УСТАНОВКА КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФРАКЦИЙ
INSTALLATION OF COMPLEX PURIFICATION OF LIGHT-WEIGHTED HYDROCARBON FRACTIONS

Изобретение относится к установкам очистки сжиженных углеводородных газов (СУГ) от молекулярной серы, сероводорода и диоксида углерода и может быть использовано для очистки этанизированной широкой фракции легких углеводородов (ЭШФЛУ), широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), сжиженного нефтяного газа (СНГ), пропан-бутан технического (СПБТ) и других углеводородных жидкостей в газовой, нефтяной, нефтегазохимической и других отраслях промышленности на существующих и проектируемых объектах подготовки, транспорта и переработки углеводородного сырья.
2
2
n
3
В углеводородных жидкостях нежелательными загрязнителями являются диоксид углерода (CO), сероводород (HS), меркаптаны (RSH), молекулярная сера (S), метанол (СНОН), иногда и серооксид углерода (COS), содержание которых, например, для ШФЛУ допускается в следующих количествах:
Все компоненты, кроме молекулярной серы, можно удалить до необходимого содержания существующими технологиями. Отдельную сложность представляет молекулярная сера, которая содержится в углеводородных жидкостях при переработке газов, имеющих в своем составе сероводород (даже в малых концентрациях, не требующих очистки) и следовые количества кислорода, что особенно характерно для попутного нефтяного газа. Содержание молекулярной серы в углеводородных жидкостях может составлять от следовых количеств до 50-100 ppm, а в ряде случаев и выше. Наличие молекулярной серы, сероводорода и диоксида углерода приводит к проблеме коррозии при транспорте углеводородных жидкостей и недопустимо при переработке углеводородных жидкостей в продукты газохимии.
Наиболее ясное представление о содержании молекулярной серы в углеводородных жидкостях дает ГОСТ 6321-92 «Метод испытания на медной пластине». Исследованиями установлено (см. Д.В. Пантелеев, С.В. Мещеряков, И.В. Сухинина, Д.В. Елютин / Ж. Газовая промышленность, №8, 2012 г., стр. 70-73), что при содержании молекулярной серы в углеводородных жидкостях более 5 ppm качество углеводородных жидкостей уже не соответствует первому классу при испытании на медной пластине, и это свидетельствует о повышенной коррозионной активности углеводородной среды. Поэтому очистка углеводородных жидкостей от молекулярной серы (при ее наличии) представляет серьезную проблему при подготовке такого продукта к транспорту и переработке.
Известна установка очистки сжиженных углеводородных газов от кислых компонентов (см. патент РФ на изобретение №2469774, B01D 53/18, опуб. 20.12.2012 в бюл. №35), включающая трубопровод подачи потока жидких углеводородов на очистку, соединенный с блоком испарения, имеющим трубопровод вывода потока сжиженных углеводородных газов и трубопровод вывода потока газовой фазы, соединенный с блоком извлечения кислых компонентов, снабженным трубопроводом вывода очищенного потока газовой фазы, при этом установка также снабжена блоком абсорбции очищенного потока газовой фазы, соединенным с трубопроводом вывода очищенного потока газовой фазы с блока извлечения кислых компонентов, а также соединенным через дополнительно установленный блок охлаждения с трубопроводом вывода потока сжиженных углеводородных газов с блока испарения, при этом блок абсорбции очищенного потока газовой фазы имеет трубопровод выхода очищенного потока сжиженных углеводородных газов и трубопровод вывода неабсорбированной части газов.
Недостатком известной установки является то, что при наличии в составе сырья сероводорода в количестве, превышающем допустимое содержание (в соответствии с ТУ 38.101524-2015 содержание сероводорода должно быть не более 0,003 мас. %), качественная очистка сырья от сероводорода на данной установке может быть не достигнута, т.к. в блоке испарения не весь сероводород перейдет в газовую фазу, а при наличии в составе сырья молекулярной серы в количестве, превышающем 5 ppm, вся сера останется после блока испарения в жидкой фазе и затем полностью перейдет в поток очищенных СУГ после блока абсорбции. С учетом потерь неабсорбированной части газов концентрация серы в конечном продукте только возрастет. Кроме того, как следует из приведенного в описании примера, поступающий на очистку СУГ содержит в своем составе этан (16,57 мас. %), однако, без использования на блоке охлаждения дополнительного искусственного холода потери этана и части пропана (по потоку 10) могут составлять от 20 до 50%, что является крайне нежелательным в виду ценности этана как сырья для газохимии и приводит к необходимости использования дополнительных блоков для возврата этана в очищенный продукт.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является установка очистки сжиженного нефтяного газа, описанная в патенте РФ на изобретение №2295382, B01D 53/14, опуб. 20.03.2007 в бюл. №8 (см. фиг. 1, блок 20). Установка включает трубопровод подачи сжиженного газа в противоточную колонну, снабженную входом для подачи амина, входом для подачи части рециркулирующего использованного амина, выходом очищенного сжиженного газа и выходом использованного амина, соединенного с блоком регенерации амина. Выход очищенного сжиженного газа соединен с мешалкой, снабженной дополнительным входом для подачи амина, выход из которой соединен с отстойником, имеющим выход рециркулирующего использованного амина, соединенного с блоком регенерации амина, и выход потока сжиженного газа, соединенного с коагулятором, который снабжен выходом очищенного сжиженного газа и выходом потока использованного амина, соединенным с блоком регенерации амина, а также с потоком газа перед входом в коагулятор. Выход рециркулирующего использованного амина из отстойника снабжен дополнительным отводом, соединенным с входом для подачи части рециркулирующего использованного амина в противоточную колонну.
Общими признаками известной и предлагаемой установок являются:
- трубопровод подачи сырья;
- аппарат колонного типа, снабженный входом для подачи сырья, входом для подачи абсорбента, выходом очищенного газа и выходом насыщенного абсорбента;
- выход очищенного газа соединен с перемешивающим устройством и далее с отстойником;
- отстойник снабжен выходом очищенного сырья и выходом уловленного абсорбента, снабженного дополнительным отводом;
- выход уловленного абсорбента из отстойника соединен с выходом насыщенного абсорбента из аппарата колонного типа и далее с блоком регенерации абсорбента.
Недостатком известной установки является возможность ее использования только для очистки сырья от сероводорода и диоксида углерода, поскольку при наличии в составе сырья молекулярной серы известная установка не позволяет обеспечить очистку сырья от молекулярной серы. Кроме того, недостатком известной установки является большая нагрузка по жидкости вследствие использования значительного количества рециркулирующего использованного амина в противоточной колонне, направляемого затем в блок регенерации амина, что приводит к значительным нерациональным затратам энергии.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение качества товарных продуктов и, как следствие, снижение коррозионной агрессивности при транспорте и дальнейшей химической переработке, а также снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Техническим результатом является тонкая очистка углеводородных жидкостей от молекулярной серы, сероводорода и диоксида углерода, а также снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке комплексной очистки легких углеводородных фракций, включающей трубопровод подачи сырья, аппарат тонкой очистки сырья, снабженный входом для подачи сырья, входом для подачи регенерированного раствора абсорбента, выходом очищенного сырья и выходом насыщенного раствора абсорбента, при этом выход очищенного сырья соединен со смесителем и далее с отстойником, снабженным выходом очищенного сырья и выходом водной фазы, имеющим дополнительный отвод, соединенный с блоком регенерации абсорбента, согласно изобретению, аппарат тонкой очистки сырья снабжен дополнительным выходом циркулирующего раствора абсорбента, соединенным с входом для подачи регенерированного раствора абсорбента, выход насыщенного раствора абсорбента из аппарата тонкой очистки сырья соединен с дополнительно установленным отстойником-дегазатором, снабженным выходом насыщенного раствора абсорбента, соединенным с блоком регенерации абсорбента, и выходом уловленной углеводородной фазы, соединенным с трубопроводом подачи сырья, кроме того, отстойник снабжен дополнительным входом для подачи подготовленной воды, выход водной фазы из отстойника соединен со смесителем, а дополнительный отвод водной фазы соединен с выходом насыщенного раствора абсорбента из отстойника-дегазатора перед блоком регенерации абсорбента.
Кроме того, установка снабжена дополнительно установленным аппаратом предварительной очистки сырья, снабженным входом для подачи сырья, входом для подачи регенерированного раствора абсорбента, выходом предварительно очищенного от диоксида углерода сырья и выходом насыщенного раствора абсорбента, при этом вход для подачи сырья соединен с трубопроводом подачи сырья, вход для подачи регенерированного раствора абсорбента соединен с выходом регенерированного раствора абсорбента из блока регенерации абсорбента, выход предварительно очищенного от диоксида углерода сырья соединен с входом для подачи сырья в аппарат тонкой очистки сырья, а выход насыщенного раствора абсорбента соединен с отстойником-дегазатором.
Кроме этого, выход насыщенного раствора абсорбента из аппарата предварительной очистки сырья соединен перед отстойником-дегазатором с выходом насыщенного раствора абсорбента из аппарата тонкой очистки сырья.
Снабжение аппарата тонкой очистки сырья дополнительным выходом циркулирующего раствора абсорбента, соединенным с входом для подачи регенерированного раствора абсорбента, позволяет увеличить общий расход абсорбента на очистку и создать необходимую кратность орошения «абсорбент: сырье» для процесса очистки, не увеличивая расход абсорбента, циркулирующий в системе очистка - регенерация.
Соединение выхода насыщенного раствора абсорбента из аппарата тонкой очистки сырья с дополнительно установленным отстойником-дегазатором позволяет при необходимом снижении давления абсорбента перед регенерацией выделить газы дегазации, которые в случае попадания их в десорбер (регенератор) блока регенерации абсорбента приводят к вспениванию раствора абсорбента и нарушению режима регенерации.
Соединение выхода уловленной углеводородной фазы из отстойника-дегазатора с трубопроводом подачи сырья, позволяет уловить и выделить часть сырья установки, унесенного вместе с насыщенным раствором абсорбента, и вернуть выделенные жидкие углеводороды в систему очистки. Кроме того, наличие жидких углеводородов в насыщенном абсорбенте приводит к нарушению работы регенератора (вспенивание, потери абсорбента, плохая регенерация).
Соединение выхода водной фазы из отстойника со смесителем позволяет рециркулировать водный раствор, обеспечивать лучшее смешение с промываемым очищенным продуктом и обеспечивать наиболее эффективную отмывку очищенного продукта от абсорбента.
Снабжение отстойника дополнительным входом для подачи подготовленной воды позволяет проводить качественную отмывку очищенного продукта от возможно унесенного абсорбента.
Соединение дополнительного отвода водной фазы с выходом насыщенного раствора абсорбента из отстойника-дегазатора перед блоком регенерации абсорбента позволяет регулировать уровень раздела фаз в отстойнике, а также расходом подготовленной воды и отводом из отстойника соответствующего количества водной фазы регулировать глубину (качество) отмывки очищенного продукта от раствора абсорбента.
Снабжение установки аппаратом предварительной очистки сырья, снабженного входом для подачи регенерированного абсорбента, позволяет предварительно очистить сырье от диоксида углерода, поскольку присутствие в очищаемом сырье диоксида углерода одновременно с молекулярной серой значительно усложняет процесс очистки сырья от молекулярной серы.
Соединение выхода предварительно очищенного сырья с входом в аппарат тонкой очистки сырья позволяет за счет предварительного удаления основного количества диоксида углерода повысить эффективность очистки сырья от молекулярной серы, сероводорода и меркаптанов.
Соединение выхода насыщенного раствора абсорбента из аппарата предварительной очистки сырья с выходом насыщенного раствора абсорбента из аппарата тонкой очистки сырья перед отстойником-дегазатором позволяет объединить потоки насыщенного абсорбента и направить общий поток насыщенного абсорбента в отстойник-дегазатор, где при снижении давления будет выделен газ дегазации и уловлена часть сырья, унесенная из аппаратов тонкой и предварительной очистки сырья и возвращенная на вход установки.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков установки позволяет оптимизировать общий расход циркулирующего абсорбента и осуществить тонкую очистку углеводородной жидкости от молекулярной серы, сероводорода и диоксида углерода и, тем самым, повысить качество углеводородной жидкости, что в свою очередь позволяет снизить коррозионную агрессивность углеводородной жидкости при ее последующей транспортировке и дальнейшей химической переработке, а также предотвратить отравление или снижение активности катализаторов газохимии. Оптимизация общего расхода циркулирующего абсорбента за счет организации его рециркуляции в аппарате тонкой очистки сырья, а также использование в необходимых случаях аппарата предварительной очистки сырья позволяют значительно снизить капитальные и, особенно, эксплуатационные затраты, т.к. основное количество энергозатрат (пар, электроэнергия) на аналогичных установках приходится на регенерацию абсорбента.
На фигуре представлена предлагаемая установка комплексной очистки легких углеводородных фракций.
Установка содержит трубопровод 1 подачи сырья, соединенный с аппаратом 2 тонкой очистки сырья.
Аппарат 2 представляет собой аппарат колонного типа, заполненный высокоэффективной насадкой (например, насадкой фирм Зульцер, Кох, Глитч или отечественными аналогами). Аппарат 2 снабжен входом 3 для подачи сырья и входом 4 для подачи регенерированного абсорбента, а также имеет выход 5 очищенного сырья и выход 6 насыщенного абсорбента. Кроме того, аппарат 2 снабжен выходом 7 циркулирующего раствора абсорбента, соединенным с насосом 8 и далее с входом 4 для подачи регенерированного абсорбента в аппарат 2.
Выход 5 очищенного сырья из аппарата 2 соединен со смесителем 9. Смеситель 9 представляет собой аппарат любой известной конструкции (например, струйный аппарат), который обеспечивает эффективное смешение жидкостей. Смеситель 9 снабжен входом 10 для подачи очищенного сырья и входом 11 для подачи водной фазы на рециркуляцию, а также имеет выход 12 смешанного жидкостного потока.
Выход 12 смешанного жидкостного потока из смесителя 9 соединен с отстойником 13. Отстойник 13 представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, снабженный внутренними элементами, обеспечивающими эффективное разделение углеводородной и водной фазы, например, любыми известными из уровня техники трубчатыми или тонкослойными полочными элементами. Отстойник 13 снабжен входом 14 для подачи смешанного жидкостного потока и входом 15 для подачи подготовленной воды, а также имеет выход 16 очищенного сырья и выход 17 водной фазы, соединенный с насосом 18 и далее со смесителем 9. Кроме того, выход 17 водной фазы после насоса 18 снабжен дополнительным отводом 19.
Выход 6 насыщенного абсорбента из аппарата 2 соединен с отстойником-дегазатором 20.
Отстойник-дегазатор 20 снабжен входом 21 для подачи насыщенного абсорбента, а также имеет выход 22 жидкой углеводородной фазы, выход 23 насыщенного абсорбента и выход 24 газов дегазации. Выход 22 жидкой углеводородной фазы соединен с трубопроводом 1 подачи сырья. Выход 23 насыщенного абсорбента соединен с блоком 25 регенерации абсорбента.
Дополнительный отвод 19 водной фазы из отстойника 13 соединен с выходом 23 насыщенного абсорбента перед блоком 25 регенерации абсорбента.
Блок 25 регенерации абсорбента является известным из уровня техники блоком установок абсорбционной очистки, состоящим из узла теплообмена насыщенного и регенерированного раствора абсорбента, десорбера (регенератора) с обогревом куба колонны и узлом вывода кислых газов, узлом очистки раствора абсорбента (перегонный куб, реклаймер) с отводами продуктов деградации абсорбента и выделенной при очистке серы (на фигуре не показаны).
Блок 25 регенерации абсорбента снабжен входом 26 для подачи насыщенного абсорбента и выходом 27 регенерированного абсорбента, соединенным с насосом 28 и далее с входом 4 для подачи сырья в аппарат 2.
Кроме того, выход 27 регенерированного абсорбента после насоса 28 может иметь дополнительный отвод 29.
Установка может быть снабжена дополнительно установленным аппаратом 30 предварительной очистки сырья, который представляет собой аппарат колонного типа с внутренними массообменными элементами (например, высокоэффективными тарелками или насадкой).
Аппарат 30 снабжен входом 31 для подачи сырья, входом 32 для подачи регенерированного абсорбента, выходом 33 предварительно очищенного от диоксида углерода сырья и выходом 34 насыщенного абсорбента. Вход 31 для подачи сырья соединен с трубопроводом 1, вход 32 для подачи регенерированного абсорбента соединен с дополнительным отводом 29, выход 33 предварительно очищенного от диоксида углерода сырья соединен с входом 3 для подачи сырья в аппарат 2, а выход 34 насыщенного абсорбента соединен с входом 21 для подачи насыщенного абсорбента в отстойник-дегазатор 20.
Выход 34 насыщенного абсорбента из аппарата 30 может быть соединен с выходом 6 насыщенного абсорбента из аппарата 2 перед отстойником-дегазатором 20.
Установка также снабжена необходимыми трубопроводами, запорно-регулирующей арматурой и средствами контроля и автоматики (на фигуре не показаны).
Установка работает следующим образом:
2
2
2
n
Сырье (например, ШФЛУ), в котором диоксид углерода практически отсутствует либо при очистке которого степень насыщения абсорбента, выводимого из аппарата 2 тонкой очистки через выход 5, не превышает 0,1 Молей CO/на 1 Моль абсорбента, по трубопроводу 1 поступает в аппарат 2 для тонкой очистки сырья от CO, HS, RSH и S.
Температура сырья составляет 30-50°C, давление подаваемого сырья должно обеспечивать проведение процесса в жидкой фазе.
Сырье подается в нижнюю часть аппарата 2, а регенерированный абсорбент - в верхнюю часть аппарата 2.
В качестве абсорбента используется водный раствор этаноламина повышенной концентрации со специальными активаторами, обеспечивающими извлечение молекулярной серы.
2
2
Для эффективности очистки сырья в аппарате 2 и увеличения времени контакта ШФЛУ с раствором абсорбента через выход 7 и вход 4 с помощью насоса 8 выполняется циркуляция раствора абсорбента. Расход циркулирующего абсорбента через выход 7 и насос 8 определяет глубину очистки исходного сырья и может служить регулирующим фактором для достижения требуемой степени очистки по каждому извлекаемому компоненту. Время пребывания углеводородной части в контакте с раствором абсорбента должно выдерживаться (в зависимости от содержания загрязняющих веществ в сырье) в течение 20-40 мин. Насыщенный абсорбент выводится из аппарата 2 через выход 6. Для эффективности очистки сырья от всех нежелательных компонентов степень насыщения раствора абсорбента, выводимого из аппарата 2, по CO не должна превышать 0,1 Моль СО/на 1 Моль абсорбента.
Насыщенный абсорбент из аппарата 2 подается в отстойник-дегазатор 20, в котором давление насыщенного абсорбента перед его подачей в блок 25 регенерации снижается до давления 0,2-0,5 МПа, при этом происходит разгазирование раствора от поглощенных газообразных углеводородов, а также отделение унесенной из аппарата 2 жидкой углеводородной фазы от насыщенного абсорбента. Уловленная в отстойнике-дегазаторе 20 жидкая углеводородная фаза через выход 22 направляется в сырьевой поток, поступающий на установку по трубопроводу 1. Насыщенный раствор абсорбента из отстойника-дегазатора 20 через выход 23 направляется в блок 25 для регенерации абсорбента.
Очищенное сырье из аппарата 2 через выход 5 поступает в смеситель 9. Также на вход смесителя 9 при помощи насоса 18 подается основная часть (в количестве 95-99%) потока водной фазы из отстойника 13, после чего полученная смешанная жидкостная смесь подается в отстойник 13 для отделения водной фазы с уловленным абсорбентом, унесенным из аппарата 2.
В отстойнике 13 при подпитке необходимым количеством подготовленной воды, подаваемой через вход 15, происходит отмывка углеводородной части от следов раствора абсорбента. Эффективность системы поддерживается циркуляцией промывочной воды через насос 18 и смеситель 9 с подпиткой подготовленной водой через вход 15.
Очищенная ШФЛУ через выход 16 отстойника 13 выводится с установки и, при необходимости, направляется на установку осушки.
Избыточное количество промывочной воды с уловленным абсорбентом из отстойника 13 через дополнительный отвод 19 направляется в поток насыщенного раствора абсорбента из отстойника-дегазатора 20, подаваемого в блок 25 для регенерации абсорбента.
Регенерация абсорбента в блоке 25 осуществляется известными технологическими приемами, обеспечивающими необходимую глубину регенерации абсорбента.
2
2
n
Регенерированный раствор абсорбента из блока 25 через выход 27 насосом 28 подается в аппарат 2 для тонкой очистки сырья от CO, HS, RSH и S.
При наличии в сырье значительного количества диоксида углерода установка дополнительно оснащается аппаратом 30 предварительной очистки сырья от диоксида углерода. Количество диоксида углерода в очищаемом сырье, при котором необходимо вести очистку с использованием аппарата 30, определяется следующим образом:
2
M
2
M
2
M
2
2
2
Рассчитывается количество молей (киломолей) CO в очищаемом сырье (NCO). Затем рассчитывается количество молей (киломолей) этаноламина в определенном (вычисленном) циркулирующем растворе абсорбента, который непосредственно, без учета рециркуляции через насос 8, подается в аппарат 2 тонкой очистки сырья (NЭА). При соотношении NMCO:NЭА>0,1 необходимо использование в процессе аппарата предварительной очистки сырья. В этом случае после предварительной очистки сырья от CO остаточное содержание молей (киломолей) CO перед очисткой в аппарате 2 тонкой очистки сырья должно удовлетворять указанному выше соотношению. Чем меньше указанное соотношение от величины 0,1, тем эффективнее процесс очистки и тем меньше количество абсорбента необходимо подавать на очистку в аппарат 2. Отсутствие аппарата предварительной очистки сырья в схеме установки при определенном содержании CO в сырье может привести к неоправданно большой циркуляции раствора абсорбента, что существенно отразится на капитальных и эксплуатационных расходах.
С использованием в процессе аппарата предварительной очистки сырья установка работает следующим образом:
Сырье (например, ЭШФЛУ) по трубопроводу 1 направляется в аппарат 30 для предварительной очистки сырья от диоксида углерода. Сырье подается в нижнюю часть аппарата 30 через вход 31, а в верхнюю часть аппарата 30 через вход 32 противотоком подается раствор регенерированного абсорбента. С низа аппарата 30 через выход 34 выводится насыщенный абсорбент, а с верха аппарата 30 через выход 33 отводится предварительно очищенное от диоксида углерода сырье.
2
2
Насыщенный абсорбент из аппарата 30 со степенью насыщения ~0,2-0,5 Молей CO/на 1 Моль абсорбента через выход 34 направляется в отстойник-дегазатор 20. При этом часть раствора абсорбента, используемая для предварительной очистки сырья и имеющая повышенную степень насыщения по CO, не участвует в процессе тонкой очистки в аппарате 2, а выводится на регенерацию.
2
2
n
Предварительно очищенное сырье из аппарата 30 поступает в аппарат 2 для тонкой очистки сырья от CO, HS, RSH и S. Насыщенный абсорбент из аппарата 2 выводится через выход 6, объединяется с потоком насыщенного раствора абсорбента из аппарата 30 и подается в отстойник-дегазатор 20. Из отстойника-дегазатора 20 насыщенный раствор абсорбента направляется в блок 25 для регенерации абсорбента, а уловленная в отстойнике-дегазаторе 20 углеводородная фаза через выход 22 направляется на вход установки в трубопровод 1.
Очищенное сырье из аппарата 2 поступает в смеситель 9 и далее в отстойник 13 для отделения части раствора абсорбента, унесенного из аппарата 2. Очищенная ЭШФЛУ выводится с установки и, при необходимости, направляется на установку осушки.
Избыточное количество промывочной воды с уловленным абсорбентом из отстойника 13 через дополнительный отвод 19 направляется в поток насыщенного раствора абсорбента, подаваемого в блок 25 для регенерации абсорбента.
2
2
Регенерированный раствор абсорбента из блока 25 через выход 27 насосом 28 направляется на очистку сырья, при этом после насоса 28 поток абсорбента делится на две части: одна часть потока в количестве 20-40% (в зависимости от исходного содержания CO в сырье) через дополнительный отвод 29 направляется в аппарат 30, а вторая часть потока в количестве 60-80% (в зависимости от остаточного содержания CO после предварительной очистки в аппарате 30) подается в аппарат 2.