УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАССООБМЕННАЯ АБСОРБЦИОННО-ДЕСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА
UNIVERSAL MASS-TRANSFER ABSORBTION-DESORPTION UNIT

Изобретение относится к области хранения нефти, нефтепродуктов и других легкоиспаряющихся жидкостей, может быть использовано в нефтедобывающей, нефтехимической и нефтеперерабатывающей, химической промышленности, а также в теплоэнергетике в качестве декарбонизатора.
В теплоэнергетике (водоподготовке) нашли широкое применение десорберы, предназначенные для удаления углекислоты из воды, обработанной в водород-катионитовых фильтрах, называемые декарбонизаторами, представляющие собой колонну, заполненную насадками (кольцами Рашига), в которой в противотоке контактируют жидкость (вода) и газообразный десорбирующий агент (воздух). Жидкость подается сверху, а газ (воздух) - снизу.
Таковы декарбонизаторы (Л.1. Справочник химика-энергетика под редакцией Голубцова В.А. и др. Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1958, том второй, стр.156. 157, фиг.9-11, 9-12, декарбонизаторы).
В химической и нефтехимической отраслях промышленности нашли широкое применение насадочные десорберы (они же абсорберы), предсталяющие собой колонну со свободным сливом жидкости, заполненную насадками (Л.2. А.Н.Плановский, В.М.Рамм, С.З.Каган «Процессы и аппараты химической технологии». Издательство «Химия», Москва,1968, с.509, рис 17-6).
При улавливании углеводородных паров при хранении нефти и нефтепродуктов также применяются насадочные абсорберы, аналогичные вышеупомянутым (патенты РФ №2106903, №2050170, №2080159).
На нефтепромыслах применяются десорберы очистки нефти от вредных газов (сероводорода) с регулярной насадкой АВР (Л.3 М.Н.Персиянцев «Совершенствование процессов сепарации нефти и газов в промысловых условиях», Москва, Недра, 1999 г., с.194, рис.54.4).
Недостатком всех перечисленных аналогов является их громоздкость, большая металло- и материалоемкость, высокая стоимость, ухудшение работы при уменьшении нагрузки по потоку жидкости (при снижении плотности орошения), что приводит к проскоку газов между струями жидкости.
Большинство недостатков аналогов устранены в массообменных установках нового типа. Это десорбционная установка, защищенная патентом РФ №2356843, C02F 1/20, и десорбер очиски нефти от вредных газов, защищенный патентом РФ №2363514, B02d 19/00 C02F 1/20. Эти установки могут работать и как десорберы, и как абсорберы. Они менее металло- и материалоемки, просты в изготовлении, имеют значительно больший коэффициент массопередачи на единицу объема установки, меньшую стоимость и большую эффективность.
В качестве прототипа выбрана десорбционная установка, защищенная патентом РФ №2356843, C02F 1/20.
Эта установка эффективна при реконструкции старых декарбонизаторов, имеющих вертикальные емкости декарбонизированной воды большого объема, установленные на ТЭЦ, ГРЭС и котельных теплоэнергетики. Эти емкости реконструируются в десорберы второй ступени. При строительстве новых установок изготовление громоздких вертикальных массообменников второй ступени на базе емкостей декарбонизированной воды является нецелесообразной.
Известная установка имеет десорбер (массообменник) первой ступени в виде цилиндрического корпуса с верхней и нижней торцевыми крышками, с подводящим и отводящим тангенциальными патрубками жидкости, с подводящим патрубком газообразного десорбирующего агента (воздуха), с центробежным сепаратором в виде обечайки, соединенным с внутренней частью корпуса посредством отверстий в нижней части корпуса, с патрубком отвода газообразной среды из сепаратора, проходящим через корпус, патрубком отвода жидкости, сообщенным с десорбером второй ступени, содержащим емкость, внутри которой, в верхней части, имеется диспергатор жидкости, поступающей из десорбера первой ступени, барботажно-циркуляционное устройство в виде вертикальной обечайки с отбортовкой, выше которой расположено отбойное устройство, образующее циркуляционный канал, и барботер газа (воздуха) внутри этого канала, подводящий газопровод десорбирующего газа (воздуха), подводящий трубопровод десорбируемой жидкости (воды), поступающей из десорбера первой ступени с диспергатором жидкости, расположенным в верхней части емкости, гидрозатвор со сливным трубопроводом, обеспечивающим постоянство уровня в емкости при сливе жидкости в другую емкость. Десорбер первой ступени может иметь эжектор (инжектор), засасывающий газ (воздух) из атмосферы или из газопровода и нагнетающий его внутрь десорбера. Десорберы первой и второй ступни имеют каждый несколько ступеней контакта фаз (жидкой и газообразной сред), названные в описании изобретения ступенями десорбционной установки.
Цель изобретения - уменьшение металлоемкости абсорберов и десорберов, повышение качества абсорбции и десорбции, для чего необходимо применение особых конструкций абсорберов-десорберов, установленных в две ступени параллельно-последовательно по потоку жидкости и по потоку газов, с применением в каждом абсорбере-десорбере нескольких ступеней контакта фаз.
Указанная цель достигается тем, что в известной установке (массообменнике - абсорбере-десорбере), содержащей абсорберы-десорберы первой и второй ступени, абсорбер-десорбер первой ступени выполнен в виде цилиндрического корпуса с верхней и нижней торцевыми крышками, с подводящим и отводящим тангенциальными патрубками жидкости, с подводящим патрубком газообразного десорбирующего агента, с центробежным сепаратором в виде обечайки, соединенным с внутренней частью корпуса, с патрубком отвода газообразной среды из сепаратора, проходящим через корпус, патрубком отвода жидкости, сообщенным с десорбером второй ступени через диспергатор, расположенный внутри емкости абсорбера-десорбера второй ступени, абсорбер-десорбер второй ступени выполнен в виде горизонтальной емкости со свободным сливом отработавшей десорбированной или абсорбирующей жидкости через гидрозатвор, внутри которой находится барботажное газораспределительное устройство в виде горизонтальной обечайки с торцевой заглушкой, частично погружаемой ниже предполагаемого уровня жидкости, с газораспределительными отверстиями для барботажа газа, с отбойниками над газораспределительными отверстиями, с устройством, диспергирующим на капли жидкость, поступающую из абсорбера-десорбера первой ступени, с каплеуловителем, гидрозатвором, порогом определяющим уровень жидкости в емкости. Абсорберы-десорберы первой и второй ступеней соединены между собой трубопроводами жидкости и газопроводами последовательно-параллельно. Указанная цель достигается также тем, что перед абсорбером-десорбером первой ступени установлен, как минимум, один инжектор, выполняющий роль предвключенного абсорбера-десорбера, с патрубками подвода жидкости и газа, с отводящим нагнетательным патрубком газожидкостной смеси, присоединенным к подводящему патрубку абсорбера-дисорбера первой ступени.
На фиг.1 показана схема универсальной массообменной абсорбционно-десорбционной установки.
На фиг.2 - продольный разрез конструкции абсорбера-десорбера первой ступени.
На фиг.3 - продольный разрез конструкции абсорбера-десорбера вторй ступени.
На фиг.4 - поперечное сечение абсорбера-десорбера вторй ступени.
Показанная на схеме (фиг.1) универсальная абсорбционно-десорбционная установка содержит: газопровод 1 (трубопровод абсорбируемого или абсорбирующего газа, включая воздух), 1а - газопровод (воздуховод), соединенный с атмосферой, 1б - газопровод (воздуховод) от воздуходувной машины 2 (дутьевого вентилятора) к патрубку 53 подвода газов абсорбера-десорбера 8 второй ступени, центробежно-вихревой абсорбер-десорбер 3 первой ступени с подводящими патрубками 4 жидкости и отводящей трубой 5 жидкости (из первой ступени во вторую), как минимум, один инжектор 7, абсорбер-десорбер второй ступени 8, емкость отработавшей (десорбированной) жидкости 9 и (или) емкость отработавшей абсорбирующей жидкости 10 с циркуляционным насосом 11, холодильный узел 12. Трубопровод 13 является трубопроводом подвода десорбируемой жидкости (например, воды, содержащей углекислоту). Трубопровод 14 служит для подачи жидкости (абсорбирующей или десорбируемой) в абсорбер-десорбер первой ступени, соответственно через холодильный узел 12 или помимо него. Трубопровод 14а - для подачи жидкости в абсорбер-десорбер 3, минуя инжектор 7. Трубопровод 15 -для выброса отработанного воздуха (десорбента) из абсорбера-десорбера, 15а - для транспортирования частично отработанного газа (абсорбирующего или абсорбируемого) в абсорбер-десорбер второй ступени 8. Трубопровод 16 служит для подачи абсорбирующего или абсорбируемого газа непосредственно в абсорбер-десорбер 3, минуя инжекторы 7. Газопровод 17 с клапаном 18 служит для аварийного сброса газа из газопровода 1 в абсорбер 8 при повышении давления газа выше нормы (при улавливании углеводородных паров из нефтехранилищ или бензинохранилищ). Трубопровод 19 с клапаном 20 служат для подачи абсорбента непосредственно в абсорбер 8 при параллельной подаче жидкости в абсорберы-десорберы первой и второй ступени. Используется так же, как аварийный, при последовательной подаче жидкости, в случае прекращения подачи жидкости через абсорбер-десорбер 3 (например, при образовании ледяной пробки). Трубопровод 21 является трубопроводом опорожнения абсорбера-десорбера 8 при останове. Трубопроводы 22 и 23 служат для наполнения и опорожнения бака 10 жидким абсорбентом. Газопровод 24 - дыхательный газопровод от емкости абсорбента 10 к газопроводу абсорбируемого газа (например, паров нефтепродуктов).
Показанный на фиг.2 абсорбер-десорбер первой ступени содержит цилиндрический корпус в виде обечайки 25 (отрезка трубы) с нижней сплошной крышкой 26 и с верхней кольцевой крышкой 27, над которой расположена камера приемки газа 28 с подводящим патрубком газа 29. К обечайке 25 присоединены тангенциальные патрубки 4 подвода жидкости от трубопровода 14 и 4а - подвода газожидкостной смеси от инжекторов 7. Внутри обечайки 25 имеется кольцевая перегородка 30 (шайба) и короткие тангенциальные патрубки 31 или отверстия 31, расположенные в нижней части, соединяющие внутреннюю часть корпуса 25 с циклоном-сепаратором, выполненным в виде обечайки 33 с днищем 26а, с тангенциальным патрубком 34, отводящим жидкость в трубопровод 5, центральным патрубком 6, отводящим отработанные газы через корпус. К подводящим патрубкам 4 могут быть присоединены инжекторы 35 с подводящим патрубком жидкости 36 и всасывающим патрубком газов 37, с сопловым диском 38, с нагнетательным патрубком 39 газожидкостной смеси, соединенным с патрубком 4а корпуса 25. При работе с конденсируемыми газами внутри корпуса инжектора может быть установлен конус 40 с всасывающими окнами для обеспечения лучшей конденсации паров за счет двойного всасывания газов. Перед абсорбером-десорбером первой ступени, в рассечку трубопровода жидкости 14б установлен инжектор, присоединенный всасывающим патрубком 37 к газопроводу 1 или 1а.
Показанные на фиг.3, 4 абсорбер-десорбер второй ступени содержит горизонтальную емкость 41 со свободным переливом жидкости через порог 42 (высота порога может быть регулируемой за счет выдвижной части 42а), при помощи которого задается определенный уровень жидкости. Перегородка 43 и порог 42 образуют гидрозатвор, после которого имеется отводящий сливной патрубок жидкости 44. В верхней части емкости имеется диспергатор 45 (перфорированная труба) с подводящим патрубком 47 снаружи, соединенный с отводящим трубопроводом жидкости 5 абсорбера-дисорбера первой ступени, и патрубок 46 для отвода отработанных газов, а в нижней части емкости - патрубок 47а для подвода жидкости помимо диспергатора 45. Внутри емкости 41 (с торца) установлено барботажное газораспределительное устройство для барботирования газов через жидкость, выполненное в виде горизонтальной обечайки 48 (в виде трубы, заглушенной с торца), частично погруженной в жидкость (нижняя часть обечайки расположена ниже расчетного уровня жидкости в емкости 41). В нижней (погружной) части обечайки 48 с одной стороны или с двух сторон имеются барботажные отверстия 49, расположенные горизонтальными рядами (например, два ряда, расположенных один ряд выше другого). В самом низу обечайки имеются отверстия 50 для слива жидкости из обечайки 48 при опорожнении. Над отверстиями расположены под углом к горизонтали отбойные щитки 51 (если отверстия 49 выполнены с одной стороны, то отбойный щиток 51 выполняется только с одной стороны - со стороны отверстий 49) и каплеуловитель 52, выполненный, например, в виде жалюзей (возможна установка циклонного каплеуловителя). В верхней части обечайки 48 (снаружи) имеется патрубок 53 подвода газов в абсорбер. В нижней части емкости 41 имеется патрубок подвода жидкости 47а (снаружи) и погруженная в жидкость перегородка 54. Для опорожнения емкости 41 от жидкости при останове имеются патрубки 55, переходящие в трубу 21. Цифрой 56 обозначен датчик давления газа в газопроводе 1, дающий сигнал на отключение насоса 11 при понижении давления газа в газопроводе или в резервуаре ниже нормы и на включение насосов при повышении давления до определенного уровня.
Работа установки в качестве декарбонизатора воды (десорбера)
Декарбонизируемая (десорбируемая) вода, после водород-катионитовых фильтров, содержащая углекислоту, поступает по трубопроводам 13, 14 (помимо холодильного узла 12) в инжекторы 7 (в один или в несколько, в зависимости от нагрузки). Количество инжекторов и абсорберов-десорберов первой ступени устанавливается в зависимости от предполагаемых колебаний нагрузки. Инжектор 7 обеспечивает контакт фаз, засасывая (эжектируя) воздух из атмосферы и нагнетая (инжектируя) водовоздушную смесь во всасывающий патрубок 4а абсорбера-десорбера первой ступени 3. В инжекторе и трубопроводе 39 происходит интенсивный контакт фаз и углекислота переходит в абсобирующий воздух. Попадая внутрь обечайки 25, газы (воздух с углекислотой) сепарируются (отделяются от жидкости) и поступают в центр обечайки, а вращающийся поток воды проходит через нижние отверстия 31 (или тангенциальные короткие патрубки). Диспергируясь на струи и капли и увлекая за собой воздух, вода обеспечивает повторный контакт фаз и дополнительное извлечение углекислоты из воды. Отработанный воздух с углекислотой удаляется через патрубок 6 и вестовую трубу 15 в атмосферу. Ввиду ограниченного количества эжектируемого воздуха удаление углекислоты составляет 90-95%, что недостаточно. Частично декарбонизированная вода поступает по трубопроводу 5 в диспергатор 45 внутри аппарата 8, работающего в качестве абсорбера-десорбера второй ступени. Атмосферный воздух подается воздуходувной машиной 2 (дутьевым вентилятором) по трубопроводу 16 в барботажное устройство 48 абсорбера-десорбера 8 и барботируется через отверстия 49 и через слой воды (первый этап контакта фаз). Поток пузырьков воздуха увлекает за собой воду, образуя водовоздушный поток, способный быть отброшенным на пять метров в сторону. Если отверстия имеются с двух сторон, то эти потоки направляются стенкой емкости 41 и встречаются в верхней части этой емкости, образуя завесу из капель воды и воздуха (второй этап контакта фаз). Если барботажные отверстия выполнены с одной стороны, то водовоздушный поток циркулирует вокруг обечайки 48, направляясь стенкой емкости 41 из оной части в другую (справа налево или слева направо). В этот поток попадает вода, разбрызганная диспергатором 45. Вода снова контактирует с газами (воздухом) - это третий этап контакта фаз. Односторонний барботаж газов должен быть более эффективным, чем двухсторонний, при меньшей нагрузке на каплеуловитель. Проходя каплеуловитель 52, вода стекает вниз и далее через гидрозатвор и порог 42 покидает аппарат через патрубок 44 и сливается в емкость декарбонизированной воды 9. Отработанный воздух выходит в атмосферу через патрубок 46 и газопровод (воздуховод) 16.
Работа установки в качестве десорбера при очистке нефти от сероводорода
Добытая из недр нефть содержит сероводород и другие вредные газы, от которых необходимо избавиться перед транспортировкой нефти. Извлечение из нефти (десорбируемой жидкости) сероводорода осуществляют при помощи природного или попутного газа, который является десорбентом. По трубопроводу 14, 14б нефть поступает в инжектор 7. Она же является рабочей жидкостью, совершающей работу по инжектированию нефтегазовой смеси. Газ за счет избыточного давления также поступает в инжектор 7 по трубопроводу 1. Нефть и газ перемешиваются в инжекторе, и сероводород переходит в десорбент согласно закону Генри. Далее нефтегазовая смесь поступает в абсорбер-десорбер первой ступени 3, где продолжается процесс десорбции сероводорода десорбентом. Далее нефть с остатками растворенного сероводорода поступает по трубопроводу 5, через диспергатор 45 в наджидкостное пространство десорбера второй ступени 8. Капли нефти контактируют с газом и сливаются в нижнюю часть емкости 41. Десорбирующий газ по трубопроводу 15а поступает в абсорбер-десорбер 8 через патрубок 53. Через отверстия 49 газ барботируется через слой нефти, контактируя с ней, отбирает остатки сероводорода. Далее, пройдя каплеуловитель 52, осушенный газ выходит через патрубок 46 и направляется на дальнейшее использование или сжигание. Инжектор 7 как предварительную ступень абсорбции использовать не обязательно. Можно потоки нефти и газа направить сразу в абсорбер-десорбер 3 и далее в абсорбер-десорбер 8. Трубопровод 17 можно не использовать.
Работа установки в качестве абсорбера при улавливании углеводородных паров нефтепродуктов.
Вариант 1
Емкость 10 заполняется абсорбирующей жидкостью (например, бензином). Из резервуара хранения нефтепродуктов (на чертеже не показан) в абсорбер-десорбер первой ступени 3 по газопроводу 1, через патрубок 29, через отверстие в кольцевой крышке 27 поступает паровоздушная смесь (ПВС) углеводородных паров и воздуха (запорная арматура на газопроводах к инжекторам 7 закрыта). Отработавшая ПВС через патрубок 6 по газопроводу 15а поступает в абсорбер-десорбер 8 (второй ступени). Насос 11 обеспечивает циркуляцию абсорбирующей жидкости по замкнутому контуру: емкость 10, насос 11, холодильный узел 12, трубопровод 14, 14а, патрубки 4, абсорбер-десорбер 3 (первой ступени), трубопровод 5, диспергатор 45, абсорбер-десобер 8 (второй ступени), патрубок 44, емкость 10. В абсорбере 8 происходит глубокая абсорбция углеводородных паров абсорбирующей жидкостью. Холодильный узел 12 может выдавать абсорбент одним потоком через две ступени абсорберов (при последовательном включении абсорберов по потоку жидкости) или двумя потоками - первый - менее охлажденный (или поток абсорбента проходит помимо холодильного узла 12) - в абсорбер первой ступени по трубопроводу 14, второй - более охлажденный - в абсорбер второй ступени по трубопроводу 19 в абсорбер-десорбер 8 через диспергатор 45 (при засорении диспергатора - через патрубок 47а). Отработанная ПВС, содержащая следы углеводородных паров, направляется по газопроводу 16а в химический адсорбер, где улавливаются остатки углеводородных паров, а воздух выпускается в атмосферу.
Вариант 2
Работа установки в качестве абсорбера по варианту 2 отличается от варианта 1 только тем, что абсорбирующая жидкость и абсорбируемые газы (ПВС) из резервуара подаются сначала в инжектор 7 - в соответствующие патрубки - газовый и жидкостной. В инжекторе абсорбирующая жидкость и газы контактируют и часть конденсируемых паров, содержащихся в ПВС, конденсируется, а газожидкостная смесь поступает в абсорбер-десорбер 3 через патрубки 4. Далее процесс аналогичен описанному в варианте 1. Этот вариант более эффективен, так как имеет больше ступеней контакта жидкости и газа. Однако имеется некоторая опасность поставить под вакуум и повредить резервуар с нефтепродуктом, если инжектор рассчитан неправильно (инжектор 7 должен быть рассчитан на малый эжектирующий эффект за счет выбора соотношений сечений сопел и смесительной части и предварительно испытан). Вариант 2 может быть приемлем при организации автоматического отключения жидкостных насосов при падении давления в резервуаре (в газопроводе из резервуара) до определенной величины (датчик давления 56). При испытанном инжекторе и если резервуар приспособлен выдержать вакуум, создаваемый инжектором, и при отсутствии резервуара вариант 2 более предпочтителен.
Выполнение абсорбера-десорбера первой ступени так, как показано на фиг.2, позволяет интенсифицировать процесс массообмена между жидкостью и газом за счет осуществления в нем нескольких ступеней контакта фаз. На порядки возрастает удельная производительность ступени на единицу объема аппарата при соответствующем уменьшении его веса. Струйный способ контакта жидкости и газа заменен на интенсивный способ перемешивания вращающегося потока жидкости с газом при повторном контакте фаз при прохождении струй жидкости и газа через отверстия из корпуса в циклон-сепаратор. Кроме этого, интенсивный контакт фаз обеспечивается при контакте жидкости с газом внутри инжектора с повышением давления, с последовательным разделением газожидкостного потока на фазы (на жидкость и газ).
Выполнение абсорбера-десорбера второй ступени так, как показано на фиг.3, позволяет осуществить несколько ступеней контакта фаз, совмещая в одном аппарате несколько способов контакта жидкости с газом - барботажный способ (за счет барботирования струй газа через слой жидкости), способ образования газожидкостного облака над поверхностью жидкости (за счет выноса газом газожидкостного облака в наджидкостное пространство емкости при барботировании газа через жидкость и ее диспергировании), способ разбрызгивания диспергированной жидкости в газовом пространстве емкости через диспергирующее устройство (перфорированную трубу), установка внутри емкости абсорбера-десорбера устройства диспергирующего жидкость на капли (диспергатора 45) позволяют увеличить поверхность контакта фаз и массообмен между ними и за счет этого улучшить качество абсорбции или десорбции при меньшем количестве абсорбента или десорбента. Выполнение с одной стороны обечайки 48 барботажных отверстий 49 и отбойника 51 позволяет организовать циркуляцию газожидкостной смеси вокруг обечайки 48. При этом все наджидкостное пространство емкости 41 заполняется газожидкостной смесью, где жидкость находится в мелкодисперсном состоянии. Это обеспечивает интенсивный контакт фаз и высокое качество абсорбции или десорбции. Меньшим количеством абсорбента или десорбента можно обеспечить высокое качество абсорбции или десорбциию.
Установка инжекторов перед первой ступенью абсорбера-десорбера увеличивает количество контактов жидкости и газа в диспергированном состоянии, что увеличивает общую поверхность контакта фаз и качество абсорбции и десорбции. Известно, что качество массообмена в абсорберах и дисорберах зависит от поверхности контакта фаз, которой недостаточно в традиционных массообменниках.