Результат интеллектуальной деятельности: Циклонный адсорбер для очистки природного газа

Изобретение относится к технике очистки газов и может быть использовано для очистки природных газов от вредных примесей, а именно газообразных соединений серы (сероводорода и пр.).

Известен циклон, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, внутри которого соосно помещена центральная труба, снабженный тангенциальным патрубком входа газа и патрубком слива конденсата в коническом днище [Патент РФ №2656771, МПК F17D 1/04, B04C 5/10, 2018].

Основным недостатком известного циклона является невозможность в нем очистки природного газа от сернистых соединений и диоксида углерода, что снижает его экологическую эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является циклонный адсорбер, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, внутри цилиндрического корпуса помещена перфорированная кольцевая цилиндрическая корзина, заполненная гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх которой тангенциально пропущен входной патрубок, соединенный с соединительным газопроводом, над вышеупомянутой корзиной расположен, кольцевой, перфорированный снизу, промывочный коллектор соединенный со штуцером промывочной воды центральная труба соединена с газопроводом очищенного газа, а сливной штуцер соединен с емкостью отработанной промывочной воды [В.С. Ежов, д. т. н., Н.Е. Семичева, Г.Г. Щедрина, к. т. н. Технология комплексной очистки природного газа перед подачей потребителю. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. No 9].

Основными недостатками известного циклонного адсорбера являются недостаточное использование адсорбционной емкости адсорбента–гранулированного доменного шлака, обусловленное образованием застойных зон у стенки корпуса и неполная регенерация адсорбента, обусловленная наличием непромытых зон гранулированного шлака, в которые промывочная вода поступает в недостаточном количестве, что снижает экономическую и экологическую эффективность циклонного адсорбера.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экономической и экологической эффективности циклонного адсорбера для очистки природного газа.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый циклонный адсорбер для очистки природного газа содержит цилиндрический корпус, внутри которого соосно помещена вертикальная центральная труба, сверху-вниз расположены горизонтальная кольцевая перегородка с диаметром центрального отверстия большим диаметра центральной трубы, полость между которой и крышкой корпуса образует кольцевой коллектор промывочной воды, центральное отверстие которого соединено с верхней кромкой перфорированной трубы оросительной рубашки, образующей между собой и центральной трубой кольцевую щель с зазором равным Δ₁, заглушенную снизу кольцевой планкой, примыкающую к нижней стороне кольцевой перегородки, перфорированную сбоку, изнутри и снизу кольцевую цилиндрическую корзину с зазором между ней и корпусом, закрытым сверху кольцевой перегородкой, открытым снизу и равным Δ₂, причем кольцевая цилиндрическая корзина заполнена гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх корзины тангенциально пропущен входной патрубок, а кольцевой коллектор промывочной воды и коническое днище корпуса снабжены штуцером подачи промывочной воды и сливным штуцером.

Предлагаемый циклонный адсорбер для очистки природного газа (ЦАОПГ) изображен на фиг. 1 – 4 (фиг. 1 - общий вид ЦАОПГ, фиг. 2, 3 - разрезы, фиг. 4 - узел стыковки центральной трубы с оросительной рубашкой).

Циклонный адсорбер для очистки природного газа содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно помещена вертикальная центральная труба 2, сверху –вниз расположены горизонтальная кольцевая перегородка 3 с диаметром центрального отверстия 4 большим диаметра центральной трубы 2, полость между которой и крышкой корпуса 1 образует кольцевой коллектор промывочной воды 5, центральное отверстие 4 которого соединено с верхней кромкой перфорированной трубы оросительной рубашки 6, образующей между собой и центральной трубой 2 кольцевую щель 7 с зазором равным Δ₁, заглушенную снизу кольцевой планкой 8, примыкающую к нижней стороне кольцевой перегородки 3, перфорированную сбоку, изнутри и снизу кольцевую цилиндрическую корзину 9 с зазором 10 между ней и корпусом 1, закрытым сверху кольцевой перегородкой 3, открытым снизу и равным Δ₂, причем корзина 9 заполнена гранулами пемзы 11, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх которой тангенциально пропущен входной патрубок 12, а кольцевой коллектор промывочной воды 5 и коническое днище корпуса 1 снабжены штуцером подачи промывочной воды 13 и сливным штуцером 14.

В основу работы предлагаемого ЦАОПГ положен использование процесса адсорбции гранулированной шлаковой пемзой. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, MnO) c модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. - М.: Стройизд., 1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в природных газах (соединения серы, диоксид углерода и пр.) [Ежов В.С. и др. Использование гранулированных доменных шлаков для очистки газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха от вредных компонентов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. №6, 2019. - С. 44–48], а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В. Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II.-М.; Стройиздат, 1978, с. 391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов природных газов, широко доступны и дешевы.

ЦАОПГ предназначен для очистки природного газа от сернистых соединений. После предварительной очистки природного газа от конденсата, частиц кристаллогидратов углеводородов и механических примесей газ из патрубка 12 тангенциально поступает в кольцевую полость ЦАОПГ (вариант-батарея циклонных адсорберов), где происходит закручивание его потока и частицы газа за счет центробежных сил отбрасываются к стенкам перфорированной кольцевой корзины 9, проникают вовнутрь ее и контактируют с гранулами шлаковой пемзы 11, в порах которой происходит адсорбция молекул сероводорода, меркаптанов, оксидов серы, обладающих кислыми свойствами, которая осуществляется за счет основности шлака. Адсорбированные сернистые соединения, диоксид углерода, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 11 в результате капиллярной конденсации паров воды, которые находятся в газе, с образованием соответствующих кислот H₂SO₄ и H₂СO₃. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 11 оседают мелкодисперсные частицы. При этом, наличие кольцевого зазора 10 между стенкой корпуса 1 и наружной перфорированной стенкой корзины 9 обеспечивает прохождение потока газа через всю толщину загрузки шлака 11 и отсутствие застойных зон у стенки корпуса 1, что увеличивает рабочий объем адсорбента и таким образом интенсифицирует процесс адсорбции. Окончательно очищенный природный газ через центральную трубу 2 поступает в газопровод очищенного газа (на фиг. 1-4 не показан), откуда направляется потребителю.

При насыщении адсорбента (гранул шлаковой пемзы 11) его подвергают регенерации, которая заключается в промывке его промывочной водой из перфорированной трубы оросительной рубашки 6. При этом компоновка оросительной рубашки 6, расположенной в центре ЦАОПГ и наличие кольцевого зазора 10 между стенкой корпуса 1 и наружной перфорированной стенкой корзины 9 обеспечивает прохождение потока промывочной воды через всю толщину гранул шлака 11 и надежную промывку всего его объема. Полученная промывочная вода, насыщенная кислотными компонентами, через сливной штуцер 14 сбрасывается в емкость отработанной промывочной воды (на фиг. 1-4 не показана), откуда по мере накопления удаляется на очистку.

Диаметр отверстий перфорации цилиндрической корзины 9 принимают меньшим диметра гранул металлургического шлака 11, число отверстий и их диаметр перфорации оросительной рубашки 6 и ширину зазоров 7 и 10 находят, исходя из оптимального расхода промывочной воды, который определяют опытным путем

Таким образом, циклонный адсорбер для очистки природного газа обеспечивает надежную очистку газа от сернистых соединений, что снижает коррозионный износ газопроводов и газоиспользующего оборудования, регенерацию всего объема гранулированного шлака, повышая тем самым экономические и экологические характеристики природного газа, поставляемого потребителю.