Способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления Российский патент 2024 года по МПК B01D53/00 

Изобретение относится к адсорбционной очистке природного газа высокого давления и может быть использовано на предприятиях газовой промышленности, например, при подготовке природного газа к транспортировке по магистральным трубопроводам или при производстве сжиженного природного газа.

Очистка природного газа может осуществляться рядом методов, но глубокая осушка и очистка природного газа в промышленности реализуется преимущественно адсорбционным методом. Как правило, адсорбционная очистка природного газа осуществляется на установках адсорбционной очистки в системе нескольких адсорбционных аппаратов со стационарным слоем адсорбента с периодическим переключением аппаратов на стадии адсорбционной очистки газа, регенерации адсорбента и последующего охлаждения горячего регенерированного адсорбента до температуры стадии адсорбции, при этом на различных стадиях процесса давление существенно различается.

Известна система уравнивания давления для очистки при разделении воздуха и способ управления, которая содержит: первую воздушную магистраль; трубопровод создающего давление газа, который соединен с первой воздушной магистралью и используется для приема создающего давление газа и подачи его в первую воздушную магистраль; и регулирующий клапан, расположенный на трубопроводе создающего давление газа и имеющий степень открывания, регулируемую регулятором расхода, посредством которого регулируется количество газа, поступающего в трубопровод создающего давление газа; для уравнивания давления в адсорбере используется сухой азот; в процессе входа в стадию адсорбции из стадии регенерации создающий давление сухой азот, используемый на этапе уравнивания давления, предварительно смешивается с влажным воздухом из главного воздушного компрессора перед поступлением в адсорбер таким образом, что газовые составляющие, протекающие в направлении холодного отсека разделения воздуха, остаются по существу неизменными с целью уменьшения нарушений условий поступления газа в ректификационную колонну для участия в ректификации вследствие постепенного изменения газовой составляющей с сухого азота на сухой воздух, что тем самым стабилизирует условия процесса (патент RU 2754881 С1, МПК F25J 3/04, заявлен 05.11.2020, опубликован 08.09.2021). Недостатками изобретения являются:

• использование в системе дополнительного агента азота, что требует наличия дополнительной аппаратуры;

• необходимость использовать осушенный азот;

• сухой азот, используемый на этапе уравнивания давления, предварительно смешивается с влажным воздухом из главного воздушного компрессора перед поступлением в адсорбер, приводя к снижению концентрации влаги в смешанном потоке, подвергаемом далее осушке в адсорбере, что по закону Генри снижает активность адсорбента по влаге и опосредованно приводит к увеличению загрузки адсорбента в адсорбер и размеров аппарата.

Известен способ адсорбционной осушки и очистки природного газа от серосодержащих компонентов после дожимной компрессорной станции перед подачей природного газа в магистральный газопровод, включающий циклически повторяющиеся стадию адсорбционной осушки и очистки природного газа, стадию регенерации адсорбента горячим очищенным природным газом и стадию охлаждения адсорбента частью холодного очищенного природного газа, отличающийся тем, что часть очищенного природного газа после использования на стадии охлаждения адсорбента подвергают рекуперативному теплообмену, нагреву в печи и далее используют в качестве газа регенерации на стадии регенерации адсорбента, после стадии регенерации адсорбента газ регенерации, содержащий десорбированные примеси, охлаждают в первом блоке адсорбционной осушки и очистки природного газа и направляют во второй дополнительный блок адсорбционной очистки газа регенерации, во втором дополнительном блоке адсорбционной очистки газа регенерации циклически реализуют стадию адсорбции примесей, стадию регенерации адсорбента и стадию охлаждения адсорбента, при этом на стадии адсорбции примесей из газа регенерации первого блока адсорбционной осушки и очистки природного газа извлекают десорбированные примеси, очищенный газ регенерации возвращают на рецикл в очищаемый природный газ, а стадию регенерации адсорбента осуществляют горячим очищенным природным газом в две фазы: во время первой фазы газ регенерации с пиковым количеством десорбированных примесей сбрасывают на факел, во время второй фазы газ регенерации направляют на рецикл в очищаемый природный газ - в обоих случаях газ регенерации предварительно охлаждают и отделяют конденсат (патент RU 2717052 С1, МПК B01D 53/26, заявлен 30.12.2019, опубликован 17.03.2020). Недостатком изобретения является отсутствие проработанной системы обеспечения переключения адсорберов с одной стадии на другую (стадии адсорбции примесей, регенерации адсорбента и охлаждения адсорбента) при помощи клапанных устройств, так как не указаны тип клапанных устройств и позиция их размещения на соответствующих трубопроводах, что может привести к снижению глубины осушки природного газа из-за смешивания разных потоков в процессе переключения адсорберов.

Известен способ осушки и очистки газа, основанный на короткоцикловой безнагревной адсорбции, включающий адсорбцию очищаемых компонентов, регенерацию адсорбента, проводимую путем снижения давления газа в адсорбере, продувки адсорбента очищенным и осушенным газом под низким давлением и повышением давления газа в адсорбере до рабочего значения после регенерации, отличающийся тем, что продувочный газ при снижении давления разделяют на горячий и холодный потоки в вихревой трубке, продувают адсорбент горячим потоком, снижают давление в адсорбере ниже продувочного и откачивают продукты очистки, повышают давление до величины продувки, которую ведут холодным потоком при температуре ниже температуры очищаемого газа (патент RU 2157722 С2, МПК B01D 53/26, F04B 39/16, заявлен 30.10.1997, опубликован 20.10.2000). Недостатками изобретения является:

• низкая реальная производительность установок в пределах от нескольких л/ч до сотен л/ч, препятствующая применению способа короткоцикловой адсорбции в промышленных масштабах (100 и более т/ч) в связи с большой инерционностью работы крупногабаритных адсорберов при переключении их с одной стадии процесса на другую при фиксированном времени срабатывания отсечных клапанов;

• низкая эффективность работы адсорбента, так как оптимальная с позиций адсорбции продолжительность стадии адсорбции теоретически должна составлять несколько секунд, а такой короткий период работы аппарата реально невозможно обеспечить промышленными техническими средствами.

Известна технологическая установка подготовки газа, в состав которой входит адсорбционный блок из нескольких адсорберов, верх которых соединен с линией подачи исходного газа, линией подачи газа охлаждения и линией отвода насыщенного газа регенерации, а низ соединен с линией отвода подготовленного газа, линией отвода газа охлаждения и линией подачи газа регенерации, при этом линия подачи исходного газа проходит через регулирующий клапан и соединена с входным сепаратором, выход газа из входного сепаратора соединен с первым рекуперативным теплообменником, выход газа из которого соединен с верхом адсорберов, линия отвода подготовленного газа соединена с первым фильтрующим устройством, при этом линия подачи газа охлаждения соединена с линией подачи исходного газа перед регулирующим клапаном и соединена с фильтром-сепаратором, выход газа из которого соединен с верхом адсорберов, а линия отвода газа охлаждения последовательно соединена со вторым фильтрующим устройством, вторым рекуперативным теплообменником и первой печью, линия подачи газа регенерации соединена с низом адсорберов, а линия отвода насыщенного газа регенерации последовательно соединена с третьим фильтрующим устройством, вторым рекуперативным теплообменником, первым рекуперативным теплообменником, пропановым холодильником и сепаратором высокого давления (патент RU 2814922 С1, МПК B01D 53/00, B01D 53/14, заявлен 12.10.2023, опубликован 06.03.2024).

Недостатками изобретения являются:

• регулирующие клапаны достаточно быстро изменяют расход потоков осушаемого газа, газа регенерации и газа охлаждения в небольшом диапазоне изменения расходов этих потоков, однако при необходимости переключения адсорберов с одной стадии процесса на другую, связанного с прекращением подачи одного из потоков и начала подачи в аппарат другого потока, требуется существенный временной диапазон, например, для регулирующих клапанов с электроприводами типа CV 206/216/306/316 GG время полного перемещения штока, соответствующего позициям от «закрыть» до «открыть», лежит в пределах 75-150 с в зависимости от хода штока. Это будет приводить к забросу части потока высокого давления в поток низкого давления, например, при смене стадии охлаждения адсорбента охлаждающим сухим газом в адсорбере на стадию адсорбционной осушки исходного влажного природного газа становится неизбежным переброс значительного количества исходного влажного природного газа в поток сухого газа охлаждения, имеющий меньшее давление, чем исходный влажный природный газ. Если при этом теоретически регулирующий клапан на линии природного газа должен быть открыт, а регулирующий клапан на линии газа охлаждения - закрыт, то в действительности некоторое время оба регулирующих клапана будут открыты;

• возможно передавливание исходного влажного природного газа в газ охлаждения и/или газ регенерации в связи с возможностью протечки полностью закрытого регулирующего клапана при большом перепаде продуктов по обе стороны клапана.

Система переключения адсорберов установок является наиболее слабым звеном в процессах глубокой очистки и осушки технологических потоков. Обеспечивающая циклическую работу адсорберов запорная арматура - регулирующие и отсечные клапаны с электрическими и пневмоническими приводами - всегда имеет некоторое время срабатывания в силу геометрии конструкций клапанов, причем время срабатывания возрастает по мере увеличения производительности из-за метрики клапанов. Эта ситуация стала, в основном, причиной того, что производительность эффективных и экономичных установок короткоцикловой адсорбции лежит в пределах всего от нескольких литров до 300 м³/ч, что ограничивает их применение областью медицинской техники, приборостроения, транспорта и малотоннажных производств.

Для проведения операций циклического переключения адсорберов наиболее приемлема запорная арматура в виде отсечных клапанов, работающих только в двух позициях - «открыт» и «закрыт». Однако и у таких клапанов имеются недостатки, приводящие к существенным рискам нарушения технологического регламента процесса, снижения глубины очистки потока и аварийной остановки производства, определяемые самой конструкцией клапана.

К таким недостаткам можно отнести:

• значительное время переключения клапана с одной позиции на другую, что приводит к смешению различных потоков, например, сухой газ охлаждения адсорбента с низким давлением смешивается с очищаемым потоком газа, что приводит к постепенному нарастанию концентрации загрязняющих примесей в контуре газа охлаждения, сорбции их адсорбентом на стадии охлаждения и, как следствие, к снижению глубины очистки целевого потока на стадии адсорбции;

• при большом перепаде давления в несколько МПа на отсечном клапане в позиции «закрыт» возможен постоянный небольшой переток газа высокого давления в зону низкого давления с изменением состава газа низкого давления;

• недостаточный уровень прецизионности исполнения пары «затвор-седло» конкретного применяемого клапана увеличивает риск некачественного переключения потоков по циклограмме, так, например, у отсечных клапанов по ТУ 3472-1-057419211-2014 перепад давления на золотнике клапана ограничен, и при циклических переключениях при ситуации, когда в системе переключения потоков создаются замкнутые участки низкого давления с установкой на их линиях отсечных клапанов, регулирующих переключение аппаратов с различным рабочим давлением, в замкнутом пространстве начинает постепенно расти давление за счет передавливания продукта высокого давления через отсечной клапан, что может привести к несрабатыванию отсечного клапана на линии низкого давления с созданием аварийной ситуации на адсорбционной установке в целом в связи с нарушением циклограммы.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа адсорбционной очистки природного газа высокого давления, увеличивающего эффективность использования адсорбента и уменьшающего риски возникновения аварийной ситуации из-за несрабатывания отсечных клапанов.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления периодического действия от примеси сероорганических веществ, и/или метанола, и/или влаги, включающий три стадии процесса: стадию адсорбционной очистки природного газа высокого давления стационарным слоем адсорбента, стадию регенерации адсорбента горячим газом регенерации и стадию охлаждения адсорбента холодным газом охлаждения, реализуемый по циклограмме в батарее из N аппаратов-адсорберов, заполненных адсорбентом, состоящей из N равных по времени фаз рабочего цикла, причем каждая из фаз характеризует работу соответствующего аппарата-адсорбера, подключенного входами и выходами к соответствующим системам перемещения и обработки газовых потоков на трех стадиях процесса с регулирующей и запорной арматурой на каждом потоке, при том, что первые две фазы обеспечивают функцию реализации стадии адсорбционной очистки природного газа высокого давления стационарным слоем адсорбента в N-1 аппаратах-адсорберах, а третья фаза обеспечивает восстановление адсорбционных свойств адсорбента последовательным выполнением в одном аппарате-адсорбере следующих процедур с расчетным временем реализации каждой процедуры:

(а) - процедура дренирования природного газа высокого давления из свободного пространства аппарата-адсорбера со снижением давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки, до давления, соответствующего стадии регенерации адсорбента,

(б) - процедура продувки аппарата-адсорбера горячим потоком технологического газа низкого давления, соответствующая стадии регенерации адсорбента,

(в) - процедура продувки аппарата-адсорбера холодным потоком технологического газа низкого давления, соответствующая стадии охлаждения адсорбента холодным газом охлаждения,

(г) - процедура резервирования регенерированного адсорбента, позволяющая в зависимости от состояния адсорбента переключать аппарат-адсорбер на процедуру (б), (в) или (д),

(д) - процедура заполнения свободного пространства аппарата-адсорбера природным газом высокого давления до достижения давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки,

(е) - процедура продувки аппарата-адсорбера природным газом высокого давления, соответствующая стадии адсорбционной очистки,

при этом переключение аппарата-адсорбера при выполнении третьей фазы с одной процедуры на другую обеспечивают регулирующей и запорной арматурой, установленной на линиях входа в аппарат-адсорбер и выхода из аппарата-адсорбера потока природного газа высокого давления, входа горячего или холодного потока технологического газа низкого давления и выхода отработанного потока технологического газа низкого давления; поток очищаемого исходного природного газа высокого давления с примесями влаги и сероорганических веществ делят на N-1 части при выполнении первых двух фаз циклограммы и подают параллельно сверху в N-1 аппарат-адсорбер или делят на N частей при выполнении процедуры (е) третьей фазы и подают параллельно сверху в N аппаратов-адсорберов, обеспечивая прохождение в каждом аппарате-адсорбере через слой адсорбента, поглощающий влагу, метанол и сероорганические вещества, преобразуясь на выходе из аппарата-адсорбера в поток глубоко очищенного природного газа, объединяемые при выходе из N-1 или N аппаратов-адсорберов в общий поток, который затем делят на две части, образуя поток глубоко очищенного природного газа и поток технологического газа, который далее дросселируют до давления, обеспечивающего осуществление процедур (б) и (в), при этом для осуществления стадии регенерации адсорбента по процедуре (б) поток технологического газа низкого давления нагревают в теплообменном аппарате потоком теплоносителя, подают в низ аппарата-адсорбера, обеспечивая прохождение через слой адсорбента, нагревая поток технологического газа и унося с собой десорбируемые вещества, и подают через верх аппарата-адсорбера в линию отработанного технологического газа низкого давления и после охлаждения в конденсаторе-холодильнике подвергают разделению в сепараторе на увлажненный технологический газ, который далее направляют через дожимной компрессор на смешение с исходным природным газом высокого давления, или подают в систему топливного газа предприятия и конденсат, состоящий из десорбированных веществ, который при отсутствии метанола направляют на очистные сооружения, а при наличии метанола направляют на термическое или каталитическое обезвреживание, а для осуществления стадии охлаждения адсорбента по процедуре (в) поток технологического газа низкого давления подают в низ аппарата-адсорбера, обеспечивая прохождение через слой адсорбента, охлаждая его, подают через верх аппарата-адсорбера в линию отработанного технологического газа низкого давления и далее направляют через дожимной компрессор на смешение с исходным природным газом высокого давления или направляют в систему топливного газа предприятия, сверхнормативное повышение давления в полностью отсеченной системе подачи технологического газа низкого давления при выполнении процедур (а), (г), (д) и (е) компенсируют стравливанием газа по перепускной линии из полностью отсеченной системы подачи технологического газа низкого давления в систему отвода отработанного технологического газа низкого давления.

Важной особенностью предлагаемого способа очистки природного газа высокого давление является выполнение основного целевого технологического процесса в нескольких - (N-1) или N - аппаратах-адсорберах, а совокупность всех вспомогательных операций выполняется в одном аппарате-адсорбере. Это существенно увеличивает эффективность использования адсорбента. Например, при обеспечении очистки природного газа в наиболее типичной трехадсорберной адсорбционной установке с традиционным трехфазным циклом работы на стадии адсорбции в течение одной фазы цикла работает один аппарат-адсорбер, второй работает на стадии регенерации адсорбента, третий - на стадии охлаждения адсорбента, то есть на стадии адсорбции работает 1/3 от общей загрузки адсорбента на адсорбционную установку. В предлагаемом способе очистки при трехадсорберной схеме в течение цикла одновременно на стадии адсорбции всегда будут работать два аппарата, а при выполнении в третьем аппарате-адсорберы процедуры (е) одновременно работают все три аппарата-адсорбера. Таким образом, на стадии адсорбции в основном работает 2/3 от общей загрузки адсорбента на адсорбционную установку, а в течение процедуры (е) - весь адсорбент.

Кроме того, при прохождении очищаемого потока природного газа через систему последовательно работающих аппаратов-адсорберов резко возрастает глубина очистки природного газа, так как время контакта очищаемого газа с адсорбентом как минимум удваивается. При прохождении очищаемого потока природного газа через систему параллельно работающих аппаратов-адсорберов существенно возрастает сорбционная активность адсорбента, так как при параллельной подаче природного газа в два аппарата-адсорбера при уменьшении линейной скорости природного раза в слое адсорбента в два раза длина зоны массопередачи уменьшается в 1,414 раз, что опосредованно приводит к увеличению динамической активности адсорбента, позволяющей увеличить производительность адсорбционной установки по природному газу на 5-8% без изменения глубины очистки природного газа.

Возможно также одновременно умеренное повышение производительности установки по природному газу и глубины очистки в пределах расчетных предельных границ варьируемости технологического режима.

Введение в третью фазу процесса процедуры (г) для резервирования регенерированного адсорбента, позволяющей в зависимости от состояния адсорбента переключать аппарат-адсорбер на процедуру (б), (в) или (е), также повышает гибкость процесса, так как при ухудшении качества регенерации адсорбента на процедуре (б) продолжение ее временного периода фазы переходом на процедуру (г) позволяет увеличить продолжительность стадии регенерации и повысить ее качество, при недостаточном охлаждении адсорбента на процедуре (в), продолжение ее временного периода фазы переходом на процедуру (г) позволяет увеличить продолжительность стадии охлаждения адсорбента, а при регламентном качестве регенерации и уровне охлаждения адсорбента переход времени процедуры (г) на процедуру (е) увеличивает глубину очистки природного газа в этом аппарате адсорбере.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает гибкость работы адсорбционной установки, позволяющей варьировать производительность установки по очищаемому природному газу и глубину его очистки.

Дополнительной положительной стороной способа является реализация стадий регенерации адсорбента и охлаждения адсорбента одним потоком разнотемпературного технологического газа, что сокращает число трубопроводов и упрощает обвязку аппаратов-адсорберов.

Стравливание газа по перепускной линии из полностью отсеченной системы подачи технологического газа низкого давления в систему отвода отработанного технологического газа низкого давления существенно снижает риски повышения давления в полностью отсеченной системе подачи технологического газа при выполнении процедур (а), (д), (е).

Целесообразно в качестве адсорбента использовать силикагели как дешевый адсорбент при относительно неглубокой осушке природного газа при подготовке его к транспорту в магистральных трубопроводах.

Целесообразно в качестве адсорбента использовать синтетические цеолиты при глубокой осушке природного газа при подготовке природного газа для переработки в сжиженный природный газ.

Целесообразно в качестве адсорбента использовать цеолиты КА как наиболее активный и селективный адсорбент при глубокой осушке природного газа.

Полезно в аппарате-адсорбере использовать два слоя адсорбента с разными адсорбционными характеристиками в тех случаях, когда при очистке природного газа необходимо извлекать примеси различной природы и разным уровнем сродства к адсорбенту. В частности, при необходимости осушки природного газа и очистки его от метанола полезно в верхнем слое адсорбента использовать цеолиты КА, обеспечивающие глубокую осушку природного газа, а в нижнем слое адсорбента использовать цеолиты NaA, сорбирующие и влагу, и метанол.

Полезно при регенерации адсорбента при выполнении процедуры (б) температуру слоя адсорбента постепенно повышать до температуры стадии регенерации адсорбента и далее выводить на плато, чтобы в начале процесса не допускать местных перегревов, которые могут приводить к растрескиванию и измельчению гранул адсорбента, приводящего к образованию пыли, отрицательно влияющую на работу следующих по технологической линии аппаратов и запорную арматуру. Выдерживание плато постоянной регламентной температуры регенерации обеспечивает качественную регенерацию адсорбента.

Рекомендуется при регенерации адсорбента, извлекающего при очистке примеси разной природы, при выполнении процедуры (б) температуру слоя адсорбента постепенно повышать до промежуточной температуры, обеспечивающей температуру слоя, при которой десорбируются слабо адсорбируемые вещества из нижнего слоя адсорбента, выдерживать промежуточную температуру в течение времени их десорбции, далее температуру слоя адсорбента постепенно повышать до температуры стадии регенерации адсорбента по сильно адсорбируемым веществам и далее выводить на плато. Двухступенчатая регенерация позволяет сначала при низкой температуре вывести из слоя регенерируемого адсорбента слабо сорбируемый метан и более тяжелые углеводороды, неизбежно также адсорбируемые в относительно небольших количествах из потока очищаемого газа, чтобы уменьшить закоксовывание адсорбента, вызывающее его дезактивацию и снижающее активность адсорбента, а затем при высокой температуре десорбировать воду и иные примеси.

Полезно изменение температуры слоя адсорбента регулировать расходом горячего технологического газа низкого давления, при этом для нагревания технологического газа до регламентной температуры можно в качестве теплоносителя использовать технологический поток горячего масла или продукты сгорания органического топлива. Адсорбционная установка становится независимым технологическим объектом, если в качестве органического топлива используется часть потока исходного природного газа высокого давления или часть потока отработанного технологического газа низкого давления.

Полезно стравливание газа по перепускной линии из полностью отсеченной системы подачи технологического газа низкого давления в систему отвода отработанного технологического газа низкого давления обеспечивать регулирующей арматурой, установленной на перепускной линии, что позволяет минимизировать потери технологического газа при регламентной работе запорной арматуры.

Возможно существенное расширения области применения заявляемого способа адсорбционной очистки, так как в качестве потока очищаемого исходного природного газа высокого давления приемлемо использование метансодержащего газа высокого давления, можно также, например, осушать синтез-газ и другие аналогичные потоки высокого давления.

Способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления периодического действия от примеси сероорганических веществ, и/или метанола, и/или влаги иллюстрируется принципиальной схемой адсорбционной установки, приведенной на фигуре 1, циклограммой работы установки, приведенной на фигуре 2, и схемой отработки адсорбента на разных фазах адсорбционной очистки природного газа.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема одного из возможных вариантов реализации способа адсорбционной очистки природного газа высокого давления периодического действия от примеси сероорганических веществ, и/или метанола, и/или влаги с использованием следующих обозначений:

100, 101, 102 - адсорберы;

103 - отстойник;

200, 201, 203, 204, 206, 207, 209, 212, 215, 218 - регулирующая арматура;

202, 205, 208, 210, 211, 213, 214, 216, 217 - запорная арматура;

219 - дроссель;

300 - теплообменник-подогреватель;

301 - конденсатор-холодильник;

1-29 - трубопроводы.

На фигуре 2 показана циклограмма работы установки одного из возможных вариантов реализации способа адсорбционной очистки природного газа высокого давления.

Адсорбционная установка состоит из трех аппаратов-адсорберов 100, 101 и 102, работающих попеременно в соответствии с циклограммой (фиг.2), состоящей из трех равных по времени τ фаз рабочего цикла, теплообменника-подогревателя 300, конденсатора-холодильника 301, отстойника 103, трубопроводной арматуры, состоящей из регулирующей арматуры 200, 201, 203, 204, 206, 207, 209, 212, 215, 218 и запорной арматуры 202, 205, 208, 210, 211, 213, 214, 216, 217, и дросселя 219, соединенных системой трубопроводов 1-29. Полный цикл работы установки по времени составляет 3τ.

В соответствии с циклограммой адсорбер 100 одновременно с адсорбером 101 выполняет адсорбционную очистку природного газа высокого давления, а в адсорбере 102 обеспечивается выполнение процедур (а), (б), (в), (г), (д) и (е), связанных с регенерацией адсорбента. При этом каждый адсорбер после регенерации адсорбента очищает газ в течение двух фаз рабочего цикла в течение времени 2τ. Однако работа адсорберов 100 и 101 с позиций физико-химической специфики сорбции на разных фазах очистки газа существенно отличается.

На фигуре 3 показана схема отработки адсорбента на разных фазах адсорбционной очистки природного газа. Отработка во времени слоя адсорбента в адсорбере в начале (Ф1а), середине (Ф1б) и конце (Ф1 с) первой фазы, а также в начале (Ф2а), середине (Ф2б) и конце (Ф2 с) второй фазы стадии адсорбции. Таким образом, в адсорбере 100, работающем на второй фазе процесса, сорбция протекает в нижней части слоя адсорбента при полной отработке верхней части слоя, а в адсорбере 101, работающем на первой фазе процесса, сорбция протекает в верхней части слоя адсорбента при полной отработке верхней части слоя, а на второй - в нижней части.

Особенности работы адсорбционной установки возможно рассмотреть на примере работы одного из адсорберов, например, адсорбера 100, представленного на фигуре 1.

В начале цикла работы адсорбционной установки адсорбер 100 продолжает в течение второй фазы очищать природный газ, продолжая непрерывно функционировать после завершения времени первой фазы. При этом очищаемый природный газ высокого давления, поступающий на адсорбционную установку по линии трубопровода 1, подается на верх адсорбера 100 по линии трубопровода 2 через регулирующую арматуру 200 (по линии трубопроводов 3 и 4 через регулирующую арматуру 203 и 206 на верх адсорберов 101 и 102 соответственно), проходит сверху вниз сквозь слой адсорбента, извлекающий примеси из газа нижней частью слоя, очищается и отводится с низа адсорбера 100 по линии трубопровода 5 (7 и 9 соответственно с низа адсорберов 101 и 102) через открытую запорную арматуру 210 (213 и 216 при работе адсорберов 101 и 102 соответственно) в линию трубопровода 11 очищенного природного газа высокого давления, общую для всех адсорберов установки. При работе адсорбера 100 на стадии адсорбции (первая и вторая фазы) в нижней части адсорбера перекрыта запорная арматура 211, не допускающая потерь очищаемого природного газа в систему регенерации адсорбента, регулирующая арматура 209 (212 и 215 при работе адсорберов 101 и 102 соответственно), а в верхней части адсорбера перекрыта запорная арматура 202 (205 и 208 при работе адсорберов 101 и 102 соответственно) и регулирующая арматура 201 (204 и 207 при работе адсорбера 102 и 102 соответственно), не допускающие потерь очищенного природного газа высокого давления в систему регенерации адсорбента. Часть очищенного природного газа высокого давления, рассматриваемая как технологический газ, из линии трубопровода 11 отводится по линии трубопровода 12, дросселируется в дросселе 219 до низкого давления, необходимого для проведения стадий регенерации, и поступает в линию трубопровода 13, представляющей собой линию технологического газа после дросселирования.

При завершении второй фазы стадии адсорбции проводится переключение адсорбера 100 на процедуру (а) фазы регенерации адсорбента - дренирование природного газа высокого давления из свободного пространства аппарата-адсорбера со снижением давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки, до давления, соответствующего стадии регенерации адсорбента. Для этого в нижней части адсорбера 100 перекрывается вся трубопроводная арматура - запорная арматура 210 (213 и 216 при проведении переключения адсорберов 101 и 102 соответственно) закрывается, и, остаются закрытыми запорная арматура 211 и регулирующая арматура 209 (212 и 215 при проведении переключения адсорберов 101 и 102 соответственно), а в верхней части адсорбера закрывается регулирующая арматура 200, открывается регулирующая арматура 201, и дренируемый из корпуса адсорбера природный газ сбрасывается по линии трубопровода 19 в общую для всех адсорберов линию отработанного технологического газа по трубопроводу 25. По достижении допустимого перепада давления на запорной арматуре 202 происходит ее открытие, а регулирующая арматура 201 закрывается. Для выравнивания давления до и после запорной арматуры 210, 213, 216 используют линии байпаса по трубопроводам 6, 8 и 10 соответственно.

После снижения давления в адсорбере 100 до необходимого уровня проводится переключение адсорбера с процедуры (а) на процедуру (б) фазы регенерации адсорбента - продувку аппарата-адсорбера горячим потоком технологического газа низкого давления, соответствующую стадии регенерации адсорбента. Для этого открывается запорная арматура 211 и технологический газ из линии трубопровода 13 поступает в теплообменник-подогреватель 300, где нагревается внешним теплоносителем, например, горячим маслом, до температуры, необходимой для регенерации адсорбента, затем горячий технологический газ поступает в систему подачи горячего / холодного технологического газа по трубопроводу 15 в адсорберы 100 (101, 102), откуда через открытую запорную арматуру 211 по линии трубопровода 16 подается в низ адсорбера. Далее горячий технологический газ проходит через слой адсорбента снизу вверх, нагревая при этом адсорбент до температуры регенерации адсорбента, обеспечивая десорбцию ранее адсорбированных из природного газа примесей, и смесь горячего технологического газа с продуктами десорбции отводится через верх адсорбера 100 через открытую запорную арматуру 202 по линии трубопровода 19 (21 и 23 соответственно из адсорберов 101 и 102) в общую для всех адсорберов линию отработанного технологического газа по трубопроводу 25. По линии трубопровода 25 горячий отработанный технологический газ далее поступает в конденсатор-холодильник 301, в котором происходит частичная конденсация унесенных с горячим технологическим газом десорбированных примесей, полученная двухфазная смесь по линии трубопровода 27 поступает в отстойник 103, в котором происходит отделение конденсата (воды) от охлажденного влажного технологического газа, который далее по линии трубопровода 28 может поступать в общезаводскую линию топливного газа, а конденсат по линии трубопровода 29 направляется в систему общезаводских стоков.

После завершения регенерации адсорбента в адсорбере 100 проводится переключение адсорбера с процедуры (б) на процедуру (в) фазы регенерации адсорбента - продувку аппарата-адсорбера холодным потоком технологического газа низкого давления, соответствующая стадии охлаждения адсорбента холодным газом охлаждения. При этом вся запорная арматура адсорбера 100 остается в позициях процедуры (б), и вместо горячего технологического газа через слой адсорбента пропускают холодный технологический газ, который из линии трубопровода 13, минуя теплообменник-подогреватель 300 по линии трубопровода 14, поступает в систему подачи горячего / холодного технологического газа по трубопроводу 15 в адсорберы 100 (101 и 102 соответственно), откуда через открытую запорную арматуру 211 по линии трубопровода 16 (17 и 18 при подаче сухого газа регенерации в адсорберы 101 и 102 соответственно) подается в низ адсорбера 100. Далее холодный технологический газ проходит через слой адсорбента снизу вверх, охлаждая при этом адсорбент до необходимой температуры, и отводится через верх адсорбера 100 через открытую запорную арматуру 202 по линии трубопровода 19 в общую для всех адсорберов линию отработанного технологического газа по трубопроводу 25, затем доохлаждается в конденсаторе-холодильнике 301 и по линии трубопровода 29 может поступать в общезаводскую линию топливного газа.

После завершения охлаждения адсорбента в адсорбере 100 проводится переключение адсорбера с процедуры (в) на процедуру (г) фазы регенерации адсорбента - резервирование регенерированного адсорбента, позволяющая в зависимости от состояния адсорбента переключать аппарат-адсорбер на процедуру (б), (в) или (е). Если в силу производственной необходимости, например, при снижении расхода поступающего на очистку природного газа сорбционная активность адсорбента не используется в полной мере, то во избежание перенастройки циклограммы на процедуре (г) адсорбер 100 на время отключается от технологических операций, при этом запорная арматура 202 (верхняя) и 211 (нижняя) переводятся в позицию «закрыто». Если в силу производственной необходимости полезно увеличить продолжительности регенерации адсорбента (процедура (б)), охлаждения адсорбента (процедура (в)) или дополнительной адсорбции извлекаемой примеси (процедура (е)), то положение трубопроводной арматуры процедуры (г) устанавливают соответственно процедурам (б), (в) или (е).

После операций по процедуре (г) проводится переключение адсорбера 100 на процедуру (д) фазы регенерации адсорбента - процедуру заполнения свободного пространства аппарата-адсорбера природным газом высокого давления до достижения давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки. При этом в нижней части адсорбера 100 остается закрытой вся трубопроводная арматура - запорная арматура 210, 211, регулирующая арматура 209, а в верхней части перекрывается запорная арматура 202 и открывается регулирующая арматура 200, обеспечивающая ввод исходного природного газа высокого давления в корпус адсорбера 100.

При повышении давления природного газа в адсорбере 100 до давления стадии адсорбции проводится переключение адсорбера 100 с процедуры (д) на процедуру (е) - процедуру продувки аппарата-адсорбера природным газом высокого давления, соответствующую стадии адсорбционной очистки, при этом запорная арматура 210 переключается в положение «открыто».

После завершения третьей фазы циклограммы адсорбер 100 продолжает адсорбционную очистку природного газа высокого давления в следующем цикле по первой, а затем второй фазам рабочего цикла.

Основным риском работы адсорбера 100 и других адсорберов установки является непредсказуемый отказ работы запорной арматуры 211 (214 и 217 на адсорберах 101 и 102 соответственно), ответственных за проведение регенерации и охлаждения слоя адсорбента при переводе запорной арматуры с положения «закрыто» в положение «открыто» для подачи горячего, а затем холодного технологического газа в адсорбер. Это переключение клапана обеспечивается при небольшом допустимом перепаде давления по обе стороны арматуры (около 20 кПа), обеспечиваемом разностью давлений технологического газа в адсорберах и в линии трубопровода 15 подачи горячего/холодного технологического газа в адсорберы 100, 101, 102. Отказ работы запорной арматуры 211 может возникнуть даже при незначительном передавливании осушенного природного газа высокого давления в трубопроводы 12, 13, 14 и 15, формирующие в совокупности систему технологического газа низкого давления, которое может возникнуть при недостаточной герметизации запорной арматуры при изготовлении или износе, а также при попадании микрочастиц адсорбента, уносимых с осушаемым природным газом на трубопроводную арматуру. При передавливании даже небольшого количества природного газа высокого давления в систему технологического газа низкого давления объемом менее 1 м³, которая является замкнутой системой с запорными арматурами в положении «закрыто» в течение всего технологического цикла работы установки за исключением работы процедур (б) и (в), может приводить к такому повышению давления в системе технологического газа, что запорная арматура не сможет выполнить операцию переключения позиции «закрыто» в позицию «открыто» при переходе к процедуре (б) после завершения процедуры (а) для подачи горячего технологического потока, регенерирующего адсорбент и, как следствие, выходу установки из штатного технологического режима из-за отказа системы автоматического выполнения циклограммы. Для предотвращения таких рисков предусмотрено соединение системы технологического газа низкого давления перепускной линией трубопровода 26, снабженной регулирующей арматурой 218, с общей линией отработанного технологического газа по трубопроводу 25 с еще более низким давлением, что позволяет при нештатном росте давления в системе технологического газа сбрасывать избыточное давление в линию трубопровода 25.

Адсорбер 101 работает аналогично адсорберу 100 со сдвигом по циклограмме на одну фазу.

Адсорбер 102 работает аналогично адсорберу 100 со сдвигом по циклограмме на две фазы.

Переключение процедур работы аппаратуры на установке выполняется автоматически, а также может дублироваться ручным режимом управления работой установки.

Пример. Природный газ высокого давления в количестве 120 т/ч осушается на трехадсорберной адсорбционной установке способом согласно заявляемому изобретению. Содержание влаги в исходном газе 0,19% об., в осушенном - 1 ppm. Для осушки газа используется цеолит КА с влагоемкостью 100 г/кг адсорбента.

Стадия адсорбционной осушки природного газа реализуется при давлении 6 МПа и температуре 40-30°С, стадия регенерации адсорбента реализуется при 300°С, давление технологического газа при регенерации и охлаждении слоя адсорбента - 1,5 МПа. Допустимая скорость изменения температуры слоя адсорбента при нагревании и охлаждении составляет 50-60°С/ч. Продолжительность цикла работы установки - 36 часов, продолжительность каждой фазы рабочего цикла - 12 часов. Загрузка цеолита в 1 адсорбер - 33 т. Третья фаза обеспечивает восстановление адсорбционных свойств адсорбента следующей продолжительностью процедур:

(а) - процедура дренирования природного газа высокого давления - 30 минут,

(б) - процедура продувки аппарата-адсорбера горячим потоком технологического газа низкого давления (регенерация адсорбента) - 4,5 часа,

(в) - процедура продувки аппарата-адсорбера холодным потоком технологического газа низкого давления (охлаждение адсорбента), холодным газом охлаждения - 3,5 часа,

(г) - процедура резервирования регенерированного адсорбента, позволяющая в зависимости от состояния адсорбента переключать аппарат-адсорбер на процедуру (б), (в) или (е) - 1 час,

(д) - процедура заполнения свободного пространства аппарата-адсорбера природным газом высокого давления до достижения давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки - 30 минут,

(е) - процедура продувки аппарата-адсорбера природным газом высокого (адсорбционная осушка природного газа, при этом на стадии адсорбции работают параллельно все три адсорбера) - 2 часа.

При выполнении в одном из адсорберов процедур (а), (б), (в), (г), (д) исходный природный газ высокого давление поступает параллельно в два остальных адсорбера по 60 т/ч в каждый. В этом случае на стадии адсорбционной осушки эксплуатируется 66,6% общей загрузки адсорбента на установку адсорбционной очистки природного газа.

При выполнении в одном из адсорберов процедуры (е) исходный природный газ высокого давления поступает параллельно во все три адсорбера по 40 т/ч в каждый. В этом случае на стадии адсорбционной осушки эксплуатируется 100% общей загрузки адсорбента на установку адсорбционной очистки природного газа.

При типовой схеме адсорбционной очистки в трех адсорберах, когда в одном адсорбере происходит очистка сырья, во втором - регенерация адсорбента, а в третьем - охлаждение адсорбента на стадии адсорбции эксплуатируется лишь 33,3% общей загрузки адсорбента на установку.

Таким образом, заявляемый способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления позволяет получить ряд технических результатов: повысить эффективность использования адсорбента за счет увеличения доли адсорбента, обеспечивающего очистку природного газа в течение цикла работы установки, от общей загрузки адсорбента на установку от 66,6% до 100% при выполнении процедуры (е), устранить риски возникновения аварийной ситуации из-за несрабатывания запорной арматуры и уменьшить риски проведения некачественной регенерации адсорбента или его охлаждения за счет варьируемости использования резервной процедуры (г).

Изобретение относится к адсорбционной очистке природного газа и может быть использовано на предприятиях газовой промышленности. Заявляемый способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления, включающий адсорбционную установку, состоящую из N аппаратов-адсорберов, работающих попеременно, теплообменника-подогревателя, конденсатора-холодильника, отстойника, трубопроводной арматуры (регулирующей и запорной) и дросселя, соединенных системой трубопроводов, позволяет получить ряд технических результатов: повысить эффективность использования адсорбента за счет увеличения доли адсорбента, обеспечивающего очистку природного газа в течение цикла работы установки, от общей загрузки адсорбента на установку от 66,6% до 100% при выполнении процедуры (е), устранить риски возникновения аварийной ситуации из-за несрабатывания запорной арматуры и уменьшить риски проведения некачественной регенерации адсорбента или его охлаждения за счет варьируемости использования резервной процедуры (г). Технический результат - увеличение эффективности использования адсорбента и уменьшение рисков возникновения аварийной ситуации из-за несрабатывания отсечных клапанов. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ адсорбционной очистки природного газа высокого давления периодического действия от примеси сероорганических веществ, и/или метанола, и/или влаги, включающий три стадии процесса: стадию адсорбционной очистки природного газа высокого давления стационарным слоем адсорбента, стадию регенерации адсорбента горячим газом регенерации и стадию охлаждения адсорбента холодным газом охлаждения, реализуемый по циклограмме в батарее из N аппаратов-адсорберов, заполненных адсорбентом, состоящей из N равных по времени фаз рабочего цикла, причем каждая из фаз характеризует работу соответствующего аппарата-адсорбера, подключенного входами и выходами к соответствующим системам перемещения и обработки газовых потоков на трех стадиях процесса с регулирующей и запорной арматурой на каждом потоке, отличающийся тем, что на первых двух фазах обеспечивают функцию реализации стадии адсорбционной очистки природного газа высокого давления стационарным слоем адсорбента в N-1 аппаратах-адсорберах, а третьей фазой обеспечивают восстановление адсорбционных свойств адсорбента последовательным выполнением в одном аппарате-адсорбере следующих процедур с расчетным временем реализации каждой процедуры:

(а) - процедура дренирования природного газа высокого давления из свободного пространства аппарата-адсорбера со снижением давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки, до давления, соответствующего стадии регенерации адсорбента,

(б) - процедура продувки аппарата-адсорбера горячим потоком технологического газа низкого давления, соответствующая стадии регенерации адсорбента,

(в) - процедура продувки аппарата-адсорбера холодным потоком технологического газа низкого давления, соответствующая стадии охлаждения адсорбента холодным газом охлаждения,

(г) - процедура резервирования регенерированного адсорбента, позволяющая в зависимости от состояния адсорбента переключать аппарат-адсорбер на процедуру (б), (в) или (д),

(д) - процедура заполнения свободного пространства аппарата-адсорбера природным газом высокого давления до достижения давления, соответствующего стадии адсорбционной очистки,

(е) - процедура продувки аппарата-адсорбера природным газом высокого давления, соответствующая стадии адсорбционной очистки,

при этом переключение аппарата-адсорбера при выполнении третьей фазы с одной процедуры на другую обеспечивают регулирующей и запорной арматурой, установленной на линиях входа в аппарат-адсорбер и выхода из аппарата-адсорбера потока природного газа высокого давления, входа горячего или холодного потока технологического газа низкого давления и выхода отработанного потока технологического газа низкого давления; поток очищаемого исходного природного газа высокого давления с примесями влаги и сероорганических веществ делят на N-1 части при выполнении первых двух фаз циклограммы и подают параллельно сверху в N-1 аппарат-адсорбер или делят на N частей при выполнении процедуры (е) третьей фазы и подают параллельно сверху в N аппаратов-адсорберов, обеспечивая прохождение в каждом аппарате-адсорбере через слой адсорбента, поглощающий влагу, метанол и сероорганические вещества, преобразуясь на выходе из аппарата-адсорбера в поток глубоко очищенного природного газа, объединяемые при выходе из N-1 или N аппаратов-адсорберов в общий поток, который затем делят на две части, образуя поток глубоко очищенного природного газа и поток технологического газа, который далее дросселируют до давления, обеспечивающего осуществление процедур (б) и (в), при этом для осуществления стадии регенерации адсорбента по процедуре (б) поток технологического газа низкого давления нагревают в теплообменном аппарате потоком теплоносителя, подают в низ аппарата-адсорбера, обеспечивая прохождение через слой адсорбента, нагревая поток технологического газа и унося с собой десорбируемые вещества, и подают через верх аппарата-адсорбера в линию отработанного технологического газа низкого давления и после охлаждения в конденсаторе-холодильнике подвергают разделению в сепараторе на увлажненный технологический газ, который далее направляют через дожимной компрессор на смешение с исходным природным газом высокого давления, или подают в систему топливного газа предприятия и конденсат, состоящий из десорбированных веществ, который при отсутствии метанола направляют на очистные сооружения, а при наличии метанола направляют на термическое или каталитическое обезвреживание, а для осуществления стадии охлаждения адсорбента по процедуре (в) поток технологического газа низкого давления подают в низ аппарата-адсорбера, обеспечивая прохождение через слой адсорбента, охлаждая его, подают через верх аппарата-адсорбера в линию отработанного технологического газа низкого давления и далее направляют через дожимной компрессор на смешение с исходным природным газом высокого давления или направляют в систему топливного газа предприятия, сверхнормативное повышение давления в полностью отсеченной системе подачи технологического газа низкого давления при выполнении процедур (а), (г), (д) и (е) компенсируют стравливанием газа по перепускной линии из полностью отсеченной системы подачи технологического газа низкого давления в систему отвода отработанного технологического газа низкого давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют силикагели.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют синтетические цеолиты.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют цеолиты КА.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в аппарате-адсорбере используют два слоя адсорбента с разными адсорбционными характеристиками.

6. Способ по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что в верхнем слое адсорбента используют цеолиты КА.

7. Способ по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что в нижнем слое адсорбента используют цеолиты NaA.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выполнении процедуры (б) температуру слоя адсорбента постепенно повышают до температуры стадии регенерации адсорбента и далее выводят на плато.

9. Способ по пп. 5-7, отличающийся тем, что при выполнении процедуры (б) температуру слоя адсорбента постепенно повышают до промежуточной температуры, обеспечивающей температуру слоя, при которой десорбируют слабо адсорбируемые вещества из нижнего слоя адсорбента, выдерживают промежуточную температуру в течение времени их десорбции, далее температуру слоя адсорбента постепенно повышают до температуры стадии регенерации адсорбента по сильно адсорбируемым веществам и далее выводят на плато.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что изменение температуры слоя адсорбента регулируют расходом горячего технологического газа низкого давления.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют технологический поток горячего масла.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют продукты сгорания органического топлива.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в качестве органического топлива используют часть потока исходного природного газа высокого давления.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в качестве органического топлива используют часть потока отработанного технологического газа низкого давления.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стравливание газа по перепускной линии из полностью отсеченной системы подачи технологического газа низкого давления в систему отвода отработанного технологического газа низкого давления обеспечивают регулирующей арматурой, установленной на перепускной линии.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве потока очищаемого исходного природного газа высокого давления используют метансодержащий газ высокого давления.