СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНЕРТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
METHOD OF PRODUCING INERT GASEOUS MEDIUM

Изобретение относится к способам получения газовых смесей с уменьшенным содержанием кислорода, инертных по отношению к углеводородам и другим горючим веществам, и может быть использовано для создания инертной (взрывопожаробезопасной) атмосферы в замкнутых технологических объемах или помещениях в нефтегазовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности и народного хозяйства.
Известен способ и установка для производства инертных газов и кислорода посредством криогенной перегонки воздуха [Патент РФ №2319084, МПК F25J 3/04, опубл. 10.03.2008 г.], который осуществляют в системе колонн, содержащей по меньшей мере одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну, с получением потока, потока, богатого кислородом, потока обогащенного криптоном и ксеноном, и потока, богатого азотом (инертной газовой среды).
Недостатком способа является его высокая энергоемкость.
Известен способ получения и применения инертной технологической газовой среды [Патент РФ №2351386, МПК B01D 53/22, B01J 7/00, B01D 61/00, B01D 63/00, опубл. 10.04.2009 г.], который предусматривает подогрев сжатого предварительно охлажденного очищенного от конденсата, паров воды и масла воздуха и разделение его в камерах с полупроницаемыми мембранами. При этом обогащенную азотом газовую смесь (инертную газовую среду) получают в надмембранной полости и направляют потребителю или с низким давлением, или после сжатия.
Недостатком способа также является большой расход электроэнергии для сжатия воздуха, подаваемого на мембранное разделение, многократно возрастающий при необходимости снижения концентрации кислорода в получаемой инертной газовой среде.
Известен способ производства инертного газа (FR патент №2234795, опубл. 17.01.1975, МПК F01N 3/08, F01N 3/26, F01N 3/36), включающий смешение выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с горючим, с атмосферным воздухом, подаваемым вентилятором, и сжигание полученной смеси, после чего продукты сгорания охлаждают в паровом котле и подают в качестве инертной газовой среды для заполнения цистерн, танков и т.п. с целью создания в них пожаровзрывобезопасной атмосферы.
Недостатком известного способа является получение инертной газовой среды, содержащей пары воды и загрязненной продуктами неполного сгорания топлива, окислами серы и окислами азота (из-за высокой температуры сгорания горючего), а также ее низкое давление.
Наиболее близок по технической сущности и принят в качестве прототипа способ получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом и устройство для его воплощения [Патент РФ №2276619, МПК B01J 7/00, F01N 3/10, опубл. 20.05.2006], включающий связывание свободного кислорода в камере сгорания путем сжигания топлива в предварительно компримированном выхлопном газе (сырьевом газе) и дополнительное компримирование полученного инертного газа (инертной газовой среды) после его очистки путем фильтрования, охлаждения и сепарации.
Недостатком способа является получение сырьевого газа путем сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания, расходование топлива не только для связывания свободного кислорода, но и для получения выхлопного газа, а также получение инертной газовой среды, содержащей пары воды и загрязненной продуктами неполного сгорания топлива, окислами азота (из-за высокой температуры сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и в камере сгорания) и окислами серы.
Задача изобретения - получение осушенной инертной газовой среды, не загрязненной окислами азота, серы и продуктами неполного сгорания, упрощение способа, получение конденсата водяного пара.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа:
- получение осушенной инертной газовой среды, не загрязненной окислами азота, серы и продуктами неполного сгорания, за счет использования дымового газа, полученного при каталитическом сжигании бессернистого топлива, в качестве сырьевого газа, а также за счет связывания свободного кислорода в сырьевом газе каталитическим восстановлением бессернистым топливом с последующей осушкой полученной газовой смеси,
- упрощение способа за счет исключения применения двигателя внутреннего сгорания и использования дымового газа в качестве сырьевого газа,
- получение конденсата водяного пара путем смешения газа регенерации, получаемого при осушке инертной газовой среды, с сырьевым газом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем связывание свободного кислорода в предварительно компримированном сырьевом газе с использованием топлива, охлаждение и сепарацию полученной газовой смеси с получением инертной газовой среды, особенностью является то, что
в качестве сырьевого газа используют дымовой газ, полученный при каталитическом окислении бессернистого топлива воздухом в условиях, исключающих образование продуктов неполного сгорания и окислов азота,
связывание свободного кислорода в предварительно компримированном до давления потребления сырьевом газе осуществляют путем его каталитического восстановления бессернистым топливом,
при этом сырьевой газ смешивают с газом регенерации, нагревают газом восстановления до температуры каталитического восстановления, смешивают с топливом и подвергают каталитическому восстановлению свободного кислорода с получением газа восстановления, который разделяют на две части, при этом первую часть охлаждают смесью сырьевого газа и газа регенерации, а вторую часть охлаждают дросселированной циркулирующей частью газа сепарации,
после охлаждения обе части газа восстановления соединяют, смешивают с циркулирующей частью охлажденного конденсата водяного пара и сепарируют с получением газа сепарации и конденсата водяного пара, который охлаждают и разделяют на балансовую часть, которую выводят с установки, и циркулирующую часть, которую подают на смешение с газом восстановления, затем газ сепарации подвергают абсорбционной осушке с получением осушенного газа, который разделяют на балансовую часть, которую выводят в качестве инертной газовой среды, и циркулирующую часть, которую дросселируют до давления регенерации адсорбента, нагревают частью газа восстановления до температуры регенерации адсорбента и подают на регенерацию адсорбента, а полученный газ регенерации смешивают с сырьевым газом.
Топливо для каталитического восстановления свободного кислорода подают в количестве, обеспечивающем требуемую остаточную концентрацию кислорода в инертной газовой среде.
В качестве сырьевого может быть использован дымовой газ, полученный при пламенном сжигании топлива, или выхлопной газ, предварительно очищенный от продуктов неполного сгорания топлива, окислов азота и серы.
В заявляемом способе использование в качестве сырьевого газа дымового газа, полученного при каталитическом окислении бессернистого топлива воздухом при температуре и в условиях, исключающих образование продуктов неполного сгорания и окислов азота, или дымового газа, полученного при пламенном сжигании топлива, или выхлопного газа, предварительно очищенного от продуктов неполного сгорания топлива, окислов азота и серы, позволяет получить инертную газовую среду, пригодную для непосредственного использования при создании взрывопожаробезопасной атмосферы в технологических аппаратах, емкостях или помещениях.
Условиями, исключающими образование продуктов неполного сгорания и окислов азота при каталитическом окислении бессернистого топлива воздухом, являются проведение окисления при температуре не выше 900°С и при подаче воздуха, обеспечивающей соотношение кислород: топливо не менее стехиометрического.
Связывание свободного кислорода в предварительно компримированном до давления потребления сырьевом газе путем его каталитического восстановления бессернистым топливом позволяет получить инертную газовую среду с заданной остаточной концентрацией кислорода.
Смешение сырьевого газа и газа регенерации позволяет получить конденсат водяного пара при сепарации смеси газа восстановления с циркулирующей частью охлажденного конденсата водяного пара.
Осушка газа сепарации позволяет получить инертную газовую среду с заданной влажностью.
Температура каталитического восстановления зависит от вида топлива и выбранного катализатора и находится в интервале 200-900°C. Температура регенерации зависит от требований к влажности инертной газовой среды и вида выбранного адсорбента и составляет от 120 до 250°С.
Способ осуществляют следующим образом (см. чертеж).
Сырьевой газ (I), содержащий свободный кислород, смешивают с газом регенерации (II), сжимают до давления потребления, например, водокольцевым компрессором 1 с использованием конденсата водяного пара в качестве рабочей жидкости (на схеме не показано), нагревают в рекуперационном теплообменнике 2 до температуры каталитического восстановления, смешивают с бессернистым топливом (III) и подвергают каталитическому восстановлению в реакторе 3. Газ восстановления разделяют на две части, одну часть (IV) охлаждают смесью сырьевого газа и газа регенерации, а другую часть (V) охлаждают дросселированной циркулирующей частью газа сепарации (VI) в теплообменнике 4, после охлаждения обе части газа восстановления соединяют, смешивают с помощью эжектора 5 с циркулирующей частью охлажденного конденсата водяного пара (VII) и сепарируют в сепараторе 6 с получением газа сепарации (VIII) и конденсата водяного пара (IX), который охлаждают в теплообменнике 7 и разделяют на балансовую часть (X), которую выводят с установки, и циркулирующую часть (VII).
Газ сепарации (VIII) подвергают абсорбционной осушке в адсорбере 8, находящемся в режиме адсорбции, с получением осушенного газа (XI), который разделяют на балансовую часть (XII), которую выводят в качестве инертной газовой среды, и циркулирующую часть (VI), которую дросселируют до давления регенерации адсорбента с помощью устройства 9 (условно показан дроссельный вентиль), нагревают в рекуперационном теплообменнике 2 частью газа восстановления до температуры регенерации адсорбента, подают в адсорбер 10, находящийся в режиме регенерации, полученный газ регенерации (II) смешивают с сырьевым газом (I).
После окончания регенерации адсорбента адсорбер 10 охлаждают и переводят в режим ожидания и далее после насыщения абсорбента в адсорбере 6 переводят в режим адсорбции, при этом адсорбер 8 переводят в режим регенерации.
Если температура смеси сырьевого газа с газом регенерации равна или превышает температуру каталитического восстановления, то ее подают в каталитический реактор по байпасу (показано пунктиром), минуя рекуперационный теплообменник 2.
Работоспособность предлагаемого способа иллюстрируется следующим примером.
3
3
-1
3
3
3
3
3
4000 нм/час дымового газа состава, % об.: азот 73,3%, углекислый газ 10,8%, кислород 1,5%, вода 14,4%, смешивают с 400 нм/час газа регенерации с температурой 130-150°C и сжимают водокольцевым компрессором до 0,15 МПа, затем нагревают в рекуперационном теплообменнике до 450°C, смешивают со стехиометрическим количеством пропана и подают в каталитический реактор, заполненный марганецсодержащим катализатором с объемной скоростью 3600 ч. Газ восстановления охлаждают, нагревая смесь дымового газа и газа регенерации, а также часть газа сепарации, смешивают с 16 м/чac циркулирующего конденсата водяного пара с температурой 30°C и сепарируют с получением газа сепарации и 16,5 м/час конденсата водяного пара, 0,5 м/час балансовой части которого выводят в качестве продукта. Газ сепарации осушают от влаги с помощью композитного абсорбента с получением инертной газовой среды состава, % об.: азот 85,7%, углекислый газ 13,4%; кислород 0,47%, вода 0,038% (точка росы около минус 30°C), 350 нм/час которой направляют на нагрев и регенерацию адсорбента, а 3420 нм/час инертной газовой среды с давлением 0,12 МПа выводят в качестве продукта.
Таким образом, приведенный пример свидетельствует, что предлагаемый способ позволяет получить инертную газовую среду, непосредственно пригодную для создания инертной атмосферы в замкнутых технологических объемах или помещениях, например, при ремонте нефтегазового емкостного оборудования, исключить применение двигателя внутреннего сгорания, получить конденсат водяного пара.