СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДНОГО РАСТВОРА МЕТАНОЛА
METHOD OF REGENERATING AQUEOUS SOLUTION OF METHANOL

Изобретение относится к технологическим процессам регенерации водных растворов метанола (BMP) с получением BMP с содержанием метанола более 80 мас % и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.
Известен традиционный способ регенерации метанола, в котором BMP поступает на регенерацию с установки подготовки газа, в которой метанол применяется для предотвращения гидратообразования. Для концентрирования метанола в BMP проводится ректификация при атмосферном давлении с испарением жидкости в кубовой части и с парциальной дефлегмацией (см. Бухгалтер Э.Б. Метанол и его использование в газовой промышленности. М.: Недра, 1986, 238 с.; Караваев М.М. Технология синтетического метанола. М.: Химия, 1984, 240 с.).
В результате проведения процесса образуется три материальных потока (целевой и два побочных):
- регенерированный BMP с содержанием метанола более 80 мас %, направляемый в емкостной парк с целью дальнейшего его (BMP) использования;
- кубовая жидкость с низкой концентрацией метанола (менее 4 мас. %), направляемая на утилизацию;
- газ дегазации (содержащий легкие компоненты природного газа, метанол и воду), направляемый, как правило, на факел.
Недостатком упомянутого выше технического решения является то, что на средней и поздней стадиях разработки месторождения при увеличении количества добываемой воды, концентрация поступающего на регенерацию BMP снижается, что приводит, как правило, к снижению концентрации регенерированного BMP, увеличению потерь метанола с кубовой водой, увеличению энергопотребления, затрачиваемого на работу колонны.
3
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ регенерации метанола, в котором BMP с концентрацией (5…20) об. % подается в колонну регенерации (десорбер), десорбируется компримированным и подогретым до 70…90°С циркулирующим потоком газа. Соотношение между BMP и объемом рециркулирующего газа находится в диапазоне 3,4…4,5 г (ВМР)/м (газа). Колонна представляет собой массообменный аппарат с 40 ступенями контакта. Рециркулирующий газ поступает в нижнюю часть колонны под первую ступень контакта. Пары метанола и воды с верха колонны последовательно охлаждаются в теплообменниках и конденсируются: в первом сепараторе при температуре (56…65)°С и во втором (холодном) сепараторе при температуре минус (15…20)°С. В результате проведения данного технологического процесса концентрация метанола в жидкости, выделяемой в первом сепараторе составляет 0…4% об., во втором -достигает 80…100 об. %. Жидкость с нижней части колонны не отводится, (см. а.с. SU 1330124 А1, МПК С07С 31/04, С07С 29/76, опубл. 15.08.1987)
Упомянутый выше способ имеет следующие недостатки:
- направление всей поступающей в колонну воды в первый сепаратор приводит к увеличению паровой нагрузки верхней части колонны и высокому энергопотреблению на испарение всего входного потока;
- поток рециркулирующего газа из второго (холодного) сепаратора, характеризуемый низким влагосодержанием, и его подача (рециркулирующего потока газа) в нижнюю (отгонную) часть ректификационной колонны приводит к охлаждению нижней части колонны за счет испарения кубовой жидкости. Для компенсации этого эффекта требуется дополнительный подвод тепла в нижнюю часть колонны.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание эффективного способа регенерации BMP.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение качества регенерации BMP и повышение эффективности процесса регенерации BMP за счет повышения селективности процесса извлечения метанола и снижения энергопотребления как на испарение кубовой жидкости (воды) в кубовой части ректификационной колонны, так и на конденсацию паров метанола и воды в верхней части ректификационной колонны.
Технический результат достигается за счет того, что в способе регенерации водного раствора метанола (BMP) исходный BMP подвергают дегазации и удаляют из него нестабильный углеводородный конденсат, затем BMP подвергают первоначальному нагреву и подают его в ректификационную колонну, в которую выше или под тарелку питания подают газ, химически инертный по отношению к метанолу и воде, при этом из ректификационной колонны отводят часть кубовой жидкости, которую подвергают нагреву, в процессе которого она частично испаряется с образованием потока пара, который подают в кубовую часть ректификационной колонны, при этом поток неиспаренной части кубовой жидкости используют для первоначального нагрева BMP, а парогазовую смесь, отводимую с верха ректификационной колонны, охлаждают и направляют в первый сепаратор, жидкостной поток из которого подают на орошение в ректификационную колонну, а парогазовую смесь, отводимую из первого сепаратора компримируют, после чего компримированную парогазовую смесь охлаждают и образовавшуюся газожидкостную смесь подают во второй сепаратор, из которого отводят жидкостной поток, представляющий собой регенерированный BMP.
В качестве газа, подаваемого в ректификационную колонну, выше или под тарелку питания может быть использован газовый поток, отводимый из второго сепаратора.
В качестве газа, подаваемого в ректификационную колонну, выше или под тарелку питания может быть использован азот.
Часть жидкостного потока, отводимого из второго сепаратора, может быть направлена на верхнюю тарелку ректификационной колонны.
Часть жидкостного потока, отводимого из второго сепаратора, может быть направлена на смешение с жидкостным потоком, отводимым из первого сепаратора.
Охлаждение компримированной парогазовой смеси может быть проведено в два этапа, при этом на первом этапе производят охлаждение газовым потоком, отводимым из второго сепаратора, а на втором этапе охлаждают низкотемпературным хладагентом.
Для охлаждения парогазовой смеси, отводимой с верха ректификационной колонны, может быть использован газовый поток, отводимый из второго сепаратора после использования его на первом этапе охлаждения компримированной парогазовой смеси.
Для охлаждения парогазовой смеси, отводимой с верха ректификационной колонны может быть использован воздух.
За счет десорбции метанола из BMP, осуществляемой посредством подачи рециркулирующего газового потока, полученного во втором сепараторе, в верхнюю (укрепляющую) часть ректификационной колонны выше или под тарелку питания, и за счет использования сопровождающего процесс десорбции охлаждения повышается концентрация метанола в водной фазе и, следовательно, повышается селективность процесса извлечения метанола, а также снижаются энергозатраты на охлаждение жидкости, поступающей на орошение верха ректификационой колонны.
Компримирование парогазовой смеси, выделяющейся в первом сепараторе, и последующее ее охлаждение повышает концентрацию метанола в жидкостном потоке, отводимом из второго сепаратора (регенерированного BMP).
Весь жидкостной поток, отводимый из первого сепаратора, возвращается в ректификационную колонну с целью увеличения содержания метанола в газожидкостной смеси, поступающей во второй сепаратор.
Отвод части кубовой жидкости с небольшой примесью метанола, нагрев ее с частичным испарением и образованием потока пара, который подают в кубовую часть ректификационной колонны, сокращает энергозатраты на подогрев жидкости в кубовой части ректификационной колонны и на охлаждение паров в верхней части ректификационной колонны.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема установки регенерации BMP, на которой осуществляется заявленный способ.
На чертеже представлена установка регенерации метанола, на которой осуществляется заявленный способ, в состав которой входят: рекуперативный теплообменник 1, ректификационная колонна 2, охлаждающий теплообменник 3, насос орошения 4, первый сепаратор 5, компрессор 6, рекуперативный теплообменный аппарат 7, теплообменный аппарат 8, второй сепаратор 9, испаритель 10, трубопровод 11 подачи BMP в рекуперативный теплообменник 1, трубопровод 12 подачи нагретого BMP в ректификационную колонну 2, трубопровод 13 подачи парогазовой смеси в охлаждающий теплообменник 3, трубопровод 14 подачи охлажденной парогазовой смеси в первый сепаратор 5, трубопровод 15 отвода парогазовой смеси из первого сепаратора 5, трубопровод 16 отвода жидкостного потока из первого сепаратора 5 во всасывающий патрубок насоса орошения 4, трубопровод 17 подачи жидкостного потока на орошение в ректификационную колонну 2 из напорного патрубка насоса орошения 4, трубопровод 18 подачи компримированной в компрессоре 6 парогазовой смеси на охлаждение в рекуперативный теплообменный аппарат 7, трубопровод 19 подачи охлажденного потока из рекуперативного теплообменного аппарата 7 на второй этап охлаждения в теплообменный аппарат 8, трубопровод 20 подачи охлажденного потока из теплообменного аппарата 8 во второй сепаратор 9, трубопровод 21 отвода жидкостного потока из второго сепаратора 9 в качестве регенерированного BMP, трубопровод 22 отвода газового потока из второго сепаратора 9 в рекуперативный теплообменный аппарат 7, трубопровод 23 отвода охлаждающего газового потока из рекуперативного теплообменного аппарата 7 в ректификационную колонну 2, трубопровод 24 подачи кубовой жидкости в испаритель 10, трубопровод 25 подачи пара из испарителя 10 в кубовую часть ректификационной колонны 2, трубопровод 26 отвода потока нагретой и неиспаренной части кубовой жидкости из испарителя 10 в рекуперативный теплообменник 1, трубопровод 27 отвода из рекуперативного теплообменника 1 охлажденной кубовой жидкости на утилизацию, трубопровод 28 подачи охлаждающей среды в теплообменный аппарат 8 и трубопровод 29 отвода охлаждающей среды из теплообменного аппарата 8.
Рекуперативный теплообменник 1 предназначен для нагрева BMP по прямому ходу и охлаждения кубовой жидкости, отводимой на утилизацию, по обратному ходу, и имеет:
- патрубок подвода BMP, соединенный с трубопроводом 11;
- патрубок отвода BMP, соединенный с трубопроводом 12;
- патрубок подвода греющей среды (кубовой жидкости, поступающей из испарителя 10), соединенный с трубопроводом 26;
- патрубок отвода греющей среды (кубовой жидкости), соединенный с трубопроводом 27.
Ректификационная колонна 2 представляет собой массообменный аппарат тарельчатого или насадочного типа, оснащенный отсеком отбора углеводородов из массообменной части (размещение отсека по высоте ректификационной колонны 2 определяется температурой кипения жидких углеводородов) и кубовой частью. При этом ректификационная колонна 2 снабжена следующими патрубками:
- первый выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 13 и расположенный в верхней (укрепляющей) массообменной части ректификационной колонны 2;
- второй выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 24 и расположенный в кубовой части ректификационной колонны 2;
- первый входной патрубок, соединенный с трубопроводом 12;
- второй входной патрубок, расположенный в верхней (укрепляющей) части массообменной части ректификационной колонны выше тарелки питания или под тарелкой питания, соединенный с трубопроводом 23;
- третий входной патрубок, соединенный с трубопроводом 17;
- четвертый входной патрубок, соединенный с трубопроводом 25.
Охлаждающий теплообменник 3 имеет входной патрубок охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 13, через который осуществляется подача в него парогазовой смеси и выходной патрубок охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 14, через который осуществляется подача охлажденной парогазовой смеси в первый сепаратор 5. В качестве охлаждающей среды в охлаждающем теплообменнике 3 может быть использован атмосферный воздух, а также могут быть использована другая охлаждающая среда, например, охлаждающая среда, отводимая из рекуперативного теплообменного аппарата 7 по трубопроводу 23 или могут быть использованы газы, отводимые из установки подготовки газа, а именно: газ, отделенный при промежуточной сепарации, газ, отделенный при низкотемпературной сепарации, хладагент холодильной машины.
Всасывающий патрубок насоса орошения 4 соединен с трубопроводом 16, по которому осуществляется отвод жидкостного потока из первого сепаратора 5, а напорный патрубок насоса 4 соединен с трубопроводом 17, через который подается жидкостной поток на верхние (укрепляющие) секции массообменной части ректификационной колонны 2.
Первый сепаратор 5 содержит в своей нижней части выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 16, а в верхней части - патрубок выхода парогазовой смеси, соединенный с трубопроводом 15. Входной патрубок первого сепаратора 5 соединен с трубопроводом 14.
Вход компрессора 6 соединен с трубопроводом 15, а выход - с трубопроводом 18, по которому подается компримированная парогазовая смесь на охлаждение.
Рекуперативный теплообменный аппарат 7 представляет собой холодильник-конденсатор, который может быть выполнен в виде кожухотрубного, пластинчатого, спирального или другого типа теплообменного аппарата.
Рекуперативный теплообменный аппарат 7 имеет:
- входной патрубок для охлаждающей среды, соединенный с трубопроводом 22;
- выходной патрубок для охлаждающей среды, соединенный с трубопроводом 23;
- входной патрубок для охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 18;
- второй выходной патрубок для охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 19.
Теплообменный аппарат 8 имеет:
- входной патрубок для охлаждающей среды, соединенный с трубопроводом 28;
- выходной патрубок для охлаждающей среды, соединенный с трубопроводом 29;
- входной патрубок для охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 19;
- второй выходной патрубок для охлаждаемой среды, соединенный с трубопроводом 20.
Второй сепаратор 9 имеет:
- входной патрубок, соединенный с трубопроводом 20;
- первый выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 21;
- второй выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 22.
Испаритель 10 представляет собой испаритель огневого нагрева или испаритель с промежуточным теплоносителем.
Отбор кубовой жидкости из испарителя 10 осуществляется под контролем регулирующего клапана (на чертеже не показан) и производится через выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 26.
Способ регенерации водного раствора метанола осуществляют следующим образом.
Исходный BMP направляют в трехфазный разделитель (не показан на чертеже), где происходит дегазация и отделение нестабильного углеводородного конденсата.
Затем по трубопроводу 11 BMP с концентрацией более 1 масс. % и температурой около 20°С подают в патрубок подвода нагреваемой среды рекуперативного теплообменника 1.
BMP подогревается до температуры около 60°С в рекуперативном теплообменнике 1 и поступает по трубопроводу 12 в среднюю часть ректификационной колонны 2.
В ректификационной колонне 2 происходит концентрирование метанола в паровой фазе в верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны 2 и концентрирование воды в жидкой фазе в нижней (отгонной, кубовой) части ректификационной колонны 2.
Ректификационная колонна 2 содержит 10-15 теоретических ступеней контакта. По высоте ректификационной колонны 2 за счет подогрева кубовой части и поступления более холодного жидкостного потока через трубопровод 17 подачи жидкостного потока (флегмы) устанавливаются стационарные профили температур и концентраций метанола и воды.
Ректификационная колонна 2 работает в режиме, когда весь жидкостной поток, образовавшийся в первом сепараторе 5, возвращается в качестве жидкостного потока (флегмы) в ректификационную колонну 2 при атмосферном или небольшом (10…50 кПа) избыточном давлении.
С верха ректификационной колонны 2 парогазовая смесь, насыщенная водой и метанолом, поступает с температурой около 70°С по трубопроводу 13 в охлаждающий теплообменник 3, где охлаждается до температуры 20…25°С. Охлаждение упомянутой парогазовой смеси до более низких температур позволяет получать регенерированный BMP с концентрацией метанола более 80%, но ограничивает применение в охлаждающем теплообменнике 3 в качестве охлаждающей среды атмосферного воздуха в летний период.
После охлаждения в охлаждающем теплообменнике 3 охлажденная парогазовая смесь по трубопроводу 14 поступает в первый сепаратор 5, где отделяется жидкостной поток, переставляющий собой водный раствор метанола с концентрацией 22-27 масс. %, который поступает в трубопровод 16 отвода жидкостного потока на всасывающий патрубок насоса орошения 4. Затем упомянутый BMP нагнетается насосом орошения 4 в трубопровод 17 и подается в качестве орошения (флегмы) в верхнюю секцию массообменной части ректификационной колонны 2.
Парогазовая смесь, выделяемая в первом сепараторе 5, по трубопроводу 15 подается в компрессор 6, где она дожимается до 3…5 атм.
Компримированная парогазовая смесь по трубопроводу 18 подается с температурой 60…90°С во входной патрубок для охлаждаемой среды рекуперативного теплообменного аппарата 7, в котором она охлаждается до температуры 20…30°С. В качестве охлаждающей среды рекуперативного теплообменного аппарата 7 используется газовый поток, отводимый из второго сепаратора 9. Из рекуперативного теплообменного аппарата 7 охлажденная газожидкостная смесь по трубопроводу 19 поступает во входной патрубок охлаждаемой среды теплообменного аппарата 8, в котором она охлаждается до температуры минус 20…30°С. В качестве охлаждающей среды теплообменного аппарата 8 может использоваться газ низкотемпературной сепарации или иной низкотемпературный хладагент.
Охлажденная газожидкостная смесь по трубопроводу 20 поступает во второй сепаратор 9. При охлаждении до указанных температур во втором сепараторе 9 происходит конденсация жидкости, концентрация метанола в которой составляет: 80…99 масс. %.
По трубопроводу 21 осуществляется отвод из установки упомянутой жидкости в емкости хранения в качестве регенерированного BMP.
При этом для повышения концентрирования метанола возможно часть регенерированного BMP, отводимого по трубопроводу 21, направить на верхнюю тарелку ректификационной колонны 2 или в трубопровод 16 отвода жидкостного потока из первого сепаратора 5.
Газовый поток из второго сепаратора 9 отводится через трубопровод 22 рециркулирующего газового потока в рекуперативный теплообменный аппарат 7 в качестве охлаждающей среды. После прохождения через рекуперативный теплообменный аппарат 7 упомянутый поток подают в верхнюю (укрепляющую) часть ректификационной колонны 2 выше тарелки питания или под тарелку питания.
3
В верхнюю (укрепляющую) часть ректификационной колонны 2 выше тарелки питания или под тарелку питания также может подаваться вместо рециркулирующего газового потока, отводимого из второго сепаратора 9, другой газ, химически инертный по отношению к метанолу и воде: углеводородный поток газа, отводимый из установок подготовки природного газа (газ низкотемпературной сепарации, газ промежуточной сепарации, газ стабилизации, азот или другой газ, химически инертный по отношению к метанолу и воде с суммарным удельным содержанием воды и метанола менее 10 г/м).
Если в верхнюю (укрепляющую) часть ректификационной колонны 2 выше тарелки питания или под тарелку питания подается вместо газового потока из второго сепаратора 9 горючий газ, то перед отводом регенерированного BMP с концентрацией метанола более 80 мас % через трубопровод 21 в емкости для хранения регенерированного BMP осуществляют подогрев и дегазацию регенерированного BMP, для чего установку снабжают подогревателем и дегазатором. Подогрев и дегазацию регенерированного BMP осуществляют для удаления из него легких углеводородов перед направлением в емкости для хранения.
В испаритель 10 по трубопроводу 24 осуществляется подача кубовой жидкости из ректификационной колонны 2 (температура кубовой жидкости 100…110°С).
В испарителе 10 кубовая жидкость нагревается до температуры около 100…110°С и начинает испаряться. Пары испаренной части кубовой жидкости по трубопроводу 25 подачи пара подаются в кубовую часть ректификационной колонны 2.
Отбор неиспаренной части кубовой жидкости (кубовой воды) из испарителя 10 осуществляется под контролем регулирующего клапана (на схеме не указан) и производится через выходной патрубок, соединенный с трубопроводом 26.
Тепло неиспаренной части кубовой жидкости используется для нагрева BMP в рекуперативном теплообменнике 1.
После охлаждения в рекуперативном теплообменнике 1 потоком BMP кубовая жидкость направляется на утилизацию.
Заявленное техническое решение позволит снизить число теоретических ступеней контакта в ректификационной колонне в 3-4 раза: с 40 до 10-15, а также позволит обрабатывать более низкие концентрации метанола во входном потоке: до 1 мас.% вместо 5 мас.%.
Заявленное техническое решение предназначено для регенерации BMP, образовавшегося при подготовке природного газа к транспорту с использованием регенерированного BMP с высоким содержанием метанола в качестве ингибитора гидратообразования, а также может применяться для получения метанола высокой концентрации в случае недостаточного количества ступеней контакта на имеющемся массообменном оборудовании.