Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и установка для его осуществления. Очистка газа от нефти


Реферат: "Очистка попутного нефтяного газа"

Выдержка из работы

Содержание

Введение

Цели и задачи очистки попутного нефтяного газа

Основные процессы очистки ПНГ

Технологические схемы установок очистки ПНГ

Литература

Введение

Попутный нефтяной газ — это смесь газов и различных веществ, которые выделяются из скважин в процессе добычи нефти. В отличие от природного газа попутный нефтяной газ содержит в своем составе кроме метана и этана большую долю пропанов, бутанов и паров более тяжелых углеводородов.

ПНГ подразделяются на растворенные в нефти и содержащиеся в газовых «шапках» газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Как и природный газ или нефть, ПНГ является ценным сырьем для химической и энергетической промышленности. Несмотря на высокую теплотворную способность, использование ПНГ в электрогенерации затруднительно, в связи с существенной нестабильностью состава и наличием высокого числа примесей, что приводит к существенным затратам на подготовку (очистку) газа.

В химической промышленности ПНГ используют для получения различных веществ. Например — для получения бутадиена, бутиленов и пропиленов. Эти соединения применяются в изготовлении каучуков и пластмасс. Кроме того, ПНГ востребован в цветной и черной металлургии, стекольной и цементной промышленности. Объемы выделяющегося газа впечатляют — с одной тонны нефти может быть получено до 800 м³ попутного нефтяного газа. Тем обиднее, что в настоящее время попутный нефтяной газ практически не используется, а основной метод его утилизации — сжигание в факелах, что неблагоприятно сказывается на состоянии атмосферы. Так в 2009 году по самым приблизительным подсчетам путем сжигания было утилизировано свыше шестидесяти процентов добываемого ПНГ, а это порядка 20 миллиардов кубометров.

Попутный нефтяной газ, выделяемый из нефти при ее сепарации на объектах добычи и подготовки, является одним из важнейших ресурсов углеводородного сырья. Значительный рост мирового потребления нефти и природного газа, наблюдаемый в последние десятилетия, наряду с истощением их запасов, требует максимально эффективного использования всех видов углеводородных ресурсов. В этой связи попутный нефтяной газ рассматривается как ценный источник энергии и сырьё химической промышленности.

В настоящее время по разным оценкам в мире ежегодно сжигается 100 150 млрд. м3 попутного газа, и Россия находится на первом месте по объёму сжигаемого на факелах ПНГ (20−35 млрд. м3/год). Помимо безвозвратных потерь ценнейшего сырья, сжигание попутного газа вызывает глобальное ухудшение экологической ситуации.

Цели и задачи очистки попутного нефтяного газа

Целью является наиболее оптимальная и перспективная утилизации попутного нефтяного газа т. е. использование его в качестве топлива для газопоршневых, газотурбинных электростанций и теплостанций для нужд добывающих предприятий и реализации сторонним потребителям, сбор и транспортировка нефтяного газа на химические минизаводы по производству моторных топлив, пластиковых труб, метанола и т. п.

Одной из наиболее серьезных проблем при утилизации попутного нефтяного газа является его очистка, от газоконденсата, нефти, капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических шламовых примесей. Использование газа содержащего капельную жидкость (нефть, влагу) практически не возможно на газотурбинных электро- и теплостанциях.

Ухудшение качества нефти разрабатываемых месторождений и пополнение запасов за счет недавно открытых и осваиваемых месторождений сернистых нефтей приводит к увеличению доли сероводородсодержащего попутного нефтяного газа. Попутный нефтяной газ, выделяемый из сернистых нефтей месторождений Урало-Поволжья и ряда других регионов России, характеризуется относительно невысокими объёмами его производства при сепарации нефти и высоким содержанием сероводорода. Часть промысловых объектов получают сернистый попутный газ низкого давления, что затрудняет его подготовку и использование. Все эти факторы препятствуют использованию этого ценнейшего углеводородного ресурса, и сероводородсодержащий ПНГ утилизируют сжиганием на факелах, нанося значительный экологический ущерб токсичными сернистыми выбросами. Транспортирование попутного газа до объекта переработки при отсутствии системы газопроводов не представляется возможным, и в таких случаях необходимо рассматривать вопрос использования газа в пределах нефтепромысла. При любом варианте использования сернистого ПНГ (как топлива, сырья переработки) необходимо предварительное удаление сероводорода.

Основные процессы очистки ПНГ

Попутный нефтяной газ, поступающий с каждой добытой тонной нефти в объемах от 10 до 1000 м³, во все времена и для всех нефтяных компаний был и остается большой помехой. Наиболее простым способом избавления от него стало сжигание в факелах. Однако экологические проблемы, возникающие от многочисленных горящих факелов, заставляют нефтедобывающие компании и страны принимать самые эффективные меры по его утилизации без больших затрат.

Основными применяемыми и разрабатываемыми технологиями очистки природного газа от сероводорода в настоящее время являются:

Ї хемосорбционные процессы, основанные на химическом взаимодействии

h3S и СО2 с активной частью абсорбента;

Ї процессы физической абсорбции, в которых извлечение кислых компонентов происходит за счет их растворимости в органических поглотителях;

Ї комбинированные процессы, использующие одновременно химические и физические поглотители;

Ї окислительные процессы, основанные на необратимом превращении поглощенного сероводорода в серу;

Ї адсорбционные процессы, основанные на извлечении компонентов газа твердыми поглотителями — адсорбентами.

Выбор процесса очистки природного газа от сернистых соединений зависит от многих факторов, основными из которых являются: состав и параметры сырьевого газа, требуемая степень очистки и область использования товарного газа, наличие и параметры энергоресурсов, отходы производства и др.

Анализ мировой практики, накопленной в области очистки природных газов, показывает, что основными процессами для обработки больших потоков газа являются абсорбционные с использованием химических и физических абсорбентов и их комбинации.

Окислительные и адсорбционные процессы применяют, как правило, для очистки небольших потоков газа, либо для тонкой очистки газа.

Хемосорбционная очистка газа

Основным преимуществом хемосорбционных процессов является высокая и надежная степень очистки газа от кислых компонентов при низкой абсорбции углеводородных компонентов сырьевого газа.

В качестве хемосорбентов применяют едкий натрий и калий, карбонаты щелочных металлов и наиболее широко — алканоламины.

Очистка газа растворами алканоламинов

Аминовые процессы применяют в промышленности, начиная с 1930-го года, когда впервые была разработана и запатентована в США схема аминовой установки с фенилгидразином в качестве абсорбента.

Процесс был усовершенствован применением в качестве поглотителя водных растворов алканоламинов. Алканоламины, являясь слабыми основаниями, вступают в реакцию с кислыми газами h3S и СО2, за счет чего происходит очистка газа. Образующиеся соли при нагревании насыщенного раствора легко разлагаются.

Наиболее известными этаноламинами, используемыми в процессах очистки газа от h3S и СО2 являются: моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин (ДЭА), триэтаноламин (ТЭА), дигликольамин (ДГА), диизопропаноламин (ДИПА), метилдиэтаноламин (МДЭА).

До настоящего времени в промышленности на установках по очистке кислых газов в качестве абсорбента, в основном, применяется моноэтаноламин (МЭА), а также диэтаноламин (ДЭА). Однако в последние годы наблюдается тенденция по замене МЭА на более эффективный абсорбент — метилдиэтаноламин (МДЭА).

На рис. 1 показана основная однопоточная схема абсорбционной очистки газа растворами этаноламинов. Поступающий на очистку газ проходит восходящим потоком через абсорбер навстречу потоку раствора. Насыщенный кислыми газами раствор с низа абсорбера подогревается в теплообменнике регенерированным раствором из десорбера и подается на верх десорбера.

Рис. 1. Схема абсорбционной очистки газа растворами этаноламинов

попутный нефтяной газ очистка

После частичного охлаждения в теплообменнике регенерированный раствор дополнительно охлаждается водой или воздухом и подается на верх абсорбера. Кислый газ из десорбера охлаждается для конденсации водяных паров.

Конденсат в виде флегмы непрерывно возвращается обратно в систему для поддержания заданной концентрации раствора амина.

Для улучшения технико-экономических показателей процесса за счёт, главным образом, сокращения эксплуатационных затрат служит модификация ДЭА-способа с использованием водного раствора смеси метилдиэтаноламина и ДЭА. Это позволяет в 1,5 — 2 раза снизить удельное орошение по сравнению с чистым раствором ДЭА.

Если не установлены жесткие требования по содержанию СО2, более целесообразно применять раствор МДЭА, имеющий ряд достоинств:

Ї возможность селективного извлечения h3S в присутствии СО2, следовательно, увеличение доли Н2S в кислом газе;

Ї у МДЭА более высокая термическая стабильность и меньшая коррозионная активность раствора по сравнению с ДЭА;

Ї МДЭА обладает меньшей реакционной способностью по отношению к CO2 и меньшей теплотой реакции с h3S и CO2, что позволяет снизить количество теплоты на регенерацию абсорбента; Ї не образует нерегенерируемых амидов (что является одной из причин вспенивания в абсорбере) при взаимодействии с карбоновыми кислотами, ингибиторами коррозии, следовательно, не происходит потери амина, не образуются твердые осадки на внутренних поверхностях теплообменников;

Ї МДЭА имеет низкое давление насыщенных паров, что уменьшает потери амина за счет летучести.

Применение щелочных способов очистки газа также целесообразно в промысловых условиях для очистки небольших количеств сырьевого газа и при небольшом содержании в газе h3S.

Промышленный процесс щелочной очистки природного газа имеет следующие преимущества:

Ї тонкая очистка газа от основных серосодержащих соединений;

Ї высокая избирательность к сероводороду в присутствии диоксида углерода;

Ї высокая реакционноспособность и химическая стойкость поглотителя;

Ї доступность и дешевизна поглотителя;

Ї низкие эксплуатационные затраты.

Технологические схемы установок очистки ПНГ

Рис. 1. Схема установки подготовки попутного газа методом низкотемпературной сепарации

Сырой газ под давлением поступает в газовый сепаратор ВС-1, где происходит отделение капельной жидкости, образовавшегося конденсата и механических примесей, которые направляются в дренажную емкость.

Газ, освобожденный от капельной жидкости, поступает в теплообменник «газ-газ» Т-1 для предварительного охлаждения газом, обратным потоком, поступающим с низкотемпературной сепарации.

Для предупреждения образования гидратов перед теплообменником в газ подается ингибитор гидратообразования (метанол, диэтиленгликоль). Далее газ клапаном РД-1 дросселируется, охлаждаясь при этом за счет эффекта Джоуля-Томсона. Охлажденный газ поступает на вторую ступень сепарации в газовый сепаратор с НС-1, где конденсат с насыщенным водой раствором ингибитора отделяется и направляется в разделитель Р-100. Осушенный газ подогревается в теплообменнике Т-1 сырым газом, поступающим на осушку, до температуры и направляется на коммерческий узел учета.

Смесь нестабильного конденсата с насыщенным водой раствором ингибитора поступает в разделитель Р-1, где конденсат отделяется и направляется на подготовку. Насыщенный водой раствор ингибитора подогревается в кожухотрубчатом теплообменнике Т-2 обратным током регенерированного ингибитора и поступает на установку регенерации БР-1. Установка регенерации состоит из ректификационной колонны, установленной непосредственно на кубе, в котором жидкость подогревается путем сжигания газа в жаровой трубе. Испаряемая вода конденсируется в аппарате воздушного охлаждения, отделяется в сборнике и сбрасывается в дренажную емкость.

Регенерированный ингибитор через теплообменник Т-2, где он охлаждается потоком насыщенного ингибитора, и через аппарат воздушного охлаждения AВO-1 направляется в расходную емкость блока подачи реагента БП-1. Затем насосами дозаторами блока подачи реагента возвращается на установку осушки.

Рис. 2. Технологическая схема установки подготовки попутного газа методом адсорбционной осушки

Перед поступлением в адсорберы из газа в сепараторе С-1 отделяются механические примеси и капельная жидкость. После сепаратора газ сверху вниз проходит через один из адсорберов. Осушенный газ отводится в коллектор сухого газа. Второй адсорбер в это время находится на стадии регенерации (нагрев, охлаждение или ожидание).

Газ регенерации отбирается из потока осушенного газа и компрессором ДК подается в печь подогрева П-1 и с температурой +180−200 °С подается снизу вверх через адсорбер, в котором производится десорбция воды и тяжелых углеводородов.

Литература

1. Блазнов А. Н. Распределение пузырьков по размерам в жидкостно-газовых струйных аппаратах с удлиненной камерой смешения // Электронный журнал «Исследовано в России», 2002. C. 663−670.

2. Галеев Р. Г. Повышение выработки трудноизвлекаемых запасов углеводородного сырья. М.: Недра, 1997. — 362 с.

3. Голдобин В. Попутный газ — добро или зло // Нефть России, N11, 2007.

4. Стренк Ф. Н. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. -384 c.

5. Хисамутдинов Н. И. Разработка нефтегазовых месторождений в поздней стадии. М.: ВНИИОЭНГ, 2004. — 252 с. __

Показать Свернуть

westud.ru

Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и установка для его осуществления

Изобретение предназначено для нефтяной, газовой и химической промышленности, относится, в частности, к установкам для очистки газов от сероводорода и может быть использовано при подготовке попутного нефтяного газа к потреблению. Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода включает смешивание газа с жидким поглотительным раствором - абсорбентом, содержащим в качестве химического реагента гидроксиды металлов I, II группы или их смеси, и последующую регенерацию отработанного раствора путем смешивания его с воздухом. В состав раствора абсорбента входит кобальт-фталоцианиновый катализатор окисления. Сероводород превращается в процессе очистки в нейтральные нетоксичные водорастворимые соли металлов I, II группы. Установка включает абсорбер и регенератор в виде насадочных или пустотелых аппаратов, которые являются вертикальными или горизонтальными, снабженные диспергатором, выполненным в виде U-образной перфорированной трубы, отверстия в которой направлены под углом 10-90° относительно оси трубы, сепараторы, насос для подачи абсорбента в абсорбер, емкость для приготовления и хранения абсорбента, компрессор для подачи воздуха в регенератор. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной, газовой и химической промышленности, в частности к установкам для очистки газов от сероводорода, и может быть использовано при подготовке попутного нефтяного газа к потреблению.

Известны способы удаления сероводорода из углеводородных газов на установках аминовой очистки с последующей утилизацией кислого газа, получаемого при термической регенерации водного раствора этаноламина, на установке Клауса с получением элементной «газовой» серы [Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник. Ч.1. М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 2002. С.517]. Однако использование аминовой очистки для попутного нефтяного газа осложняется из-за невысокого давления газа, наличия углеводородов С5 и выше, низкого соотношения сероводород/углекислый газ. Кроме того, аминовая очистка используется, как правило, на большие объемы газа - сотни тысяч м3/ч, что обусловлено достаточно высокими капитальными затратами на строительство такого комплекса газоочистки. Утилизация кислого газа аминовой очистки на установке Клауса требует больших капитальных и энергетических затрат, а получаемая сера не всегда используется и складируется на газоперерабатывающих предприятиях, нанося ущерб окружающей среде.

Из группы способов жидкофазной абсорбционной очистки газов в качестве аналога заявленному способу можно выделить установку для удаления сероводорода, описанную в патенте WO 0030738 [кл. B01D 53/14, 2000 г., 21 с.] и содержащую абсорбер и регенератор, выполненные в виде насадочных аппаратов, сепаратор, насос для подачи абсорбента в абсорбер. Одной из отличительных особенностей данного способа является использование в различных секциях одного абсорбера частично и полностью регенерированных потоков абсорбента, что сокращает циркуляцию абсорбента при сохранении эффективности очистки газа. При этом в качестве абсорбентов предлагается использовать алканоламины и их смеси для удаления углекислого газа, а также сероводорода. Однако данный способ не лишен всех вышеуказанных недостатков аминовой очистки, в том числе необходимости высокотемпературной (свыше 100°С) регенерации насыщенного абсорбента, и не приспособлен для глубокого удаления из углеводородных газов сероводорода.

Существуют и другие способы очистки газов от сероводорода, включающие физическую абсорбцию, адсорбцию на цеолитах и др. [Ганз С.Н. Очистка промышленных газов. Справочное пособие. X.: НПП МКП Домна. 2006. C.117]. Их недостатками являются невысокая степень очистки, ограничения по количеству сероводорода в сырье, сложность и энергоемкость регенерации, высокие капитальные затраты.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является применение для очистки газов от сероводорода абсорбента, включающего водный раствор хелатного соединения железа, органического амина и гидроокиси или карбоната щелочного металла; с целью снижения его коррозионной активности абсорбент дополнительно содержит фосфат натрия, или калия, или аммония [АС №1287346 от 31.05.1982 г. А.М.Фахриев, А.М.Мазгаров, Р.Н.Хафизов и др.].

Способ использования и технология очистки от сероводорода газа в указанном изобретении не раскрываются, однако они описаны в подобном изобретении [АС №1347231 от 22.11.1983 г. А.М.Фахриев, Р.Н.Хафизов, А.М.Мазгаров и др.]. Согласно данному изобретению абсорбент подобного состава используется для поглощения сероводорода из газа в термостатируемом при 25°С абсорбере. Способ очистки заключается в смешивании сероводородсодержащего газа с жидким поглотительным раствором, содержащим соединения трехвалентного железа, и последующей регенерации отработанного раствора путем продувки поглотительного раствора воздухом.

К недостаткам вышеуказанных способов и абсорбентов относятся сложный многокомпонентный состав поглотительного раствора, его высокая стоимость и сложность утилизации балансового количества отработанного раствора, содержащего токсичные органические и металлорганические соединения. Также недостатком указанного способа является необходимость отделения от поглотительного раствора и дальнейшей утилизации элементной серы, образуемой при регенерации поглотительного раствора.

Целью изобретения является упрощение технологического оформления и снижение капитальных затрат на очистку газа от сероводорода для его последующего применения в качестве топливного газа газопоршневых и газотурбинных установок для выработки электроэнергии и водяного пара, для печей установок подготовки нефти, котлов, а также для последующей сепарации и фракционирования.

Задача, решаемая изобретением, - очистка углеводородных, в том числе попутного нефтяного, газов от сероводорода химическим способом, позволяющим осуществлять процесс очистки в промысловых условиях дешевым и доступным поглотителем простого состава, без применения высоких температур и давления, без образования элементной серы в качестве побочного продукта.

Поставленная задача решается следующим образом.

Предлагается способ, который заключается в нейтрализации сероводорода путем смешивания газа с жидким поглотительным раствором - абсорбентом, содержащим в качестве химического реагента гидроксиды металлов I, II группы или их смеси, а в качестве катализатора окисления фталоцианиновый комплекс кобальта, и последующей регенерации отработанного раствора путем смешивания его с воздухом. В процессе очистки протекают следующие реакции (1-2):

Параллельно протекает более медленная реакция раствора с углекислым газом, входящим в состав ПНГ, по реакциям (3-4):

Сероводород реагирует с образовавшимся по реакции (3) карбонатом натрия по реакциям (5-6):

Таким образом, в процессе очистки в составе поглотительного щелочного раствора появляется вторичный реагент, который дополнительно очищает газ от сероводорода.

В регенераторе в присутствии фталоцианинового катализатора происходит окисление сульфида и гидросульфида натрия до сульфата и тиосульфата натрия по реакциям (7-8):

Таким образом, сероводород по предлагаемому изобретению превращается в процессе очистки в нейтральные нетоксичные соли натрия, при этом элементной серы в качестве побочного продукта не образуется. Балансовое количество отработанного абсорбента периодически выводится с установки для утилизации. Одним из вариантов утилизации является закачка отработанного раствора, содержащего нетоксичные нейтральные соли, в пласт для поддержания пластового давления. Срок службы раствора зависит от содержания сероводорода и углекислого газа в сырье.

Для реализации разработанного способа очистки по настоящему изобретению применяется установка, которая содержит абсорбер, регенератор, емкость приготовления абсорбента, сепараторы газа и отработанного воздуха, воздушный компрессор. Абсорбер и регенератор содержит диспергатор для ввода газа и воздуха соответственно.

Техническим результатом от использования изобретения является очистка попутного нефтяного газа от сероводорода при невысоком давлении и температуре на 99% и выше; отсутствие элементной серы в качестве побочного продукта. При этом простота конструкции установки, возможность многоцелевого использования оборудования значительно снижает капитальные затраты на ее строительство.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Попутный нефтяной газ (ПНГ) с содержанием в нем сероводорода 3,5 мас.% в количестве 100 м3/ч при температуре 15°С и избыточном давлении 0,15 МПа подают на установку очистки, включающую абсорбер и регенератор, выполненный в виде насадочного аппарата, сепараторы, насос для подачи абсорбента в абсорбер, схема которой представлена на фиг.1. Емкость Е-1 заполнена раствором абсорбента - водно-щелочным раствором кобальт-фталоцианинового катализатора, который готовится в емкости Е-2. Концентрация гидроксида натрия в растворе 10 мас.%, концентрация катализатора 0,001 мас.%. В емкости Е-1 происходит извлечение сероводорода из ПНГ с образованием сульфида и гидросульфида натрия. Очищенный от сероводорода ПНГ из емкости Е-1 направляется в сепаратор-каплеотбойник С-1 для освобождения от унесенных капель раствора и затем отводится с установки на дальнейшее использование. Содержание сероводорода в очищенном газе определяется хроматографическим анализом по ГОСТ 23781-87 и составляет 0,001 мас.%.

Насыщенный раствор абсорбента насосом Н-1 подается через статический смеситель М-1 в куб регенератора Р-1. В линию подачи раствора абсорбента дозирующим насосом НД-1 из емкости Е-3 подается небольшое количество раствора катализатора для поддержания его концентрации в абсорбенте. В куб регенератора Р-1 через распределительное устройство компрессором ВК-1 подается расчетное количество технологического воздуха.

В регенераторе Р-1 при температуре до 80°С и избыточном давлении до 0,5 МПа в присутствии фталоцианинового катализатора происходит окисление кислородом воздуха сульфида и гидросульфида натрия до сульфата и тиосульфата натрия. Регенерированный раствор абсорбента совместно с отработанным воздухом с верха регенератора Р-1 направляются в сепаратор С-2, в котором происходит разделение отработанного воздуха и регенерированного раствора. С верха сепаратора С-2 отработанный воздух поступает в трубу рассеивания или в печь на прокалку, а раствор абсорбента насосом Н-2 направляется в холодильник Х-2, где охлаждается до 30-50°С. Затем регенерированный абсорбент подается в Е-1 для очистки ПНГ, а балансовое количество периодически выводится для утилизации. Подпитка свежим поглотительным раствором осуществляется периодически из емкости Е-2 для поддержания pH раствора не ниже 14. Утилизация отработанного раствора, содержащего нетоксичные нейтральные соли, осуществляется смешением с подтоварной водой установки подготовки нефти и закачкой далее в пласт для поддержания пластового давления (в систему ППД).

Пример 2. Попутный нефтяной газ с содержанием в нем сероводорода 1,5 мас.% в количестве 1000 м3/ч при температуре 10°С и избыточном давлении 0,25 МПа подают на установку очистки, схема которой представлена на фиг.2.

ПНГ через распределительное устройство поступает в куб насадочного абсорбера А-1. Абсорбер частично заполнен раствором абсорбента, который готовится в емкости Е-1. Концентрация гидроксида натрия в растворе 10 мас.%, концентрация кобальт-фталоцианинового катализатора 0,001 мас.%. В А-1 сверху в режиме противотока подается необходимое количество абсорбента и происходит извлечение сероводорода из ПНГ с образованием сульфида и гидросульфида натрия. Очищенный от сероводорода ПНГ из абсорбера А-1 направляется в сепаратор-каплеотбойник С-1 для освобождения от унесенных капель раствора и затем отводится с установки на дальнейшее использование. Содержание сероводорода в очищенном газе определяется хроматографическим анализом по ГОСТ 23781-87 и составляет 0,001 мас.%. Регенерация насыщенного абсорбента осуществляется аналогично примеру 1.

Пример 3. Попутный нефтяной газ с содержанием в нем сероводорода 2,5 мас.% в количестве 150 м3/ч при температуре 20°С и избыточном давлении 0,15 МПа подают на установку очистки, в которой в качестве регенератора используют емкость приготовления абсорбента, снабженную диспергатором для смешения насыщенного абсорбента с воздухом. Схема установки представлена на фиг.3. Емкость Е-1 заполнена раствором абсорбента - водно-щелочным раствором кобальт-фталоцианинового катализатора, который готовится в емкости Е-2. Абсорбент представляет собой водный раствор смеси гидроксидов натрия (концентрация в растворе 9 мас.%) и гидроксида кальция (концентрация в растворе 2 мас.%), концентрация катализатора 0,01 мас.%. В емкости-абсорбере Е-1 происходит извлечение сероводорода из ПНГ, подаваемого через диспергатор, с образованием смеси сульфидов натрия и кальция. Очищенный от сероводорода ПНГ из Е-1 направляется в сепаратор-каплеотбойник С-1 для освобождения от унесенных капель раствора и затем отводится с установки на дальнейшее использование.

Содержание сероводорода в очищенном газе определяется хроматографическим анализом по ГОСТ 23781-87 и составляет 0,002 мас.%.

Насыщенный раствор абсорбента насосом Н-1 периодически подается через диспергатор в емкость Е-2, выполняющую роль горизонтального регенератора. Диспергатор в абсорбере и регенераторе выполнен в виде U-образной перфорированной трубы, отверстия в которой направлены под углом 45° относительно оси трубы. Подпитка насыщенного абсорбента катализатором перед его регенерацией осуществляется дозирующим насосом НД-1 из емкости Е-3. В Е-2 через распределительное устройство (диспергатор), аналогичное диспергатору в Е-1, компрессором ВК-1 подается расчетное количество технологического воздуха.

В регенераторе Е-2 при температуре до 70°С и избыточном давлении до 0,3 МПа в присутствии катализатора ИВКАЗ происходит окисление кислородом воздуха сульфида натрия до сульфата и тиосульфата натрия. Регенерированный раствор абсорбента совместно с отработанным воздухом направляются в сепаратор С-2, в котором происходит разделение отработанного воздуха и регенерированного раствора. С верха сепаратора С-2 отработанный воздух поступает в трубу рассеивания или в печь на прокалку, а раствор абсорбента насосом Н-1 направляется в холодильник Х-1, где охлаждается до 30÷50°С. Затем регенерированный абсорбент подается в Е-1 для очистки ПНГ, а балансовое количество, содержащее соли натрия и кальция, отводится с установки для утилизации. В данном примере циркуляционный насос Н-1 осуществляет одновременно функции перемешивания абсорбента для улучшения массообмена и поглощения сероводорода, отвод части абсорбента на охлаждение или нагрев в теплообменнике для обеспечения оптимального температурного режима очистки, а также отвод части насыщенного абсорбента на регенерацию.

Пример 4 (по прототипу). Абсорбент готовят путем растворения компонентов в дистиллированной воде или в паровом конденсате. В 800 мл воды при постоянном перемешивании растворяют 19,5 г хлорного железа (FeCl3·6Н2О), а затем 40 г динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б). При этом получают желто-оранжевый раствор хелатного соединения железа с трилоном Б. В полученный раствор при перемешивании вводят 40 г фосфата натрия (Na3PO4·12h3O), а затем добавляют 25 г диметиламинопропионитрила (ДМПН). После перемешивания в полученный раствор по каплям вводят 10%-ный водный раствор карбоната натрия (соды), регулируя pH раствора в пределах от 7 до 10. Затем объем раствора доводят до 1 л добавлением воды. Приготовленный абсорбент содержит 4 г/л железа в виде хелатного соединения, 25 г/л диметиламинопропионитрила, 10 г/л фосфат-аниона и остальное сода и вода. pH абсорбента равен 8,5.

Для проведения эксперимента по очистке газа от сероводорода в термостатированный абсорбер (Н=250 мм, D=40 мм) загружают 100 мл абсорбента и при 25°С и атмосферном давлении пропускают через абсорбер с объемной скоростью 150 час-1 модельную смесь газов, содержащую 2,5 мас.% сероводорода и азот. Содержание сероводорода в исходном газе и очищенном газе определяют методом потенциометрического титрования и газовой хроматографией. Далее насыщенный сероводородом абсорбент регенерируют при 40°С продувкой кислородом. Полученную элементарную серу отделяют от абсорбента фильтрованием. Содержание сероводорода в очищенном газе определяется хроматографическим анализом по ГОСТ 23781-87 и составляет 0,005 мас.%.

Приведенные примеры 1-3 подтверждают промышленную применимость заявленного способа и достижение степени очистки углеводородных газов от сероводорода более 99%. Результаты очистки по предлагаемому изобретению и по прототипу сопоставимы, при этом поглотительный многокомпонентный раствор по прототипу имеет сложный состав, высокую цену, его приготовление значительно сложнее процедуры приготовления раствора абсорбента по настоящему изобретению.

1. Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода путем химического взаимодействия с водным раствором абсорбента, содержащим гидроксиды металлов I, II группы или их смеси, и последующей окислительной регенерации насыщенного абсорбента кислородом воздуха, отличающийся тем, что в состав раствора абсорбента входит кобальт-фталоцианиновый катализатор окисления в количестве 0,0001-0,01 мас.% и при регенерации образуется водный раствор, содержащий смесь гидроксидов, сульфатов и тиосульфатов соответствующих металлов I, II группы.

2. Установка для очистки попутного газа от сероводорода, включающая абсорбер и регенератор, выполненные в виде насадочных или пустотелых аппаратов, сепараторы, насос для подачи абсорбента в абсорбер, причем в абсорбере обеспечивается противоточная схема движения «газ-абсорбент», отличающаяся тем, что она снабжена емкостью для приготовления и хранения абсорбента, компрессором для подачи воздуха в регенератор, при этом абсорбер и регенератор являются вертикальными или горизонтальными аппаратами, снабженными распределительным устройством в виде диспергатора для смешения соответственно попутного газа с абсорбентом при очистке и насыщенного абсорбента с воздухом при регенерации, причем в регенераторе обеспечивается прямоточная схема движения «воздух-абсорбент».

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что диспергатор в абсорбере и регенераторе выполнен в виде U-образной перфорированной трубы, отверстия в которой направлены под углом 10-90° относительно оси трубы.

4. Установка для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода, включающая абсорбер и регенератор, выполненные в виде насадочных или пустотелых аппаратов, сепараторы, насос для подачи абсорбента в абсорбер, причем в абсорбере обеспечивается противоточная схема движения «газ-абсорбент», отличающаяся тем, что в качестве регенератора используют емкость приготовления абсорбента, снабженную диспергатором для смешения насыщенного абсорбента с воздухом, при этом абсорбер снабжен распределительным устройством в виде диспергатора для смешения попутного газа с абсорбентом при очистке.

www.findpatent.ru

Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода

Изобретение относится к химической промышленности. Сероводород окисляют кислородом или воздухом при мольном соотношении кислород : сероводород, равном 0,5-5,0, в реакторе с неподвижным или кипящим слоем гетерогенного катализатора. Катализатор содержит 0,5-10 мас. % комплексного соединения формулы MgCl2·AlCl3·3Et2O на активном угле при температуре 130-200°С. Изобретение позволяет повысить выход серы. 2 пр.

 

Изобретение предназначено для использования в газоперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности и относится к процессам очистки попутного нефтяного и природного газов, содержащих сероводород, путем селективного окисления последнего в серу в присутствии катализатора.

В промышленности перерабатываемые газы довольно часто содержат 1-3 и более об.% h3S и до 40 об.% водяных паров.

Известен способ очистки отходящих газов ["Improved Claus sulphur recovery: Keeping abreast of the regulations". Sulphur, 1994, №231, p.35-59], включающий превращение всех серосодержащих соединений в сероводород на первой стадии и последующую переработку сероводорода на второй стадии согласно реакции:

Реакция (1) протекает в газовой фазе в присутствии твердого катализатора. Практическая реализация этой реакции с достижением высокого выхода серы затрудняется рядом причин. Можно ожидать снижения выхода серы за счет протекания на поверхности катализатора побочных реакций:

Пары воды, присутствующие в перерабатываемых газах, отрицательно влияют на выход серы, способствуя протеканию обратимой реакции Клауса и уменьшению выхода серы:

В условиях окисления сероводорода в серу на оксидных катализаторах возможно образование на их поверхности сульфидов металлов. Последние согласно литературным данным [Sakaeva N.S., Varnek V.A., Bukhtiyarova G.A., Anufrienko V.F., Sobolev E.A and Zolotovskii B.P. Mossbauer Spectroscopy Study of Alumina-supported Iron-containing Catalysts for Hydrogen Sulfide Oxidation // React. Kinet. Catal. Lett. - V.70. - 1. - 2000. - P. 169-176] катализируют реакцию образования SO2 (3), что ведет к снижению выхода серы.

Поверхностные ОН-группы, присутствующие в составе активного катализатора, согласно литературным данным [Berben Р.Н. Selective oxidation of hydrogen sulfide to sulfur on alumina supported catalysts (Selectieve oxidatie van waterstof sulfide naar zwaler over katalysatoren op basis van aluminium oxide). - Proefschrift. 12 feb., 1992, Nederlands. - 1992] также способствуют протеканию реакции Клауса (4).

Дополнительные трудности возникают при очистке попутных нефтяных газов, содержащих наряду с сероводородом значительное количество меркаптанов. Окисление последних приводит к образованию жидких диалкилдисульфидов, загрязняющих получаемую серу.

Проблема очистки газов от сероводорода путем селективного окисления его в серу сводится к созданию катализатора, способного селективно окислять сероводород до элементарной серы по реакции (1) и не способствовать протеканию побочных реакций (2-4). В частном случае очистки попутного нефтяного газа с высоким (доли % и выше) содержанием низших меркаптанов требуется дополнительно предварительное извлечение последних из газового потока путем селективного окисления.

Известен способ «BSR/Selectox» для очистки попутного нефтяного и природного газов, в котором газ, содержащий сероводород, взаимодействует с кислородом на катализаторе, содержащем в качестве активного компонента оксид и/или сульфид ванадия на нещелочном тугоплавком носителе [Пат. США 4311683, С01В 17/04, 1/1982]. Основным недостатком предлагаемого способа является необходимость уменьшения содержания водяных паров в газовом потоке после стадии гидрирования сернистых соединений до 5 об.% для достижения высокого выхода серы. На практике конденсация воды перед реактором окисления приводит к усложнению процесса (дополнительные процедуры охлаждения и нагрева газовой смеси) и создает проблемы коррозии оборудования - в конденсате растворяется h3S.

Известен также способ очистки попутного нефтяного и природного газов, включающий окисление сероводорода до достижения соотношения h3S:SO2 2:1 при повышенной температуре в присутствии 3-12 мас. % соединения переходного металла, например железа, на нещелочном огнеупорном носителе, предпочтительно в присутствии 0.02-0.9% металла из группы платины, затем реакционная масса проходит реактор каталитического восстановления для устранения избыточного кислорода и подвергается переработке в серу по методу Клауса. Выход серы на первой стадии составляет 37-40%, суммарный - около 93%. Недостатком способа является очень сложная технология, включающая три раздельные каталитические стадии, проводимые в разных условиях и в разных реакторах.

Другой катализатор, используемый для очистки попутного нефтяного и природного газов от сероводорода, содержит в качестве активных компонентов оксиды Fe и V, нанесенные на оксид алюминия с Syд>30 м2/г и Vпор=0,4-0,8 см3/г [Пат. США 4197277, С01В 17/04, 4/1980]. Однако оксид алюминия с такой величиной удельной поверхности все еще содержит некоторое количество фазы γ-Al2O3, которая является активной в реакции Клауса и, таким образом, служит причиной уменьшения выхода серы за счет протекания обратной реакции Клауса (4) и снижения эффективности процесса в целом.

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки газа путем окисления сероводорода кислородом в неподвижном или кипящем слое при температуре 150-330°С и мольном соотношении O2/h3S, равном 0,5-5,0, в присутствии катализатора, который в качестве активного компонента содержит соединения Fe и Cr в количестве не менее 0,1 мас. % на носителе, в качестве которого могут быть использованы оксиды металлов либо их смеси, характеризующемся Sуд<20 м2/г и объемом пор с радиусами от 5 до 500 А, составляющим не более 10% суммарного объема пор [Пат. США 5037629, С01В 17/04, 8/19].

Предлагаемое изобретение ставит задачей разработку способа очистки попутного нефтяного и природного газов, обеспечивающего стабильный выход серы до 95% на стадии окисления в интервале температур 130-200°С.

Указанный технический результат достигается способом очистки попутного нефтяного и природного газов путем прямого окисления содержащегося в газовых потоках сероводорода кислородом или воздухом в реакторе с неподвижным или кипящим слоем гетерогенного катализатора, содержащего комплексное соединение формулой MgCl2·AlCl3·3Et2O на твердом пористом носителе при температуре 130-200°С и мольном соотношении кислород : сероводород, равном 0,5-5,0. При этом используют катализатор, содержащий 0,5-10 мас. % комплексного соединения формулой MgCl2·AlCl3·3Et2O от общей массы твердого пористого носителя.

В качестве твердого пористого носителя могут быть использованы: активированные угли, силикагели и цеолиты различных марок, а также иные твердые пористые носители, применяемые для нанесения на их поверхность катализаторов.

Указанный способ позволяет обеспечить более высокий и стабильный выход серы на стадии окисления в интервале температур 130-200°С по сравнению с прототипом. Высокая каталитическая активность комплексного соединения формулой MgCl2·AlCl3·3Et2O в реакции окисления сероводорода кислородом в серу обеспечивает выход серы около 97% при 180-200°С (для прототипа 87-90%).

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примерами.

Пример 1

Получение серы путем прямого окисления сероводорода осуществляют на установке проточного типа с неподвижным слоем катализатора, состоящего из 5% масс. комплексного соединения формулой MgCl2·AlCl3·3Et2O на активном угле марки АР-В (изготовитель ОАО "Сорбент", г.Пермь) при следующих условиях: температура слоя катализатора 180°С, время контакта (н.у.) 0,5 с, концентрация сероводорода 1 об.%, концентрация кислорода 2 об.%, концентрация водяного пара 30 об.%. Необходимое количество кислорода обеспечивается дозированной подачей в поток атмосферного воздуха. Основа газового потока - метан. Объем катализатора - 9 мл, внутренний диаметр реактора - 12,5 мм. Выход серы составляет 96 мас. %, селективность превращения сероводорода в серу - 99%, степень конверсии h3S - 96%.

Пример 2

Процесс ведут, как в примере 1, но состав газовой смеси отвечает типичному составу попутного нефтяного газа: метан - 94%, пропан-бутановая фракция - 2%, сероводород - 2%, пары воды - 2%. Выход серы равен 97%, селективность превращения сероводорода в серу - 99%, степень конверсии сероводорода - 99%.

Заявленный способ получения серы путем прямого окисления сероводорода в присутствии селективного катализатора является промышленно применимым и позволяет обеспечить одноступенчатое, высокотехнологичное получение серы. При этом достигается высокая степень очистки газового потока от сероводорода. Процесс может быть использован для получения серы и очистки газовых потоков на предприятиях нефтехимической промышленности (для отходящих газов Клаус-процесса), в нефтедобывающей (для попутного газа) и газодобывающей (для природного газа) отраслях.

Способ очистки попутного нефтяного газа от сероводорода путем прямого окисления содержащегося в газовых потоках сероводорода кислородом или воздухом при мольном соотношении кислород : сероводород, равном 0,5-5,0, в реакторе с неподвижным или кипящим слоем гетерогенного катализатора, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий 0,5-10 мас. % комплексного соединения с формулой MgCl2·AlCl3·3Et2O на активном угле при температуре 130-200°С.

www.findpatent.ru

Способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений и устройство для его осуществления

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности. Исходный газ после очистки от влаги и твердых частиц в фильтре 1 сжимают в компрессоре 2, затем охлаждают в теплообменнике 3 и направляют на абсорбцию в аппарат 4. Сечение входного сопла аппарата 4 выполнено таким образом, чтобы обеспечить скорость газа в пределах 650-700 м/с и вакуум величиной 0,005-0,007 МПа (абс) для создания турбулентного режима и интенсификации процесса абсорбции. В сечении выходного из вакуумной полости сопла скорость газа поддерживается в пределах 180-250 м/с, при этом давление повышается до 1,5 МПа. Одновременно под действием перепада давления в вакуумную полость из электролизера 8 подают щелочную воду, предварительно пропущенную через магнитный аппарат 12 с индукцией 0,2-0,3 Тл. Образовавшуюся в аппарате 4 парогазовую смесь охлаждают в теплообменнике 5 циркулирующей водой и направляют на разделение в вихревой сепаратор 6. Очищенный газ направляют на дальнейшую переработку, а отделенную воду регенерируют в десорбере 14. Технический результат - повышение коэффициента массопередачи при контакте очищаемого газа и абсорбента, снижение массогабаритных размеров аппарата и уменьшение удельных затрат. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к способам и устройствам струйной очистки газов от кислых газов: сероводорода, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов.

Известен способ абсорбционной очистки природного и попутных нефтяных газов от сероводорода, диоксида углерода и других компонентов, включающий поглощение этих компонентов хемсорбентом в абсорбере с последующим их выделением из хемсорбента в десорбере методом нагрева и возвращения отрегенерированного хемсорбента после охлаждения в абсорбер для повторного использования (А.П.Клименко. Сжиженные углеводородные газы. - М.: Недра, 1974 г., стр.213, рис.118).

Устройство для осуществления вышеуказанного способа очистки газа содержит двухступенчатый насадочный или тарельчатый абсорбер для контакта очищаемого газа с хемсорбентом, десорбер для нагрева хемсорбента и удаления абсорбированных компонентов, насос для подачи хемсорбента в ступени абсорбера, теплообменники для охлаждения хемсорбента и утилизации тепла кубовой жидкости десорбера, подогреватель кубовой жидкости (А.П.Клименко. Сжиженные углеводородные газы. - М.: Недра. 1974 г., стр.213, рис.118).

Основной недостаток вышеуказанных способа и устройства - это сравнительно невысокий коэффициент массопередачи в абсорбере и недостаточно глубокое выделение сернистых соединений, диоксида углерода из очищаемого газа, что приводит к увеличению габаритов и металлоемкости абсорбера и десорбера, к большим затратам энергии на нагрев хемсорбента в процессе десорбции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ очистки отходящих газов электрических станций от диоксида углерода, включающий подачу в поток газа, параллельно потоку, щелочного раствора оборотной воды золоудаления с последующим отделением щелочного раствора с абсорбированным диоксидом углерода в сепараторе (Патент РФ №2250129, МПК B01D 53/14, 53/52, опубл. 20.11.2004 г.).

Известно также устройство для очистки отходящих газов тепловых электрических станций от диоксида углерода, содержащее трубу, в которой производят смешение отходящих газов с щелочным раствором воды, насос для подачи раствора в трубу, сепаратор для отделения абсорбента от газа (Патент РФ №2250129, МПК B01D 53/52, опубл. 20.11,2004 г.).

Основным недостатком вышеуказанных способа и устройства является недостаточная интенсивность массообмена между удаляемыми компонентами и абсорбентом и для достижения требуемой глубины очистки газа увеличивают время контакта газа с абсорбентом, снижают скорость газового потока для предотвращения уноса абсорбента с газом, что приводит к росту габаритов аппаратов, а также к росту затрат электроэнергии на повышение давления газа и обеспечение относительно высокого парциального давления удаляемых компонентов.

Решаемая задача - повышение коэффициента массопередачи при контакте очищаемого газа и абсорбента, снижение массогабаритных размеров аппарата и блока очистки газа и уменьшение удельных затрат абсорбентов и энергии на очистку газа.

Решение поставленной задачи заключается в том, что способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов, включающий контакт очищаемого газа с жидким абсорбентом и поглощение этим абсорбентом извлекаемых компонентов с последующей десорбцией поглощенных компонентов из абсорбента путем нагрева для повторного его использования, контакт очищаемого газа и абсорбента производят в вакуумной полости аппарата с трубками переменного сечения, в котором создают вакуум за счет преобразования потенциальной и внутренней энергии газа в кинетическую энергию в результате повышения скорости очищаемого газа на входе в эту полость, в пределах 650-700 м/с, для соответствия его отношению к скорости звука в этом газе М=1.5-1.65 и создания вакуума величиной 0.005-0.007, с последующим снижением скорости потока в этой полости и повышением давления до 1.0-1.5 МПа, а в качестве абсорбента используют воду, насыщенную ионами гидроксильной группы (ОН)- и свободного водорода Н+, которую получают в электролизере при добавлении в воду 1-2% хлорида натрия для повышения электропроводности и создания щелочной среды с рН выше 7, затем ее нагревают до температуры 80-90°С за счет утилизации тепла, омагничивают в магнитном поле магнитной индукцией 0.2-0.3 Тл для повышения поверхностной энергии, и подают в вакуумную полость со скоростью 30-40 м/с в количестве 35-40% от массы очищаемого газа, где переводят активированную воду в паровую фазу, увеличивая поверхность контакта газа и абсорбента на молекулярном уровне, затем во втором сопле на выходе из вакуумной полости обеспечивают скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с, генерируя ультразвуковые колебания для интенсификации смешения контактирующих фракций, охлаждают ее в теплообменнике и конденсируют в циркуляционном контуре, а в сепараторе отделяют жидкость от очищенного газа, который направляют или на следующую технологическую операцию, или на повторную доочистку, в зависимости от требований по глубине очистки, а отделенную жидкость нагревают, десорбируют поглощенные компоненты и горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

Устройство для очистки природного и попутного нефтяного газов, содержащее абсорбер, десорбер, насос, подогреватель абсорбента, насыщенного извлекаемыми компонентами; абсорбер выполнен в виде аппарата с каналами переменного сечения с промежуточной полостью для преобразования потенциальной энергии потока газа в кинетическую, кинетической энергии - в потенциальную с целью создания в промежуточной полости вакуума, дополнительно оснащено электролизером для насыщения воды с хлоридом натрия гидроксид-ионами и ионами водорода, магнитным аппаратом для омагничивания воды перед ее подачей в вакуумную полость аппарата, рекуперативным теплообменником для утилизации тепла сжатого газа и нагрева воды в циркуляционном контуре.

Проведенный анализ технического уровня позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства по очистке газа от сернистых соединений и диоксида углерода.

Устройство содержит фильтр 1 для очистки газа от влаги и твердых частиц перед подачей в компрессор 2, предназначенный для повышения давления газа, теплообменник 3 для охлаждения сжатого газа, аппарат 4 с входным и выходным соплами, между которыми размещена промежуточная полость большого объема, в которой производят смешение газа с парами активированного водяного абсорбента, теплообменник 5 для охлаждения газопаровой смеси и конденсации жидкости, вихревой сепаратор 6 для отделения жидкости от газа, бак 7 для десорбции из жидкости абсорбированных газов, бак 8 для сбора и активации абсорбента, при этом в баке 8 установлены электроды 9 (анод) и 10 (катод), которые подключены к выпрямителю тока 11, для насыщения воды гидроксид-ионами и ионами водорода, магнитный аппарат 12, установленный на линии подачи абсорбента в вакуумную полость аппарата, для повышения поверхностной энергии воды, насос 13 для циркуляции воды в замкнутом контуре, электронагреватель 14 для нагрева отделенной жидкости и десорбции поглощенных компонентов газа, свечу 15 для отвода десорбированных газов в атмосферу, арматуры 16 и 17 для регулирования потока газа, дюзу 18 для ограничения обратного потока газа, манометры 19 и 20 для контроля давлений газа на входе и газопаровой смеси на выходе из аппарата, мановакууметр 21 для контроля давления в вакуумной полости аппарата 4. Принцип работы устройства заключается в следующем. Исходный газ после очистки от влаги и твердых частиц в фильтре 1 сжимают в компрессоре 2 до давления, например, 0.4 МПа (абс) и после охлаждения в теплообменнике 3 направляют в аппарат 4, где сечение входного в вакуумную полость сопла выполнено таким образом, чтобы обеспечить скорость газа, в зависимости от плотности газа, в пределах 650-700 м/с для обеспечения отношения реальной скорости газа к скорости звука в газе, определяемом критерием Маха в пределах М=1.5-1.65, для создания вакуума величиной 0.005-0.007 МПа (абс) и турбулизации потока газа для интенсификации процесса смешения молекул газа с парами щелочной воды и повышения массопередачи, а в сечении выходного из вакуумной полости сопла обеспечивает скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с и повышение ее давления до 1.5 МПа для генерации ультразвуковых колебаний. Одновременно под действием перепада давления в вакуумную полость подают щелочную воду, которую получают предварительным нагревом в теплообменнике 3, при охлаждении сжатого газа до температуры 80-90°С, потом в баке 8 воду подвергают диссоциации в электролизере на водород (Н2 +) и гидроксид-ионы (ОН-), для чего в воду добавляют хлорид натрия (NaCl) в количестве 1-23% от массы воды для повышения ее электропроводности и получают слабый щелочной раствор с рН выше 7. Затем воду, содержащую гидроксид-ионы и ионы водорода, пропускают через постоянный магнитный аппарат с индукцией 0.2-0.3 Тл для повышения поверхностной энергии и вводят в вакуумную полость в количестве 35-40% от массы обрабатываемого газа при скорости 30-40 м/с. В вакуумной полости, где давление 0.005-0.007 МПа, вода с температурой 80-90°С испаряется и переходит в паровую фазу. Ввиду большой скорости газа на входе в вакуумную полость имеет место активная турбулизация газа, особенно в приграничном слое, поэтому в вакуумной полости происходит как молекулярная, так и турбулентная диффузия молекул газа. Пары воды взаимодействуют с молекулами газа, расстояние между которыми в вакуумной полости значительно больше, чем при высоком давлении, и пары воды, обладая повышенной электромагнитной напряженностью и энергией поверхностного слоя из-за наличия в нем гидроксид-ионов, вступают во взаимодействие с кислыми газами: сероводород, диоксид углерода, то есть имеет место реакция нейтрализации кислотных компонентов газа, которая проистекает более интенсивно, чем в процессе физического растворения этих компонентов в воде. Щелочная вода активно поглощает эти компоненты, т.к. их растворимость в воде значительно выше других компонентов газов: метана, этана и др. Образовавшуюся в вакуумной полости газопаровую смесь пропускают через выходное сопло аппарата 4, сечение которого обеспечивает скорость потока 180-250 м/с и создание противодавления в пределах 1.5-2.0 МПа, генерируют ультразвуковые колебания и интенсифицируют процесс смешения и поглощения парами воды кислых газов, затем газопаровую смесь охлаждают в теплообменнике 5 циркулирующей водой с помощью насоса 13, конденсируют пары воды с поглощенными компонентами и направляют в вихревой сепаратор 6, где отделяют воду от газа, последний направляют на следующий технологический процесс или возвращают на всасывание компрессора 2, в случае, когда полученное содержание кислых компонентов в газе выше требуемых значений. Отделенную воду из сепаратора направляют в бак 7, где нагревают ее ТЭН-ами 14 до температуры 90-95°С, при которой поглощенные компоненты десорбируют из воды, и через свечу 15 выбрасывают в атмосферу или же направляют на переработку, а горячую воду из бака 7 направляют в бак 8 для повторного использования.

Пример выполнения способа очистки природного и попутного нефтяного газа от сернистых соединений и диоксида углерода.

Попутный нефтяной газ, содержащий 5% сероводорода и меркаптанов, а также 3% диоксида углерода расходом 600 нм3/ч при исходной плотности 0.78 кг/м3, сжимают в компрессоре с давления 0.1 МПа до 0.4 МПа. Сжатый газ после компрессора при температуре 130-135°С подают в теплообменник 3, который охлаждают циркуляционной водой, при этом расход воды ограничивают таким образом, чтобы температура воды на выходе из теплообменника 3 составляла 90-95°С. Горячий газ подают в аппарат 4, при этом площадь сечения отверстия на входе в вакуумную полость рассчитана таким образом, чтобы обеспечить скорость газа равную 700 м/с. При этой скорости потока в вакуумной полости трубы образуют остаточное давление, равное 0.005-0.007 МПа, которое обеспечивает отношение к барометрическому давлению, под которым находится вода в баке, порядка 15-20. Под действием этого перепада давления воду в количестве 165 кг/ч, содержащую гидроксид-ионы и водород, пропускают через постоянный магнитный аппарат напряженностью 0.25 Тл и тангенциально подают в вакуумную полость через сопло со скоростью 40 м/с. В вакуумной полости пары испарившейся щелочной воды поглощают кислые газы: сероводород и диоксид углерода. Газопаровую смесь пропускают через выходное сопло аппарата 4 со скоростью 210 м/с и создают противодавление 1.2 МПа, при котором возникают ультразвуковые колебания, которые интенсифицируют процесс смешения и поглощения удаляемых кислых компонентов щелочной водой, направляют в теплообменник 5, где в результате охлаждения смеси пары абсорбента конденсируют и отделяют в вихревом сепараторе 6. Очищенный газ с остаточным содержанием сероводорода 0.05% и диоксида углерода 0.08%, которые существенно ниже исходной их концентрации при одноразовой обработке и может быть еще снижено при повторной обработке, направляют потребителю, а отделенную воду отводят в бак 7, где повышают температуру электронагревателями до температуры 95°С, при которой десорбируют поглощенные компоненты и сбрасывают их в атмосферу, или на факел на сжигание, или на рассеивание, а горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

Производительность насоса 13 для циркуляции охлаждающей воде в данном примере составляет 0.3 м3/ч при напоре 0.3 МПа, а расход активированной воды, подаваемой в вакуумную полость, составляет около 0,2 м3/ч.

Предлагаемое техническое решение позволяет производить абсорбционную очистку газов в струе потока без существенных затрат на электроэнергию при давлении исходного газа более 0.4 МПа, без специальных хемсорбентов, применение которых предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости материалов, позволяет значительно снизить металлоемкость и габариты установки.

Сравнение существенных признаков предложенного изобретения и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

1. Способ очистки природного и попутного нефтяного газов от сернистых соединений, диоксида углерода, меркаптанов, тяжелых углеводородов, включающий контакт очищаемого газа с жидким абсорбентом и поглощение этим абсорбентом извлекаемых компонентов с последующей десорбцией поглощенных компонентов из абсорбента путем нагрева для повторного его использования, отличающийся тем, что контакт очищаемого газа и абсорбента производят в вакуумной полости аппарата с трубками переменного сечения, в котором создают вакуум за счет преобразования потенциальной и внутренней энергии газа в кинетическую энергию в результате повышения скорости очищаемого газа на входе в эту полость, в пределах 650-700 м/с, для соответствия его отношению к скорости звука в этом газе М=1,5-1,65, и создания вакуума величиной 0,005-0,007 МПа (абс) и повышением давления до 1,0-1,5 МПа, а в качестве абсорбента используют воду, насыщенную ионами гидроксильной группы (ОН)- и свободного водорода Н+, которую получают в электролизере при добавлении в воду 1-2%-ного хлорида натрия, для повышения электропроводности и создания щелочной среды с рН выше 7, затем ее нагревают до температуры 80-90°С за счет утилизации тепла, омагничивают в магнитном поле с магнитной индукцией 0,2-0,3 Тл для повышения поверхностной энергии и подают в вакуумную полость со скоростью 30-40 м/с в количестве 35-40% от массы очищаемого газа, где переводят ее в паровую фазу, увеличивая поверхность контакта газа и абсорбента на молекулярном уровне, затем, во втором сопле на выходе из вакуумной полости обеспечивают скорость газопаровой смеси в пределах 180-250 м/с, генерируя ультразвуковые колебания для интенсификации смешения контактирующих компонентов, охлаждают ее в теплообменнике и конденсируют в циркуляционном контуре, а в сепараторе отделяют жидкость от очищенного газа, который направляют или на следующую технологическую операцию, или на повторную доочистку, в зависимости от требований по глубине очистки, а отделенную жидкость нагревают, десорбируют поглощенные компоненты, а горячую воду направляют в бак-электролизер для повторного использования.

2. Устройство для очистки природного и попутного нефтяного газов, содержащее абсорбер, десорбер, насос, подогреватель абсорбента, насыщенного извлекаемыми компонентами, отличающееся тем, что абсорбер выполнен в виде аппарата с каналами переменного сечения с промежуточной полостью для преобразования потенциальной энергии потока газа в кинетическую и создания вакуума величиной 0,005-0,007 МПа, а в последующем преобразования кинетической энергии газопаровой смеси в потенциальную энергию, при этом устройство дополнительно оснащено электролизером для диссоциации воды с хлоридом натрия на гидроксид-ионы и ионы водорода, магнитным аппаратом для омагничивания воды перед ее подачей в вакуумную полость аппарата, рекуперативным теплообменником для утилизации тепла сжатого газа и нагрева воды в циркуляционном контуре.

www.findpatent.ru


Смотрите также