СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ И ВЫДЕЛЕНИЯ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ
METHOD OF CLEANING OF GASES AND SULPHUR-BEARING GAS EXTRACTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу удаления кислых газов из сырьевого газа, в котором сырьевой газ подают в абсорбционную колонну и при повышенном рабочем давлении приводят в ней в контакт с абсорбентом, при этом насыщенный абсорбент выходит из абсорбционной колонны через нижнюю часть. Такой способ известен, например, из WO 2004/105 919 A1.
Уровень техники
В сырьевых газах, таких как природный газ и синтез-газ, наряду с ценными компонентами содержатся также примеси, например сероводород, диоксид углерода или органические серосодержащие соединения. Органические серосодержащие соединения представляют собой, в частности, меркаптаны и сульфоксид углерода. Для последующего использования эти примеси необходимо удалять из сырьевых газов. Например, сера в виде сероводорода или сульфоксида углерода является ядом для многих катализаторов, блокируя их действие. Также законодательные положения принуждают к снижению выбросов серы. Вследствие климатического потепления требуется также сократить и выбросы диоксида углерода, присутствие которого в природном газе, кроме того, снижает теплотворную способность. Для очистки сырьевого газа от упомянутых выше компонентов, называемых ниже кислыми газами, в распоряжении имеется множество способов, в которых газ очищают с применением абсорбента. Для удаления кислых газов могут применяться как химические, так и физические абсорбенты.
Требования к степени чистоты определяются последующим назначением полученного газа и характером кислого газа. При содержании сернистых компонентов для последующего использования в технических целях требуется, как правило, их удаление из сырьевого газа до содержания, выражаемого в частях на миллион. В соответствии с последующим применением полученного газа диоксид углерода удаляется из него либо полностью, либо частично, либо по возможности минимально.
При удалении сернистых компонентов обычно дополнительно перерабатывают кислый газ, отделенный при регенерации абсорбентов, в установке Клауса с получением серы. Для установки Клауса требуются дополнительные капитальные затраты. Учитывая перепроизводство серы в мире, вряд ли возможно будет обеспечить для произведенной серы достаточную продажную выручку, вследствие чего такие капитальные затраты могут амортизироваться лишь с трудом. Поэтому в качестве альтернативы производству элементарной серы все чаще рассматривается возможность хранения кислых газов в газовых кавернах. При этом кислые газы уплотняются дорогостоящими компрессорами до величины давления, которое позволяет транспортировать кислые газы в предусмотренные для этого подземные газохранилища, например выработанное месторождение природного газа. Поэтому для этой цели особо предпочтительно, чтобы образующиеся при регенерации кислые газы присутствовали по возможности при высоком давлении, так как благодаря этому экономятся значительные капитальные и эксплуатационные затраты на сжатие кислых газов. Также и при отделении диоксида углерода является оптимальным, чтобы удаляемый диоксид углерода выделяли по возможности при высоком давлении регенерации.
При использовании химических абсорбентов давление при регенерации, при котором образуются кислые газы, может быть повышено лишь незначительно, так как иначе может произойти ускоренное разложение химического абсорбента, поскольку повышение давления при регенерации сопровождается повышением температуры кипения.
При использовании физических абсорбентов возможно в принципе получать часть кислых газов при повышенном давлении. Для этого регенерация проводится со снижением давления с помощью нескольких последовательно соединенных между собой быстродействующих каскадов. Высвобождающиеся в таких быстродействующих каскадах кислые газы поступают при этом в такой компрессионный каскад, который соответствует уровню давления соответствующего быстродействующего каскада. Хотя при таком порядке действий и может быть снижен расход энергии на повторную компрессию кислых газов, однако, тем не менее, большая часть кислых газов должна уплотняться от атмосферного давлении до конечного, необходимого для хранения давления. Кроме того, регенерация путем снижения давления с помощью быстродействующих каскадов позволяет удалять только ограниченное количество кислых компонентов, так как при быстродействующей регенерации в абсорбенте постоянно сохраняется некоторая остаточная насыщенность кислыми газами. Это ведет к тому, что не достигается необходимая чистота в полученном газе. Например, при удалении сероводорода в соответствии со спецификацией требуется обеспечение чистоты полученного газа, составляющей в отношении кислых газов несколько частей на миллион. Физические абсорбенты обладают, кроме того, тем недостатком, что в отношении ценных компонентов они действуют не столь избирательно, как химические абсорбенты. Наряду с кислыми газами одновременно абсорбируются значительные количества пригодных для использования газов. Этими пригодными для использования газами являются, например, водород и оксид углерода при производстве синтез-газа или метана во время очистки природного газа.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа, в котором удаляемые кислые газы образуются при высоком давлении во время регенерации, сырьевой газ освобождается от кислых компонентов до содержания в несколько частей на миллион, а соабсорбированные, пригодные для использования газы отделяются от кислых газов до момента регенерации абсорбента.
Указанная задача решается согласно изобретению в результате того, что насыщенный абсорбент подается в отпарную колонну высокого давления, в которой в результате испарения части абсорбента образуется экстракционный пар, при этом экстракционным паром из абсорбента удаляются содержащиеся в нем соабсорбированные, пригодные для использования газы и отводятся из верхней части отпарной колонны высокого давления, причем абсорбент, также содержащийся в парах верхней части колонны, ожижается и отводится обратно в отпарную колонну высокого давления, а выходящий из нижней части отпарной колонны высокого давления, насыщенный кислыми газами абсорбент подается в регенерационную колонну высокого давления, в которой кислые газы отделяются и отводятся под высоким давлением из верхней части регенерационной колонны высокого давления, при этом регенерированный абсорбент отводится из нижней части регенерационной колонны высокого давления и возвращается в абсорбционную колонну.
Предпочтительно применять физический абсорбент с низкой точкой кипения. В этом случае особо предпочтительным является метанол. Метанол сам может испаряться при высоком давлении, при этом температура кипения не превышает предела, выше которого происходит разложение абсорбента. Кроме того, метанол обладает тем преимуществом, что при высоких парциальных давлениях кислых газов целенаправленно может обеспечиваться более высокое насыщение сернистыми компонентами, чем при использовании химических абсорбентов.
Особенно эффективным оказалось применение абсорбента, точка кипения которого при атмосферном давлении составляет менее 100°C, предпочтительно менее 65°C.
Абсорбционная колонна эксплуатируется предпочтительно при рабочем давлении от 5 до 150 бар. При использовании метанола в качестве абсорбента наряду с кислыми газами соабсорбируется часть содержащихся в сырьевом газе пригодных для использования газов. Насыщенный абсорбент отводится из нижней части абсорбционной колонны и согласно изобретению подается в отпарную колонну высокого давления.
Особенно энергетически оптимальным является положение, когда насыщенный абсорбент, выходящий из нижней части абсорбционной колонны, подогревается в теплообменнике горячим регенерированным раствором, отводимым из нижней части регенерационной колонны высокого давления. При этом целесообразно, чтобы температура насыщенного абсорбента, выходящего из нижней части абсорбционной колонны, возросла до 50-250°C до того, как он поступит в отпарную колонну высокого давления.
В отпарной колонне высокого давления часть абсорбента испаряется под действием подведенного извне тепла. Предпочтительно это обеспечивается с помощью кипятильника (рибойлера) в нижней части отпарной колонны высокого давления. В результате испарения абсорбента образуется поток экстракционного пара. В отпарной колонне высокого давления пригодные для использования газы отделяются и отводятся из верхней части этой колонны. Содержащийся в парах верхней части абсорбент сжижается в конденсаторе и снова отводится в отпарную колонну высокого давления. Несконденсированный пар поступает обратно в абсорбционную колонну.
Согласно другому варианту выполнения изобретения в нижнюю часть отпарной колонны высокого давления подается снаружи экстракционная среда, например азот или диоксид углерода. В результате может быть уменьшено количество экстракционного пара, образуемого испарением абсорбента.
Отпарная колонна высокого давления эксплуатируется предпочтительно при давлении от 5 до 150 бар. Предпочтительно рабочее давление в отпарной колонне высокого давления превышает рабочее давление в абсорбционной колонне. Благодаря этому газ, образовавшийся и не сконденсировавшийся после конденсатора, при имеющемся перепаде давления отводится обратно в абсорбционную колонну. В том случае, когда давление оказывается недостаточным для обратного отведения газа, его возвращают в абсорбционную колонну посредством компрессора.
На качество отделения пригодных для использования газов оказывают влияние теплопроизводительность кипятильника, охлаждающая способность конденсатора, а также характер и количество массообменных элементов в отпарной колонне высокого давления. При этом доля пригодных для использования газов в абсорбенте, отводимом из нижней части отпарной колонны высокого давления, должна быть минимизирована. С другой же стороны, температура в верхней части отпарной колонны высокого давления должна задаваться такой, чтобы в конденсаторе была бы возможной конденсация с применением легко доступных хладагентов, таких как охлаждающая вода или охлаждающий воздух. На температуру в верхней части отпарной колонны высокого давления оказывает влияние доля кислых газов, также присутствующих в головном продукте. Кроме того, на конденсацию паров в верхней части оказывает влияние давление, при котором эксплуатируется отпарная колонна высокого давления. Предпочтительно давление выбирается таким, чтобы пары в верхней части могли конденсироваться с помощью легко доступных охлаждающих сред, таких как охлаждающая вода или охлаждающий воздух.
Абсорбент, насыщенный кислыми газами, выходящий из нижней части отпарной колонны высокого давления, поступает в регенерационную колонну высокого давления. При необходимости для подачи может применяться насос.
В традиционных способах очистки газов регенерационная колонна эксплуатируется при низком давлении. В большинстве случаев давление составляет в ней лишь от 0,1 до 1 бара. Напротив, в способе согласно изобретению регенерация абсорбента проводится при высоком давлении. Регенерационная колонна высокого давления работает предпочтительно при давлении от 5 до 100 бар.
В нижней части регенерационной колонны высокого давления предпочтительно образуется экстракционный пар в результате испарения части абсорбента. В регенерационной колонне высокого давления отделяют кислые газы и отводят при высоком давлении через ее верхнюю часть. С помощью определенного количества флегмы головного продукта, сконденсированного в конденсаторе регенерационной колонны высокого давления, и благодаря характеру и количеству используемых в регенерационной колонне высокого давления массообменных элементов достигается почти полное отделение кислых газов от абсорбента. Отводимые из верхней части колонны кислые газы подаются транспортирующим устройством в хранилище.
Согласно другому варианту выполнения изобретения в нижнюю часть регенерационной колонны высокого давления подается извне экстракционная среда, например азот или диоксид углерода, благодаря чему может быть уменьшено количество требуемого, косвенно производимого экстракционного пара.
Особо оптимальный вариант выполнения изобретения состоит в том, что, по меньшей мере, часть фракции кислых газов образуется в виде жидкой фазы в верхней части регенерационной колонны высокого давления. С помощью насоса жидкая фаза доводится до более высокого уровня давления и подается в предусмотренное для этого хранилище. Агрегатное состояние, с которым образуется фракция кислых газов в верхней части регенерационной колонны высокого давления после конденсатора, зависит от многих факторов. Так, например, высокий уровень давления и низкая температура способствуют образованию жидкой фазы. Также и высокая охлаждающая способность конденсатора положительно влияет на сжижение фракции кислых газов. Кроме того, состав фракции кислых газов оказывает влияние на агрегатное состояние. Так, например, фракции кислых газов с содержанием сероводорода заметно легче сжижаются по сравнению, например, с фракциями кислых газов с содержанием диоксида углерода.
В том случае, когда проходящие через верхнюю часть кислые газы могут быть сконденсированы с помощью обычных охлаждающих сред, не подвергшийся конденсации газовый поток отводится обратно в абсорбционную колонну. Предпочтительно, чтобы регенерационная колонна эксплуатировалась при давлении, превышающем давление в абсорбционной колонне, в результате чего газовый поток может перемещаться лишь вследствие перепада давления. Если же уровень давления не достаточен, то необходимое повышение этого давления достигается с помощью компрессора.
Особенно эффективным оказалось возвращение в абсорбционную колонну несконденсированных газов головных продуктов отпарной колонны высокого давления и регенерационной колонны высокого давления с помощью общего компрессора. Этим экономятся капитальные и эксплуатационные затраты.
Регенерированный абсорбент отводится из нижней части регенерационной колонны высокого давления и подается обратно в абсорбционную колонну. Если в кислом газе присутствует преимущественно диоксид углерода и сжижение с помощью имеющихся обычных хладагентов (охлаждающего воздуха, охлаждающей воды) не достигается, то выводимые из конденсатора пары кислых газов доводятся до требуемого при хранении давления с помощью компрессора.
Абсорбент, полностью очищенный от кислых газов, выводится из нижней части регенерационной колонны высокого давления. Отводимый из регенерационной колонны высокого давления абсорбент имеет температуру, превышающую температуру в нижней части отпарной колонны высокого давления. В энергетическом отношении оказалось оптимальным, чтобы регенерированный абсорбент, отводимый из нижней части регенерационной колонны высокого давления, отдавал часть своего тепла кипятильнику отпарной колонны высокого давления. Дополнительно отдача тепла холодному, выходящему из абсорбционной колонны абсорбенту может обеспечиваться с помощью теплообменника.
При необходимости абсорбент может дополнительно охлаждаться с помощью холодильной установки. Регенерированный и охлажденный абсорбент отводится обратно в верхнюю часть абсорбционной колонны с помощью насоса.
Другие признаки и преимущества изобретения следуют из описания примера выполнения со ссылкой на чертеж, а также из самого чертежа. На чертеже показана схема оборудования для осуществления способа согласно изобретению.
Сырьевой газ 1 перед подачей в абсорбционную колонну 40 предварительно охлаждается в газовом теплообменнике 41 поступающим из верхней части абсорбционной колонны 40 полученным газом 3, при этом присутствующие в газе кислые газовые компоненты удаляются в колонне в противотоке регенерированным абсорбентом 16, подаваемым в верхнюю часть абсорбционной колонны 40.
Очищенный полученный газ отводится из верхней части абсорбционной колонны 40. Насыщенный кислыми газами абсорбент 5, отводимый из нижней части абсорбционной колонны 40, подогревается в теплообменнике 42 в противотоке горячим регенерированным абсорбентом 13 и направляется в верхнюю часть отпарной колонны 43 высокого давления. Содержащиеся в потоке 5 абсорбента кислые газы отделяются в отпарной колонне 43 высокого давления от соабсорбированных в абсорбционной колонне 40, пригодных для использования газов, при этом пригодные для использования газы выпускаются из отпарной колонны 43 высокого давления через верхнюю часть, а кислые газы выходят из нижней части отпарной колонны 43 высокого давления вместе с абсорбентом. Отпарная колонна 43 высокого давления представляет собой дистилляционную колонну высокого давления особой конструкции. В нижней части отпарной колонны 43 высокого давления с помощью кипятильника 44 производится экстракционный пар 8. Путем соответствующей регулировки количества экстракционного пара 8 и соответствующего количества массообменных элементов 57 в нижней части отпарной колонны 43 высокого давления минимизируется доля пригодных для использования газов в потоке 7, выходящем из нижней части отпарной колонны из высокого давления. Одновременно с помощью расположенных в верхней части отпарной колонны 43 высокого давления массообменных элементов 56 и путем соответствующей регулировки флегмы 24 с помощью конденсатора 45 обеспечивается положение, при котором присутствующий в отпарной колонне 43 высокого давления парообразный абсорбент удаляется из газового потока в массообменных элементах 56 и почти полностью выводится из нижней части отпарной колонны 43 высокого давления. Отводимый из верхней части отпарной колонны 43 высокого давления поток 17 содержит пригодные для использования газы и остатки кислых газов. Поток 17 охлаждается в конденсаторе 45, при этом часть в виде флегмы снова подается в верхнюю часть отпарной колонны 43 высокого давления. Выходящий из конденсатора 45 поток 18 вместе с потоком 20, образованным при регенерации абсорбента, с помощью компрессора 51 направляется в абсорбционную колонну 40 после охлаждения в холодильнике 52.
Поток 7, выходящий из нижней части отпарной колонны 43 высокого давления, направляется насосом 46 в регенерационную колонну 47 высокого давления, в которой отделяются все еще присутствующие в абсорбенте кислые газы. В нижней части регенерационной колонны 47 высокого давления с помощью кипятильника 48 путем испарения части абсорбента производят экстракционный пар 11, причем с помощью экстракционного пара 11 кислые газы отделяются от абсорбента. Кипятильник 48 приводится в действие с помощью среды-теплоносителя 29. Посредством регулировки количества экстракционного пара 11 и благодаря соответствующему количеству массообменных элементов 58 в нижней части регенерационной колонны 47 высокого давления достигается почти полное отделение кислых газов от абсорбента. Благодаря расположенным в верхней части регенерационной колонны 47 высокого давления массообменным элементам 59 и регулировке достаточно большого, отводимого обратно количества сконденсированного в конденсаторе 49 головного продукта 25 обеспечивается почти полное отделение содержащегося в парах колонны абсорбента от кислых газов. Жидкий продукт 26 из кислых газов, образующийся в верхней части регенерационной колонны 47 высокого давления, отводится через сливное отверстие конденсатора. После повышения давления с помощью насоса 50 жидкая фракция 26 из кислых газов является готовой для нагнетания в предусмотренное для этого хранилище. Несконденсированный газовый поток 20 отводится обратно с помощью компрессора 51 в абсорбционную колонну 40. В нижней части регенерационной колонны 47 высокого давления образуется поток 10 почти чистого абсорбента, отдающего часть своего тепла кипятильнику 44 и теплообменникам 53, 42. После повышения давления с помощью насоса 54 проводится охлаждение посредством холодильника 55, в котором тепло отдается хладагенту. Затем абсорбент отводится обратно в верхнюю часть абсорбционной колонны 40.