Устройство для аминовой очистки технологического газа и способ ее осуществления
DEVICE FOR AMINE PURIFICATION OF PROCESS GAS AND METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к процессам очистки газов и может быть использовано в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности для абсорбционной очистки технологических газов от кислых компонентов с использованием водных растворов алканоламинов.
Известна установка для аминовой очистки углеводородных газов от диоксида углерода и сероводорода [Патент РФ №2033246, МПК B01D 53/18, опубл. 20.04.1995 г.], которая содержит сепаратор для отделения воды и углеводородного конденсата из очищаемого газа, абсорбер для очистки газов от двуокиси углерода и сероводорода с выносным холодильником абсорбента в средней части абсорбера и сепаратором для отделения воды и углеводородного конденсата из очищенного газа, десорбер для регенерации абсорбента с испарителем, циркуляционным насосом абсорбента, воздушным холодильником кислого газа, сепаратором кислого газа и насосом подачи орошения, а также рекуперационный теплообменник и промежуточные емкости для абсорбента и кислой воды, подводящие, отводящие трубопроводы газа и технологические трубопроводы.
В известном изобретении приводится описание способа аминовой очистки, согласно которому, газ, содержащий сероводород, сепарируют от капельной жидкости и далее направляют в нижнюю часть абсорбера. Одновременно в верхнюю часть абсорбера насосом подают регенерированный абсорбент из промежуточной емкости, отобранный с низа десорбера и охлажденный в теплообменнике. С целью снижения температуры в нижней части абсорбера с помощью выносного холодильника охлаждают абсорбент, перетекающий из верхней в нижнюю часть абсорбера.
Недостатком устройства аминовой очистки газа и способа ее осуществления является высокая металлоемкость, вследствие эксплуатации выносного холодильника с внешним хладагентом для снижения температуры в нижней части абсорбера, а также потери абсорбента с очищенным газом, что в целом повышает эксплуатационные расходы.
Наиболее близка к предлагаемому изобретению установка для аминовой очистки газа [Патент РФ №2500460, МПК B01D 53/18, опубл. 10.12.2013 г.], которая содержит сепаратор очищаемого газа, абсорбер колонного типа с устройством для охлаждения абсорбента с двухсекционным с каплеулавливающим устройством, верхней насадочной массообменной секцией, оснащенной распределительным устройством, и нижней секцией, оснащенной блоком тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством и патрубками ввода и вывода хладагента, трехсекционный десорбер колонного типа, каждая секция которого оснащена блоками тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительными устройствами и патрубками ввода и вывода теплоносителя или хладагента в каждой секции, также низ абсорбера расположен выше точки ввода насыщенного абсорбента в десорбер с учетом разницы давлений в абсорбере и десорбере, а на линии подачи газа в абсорбер размещен смеситель очищаемого газа с абсорбентом, и на байпасной линии подачи абсорбента в абсорбер установлено устройство для очистки абсорбента от продуктов разложения, насос подачи абсорбента, редукционный клапан, подводящие и отводящие трубопроводы газа, а также технологические трубопроводы.
В известном изобретении приводится описание способа аминовой очистки, согласно которому очищаемый газ сепарируют от капельной жидкости, подвергают противоточной абсорбции кислого газа охлаждаемым регенерированным абсорбентом и регенерации абсорбента при пониженном давлении и повышенной температуре, при этом очищаемый газ после сепарации смешивают с частью абсорбента и подают в нижнюю часть абсорбера, где подвергают двухступенчатой очистке, при которой на первой ступени, в нижней секции десорбера, проводят абсорбцию кислого газа при температуре абсорбции, но не ниже температуры замерзания воды или образования газовых гидратов, за счет охлаждения хладагентом, подаваемым в тепломассобменный блок через верхний патрубок и выводимым из нижнего патрубка, на второй ступени, в верхней секции абсорбера проводят абсорбцию деминерализованной водой, подаваемой в количестве, необходимом для компенсации потерь воды, и далее сепарируют очищенный газ от капельной жидкости, десорбцию кислого газа из насыщенного абсорбента, подаваемого между верхней и средней секциями десорбера, осуществляют в три стадии, при этом на первой стадии, в верхней секции десорбера, конденсируют пары амина и воды из кислого газа путем охлаждения хладагентом (например, атмосферным воздухом), подаваемым в тепломассобменный блок через верхний патрубок и выводимым из нижнего патрубка, до температуры конденсации, но не ниже температуры замерзания воды или образования газовых гидратов, на второй стадии в средней секции десорбера, отпаривают кислый газ путем нагрева регенерированным абсорбентом, подаваемым в тепломассобменный блок через нижний патрубок и выводимым из верхнего патрубка, на третьей стадии, в нижней секции десорбера, отпаривают кислый газ путем нагрева теплоносителем, подаваемым в тепломассобменный блок через нижний патрубок и выводимым из верхнего патрубка, до температуры регенерации, кроме того, абсорбент, подаваемый в абсорбер, очищают от продуктов разложения.
Недостатком известного устройства аминовой очистки газа и способа ее осуществления являются высокая металлоемкость, вследствие применения дополнительного холодильного оборудования для подачи хладагента в теплообменный блок абсорбера и десорбера и поддержания температурного режима процесса абсорбции и десорбции, а также потеря паров воды и алканоламина с очищенным газом, что в целом повышает эксплуатационные расходы.
Задачей изобретения является усовершенствование устройства для аминовой очистки технологического газа и способа ее осуществления, позволяющее снизить металлоемкость процесса, за счет холода внутренних технологических потоков, а также уменьшить потери воды и алканоламина и снизить эксплуатационные расходы.
Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат, вследствие использования части очищенного газа в качестве хладагента и обеспечение возможности ресурсосбережения, за счет добавочного получения разбавленного раствора алканоламина.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем сепаратор очищаемого газа, абсорбер колонного типа с устройством для охлаждения абсорбента с двухсекционным с каплеулавливающим устройством, верхней насадочной массообменной секцией, оснащенной распределительным устройством, и нижней секцией, оснащенной блоком тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством и патрубками ввода и вывода хладагента, трехсекционный десорбер колонного типа, каждая секция которого оснащена блоками тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительными устройствами и патрубками ввода и вывода теплоносителя или хладагента в каждой секции, также низ абсорбера расположен выше точки ввода насыщенного абсорбента в десорбер (с учетом разницы давлений в абсорбере и десорбере), а на линии подачи газа в абсорбер размещен смеситель очищаемого газа с абсорбентом, и на байпасной линии подачи абсорбента в абсорбер установлено устройство для очистки абсорбента от продуктов разложения, насос подачи абсорбента, редукционный клапан, подводящие и отводящие трубопроводы газа, а также технологические трубопроводы, особенность заключается в том, что на дополнительной линии отвода части очищенного технологического газа, размещен дроссель и низкотемпературный сепаратор с линией отвода разбавленного водного раствора алканоламина и линией отвода очищенного газа, соединенной первым отводом через первый регулирующий клапан с блоком тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством через патрубок ввода нижней секции абсорбера, патрубок вывода которой соединен с линией топливного газа на собственные нужды и вторым отводом через второй регулирующий клапан с блоком тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством через патрубок ввода средней секции десорбера, патрубок вывода которой соединен с линией топливного газа на собственные нужды.
Использование дросселя позволяет охлаждать часть очищенного технологического газа и использовать его в качестве хладагента в блоке тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством абсорбера и десорбера для поддержания оптимальной температуры, без применения дорогостоящего дополнительного холодильного оборудования с внешним хладагентом, а также конденсировать пары воды и алканоламина, входящие в состав охлажденной части очищенного технологического газа.
Использование низкотемпературного сепаратора позволяет сепарировать часть охлажденного очищенного технологического газа после дросселя, с извлечением разбавленного водного раствора алканоламина, и подавать, в качестве хладагента, в блок тепломассообменных элементов спирально-радиального типа с распределительным устройством абсорбера и десорбера для поддержания температурного режима и обеспечения надежной работы блока.
Установка регулирующих клапанов на линиях первого и второго потоков части очищенного газа позволяет равномерно регулировать температурный режим в абсорбере и десорбере.
Указанный технический результат обеспечивается при использовании способа, согласно которому очищаемый технологический газ сепарируют от конденсата (смесь жидких углеводородов и воды), подвергают противоточной абсорбции кислого газа охлаждаемым регенерированным абсорбентом и регенерации абсорбента при пониженном давлении и повышенной температуре, при этом очищаемый газ после сепарации смешивают с частью абсорбента и подают в нижнюю часть абсорбера, где подвергают двухступенчатой очистке, при которой на первой ступени, в нижней секции абсорбера, проводят абсорбцию кислого газа при температуре абсорбции, но не ниже температуры замерзания воды или образования газовых гидратов, за счет охлаждения хладагентом, подаваемым в тепломассобменный блок через верхний патрубок и выводимым из нижнего патрубка, на второй ступени, в верхней секции абсорбера, проводят абсорбцию деминерализованной водой, подаваемой в количестве, необходимом для компенсации потерь воды, и далее сепарируют очищенный газ от капельной жидкости, десорбцию кислого газа из насыщенного абсорбента, подаваемого между верхней и средней секциями десорбера, осуществляют в три стадии, при этом на первой стадии, в верхней секции десорбера, конденсируют пары амина и воды из кислого газа путем охлаждения хладагентом, подаваемым в тепломассобменный блок через верхний патрубок и выводимым из нижнего патрубка, до температуры конденсации, но не ниже температуры замерзания воды или образования газовых гидратов, на второй стадии в средней секции десорбера, отпаривают кислый газ путем нагрева регенерированным абсорбентом, подаваемым в тепломассобменный блок через нижний патрубок и выводимым из верхнего патрубка, на третьей стадии, в нижней секции десорбера, отпаривают кислый газ путем нагрева теплоносителем (например, нагретым воздухом), подаваемым в тепломассобменный блок через нижний патрубок и выводимым из верхнего патрубка, до температуры регенерации, кроме того, абсорбент, подаваемый в абсорбер, очищают от продуктов разложения, особенностью которого является очистка газа с использованием предлагаемого устройства, при этом часть охлажденного очищенного газа после дросселирования и сепарированного от разбавленного водного раствора алканоламина в низкотемпературном сепараторе подают двумя потоками в качестве хладагента через первый и второй регулирующие клапаны в тепломассобменный блок нижней секции абсорбера через верхний патрубок и в тепломассобменный блок верхней секции десорбера через верхний патрубок соответственно и далее выводимые из нижних патрубков тепломассобменных блоков абсорбера и десорбера соответственно в качестве топливного газа на собственные нужды.
Унос паров воды с очищенным газом определяется давлением насыщенных паров воды над водным раствором и зависит от температуры, а унос паров алканоламина с очищенным газом определяется давлением насыщенных паров алканоламина над водным раствором и зависит от температуры, типа и концентрации алканоламина в растворе. Хотя давление паров алканоламинов относительно невелико, потери их из-за испарения значительны вследствие высоких расходов (до 3800 т/ч) очищаемого газа в промышленном масштабе.
При исходном давлении от 5,0 до 7,0 МПа очищенного технологического газа дросселирование за счет снижения давления до 1,0 МПа позволяет понизить температуру до 10°С, что способствует значительному выделению из части очищенного технологического газа паров воды и алканоламина в жидкую фазу в низкотемпературном сепараторе и использовать полученный разбавленный раствор алканоламина для приготовления абсорбента, а часть охлажденного очищенного технологического газа в качестве хладагента.
Абсорбция на первой ступени кислого газа при температуре абсорбции за счет охлаждения, частью очищенного технологического газа (хладагентом), охлажденного дроселированием и сепарированного от разбавленного водного раствора алканоламина после низкотемпературного сепаратора, и подаваемого в верхний патрубок и выводимого из нижнего патрубка тепломассобменного блока, позволяет снизить металлоемкость, а также потери воды и алканоламина, что повышает эффективность процесса.
Доступная технология значительной конденсации паров амина и воды из кислого газа в тепломассообменном блоке верхней секции десорбера осуществляется путем охлаждения хладагентом, в качестве которого используется часть очищенного технологического газа, охлажденного после дросселя и сепарированного от разбавленного водного раствора алканоламина в низкотемпературном сепараторе. Охлаждение указанным хладагентом, который подается через верхний патрубок и выводится из нижнего патрубка тепломассообменного блока верхней секции десорбера, позволяет эффективно снизить потери алканоамина и воды, а также ликвидировать стоки кислой воды, без дополнительных энергозатрат.
Конденсация паров амина и воды очищенного производственного газа в низкотемпературном сепараторе путем охлаждения дросселированием до температуры конденсации, позволяет снизить потери амина и расход деминерализованной воды, что в целом обеспечивает ресурсосбережение.
Выделение в низкотемпературном сепараторе жидкой фазы (разбавленного водного раствора алканоламина) из части охлажденного очищенного производственного газа создает условия надежной работы тепломассобменных блоков абсорбера и десорбера.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) для аминовой очистки газа состоит из: сепаратора 1, смесителя 2, абсорбера 3, дросселя 4, низкотемпературного сепаратора 5, первого регулирующего клапана 6, редукционного клапана 7, десорбера 8, насоса 9, устройства для очистки абсорбента от продуктов разложения 10, второго регулирующего клапана 11, а также подводящих, отводящих трубопроводов газа и технологических трубопроводов.
Очистку осуществляют следующим образом.
Очищаемый газ 12 отделяют от конденсата в сепараторе 1, смешивают с частью регенерированного абсорбента 13 в смесителе 2 и подают в низ абсорбера 3. При этом на распределительное устройство верхней секции абсорбера подают деминерализованную воду 14 в количестве, необходимом для компенсации потерь воды с кислым газом и сохранения рабочей концентрации абсорбента, а на распределительное устройство нижней секции абсорбера подают другую часть регенерированного абсорбента 13, очищенный газ 15 выводят с установки, при этом часть очищенного технологического газа 16 подают через дроссель 4 в низкотемпературный сепаратор 5, где отделяют от водного раствора алканоламина и выводят двумя потоками 17 и 18. Первый поток части очищенного газа 17, в качестве хладагента, подают через первый регулирующий клапан 6 в тепломассообменный блок абсорбера 3 через верхний патрубок для поддержания оптимальной температуры процесса, а далее выводят в топливную сеть 19. Насыщенный абсорбент 20 через редукционный клапан 7 подают на распределительное устройство средней тепломассообменной секции десорбера 8. При этом через нижний патрубок тепломассообменной секции подают теплоноситель 21 для поддержания в низу десорбера температуры десорбции. С целью использования тепла нагретого регенерированного абсорбента для отпарки кислых газов и охлаждения регенерированного абсорбента, с низа десорбера 8 насосом 9 нагретый регенерированный абсорбент 22 подают в тепломассообменный блок средней секции через нижний патрубок. Регенерированный абсорбент 13 направляют в абсорбер 3, при этом часть абсорбента пропускают через устройство 10 для очистки от продуктов разложения и направляют вместе с балансовой частью абсорбента на предварительную абсорбцию в смеситель 2. Отпаренный кислый газ 23 перед выводом с установки, с целью конденсации паров алканоламина и воды, охлаждают в верхней тепломассообменной секции десорбера 8 вторым потоком части охлажденного очищенного газа 18 (хладагентом), который подают из низкотемпературного сепаратора 5 через второй регулирующий клапан 11 в тепломассообменный блок через верхний патрубок, а далее выводят в топливную сеть 19.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Углеводородный газ состава, % масс.: кислород 0,0452, азот 15,0304, углекислый газ 0,6007, метан 55,3605, этан 8,3074, пропан 8,6337, н-бутан 3,8025, изобутан 2,9818, изопентан 2,4110, пентан и выше 0,0679, сероводород 2,7590, подаваемый с расходом 1766 т/ч, отделяют от конденсата во взвешенном состоянии в количестве 0,1 кг/ч, и смешивают с 125 т/ч абсорбента - регенерированного 15% водного раствора моноэтаноламина (МЭА), содержащего 0,048% масс. сероводорода. Газожидкостную смесь с расходом 1891 т/ч подают в низ абсорбера, состоящего из верхней массообменной насадочной секции и охлаждаемой нижней тепломассообменной секции, при этом на верх тепломассообменной секции подают абсорбент в количестве 1125 т/ч. Очищенный от сероводорода газ поступает в верхнюю насадочную секцию, на верх которой подают деминерализованную воду в количестве 1 т/ч. При поддержании температуры в абсорбере около 35°С и давления 6,0 МПа получают очищенный газ в количестве 1707 т/ч и состава, % масс.: кислород 0,0467, азот 15,5427, углекислый газ 0,00002, метан 57,220, этан 8,5870, пропан 8,9261, н-бутан 3,9317, изобутан 3,0824, изопентан 2,4853, пентан и выше 0,0702, сероводород 0,00003, вода 0,110, моноэтаноламин 0,0003. Насыщенный абсорбент подают на верх средней тепломассообменной секции десорбера, регенерированный абсорбент выводят с низа десорбера, охлаждают в средней тепломассообменной секции и направляют на абсорбцию, при этом нижнюю тепломассообменную секцию десорбера обогревают, поддерживая температуру в низу десорбера 138°С. Температуру на верху десорбера поддерживают равной 25°С, обеспечивая конденсацию паров амина и воды из кислого газа. Кислый газ содержит сероводород с концентрацией 79,63% масс. и углекислый газ с концентрацией 17,36% масс.. При этом часть 853,5 т/ч очищенного технологического газа подвергают дросселированию при давлении 1,5 МПа, со снижением температуры до 13°С и сепарации с отделением сконденсированных паров воды в количестве 194 кг/ч и моноэтанололамина 2,57 кг/ч, далее делят и выводят двумя потока: первый поток с расходом 426,75 т/ч направляют в качестве хладагента через первый регулирующий клапан в нижнюю тепломассообменную секцию абсорбера при давлении 1,5 МПа и температурой 13°С, а второй поток с расходом 426,75 т/ч направляют через второй регулирующий клапан при давлении 1,5 МПа и температурой 13°С в среднюю тепломассообменную секцию десорбера для конденсацию паров амина и воды из кислого газа, далее потоки объединяются и отводятся в топливную сеть при давлении 1,4 МПа и температуре 59,15°С.
Сконденсированные пары воды 194 кг/ч и моноэтанололамина 2,57 кг/ч, которые при смешении образуют разбавленный раствор моноэтаноламина, состава % масс.: МЭА-1,3, вода 98,6, сероводород 0,0066, углекислый газ 0,0433, который можно использовать для подпитки абсорбента.
Пример 2. Углеводородный газ состава, % масс.: кислород 0,0452, азот 15,0304, углекислый газ 0,6007, метан 55,3605, этан 8,3074, пропан 8,6337, н-бутан 3,8025, изобутан 2,9818, изопентан 2,4110, пентан и выше 0,0679, сероводород 2,7590, подаваемый с расходом 3532 т/ч, отделяют от капельной влаги, и смешивают с 250 т/ч абсорбента - регенерированного 15% водного раствора моноэтаноламина (МЭА), содержащего 0,133 % масс. сероводорода. Газожидкостную смесь с расходом 3782 т/ч подают в низ абсорбера, состоящего из верхней массообменной насадочной секции и охлаждаемой нижней тепломассообменной секции, при этом на верх тепломассообменной секции подают абсорбент в количестве 2250 т/ч. Очищенный от сероводорода газ поступает в верхнюю насадочную секцию, на верх которой подают деминерализованную воду в количестве 1 т/ч. При поддержании температуры в абсорбере около 38°С и давления 6,0 МПа получают очищенный газ в количестве 3414 т/ч и состава, % масс.: кислород 0,0467, азот 15,540, углекислый газ 0,00003, метан 57,2156, этан 8,5862, пропан 8,9258, н-бутан 3,9314, изобутан 3,0823, изопентан 2,4849, пентан и выше 0,0702, сероводород 0,00013, вода 0,1138, моноэтаноламин 0,00031. Насыщенный абсорбент подают на верх средней тепломассообменной секции десорбера, регенерированный абсорбент выводят с низа десорбера, охлаждают в средней тепломассообменной секции и направляют на абсорбцию, при этом нижнюю тепломассообменную секцию десорбера обогревают, поддерживая температуру в низу десорбера 138°С. Температуру на верху десорбера поддерживают равной 25°С, обеспечивая конденсацию паров амина и воды из кислого газа. Кислый газ содержит сероводород с концентрацией 79,65% масс. и углекислый газ с концентрацией 17,33% масс.. При этом часть 1707 т/ч очищенного технологического газа подвергают дросселированию при давлении 1,5 МПа, со снижением температуры до 13,7°С и сепарации с отделением сконденсированных паров воды 379 кг/ч и моноэтанололамина 5,26 кг/ч, далее делят и выводят двумя потока: первый поток с расходом 853,5 т/ч направляют в качестве хладагента через первый регулирующий клапан в нижнюю тепломассообменную секцию абсорбера при давлении 1,5 МПа и температурой 14°С, а второй поток с расходом 853,5 т/ч направляют через второй регулирующий клапан при давлении 1,5 МПа и температурой 14°С в среднюю тепломассообменную секцию десорбера для конденсацию паров амина и воды из кислого газа, далее потоки объеденяются и отводятся в топливную сеть при давлении 1,4 МПа и температуре 59,83°С.
Сконденсированные пары воды 379 кг/ч и моноэтанололамина 5,26 кг/ч, которые при смешении образуют разбавленный раствор моноэтаноламина, состава % масс.: МЭА-1,36, вода 98,5, сероводород 0,0226, углекислый газ 0,053 который можно использовать для подпитки абсорбента.
3
3
3
3
2
2
Из примера 1 и 2 следует, что предлагаемый способ позволяет снизить содержание агрессивного компонента сероводорода до 0,00003% масс. и 0,00013% масс. в очищенном газе соответственно. Это составляет для 1 примера 0,6 мг/м и 2 примера 3,2 мг/м, и дает возможность использовать очищенный газ в системе газораспределения и потребления согласно ГОСТа 5542 (содержание HS в газе по госту - менее 20 мг/м) и при транспортировке по магистральным газопроводам согласно СТО Газпром 089-2010 (содержание HS в газе по стандарту - менее 7 мг/м).
Из представленных примеров следует, что предлагаемый способ позволяет эффективно очищать углеводородный технологический газ от кислых компонентов, с применением энерго- и ресурсосберегающих технологий.