БЛОК ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Изобретение относится к технике очистке газов.
Уровень техники
На многих месторождениях добываемый природный или попутный нефтяной газ необходимо очищать от сероводорода, содержание которого может достигать нескольких процентов по объему. Повышение требований к охране окружающей среды требует отказа от химических технологий очистки. Наиболее перспективным в этом направлении являются методы очистки, связанные с использованием низких температур.
Методы сепарации компонентов газа путем его сжижения при низких температурах описаны в следующих патентах:
- RU 2318167 - Способ сжижения и сепарации нефтяного попутного газа
- RU 2272972 - Способ низкотемпературного разделения попутных нефтяных газов
- RU 2340841 - Способ переработки попутного нефтяного газа и установка для его осуществления
- RU 2047061 - Способ разделения газа и устройство для его осуществления
- RU 2324871 - Способ для очистки попутного нефтяного газа от тяжелых углеводородов при использовании низких температур
- RU 2297267 - Способ разделения многофазных сред и устройство для его осуществления
- RU 2225971 - Способ разделения попутного нефтяного газа
- US 4356014 - Cryogenic recovery of liquids from refinery off-gases
- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process
- US 4878932 - Cryogenic rectification process for separating nitrogen and methane
- US 4654047 - Hybrid membrane/cryogenic process for hydrogen purification
- US 4061481 - Natural gas processing
- US 4923493 - Method and apparatus for cryogenic separation of carbon dioxide
- US 4012212 - Process and apparatus for liquefying natural gas
- US 4548618 - Process and apparatus for the separation of a mixture of gases
- US 4312652 - Process for fractionation of a gaseous mixture
- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process
- US 5041149 - Separation of nitrogen and methane with residue turboexpansion
- US 7337631 - Use of cryogenic temperatures in processing gases
Недостатком способов очистки газа путем его сжижения при низких температурах, представленных в данных патентах, является использование традиционной компрессорной технологии охлаждения газа, которая требует больших энергетических затрат и сложного оборудования, например, газовых турбин для привода компрессоров.
Прототипом изобретения является патент US 4285917 «METHOD FOR REMOVAL OF HYDROGEN SULFID FROM SOUR GAS STREAMS» (Метод удаления сероводорода из потока сырого газа) от 25.09.1981 г.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели:
1. Область применения.
2. Использование способа очистки газа путем его сжижения при низких температурах.
3. Использование криохолодильника для охлаждения газа путем отбора у него тепла.
4. Разделение жидкой и газообразной фаз в криохолодильнике.
5. Использование дистилляционной колонны в криохолодильнике.
6. Использование теплообменников.
Причины, препятствующие получению аналогом технического результата, который обеспечивается полезной моделью:
1. Получение низких температур с использованием механического компрессора.
2. Необходимость внешнего привода для обеспечения работы механического компрессора аналога. В аналоге в качестве привода используется цепочка, состоящая из газовой турбины, электрогенератора и электромотора, вращающего компрессор.
3. Затраты энергии в аналоге необратимы. Для рекуперации части затраченной на сжатие газа энергии требуется использование сложного оборудования - турбодетандера.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который обеспечивается полезной моделью, состоит в обеспечении энергетической независимости установки по очистке газа, повышении ее эффективности, исключения подвижных механических частей, повышении надежности установки и снижении ее стоимости.
Данный технический результат достигается путем замены механического компрессора с внешним приводом на термоакустический криохолодильник, приводимый в действие термоакустическим двигателем. При этом отпадает необходимость во внешнем источнике энергии или приводе, поскольку для работы устройства используется тепло горелки, где сжигается небольшая доля очищенного газа.
Получение данного технического результата обеспечивается следующими существенными признаками полезной модели:
1. Получением низких температур с помощью термоакустических устройств, не имеющих подвижных механических частей.
2. Отсутствием необходимости во внешнем источнике энергии или приводе.
3. Рекуперацией значительной части энергии, затраченной на охлаждение газа, с помощью простого теплообменника.
4. Рекуперацией тепловой энергии термоакустического двигателя.
Полезная модель имеет следующие конструктивные элементы и их связи:
1. Холодный блок с дистилляционной колонной внутри, находящийся в тепловом контакте с термоакустическим холодильником.
2. Термоакустический двигатель, связанный волноводом с термоакустическим холодильником.
3. Волновод, передающий генерируемые термоакустическим двигателем акустические волны в термоакустический холодильник.
4. Термоакустический холодильник, охлаждающий холодный блок.
5. Противоточный теплообменник между входной магистралью газа и выходом очищенного газа.
6. Труба подачи части очищенного газа в горелку термоакустического двигателя.
7. Противоточный теплообменник - регенератор (экономайзер) между входной магистралью воздуха, поступающего в горелку термоакустического двигателя и выходом дымовых газов из горелки термоакустического двигателя в дымовую трубу.
8. Накопитель сжиженного сероводорода, поступающего из дистилляционной колонны.
9. Дымовая труба.
10. Соединительные трубопроводы и фитинги.
Входной поток очищаемого газа охлаждается в противоточном теплообменнике и поступает в холодный блок, где в дистилляционной колонне выделяется сжиженный сероводород. Часть очищенного газа через противоточный теплообменник подается в горелку термоакустического двигателя. Генерируемая термоакустическим двигателем акустическая энергия поступает в термоакустический холодильник через волновод. Термоакустический холодильник охлаждает холодный блок с дистилляционной колонной внутри.
Противоточный теплообменник, через который проходят потоки входного и очищенного газа, обеспечивает рекуперацию значительной части энергии, затраченной на охлаждение газа. Экономайзер, через который проходят потоки воздуха и дымовых газов из горелки термоакустического двигателя, обеспечивает рекуперацию части тепловой энергии, затраченной на генерацию акустических волн.
По сравнению с аналогом, полезная модель имеет меньшее число ступеней преобразования энергии (тепло - акустические волны - тепло), что обеспечивает ее больший КПД. Ступени преобразования энергии в аналоге: тепло а горелке турбины - механическая энергия вращения турбины - электричество - механическая энергия вращения компрессора - тепло. Сюда надо добавить потери энергии при рекуперации энергии сжатого газа в турбодетандере аналога.
Краткое описание чертежей
Принципиальная схема блока очистки газа от сероводорода представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных узлов:
1. Ввод газа
2. Теплообменник
3. Холодный блок
4. Дистилляционная колонна
5. Накопитель сжиженного сероводорода
6. Выход очищенного газа
7. Термоакустический двигатель
8. Волновод
9. Термоакустический холодильник
10. Поток тепла от холодного блока
11. Экономайзер
12. Ввод воздуха
13. Дымовая труба
Входной поток 1 очищаемого газа охлаждается в противоточном теплообменнике 2 и поступает в холодный блок 3, где в дистилляционной колонне 4 выделяется сжиженный сероводород 5. Часть очищенного газа 6 через противоточный теплообменник 2 подается в горелку термоакустического двигателя 7. Генерируемая термоакустическим двигателем акустическая энергия через волновод 8 поступает в термоакустический холодильник 9. Термоакустический холодильник охлаждает холодный блок 3 с дистилляционной колонной 4 внутри. Дымовые газы из горелки термоакустического двигателя направляются в дымовую трубу 13 через экономайзер 11, где нагревают поток воздуха 12, поступающего в горелку.
Осуществление полезной модели
Приводом термоакустического криохолодильника является от термоакустический двигатель, который создает акустические волны, направляемые по волноводу в термоакустический криохолодильник.
Тепловой поток от горелки благодаря прямому термоакустическому эффекту преобразуется в термоакустическом двигателе в акустические колебания рабочего газа (сжатого гелия) в волноводе. Колебания рабочего газа благодаря обратному термоакустическому эффекту создают в термоакустическом холодильнике тепловой поток обратного знака, охлаждающий холодный блок.
Существующие способы и устройства для получения холода с помощью термоакустического холодильника и термоакустического двигателя представлены в следующих базовых патентах:
US 4398398 - Acoustical heat pumping engine
US 4489553 - Intrinsically irreversible heat engine
US 4722201 - Acoustic cooling engine
US 4953366 - Acoustic cryocooler
US 5953920 - Tapered pulse tube for pulse tube refrigerators
US 6385972 - Thermoacoustic resonator
US 6688112 - Thermoacoustic refrigeration device and method
Термоакустические блоки для очистки газа от сероводорода являются энергетически автономными. В отличие от традиционных установок, они не требуют применения мощных механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов, подвода силового электроснабжения и строительства линий электропередач. Отсутствие подвижных механических частей обеспечивают их исключительную простоту и надежность.
Обозначения:
1. Ввод газа
2. Теплообменник
3. Холодный блок
4. Дистилляционная колонна
5. Накопитель сжиженного сероводорода
6. Выход очищенного газа
7. Термоакустический двигатель
8. Волновод
9. Термоакустический холодильник
10. Поток тепла от холодного блока
11. Экономайзер
12. Ввод воздуха
13. Дымовая труба