УСТАНОВКА РЕГЕНЕРАЦИИ МЕТАНОЛА
METHANOL REGENERATION UNIT

Изобретение относится к процессам регенерации метанола из водно-метанольных растворов (далее BMP) и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности при подготовке углеводородных газов к транспорту и переработке.
Известна установка регенерации метанола, включающая теплообменники, промежуточные емкости, ректификационную колонну, конденсатор-холодильник, насосы, регулирующие клапаны, а также трубчатый ребойлер с паровым подогревателем, генерирующим водяной пар с давлением 0.6-0.7 Мпа. Регулирование температуры куба колонны производится запорно-регулирующим краном на трубопроводе пара. [Бухгалтер Э.Б. Метанол и его использование в газовой промышленности. М.: Недра, 1986, с. 135].
К достоинствам технического решения следует отнести эффективный непрямой нагрев куба колонны, а также эффективное регулирование температуры в колонне.
К недостаткам технического решения относятся наличие аппаратов и трубопроводов, работающих под избыточным давлением, необходимость водоподготовки, сложность эксплуатации паровой системы в зимних условиях.
Известна также установка регенерации метанола [ИТС 29-2017 Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Добыча природного газа. М.: Бюро НТД, 2017, с. 58]. Данное техническое решение предусматривает нагрев куба колонны огневым ребойлером.
К достоинствам технического решения следует отнести упрощение зимней эксплуатации установки.
К недостаткам данного технического следует отнести работу огневого ребойлера под избыточным давлением (более 0.05 МПа), интенсивную коррозию и отложение солей на жаровых трубах, сложность регулирования нагрева куба колонны при колебаниях тепловой потребности колонны.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности является установка регенерации метанола [Патент РФ №2493902, опубл. 27.09.2013 г., МПК B01D 53/26], [Патент РФ №2496558, опубл. 27.10.2013 г., МПК B01D 53/26]. Техническое решение предусматривает непрямой нагрев куба колонны тепловой трубой за счет теплоты парообразования рабочей жидкости, циркулирующий в системе. Рабочая жидкость испаряется под действием тепла горелок при температуре 130 гр. С и конденсируется на поверхности греющих труб, образуя тепловую петлю, поддерживаемую действием массовых или капиллярных сил. В качестве рабочей жидкости применяется водно-метанольный раствор.
К достоинствам технического решения следует отнести уменьшение габаритов оборудования, снижение солеотложения на внутренних поверхностях используемой аппаратуры, эффективный непрямой нагрев куба колонны, удобство зимней эксплуатации.
К недостаткам данного технического решения следует отнести работу тепловой трубы под избыточным давлением (более 0.05 МПа). Рабочая жидкость имеет, при атмосферном давлении, температуру кипения ниже, требуемой для регенерации метанола, что влечет необходимость повышения рабочего давления.
Рабочая жидкость является коррозионно-активной, что требует подбора ингибиторов коррозии, не ухудшающих теплообмен и контроля их состояния в процессе эксплуатации.
Тепловая петля функционирует внутри единого объема тепловой трубы, что усложняет регулирование переноса тепла от испарителя к конденсору.
Задачей заявляемого технического решения является оптимизация процесса регенерации метанола из насыщенного водой раствора.
Технический результат, получаемый при реализации заявленного технического решения, состоит в следующем:
- Работа испарителя при абсолютном давлении менее 150 кПа (не является аппаратом, работающим под избыточным давлением);
- Увеличение срока службы испарителя;
- Улучшение качества автоматического регулирования температуры куба колонны.
Для достижения указанного технического результата используется разработанная установка регенерации метанола из насыщенного водного раствора.
Разработанное устройство содержит последовательно установленные, теплообменники-рекуператоры, ректификационную колонну аппарат воздушного охлаждения, аккумулятор рефлюкса, трубчатый ребойлер колонны, а также испаритель.
Изобретение проиллюстрировано схемой. На фиг. 1 представлена схема установки, реализующей заявленное техническое решение.
Испаритель 1 представляет собой емкость, частично заполненную рабочей жидкостью 2. В нижней части испарителя расположены жаровые трубы 3, оборудованные горелками 4 и дымовой трубой 5. Верхняя часть испарителя 1 соединена с верхней частью ребойлера 6 трубопроводом пара 7. Нижняя часть испарителя 1 соединена с нижней частью ребойлера 6 трубопроводом конденсата 8. На трубопроводе пара расположен регулирующий клапан 9.
Техническое решение осуществляется следующим образом.
Рабочую жидкость 2 нагревают теплом дымовых газов, проходящих в жаровых трубах 3. Часть рабочей жидкости испаряют, пар по трубопроводу пара 7 направляют в межтрубное пространство ребойлера 6, где пары конденсируют и по трубопроводу конденсата 8 возвращают в испаритель 1.
Циркуляция рабочей среды в паровой и жидкостной фазе поддерживается за счет естественной конвекции при наличии разности плотностей в трубопроводах пара и конденсата (Закрытый двухфазный термосифон). Образуется (~изотермическая) тепловая петля, переносящая теплоту парообразования от испарителя 1 к ребойлеру 6. Перенос тепла может быть рассчитан численно с учетом взаимного расположения испарителя и ребойлера, диаметров трубопроводов, рабочего давления, физических свойств и количества рабочей жидкости, тепловой мощности нагрева. Движущей силой теплопереноса в тепловой петле является разность уровней жидкости в испарителе 1 и трубопроводе конденсата 8. При прочих константных условиях, повышение уровня в трубопроводе 8 свидетельствует об усилении теплопереноса (увеличивается разность плотностей в трубопроводах 7 и 8).
Заявленное техническое решение предусматривает выбор рабочей жидкости 2 с учетом одновременного соблюдения нижеследующих условий;
- температура кипения в рабочих условиях достаточная для обеспечения процесса дистилляции метанола в колонне;
- рабочее давление в испарителе менее порога, установленного для аппаратов, работающих под избыточным давлением (0.05 МПа);
- температура замерзания или температура холодового повреждения оборудования ниже температуры окружающей среды в условиях эксплуатации.
Примеры рабочей жидкости включают:
55% водный раствор этиленгликоля имеет температуру кипения при атмосферном давлении 108 гр. С, температуру замерзания -41 гр. С, температуру холодового повреждения оборудования менее -70 гр. С.
Синтетический теплоноситель DOWTHERM J производства Dow Chemical Company имеет температуру кипения при атмосферном давлении 180 гр. С, температуру замерзания менее -81 гр. С.
Заявленное техническое решение предусматривает частичное вакуумирование рабочей жидкости. Глубина вакуума определяется физическими свойствами рабочей жидкости и эффектами воздействия вакуума:
- уменьшение количества жидкости и увеличение количества паров снижает термическую инерционность системы;
- возможность работы испарителя при пониженном давлении (Субатмосферный термосифон);
- ускорение циркуляция термосифона повышает эффективность теплообмена;
- анаэробные условия в системе минимизируют коррозию, в том числе жаровых труб и защищают рабочую жидкость от окислительной деградации. Срок службы испарителя увеличивается до срока службы установки. Потребность в ингибиторах коррозии минимальная или отсутствует.
Предпочтительно использование вакуума в Промышленном диапазоне от -20 кПа до -99 кПа, при таком уровне вакуума возможно применение серийно выпускаемых вакуумных уплотнений, арматуры, приборов. Это позволяет контролировать состояние рабочей жидкости, отбирать пробы для анализа, поддерживать уровень без потери вакуума.
Предпочтителен выбор рабочей жидкости, обеспечивающий работу испарителя при рабочем давлении ниже порога, установленного для аппаратов, работающих под избыточным давлением. Например, менее 0.05МПа согласно Техническому регламенту Таможенного союза "О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением" (TP ТС 032/2013), что снимет многочисленные ограничения на проектирование, устройство, изготовление, реконструкцию, наладку, монтаж, ремонт, техническое диагностирование и эксплуатацию аппарата.
Заявляемый технический результат: Улучшение качества автоматического регулирования температуры куба колонны осуществляется следующим образом:
В отличие от прототипа, где тепловая петля интегрирована в объеме тепловой трубы, в заявленном техническом решении адиабатическая часть тепловой петли представлена раздельными трубопроводами пара и конденсата, что позволяет контролировать перенос тепла к ребойлеру за счет эффекта саморегулирования термосифона и регулирующим клапаном 9. (Управляемый термосифон).
Двухфазный термосифон обладает свойством саморегулирования при флюктуациях тепловых потребностей колонны.
При снижении температуры в колонне, усиливается конденсация пара, увеличивается разность плотностей в трубопроводах пара 7 и конденсата 8, ускоряется перенос тепла, при этом повышается уровень в трубопроводе конденсата, снижается уровень в испарителе. Максимальный теплоперенос достигается при заполнении конденсатом трубопровода 8.
При повышении температуры в колонне, уменьшается разность плотностей в трубопроводах 7 и 8, теплоперенос замедляется, при этом снижается уровень в трубопроводе 8 и повышается уровень в испарителе 1.
Указанные эффекты двухфазного термосифона сочетаются с эффектами регулирующего клапана 9.
Прикрытие клапана 9 снижает теплоперенос, и температуру в колонне, что вызывает повышение уровня в трубопроводе конденсата 8 и снижению уровня в испарителе 1. Закрытие клапана 9 ведет к заполнению трубопровода 8, частичному подтоплению ребойлера 6 и остановке теплопереноса.
Открытие клапана 9 усиливает теплоперенос, температура колонны повышается, что вызывает снижение уровня в трубопроводе конденсата.
Регулирующий клапан 9 смещает диапазон регулировок, предоставляемых эффектом саморегулирования двухфазного термосифона.
Таким образом, полный диапазон регулировки теплопереноса в заявленном техническом решении от максимального уровня в трубопроводе 8 при закрытом клапане 9, до минимального уровня в трубопроводе 8 при открытом клапане 9.
В указанном диапазоне колонна получает точно необходимое количество тепла в каждый момент времени.
Разработанное техническое решение рассматривается на примере использования установки регенерации по насыщенному водой метанолу, производительностью 1 м3/ч. Исходный BMP нагревают в теплообменниках рекуператорах теплом отходящих с установки продуктов и подают в среднюю часть ректификационной колонны. В колонне под действием тепла ребойлера формируется целевая фракция регенерированного метанола и кубовая вода. Регенерированный метанол выводят верхом колонны, конденсируют в аппарате воздушного охлаждения, накапливают в аккумуляторе рефлюкса. Часть регенерированного метанола направляют на орошение колонны, оставшуюся часть выводят за границу установки. Кубовую воду выводят низом колонны. Для осуществления процесса дистилляции требуется нагрев куба колонны до 125 гр. С и тепловая мощность 360 кВт. Нагрев куба колонны производят испарителем 1. Испаритель оборудован газовыми горелками суммарной тепловой мощностью 500 кВт. В качестве рабочей жидкости применяют теплоноситель DOWTHERM J в объеме 0.4 м3, работающий под давлением (абс.) 40 кПа, с температурой паров 150 гр. С. Рабочая жидкость находится в закрытой системе с низким содержанием кислорода и при температуре, существенно ниже максимальной разрешенной производителем (315 гр. С). Это обуславливает стабильность теплоносителя и минимизирует коррозию, вызванную кислыми продуктами деградации без добавления в систему антикоррозионных агентов.
Колебания концентрации метанола во входящем BMP, которые изменяют тепловые потребности колонны, компенсируются за счет саморегулирующих свойств двухфазного термосифона, а также регулирующим клапаном 9.
Например, флюктуации входящих параметров сырья вызвали снижение температуры куба колонны. В этом случае двухфазный термосифон усилит перенос тепла (уровень в трубопроводе конденсата повысится), затем система автоматического управления приоткроет регулирующий клапан, в результате уровень в трубопроводе 8 вернется к регламентированному значению.