Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ АДСОРБЕНТА ОСУШКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к области очистки газов адсорбентами, регенерация которых осуществляется горячим газом, проходящим через адсорбент, и может быть использовано, например, в газовой, нефтяной, нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности.

Известен способ адсорбционной очистки природного газа и регенерации одного или большего числа адсорберов, включающий прохождение сырья, содержащего природный газ, через первый адсорбер для получения продукта, содержащего очищенный природный газ; регенерацию второго адсорбера на стадии нагревания, и регенерацию второго адсорбера на стадии охлаждения. Стадия нагревания включает отделение части сырья, содержащегося в газе регенерации, подачу газа регенерации в осушитель для удаления воды, затем нагревание газа регенерации, и подачу газа регенерации во второй адсорбер для регенерации второго адсорбера. Стадия охлаждения включает подачу в начале стадии охлаждения, по меньшей мере, части текучей среды, находящейся во втором адсорбере, в осушитель для десорбирования воды из молекулярного сита в осушителе, и затем охлаждение второго адсорбера. Технический результат - минимизация потерь продукта или сырья, включающего природный газ, используемого в качестве газа регенерации. [1] (Патент РФ №2525126, опубл. 10.08.2014).

Общими признаками известного способа с предлагаемым являются следующие: блок адсорбционной очистки, трубопроводные линии и запорно-регулирующая арматура.

К недостаткам известного способа следует отнести его слабую адаптацию к регенерации узкопористых молекулярных сит ввиду проведения процесса при высоких температурах, когда происходит частичное разрушение поровой структуры цеолитов большим количеством образующегося в данных условиях водяного пара.

Известно также «Устройство для осушки газов и способ осушки газов» [2] (патент РФ №: 2504424, опубл. 20.01.2014), где для регенерации адсорбента во внутреннее пространство теплообменных элементов с помощью газодувки подают воздух, нагретый в каталитическом нагревателе. После прогрева подают часть осушенного газа в количестве от 5 до 10 объемов адсорбера. После этого подачу продувочного газа прекращают, а во внутреннее пространство теплообменных элементов для охлаждения адсорбента с помощью газодувки подают атмосферный воздух. Технический результат -снижение материалоемкости, пожаровзрывобезопасности и энергоемкости процесса осушки газа и уменьшение количества выбросов вредных веществ и парниковых газов в атмосферу.

Общими признаками известного способа с предлагаемым являются: блок адсорбционной очистки, использование в качестве хладоагента и газа регенерации атмосферного воздуха, трубопроводные линии и запорно-регулирующая арматура.

К недостаткам известного способа следует отнести его асинхронность при осушке сильно обводненных потоков, при которой продолжительность стадии адсорбции существенно ниже стадии десорбции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ первичной регенерации адсорбента в блоках комплексной очистки газа [3] (А.С. RU 1357054, опубл. 07.12.1987), где десорбцию и последующее охлаждение ведут с дросселированным воздухом, сжатым предварительно до рабочего давления и прошедшим затем холодильник и влагоотделитель, а с целью снижения энергозатрат и времени ведения процесса, охлаждение ведут в замкнутом контуре, при этом подпитку контура осуществляют путем подачи сдросселированного воздуха на всас газодувки, а при пуске установки адсорбент продувают очищаемым воздухом в течение часа.

Общими признаками известного способа с предлагаемым являются: наличие стадии предварительной регенерации адсорбента, наличие замкнутого контура регенерации.

К недостаткам известного способа следует отнести то, что нагрев воздуха для первичной регенерации осуществляется в специальном нагревателе, что увеличивает энергетические затраты установки.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно снижение энергоемкости процесса за счет перераспределения избыточного тепла и передачи его со стадии адсорбции и охлаждения отрегенерированного адсорбента на стадию регенерации, и увеличение срока эффективной эксплуатации адсорбента - цеолита КА - за счет двухступенчатого удаления воды без разрушения его уникальной поровой структуры.

Решение указанной задачи достигается тем, что газ регенерации, направляемый на стадию регенерации адсорбента, нагревается до температуры 100-140°С за счет тепла адсорбции и охлаждения отрегенерированного адсорбента и, проходя через слой адсорбента, работающего на первой стадии регенерации, удаляет большую часть воды, находящейся в периферийной части гранул адсорбента. Удаление остаточной воды из центра гранул адсорбента происходит на второй стадии регенерации, при температуре 230-250°С.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что заявляемый способ регенерации адсорбента осушки природных газов, включающий первичную регенерацию адсорбента в блоках комплексной очистки газа, включающий десорбцию и последующее охлаждение с дросселированным газом регенерации, охлаждение ведут в замкнутом контуре, согласно изобретению, предварительную десорбцию используемого адсорбента - цеолита КА - проводят путем контактирования с газом регенерации, нагретым за счет отведения тепла со стадии адсорбции и стадии охлаждения отрегенерированного адсорбента до температуры 100-140°С, а основная стадия десорбции проводится при температуре 220-230°С.

Адсорбционная осушка природного газа для обеспечения точки росы перед подачей газа потребителю в настоящее время используется в системах подготовки газа к транспорту. В качестве побочных продуктов при этом образуется водно-метанольно-углеводородная смесь. Последняя, при отстаивании, разделяется на углеводородный и водно-метанольный слой. Для качественного разделения водно-метанольного слоя наиболее эффективно использование селективных цеолитов в качестве адсорбента, в частности, цеолита КА. Цеолит КА характеризуется крайне узкими порами, доступными исключительно для молекул воды. Предпочтительная адсорбция цеолитами полярных молекул также способствует выполнению задачи эффективного обезвоживания углеводородно-водно-метанольной смеси.

Для восстановления свойств КА, т.е. для его глубокой осушки, в качестве регенерирующего агента используется предварительно прошедший через фильтр газ регенерации (обычно это часть потока осушаемого природного газа). Для предотвращения разрушения поровой структуры цеолита водяным паром, образующимся при подаче нагретого до температуры 220-250°С воздуха, целесообразно перед основной стадией десорбции снижать нагрузку адсорбента по парам, удаляя излишки воды. Введение стадии предварительной десорбции может решить эту проблему.

Адсорбция воды на цеолите КА сопровождается выделением большого количества тепла, приводящего к разогреву слоя адсорбента до температуры 80-115°С (в зависимости от скорости подачи сырья на слой адсорбента). Отведение избыточного тепла увеличивает эффективность стадии адсорбции и увеличивает адсорбционную емкость цеолита КА. Разогретый при охлаждении адсорбера газ регенерации смешивается с газом регенерации, охлаждающим аппарат после второй стадии регенерации, при этом его температура составляет порядка 100-140°С, и направляется на первую стадию регенерации, удаляя воду из периферийных пор гранул цеолита. После этого удаление влаги из внутренней части гранулы цеолита происходит при подаче горячего (220-250°С) газа регенерации, на второй стадии регенерации. Далее проводится охлаждение цеолита до температуры 30-35°С, нисходящим потоком газа регенерации, для удаления остаточной сконденсировавшейся влаги, и для подготовки к стадии адсорбции.

На чертеже показана схема, иллюстрирующая данный способ регенерации адсорбента осушки природных газов.

Способ регенерации адсорбента осушки природных газов реализуют использованием на стадии первичной регенерации избыточного тепла процесса.

Первый источник избыточного тепла - тепло адсорбции (80-115°С), второй источник - тепло второй стадии регенерации (220-250°С). Теплосъем происходит газом регенерации, прокачиваемым компрессором через теплообменные полости соответствующих аппаратов. Нагретый таким образом газ регенерации (100-140°С) прокачивается снизу вверх через слой адсорбента, находящегося на стадии первичной регенерации, удаляя из периферийной части гранул адсорбента основную часть влаги. После адсорбера поток газа регенерации смешивается с газом, выходящим из калорифера 13, температура газа регенерации достигает 220-250°С.

На стадии вторичной регенерации адсорбент подвергается глубокой десорбции потоком газа регенерации, нагретым до температуры 220-250°С. При этом происходит удаление влаги из центральной части гранул цеолитного адсорбента. На выходе из адсорбера поток влажного газа регенерации направляется на охладитель газа, где тяжелые углеводороды и вода конденсируются. Жидкая фаза отделяется в сепараторе газа регенерации, расположенном ниже по потоку, а осушенный газ регенерации возвращается в цикл.

Предлагаемый способ позволяет снизить энергозатраты и тепловое загрязнение атмосферы за счет сокращения длительности стадии высокотемпературной регенерации, и продлевает срок эффективной эксплуатации цеолитного адсорбента за счет сохранения его поровой структуры при двухступенчатой регенерации.

На чертеже представлен способ регенерации адсорбента осушки природных газов, где:

1-4 - адсорберы;

5-8- полости для теплообмена, организованные по принципу «стакан в стакане»;

9-12 - тройники для смешения и управления потоками при регенерации адсорбента;

13 - калорифер для второй стадии десорбции.

I - водно-углеводородно-метанольная смесь на обезвоживание;

II - углеводородно-метанольная смесь на хранение;

III - газ регенерации в теплообменное пространство на охлаждение адсорбера на стадии адсорбции и стадии охлаждения;

IV - нагретый до 100-140°С газ регенерации на первичную регенерацию адсорбента;

V - нагретый до 220-230°С газ регенерации на вторичную регенерацию адсорбента;

VI - влажный газ регенерации на охлаждение и после конденсации влаги в рецикл.

Способ регенерации цеолита КА, согласно предлагаемому способу, осуществляется следующим образом. Если предположим, что в единицу времени адсорбер 1 находится на стадии адсорбции, адсорбер 2 на стадии предварительной регенерации, адсорбер 3 на стадии основной регенерации, и адсорбер 4 на стадии охлаждения, тогда потоки направляются следующим образом:

- сырьевая водно-углеводородно-метанольная смесь (I) насосом подается в центральный верхний штуцер адсорбера 1. Проходя через слой цеолитного адсорбента КА, сырьевая смесь обезвоживается. Углеводородно-метанольная смесь (II) отводится с установки на хранение. После насыщения адсорбента водой, определяемого лабораторным методом (по «проскоку» воды), или расчетным методом, по адсорбционной емкости цеолитного адсорбента, сырьевой поток перенаправляется далее в адсорбер 4 на обезвоживание. Газ регенерации (III), нагреваемый в теплообменном пространстве 5 (6, 7 или 8 соответственно при переключении стадий) между стенками адсорбера 1 (2, 3 или 4 соответственно), смешивается тройнике 9 (10, 11 или 12 соответственно), с горячим газом регенерации из калорифера 13, с газом регенерации, выходящим из теплообменного пространства 8 (5, 6 или 7 соответственно) адсорбера 4 (1, 2 или 3 соответственно), и направляется в адсорбер 2 (3, 4 или 1 соответственно) на первую стадию регенерации. Влажный газ регенерации (IV) охлаждается, осушается и возвращается на стадию адсорбции;

- в адсорбер 2, находящийся на первой стадии регенерации, подается газ регенерации, подогретый до температуры 100-140°С теплом, отводимым со стадии адсорбции (адсорбер 1) и стадии охлаждения (адсорбер 4). После завершения стадии адсорбции в адсорбере 1, первая стадия регенерации в адсорбере 2 сменяется второй стадией регенерации. Влажный газ регенерации (IV) охлаждается, осушается и возвращается на стадию адсорбции;

- в адсорбере 3, в это же время, протекает вторая стадия регенерации, и после завершения процесса в адсорбере 1, сменяется стадией охлаждения;

- в адсорбере 4, в это же время, протекает стадия охлаждения, и после завершения процесса в адсорбере 1, сменяется стадией адсорбции.

Циклы повторяются. Все вышесказанное характеризуется примером 1.

Пример 2. Данный пример иллюстрирует реализацию по способу регенерации цеолита КА по примеру 1, отличающийся тем, что наружные теплообменные устройства (на иллюстрации поз. 5-8 - полости для теплообмена, организованные по принципу «стакан в стакане»), заменены на внутренние теплообменные устройства, например, спирально-радиального типа, размещенные в слое адсорбента.

Пример 3. Данный пример иллюстрирует реализацию по способу регенерации цеолита КА по примеру 1, отличающийся тем, что наружные теплообменные устройства (на иллюстрации поз. 5-8 - полости для теплообмена, организованные по принципу «стакан в стакане»), дополнены внутренними устройствами, что актуально при больших диаметрах аппаратов-адсорберов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Патент РФ №2525126, опубл. 10.08.2014.

2. патент РФ №: 2504424, опубл. 20.01.2014.

3. A.C. RU 1357054, опубл. 07.12.1987.