Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА ОТ HS И CO

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, а именно к способам очистки от H₂S и СО₂ природных, попутных, нефтезаводских и других промышленных углеводородных газов под давлением с использованием в качестве абсорбента, активированного добавками, ускоряющими скорость абсорбции СО₂ водного раствора метилдиэтаноламина.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ очистки газа от H₂S и СО₂, включающий подачу в абсорбер очищаемого газа под давлением, абсорбцию кислых компонентов из очищаемого газа водным раствором активированного метилдиэтаноламина, выветривание насыщенного кислыми газами раствора активированного метилдиэтаноламина последовательно в две ступени, выветривание раствора на первой ступени при повышенном давлении, а выветривание раствора на второй ступени при низком давлении, деление вытекающего со второй ступени выветривания груборегенерированного раствора на две части с последующей подачей большей его части в середину абсорбера, а меньшей части - в десорбер для тонкой тепловой регенерации, и подачу вытекающего из десорбера тонкорегенерированного раствора на верх абсорбера (см. публикацию «МДЭА based solvents used at the Lack processing plant», Revue de L′Institut Francais du petrole, vol. 51, №5, Septembre-Octobre, 1996).

Основными недостатками известного способа являются:

- высокая общая циркуляция раствора активированного метилдиэтаноламина;

- повышенный расход активатора и метилдиэтаноламина на заполнение растворной системы;

- высокие потери активатора.

Следствием этих недостатков является высокий расход энергии на перекачку раствора активированного метилдиэтаноламина, высокие затраты на приобретение активатора, необходимость реконструкции абсорбера и системы циркуляции раствора.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, заключается в предотвращении попадания H₂S в зону абсорбции СО₂ и в более глубоком выветривании раствора активированного метилдиэтаноламина, снижении затрат энергии и расхода дорогостоящего активатора раствора метилдиэтаноламина.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе очистки углеводородного газа от H₂S и CO₂, включающем подачу в абсорбер очищаемого газа под давлением 5÷8 МПа, абсорбцию кислых компонентов из очищаемого газа водным раствором активированного метилдиэтаноламина, выветривание насыщенного кислыми газами раствора активированного метилдиэтаноламина последовательно в две ступени, выветривание раствора на первой ступени при повышенном давлении, а выветривание раствора на второй ступени при низком давлении, деление вытекающего со второй ступени выветривания груборегенерированного раствора на две части с последующей подачей большей его части в середину абсорбера, а меньшей части - в десорбер для тонкой тепловой регенерации, и подачу вытекающего из десорбера тонкорегенерированного раствора на верх абсорбера, вытекающий из первой ступени выветривания раствор подают в насос, где его давление повышают на 0,5÷1,0 МПа и направляют в рекуперативный теплообменник для нагрева вытекающим из десорбера тонкорегенерированным раствором до 100÷105°С перед второй ступенью выветривания, вытекающий из рекуперативного теплообменника тонкорегенерированный раствор охлаждают и делят на две части, меньшую часть которого смешивают с большей частью груборегенерированного раствора, вытекающего со второй ступени выветривания, и после охлаждения направляют в среднюю часть абсорбера, а большую часть подают на верх абсорбера, при этом количество подаваемой на смешение меньшей части тонкорегенерированного раствора регулируют по концентрации H₂S и/или CO₂ в очищенном газе.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где показана установка очистки газа от H₂S и CO₂, состоящая из трубопровода 1 подачи исходного газа на очистку от H₂S и CO₂, абсорбера 2, соединенного трубопроводом 3 с теплообменным аппаратом 14 для охлаждения груборегенерированного раствора активированного метилдиэтаноламина (МДЭА) и трубопроводом 4 с теплообменным аппаратом 13 для охлаждения тонкорегенерированного раствора МДЭА, трубопровода 18 вывода очищенного газа из верхней части абсорбера 2, трубопровода 28 подачи воды на верх абсорбера 2, трубопровода 5 вывода из абсорбера 2 насыщенного кислыми газами раствора активированного МДЭА, соединенного с расширительной турбиной 6, первого выветривателя 9 для выветривания насыщенного кислыми газами раствора активированного МДЭА, имеющего трубопровод 8 вывода выделенных из раствора активированного МДЭА углеводородов с частью кислых газов и соединенного через трубопровод 10, насос 11, рекуперативный теплообменник 12 и трубопровод 15 со вторым выветривателем 16 для выветривания большей части кислых газов из насыщенного кислыми газами раствора активированного МДЭА, насоса 31, установленного на трубопроводе 4, насоса 30, установленного на трубопроводе 20, а также десорбера 17 с испарителем 32 и насоса 27, соединенных с другими элементами установки посредством трубопроводов 21-26 и 29.

Способ очистки углеводородного газа от H₂S и CO₂ реализуется следующим образом.

Газ под давлением 5÷8 МПа подают на очистку от H₂S и CO₂ по трубопроводу 1 в абсорбер 2. В абсорбере 2 газ очищается от H₂S и CO₂ путем промывки водным раствором активированного МДЭА. Для уменьшения потерь абсорбента (активированного МДЭА) очищенный газ промывают водой, подаваемой на верх абсорбера 2 по трубопроводу 28. Очищенный газ выводят из верхней части абсорбера по трубопроводу 18, насыщенный кислыми газами раствор активированного метилдиэтаноламина выводят из нижней части абсорбера 2 по трубопроводу 5, соединенному с расширительной турбиной 6. В расширительной турбине 6 давление потока раствора, содержащего углеводороды, H₂S и CO₂ снижают до давления 1,8÷2,0 МПа и под этим давлением раствор подают по трубопроводу 7 в первый выветриватель 9. В первом выветривателе 9 проводят выветривание, т.е. из раствора активированного МДЭА выделяют основную часть углеводородов, которые по трубопроводу 8 выводят на использование или дальнейшую обработку. После первой ступени выветривания освобожденный от основной части углеводородов раствор активированного МДЭА по трубопроводу 10 под давлением 1,5÷2 МПа подают в первый насос 11, из которого раствор под давлением 2,0÷3,0 МПа направляют в рекуперативный теплообменник 12. Повышенное давление препятствует выделению газов в рекуперативном теплообменнике 12 при нагреве раствора активированного МДЭА. В рекуперативном теплообменнике 12 для повышения степени выветривания кислых компонентов раствор нагревают до температуры 100÷105°C, снижают давление до 0,2÷0,22 МПа и по трубопроводу 15 подают во второй выветриватель 16. Выделившиеся из раствора кислые газы из второго выветривателя 16 выводят по трубопроводу 19, соединенному с трубопроводом 29 вывода кислых газов из десорбера 17. Частично регенерированный раствор активированного МДЭА с температурой 70÷80°C направляют из нижней части второго выветривателя 16 по трубопроводу 20 во второй насос 30, где раствор дожимают до давления 0,7÷0,8 МПа и делят на две части: одну часть направляют в десорбер 17 по трубопроводу 22, а вторую часть по трубопроводу 21 подают в точку А на смешение с меньшей частью, примерно 25÷35% масс., тонкорегенерированного раствора активированного МДЭА, подаваемого в точку смешения по трубопроводу 25. Количество подаваемого на смешение тонкорегенерированного раствора регулируют по показаниям поточного хроматографа (на чертеже не показан), установленного на трубопроводе 18 очищенного газа с целью обеспечения требуемого остаточного содержания извлекаемого из газа компонента H₂S и/или CO₂. Раствор из точки смешения А подают в насос 27 и по трубопроводу 26 под давлением до 5 МПа направляют в теплообменный аппарат 14. После охлаждения раствора активированного МДЭА до 50÷60°C его по трубопроводу 3 подают в среднюю часть абсорбера 2. Тонкорегенерированный раствор из десорбера 17 с температурой 135°C и давлением 0,28 МПа по трубопроводу 23 подают в теплообменник 12, где его охлаждают в противотоке с груборегенерированным раствором. Далее тонкорегенерированный раствор по трубопроводу 24 направляют для охлаждения до 95°C в теплообменный аппарат 13, насос 31 и далее по трубопроводу 4 подают на верх абсорбера 2.

В предложенном изобретении часть тонкорегенерированного раствора активированного МДЭА подают в среднюю часть абсорбера. Положительный результат такого решения объясняется кинетикой взаимодействия CO₂ и H₂S с МДЭА и активатором (например, пиперазин). Реакция H₂S с МДЭА и пиперазином протекает с мгновенной скоростью, поэтому основная масса H₂S извлекается из очищаемого сырья в нижней части абсорбера. Реакция CO₂ с МДЭА протекает с медленной скоростью, поэтому получить тонкую очистку газа от CO₂ с использованием в качестве абсорбента раствора МДЭА в существующем абсорбере невозможно. Для глубокого извлечения CO₂ в этом случае реакцию CO₂ с МДЭА ускоряют путем добавки в раствор МДЭА активатора, например пиперазина, который образует с CO₂ промежуточное соединение, вступающее в быструю реакцию с МДЭА. При этом образуется карбонат МДЭА и высвобождается свободный пиперазин. Таким образом пиперазин действует как катализатор реакции CO₂ с МДЭА. Для поддержания концентрации активатора и его потерь на низком уровне содержание H₂S в поступающем в верхнюю часть абсорбера газе должно быть пренебрежимо мало. Поэтому H₂S должен быть извлечен из сырья как можно более полно до входа в верхнюю зону. В выветренном во второй ступени груборегенерированном растворе весь или большая часть активатора необратимо связана с H₂S. Поэтому подача большего количества груборегенерированного раствора в среднюю часть абсорбера не приводит к существенному увеличению извлечения CO₂ из газа, но благоприятно сказывается на увеличении извлечения H₂S.

Пример реализации предлагаемого способа.

В абсорбционной колонне углеводородный газ очищается от H₂S и CO₂ под давлением 6,4 МПа путем промывки водным раствором активированного МДЭА.

Состав раствора: МДЭА - 4,2 кмоль/м³ и активатор.

Состав очищаемого газа, % мольн.: H₂S - 21,3; CO₂ - 14,6; СН₄ - 59,0; С₂-С₅ - 5,1%.

Температура абсорбирующей жидкости на входе в абсорбер:

- на верх - 47°C,

- в среднюю часть - 62°C.

Насыщенный раствор, выходящий из абсорбционной колонны под давлением 6,4 МПа, проходит через расширительную турбину и с давлением 2 МПа поступает в первый выветриватель. В первом выветривателе из раствора выделяется 0,058 кмол/м³ углеводородного газа, содержащего 34,6% мол. CO₂, 32,3% мол. H₂S и 28,6% углеводородов. Вытекающий из первой ступени выветривания раствор подают в насос, где его давление повышают на 0,5÷1,0 МПа. Затем частично выветренный раствор нагревают вытекающим из десорбера тонкорегенерированным раствором до 100÷105°C и направляют во второй выветриватель. Во втором выветривателе из раствора выделяется 1,92 кмол/м³ кислых газов, содержащих в % мольн.: CO₂ - 34,2%, H₂S - 45,5% и 0,12% углеводородов. Отбираемый снизу десорбера тонкорегенерированный раствор рециркулирует на верх абсорбционной колонны. Требуемую остаточную концентрацию H₂S и CO₂ в очищенном газе - до 7 мг/нм³ H₂S и до 0,02% CO₂ - регулировали добавлением к груборегенерированному раствору тонкорегенерированный раствор в соотношении 1:4. Количество подаваемой на смешение меньшей части тонкорегенерированного раствора регулировали по концентрации H₂S и/или CO₂ в очищенном газе при помощи поточного хроматографа, установленного на трубопроводе очищенного газа.

Нагрев до 100÷105°C раствора ведут в рекуперативном теплообменнике 12 потоком раствора, подаваемым из десорбера 17. Диапазон температур нагреваемого в теплообменнике 12 раствора определяется условиями работы десорбера 17, в частности для эффективной работы десорбера 17 раствор должен кипеть по всей высоте колонны. Перегрев раствора сверх температуры кипения приводит к излишней тепловой нагрузке на систему дефлегмации десорбера 17 и поэтому нежелателен (при перегреве раствора расходуется дополнительный холод на конденсацию паров вторичного вскипания раствора). При недогреве раствора дополнительное тепло тратится на его нагрев до температуры кипения.

Кроме того, повышение давления на 0,5-1,0 МПа продиктовано тем, что при нагреве из раствора в теплообменнике 12 не должна выделяться газовая фаза. При более низких давлениях произойдет дегазация раствора, а при более высоких - излишний перерасход электроэнергии на сжатие.

В таблице 1 показана оценка расходов электроэнергии на перекачку раствора и тепла на его регенерацию в зависимости от температуры подогрева в теплообменнике 12.

В таблице 2 приведены сравнительные данные эффективности абсорбции по данному изобретению и по прототипу (в среднюю часть абсорбера подают груборегенерированный раствор из второй ступени выветривания без смешения с частью тонкорегенерированного раствора).