Способ эксплуатации промышленной установки с адсорбером и промышленная установка с адсорбером
METHOD FOR OPERATING AN INDUSTRIAL PLANT WITH AN ADSORBER AND AN INDUSTRIAL PLANT WITH AN ADSORBER

Область техники
Изобретение относится к способу эксплуатации промышленной установки, содержащей адсорбер, и к промышленной установке, содержащей адсорбер.
Газы и газовые смеси могут поглощать, транспортировать и снова высвобождать способные поглощаться вещества. Способное поглощаться вещество, до определенного количества, может поглощаться газовой смесью в зависимости от термодинамических параметров, в частности, температуры и давления. Количество способного поглощаться вещества, поглощаемого газовой смесью, часто называют загрузкой. В ходе промышленной переработки таких газовых смесей термодинамические параметры могут значительно изменяться от одной технологической стадии к другой технологической стадии. Обычно в результате этого газовая смесь находится в состоянии насыщения или пересыщения способным поглощаться веществом. Затем, например, происходит конденсация, при которой избыточное количество способного поглощаться вещества высвобождается из газового потока и конденсируется на границах раздела.
Одним из примеров этого является конденсация в трубопроводах влаги, содержащейся в технологических газах, если указанные трубопроводы имеют температуру, которая ниже точки росы по отношению к загруженному способным поглощаться веществом газовому потоку. В таком случае может возникнуть проблема в том, что конденсированная вода вызывает коррозию трубопровода.
В частности, в установках адсорбции с переменным давлением и установках адсорбции с переменной температурой часто присутствует технологический газ, загруженный способным поглощаться веществом, при этом количество загруженного вещества в фазах может быть очень высоким, вплоть до насыщения технологического газа веществом. Тогда конденсация может происходить даже при небольшом изменении температуры и/или давления.
В DD 200981 A1 раскрыт способ подавления периодических изменений концентрации в текучих средах. В данном случае среду перемещают через устройство, которое заполнено сорбентом и в котором отдельные компоненты среды, концентрация которых выше среднего значения, сорбируются и таким образом удерживаются до тех пор, пока не будет осуществлена вытеснительная десорбция и таким образом приблизительно однородное высвобождение в среду ранее сорбированных компонентов посредством введения среды с другой, например, более низкой концентрацией этих компонентов.
Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа временной гомогенизации загрузки газовой смеси способным поглощаться веществом в промышленной установке.
Указанной цели достигают, в соответствии с первым аспектом, посредством способа эксплуатации промышленной установки. Промышленная установка содержит адсорбер, который выпускает газовый поток, загруженный способным поглощаться веществом, с заданным массовым расходом, где для загруженного газового потока предусмотрены фазы пониженной загрузки и фазы повышенной загрузки, которые следуют одна за другой с чередованием во времени. Способ включает стадии:
подачи загруженного газового потока на вход сорбционного буферного устройства;
пропускания загруженного газового потока в сорбционном буферном устройстве через сорбент, который подходит для приема загрузки способного поглощаться вещества, по сорбционному пути, который ведет от входа к выходу сорбционного буферного устройства, где способное поглощаться вещество переходит из газового потока в сорбент или из сорбента в газовый поток, в зависимости от загрузки газового потока и загрузки сорбента, и
отведение обработанного газового потока на выходе сорбционного буферного устройства.
В течение фазы повышенной загрузки газового потока способным поглощаться веществом формируется область повышенной загрузки сорбента способным поглощаться веществом, которая проходит от входа сорбционного буферного устройства по сорбционному пути. В течение последующей фазы пониженной загрузки газового потока область повышенной загрузки сорбента смещается вдоль сорбционного пути в направлении к выходу из сорбционного буферного устройства. В данном случае длину сорбционного пути и количество сорбента в сорбционном буферном устройстве выбирают таким образом, чтобы обеспечить сорбционное буферное устройство, способное вместить по меньшей мере три, предпочтительно по меньшей мере четыре, более предпочтительно по меньшей мере пять различных областей повышенной загрузки сорбента вдоль сорбционного пути при эксплуатации промышленной установки.
В воплощениях область пониженной загрузки расположена в пространстве между двумя областями повышенной загрузки. Предпочтительно обеспечивают, чтобы сорбент в сорбционном буферном устройстве никогда не загружался полностью.
Такой способ дает возможность обеспечить обработанный газовый поток, загрузка которого не превышает заданного верхнего предельного значения. В частности, верхнее предельное значение может зависеть от технологических стадий, на которых перерабатывают обработанный газовый поток.
Это может быть, например, введение обработанного газового потока в газопровод, который работает при температуре окружающей среды.
2
2
4
2
2
В данном случае под газовым потоком следует понимать поток смеси или текучей среды, которая находится в газообразном состоянии. Такая текучая среда может иметь различный состав. Например, смесь может включать водород (Н), монооксид углерода (СО), диоксид углерода (СО), метан (СН), летучие органические соединения, азот (N), кислород (О) и/или благородный газ. Состав газового потока может изменяться во времени. Газовый поток можно рассматривать как поток объемов отдельных газов. В качестве примера, в нижеследующем описании для пояснения изменений состояния используют объем отдельного газа из газового потока.
23
Такой объем газа может быть охарактеризован, например, параметрами состояния, такими как давление, температура, количество частиц и состав. В данном случае, в качестве единицы измерения давления используют бар, где 1 бар ≈ 1,025 гПа. Температура указана в °С. Количество частиц может быть указано, например, в абсолютных величинах, выраженных молями (определяемыми постоянной Авогадро, 1 моль ≈ 6,022 10 частиц), или же в относительных величинах, исходя из базового количества, например, выраженных в ppm (частей на миллион). Состав может быть указан, исходя из объема, массы или количества частиц.
3
Газовый поток также имеет в качестве параметра состояния скорость потока. Скорость потока может быть указана, например, в качестве массового расхода. Массовый расход может быть указан в нормальных кубических метрах на единицу времени, например, в норм. м/ч. Нормальный кубический метр включает такое количество газовой смеси, которое содержится в объеме одного кубического метра газовой смеси при нормальных условиях. Нормальные условия, например, представляют собой нормальное давление pn=1,01325 бар и нормальную температуру Tn=0°С.
Если далее упоминают состав газового потока, это означает, что газовый поток имеет указанный состав в течение определенного периода времени. Другими словами, газовый поток несет в себе объемы газов в указанном количестве.
2
4
Один возможный состав газового потока представляет собой, например, 70% Н, 20% СН и 10% СО, исходя из объема. Могут быть различия в составе в % диапазоне или в присутствии других составляющих, например, так называемых следовых газов. Загруженный газовый поток содержит загрузку способного поглощаться вещества. В частности, вода и органические соединения являются способными поглощаться веществами и могут составлять загрузку газового потока.
2
Сорбция, в частности, включает процессы адсорбции, абсорбции и десорбции. Адсорбция относится к накоплению частиц способного поглощаться вещества, например, присутствующих в газовой смеси, на границе раздела с другой средой, такой как, например, твердое тело, такое как труба. Абсорбция относится к поглощению частиц другой средой, такому как, например, растворение СО в жидкой воде. Десорбция относится к обратному процессу. Это, например, перенос частиц из адсорбированного состояния в газовую фазу.
Загрузку газового потока можно указывать, например, относительно частиц, содержащихся в объеме газа. Максимальная загрузка объема газа зависит от его состояния. Если объем газа загружен веществом в максимальной степени, тогда его также называют насыщенным способным поглощаться веществом. Существующую загрузку можно указывать относительно максимальной загрузки. Это также называют относительным содержанием. Температура точки росы может быть определена при постоянном давлении и заданной загрузке. Температура точки росы, также называемая просто точкой росы, представляет собой температуру, при которой относительное содержание способного поглощаться вещества в объеме газа составляет 100%. Если температура падает ниже температуры точки росы, тогда образуется роса, то есть способное поглощаться вещество конденсируется на ядрах конденсации и/или поверхности элементов промышленной установки, контактирующих с объемом газа.
2
2
В частности, может быть такой случай, что поверхность имеет температуру, которая ниже точки росы объема газа относительно способного поглощаться вещества. Тогда объем газа или по меньшей мере часть объема газа охлаждается таким образом, что может происходить конденсация способного поглощаться вещества на поверхности. Если способное поглощаться представляет собой воду, и объем газа содержит фракцию СО, тогда конденсированная (жидкая) вода может поглощать СО из объема газа, что приведет к снижению значения рН воды. Такая кислая вода может стать причиной коррозии металлических трубопроводов.
Вода, содержащаяся в объеме газа, также может быть упомянута как водяной пар, влага или влажность. Например, относительное содержание воды называют относительной влажностью. При относительной влажности 0% можно сказать, что объем газа является сухим, при относительной влажности 100%, указанный объем может быть назван насыщенным и при относительной влажности между этими двумя предельными значениями, объем газа можно называть влажным.
В нижеследующем описании может быть просто сделано допущение, без потери общности, что способным поглощаться веществом является вода, и следовательно, может упоминаться влага, или влажность, или относительная влажность.
В частности, адсорбер может включать адсорбер с переменным давлением и адсорбер с переменной температурой. Такие устройства могут включать, например, множество рабочих фаз, в частности, фазу адсорбции и фазу регенерации. В таких устройствах влажный газовый поток может осушаться в течение фазы адсорбции, при этом уменьшается загрузка газового потока влагой. Таким образом, загруженный газовый поток, выпускаемый таким адсорбером, имеет пониженную загрузку влагой в течение данной фазы. В частности, выпускаемый загруженный газовый поток может быть даже сухим в течение данной фазы. В течение фазы регенерации такой адсорбер могут регенерировать, при этом он выделяет загруженный газовый поток с повышенной загрузкой влагой. В частности, выпускаемый загруженный газовый поток может быть насыщен в течение данной фазы.
Такие адсорберы могут работать, например, в периодическом режиме или же с чередованием фаз через различные промежутки времени, которые могут быть упомянуты как интервалы. Продолжительность интервала может составлять, например, несколько минут или несколько часов, вплоть до суток.
Предпочтительно массовый расход потока является постоянным по меньшей мере в фазах, это упрощает работу установки в непрерывном режиме.
Подача загруженного газового потока в сорбционное буферное устройство может включать прямое соединение выхода из адсорбера со входом сорбционного буферного устройства, например, посредством соответствующего трубопровода. В качестве альтернативы, могут быть обеспечены технологические стадии, такие как, например, сжатие загруженного газового потока посредством компрессора и охлаждение загруженного газового потока и/или сжатого газового потока в устройстве для охлаждения газа. В данном случае сжатый и/или охлажденный загруженный газовый поток подают на вход сорбционного буферного устройства.
В частности, сорбционное буферное устройство включает контейнер, который снабжен входом и выходом и который подходит для размещения определенного количества сорбента. Кроме того, контейнер может быть выполнен так, чтобы выдерживать повышенное давление газа, такое как, например, по меньшей мере 2 МПа (20 бар), предпочтительно по меньшей мере 3 МПа (30 бар).
Контейнер ограничивает объем. Например, контейнер может иметь форму цилиндра, при этом диаметр и длина контейнера определяют его объем. По меньшей мере одна часть объема контейнера может быть заполнена сорбентом. Количество сорбента ограничено максимальным значением указанной части объема.
Сорбент, в частности, представляет собой пористую среду, которая подходит для загрузки способным поглощаться веществом. Загрузка сорбента способным поглощаться веществом происходит, в частности, посредством адсорбции или абсорбции способного поглощаться вещества. Степень адсорбции или абсорбции зависит как от загрузки газового потока, так и от загрузки сорбента, а также от параметров состояния, давления и температуры. В частности, также может происходить десорбция. Направление сорбции частиц, в частности, зависит от отношения загрузки сорбента к загрузке газового потока. В данном случае направление сорбции следует понимать как сорбцию из газового потока в сорбент или наоборот.
Перенос может происходить только в том случае, если газовый поток находится в тесном контакте с сорбентом. В частности, этого достигают посредством сквозного потока.
Сорбенты включают, например, активированный уголь, активированный кокс, углеродные молекулярные сита, другие углеродсодержащие адсорбенты, активированный оксид алюминия, силикагели, цеолиты, трасс, другие оксидные адсорбенты, полимерные адсорбенты, металлоорганические адсорбенты и/или их смеси.
Газовый поток, подаваемый на вход контейнера, поступает внутрь контейнера, который заполнен сорбентом. Благодаря пористости сорбента, газовый поток может протекать через сорбент по сорбционному пути. Таким образом, объем газа, который несет газовый поток, протекает по сорбционному пути в направлении выхода из контейнера. По мере протекания, объем газа вступает в близкий контакт с сорбентом, расположенным на различных участках сорбционного пути, при этом на каждом участке может происходить перенос, как указано выше, загрузки из газового потока в сорбент и наоборот. В частности, такой перенос может происходить несколько раз и в каждом случае в различных направлениях и/или в различных местах по сорбционному пути.
Это описано ниже в качестве примера, исходя из объема газа, который несет газовый поток. Перед поступлением в контейнер, заполненный сорбентом, объем газа характеризуется его параметрами состояния. В частности, он имеет загрузку. Например, он загружен влагой. Например, он насыщен влагой. В примере сорбент имеет область повышенной загрузки, которая, например, расположена на центральной участке сорбционного пути. Остальная часть сорбента является сухой. Если насыщенный объем газа поступает в контейнер и протекает через сорбент по сорбционному пути, тогда он сначала проходит участок с сухим сорбентом. Следовательно, в частности, возможна сорбция влаги из объема газа в сорбент. Таким образом влажность газа в объеме снижается и на участке увеличивается загрузка сорбента, при этом на данном участке формируется область повышенной загрузки сорбента.
Объем газа протекает по сорбционному пути через сорбент, и газ дополнительно осушается до достижения области повышенной загрузки сорбента. Тогда в примере газ в объеме имеет очень низкую влажность, и по этой причине, в частности, возможна сорбция влаги из сорбента в объем газа. Таким образом снижается загрузка сорбента и повышается влажность газа в объеме.
Затем объем влажного газа протекает далее через сорбционный путь. Он покидает участок повышенной загрузки сорбента и проходит через другой участок, на котором сорбент находится в сухом состоянии. Таким образом, возможна повторная сорбция из объема газа в сорбент, при которой влажность газа в объеме снижается и увеличивается загрузка сорбента на данном участке. После этого объем газа достигает выхода из контейнера и покидает контейнер с пониженной влажностью. Следовательно, в данном примере, объем газа, который выше по потоку от сорбционного буферного устройства, находился в состоянии насыщения влагой, преобразуют в объем газа с пониженной влажностью ниже по потоку от сорбционного буферного устройства. Кроме того, в сорбенте формируют область повышенной загрузки, которая расположена на входе контейнера и проходит с определенной шириной в направлении выхода по сорбционному пути. Также область повышенной загрузки сорбента смещается от центрального участка сорбционного пути на последующий участок сорбционного пути в направлении выхода. Ширина областей повышенной загрузки сорбента зависит от количества способного поглощаться материала в соответствующей области и от поглотительной способности сорбента.
Если затем следует фаза пониженной загрузки газового потока, другими словами, через сорбционное буферное устройство протекают объемы газа с пониженной загрузкой, тогда область повышенной загрузки сорбционного устройства, которая расположена на входе контейнера, смещается по сорбционному пути на участок сорбционного пути, на котором сорбент имеет пониженную загрузку в начале указанной фазы. Кроме того, объем газа, который прошел через сорбент, расположенный на центральном участке, изначально имеющий пониженную загрузку, будет иметь пониженную загрузку. Следовательно, когда он достигает соседнего участка, объем газа может принимать влагу. Сорбент, расположенный на соседнем участке, имеет область повышенной загрузки, которая сформирована в предшествующей фазе. Объем газа принимает часть влаги, в результате чего его влажность возрастает. Затем объем газа покидает контейнер. Следовательно, в ходе данной фазы, происходит смещение областей повышенной загрузки в сорбенте. Газовый поток, изначально имеющий пониженную загрузку, преобразуют в обработанный газовый поток с более высокой загрузкой.
В частности, количество сорбента и длину сорбционного пути в сорбционном буферном устройстве выбирают таким образом, что в течение обеих фаз загрузка обработанного газового потока не превосходит заданного предельного значения. В течение фазы повышенной загрузки загруженного газового потока, загрузка обработанного газового потока, которая снижена относительно исходной, ниже предельного значения. В течение фазы пониженной загрузки загруженного газового потока, загрузка обработанного газового потока, которая повышена относительно исходной, ниже предельного значения. Таким образом, загрузка обработанного газового потока не должна быть постоянной во времени, а может отличаться от одной фазы к другой фазе. Усредненные по времени, где период усреднения охватывает по меньшей мере часть фаз из фаз повышенной и пониженной загрузки, загрузка загруженного газового потока и загрузка обработанного газового потока равны между собой.
Может быть определен фронт загрузки, который показывает загрузку сорбента в контейнере вдоль сорбционного пути. Фронт загрузки может быть представлен, например, в виде графика, где на одной оси показано положение вдоль сорбционного пути, а на другой оси показана загрузка сорбента в соответствующем положении. Такой график позволяет получить всестороннее представление о функционировании сорбционного буферного устройства, в частности, если фронт загрузки представлен в различные моменты времени.
Как описано в примере, в течение первой фазы в сорбенте формируется область повышенной загрузки, в зависимости от загрузки загруженного газового потока, которая проходит с определенной шириной в направлении к выходу из контейнера от входа контейнера вдоль сорбционного пути. В данном случае ширина указанной области может зависеть от общего количества способного поглощаться вещества, введенного в течение фазы повышенной загрузки. Количество может быть рассчитано, например, исходя из продолжительности фазы, массового расхода и загрузки газового потока. В течение фазы, следующей за этой фазой, при пониженной загрузке загруженного газового потока, область повышенной загрузки в сорбенте смещается по сорбционному пути в направлении к выходу. Это происходит посредством многократного переноса способного поглощаться вещества, как описано в примере выше. Также можно сказать, что фронт загрузки перемещается по сорбционного пути. Расстояние, покрываемое фронтом загрузки в течение фазы пониженной загрузки, в частности, может зависеть от продолжительности фазы пониженной загрузки загруженного газового потока, массового расхода и загрузки. В течение периодической последовательности этих двух фаз и если массовый расход и загрузка в разных фазах повышенной загрузки равны или по меньшей мере сходны, и массовый расход и загрузка в разных фазах пониженной загрузки загруженного газового потока равны или по меньшей мере сходны, может быть сформирован фронт загрузки, в котором расстояние между двумя областями повышенной загрузки сорбента в каждом случае постоянно. Соответственно, фронт загрузки может быть описан функцией с соответствующими максимумами и/или минимумами, которые расположены на определенном расстоянии периодическим образом.
Отведение обработанного газового потока на выходе сорбционного буферного устройства включает, например, введение газового потока в трубопровод, соединенный с выходом, в частности, газопровод. Под газопроводом следует понимать конструкцию, которая предназначена для транспортировки газового потока на заданное расстояние, например, 10 км или 20 км. Газопровод может быть сформирован, например, из труб. В частности, газопровод можно эксплуатировать при температуре окружающей среды.
В соответствии с одним воплощением способа, он включает стадии расширения обработанного газового потока с помощью редуктора давления, расположенного в направлении выхода потока относительно сорбционного буферного устройства, на которой получают расширенный поток газа, и подачи расширенного газового потока в газопровод, расположенный ниже по потоку от сорбционного буферного устройства.
Такое снижение давления дает особое преимущество, поскольку вследствие этого возможно понизить точку росы. Редуктор давления также может быть упомянут как понижающий давление вентиль, понижающий вентиль и вентиль давления. В частности, редуктор давления предназначен для создания заданной разности давления между стороной входящего потока и стороной выходящего потока. В качестве альтернативы, редуктор давления может быть настроен так, чтобы давление на стороне выходящего потока не превосходило заданное максимальное давление или давление на стороне выходящего потока не падало ниже заданного минимальное давления.
В соответствии с еще одним воплощением способа, разность давления газа между давлением в сорбционном буферном устройстве и газопроводе составляет 0,5 МПа -1 МПа (5 бар - 10 бар).
Например, давление газа на выходе из контейнера сорбционного буферного устройства может составлять 2,3 МПа (23 бар), а давление газа в газопроводе, расположенном ниже по потоку, может составлять 1,7 МПа (17 бар). Тогда газовый поток расширяется за счет разности давления 0,6 МПа (6 бар).
В соответствии с другим воплощением способа, он включает стадию охлаждения загруженного газового потока посредством устройства для охлаждения газа, расположенного выше по потоку от сорбционного буферного устройства, на которой получают охлажденный газовый поток.
Охлаждение газового потока позволяет увеличить относительное содержание способного поглощаться вещества. Если до охлаждения газовый поток уже находится в насыщенном или почти насыщенном состоянии, это, в частности, может привести к конденсации и, таким образом, отделению способного поглощаться вещества в устройстве для охлаждения газа. Это может давать преимущество и является предпочтительным для того, чтобы снизить абсолютную величину загрузки газового потока. В частности, если обработанный газовый поток подают в газопровод, работающий при температуре окружающей среды, и температура окружающей среды является низкой, такой как, например, температура в зимний период, данная стадия может способствовать тому, что заданное предельное значение загрузки обработанного газового потока не будет превышено. Устройство для охлаждения газа также может упоминаться как охладитель или сепаратор.
В соответствии с еще одним воплощением способа, температура охлажденного газового потока составляет 20°С-50°С.
В соответствии с другим воплощением способа, он включает стадию сжатия загруженного газового потока посредством компрессора, на которой формируют газовый поток, подвергнутый воздействию давления.
Это дает возможность создания предпочтительного технологического давления. В частности, таким образом можно гарантировать, что, например, с помощью редуктора давления, расположенного со стороны выходящего потока относительно сорбционного буферного устройства, может быть получена разность давлений. Также можно гарантировать сохранение массового расхода, поскольку газовый поток требует энергии из-за потерь на трение. Это является очевидным, в частности, из снижения давления по потоку. В частности, таким образом возможно обеспечить поток через сорбционное буферное устройство и поток через возможный газопровод.
Также возможно таким образом реализовать ситуацию, при которой давление в сорбционном буферном устройстве является постоянным в течение длительного периода времени и не зависит от последующих процессов.
В соответствии с еще одним воплощением способа, давление газового потока, подвергнутого воздействию давления, составляет 2 МПа - 3 МПа (20 бар - 30 бар).
В соответствии с другим воплощением способа, адсорбер включает адсорбер с переменным давлением и/или адсорбер с переменной температурой.
Такие адсорберы, в частности, можно эксплуатировать в периодическом режиме. Тогда интервалы фаз повышенной загрузки и фаз пониженной загрузки всегда будут равной продолжительности. Кроме того, загрузка загруженного газового потока в течение соответствующих фаз в каждом случае может быть равной или по меньшей мере сходной. В данном случае формируют периодический фронт загрузки, как описано выше, периоды которого соответствуют продолжительности интервалов.
В соответствии с еще одним воплощением способа, газовый поток включает газообразный водород, газообразный монооксид углерода, газообразный диоксид углерода, газообразные органические соединения, водяной пар, газообразный азот, газообразный кислород и/или газообразный благородный газ, или их сочетания.
n
2n+2
В частности, газообразные органические соединения имеют эмпирическую формулу CH. Такие способные поглощаться соединения также упоминают как летучие органические соединения или ЛОС.
В соответствии с другим воплощением способа, загруженный газовый поток содержит воду в количестве 0-4000 ppm на моль, а обработанный газовый поток содержит воду в количестве 500-2000 ppm на моль, предпочтительно 750-1500 ppm на моль.
Следовательно, преимущественно достигают гомогенизации загрузки газового потока. Например, влажность загруженного газового потока в течение фазы повышенной загрузки составляет 4000 ppm, а влажность обработанного газового потока в течение указанной фазы составляет 1500 ppm. В течение фазы пониженной загрузки влажность загруженного газового потока составляет, например, 0 ppm, а влажность обработанного потока газа составляет 750 ppm.
В соответствии с еще одним воплощением способа, фаза повышенной загрузки продолжается в течение 2-10 ч, а фаза пониженной загрузки продолжается по меньшей мере вдвое дольше, предпочтительно по меньшей мере втрое дольше фазы повышенной загрузки.
Это предпочтительно дает возможность использовать способ также для процессов с длительными интервалами.
3
3
3
3
В соответствии с другим воплощением способа, массовый расход газового потока составляет от 500 норм. м/ч до 20000 норм. м/ч, предпочтительно от 8000 норм. м/ч до 17000 стандартных м/ч.
Это преимущественно дает возможность использовать способ в промышленных установках различного размера. Способ также можно использовать с газовыми потоками, которые меняются со временем.
Другие преимущества способа или воплощений способа указаны ниже.
Сорбционное буферное устройство не требует собственного источника энергии. Его применение приводит только к снижению давления газового потока.
Кроме того, возможно использование обработанного потока газа, который имеет однородную загрузку, в процессах, в которых загрузка загруженного газового потока, по меньшей мере в фазах, является слишком высокой. Это может привести к более эффективному использованию промышленной установки и экономии сырья и энергии.
Также возможно достигать однородности загрузки газового потока без накапливания способного поглощаться вещества в виде отходов производства, что, например, позволяет сэкономить затраты на энергетические ресурсы. Кроме того, сорбционное буферное устройство предназначено для постоянной эксплуатации в непрерывном режиме.
Более того, такое сорбционное буферное устройство может иметь очень простую конструкцию и по этой причине его можно легко изготовить, и могут потребоваться только работы по техническому обслуживанию.
Более того, этот способ можно применять даже в промышленных процессах с очень продолжительными интервалами, поскольку всегда обеспечивают достаточное количество сорбента и достаточно длинный сорбционный путь.
Согласно второму аспекту, предложена промышленная установка для осуществления способа в соответствии с первым аспектом или одним из воплощений первого аспекта. Промышленная установка включает сорбционное буферное устройство для обработки газового потока, загруженного способным поглощаться веществом. Длину сорбционного пути и количество сорбента в сорбционном буферном устройства задают таким образом, что сорбционное буферное устройство подходит для размещения по меньшей мере трех, предпочтительно по меньшей мере четырех, более предпочтительно по меньшей мере пяти различных областей повышенной загрузки сорбента вдоль сорбционного пути при эксплуатации промышленной установки.
В соответствии с одним воплощением промышленной установки, она кроме того предназначена для обработки загруженного газового потока таким образом, что обработанный газовый поток имеет пониженную загрузку относительно повышенной загрузки загруженного газового потока, и обработанный газовый поток имеет повышенную загрузку относительно пониженной загрузки загруженного газового потока.
В соответствии с третьим аспектом, предложен способ получения сорбционного буферного устройства для обработки газового потока. Сорбционное буферное устройство в частности подходит для внедрения в промышленную установку в соответствии со вторым аспектом и для эксплуатации промышленной установки в соответствии со способом первого аспекта или одним из воплощений способа. Предложенное сорбционное буферное устройство содержит контейнер, который заполнен сорбентом и содержит вход и выход, так что газовый поток, подаваемый на вход, протекает через сорбент по сорбционному пути. Сорбционный путь ведет от входа к выходу из контейнера. Длину сорбционного пути и количество сорбента в сорбционном буферном устройстве выбирают таким образом, что сорбционное буферное устройство пригодно для размещения по меньшей мере трех, предпочтительно по меньшей мере четырех, более предпочтительно по меньшей мере пяти различных областей повышенной загрузки сорбента вдоль сорбционного пути при эксплуатации промышленной установки.
Другие возможные воплощения способа также включают сочетания, выраженные не явным образом, признаков или воплощений, описанных выше или ниже, в отношении приведенных в качестве примера воплощений. Специалист в данной области техники также сможет добавить отдельные аспекты, в качестве улучшений или дополнений к соответствующей основной форме способа.
Воплощения, установленные для способа, соответственно применимы к промышленной установке и способу ее получения.
Другие преимущественные конфигурации и аспекты способа составляют предмет зависимых пунктов формулы изобретения и приведенных в качестве примера воплощений способа, описанных ниже. Далее более подробно описан способ на основе предпочтительных, приведенных в качестве примера воплощений со ссылками на прилагаемые чертежи, где
на Фиг. 1 показана схема Р & I (трубопроводов и контрольно-измерительных приборов) первого приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки, которая подходит для реализации способа;
на Фиг. 2 представлен один пример зависимости от времени загрузки загруженного газового потока и обработанного газового потока;
на Фиг. 3 показан ряд графиков одного примера загрузки сорбента в сорбционном буферном устройстве способным поглощаться веществом в различные моменты времени;
на Фиг. 4 представлена схема Р & I второго приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки, которая подходит для реализации способа;
на Фиг. 5 показана схема одного примера загрузки сорбента в сорбционном буферном устройстве способным поглощаться веществом в различные моменты времени;
на Фиг. 6 представлена схема Р & I третьего приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки, которая подходит для реализации способа, и
на Фиг. 7 показана блок-схема приведенного в качестве примера воплощения способа эксплуатации промышленной установки.
1
1
1
2
4
3
На Фиг. 1 показана схема Р & I первого приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки 100, которая подходит для реализации способа. В приведенном в качестве примера воплощении на Фиг. 1 промышленная установка 100 включает адсорбер 10 и сорбционное буферное устройство 40. В течение фазы Р1 (см. Фиг. 2) адсорбер 10 приведенного в качестве примера воплощения выпускает загруженный газовый поток G, загрузка которого понижена, приблизительно в течение 18 ч. В течение фазы Р2, которая следует далее, указанный адсорбер выпускает загруженный газовый поток G, который загружен водой в количестве 1200-4000 ppm, приблизительно в течение 6 ч. Загруженный газовый поток G содержит 70% Н, 10% СО и 20% СН, исходя из объема, и протекает с массовым расходом 8000-17000 норм. м/ч.
1
1
1
4
Загруженный газовый поток G подают в сорбционное буферное устройство 40. Это устройство включает контейнер 41, который загружен сорбентом 44 и имеет вход 42 и выход 43. Контейнер 41 заполнен сорбентом 44, через который газовый поток способен протекать по сорбционному пути 45. Контейнер 41 приведенного в качестве примера воплощения имеет форму цилиндра с внутренним диаметром 2,2 м и высотой 7,5 м, и он заполнен силикагелем в количестве приблизительно 22 т, в качестве сорбента 44. Загруженный газовый поток G поступает через вход 42 во внутреннюю часть контейнера 41, заполненную сорбентом 44, и протекает через него по сорбционному пути 45, причем указанный путь ведет от входа 41 к выходу 43. Здесь загрузку газового потока G делают более однородной, таким образом, что обработанный газовый поток Gимеет загрузку 750 ppm - 1500 ppm, и достигают снижения точки росы на 10°С-15°С.
1
4
1
1
1
2
1
2
3
1
2
На Фиг. 2 показан один пример зависимости от времени загрузки ϕ загруженного газового потока G и обработанного газового потока G, которую можно наблюдать, например, в промышленной установке 100 в соответствии с приведенным в качестве примера воплощением, показанным на Фиг. 1. Это представляет собой график, где обозначены ось t времени и ось ϕ загрузки. Первая фаза Р1, в течение которой загруженный газовый поток G имеет пониженную загрузку ϕ, начинается в момент времени t. Фаза Р1 заканчивается в момент времени t, когда загрузка ϕ загруженного газового потока G возрастает до повышенной загрузки ϕ, которая сохраняется на протяжении фазы Р2 до момента времени t. На диаграмме показан только небольшой фрагмент, включающий фазу Р1 с пониженной загрузкой ϕ и фазу Р2 с повышенной загрузкой ϕ. Как указано, данному периоду времени предшествуют другие фазы и за ними следуют дальнейшие фазы. В данном случае, продолжительность отдельных фаз и загрузка ϕ газового потока может отличаться от представленного примера. Более того, между двумя фазами также возможно постепенное изменение загрузки ϕ газового потока.
4
1
1
4
1
1
1
2
4
2
2
2
2
1
1
Дополнительно на графике Фиг. 2 показан один пример профиля загрузки ϕ обработанного газового потока G (пунктирной линией). В течение фазы Р1, когда загруженный газовый поток G имеет пониженную загрузку ϕ, обработанный газовый поток G имеет загрузку ϕ', которая является повышенной относительно пониженной загрузки ϕ. В течение фазы Р2, когда загруженный газовый поток G имеет повышенную загрузку ϕ, обработанный газовый поток G имеет загрузку ϕ', которая понижена относительно повышенной загрузки ϕ. Таким образом, в целом, достигают гомогенизации загрузки ϕ газового потока, причем это проявляется в сниженной разности между повышенной загрузкой ϕ, ϕ' и пониженной загрузкой ϕ, ϕ'.
4
1
1
1
1
4
2
4
2
1
В частности, возможно, что обработанный газовый поток G имеет загрузку ϕ', которая медленно стремится к пониженной загрузке ϕ', например, с убыванием по экспоненте, в течение фазы Р1 с пониженной загрузкой ϕ загруженного газового потока G. Также, может быть в частности такой случай, что от значения пониженной загрузки ϕ' значение ϕ' обработанного газового потока G медленно стремится к повышенной загрузке ϕ' обработанного газового потока G, например, экспоненциально, в течение фазы Р2 с повышенной загрузкой ϕ загруженного газового потока G.
1
2
1
1
5
5
На Фиг. 3 показан ряд графиков одного примера загрузки ψ сорбента 44 способным поглощаться веществом в сорбционном буферном устройстве 40 по длине 1=x-x сорбционного пути 45 в различные моменты времени t-t. Графики выровнены относительно друг друга, и точки на оси х, расположенные друг над другом, соответствуют друг другу, что показано проходящими через все графики пунктирными линиями. Из соображений ясности, обозначения оси х можно обнаружить только под графиком t. Ниже, при упоминании газового потока G, имеется ввиду газовый поток в сорбционном буферном устройстве.
1
1
1
2
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
Первый момент времени обозначен t, и он может совпадать с моментом времени tна Фиг. 2. В этот момент времени t как раз завершена фаза Р2 с повышенной загрузкой ϕ газового потока G. В течение данной фазы Р2 сформирована область B повышенной загрузки ψ сорбента 44 на участке A сорбционного пути 45. Указанная область B имеет ширину, которая, в частности, зависит от продолжительности фазы Р2, массового расхода и загрузки ϕ потока G загруженного газа (см. Фиг. 2). Фаза Р1 с пониженной загрузкой ϕ потока G загруженного газа начинается в момент времени t и продолжается до момента времени t, как показано, например, на Фиг. 2.
2
2
2
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
2
Второй момент времени t может совпадать, например, с моментом времени t на Фиг. 2. Как показано на графике t, область B повышенной загрузки ψ сорбента 44 смещена от участка A на участок А сорбционного пути 45 в направлении к выходу х. Это можно объяснить следующим образом: в течение фазы Р1 поток G загруженного газа имеет пониженную загрузку ϕ, и по этой причине возможен перенос способного поглощаться вещества из сорбента 45, который имеет повышенную загрузку ψ на участке A, в газовый поток G, посредством чего снижается загрузка ψ сорбента 45 на участке А. Таким образом, после протекания через участок A, газовый поток G может иметь загрузку ϕ, которая больше, чем пониженная загрузка ϕ. Когда газовый поток G проходит через участок A, он проходит по сорбционному пути 45 через участок А, на котором сорбент 44 изначально имеет пониженную загрузку ψ (согласно графику t). Таким образом, может происходить перенос способного поглощаться вещества из газового потока G в сорбент 44 на участке А. Следовательно, область B повышенной загрузки ψ сорбента 44 смещается по сорбционному пути 45 на участок А. Также можно сказать, что в сорбенте 45 смещается фронт загрузки.
3
2
2
1
1
2
3
Третий момент времени t соответствует моменту времени после момента времени t, когда только что завершена следующая фаза Р2. Таким образом сформирована еще одна область В повышенной загрузки ψ сорбента 44 на участке A, и область Bповышенной загрузки ψ смещена по сорбционному пути 45 от участка А на участок A.
4
3
1
2
2
4
Четвертый момент времени t соответствует моменту времени после момента времени t, когда только что завершена еще одна фаза Р1. Таким образом, две области B, В повышенной загрузки ψ сорбента 44 смещены по сорбционному пути 45 на ближайший в каждом случае участок А и А, соответственно.
5
4
3
1
1
2
3
5
Пятый проиллюстрированный момент времени t соответствует моменту времени после моменту времени t, когда только что завершена очередная фаза Р2, и по этой причине сформирована третья область В повышенной загрузки ψ сорбента 44 на участке А. Еще две области B, В повышенной загрузки ψ сорбента 44 снова смещены по сорбционному пути 45 на ближайший в каждом случае участок A и А, соответственно.
1
2
3
1
2
3
В проиллюстрированной временной зависимости с мгновенными состояниями фронта загрузки в сорбенте 44 сорбционное буферное устройство 40 подходит для размещения трех различных областей B, В, В повышенной загрузки ψ сорбента 44. В каждом конкретном случае между указанными областями B, В, В находятся области пониженной загрузки ψ сорбента 44.
1
2
3
1
2
3
1
5
1
2
3
На Фиг. 3 проиллюстрирован еще один эффект. Повышенная загрузка ψ сорбента 44 в области В, В, В снижается, когда область проходит через сорбент 44 вдоль сорбционного пути 45. На Фиг. 3 это показано с помощью высоты загрузки ψ области B, В, В в различные моменты времени t-t. В то же время, соответствующие области B, В, В расширяются, поскольку сохраняется общее количество способного поглощаться вещества.
На Фиг. 4 представлена схема Р & I второго приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки 200, которая подходит для реализации способа. В приведенном в качестве примера воплощении на Фиг. 4 промышленная установка 200 включает адсорбер 10, компрессор 20, устройство 30 для охлаждения газа, сорбционное буферное устройство 40, редуктор 50 давления и газопровод 60.
1
2
2
2
1
3
2
2
1
3
1
5
Загруженный газовый поток G, поступающий из адсорбера 10, подают в компрессор 20 и сжимают. Например, давление сжатого газового потока G составляет 2,5 МПа (25 бар). Таким образом, газовый поток G под давлением подают в устройство 30 для охлаждения газа и там охлаждают температуры газа 20°С-50°С. В частности, в данном случае, в течение фаз Р2 с повышенной загрузкой ϕ загруженного газового потока G способное поглощаться вещество в устройстве 30 для охлаждения газа, возможно тем самым отделяется в конденсированном состоянии. Таким образом, поток G охлажденного газа уже может иметь загрузку ϕ', которая понижена относительно загрузки ϕ загруженного газового потока G. Затем загруженный газовый поток Gподают в сорбционное буферное устройство 40. Сорбционное буферное устройство 40 приведенного в качестве примера воплощения выполнено таким образом, что оно подходит для размещения пяти областей B-В повышенной загрузки ψ сорбента 44 (см. Фиг. 5). В остальном сорбционное буферное устройство 40 функционирует, как указано выше, на основе Фиг. 3.
4
5
5
Ниже по потоку от сорбционного буферного устройства 40 обработанный газовый поток G подают в редуктор 50 давления, который снижает давление до 1,5 Мпа (15 бар). В частности, газовый поток G, расширенный таким образом, имеет точку росы, которая ниже температуры газопровода 60, посредством которого транспортируют расширенный газовый поток G, например, в другую промышленную установку (не показана). Соответственно, эффективно предотвращают конденсацию способного поглощаться вещества в газопроводе 60 и снижают негативные эффекты, такие как, например, коррозия газопровода 60.
1
5
1
5
1
5
На Фиг. 5 представлена схема фронта загрузки сорбента 44 в сорбционном буферном устройстве 40, как может быть использовано, например, в одной из промышленных установок 100, 200. В данном случае фронт загрузки представлен в один момент времени. В примере на Фиг. 5 сорбционное буферное устройство 40 предназначено для размещения в целом пяти областей B-В повышенной загрузки ψ сорбента 44. Пять областей B-В расположены на различных участках A-А по сорбционному пути 45 (см. Фиг. 4), и каждая из областей имеет относительный максимум загрузки ψ сорбента 44. Момент времени, представленный на Фиг. 5, соответствует моменту времени по прошествии по меньшей мере пяти циклов, где один цикл включает последовательность из одной фазы Р1 с одной последующей фазой Р2, например, в соответствии с Фиг. 2.
S
P1
P2
2
На Фиг. 6 представлена схема Р & I третьего приведенного в качестве примера воплощения промышленной установки 300, которая подходит для осуществления способа. В частности, промышленная установка 300 предназначена для разделения потока G синтез-газа с обеспечением первого продукта G, который главным образом содержит СО, и второго продукта G, который главным образом содержит Н. В приведенном в качестве примера воплощении адсорбер 10 скомпонован из адсорбера 11 с переменной температурой, камеры 12 охлаждения и адсорбера 13 с переменным давлением. Промышленная установка 300 также включает компрессор 20, устройство 30 для охлаждения газа, сорбционное буферное устройство 40 и газопровод 60.
S
01
2
S
01
2
P1
02
2
02
1
02
2
02
P2
Поток G синтез-газа сначала поступает в адсорбер 11 с переменной температурой и там его преобразуют в газовый поток G, который преимущественно включает СО и Н. Другие составляющие потока G синтез-газа удерживаются в адсорбере 11 с переменной температурой. Газовый поток G подают в камеру 12 охлаждения, в которой Н отделяют от СО. В камере 12 охлаждения СО накапливают в виде продукта G, и его можно использовать в других процессах (не показаны). Газовый поток Gпреимущественно содержит Н. Как показано на схеме, указанный газовый поток Gиспользуют в фазах для регенерации адсорбера 11 с переменной температурой. Повышенная загрузка ϕ газового потока G возникает, в частности, в течение указанной регенерации. В примере зависимости от времени на Фиг. 2 это соответствует фазе Р2. Газовый поток G подают в адсорбер 13 с переменным давлением. В частности, там Нотделяют от газового потока G и обеспечивают в качестве продукта G.
1
1
4
Поток остаточного газа образует загруженный газовый поток G, который пропускаю через другие компоненты, включающие компрессор 20, устройство 30 для охлаждения газа и сорбционное буферное устройство 40 и, наконец, вводят в газопровод 60. В данном случае в каждом из этих устройств газовый поток преобразуют в газовый поток с измененными параметрами состояниями, например, как указано при описании приведенного в качестве примера воплощении промышленной установки 200 в соответствии с Фиг. 4. Газовый поток G-G подходит, например, для сжигания в энергоустановке (не показана).
На Фиг. 7 показана блок-схема первого приведенного в качестве примера воплощения способа эксплуатации промышленной установки, например, промышленной установки 100 приведенного в качестве примера воплощения, показанного на Фиг. 1. Проиллюстрированный способ включает стадии:
1
1
1
подачи 710 загруженного газового потока G в сорбционное буферное устройство 40. В данном случае газовый поток G отводят из адсорбера 10. Подача 710 может означать, что загруженный газовый поток G отводят из адсорбера 10 на входе 42 сорбционного буферного устройства 40 посредством трубопровода.
1
1
1
5
1
1
1
5
1
5
пропускания 720 загруженного газового потока G в сорбционном буферном устройстве 40 через сорбент 44 по сорбционному пути 45. Здесь, в частности, посредством сорбции может происходить изменение загрузки ϕ газового потока G и загрузки ψ сорбента 44 на отдельных участках вдоль сорбционного пути 45. В частности, формируется фронт загрузки с областями B-В повышенной загрузки ψ сорбента 44, который смещается по сорбционному пути 45 в зависимости от загрузки ϕ загруженного газового потока G и массового расхода загруженного газового потока G. В данном случае отдельные области B-В характеризируются локальными максимумами загрузки ψ сорбента 44 и отделены друг от друга локальными минимумами загрузки ψ. На пути смещения отдельных областей B-В загрузка ψ сорбента 45 становится более гомогенной таким образом, что амплитуда, которую можно определить, например, по разности между загрузкой ψ сорбента 44 в локальном максимуме и соседнем локальном минимуме, снижается вдоль сорбционного пути 45.
4
4
отведения 730 обработанного газового потока G на выходе 43 из сорбционного буферного устройства 40. В частности, отведение 730 состоит из введения в трубопровод, соединенный с выходом 43, для подачи обработанного газового потока G в другие процессы.
На Фиг. 8 показана блок-схема второго приведенного в качестве примера воплощения способа эксплуатации промышленной установки, например, одной из промышленных установок 100, 200, 300 приведенных в качестве примера воплощений на Фиг. 1, 4 и 6. Способ по этому приведенному в качестве примера воплощению включает такие же стадии 710, 720, 730 способа, как в предшествующем приведенном в качестве примера воплощении (см. Фиг. 7), при этом различные подстадии способа связаны с отдельными стадиями способа.
S
1
1
2
2
3
3
Соответственно, подача 710 включает пропускание 711 через адсорбер 10 потока G синтез-газа с целью обеспечения загруженного газового потока G. Далее следует сжатие 712 загруженного газового потока G с целью обеспечения газового потока G, подвергнутого воздействию давления. Кроме того, сжатый газовый поток G подвергают охлаждению 713 с целью обеспечения охлажденного газового потока G. Затем охлажденный газовый поток G подают на вход 42 сорбционного буферного устройства 40.
1
5
1
4
Стадия 720 способа, пропускание газового потока, включает по меньшей мере подстадии выбора 721 длины сорбционного пути 45 и количества сорбента 44 в сорбционном буферном устройстве 40 таким образом, что устройство подходит для размещения по меньшей мере трех, предпочтительно четырех, более предпочтительно пяти различных областей B-В повышенной загрузки ψ сорбента 44 вдоль сорбционного пути 45 и пропускания 722 через сорбент 44 по сорбционному пути 45 загруженного газового потока G с целью обеспечения обработанного газового потока G на выходе 43 сорбционного буферного устройства 40.
4
5
5
5
Стадия 730 способа, отведение, включает в частности, расширение 731 обработанного газового потока G с целью обеспечения расширенного газового потока G, и подачу 732 расширенного газового потока G в газопровод 60 с целью транспортировки расширенного газового потока G в другое устройство или промышленную установку.
Список используемых обозначений
100 Промышленная установка
200 Промышленная установка
300 Промышленная установка
10 Адсорбер
11 Адсорбер с переменной температурой
12 Камера охлаждения
13 Адсорбер с переменным давлением
20 Компрессор
30 Устройство для охлаждения газа
40 Сорбционное буферное устройство
41 Контейнер
42 Вход
43 Выход
44 Сорбент
45 Сорбционный путь
50 Редуктор давления
60 Газопровод
710 Стадия способа (подача)
711 Стадия способа (пропускание через адсорбер)
712 Стадия способа (сжатие)
713 Стадия способа (охлаждение)
720 Стадия способа (пропускание)
721 Стадия способа (выбор)
722 Стадия способа (протекание через)
730 Стадия способа (отведение)
731 Стадия способа (расширение)
732 Стадия способа (подача в газопровод)
1
A Участок
2
А Участок
3
А Участок
4
А Участок
5
А Участок
1
B Область повышенной загрузки сорбента
2
B Область повышенной загрузки сорбента
3
B Область повышенной загрузки сорбента
4
B Область повышенной загрузки сорбента
5
B Область повышенной загрузки сорбента
G Газовый поток в сорбционном буферном устройстве
01
G Газовый поток для подачи в камеру охлаждения
02
G Газовый поток для подачи в адсорбер с переменным давлением
1
G Загруженный газовый поток
2
G Сжатый газовый поток
3
G Охлажденный газовый поток
4
G Обработанный газовый поток
5
G Расширенный газовый поток
P1
G Продукт 1
P2
G Продукт 2
S
G Поток синтез-газа
l Длина сорбционного пути
Р1 Фаза
Р2 Фаза
t Время
1
t Момент времени
2
t Момент времени
3
t Момент времени
4
t Момент времени
5
t Момент времени
x Положение
1
x Положение (вход)
2
x Положение (выход)
ϕ Загрузка газового потока
1
ϕ Пониженная загрузка загруженного газового потока
2
ϕ Повышенная загрузка загруженного газового потока
1
ϕ' Пониженная загрузка обработанного газового потока
2
ϕ' Повышенная загрузка обработанного газового потока
ψ Загрузка сорбента
1
ψ Максимальная загрузка сорбента
2
ψ Минимальная загрузка сорбента