Установка улавливания и рекуперации углеводородных паров
RECOVERY AND RECUPERATION INSTALLATION OF HYDROCARBON VAPOR

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в нефтедобывающей, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в системе распределения и транспорта нефти и нефтепродуктов, в частности в области хранения, перевалки, переработки нефти, нефтепродуктов и других углеводородных жидкостей.
Известна установка улавливания паров бензина (журнал Erdol Kohle Erdgas, 1990, №6, с. 215), содержащая резервуар, холодильный блок, абсорберы первой и второй ступени абсорбции с орошающими трубопроводами, соединяющими верхние части абсорберов с холодильным блоком, приемный газопровод, соединяющий паровую зону резервуара с нижней частью абсорбера первой ступени, насос, соединенный всасывающим патрубком с нижней зоной резервуара, а нагнетательным патрубком - с холодильным блоком и адсорбер.
Недостатками этой установки являются значительная потребляемая мощность, высокая металлоемкость и узкая область применения. Перекачиваемый нефтепродукт (в частности, бензин), поступающий в резервуар, используется в качестве абсорбента, который после предварительного охлаждения подают на абсорбцию продуктов его испарения в абсорберы. Абсорбент в своем составе содержит легкие углеводороды С2-С4 (от 8 до 12 об. %), наличие которых резко снижает эффективность процесса абсорбции. Это объясняется тем, что пары бензина, содержащиеся в паровоздушной смеси и подлежащие улавливанию, характеризуются высоким содержанием наиболее ценных компонентов С2-С5, одновременное присутствие которых в абсорбенте отрицательно сказывается на движущей силе абсорбции. Кроме того, данные углеводороды, находясь в составе абсорбента, играют роль ненужного "балласта". Вследствие этого для достижения необходимой степени извлечения паров бензина из паровоздушной смеси, поступающей из паровой зоны резервуара (например, при наливе бензина в резервуар), требуется увеличение удельного расхода абсорбента, что в свою очередь ведет к возрастанию затрат мощности на его охлаждение и перекачку. Кроме того, увеличение удельного расхода абсорбента сказывается и на металлоемкости установки. Для поддержания оптимального времени контакта фаз требуется увеличение диаметра абсорбера, что связано с дополнительным расходом металла на его изготовление. Узкая область применения, так как данную установку невозможно использовать в случае отсутствия на объекте абсорбента (например, при хранении, наливе и транспорте нефти, или углеводородных жидкостей, не допускающих смешение с уловленными парами с целью сохранения качества продукта).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Установка улавливания паров нефтепродуктов» (патент RU №2106903, МПК B01D 53/14, B01D 53/75, опубл. 20.03.1998), содержащая резервуар с приемным трубопроводом, холодильный блок, абсорберы первой и второй ступени абсорбции с орошающими трубопроводами, соединяющими верхние части абсорберов с холодильным блоком, приемный газопровод, соединяющий паровую зону резервуара с нижней частью абсорбера первой ступени, насос, установленный на линии между нижней зоной резервуара и холодильным блоком, и адсорбер, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена установленным после насоса стабилизатором абсорбента, патрубок отвода легких фракций которого соединен с нижней частью абсорбера первой ступени, а патрубок отвода жидкости с холодильным блоком, и трубной перемычкой, соединяющей орошающий трубопровод абсорбера первой ступени с приемным газопроводом, причем соотношение диаметров трубной перемычки и орошающего трубопровода абсорбера первой ступени берут равным 1:3.
Недостатком данного устройства являются повышенная потребляемая мощность, высокая металлоемкость и узкая область применения. Так как предварительно пары не очищают от паров воды, которые являются очень теплоемкими и требуют для охлаждения больших энергетических затрат. При этом отдельные абсорберы и отвод сжиженных охлажденных фракций различных легких углеводородов приводит к дополнительным затратам на охлаждение, также затраты на термоизоляцию и строительство отдельных абсорберов приводит к повышению металлоемкости всего устройства. Узкая область применения, так как данную установку невозможно использовать в случае отсутствия на объекте абсорбента (например, при хранении, наливе и транспорте нефти, или углеводородных жидкостей, не допускающих смешение с уловленными парами с целью сохранения качества продукта).
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение потребляемой мощности и металлоемкость устройства за счет предварительного обезвоживания углеводородных паров и соединения двух ступеней абсорбции в один корпус.
Техническая задача решается установкой улавливания и рекуперации углеводородных паров, содержащей резервуар с приемным трубопроводом, холодильный блок, абсорберы первой и второй ступени абсорбции с орошающими трубопроводами, соединяющими верхние части абсорберов с соответствующими патрубками из холодильного блока, приемный газопровод с газодувкой, соединяющий паровую зону резервуара с нижней частью абсорбера первой ступени, насос, подающий абсорбент в холодильный блок, выходной адсорбер.
Новым является то, что она снабжена емкостью охлажденного абсорбента, сообщенной с насосом, а приемный газопровод снабжен дополнительным теплообменником, оснащенным патрубком отвода конденсата воды, отбираемого из углеводородных паров, выходной адсорбер выполнен двухступенчатым с возможностью поочередной работы и продувки и сообщен после продувки через вакуумный насос с дополнительным теплообменником, при этом первая и вторая ступени абсорбции помещены друг над другом в один корпус, нижней частью сообщающийся с емкостью охлажденного абсорбента, причем первая - нижняя ступень, орошаемая абсорбентом температурой -5°С - -10°С, снабжена контактными насадками номинальным размером от 60 до 35 мм с суммарным объемом, составляющим 30-35 об. % от общего объема насадочной части, а вторая ступень, орошаемая абсорбентом температурой -20°С - -42°С, - контактными насадками номинальным размером от 24 до 12 мм, причем первая и вторая ступень выполнены с возможностью орошения охлажденным абсорбентом в пропорции 1:2.
Новым является также то, что емкость охлажденного абсорбента выполнена с возможностью накопления и использования в качестве абсорбента углеводородного конденсата уловленных углеводородных паров.
На чертеже изображена схема установки.
Установка улавливания и рекуперации углеводородных паров содержит резервуар 1 (мобильный или стационарный) с приемным трубопроводом 2, холодильный блок 3, абсорберы первой 4 и второй 5 ступени абсорбции с соответствующими орошающими трубопроводами 6 и 7, соединяющими соответствующие патрубки (теплообменники) 8 и 9 из холодильного блока 3. Приемный газопровод 10 с газодувкой 11, соединяющий паровую зону резервуара 1 с нижней частью абсорбера первой ступени 4, насос 12, подающий абсорбент в холодильный блок 3, выходной адсорбер 13. Установка снабжена емкостью охлажденного абсорбента 14, сообщенной с насосом 12, а приемный газопровод 10 снабжен дополнительным теплообменником 15, оснащенным патрубком 16 отвода конденсата воды, отбираемым из углеводородных паров. Выходной адсорбер 13 состоит из двух ступеней 17 и 18, выполненных с возможностью поочередной работы и продувки и сообщенных после продувки через вакуумный насос 19 с дополнительным теплообменником 15. Первая 4 и вторая 5 ступени абсорбции помещены друг над другом в один корпус 20, нижней частью сообщающийся с емкостью охлажденного абсорбента 14. Первая - нижняя ступень абсорбции 4, орошаемая абсорбентом из трубопровода 6 температурой -5°С - -10°С, состоит из контактных насадок 21 номинальным размером от 60 до 35 мм с суммарным объемом, составляющим 30-35 об. % от общего объема насадочной части 21 и 22. Вторая ступень абсорбции 5, орошаемая абсорбентом из трубопровода 7 температурой -20°С - -42°С, состоит из контактных насадок 22 номинальным размером от 24 до 1 мм, составляющим 65-70 об. % от общего объема насадочной части 21 и 22. Первая 4 и вторая 5 ступени выполнены с возможностью орошения из соответствующих трубопроводов 6 и 7 охлажденным абсорбентом в пропорции 1:2. При этом емкость охлажденного абсорбента 14 может быть выполнена с возможностью накопления и использования в качестве абсорбента углеводородного конденсата уловленных углеводородных паров. Отбор излишков углеводородного конденсата уловленных углеводородных паров из емкости охлажденного абсорбента 14 осуществляют по возвратному трубопроводу 23 насосом 24. Для регулировки подачи углеводородных паров из резервуара 1 и из адсорбера 13 используют соответствующие вентили 25 и 26.
Установка работает следующим образом.
Газовоздушная смесь (ГВС), скапливающаяся в верхней части резервуара 1 (например: нефтеперерабатывающей установки, наливных устройств автоцистерн, железнодорожных цистерн или танкеров), представляет собой смесь паров углеводородов (нефти и нефтепродуктов) с воздухом. Пары нефти и нефтепродуктов представляют собой смесь «легких» и «тяжелых» углеводородов («легкие» углеводороды С1-5 в количестве от 53 до 72 масс. % и «тяжелые» углеводороды С6-10 в количестве от 27 до 40 масс. %), следовательно, для обеспечения различных условий поглощения углеводородов используют первую 4 и вторую 5 ступени абсорбции. Для экономии энергии и уменьшения металлоемкости первую 4 и вторую 5 ступени абсорбции помещают в один вертикальный корпус 20. ГВС из резервуара 1, который заполняется нефтью или нефтепродуктами по приемному трубопроводу 2, поступает по приемному газопроводу 10 в нижнюю часть корпуса 20 (являющегося и нижней частью первой ступени 4 абсорбции) через дополнительный теплообменник 15. При этом в теплообменнике 15 ГВС предварительно охлаждается до температуры 0°С - +5°С при помощи холодильного блока 3. Содержащиеся в ГВС пары воды отделяются в виде конденсата и удаляются из нижней части теплообменника 15 по отводящему патрубку 16. Далее пары углеводородов проходят в корпус 20 снизу вверх последовательно через первую 4 и вторую 5 ступени абсорбции. Первая ступень 4 оснащена контактными насадками 21 номинальным размером от 60 до 35 мм и обеспечивает эффективность абсорбции (поглощения) «тяжелых» углеводородов, а вторая ступень 5 оснащена контактными насадками 22 номинальным размером от 24 до 12 мм и обеспечивает эффективность абсорбции (поглощения) «легких» углеводородов. В корпусе 20 ГВС в режиме противотока смешивается с охлажденным абсорбентом, в качестве которого используется нефтепродукт (дизельное топливо, керосин, бензин и т.п.). Абсорбент в корпус 20 подается из емкости 14 насосом 12 через теплообменники 8 и 9. В теплообменнике 8 абсорбент охлаждается до температуры -5°С - -10°С, в теплообменнике 9 - -20°С - -42°С при помощи холодильного блока 3 в зависимости от требований к степени улавливания углеводородов. Подача абсорбента на орошение первой 4 и второй 5 ступени выполнена раздельно в соотношении 1:2 по соответствующим орошающим трубопроводам 6 и 7. Соотношение 1:2 в подачах абсорбента из соответствующих трубопроводов 6 и 7 стала возможным благодаря тому, что более холодный абсорбент из трубопровода 7, проходя через вторую ступень 5 абсорбции, стекает в корпусе 20 в первую ступень 4 и охлаждает ее, и для поддержания оптимальной температуры хватает половины абсорбента, подающегося по трубопроводу 6, снижая тем самым потребляемую мощность установки, затрачиваемую на охлаждение абсорбента первой ступени 4. Исследованиями эмпирически установлено, что оптимальное количество контактных насадок 21 номинальным размером (поперечным сечением) от 60 до 35 мм на первой ступени 4 составило 30-35 об. %, а на второй ступени 5 - 65-70 об. % (номинальным размером от 24 до 12 мм) от общего объема насадочной части 21 и 22 корпуса 20. Уменьшение количества насадок 21 на первой ступени 4 менее 30 об. % снижает степень поглощения «тяжелых» углеводородов, увеличение количества насадок 22 на второй ступени 5 более 70 об. % не приводит к существенному повышению степени поглощения «легких» углеводородов. Также установлено, что раздельная подача абсорбента по соответствующим орошающими трубопроводами 6 и 7 на орошение первой 4 и второй 5 ступени, то есть подача на ступени абсорбции «свежего» абсорбента (без поглощенных углеводородов), положительно влияет на движущую силу абсорбции при поглощении «легких» углеводородов и увеличивает общую степень поглощения углеводородов в процессе абсорбции на 2-3 масс. % по сравнению с подачей на орошение всего объема абсорбента без разделения. Абсорбент с поглощенными углеводородами из нижней части корпуса 20 поступает в емкость охлажденного абсорбента 14, из которой по мере накопления откачивают насосом 24 по возвратному трубопроводу 23 в резервуар хранения (не показан). Неуловленные в стадии абсорбции пары углеводородов поступают в адсорбер 13 для окончательной очистки ГВС от углеводородов. Адсорбер 13 состоит из двух ступеней 17 и 18. Для работы первой ступени 17 и продувки (десорбции) второй ступени 18 выходного адсорбера 13 открыты вентили 27, а вентили 28 - закрыты. Для работы второй ступени 18 и продувки первой ступени 17 выходного адсорбера 13 открыты вентили 28, а вентили 27 - закрыты. Время переключения вентилей 27 и 28 определяется качеством очищенного газа, выходящего из адсорбера 13: при увеличении количества углеводорода в газе выше предельно допустимого, что говорит о насыщении углеводородами ступеней 17 или 18, вентили 27 и 28 переключаются. Очищенный воздух после адсорбера 13 через свечу рассеивания 29 выбрасывают в атмосферу. С помощью вакуумного насоса 19 десорбированные пары углеводородов направляют в приемный газопровод на вход дополнительного теплообменника 15 и далее в корпус 20 на повторную абсорбцию. Единый корпус 20 из-за отсутствия купола в первой ступени 4 и днища во второй ступени 5 имеет меньшую металлоемкость и требует меньшего материала для изоляции (не показан).
В случае отсутствия на установке абсорбента (например, при хранении, наливе и транспорте нефти, или углеводородных жидкостей, не допускающих смешение с уловленными парами с целью сохранения качества продукта), установка улавливания и рекуперации углеводородных паров может работать следующим образом. Предварительно емкость абсорбента 14 заполняют нефтепродуктом (дизельным топливом, бензином, керосином и т.п.) по трубопроводу 30 (например: из резервуара хранения, подводящего трубопровода, специального мобильного резервуара или т.п.), причем требуется только разовое заполнение. Затем при работе установки из паров в корпусе 20 образуется углеводородный конденсат, который скапливается в емкости абсорбента 14 и постепенно замещает первоначальный объем абсорбента. В дальнейшем, при работе установки, образующийся углеводородный конденсат используется в качестве абсорбента. По мере накопления уловленные пары углеводородов в виде углеводородного конденсата из емкости 14 откачивают насосом 24 по возвратному трубопроводу 23 в отдельный резервуар хранения. В остальном, работа установки аналогична описанию, предоставленному выше. Это все расширяет функциональные возможности предлагаемой установки, так как в рассмотренных в качестве аналогов установках такая возможность работы отсутствует.
Результаты, полученные при испытаниях известной и предлагаемой установки улавливания и рекуперации углеводородных паров, показали, что часть несконденсированных паров воды попадает на внутренние стенки и контактные устройства насадок 21 и 22 абсорберов первой 4 и второй 5 ступени, где постепенно тоже происходит льдообразование. Поэтому для поддержания работоспособности установки требуется периодический отогрев насадок 21 и 22 и корпуса 20. Энергетические затраты на отогрев абсорбционного аппарата, совмещающего обе ступени 4 и 5 абсорбции, ниже по сравнению с раздельными абсорберами первой и второй ступени. При этом за счет наличия дополнительного теплообменника 15, в котором содержащиеся в ГВС пары воды отделяются в виде конденсата и удаляются из нижней части теплообменника 15 по отводящему патрубку 16, что значительно (примерно в 2 раза), снижается периодичность отогрева насадок 21 и 22 и корпуса 20. Это все способствует снижению потребляемой энергии установки и увеличивает продолжительность бесперебойной работы.
Кроме того, раздельная подача абсорбента на орошение ступеней 4 и 5 из трубопроводов 6 и 7 увеличивает степень поглощения углеводородов в стадии абсорбции, что позволяет снизить нагрузку на ступени 17 и 18 адсорбера 13 (частота циклов адсорбции-десорбции уменьшается, то есть количество часов работы вакуумного насоса 19 также уменьшается). Снижение энергетических затрат на отогрев корпуса 20, насадок 21 и 22 и работу вакуумного насоса 19 приводит к суммарному уменьшению потребляемой мощности установки как минимум в 1,14 раза (определено испытаниями). Использование корпуса 20, совмещающего первую 4 и вторую 5 ступени, вместо двух отдельных абсорберов снижает металлоемкость установки как минимум в 1,10 раза (определено практическим путем) по сравнению с прототипом.
Установка улавливания и рекуперации углеводородных паров благодаря использованию вертикального единого корпуса, совмещающего первую и вторую ступени абсорбции, применению дополнительного теплообменника и осуществлению раздельной подачи абсорбента на орошение (при условии сохранения требуемой степени улавливания паров углеводородов) позволяет снизить металлоемкость установки и энергетические затраты на отогрев абсорберов и регенерацию адсорберов, что в итоге приводит к снижению потребляемой мощности установки. Использование в качестве абсорбента углеводородного конденсата уловленных углеводородных паров из емкости охлажденного абсорбента расширяет область применения установки (функциональные возможности) при условии отсутствия или недостаточного количества абсорбента на объектах.