Установка для очистки попутного нефтяного и природного газа от серосодержащих соединений
PLANT FOR PURIFICATION OF ASSOCIATED PETROLEUM AND NATURAL GAS FROM SULFUR-CONTAINING COMPOUNDS

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к установкам для очистки газов от серосодержащих соединений, и может быть использовано при подготовке попутного нефтяного газа (далее ПНГ) и природного газа к потреблению.
Известна установка адсорбционной осушки, очистки и низкотемпературного разделения нефтяного газа (патент РФ №2498174), содержащая последовательно включенные в технологическую схему блок адсорбционной осушки и очистки газа, снабженный адсорберами с цеолитом, блок низкотемпературной конденсации, снабженный устройством охлаждения газа, дополнительно содержащий холодильный блок, соединенный трубопроводом подачи и трубопроводом отвода хладагента с устройством охлаждения очищенного газа блока низкотемпературной конденсации, блок нагрева и охлаждения высокотемпературного теплоносителя, соединенный трубопроводами с блоком адсорбционной осушки и очистки газа; при этом адсорберы блока адсорбционной осушки и очистки газа скомпонованы, по меньшей мере, двумя модулями - первым и вторым, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два адсорбера, параллельно соединенных друг с другом трубопроводами подачи газа и отвода очищенного газа и последовательно соединенных друг с другом трубопроводами подачи газа регенерации и отвода насыщенного газа регенерации, при этом упомянутые модули параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи газа и отвода очищенного газа, также параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи газа регенерации и отвода насыщенного газа регенерации, также параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи и отвода высокотемпературного теплоносителя.
Недостатком установки является высокая энергоемкость процесса сероочистки и высокое содержание серы (выше 20 ppm) в очищенном газе.
Известна установка для очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов с высоким содержанием сероводорода (патент РФ №2197318), содержащая абсорбер для промывки и очистки исходного газа раствором диоксида серы, печь для сжигания серы и сернистых газов и получения диоксида серы, колонну для смешения диоксида серы с растворителем, дополнительно оснащенная сепаратором для отделения элементарной серы от растворителя, по меньшей мере, тремя адсорберами с молекулярными ситами, рибойлером и рекуперативным теплообменником для глубокой очистки и осушки газа и регенерации адсорбента, при этом колонна для смешения диоксида серы с растворителем выполнена в виде скруббера с многослойными каталитическими насадками, орошаемыми водой, при этом абсорбер для промывки исходного газа также оснащен каталитическими насадками для интенсификации процесса хемсорбции (аналог).
Недостатком установки является высокая энергоемкость процесса сероочистки и высокое содержание серы (выше 20 ppm) в очищенном газе.
Известна установка очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов от сероводорода (патент РФ №2176266). Установка включает получение диоксида серы сжиганием серы и серосодержащих соединений в печи, его смешение с растворителем, промывку этим раствором исходного газа от сероводорода и получение элементарной серы и воды, выведение суспензии серы из абсорбера и отделение серы от растворителя, возвращение растворителя и части серы в технологический процесс очистки, при этом очистку газа производят в два этапа, вначале исходный газ предварительно очищают от сероводорода в абсорбере на каталитических насадках путем промывки раствором сернистой, серной кислот и диоксида серы, полученных при сжигании регенерационных газов, и очистки дымовых газов водой в скруббере с каталитическими насадками, на втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газов на адсорбентах - молекулярных ситах, которые периодически регенерируют и охлаждают очищенным и осушенным газом, а регенерационные газы после адсорбера направляют на сжигание в печь. Установка содержит фильтр для очистки газа от механических включений и жидкости, установленный перед входом газа в абсорбер, в котором производят предварительную очистку исходного газа от сероводорода, бак для отвода водяной суспензии серы из абсорбера, после которого по ходу газа установлены три адсорбера с адсорбентами - молекулярными ситами. Установка очистки также оснащена рекуперативным теплообменником для утилизации тепла регенерационных газов, ребойлером для нагрева газа, подаваемого на регенерацию адсорбента, водяным холодильником для охлаждения газа перед его подачей в сепаратор и отделения конденсата воды и тяжелых углеводородов. Регенерационный газ после сепаратора направляют в топку котла на сжигание. Образовавшиеся дымовые газы дымососом подают в скруббер, насадки которого орошаются водой из бака с помощью насоса. Образовавшийся слабый раствор сернистой и серной кислоты сливают в бак и оттуда насосом подают на орошение насадки абсорбера. Водяная суспензия серы разделяется в центробежном сепараторе, воду возвращают в бак, а серу - в отстойник.
Однако в известной установке происходит недостаточно полная очистка газа (выше 20 ppm по сере), что приводит к усилению агрессивного воздействия нежелательных примесей на узлы и детали устройств, в которых в дальнейшем используется очищенный газ. Из-за сложности способа устройство является громоздким и энергоемким. Сера из водяной суспензии забивается в узлах устройства, нарушая его работу. А в случае аварийной остановки при температуре окружающей среды ниже нуля по Цельсию вода замерзает и разрушает узлы устройства.
Известна установка для очистки попутного нефтяного и природного газа от серосодержащих соединений (пат. РФ №2618009), ближайшая по технической сущности к заявляемой установке и принятая за прототип. Известная установка очистки и осушки попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений, состоит из фильтра для очистки от механических примесей и сепаратора для отделения мелкодисперсной жидкости, установленных перед входом газа в адсорбер блока улавливания из попутного нефтяного газа тяжелых углеводородов и осушки попутного нефтяного газа (далее ПНГ), состоящего из адсорберов, содержащих сорбенты и снабженных клапанами на входе и выходе ПНГ и работающие поочередно в режиме адсорбция-десорбция, и блока утилизации серосодержащих соединений. Блок улавливания из попутного нефтяного газа тяжелых углеводородов и осушки ПНГ выполнен двухступенчатым, при этом первая ступень для очистки газа от тяжелых углеводородов состоит из двух параллельно соединенных адсорберов, работающих попеременно в режиме адсорбция-десорбция, и вторая ступень для осушки ПНГ также состоит из двух параллельно соединенных адсорберов, работающих попеременно в режиме адсорбция-десорбция, при этом устройство дополнительно содержит блок глубокой сероочистки, соединенный на входе со ступенью осушки, и состоит из не менее трех адсорберов, соединенных трубопроводами с клапанами, позволяющими работать как в режиме последовательно соединенными, так и параллельно соединенными, при этом все адсорберы снабжены на выходе газоанализаторами, и блока утилизации серосодержащих соединений, включающий два реактора.
Недостатками прототипа является недостаточная степень очистки природного или попутного нефтяного газа, недостаточная эффективность подготовки конечного продукта перед его окончательным использованием или утилизацией. При добыче нефти для повышения пластового давления нефтегазодобывающие компании очень часто закачивают в воду в месторождение. При этом содержание воды и тяжелых углеводородов в попутном нефтяном газе в течение времени периодически в несколько раз обратимо меняется, в зависимости от того, идет нефть или водо-нефтяная эмульсия. В установке по прототипу в период высокого содержания воды в попутном нефтяном газе в блоке улавливания тяжелых углеводородов на поверхности адсорбента конденсируется вода, из-за чего адсорбент перестает улавливать тяжелые углеводороды, которые, в свою очередь, приводят к снижению эффективности работы адсорбента осушки и адсорбента очистки газа от серосодержащих соединений. Если в схеме установки по прототипу первым использовать блок осушки, то в период высокого содержания тяжелых углеводородов в попутном нефтяном газе адсорбент осушки также быстро потеряет эффективность вследствие закоксовывания в периоды регенерации.
Также недостатком конструкции установки по прототипу является невозможность возобновлять свойства сорбента серосодержащих соединений без извлечения из установки при снижении сероемкости сорбента после многочисленных циклов насыщения и регенерации, а также невозможность регенерировать катализатор утилизации серосодержащих соединений без извлечения из установки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение степени очистки природного или попутного нефтяного газа, повышение эффективности подготовки конечного продукта перед его окончательным использованием или утилизацией.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении степени очистки природного или попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений до концентрации не более 1 ppm. Заявляемая установка позволяет проводить всестороннюю многоступенчатую осушку и очистку газа, что позволяет максимально повысить эффективность подготовки конечного продукта перед его окончательной утилизацией. Все продукты выделения утилизируются, т.е. достигается безотходность и, как следствие, высокая экологичность заявленной установки.
Технический результат достигается при использовании установки очистки и осушки попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений, состоящей из фильтра для очистки (1) от механических примесей и сепаратора для отделения мелкодисперсной воды и конденсированных углеводородов (2), установленных перед входом газа в адсорбер (3, 3.1) блока улавливания из попутного нефтяного газа тяжелых углеводородов (А) и блока осушки попутного нефтяного газа (Б), состоящего из адсорберов (8, 9), содержащих сорбенты и снабженных клапанами на входе и выходе (5, 5.1, 11, 11.1) попутного нефтяного газа и работающие поочередно в режиме адсорбция-десорбция, блока глубокой сероочистки (В), соединенного на входе с блоком осушки (Б), и состоящего из не менее трех адсорберов (14, 15, 16), соединенных трубопроводами с клапанами (27, 27.1), позволяющими работать как в режиме последовательно соединенными, так и параллельно соединенными, снабженный газоанализаторами (20) на выходе из всех адсорберов, и блока утилизации серосодержащих соединений с реакторами (Д). При этом на выходе из блока осушки (Б) и блока улавливания тяжелых углеводородов (А) установлены газоанализаторы (20), после которых посредством системы коммуникаций (Г), состоящей из трубопроводов и дополнительных клапанов на выходе из каждого блока (2.3, 2.4, 2.5, 2.6) и входе в каждый блок (2.1, 2.2) в зависимости от влажности поступающего в установку газа можно чередовать работу каждого из этих блоков, а в блоке глубокой сероочистки (В) в качестве адсорберов используют теплообменники (14, 15, 16) с сорбентом в межтрубном пространстве, снабженные трубопроводами с клапанами для подачи и отвода пропиточного раствора (28, 28.1), а в блоке утилизации серосодержащих соединений (Д) также установлены теплообменники (29, 30) вместо реакторов, с серозатворами (32 и 33) и емкость для сбора серы (34).
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующей схемой.
Установка, принципиальная технологическая схема которой показана на фиг. 1, состоит из следующих элементов:
1 - фильтр для очистки от механических примесей, 2 - сепаратор для удаления мелкодисперсной и капельной жидкости.
Блок (А) для улавливания из ПНГ тяжелых углеводородов состоит: из 3, 3.1 - адсорберы, 5, 5.1 - клапана на входе в адсорберы, клапана 4 и 4.1 на выходе из адсорберов, 6 и 7 трубопроводы с клапанами для подачи теплоносителя, 6.1 и 7.1 - трубопроводы с клапанами для отвода теплоносителя.
Блок (Б) для цеолитной осушки ПНГ состоит: 8 и 9 - адсорберы, клапана на входе 11 и 11.1 для подачи ПНГ, 10 и 10.1 на выходе из адсорберов, 12 и 13 трубопроводы с клапанами для подачи газообразного теплоносителя, 12.1 и 13.1 трубопроводы с клапанами для отвода теплоносителя.
Блок (В) для глубокой сероочистки состоит: 14, 15, 16 - теплообменники, 17, 18, 19 - клапаны для подачи ПНГ после осушки и улавливания из ПНГ тяжелых углеводородов в блоках (А) и (Б), 20 - газоанализаторы, установленные на выходе из теплобменников 14, 15, 16, трубопроводы с клапанами 21, 22, 23, соединяющими теплообменники блока (В) между собой для обеспечения последовательности работы адсорберов, 24, 25, 26 - клапана для вывода очищенного газа к потребителю, 27 и 27.1 - трубопроводы с клапанами для подачи и отвода газа для транспортировки сероводорода, выделяющегося в процессе регенерации, 28 и 28.1 - клапана для подачи и отвода пропиточного раствора, 31 - очищенный газ потребителю.
Блок (Г) - система коммуникаций, состоит из трубопроводов, снабженных клапанами (2.3) (2.4), (2.5) и (2.6) на выходе из адсорберов (3) (3.1) и (8), (9). и на входе в блок (А) и (Б) клапана (2.1) и (2.2).
Блок (Д) - утилизация серосодержащих соединений, состоит из теплообменников (29) и (30), снабженных клапанами на выходе (32) и (33) и емкостью (34) для сбора серы.
Установка очистки ПНГ с содержанием сероводорода и меркаптанов содержит этапы, на которых:
ПНГ под давлением от 0,03 до 1 МПа подают в фильтр (1) для очистки от механических примесей и сепаратор (2) для удаления мелкодисперсной и капельной жидкости;
- далее газ поступает в адсорберы (3 и 3.1) для улавливания из газовой смеси тяжелых углеводородов, например, активированным углем;
- затем газ направляют в адсорберы (8, 9) цеолитной осушки, где вместе с влагой оседает и часть содержащих серу соединений;
- осушенный газ подают в теплообменники (14, 15, 16) сероочистки для полного удаления из газа серосодержащие соединения с помощью, например, твердого пористого регенерируемого сорбента, количество адсорберов не менее 3 в зависимости от производительности установки;
- очищенный и осушенный ПНГ направляют для дальнейшего использования в хозяйственных нуждах либо на генераторные установки для получения электроэнергии;
- тяжелые углеводороды из работающих попеременно адсорберов блока (А) улавливания тяжелых углеводородов в процессе регенерации выделяются и направляются на сжигание для получения тепла;
- серосодержащие соединения из работающих попеременно теплообменников (14, 15, 16) - глубокой сероочистки, выделяющиеся в процессе регенерации, направляются сначала в теплообменники (29, 30) получения элементарной серы, после чего остатки направляются для дожигания в факельную систему.
Установка работает следующим образом. Попутный нефтяной газ, загрязненный серосодержащими примесями, поступает по трубопроводу на вход в установку. Расход ПНГ регулируется автоматически, давление и температура контролируются. Для очистки от механических примесей ПНГ проходит через фильтр (1), степень загрязнения фильтра контролируется по перепаду давления на нем. Очищенный от механических примесей ПНГ из фильтра (1) поступает в сепаратор (2) для удаления капельной влаги и далее, в зависимости от влажности газа, в блок (А) или (Б).
В блоке (А) очищенный от механических примесей и капельной влаги ПНГ поступает поочередно в адсорберы (3) и (3.1), работающие попеременно в режиме короткоцикловой адсорбции. Каждый аппарат загружен, например, активированным углем марки АР-В, позволяющим эффективно улавливать тяжелые углеводороды. Режим адсорбции-десорбции проводится строго по расчетному времени путем автоматического переключения соответствующих клапанов. При поступлении ПНГ вначале в адсорбер (3), работающий в режиме адсорбции тяжелых углеводородов, открыты клапана (4) и (5), и закрыты вентили (6) и (6.1).
По достижении степени насыщения сорбента углеводородами происходит автоматическое переключение адсорберов: адсорбер (3.1) переводится в режим адсорбции (открываются клапана на входе (4.1) и выходе ПНГ (5.1), адсорбер 3 переводится в режим десорбции.
В режиме десорбции предварительно открываются клапана на входе (6) или (7) и выходе (6.1) или (7.1) теплоносителя. Далее цикл повторяется.
В процессе адсорбции и десорбции давление и температура в адсорберах непрерывно контролируется.
В блоке (Б) ПНГ проходит стадию осушки в адсорберах (8) и (9), работающих попеременно. Каждый адсорбер загружен, например, цеолитом марки Na А, позволяющим достичь заданную точку росы осушенного газа.
По достижении степени насыщения адсорбента в адсорбере (8) влагой происходит автоматическое переключение: адсорбер (9) переводится в режим адсорбции (открываются клапана (10.1) и (11.1)), и закрываются клапана (13) и (13.1)), адсорбер (8) переводится в режим десорбции (закрываются клапана (10) и (11), и закрываются клапана (12) и (12.1)).
ПНГ со стадии осушки и улавливания тяжелых углеводородов поступает в блок (В) на стадию улавливания серосодержащих соединений в теплообменниках (14), (15), (16), работающие попеременно парами.
Каждый теплообменник загружен адсорбентом в межтрубное пространство, позволяющим эффективно извлекать серосодержащие соединения из ПНГ за счет большой удельной площади сорбционноактивной поверхности твердого пористого сорбента. Конструкция адсорбера в виде теплообменника дала возможность увеличить площадь контакта сорбента со стенками аппарата, что значительно сократило время на прогрев сорбента в период регенерации и дало возможность ускоренно охлаждать сорбент после завершения регенерации путем подачи воздуха с температурой окружающей среды.
ПНГ поступает вначале в теплообменник (14). При этом клапана на входе (17) и выходе ПНГ (21) открыты, клапана на входе (27) и выходе теплоносителя (27.1) в адсорбер (14), (15) закрыты, клапан (24) закрыт. Клапан (25) открыт, а клапан (22) закрыт. Идет процесс улавливания серосодержащих соединений из ПНГ на слое сорбента в теплообменнике (14). Далее из теплообменника (14) ПНГ поступает в теплообменник (15) для обеспечения более полной очистки. После теплообменника (15) очищенный ПНГ отправляется потребителю (28). По достижении степени насыщения адсорбента в теплообменнике (14) серосодержащими соединениями (по показаниям газоанализатора (20) или промышленного хроматографа) происходит автоматическое переключение теплообменников: теплообменник (15) становится первым по ходу ПНГ (открываются клапана (18), (22), (26) на входе и выходе ПНГ, закрываются клапана (17), (21), (23), (25), - теплообменник (16) переводится в режим адсорбции, при этом клапана (27) и (27.1) при теплообменнике (16) закрыты. Теплообменник (14) переводится в режим десорбции. При этом клапана (27) и (27.1) при теплообменнике (14) открыты. Далее по мере насыщения первого по ходу очистки газа теплообменника - происходит попарное переключение теплообменников аналогично (14) и (15) - адсорбция, (16) - десорбция, (15), (16) - адсорбция, (14) - десорбция, (16) и (14) - адсорбция, (15) - десорбция.
В режиме десорбции в адсорбере, выполненном в виде теплообменника (14), нагревается сорбент до температуры 100-200°С, открываются клапана (27) и (27.1) данного теплообменника на входе и выходе газа-носителя, который передавливает выделяющиеся из сорбента серосодержащие соединения на блок утилизации в теплообменник (29) или (30). По окончании процесса десорбции теплообменник переводится в режим адсорбции автоматически в порядке, указанном выше.
После многократных процессов сорбции и десорбции свойства сорбента восстанавливают, сначала прогревая сорбент до температуры 300-500°С, затем давая ему остыть до температуры 10-30°С и подавая в теплообменники (14), (15) и (16) пропиточный раствор, открывая на каждом адсорбере клапана входа и выхода пропиточного раствора (28) и (28, 1), с последующей сушкой газом-носителем.
Серосодержащие соединения со стадии улавливания серосодержащих соединений в процессе регенерации поступают на стадию утилизации серосодержащих соединений, где смешиваются с воздухом и поступают в теплообменники (29) и (30), работающие попеременно. Каждый теплообменник загружен катализатором, позволяющим эффективно окислять серосодержащие соединения до элементарной серы. По мере насыщения происходит автоматическое переключение на другой теплообменник.
После максимального насыщения катализаторов элементарной серой в теплообменниках (29) и (30), производят процесс их регенерации, подавая в межтрубное пространство теплоноситель температурой 113-500°С. Элементарная сера в жидком виде вытекает через серозатворы (32) и (33) и поступает в емкость (34).
Для определения содержания компонентов на входе и выходе из адсорберов блоков (А) и (Б) установлены автоматические газоанализаторы.
Заявляемая установка позволяет проводить всестороннюю многоступенчатую осушку и очистку газа, что позволяет максимально повысить эффективность подготовки конечного продукта перед его окончательной утилизацией. Все продукты выделения утилизируются, т.е. достигается безотходность и, как следствие, высокая экологичность заявленной установки.
Конструкция адсорбера в виде теплообменника в блоках (В) и (Д) дало возможность увеличить площадь контакта сорбента со стенками аппарата, что значительно сократило время на прогрев сорбента в период регенерации и дало возможность ускоренно охлаждать сорбент после завершения регенерации путем подачи воздуха с температурой окружающей среды.