Циклонный адсорбер для очистки природного газа
CYCLONE ADSORBER FOR NATURAL GAS PURIFICATION

Изобретение относится к технике очистки газов и может быть использовано для очистки природных газов от вредных примесей, а именно газообразных соединений серы (сероводорода и пр.).
Известен циклон, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, внутри которого соосно помещена центральная труба, снабженный тангенциальным патрубком входа газа и патрубком слива конденсата в коническом днище [Патент РФ №2656771, МПК F17D 1/04, B04C 5/10, 2018].
Основным недостатком известного циклона является невозможность в нем очистки природного газа от сернистых соединений и диоксида углерода, что снижает его экологическую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является циклонный адсорбер, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, внутри цилиндрического корпуса помещена перфорированная кольцевая цилиндрическая корзина, заполненная гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх которой тангенциально пропущен входной патрубок, соединенный с соединительным газопроводом, над вышеупомянутой корзиной расположен, кольцевой, перфорированный снизу, промывочный коллектор соединенный со штуцером промывочной воды центральная труба соединена с газопроводом очищенного газа, а сливной штуцер соединен с емкостью отработанной промывочной воды [В.С. Ежов, д. т. н., Н.Е. Семичева, Г.Г. Щедрина, к. т. н. Технология комплексной очистки природного газа перед подачей потребителю. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. No 9].
Основными недостатками известного циклонного адсорбера являются недостаточное использование адсорбционной емкости адсорбента–гранулированного доменного шлака, обусловленное образованием застойных зон у стенки корпуса и неполная регенерация адсорбента, обусловленная наличием непромытых зон гранулированного шлака, в которые промывочная вода поступает в недостаточном количестве, что снижает экономическую и экологическую эффективность циклонного адсорбера.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экономической и экологической эффективности циклонного адсорбера для очистки природного газа.
1
2
Технический результат достигается тем, что предлагаемый циклонный адсорбер для очистки природного газа содержит цилиндрический корпус, внутри которого соосно помещена вертикальная центральная труба, сверху-вниз расположены горизонтальная кольцевая перегородка с диаметром центрального отверстия большим диаметра центральной трубы, полость между которой и крышкой корпуса образует кольцевой коллектор промывочной воды, центральное отверстие которого соединено с верхней кромкой перфорированной трубы оросительной рубашки, образующей между собой и центральной трубой кольцевую щель с зазором равным Δ, заглушенную снизу кольцевой планкой, примыкающую к нижней стороне кольцевой перегородки, перфорированную сбоку, изнутри и снизу кольцевую цилиндрическую корзину с зазором между ней и корпусом, закрытым сверху кольцевой перегородкой, открытым снизу и равным Δ, причем кольцевая цилиндрическая корзина заполнена гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх корзины тангенциально пропущен входной патрубок, а кольцевой коллектор промывочной воды и коническое днище корпуса снабжены штуцером подачи промывочной воды и сливным штуцером.
Предлагаемый циклонный адсорбер для очистки природного газа (ЦАОПГ) изображен на фиг. 1 – 4 (фиг. 1 - общий вид ЦАОПГ, фиг. 2, 3 - разрезы, фиг. 4 - узел стыковки центральной трубы с оросительной рубашкой).
1
2
Циклонный адсорбер для очистки природного газа содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно помещена вертикальная центральная труба 2, сверху –вниз расположены горизонтальная кольцевая перегородка 3 с диаметром центрального отверстия 4 большим диаметра центральной трубы 2, полость между которой и крышкой корпуса 1 образует кольцевой коллектор промывочной воды 5, центральное отверстие 4 которого соединено с верхней кромкой перфорированной трубы оросительной рубашки 6, образующей между собой и центральной трубой 2 кольцевую щель 7 с зазором равным Δ, заглушенную снизу кольцевой планкой 8, примыкающую к нижней стороне кольцевой перегородки 3, перфорированную сбоку, изнутри и снизу кольцевую цилиндрическую корзину 9 с зазором 10 между ней и корпусом 1, закрытым сверху кольцевой перегородкой 3, открытым снизу и равным Δ, причем корзина 9 заполнена гранулами пемзы 11, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх которой тангенциально пропущен входной патрубок 12, а кольцевой коллектор промывочной воды 5 и коническое днище корпуса 1 снабжены штуцером подачи промывочной воды 13 и сливным штуцером 14.
2
2
3
В основу работы предлагаемого ЦАОПГ положен использование процесса адсорбции гранулированной шлаковой пемзой. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO, AlO, MnO) c модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. - М.: Стройизд., 1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в природных газах (соединения серы, диоксид углерода и пр.) [Ежов В.С. и др. Использование гранулированных доменных шлаков для очистки  газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха от вредных компонентов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. №6, 2019. - С. 44–48], а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В. Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II.-М.; Стройиздат, 1978, с. 391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов природных газов, широко доступны и дешевы.
2
4
2
3
ЦАОПГ предназначен для очистки природного газа от сернистых соединений. После предварительной очистки природного газа от конденсата, частиц кристаллогидратов углеводородов и механических примесей газ из патрубка 12 тангенциально поступает в кольцевую полость ЦАОПГ (вариант-батарея циклонных адсорберов), где происходит закручивание его потока и частицы газа за счет центробежных сил отбрасываются к стенкам перфорированной кольцевой корзины 9, проникают вовнутрь ее и контактируют с гранулами шлаковой пемзы 11, в порах которой происходит адсорбция молекул сероводорода, меркаптанов, оксидов серы, обладающих кислыми свойствами, которая осуществляется за счет основности шлака. Адсорбированные сернистые соединения, диоксид углерода, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 11 в результате капиллярной конденсации паров воды, которые находятся в газе, с образованием соответствующих кислот HSO и HСO. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 11 оседают мелкодисперсные частицы. При этом, наличие кольцевого зазора 10 между стенкой корпуса 1 и наружной перфорированной стенкой корзины 9 обеспечивает прохождение потока газа через всю толщину загрузки шлака 11 и отсутствие застойных зон у стенки корпуса 1, что увеличивает рабочий объем адсорбента и таким образом интенсифицирует процесс адсорбции. Окончательно очищенный природный газ через центральную трубу 2 поступает в газопровод очищенного газа (на фиг. 1-4 не показан), откуда направляется потребителю.
При насыщении адсорбента (гранул шлаковой пемзы 11) его подвергают регенерации, которая заключается в промывке его промывочной водой из перфорированной трубы оросительной рубашки 6. При этом компоновка оросительной рубашки 6, расположенной в центре ЦАОПГ и наличие кольцевого зазора 10 между стенкой корпуса 1 и наружной перфорированной стенкой корзины 9 обеспечивает прохождение потока промывочной воды через всю толщину гранул шлака 11 и надежную промывку всего его объема. Полученная промывочная вода, насыщенная кислотными компонентами, через сливной штуцер 14 сбрасывается в емкость отработанной промывочной воды (на фиг. 1-4 не показана), откуда по мере накопления удаляется на очистку.
Диаметр отверстий перфорации цилиндрической корзины 9 принимают меньшим диметра гранул металлургического шлака 11, число отверстий и их диаметр перфорации оросительной рубашки 6 и ширину зазоров 7 и 10 находят, исходя из оптимального расхода промывочной воды, который определяют опытным путем
Таким образом, циклонный адсорбер для очистки природного газа обеспечивает надежную очистку газа от сернистых соединений, что снижает коррозионный износ газопроводов и газоиспользующего оборудования, регенерацию всего объема гранулированного шлака, повышая тем самым экономические и экологические характеристики природного газа, поставляемого потребителю.