспанзер, первый, второй и третий теплообменники, смесительный узел, плунжерный и мембранный насосы. При этом смесительный узел лабораторной установки подключен параллельно к первым входам первого и второго абсорберов, выходы абсорберов через регуляторы давления совместно подключены к нижней части санитарной колонны, первая калиброванная емкость подключена к второму входу одного абсорбера, вторая калиброванная емкость подключена к второму входу другого абсорбера. Выход смесительного узла стендовой установки подключен к первому входу абсорбционной колонны, первый выход которой через сепаратор подключен к емкости с раствором щелочи, а второй выход подключен к входу экспанзера. Первый выход экспанзера через третий теплообменник подключен параллельно к входам второй и третьей емкостей с абсорбентом, а второй выход экспанзера подключен к емкости с раствором щелочи. Выход второй емкости с абсорбентом через мембранный насос и третий теплообменник подключен параллельно к входам второй емкости с абсорбентом, третьей емкости с абсорбентом и десорбционной колонны, первый выход которой через второй теплообменник подключен параллельно к входам второй и третьей емкостей с абсорбентом, а второй выход подключен к емкости с щелочью. Выходы первой и третьей емкостей с абсорбентом совместно через плунжерный насос и первый теплообменник подключены параллельно ко второму, третьему и четвертому входам абсорбционной колонны.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема лабораторной установки, входящей в состав экспериментального комплекса по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов.

На фиг. 2 - принципиальная схема стендовой установки, входящей в состав экспериментального комплекса по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов.

Предлагаемый экспериментальный комплекс содержит лабораторную установку, предназначенную для определения абсорбционной емкости абсорбентов, скорости абсорбции и десорбции, стендовую установку, предназначенную для проведения испытаний в условиях, приближенных к промышленным, блок управления на базе программируемого логического контроллера с возможностью задания/изменения и контроля параметров на персональном компьютере (на фигурах не показан), аналитический блок, включающий хроматографы для определения состава газов и эксплуатационных характеристик абсорбента (на фигурах не показан) на основании данных, полученных в процессе проведения эксперимента на лабораторной и стендовой установках, соединительные трубопроводы, снабженные:

- запорно-регулирующей арматурой, выполненной в виде шаровых запорных кранов (на фигурах не показаны);

- измерительной аппаратурой: измерители давления, измерители температуры, расходомеры (на фигурах не показаны);

- пробоотборными игольчатыми кранами (на фигурах не показаны). Лабораторная установка включает:

- смесительный узел 1, оснащенный регуляторами расхода газа;

- две независимые линии абсорберов для исследования процесса очистки модельного газа от кислых примесей, одна из которых включает первый абсорбер 2, оснащенный барботером и хомутовым электронагревателем, механический мембранный регулятор давления «до себя» 3, другая - второй абсорбер 4, оснащенный барботером и хомутовым электронагревателем, механический мембранный регулятор давления «до себя» 5;

- санитарную колонну 6, орошаемую раствором щелочи, предназначенную для очистки отходящего из абсорберов газа, оснащенную насосом, для подачи раствора щелочи из нижней части в верхнюю часть колонны;

- первую калиброванную емкость 7 для хранения и подачи абсорбента, снабженную визуальным уровнемером;

- вторую калиброванную емкость 8 для хранения и подачи абсорбента, снабженную визуальным уровнемером.

При этом смесительный узел 1 подключен параллельно к первым входам первого и второго абсорберов 2, 4, соответственно. Выходы абсорберов 2, 4 через механический мембранный регулятор давления 3 и механический мембранный регулятор давления 5, соответственно, совместно подключены к нижней части санитарной колонны 6. Первая 7 и вторая 8 калиброванные емкости подключены к вторым входам абсорберов 2, 4, соответственно.

Лабораторная установка заключена в корпус, выполненный из оргстекла, и снабжена собственной вентиляцией. Стендовая установка включает:

- трехсекционную абсорбционную насадочную колонну 9, представляющую собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из трех царг, оголовка и куба, соединенных между собой при помощи воротниковых фланцев, снабженную регулятором давления и регулятором расхода газа;

- десорбционную насадочную колонну 10, оснащенную блоками тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительными устройствами и патрубками ввода и вывода теплоносителя или хладагента в каждой секции;

- емкость 11 со свежим абсорбентом;

- емкость 12 с насыщенным абсорбентом;

- емкость 13 с регенерированным абсорбентом, при этом все три емкости оснащены уровнемерами и двухпоплавковыми сигнализаторами уровня;

- сепаратор 14;

- экспанзер 15;

- первый теплообменник «жидкость-жидкость» 16 для подогрева абсорбента;

- второй теплообменник «жидкость-жидкость» 17 для охлаждения регенерированного абсорбента;

- третий теплообменник «жидкость-жидкость» 18 для нагрева абсорбента, подаваемого в десорбционную колонну 10;

- смесительный узел 19, снабженный регуляторами расхода газа, дожимным компрессором, вакуумным насосом, азотной ловушкой;

- дозирующий плунжерный насос 20;

- дозирующий мембранный насос 21;

- емкость 22 с раствором щелочи.

При этом выход смесительного узла 19 подключен к первому входу абсорбционной колонны 9, первый выход которой через сепаратор 14 подключен к емкости со щелочью 22, а второй выход - к входу экспанзера 15, первый выход которого через третий теплообменник 18 подключен параллельно к входам второй 12 и третьей 13 емкостей с абсорбентом, а второй выход экспанзера 15 подключен к емкости со щелочью 22. Выход второй емкости с абсорбентом 12 через мембранный насос 21 и третий теплообменник 18 подключен параллельно к входам второй емкости с абсорбентом 12, третьей емкости с абсорбентом 13 и десорбционной колонны 10, первый выход которой через второй теплообменник 17 подключен параллельно к входам второй 12 и третьей 13 емкостей с абсорбентом, а второй выход подключен к емкости со щелочью 22. Выходы первой 11 и третьей 13 емкостей с абсорбентом совместно через плунжерный насос 20 и первый теплообменник 16 подключены параллельно к второму, третьему и четвертому входам абсорбционной колонны 9 (к входу каждой из трех секций).

Предлагаемый экспериментальный комплекс работает следующим образом.

В смесительном узле 1 лабораторной установки приготавливают модельную газовую смесь из азота (N₂) и углекислого газа (CO₂) и кислых компонентов (H₂S, COS, CS₂, RSH), подаваемых из соответствующих баллонов. Соответствие состава испытуемой газовой смеси программе экспериментальных работ контролируется при помощи газового хроматографа, входящего в состав аналитического блока.

Приготовленная для исследования модельная газовая смесь направляется в барботеры абсорберов 2 и 4, в которых находится предварительно приготовленный раствор абсорбента. Расход модельной газовой смеси через барботеры стабилизируется механическими мембранными регуляторами давления 3, 5 и контролируется расходомерами газа на выходе из абсорберов 2 и 4. Заданная температура в абсорберах 2 и 4 поддерживается с помощью электронагревателей.

Процесс ведется до достижения равновесия, когда стабилизируется состав газа, исходящего из абсорберов 2, 4, который контролируется при помощи газового хроматографа, входящего в состав аналитического блока. После окончания процесса осуществляется отбор проб абсорбента из абсорберов 2, 4 через пробоотборные игольчатые краны с последующим анализом на хроматографическом оборудовании, входящем в состав аналитического блока.

Отводимый из абсорберов 2, 4 газ направляется в санитарную колонну 6. Лабораторная установка позволяет определить абсорбционную способность абсорбентов в различных термобарических условиях, константы скорости реакции, максимальную степень насыщения абсорбента, теплоту абсорбции и десорбции, позволяет провести сравнительный анализ разработанных рецептур абсорбентов, выбрать наиболее эффективные композиции.

Наиболее эффективные композиции абсорбентов, отобранные по результатам испытаний на лабораторной установке, подвергаются комплексу испытаний на стендовой установке.

Для проведения экспериментов на стендовой установке готовят модельную газовую смесь в смесительном узле 19 стендовой установки путем подачи газа N₂ и CO₂ из соответствующих баллонов.

Одновременная работа абсорбционной колонны 9 и десорбционной колонны 10.

Модельную газовую смесь подают в нижнюю часть абсорбционной колонны 9 из смесительного узла 19 через шаровой кран с предварительным подогревом до требуемой температуры в электронагревателе и контролем температуры термопарой. Рабочее давление в абсорбционной колонне 9 поддерживают регулятором давления и регулятором расхода газа.

Свежий абсорбент из первой емкости 11 или регенерированный из третьей емкости 13 подогревается в первом теплообменнике 16 и поступает на любую царгу абсорбционной колонны 9. Модельный газ проходит слой насадки абсорбционной колонны 9, орошаемой раствором абсорбента. Очищенный газ на выходе из абсорбционной колонны 9 после сепаратора 14 поступает на доочистку в четвертую емкость 22 с раствором щелочи и сбрасывается в атмосферу. Контроль за составом очищенного газа осуществляется путем отбора пробы перед сепаратором 14 с последующим анализом на газовом хроматографе аналитического блока.

Выходящий из нижней части абсорбционной колонны 9 под контролем сигнализатора уровня насыщенный абсорбент поступает в экспанзер 15, затем подогревается в третьем теплообменнике 18 до температуры ≤110°С и при открытой линии поступает на регенерацию в десорбционную колонну 10. Движущей силой десорбции кислых компонентов из раствора абсорбента служит изменение термобарических условий: повышение температуры и снижение давления. Абсорбент нагревается в кубе десорбционной колонны 10 до температуры ≤130°С с помощью нагревателя. Отводимый из куба десорбционной колонны 10 под контролем сигнализатора уровня регенерированный абсорбент проходит второй теплообменник 17 и поступает в третью емкость 13 для повторного использования при проведении эксперимента.

Экспанзерный газ с верха экспанзера 15 отбирается на анализ в проточный пробоотборник, присоединяемый к игольчатому крану, и далее направляется на очистку в четвертую емкость 22 и сбрасывается в атмосферу. Кислый газ после десорбционной колонны 10 отбирается на анализ и далее направляется на очистку в четвертую емкость 22 и сбрасывается в атмосферу.

Отбор абсорбентов для анализа производится из первой емкости 11 свежего и из третьей емкости 13 регенерированного абсорбента.

Обвязка схемы стендовой установки позволяет проводить работу на каждой из колонн 9, 10 независимо от другой.

Работа абсорбционной колонны 9 без десорбционной колонны 10.

Контроль за составом очищенного газа осуществляется путем отбора пробы перед сепаратором 14 с последующим анализом на газовом хроматографе аналитического блока При работе только абсорбционной колонны 9 раствор абсорбента в колонну 9 может подаваться как свежий из первой емкости 11, так и регенерированный из третьей емкости 13. Процесс абсорбции протекает так же, как и при работе совместно с десорбционной колонной 10. Насыщенный абсорбент после прохождения выключенного третьего теплообменника 18 проходит второй теплообменник 17 и поступает во вторую емкость 12 для повторного использования при проведении эксперимента.

Работа десорбционной колонны 10 без абсорбционной колонны 9.

При работе только десорбционной колонны 10 раствор насыщенного абсорбента, запасенного во второй емкости 12 на предыдущей стадии работы абсорбционной колонны 9, проходит через дозирующий насос 21, нагревается в третьем теплообменнике 18 до температуры ≤110°С и с давлением 0,2 МПа поступает в верхнюю часть десорбционной колонны 10. Процесс десорбции протекает так же, как и при совместной работе с абсорбционной колонной 9. Регенерированный абсорбент при выходе с куба десорбционной колонны 10 охлаждается во втором теплообменнике 17 и поступает в третью емкость 13 для дальнейшего использования в проведении эксперимента.

Преимуществом лабораторной установки является наличие двух независимых линий абсорберов, что позволяет проводить одновременно два параллельных эксперимента как с одинаковыми, так и с различными составами раствора абсорбента на одной модельной газовой смеси при одинаковых или разных термобарических условиях и обеспечивает повышение вариабельности сочетания исследуемых параметров.

В стендовой установке раствор абсорбента может подаваться на верх любой из трех царг абсорбционной колонны 9, обеспечивая различное заданное время пребывания абсорбента в зоне контакта с очищаемым газом. Благодаря схеме обвязки трубопроводов и емкостей для абсорбента, независимой системе подогрева насыщенного абсорбента абсорбционная 9 и десорбционная 10 колонны стендовой установки могут работать как совместно, так и каждая самостоятельно.

Предлагаемый экспериментальный комплекс представляет собой исследовательский комплекс, объединенный единым алгоритмом эксперимента, позволяющий осуществить процесс исследования процессов абсорбционной очистки технологических газов с высокой эффективностью.

Изобретение относится к нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности. Экспериментальный комплекс по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов включает блок управления, аналитический блок, соединительные трубопроводы, снабженные запорно-регулирующей арматурой, измерительной аппаратурой, пробоотборными кранами, лабораторную установку, содержащую санитарную колонну, оснащенную насосом, первую и вторую калиброванные емкости, смесительный узел, оснащенный регуляторами расхода газа, две независимые линии абсорберов, каждая из которых включает абсорбер, оснащенный барботером и электронагревателем, и регулятор давления, стендовую установку, содержащую абсорбционную колонну, десорбционную колонну, первую, вторую, третью емкости с абсорбентом и емкость с раствором щелочи, сепаратор, экспанзер, первый, второй и третий теплообменники, смесительный узел, плунжерный и мембранный насосы. Изобретение обеспечивает повышение эффективности исследования процессов абсорбционной очистки технологических газов, а также расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Экспериментальный комплекс по исследованию процессов абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов, включающий блок управления, аналитический блок, соединительные трубопроводы, снабженные запорно-регулирующей арматурой, измерительной аппаратурой, пробоотборными кранами, лабораторную установку, содержащую санитарную колонну, оснащенную насосом, первую и вторую калиброванные емкости, смесительный узел, оснащенный регуляторами расхода газа, две независимые линии абсорберов, каждая из которых включает абсорбер, оснащенный барботером и электронагревателем, и регулятор давления, стендовую установку, содержащую абсорбционную колонну, десорбционную колонну, первую, вторую, третью емкости с абсорбентом и емкость с раствором щелочи, сепаратор, экспанзер, первый, второй и третий теплообменники, смесительный узел, плунжерный и мембранный насосы, при этом смесительный узел лабораторной установки подключен параллельно к первым входам первого и второго абсорберов, выходы абсорберов через регуляторы давления совместно подключены к нижней части санитарной колонны, первая калиброванная емкость подключена к второму входу одного абсорбера, вторая калиброванная емкость подключена к второму входу другого абсорбера, выход смесительного узла стендовой установки подключен в первому входу абсорбционной колонны, первый выход которой через сепаратор подключен к емкости с раствором щелочи, а второй выход подключен к входу экспанзера, первый выход которого через третий теплообменник подключен параллельно к входам второй и третьей емкостей с абсорбентом, а второй выход экспанзера подключен к емкости с раствором щелочи, выход второй емкости с абсорбентом через мембранный насос и третий теплообменник подключен параллельно к входам второй емкости с абсорбентом, третьей емкости с абсорбентом и десорбционной колонны, первый выход которой через второй теплообменник подключен параллельно к входам второй и третьей емкостей с абсорбентом, а второй выход подключен к емкости с щелочью, выходы первой и третьей емкостей с абсорбентом совместно через плунжерный насос и первый теплообменник подключены параллельно ко второму, третьему и четвертому входам абсорбционной колонны.