СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GAS TREATMENTAND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области подготовки газов, в частности к подготовке природного и попутного нефтяного газа к дальнейшему транспорту, глубокой очистке газов от влаги, тяжелых углеводородов, различных механических примесей, подготовки природного и попутного нефтяного газа для использования в качестве топлива печей нагрева, котельных, газопоршневых или газотурбинных установок.
Как известно, активность адсорбента возрастает с увеличением концентрации (или парциального давления) адсорбируемого компонента и с понижением температуры процесса, в то время как для процесса десорбции благоприятными условиями являются повышенная температура и понижение общего давления в системе либо парциального давления адсорбированных компонентов (Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Издательство «Химия», М., 1972 г. - 496 с., с.384-387).
Известен способ адсорбционной осушки газа, в котором после адсорбционной осушки газа давление в адсорбере постепенно снижают до атмосферного, проводят глубокое вакуумирование, выдерживают под вакуумом, затем продувают адсорбер сухим газом, продолжая вакуумирование, после чего поднимают давление до давления осушки и охлаждают силикагель не нагретым сухим газом (Патент РФ №2073554 кл. B01D 53/26, 20.02.1997).
Недостатками данного способа адсорбционной осушки газа являются:
- отсутствие предварительного отделения капельной жидкости перед адсорберами, что излишне нагружает адсорбер уже сконденсировавшейся в процессе предварительного транспорта капельной жидкостью и существенно сокращает время эффективной работы адсорбента;
- отсутствие возможности охлаждения адсорбера, находящегося на стадии адсорбции, что снижает адсорбционную емкость адсорбента и таким образом снижает эффективность процесса адсорбции.
Недостатком данного устройства также является использование отдельных нагревателей (в описанном примере используется трубчатая огневая печь) для нагрева сухого газа, используемого одновременно для нагрева и продувки адсорбента, находящегося на стадии регенерации.
Также известен способ комплексной очистки газа и устройство для его осуществления, осуществляющий периодическую очистку газа в одном из адсорберов, с одновременной регенерацией адсорбента в другом адсорбере регенерирующим газом, в качестве которого используют очищенный газ при давлении ниже рабочего давления адсорбции. Давление регенерирующего газа создают вакуум-компрессором с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, тепло сжатия используют для нагрева очищенного газа перед регенерацией, а на выходе из регенерируемого адсорбера регенерирующий газ очищают жидкостью, впрыскиваемой в рабочую полость сжатия вакуум-компрессора, и возвращают в поток газа, подаваемого на очистку (Патент РФ №2241524 кл. B01D 53/04, 53/96, 10.12.2004).
Недостаток вышеуказанного способа и устройства заключается в использовании для нагрева очищенного газа, поступающего на регенерацию, тепла сжатия вакуум-компрессора. Низкий коэффициент теплопроводности газов, не более 0,0361 Вт/(м*К) при 50°С для метана (Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г.Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил с.530), потребует большой площади теплообмена для снижения ΔТ между нагреваемым и нагретым газом, что приводит к значительному увеличению металлоемкости установки и ограничению по температуре нагреваемого газа, что в свою очередь увеличивает время проведения регенерации адсорбента. Отрицательным фактором также является отсутствие возможности охлаждения адсорбера, находящегося на стадии адсорбции, что снижает емкость адсорбента и таким образом снижает эффективность процесса адсорбции.
Наиболее близким по техническому устройству к заявляемому изобретению является низкотемпературная установка для очистки и разделения газов, осуществляющая предварительное охлаждение газа в циклично переключаемых регенераторах, последующую его фильтрацию и дальнейшую адсорбцию с охлаждением неадсорбировавшегося газа с помощью холодильной машины - детандера и утилизацией тепла адсорбции в другом адсорбере (Авторское Свидетельство SU №504545 кл. B01D 53/00, 1976).
3
Недостатком данного устройства и, соответственно, способа является низкая эффективность нагрева адсорбера, находящегося на стадии десорбции, теплом, выделяющимся в процессе адсорбции. Теплота адсорбции очень мала и существенно ограничивает процесс десорбции, так как примерно равна теплоте конденсации (см. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии Скобло А., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А., Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. ~ 677 с.: ил) и ориентировочно составляет в кДж на 1 кг поглощенного газа: для углекислоты 710, метана 1180, этана и этилена 590, пропана 460, газового бензина (М»80) 630 (см. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. Эмирджанов Р.Т. изд. Химия - М.: Москва 1965 г. ст.544), что при соотношении 1 кВт/ч = 3600 кДж представляет собой незначительное количество энергии, что вкупе с низкой плотностью природного и попутного нефтяного газа, колеблющейся в пределах 0,7÷1,4 кг/м (в зависимости от углеводородного состава, попутный нефтяной газ тяжелее природного, так как содержит большее количество «жирных» углеводородов), вне зависимости от производительности установки обеспечит незначительный нагрев адсорбента. К тому же с учетом того, что для охлаждения детандера используется весь очищенный газ, по закону сохранения энергии с учетом потерь на теплопередачу и незначительный нагрев адсорбента, температура газа после адсорбера будет ниже или равна температуре газа, поступающего на адсорбцию. Таким образом количество тепла, которое будет вноситься в адсорбер, находящийся на стадии десорбции, будет столь незначительным, что не позволит увеличить эффективность процесса десорбции по сравнению с безнагревным процессом (см. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции. В.Г.Матвейкин, В.А.Погонин, С.Б.Путин, С.А.Скворцов. - М.: «Издательство Машиностроение-1», 2007. - 140 с.).
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности способа и устройства подготовки газов за счет использования тепла компрессора холодильной машины и холода холодильной машины.
Указанная задача решается тем, что в способе подготовки газов, включающем очистку путем адсорбции в одном из адсорберов с одновременной десорбцией адсорбента в другом адсорбере, с отводом тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер с помощью холодильной машины, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным оборудованием, согласно изобретению отвод тепла адсорбции из первого адсорбера в другой адсорбер осуществляют путем нагрева хладагента холодильной машины, оборудованной компрессором, в теплообменном устройстве, совмещенном с первым адсорбером, с последующим дополнительным нагревом хладагента в компрессоре и последующим отводом тепла в теплообменном устройстве, совмещенном с другим адсорбером, причем в другой адсорбер подают очищенный газ.
Дополнительно осуществляют предварительную очистку газа от капельной жидкости в фильтр-сепараторах в две ступени, с дополнительным охлаждением газа перед второй ступенью.
Десорбцию адсорбента проводят при давлении ниже атмосферного, создаваемом подключением к адсорберу вакуум создающего оборудования.
После завершения десорбции осуществляют переключение процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.
Указанная задача решается также тем, что устройство для подготовки газов, содержащее два параллельно установленных адсорбера, причем оба адсорбера совмещены с теплообменным оборудованием, первый для адсорбции, а другой для десорбции, холодильную машину, согласно изобретению в качестве холодильной машины установлена холодильная машина, оборудованная компрессором, теплообменное устройство, совмещенное с первым адсорбером, соединено с компрессором, а компрессор - с теплообменным устройством, совмещенным с другим адсорбером, оснащенным линией подачи в него очищенного газа.
Дополнительно устройство содержит в качестве фильтров фильтр-сепараторы для очистки газа от капельной жидкости в две ступени с блоком охлаждения между ступенями.
Адсорбер для десорбции соединен с вакуум создающим оборудованием.
Устройство оснащено задвижками для переключения процесса адсорбции и десорбции между адсорберами.
Заявляемые технические решения иллюстрируются фигурами 1, 2. Причем фиг.1 касается осуществления способа и устройства по основным пунктам формулы заявляемой группы изобретений - п.1 и п.5 соответственно, а фиг.2 касается их оптимальных вариантов. Здесь:
1 - фильтр-сепаратор предварительной грубой очистки;
2 - фильтр-сепаратор улавливания капельной жидкости;
3 - блок охлаждения внешними источниками холода;
4 - первый адсорбер, совмещенный с теплообменным оборудованием;
5 - второй адсорбер, совмещенный с теплообменным оборудованием;
6 - компрессор холодильной машины;
7 - вакуум создающее оборудование;
8 - дроссель;
9 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с фильтр-сепаратора 1 предварительной грубой очистки;
10 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с фильтр-сепаратора 2 улавливания капельной жидкости;
11 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества газа на выходе с вакуум создающего оборудования 7;
12 - точка подключения пробоотборного устройства для контроля качества подготовленного газа;
13 - датчик давления;
14 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на блок охлаждения внешними источниками холода 3;
15 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на адсорбционную осушку;
16 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 1 на выход с установки;
17 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 2 на адсорбционную осушку;
18 - задвижка с электроприводом на линии с фильтр-сепаратора 2 на выход с установки;
19 - задвижка с электроприводом на линии подачи газа в адсорбер 4;
20 - задвижка с электроприводом на линии подачи газа в адсорбер 5;
21 - задвижка с электроприводом на линии подготовленного газа после адсорбера 4;
22 - задвижка с электроприводом на линии подготовленного газа после адсорбера 5;
23 - задвижка с электроприводом на линии между адсорбером 5 и вакуум создающим оборудованием 7;
24 - задвижка с электроприводом на линии между адсорбером 4 и вакуум создающим оборудованием 7;
25 - задвижка с электроприводом на линии между компрессором холодильной машины 6 и теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 5;
26 - задвижка с электроприводом на линии между теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 4, и компрессором холодильной машины 6;
27 - задвижка с электроприводом на линии между компрессором холодильной машины 6 и теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 4;
28 - задвижка с электроприводом на линии между теплообменным устройством, совмещенным с адсорбером 5, и компрессором холодильной машины 6;
29 - регулирующий кран, установленный на линии слива уловленной капельной жидкости с фильтр-сепаратора 1;
30 - регулирующий кран, установленный на линии слива уловленной капельной жидкости с фильтр-сепаратора 2;
31 - регулирующий кран для подачи очищенного газа на продувку адсорберов 4, 5;
32 - обратный клапан, закрывающий прямую подачу очищенного газа после адсорбера 4 в адсорбер 5;
33 - обратный клапан, закрывающий прямую подачу очищенного газа после адсорбера 5 в адсорбер 4;
34 - обратный клапан, закрывающий подачу подготовленного газа после фильтр-сепараторов 1 и 2 в адсорберы 4 и 5.
Холодильная машина, таким образом, представлена следующим оборудованием: компрессором - 6; дросселем - 8; задвижками с электроприводом - 25-28; теплообменным оборудованием (устройством), совмещенным с каждым из адсорберов 4, 5.
В отличие от элементов устройства, пронумерованных арабскими цифрами, линии потоков на фиг.1, 2 обозначены римскими цифрами:
I - линия подачи газа на подготовку;
II - линия отвода подготовленного газа;
III - линия отвода адсорбата;
IV - линия отвода уловленной капельной жидкости.
Способ подготовки газов по п.1 заявляемой формулы реализуется, соответственно, устройством по п.5 заявляемой формулы группы изобретений.
Осуществляют очистку газов путем адсорбции в одном из адсорберов 4 с одновременной десорбцией адсорбента в другом адсорбере 5, с отводом тепла адсорбции из первого адсорбера 4 в другой адсорбер 5 путем нагрева хладагента холодильной машины, оборудованной компрессором 6, в теплообменном устройстве, совмещенном с первым адсорбером 4, с последующим дополнительным нагревом хладагента в компрессоре 6 и последующим отводом тепла от нагретого таким образом хладагента в теплообменном устройстве, совмещенном с другим адсорбером 5, причем в другой адсорбер подают очищенный газ.
В оптимальном варианте способ осуществляется следующим образом.
На первой ступени очистки осуществляется удаление механических примесей и капельной жидкости в фильтре-сепараторе 1, на второй ступени охлаждение газа за счет внешних источников холода 3 с отделением выпадающей за счет смещения равновесия капельной жидкости с помощью фильтра-сепаратора 2.
На третей ступени - адсорбционная осушка газа с охлаждением адсорбционного слоя за счет холода, получаемого холодильной машиной; при этом осушка осуществляется в двух адсорберах 4, 5, которые, попеременно переключаясь, находятся: один - в процессе адсорбции, а другой - в процессе десорбции. Тепло и холод, получаемые в процессе работы холодильной машины, передаются с помощью хладагента в соответствующие адсорберы. Холод поступает в адсорбер, находящийся на стадии адсорбции, а тепло подается в адсорбер, находящийся на стадии десорбции. Подбор адсорбента осуществляется в зависимости от свойств и концентрации поглощаемых из исходного газа компонентов. Процесс десорбции проводят при давлении ниже атмосферного, создаваемом с помощью вакуум создающего оборудования 7, при этом количество подаваемого для интенсификации десорбции очищенного газа регулируют по датчику давления 13, установленному на линии перед вакуум создающим оборудованием 7, а продолжительность процесса десорбции - по качеству газа, отбираемого в точке 11 на линии отвода адсорбата.
Устройство, в его оптимальном варианте, работает следующим способом. Исходный газ, содержащий нежелательные примеси (тяжелые углеводороды, капельную жидкость, механические примеси и т.п.), по линии I поступает на предварительную очистку в фильтр-сепаратор 1. В фильтр-сепараторе 1 из исходного газа отделяют капельную жидкость и улавливают механические примеси. Уловленная капельная жидкость по мере накопления автоматически через регулирующий кран 29 сливается в линию IV. Очищенный от капельной жидкости и механических примесей газ выводится из фильтр-сепаратора 1. После фильтр-сепаратора 1 в точке 9 периодически осуществляется контроль качества газа. В случае, если качество газа соответствует установленному требованию, открывается задвижка 16, а задвижки 14, 15 закрываются, и очищенный газ поступает потребителю через линию II.
Если фиксируется отклонение от допустимого параметра качества газа, проводится охлаждение газа для смещения равновесия с целью выделения дополнительного количества примесей в блоке охлаждения 3 за счет использования внешних источников холода; задвижка 15, 16 закрывается, а задвижка 14 открывается, направляя исходный газ в блок охлаждения 3 для снижения температуры. В результате понижения температуры в блоке охлаждения 3 точка росы исходного газа снижается, при этом из газа дополнительно в виде капельной жидкости выделяются нежелательные примеси. Охлажденный газ поступает в фильтр-сепаратор 2, в котором выделившиеся из газа компоненты отделяются, и по мере накопления автоматически через регулирующий кран 30 сливается в линию IV.
После фильтр-сепаратора 2 в точке 10 периодически осуществляется контроль качества газа. В случае, если качество газа соответствует установленному требованию, открывается задвижка 18, а задвижка 17 закрывается, и очищенный газ поступает потребителю через линию II.
В случае, если фиксируется отклонение от допустимого параметра качества газа, задвижка 18 закрывается и открывается задвижка 17, направляя газ на третью ступень очистки.
В случае, если возможность эффективно снизить температуру газа за счет использования внешних источников холода 3 отсутствует, что не позволяет эффективно использовать вторую ступень очистки, задвижки 14, 16, 18 закрываются, а задвижки 15, 17 открываются, направляя газ непосредственно на третью ступень очистки газа.
Очищенный от капельной жидкости газ поступает через открытую задвижку 19 в адсорбер 4, задвижка 20 закрыта. Адсорбер 5 находится на стадии десорбции.
Особенность работы третей ступени очистки газа заключается в использовании холодильной машины, оборудованной компрессором. Рассмотрим работу такой холодильной машины на примере следующей ситуации: адсорбер 4 находится на стадии адсорбции, адсорбер 5 находится на стадии десорбции. В этом случае задвижки 25 и 26 открыты, 27 и 28 закрыты. Сжатый компрессором 6 хладагент поступает через открытую задвижку 25 в теплообменное устройство, совмещенное с адсорбером 5, в котором проходит процесс десорбции. Отдавая тепло сжатия насыщенному адсорбенту, хладагент охлаждается. Далее хладагент проходит дроссель 8, в котором за счет адиабатического расширения его температура снижается, и он поступает в теплообменное устройство, совмещенное с адсорбером 4. Здесь, забирая тепло адсорбции поступающего на адсорбцию газа, хладагент через открытую задвижку 26 вновь поступает на прием компрессора 6.
В случае, когда адсорбер 4 находится на стадии десорбции, а адсорбер 5 на стадии адсорбции, поток хладагента направляется в обратную сторону. Смена направления движения хладагента проводится путем закрытия задвижек 25 и 26 и открытием задвижек 27 и 28.
По мере прохождения газа через слой адсорбента происходит поглощение нежелательных компонентов газа. Подготовленный газ через открытую задвижку 21 и обратный клапан 34 поступает в линию II. Задвижка 22 закрыта. Качество газа периодически контролируют в точке 12.
Для интенсификации и увеличения глубины десорбции поглощенных компонентов процесс проводят при давлении ниже атмосферного. Для получения вакуума установка оснащена вакуум создающим оборудованием 7. В описываемом случае вакуум создающее оборудование 7 работает для снижения давления в адсорбере 5. При этом задвижка 23 открыта, задвижка 24 закрыта. Пониженное давление, а также подвод тепла позволяет интенсифицировать процесс десорбции и значительно повысить качество извлечения поглощенных компонентов. Удаление выделившихся из адсорбента компонентов происходит за счет замещения объема чистым газом, перепускаемым с линии II через регулирующий клапан 31 и обратный клапан 33. Количество перепускаемого газа автоматически поддерживает заданный уровень вакуума в адсорбере 5. Контроль процесса десорбции осуществляется периодически по изменению качества газа в точке 11 на линии III после вакуум создающего оборудования 7 и датчиком давления 13, установленным до вакуум создающего оборудования 7. После того как процесс десорбции в адсорбере 5 проведен и качество газа в линии III соответствует качеству газа в линии II, производится переключение процесса адсорбции и десорбции между адсорберами 4 и 5. Данный процесс проводится следующим образом: отключается вакуум создающее оборудование 7 и закрывается задвижка 23; работа холодильной машины переключается на обратный контур за счет закрытия задвижек 25, 26 и одновременного с этим открытия задвижек 27, 28; открываются задвижки 20 и 22, подключая прошедший регенерацию адсорбер 5 на процесс адсорбции; закрываются задвижки 19 и 21; открывается задвижка 24; запускается вакуум создающее оборудование 7, переводя адсорбер 4 на десорбцию.
Сравнение существенных признаков и технических результатов предложенного и известных технических решений дает основание полагать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процессов адсорбции и десорбции, отказаться от подогрева продувочного газа, за счет использования тепла компрессора холодильной машины. Дальнейшее повышение эффективности подготовки газа возможно за счет использования на второй ступени очистки внешних источников холода.