Установка для очистки попутного нефтяного и природного газа от серосодержащих соединений

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к установкам для очистки газов от серосодержащих соединений, и может быть использовано при подготовке попутного нефтяного газа (далее ПНГ) и природного газа к потреблению.

Известна установка адсорбционной осушки, очистки и низкотемпературного разделения нефтяного газа (патент РФ №2498174, МПК F25J 3/00, B01D 53/02, опубл. 10.11.2013), содержащая последовательно включенные в технологическую схему блок адсорбционной осушки и очистки газа, снабженный адсорберами с цеолитом, блок низкотемпературной конденсации, снабженный устройством охлаждения газа, дополнительно содержащий холодильный блок, соединенный трубопроводом подачи и трубопроводом отвода хладагента с устройством охлаждения очищенного газа блока низкотемпературной конденсации, блок нагрева и охлаждения высокотемпературного теплоносителя, соединенный трубопроводами с блоком адсорбционной осушки и очистки газа; при этом адсорберы блока адсорбционной осушки и очистки газа скомпонованы, по меньшей мере, двумя модулями - первым и вторым, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два адсорбера, параллельно соединенных друг с другом трубопроводами подачи газа и отвода очищенного газа и последовательно соединенных друг с другом трубопроводами подачи газа регенерации и отвода насыщенного газа регенерации, при этом упомянутые модули параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи газа и отвода очищенного газа, также параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи газа регенерации и отвода насыщенного газа регенерации, также параллельно соединены друг с другом трубопроводами подачи и отвода высокотемпературного теплоносителя.

Недостатком установки является высокая энергоемкость процесса сероочистки и высокое содержание серы (выше 20 ppm) в очищенном газе.

Известна установка для очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов с высоким содержанием сероводорода (патент РФ №2197318, МПК B01D 53/52, опубл. 27.01.2003), содержащая абсорбер для промывки и очистки исходного газа раствором диоксида серы, печь для сжигания серы и сернистых газов и получения диоксида серы, колонну для смешения диоксида серы с растворителем, дополнительно оснащенная сепаратором для отделения элементарной серы от растворителя, по меньшей мере, тремя адсорберами с молекулярными ситами, рибойлером и рекуперативным теплообменником для глубокой очистки и осушки газа и регенерации адсорбента, при этом колонна для смешения диоксида серы с растворителем выполнена в виде скруббера с многослойными каталитическими насадками, орошаемыми водой, при этом абсорбер для промывки исходного газа также оснащен каталитическими насадками для интенсификации процесса хемсорбции (аналог).

Недостатком установки является высокая энергоемкость процесса сероочистки и высокое содержание серы (выше 20 ppm) в очищенном газе.

Известна установка очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов от сероводорода (патент РФ №2176266, МПК C10L 3/10, опубл. 27.11.2001), ближайшая по технической сущности к заявляемому устройству и принятая за прототип.

Установка согласно прототипу включает получение диоксида серы сжиганием серы и серосодержащих соединений в печи, его смешение с растворителем, промывку этим раствором исходного газа от сероводорода и получение элементарной серы и воды, выведение суспензии серы из абсорбера и отделение серы от растворителя, возвращение растворителя и части серы в технологический процесс очистки, при этом очистку газа производят в два этапа, вначале исходный газ предварительно очищают от сероводорода в абсорбере на каталитических насадках путем промывки раствором сернистой, серной кислот и диоксида серы, полученных при сжигании регенерационных газов, и очистки дымовых газов водой в скруббере с каталитическими насадками, на втором этапе проводят глубокую очистку и осушку газов на адсорбентах - молекулярных ситах, которые периодически регенерируют и охлаждают очищенным и осушенным газом, а регенерационные газы после адсорбера направляют на сжигание в печь.

Установка очистки и осушки согласно прототипу содержит фильтр для очистки газа от механических включений и жидкости, установленный перед входом газа в абсорбер, в котором производят предварительную очистку исходного газа от сероводорода, бак для отвода водяной суспензии серы из абсорбера, после которого по ходу газа установлены три адсорбера с адсорбентами - молекулярными ситами. Установка очистки также оснащена рекуперативным теплообменником для утилизации тепла регенерационных газов, ребойлером для нагрева газа, подаваемого на регенерацию адсорбента, водяным холодильником для охлаждения газа перед его подачей в сепаратор и отделения конденсата воды и тяжелых углеводородов. Регенерационный газ после сепаратора направляют в топку котла на сжигание. Образовавшиеся дымовые газы дымососом подают в скруббер, насадки которого орошаются водой из бака с помощью насоса. Образовавшийся слабый раствор сернистой и серной кислоты сливают в бак и оттуда насосом подают на орошение насадки абсорбера. Водяная суспензия серы разделяется в центробежном сепараторе, воду возвращают в бак, а серу - в отстойник.

Однако в известной установке происходит недостаточно полная очистка газа (выше 20 ppm по сере), что приводит к усилению агрессивного воздействия нежелательных примесей на узлы и детали устройств, в которых в дальнейшем используется очищенный газ. Из-за сложности способа устройство является громоздким и энергоемким. Сера из водяной суспензии забивается в узлах устройства, нарушая его работу. А в случае аварийной остановки при температуре окружающей среды ниже нуля по Цельсию вода замерзает и разрушает узлы устройства.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение степени очистки природного или попутного нефтяного газа, повышение эффективности подготовки конечного продукта перед его окончательным использованием или утилизацией.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении степени очистки природного или попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений до концентрации не более 5 ppm.

Технический результат достигается при использовании установки очистки и осушки попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений, состоящей из фильтра для очистки от механических примесей и сепаратора для отделения мелкодисперсной жидкости, установленными перед входом газа в адсорбер блока улавливания из попутного нефтяного газа тяжелых углеводородов и осушки ПНГ, состоящего из адсорберов, содержащих сорбенты и снабженные клапанами на входе и выходе ПНГ и работающие поочередно в режиме адсорбция-десорбция, теплообменника и блока утилизации серосодержащих соединений. При этом блок улавливания из попутного нефтяного газа тяжелых углеводородов и осушки ПНГ выполнен двухступенчатым, при этом первая ступень для очистки газа от тяжелых углеводородов состоит из двух параллельно соединенных адсорберов, работающих попеременно в режиме адсорбция-десорбция, и вторая ступень для осушки ПНГ также состоит из двух параллельно соединенных адсорберов, работающих попеременно в режиме адсорбция-десорбция, при этом устройство дополнительно содержит блок глубокой сероочистки, соединенный на входе со ступенью осушки, и состоит из не менее трех адсорберов, соединенных трубопроводами с клапанами, позволяющими работать как в режиме последовательно соединенными так и параллельно соединенными, при этом все адсорберы снабжены на выходе газоанализаторами.

Установка очистки ПНГ с содержанием сероводорода и меркаптанов содержит этапы, на которых:

ПНГ под давлением от 0,6 до 1 МПа подают в фильтр для очистки от механических примесей, мелкодисперсной и капельной жидкости;

далее газ поступает в адсорберы для улавливания из газовой смеси тяжелых углеводородов, например, активированным углем;

затем газ направляют в адсорбер цеолитной осушки, где вместе с влагой оседает и часть содержащих серу соединений;

осушенный газ подают в адсорбер сероочистки для полного удаления из газа серосодержащие соединения с помощью, например, твердого пористого регенерируемого сорбента, количество адсорберов не менее 3 в зависимости от производительности установки;

очищенный и осушенный ПНГ направляют для дальнейшего использования в хозяйственных нуждах либо на генераторные установки для получения электроэнергии;

тяжелые углеводороды из работающих попеременно адсорберов в процессе регенерации выделяются и направляются на сжигание для получения тепла;

серосодержащие соединения из работающих попеременно адсорберов глубокой сероочистки, выделяющиеся в процессе регенерации, направляются сначала в реактор получения элементарной серы, после чего остатки направляются для дожигания в факельную систему.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующей схемой.

Установка, принципиальная технологическая схема которой показана на фиг. 1, состоит из следующих элементов:

1 - фильтр для очистки от механических примесей, 2 - сепаратор для удаления мелкодисперсной и капельной жидкости.

Блок A для улавливания из ПНГ тяжелых углеводородов состоит: из 3, 3.1 - адсорберы, 4, 4.1 - клапана на входе в адсорберы, клапана 5 и 5.1 на выходе из адсорберов, 6 и 7 трубопроводы с клапанами для подачи теплоносителя, 6.1 и 7.1 - трубопроводы с клапанами для отвода теплоносителя.

Блок Б для цеолитной осушки ПНГ состоит: 8 и 9 - адсорберы, клапана на входе 10 и 10.1 для подачи предварительно очищенного ПНГ, 11 и 11.1 на выходе из адсорберов, 12 и 13 трубопроводы с клапанами для подачи газообразного теплоносителя, 12.1 и 13.1 трубопроводы с клапанами для отвода теплоносителя.

Блок В для глубокой сероочистки состоит: 14, 15, 16 - адсорберы, 17, 18, 19 - клапаны для подачи ПНГ после осушки из блока Б, 20 - газоанализаторы, установленные на выходе из адсорберов 14, 15, 16, трубопроводы с клапанами 21, 22, 23, соединяющими адсорберы блока В между собой для обеспечения последовательности работы адсорберов, 24, 25, 26 - клапана для вывода очищенного газа к потребителю, 27 и 27.1 - трубопроводы с клапанами для подачи и отвода теплоносителя, 28 - очищенный газ потребителю, 29, 30 - реакторы для утилизации серосодержащих соединений.

Установка работает следующим образом. Попутный нефтяной газ, загрязненный серосодержащими примесями, поступает по трубопроводу на вход в установку. Расход ПНГ регулируется автоматически, давление и температура контролируются. Для очистки от механических примесей ПНГ проходит через фильтр 1, степень загрязнения фильтра контролируется по перепаду давления на нем. Очищенный от механических примесей ПНГ из фильтра 1 поступает в сепаратор 2 для удаления капельной влаги и далее в блок А.

Очищенный от механических примесей и капельной влаги ПНГ поступает поочередно в адсорберы 3 и 3.1, работающие попеременно в режиме короткоцикловой адсорбции. Каждый аппарат загружен, например, активированным углем марки АР-В, позволяющим эффективно улавливать тяжелые углеводороды. Режим адсорбции-десорбции проводится строго по расчетному времени путем автоматического переключения соответствующих клапанов. При поступлении ПНГ вначале в адсорбер 3, работающий в режиме адсорбции тяжелых углеводородов, открыты клапана 4 и 5, и закрыты вентили 6 и 6.1.

По достижении степени насыщения сорбента углеводородами происходит автоматическое переключение адсорберов: адсорбер 3.1 переводится в режим адсорбции (открываются клапана на входе 4.1 и выходе ПНГ 5.1), адсорбер 3 переводится в режим десорбции.

В режиме десорбции предварительно открываются клапана на входе 6 или 7 и выходе 6.1 или 7.1 теплоносителя. Далее цикл повторяется.

В процессе адсорбции и десорбции давление и температура в адсорберах непрерывно контролируется.

Очищенный от тяжелых углеводородов ПНГ далее поступает в блок Б на стадию осушки в адсорберы 8 и 9, работающие попеременно. Каждый адсорбер загружен, например, цеолитом марки Na A, позволяющим достичь заданную точку росы осушенного газа.

По достижении степени насыщения адсорбента в адсорбере 8 влагой происходит автоматическое переключение: адсорбер 9 переводится в режим адсорбции (открываются клапана 10.1 и 11.1, и закрываются клапана 13 и 13.1), адсорбер 8 переводится в режим десорбции (закрываются клапана 10 и 11, и закрываются клапана 12 и 12.1).

Осушенный ПНГ со стадии осушки поступает в блок В на стадию улавливания серосодержащих соединений в адсорберы 14, 15, 16, работающие попеременно парами.

Каждый адсорбер загружен адсорбентом, позволяющим эффективно извлекать серосодержащие соединения из ПНГ.

ПНГ поступает вначале в адсорбер 14. При этом клапан на входе 17 и выходе ПНГ 21 открыты, клапана на входе 27 и выходе теплоносителя 27.1 в адсорбер 14, 15 закрыты, клапан 24 закрыт. Клапан 25 открыт, а клапан 22 закрыт. Идет процесс улавливания серосодержащих соединений из ПНГ на слое сорбента в аппарате 14. Далее из 14 ПНГ поступает в 15 для обеспечения более полной очистки. После 15 очищенный ПНГ отправляется потребителю 28. По достижении степени насыщения адсорбента в 14 серосодержащими соединениями (по показаниям газоанализатора 20 или промышленного хроматографа) происходит автоматическое переключение адсорберов: адсорбер 15 становится первым по ходу ПНГ (открываются клапана 18, 22, 26 на входе и выходе ПНГ, закрываются клапана 17, 21, 23, 25), адсорбер 16 переводится в режим адсорбции (при этом клапана 27 и 27.1 при адсорбере 16 закрыты). Адсорбер 14 переводится в режим десорбции (при этом клапана 27 и 27.1 при адсорбере 14 открыты). Далее по мере насыщения первого по ходу очистки газа адсорбера происходит попарное переключение адсорберов аналогично (14 и 15 - адсорбция, 16 - десорбция, 15, 16 - адсорбция, 14 - десорбция, 16 и 14 - адсорбция, 15 - десорбция).

В режиме десорбции открываются клапана 27 и 27.1 (данного адсорбера) на входе и выходе теплоносителя - идет процесс извлечения серосодержащих соединений из сорбента. Далее теплоноситель поступает на стадию утилизации серосодержащих соединений в реактор 29 или 30. По окончании процесса десорбции адсорбер переводится в режим адсорбции автоматически в порядке, указанном выше.

Серосодержащие соединения со стадии улавливания серосодержащих соединений в процессе регенерации поступают на стадию утилизации серосодержащих соединений, где смешиваются с воздухом и поступают в реакторы 29 и 30, работающие попеременно. Каждый реактор загружен катализатором, позволяющим эффективно окислять серосодержащие соединения до элементарной серы. По мере насыщения происходит автоматическое переключение на другой реактор.

Для определения содержания компонентов на входе и выходе из адсорберов и реакторов установлены автоматические газоанализаторы.

Заявляемая установка позволяет проводить всестороннюю многоступенчатую осушку и очистку газа, что позволяет максимально повысить эффективность подготовки конечного продукта перед его окончательной утилизацией. Все продукты выделения утилизируются, т.е. достигается безотходность и, как следствие, высокая экологичность заявленной установки.