ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПИКОВОГО ДЕМПФИРУЮЩЕГО КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ АДСОРБЕРА
USE OF PEAK DAMPING CAPACITOR TO INCREASE EFFICIENCY OF ADSORBER SEPARATION

Право приоритета
Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке на патент США № 62/480,139, поданной 31 марта 2017 г., причем содержание указанной заявки полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к процессу адсорбции. В частности, процесс и система адсорбции включают в себя использование конденсатора для повышения эффективности. Процессы адсорбции широко применяли в отраслях для разделения или очистки газа или жидкости. При введении потока текучей среды в адсорбер с неподвижным слоем адсорбент будет удерживать компоненты, которые более прочно адсорбированы, а менее прочно адсорбированные компоненты будут проходить через адсорбер, обеспечивая тем самым разделение компонентов текучей среды. На практике процесс адсорбции имеет динамический характер, поскольку подача в адсорбер после определенного периода времени должна быть остановлена при насыщении адсорбера прочно адсорбированными компонентами. После этого должна проходить стадия регенерации адсорбера со снижением давления текучей среды и подачей продувочного газа в случае адсорбции при переменном давлении (PSA) или с повышением температуры слоя за счет пропускания горячего регенерирующего газа в случае адсорбции при переменной температуре (TSA). Несмотря на то что прочно адсорбированные компоненты, попадающие в слой, могут быть полностью адсорбированы или удалены, что позволяет получать поток продукта без загрязнителей, на практике часто допускается проскок таких загрязнителей в поток продукта, при условии что они соответствуют спецификации продукта. Допуск проскока загрязнителей в продукт обеспечивает определенные преимущества, такие как уменьшение размеров слоя и связанных с ним требований к регенерации, что, в свою очередь, снижает эксплуатационные и капитальные затраты на установку.
До проскока загрязнителей в продукт поток продукта из адсорберов по существу содержит незначительное количество загрязнителей или не содержит их. Характерный профиль состава продукта для определенного загрязнителя показан на ФИГ. 1. Несмотря на то что содержание загрязнителя достигает максимума до момента завершения стадии адсорбции, средний состав композиции для всей стадии адсорбции по существу значительно ниже максимума или пика. Для соответствия спецификации продукта в любой момент времени для данного загрязнителя процесс адсорбции должен быть остановлен в момент времени t1, невзирая на соответствие спецификации показателей среднего состава. Если конструкция адсорбционной системы разделения предусматривает необходимость соответствия спецификации только усредненного состава композиции продукта, а не пиковой композиции, размер адсорбера может быть уменьшен, поскольку при этом возможно обеспечение дополнительного проскока загрязнителя, как показано для момента времени t2 на фиг. 1.
Существует потребность в уменьшении, демпфировании или сглаживании пиков состава композиции продукта, поступающего из адсорбционной системы разделения, например из системы адсорбции при переменной температуре или адсорбции при переменном давлении так, чтобы можно было бы уменьшать размер слоя, одновременно в любой момент времени обеспечивая соответствие спецификации продукта.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана кривая проскока для адсорбционного процесса разделения.
На фиг. 2 представлена чрезвычайно упрощенная схема использования конденсатора в регенерируемой адсорбционной системе.
На фиг. 3 показана модификация системы, приведенной на фиг. 2, которая включает в себя байпас в обход конденсатора.
На фиг. 4 представлен вариант интеграции конденсатора в цикл TSA/PSA.
На фиг. 5 приведены профили состава композиции газообразного продукта из примера 1.
На фиг. 6 приведены профили состава композиции газообразного продукта из примера 2.
На фиг. 7 представлены профили состава композиции газа, поступающего в конденсатор и выходящего из него, для примера 2.
На фиг. 8 приведены профили конечного состава композиции суммарного продукта для примера 2.
На фиг. 9 приведены профили состава композиции газообразного продукта из примера 3.
На фиг. 10 приведены профили конечного состава композиции суммарного продукта для примера 4.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении используют адсорбер с неподвижным слоем, который в настоящем документе взаимозаменяемо называется конденсатором, для обработки потока продукта, поступающего от циклической регенерируемой адсорбционной системы, например системы адсорбции при переменной температуре (TSA) или системы адсорбции при переменном давлении (PSA). Поток текучей среды, поступающий из такого конденсатора с неподвижным слоем, будет иметь более однородный состав по сравнению с потоком, поступающим в адсорбционную систему или конденсатор. Адсорбер с неподвижным слоем функционирует в прямоточном нециклическом режиме подобно традиционному реактору или адсорберу с неподвижным слоем. Его можно эксплуатировать при температуре окружающей среды и при том же давлении, что и давление подаваемого газа. В конденсаторе может быть использован любой адсорбирующий материал, который обладает способностью адсорбировать компоненты загрязнителя, демонстрирующие пиковые профили. Предпочтительным адсорбентом в конденсаторе будет тот же адсорбент, который использовали в циклическом процессе адсорбции выше по потоку (TSA или PSA), где формируется поток продукта с пиковой концентрацией. На фиг. 2 представлена упрощенная блок-схема рассматриваемой концепции.
Для обработки подачи с очень высокой скоростью потока можно использовать множество параллельных адсорберов для уменьшения падения давления в слое в системе TSA/PSA. Вместо обработки суммарного потока продукта от системы TSA/PSA с помощью конденсатора настоящего изобретения конденсатор может быть интегрирован в цикл TSA/PSA для обеспечения обработки потока продукта от каждого отдельного адсорбера. Один из примеров такого подхода показан на фиг. 4, на которой систему TSA с 3 слоями используют с 2 параллельными слоями, на которые одновременно подают продукт. При этом дополнительный конденсатор в данный момент времени обрабатывает поток продукта только с одного слоя и по мере выполнения цикла переключается на другие слои. На стадии 1 подаваемый газ направляют на слой 1, а поток продукта от слоя 1 направляют на конденсатор для демпфирования пиков состава композиции. На слой 2 также подают входящий поток, но его продукт объединяют с продуктом конденсатора. После отбора отводимого потока из объединенного потока продукта для слоя 3 проводят стадию регенерации. Как хорошо известно специалистам в области процессов адсорбции, поток для регенерации может также поступать из других внешних источников. На стадии 2 регенерируют слой 1, в котором только что завершилась подача потока продукта на конденсатор. Продукт слоя 2 направляют на конденсатор. На слой 3, регенерация которого проходила на стадии 1, поступает входящий поток, но при этом его продукт не подают на конденсатор. Стадии продолжают выполнять в цикле подобно производственным циклам TSA/PSA.
На фиг. 1 показана кривая проскока для адсорбционного процесса разделения. По оси у отложена относительная мольная доля загрязнителя. Пунктир указывает на спецификацию продукта, а под ним приведен средний состав композиции. Мольную долю загрязнителя поддерживают на минимальном уровне до приближения к моменту времени t1, после чего она начинает быстро увеличиваться, превышая спецификацию продукта, и через непродолжительное время, если не предпринимать никаких мер, в момент времени t2 она значительно превышает спецификацию продукта. Как показано на фиг. 1, профиль с пиками обычно появляется ближе к моменту завершения стадии адсорбции. Демпфирование пика продукта из адсорбера, в котором должна начаться регенерация или в котором завершилась 1-ая стадия адсорбции, будет оказывать более заметное влияние на общий демпфирующий эффект.
Другим преимуществом включения конденсатора в цикл TSA/PSA является сведение к минимуму падения давления на слое для конденсатора, поскольку поток через конденсатор ниже, чем на схеме, приведенной на фиг. 2. В частности, на фиг. 2 показан входящий поток 2, поступающий в регенерируемую адсорбционную систему 4 для получения обработанного входящего потока 6, который затем проходит через отдельный адсорбер, также обозначенный как конденсатор 8, с продуктом 10 от него, показанным уходящим вправо. В конденсаторе происходит переработка входящего потока, обработанного в регенерируемой адсорбционной системе, для демпфирования пиков содержания продукта в композиции.
На фиг. 3 представлена упрощенная блок-схема модификации фиг. 2, где показано использование конденсатора для обработки газообразного продукта регенерируемой адсорбционной системы для демпфирования пиков содержания продукта в композиции, причем схема включает в себя байпас в обход конденсатора. Показан входящий поток 2, поступающий в регенерируемую адсорбционную систему 4 для получения обработанного входящего потока 6, который затем проходит через отдельный адсорбер, также обозначенный как конденсатор 8, с продуктом 10 от него, показанным уходящим вправо. Показано, что обходной поток 12, который может содержать весь обработанный входящий поток 6 или его часть, обходит конденсатор 8 до возможного возникновения проблем проскока.
На фиг. 4 представлен вариант интеграции конденсатора в цикл TSA/PSA. На стадии 1 в левой части фиг. 4 входящий поток 34 входит в адсорбирующий слой 1, а затем выходит через линию 54 для прохождения через конденсатор 20, при этом продукт 22 отбирают снизу. Часть 26 продукта 22 направляют через адсорбирующий слой 3 для регенерации слоя с помощью потока 38, выходящего сверху адсорбирующего слоя 3. На фиг. 4 также показан адсорбирующий слой 2, через который проходит входящий поток 36, выходящий в виде продукта 24 с последующим объединением с продуктом 22. В правой части фиг. 4 показана стадия 2, на которой в отличие от стадии 1 потоки в адсорбирующих слоях 1 и 3 имеют противоположное направление. Входящий поток 42 поступает на адсорбирующий слой 2 и проходит через линию 52 к конденсатору 20 для создания потока 22 продукта. Часть потока 22 продукта направляют по линии 50 для регенерации адсорбирующего слоя 1. Входящий поток 44 проходит через адсорбирующий слой 3 для создания потока 46 продукта, который объединяется с потоком 22 продукта в объединенный поток 48 продукта.
На фиг. 5 приведен профиль состава композиции газообразного продукта для примера 1. Пик слева образован пиками C6/CH4S с низким/высоким содержанием. Пик справа образован пиками слой C6 / слой CH4S с низким и высоким содержанием. На фиг. 6 приведен профиль композиции газообразного продукта для примера 2, в котором пики соответствуют тем же потокам, что и на фиг. 5. На фиг. 7 представлены зависимости мольной доли от времени на стадии адсорбции для профилей состава композиции газа, поступающего в конденсатор и выходящего из него, для примера 2. На фиг. 8 приведены профили конечного состава композиции суммарного продукта для примера 2 в виде зависимостей мольной доли от времени на стадии адсорбции. Верхняя линия отражает изменения для C6, а нижняя линия — для CH4S.
Любые из упомянутых выше трубопроводов, отдельных устройств, каркасов, окружающего пространства, зон и т.п. могут быть оборудованы одним или более компонентами мониторинга, включая датчики, измерительные устройства, устройства считывания данных или устройства передачи данных. Результаты измерения сигналов, процесса или состояния, а также данные от компонентов мониторинга могут быть использованы для отслеживания условий внутри технологического оборудования, а также вокруг него и на его поверхности. Сигналы, результаты измерений и/или данные, сформированные или зарегистрированные компонентами мониторинга, могут быть собраны, обработаны и/или переданы через одну или более сетей или соединений, которые могут быть защищенными или открытыми, общими или выделенными, прямыми или непрямыми, проводными или беспроводными, шифрованными или без шифрования и/или представлять собой их комбинацию (-и); данная спецификация в этом отношении не устанавливает никаких ограничений. На фиг. 2, 3 и 4 упомянутое выше условно обозначено как 100, 200 и 300 соответственно.
Сигналы, измерения и/или данные, сформированные или зарегистрированные компонентами мониторинга, могут быть переданы на одно или более вычислительных устройств или систем. Вычислительные устройства или системы могут включать в себя по меньшей мере один процессор и память, хранящую машиночитаемые инструкции, которые при исполнении по меньшей мере одним процессором приводят к выполнению одним или более вычислительными устройствами процесса, который может включать в себя одну или более стадий. Например, одно или более вычислительных устройств могут быть выполнены с возможностью приема от одного или более компонентов мониторинга данных, относящихся к по меньшей мере одному компоненту оборудования, связанного с процессом. Одно или более вычислительных устройств или систем могут быть выполнены с возможностью анализа данных. На основании анализа данных одно или более вычислительных устройств или систем могут быть выполнены с возможностью определения одной или более рекомендуемых корректировок для одного или более параметров одного или более способов, описанных в настоящем документе. Одно или более вычислительных устройств или систем могут быть выполнены с возможностью передачи зашифрованных или незашифрованных данных, которые включают в себя одну или более рекомендуемых корректировок одного или более параметров одного или более способов, описанных в настоящем документе. На фиг. 2, 3 и 4 упомянутое выше условно обозначено как 100, 200 и 300 соответственно.
В приведенных ниже примерах продемонстрированы варианты использования настоящего изобретения.
Пример 1 (предшествующий уровень техники)
Поток природного газа со скоростью потока 340 млн станд. куб. фут/сут при 39 бар и 17°C с составом, приведенным в таблице 1, подлежит обработке для удаления содержащихся меркаптанов и тяжелых углеводородов. Газ подают на установку TSA с 4 слоями, загруженными силикагелевым адсорбентом со временем регенерации 52 минуты и потоком регенерации 66 млн станд. куб. фут/сут. Газообразный продукт должен соответствовать спецификации <130 ч/млн. меркаптана, <100 ч/млн. C6+ и <80 ч/млн. БТЭК. Можно легко обеспечивать соответствие спецификации БТЭК, поскольку для них проскок не наблюдается. Определяющим компонентом для соблюдения требований спецификации продукта является количество метилмеркаптана. На фиг. 5 приведены профили композиции продукта для метилмеркаптана и С6, полученные с помощью динамического моделирования адсорбционного процесса, для отдельно взятого слоя, а также усредненный профиль для последовательных слоев или объединения профилей продукта из 2 параллельных адсорбирующих слоев. Как можно видеть, даже несмотря на то что пик CH4S для отдельно взятого слоя не соответствует спецификации, пик для последовательных слоев может соответствовать требуемой спецификации на уровне 130 ч/млн. Для содержания C6 можно легко обеспечивать соответствие спецификации продукта.
Таблица 1
Составы подаваемого газа для примера 1
Бензол
8,31E-04
C1
6,06E-01
C2
2,21E-02
C3
8,52E-03
C4
3,94E-03
CH4S
8,73E-04
CO2
3,39E-01
H2O
7,09E-04
H2S
1,15E-02
N2
3,41E-03
C5
1,52E-03
C6
1,03E-03
C7
3,89E-04
C8
8,18E-05
C9
3,13E-05
C10
1,66E-05
О-ксилол
5,77E-05
Толуол
3,47E-04
Пример 2
Это сравнительный пример, в котором используют настоящее изобретение с добавленным конденсатором, эксплуатируемым в цикле подобно фиг. 4, но в конфигурации 4 слоев. Эксплуатацию осуществляют в тех же условиях, что и в примере 1, но с использованием меньших адсорберов и более низкой скорости потока регенерации, при этом профили продуктов приведены на фиг. 6. По сравнению с фиг. 5 пик для отдельно взятого слоя гораздо интенсивнее, что указывает на больший проскок из-за использования меньших адсорберов. Для обоих компонентов не удается обеспечить соответствие спецификации продукта.
Результаты использования дополнительного конденсатора для обработки потока продукта после отдельно взятого слоя приведены на фиг. 7 для потоков газа в конденсатор и из него. Конденсатор практически полностью устраняет пики продукта как для меркаптана, так и для C6.
6
Как показано на фиг. 4, для данной конфигурации выход конденсатора объединяют с потоком продукта из другого адсорбера для получения суммарного потока конечного продукта. В продукте из другого адсорбера не отмечается проскок меркаптана или C, как показано на фиг. 6 для профилей в интервале от 0 до 52 минут для отдельно взятых слоев (пунктирные линии). Профили объединенного продукта приведены на фиг. 8. Легко удается обеспечивать соответствие спецификации как по меркаптану, так и по С6.
Размер слоя и характеристики потока регенерации для обоих примеров 1 и 2 приведены в таблице 2. Применение настоящего изобретения приводит к снижению общего необходимого количества адсорбента почти на 20%, а также к сокращению характеристик необходимого потока регенерации на 25%. Это соответствует экономии капитальных затрат на 9% и экономии эксплуатационных затрат на 25%.
Таблица 2
Пример 1
Пример 2
Кол-во слоев
4
4
Относительное количество адсорбента на слой
1
0,76
Относительное количество адсорбента в конденсаторе
0
0,34
Относительное количество суммарного адсорбента
4
3,38
Постоянный поток, млн станд. куб. фут/сут
66
53
Относительные капитальные затраты
1,09
1
Относительные эксплуатационные затраты
1,25
1
Пример 3 (предшествующий уровень техники)
Из потока природного газа со скоростью потока 200 млн станд. куб. фут/сут при 68 бар и 20°C с составом, приведенным в таблице 3, удаляют содержащиеся бензол и тяжелые углеводороды. Газ подают на установку TSA с 4 слоями, загруженными силикагелевым адсорбентом и молекулярными ситами со временем регенерации 40 минут и потоком регенерации 92 млн станд. куб. фут/сут. Газообразный продукт должен соответствовать спецификации <1000 ч/млн. С5, <100 ч/млн. C6+ и <1 ч/млн. бензола. Определяющим компонентом для обеспечения соответствия спецификации продукта является C5. На фиг. 9 приведены профили композиции продукта для С5 и С6, полученные с помощью динамического моделирования адсорбционного процесса, для профилей слоев, а также усредненный профиль для последовательных слоев или объединения профилей продукта из 2 параллельных адсорбирующих слоев. Можно видеть, что пик для последовательных слоев по С5 может соответствовать требуемой спецификации на уровне 1000 ч/млн. С использованием C6 и бензола можно легко обеспечивать соответствие спецификации продукта.
Таблица 3
Составы подаваемого газа для примера 3
Бензол
7,79E-05
C1
8,86E-01
C2
6,51E-02
C3
1,27E-02
C4
8,87E-03
CO2
4,57E-05
N2
2,06E-02
C5
4,80E-03
C6
1,56E-03
Пример 4
Пример 4 представляет собой сравнительный пример, в котором используют настоящее изобретение с добавленным конденсатором для обработки всего потока конечного продукта, как показано на фиг. 2. Эксплуатацию осуществляют в тех же условиях, что и в примере 3, но с использованием меньших адсорберов и более низкой скорости потока регенерации, при этом профили конечного продукта от конденсатора приведены на фиг. 10. Можно видеть, что для C5 можно обеспечивать соответствие спецификации на уровне 1000 ч/млн. с меньшими флуктуациями, чем на фиг. 9.
Размер слоя и характеристики потока регенерации для обоих примеров 3 и 4 приведены в таблице 3. Применение настоящего изобретения приводит к снижению общего необходимого количества адсорбента почти на 5%, а также к сокращению характеристик необходимого потока регенерации на 25%.
Таблица 4
Пример 1
Пример 2
Кол-во слоев
4
4
Относительное количество адсорбента на слой
1
0,76
Относительное количество адсорбента в конденсаторе
0
0,77
Относительное количество суммарного адсорбента
4
3,8
Постоянный поток, млн станд. куб. фут/сут
92
74
Конкретные варианты осуществления
Хотя приведенное ниже описание относится к конкретным вариантам осуществления, следует понимать, что настоящее описание предназначено для иллюстрации, а не ограничения объема предшествующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Первый вариант осуществления изобретения представляет собой способ обработки потока текучей среды, включающий в себя пропускание потока текучей среды через регенерируемый адсорбер для удаления загрязнителей и получение частично очищенного потока текучей среды, а затем пропускание по меньшей мере первой части частично очищенного потока текучей среды через отдельно взятый адсорбционный конденсатор. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем вторую часть частично очищенного потока текучей среды направляют в обход отдельно взятого адсорбционного конденсатора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем регенерируемый слой адсорбера содержит один или более адсорбирующих слоев при переменном давлении. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем регенерируемый адсорбирующий слой содержит один или более адсорбирующих слоев при переменной температуре. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем загрязнители содержат меркаптаны и тяжелые углеводороды. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем регенерируемый адсорбер содержит два или более адсорбера, а частично очищенный поток текучей среды от одного из адсорберов за один цикл проходит через один адсорбционный конденсатор. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, который дополнительно включает в себя по меньшей мере одно из: определения по меньшей мере одного параметра способа и формирования сигнала по результатам определения; определения по меньшей мере одного параметра способа и формирования данных по результатам определения; формирования и передачи сигнала; или формирования и передачи данных.
Второй вариант осуществления изобретения представляет собой адсорбционную систему, содержащую один или более адсорберов и по меньшей мере один адсорбционный конденсатор, выполненный с возможностью увеличения периода времени до появления необходимости регенерации для одного или более адсорберов. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все из предшествующих вариантов осуществления, представленных в данном параграфе, вплоть до первого варианта осуществления, представленного в данном параграфе, причем система содержит по меньшей мере одно из датчика для определения по меньшей мере одного параметра способа и формирования сигнала по результатам определения; датчика для определения по меньшей мере одного параметра способа и формирования данных по результатам определения; средства для формирования и передачи сигнала; и формирования и передачи данных.
Без дополнительной проработки считается, что с использованием предшествующего описания специалист в данной области может в полной мере использовать настоящее изобретение и легко устанавливать основные характеристики настоящего изобретения, чтобы без отступления от его сущности и объема вносить в изобретение различные изменения и модификации и адаптировать его к различным вариантам применения и условиям. Таким образом, предшествующие предпочтительные конкретные варианты осуществления следует рассматривать как исключительно иллюстративные, не накладывающие каких-либо ограничений на остальную часть описания и охватывающие различные модификации и эквивалентные конструкции, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.
Если не указано иное, в приведенном выше описании все температуры представлены в градусах по шкале Цельсия, а все доли и процентные значения даны по массе.