СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОСУШКИ ПРИРОДНОГО И ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СЕРОВОДОРОДА

Предлагаемое изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к способам комплексной очистки газов от сернистых соединений и влаги.

Известен способ очистки и осушки газов от сероводорода с химической регенерацией адсорбента, включающей поглощение из газов сероводорода и влаги адсорбентом (цеолитом) с последующей его регенерацией диоксидом серы, который получают сжиганием серы в печи. В процессе химической регенерации адсорбента диоксидом серы поглощенный адсорбентом сероводород восстанавливают до элементарной серы и воды, которые выносят потоком воздуха и разделяют в сепараторе [1] . /Н.В.Кельцев "Основы адсорбционной техники", М., "Химия", 1976.

Основной недостаток способа и устройства заключается в том, что в процессе химической регенерации адсорбента на его поверхности выделяется и осаждается элементарная сера, которая заполняет микропоры адсорбента, снижает его адсорбционную способность и срок службы твердого поглотителя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к разработанному способу является способ очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов, включающий получение диоксида серы от сжигания серы в печи, смешение диоксида серы с растворителем (гликолем), промывку исходного газа этим раствором для восстановления элементарной серы из сероводорода, выведение суспензии серы из адсорбера, разделение серы и растворителя и возвращение их в технологический процесс [2]. /А.П.Клименко "Сжиженные углеводородные газы", М., "Недра", 1974/.

Основной недостаток вышеуказанного способа и устройства заключается в том, что в процессе очистки и осушки не может быть достигнута высокая степень очистки и осушки газа, а для хемсорбции сероводорода применяется трехкомпонентная смесь, состоящая из гликоля, воды и диоксида серы, для регенерации и повторного использования которой требуются большие энергозатраты и сложное аппаратное оформление. Кроме того, применение в качестве растворителя диоксида серы гликоля или этиленгликоля приводит к удорожанию процесса очистки и осушки газа из-за большого его уноса с очищенным газом.

Решаемая задача - повышение глубины очистки и осушки газа от сероводорода и влаги при упрощении самого процесса.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов с высоким содержанием сероводорода, включающем 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, очистку газа проводят в два этапа. Вначале исходный газ предварительно очищают от сероводорода в абсорбере на каталитических насадках путем его промывки водным 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 газа на твердых адсорбентах - молекулярных ситах, которые периодически регенерируют и охлаждают очищенным и осушенным газом, а регенерационные газы после адсорбера направляют на сжигание в печь.

Проведенный анализ уровня техники 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 представлена принципиальная схема блока очистки и осушки природного и попутного нефтяного газов от сероводорода. Блок содержит фильтр 1 для очистки газа от механических включений и жидкости, установленный перед входом газа в абсорбер 2, в котором производят предварительную очистку исходного газа от сероводорода, бак 3 для отвода водяной суспензии серы из абсорбера 2, после которого по ходу газа установлены три адсорбера 4, 5 и 6 с адсорбентами - молекулярными ситами. Блок очистки также оснащен рекуперативным теплообменником 7 для утилизации тепла регенерационных газов, рибойлером 8 для нагрева газа, подаваемого на регенерацию адсорбента, водяным холодильником 9 для охлаждения газа перед его подачей в сепаратор 10 и отделения конденсата воды и тяжелых углеводородов.

Регенерационный газ после сепаратора 10 направляют в топку котла 11 на сжигание. Образовавшиеся дымовые газы дымососом 12 подают в скруббер 13, насадки которого орошаются водой из бака 14 с помощью насоса 15. Образовавшийся слабый раствор сернистой и серной кислоты сливают в бак 14 и оттуда насосом 16 подают на орошение насадки абсорбера 2. Водяная суспензия серы разделяется в центробежном сепараторе 17, воду возвращают в бак 14, а серу - в отстойник 18.

Принцип работы блока очистки и осушки газа заключается в следующем. Исходный газ с высоким содержанием сероводорода вначале очищают от твердых частиц и жидкой фазы в фильтре 1, а затем подают его в абсорбер 2, заполненный кольцами Рашига, изготовленными из боксита, которые ускоряют химическую реакцию хемсорбции. Насадку абсорбера 2 орошают слабым раствором сернистой и серной кислот, который подают насосом 16 из бака 14. В процессе взаимодействия сероводорода и сернистой кислоты на поверхности колец Рашига образуются элементарная сера и вода. Химическая реакция протекает в следующем виде: 2H₂S + H₂SO₃ = 3H₂O + 3S.

Водную суспензию серы сливают в бак 3 для предварительного седиментационного сепарирования, а затем разделяют серу и воду в центробежном сепараторе 17. Воду возвращают в бак 14, а серу - в отстойник 18. Степень очистки исходного газа от сероводорода в абсорбере 2 составляет 0,65 - 0,95. Окончательную глубокую очистку и осушку газа проводят в одном из адсорберов 4, 5 и 6, заполненных адсорбентом, в частности цеолитом NaX. После адсорбера очищенный и осушенный газ подают на следующую технологическую операцию, например на сжижение. При этом, когда адсорбер 4 работает в режиме очистки и осушки газа, адсорбер 5 находится в режиме охлаждения, а адсорбер 6 - в режиме регенерации. По мере насыщения цеолита адсорбтивом периодически производят переключение адсорберов с одного режима на другой. Для регенерации адсорбента используют часть очищенного газа (8 - 10%), который вначале нагревают в рекуперативном теплообменнике 7, а затем в рибойлере 8 до температуры 350^oC и продувают адсорбент в течение определенного времени. Регенерационный газ с высоким содержанием сероводорода после адсорбера охлаждают в рекуперативном теплообменнике 7 и водяном холодильнике 9. Сконденсированную воду и тяжелые углеводороды отделяют от газа в сепараторе 10 и газ сжигают в топке котла 11 в потоке воздуха. Дымовые газы, содержащие диоксид серы (продукт сгорания сероводорода: 2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O), окислы азота и кислород подают дымососом 12 в скруббер 13, имеющий полукоксовые насадки, которые орошают водой из бака 14 при помощи насоса 15. В результате взаимодействия диоксида серы и воды на поверхности полукокса, имеющего каталитические свойства, образуется сернистая кислота: SO₂ + H₂O = H₂SO₃, а также, ввиду наличия в дымовых газах кислорода, образуется серная кислота: 2SO₂ + O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄. Кроме того, сам диоксид серы хорошо растворяется в воде (40 объемов SO₂ в одном объеме воды). Образовавшиеся сернистую и серную кислоты подают насосом 16 на насадки абсорбера 2, где происходит контакт сероводорода с кислотой и образование элементарной серы. Степень очистки дымовых газов от диоксида серы может достигать 0,99.

Пример выполнения способа очистки и осушки природного газа от сероводорода и влаги.

Исходный природный газ с расходом 2000 м³/ч, содержащий 8,6 г/м³ сероводорода, подают в блок очистки и осушки газа. В фильтре 1 производят отделение от газа твердых включений и жидкой фазы, а затем подают в абсорбер 2, где газ очищают от сероводорода на 90%. Газ с остаточным содержанием сероводорода 0,86 г/м³ подают в адсорбер 4, заполненный цеолитом NaX, где производят глубокую очистку газа до остаточного содержания сероводорода 5-10 мг/м³, а также его осушку до точки росы минус 60 - 70^oC. Очищенный и осушенный газ подают, например, на сжижение. После насыщения цеолита адсорбера 4 сероводородом его переводят в режим регенерации, а в режим очистки и осушки подсоединяют адсорбер 5. Для регенерации адсорбента и восстановления его поглотительных свойств отбирают 100 - 150 м³/ч очищенного газа, охлаждают этим газом адсорбент адсорбера 6, затем нагревают газ в рекуперативном теплообменнике 7 до температуры 150 - 160^oC и в огневом рибойлере 8 - до температуры 350^oC и подают в адсорбер 4. Регенерационный газ после адсорбера 4 с содержанием сероводорода 11,5 - 17,2 г/м³ и температурой 250^oC вначале охлаждают в рекуперативном теплообменнике 7, а затем - в водяном холодильнике 9 до температуры 25 - 30^oC и отделяют конденсат воды в сепараторе 10. После сепаратора 10 газ подают в топку котла 11, где сжигают в потоке воздуха. В процессе сжигания регенерационных газов в топке котла образуется 1500 - 2000 м³/ч дымовых газов со средним содержанием диоксида серы 2,0 г/м³. Дымовые газы дымососом 12 направляют в скруббер 13, насадки которого орошают водой из бака 14 с помощью насоса 15. Диоксид серы, растворяясь и соединяясь с водой, образует сернистую и серную кислоты, которые подают на орошение насадки абсорбера 2 с помощью насоса 16. В результате взаимодействия сернистой, серной кислот, а также водного раствора диоксида серы с сероводородом на поверхности каталитической насадки - колец Рашига, изготовленных из активированного боксита и обработанных гидрофобным материалом, образуется элементарная сера, которую смывают орошаемым раствором в бак-отстойник 3. Затем концентрат серы отделяют от жидкости в центрифуге 17 и сушат в отстойнике 18. Для поддержания или увеличения содержания диоксида серы в дымовых газах и, соответственно, увеличения концентрации кислоты, подаваемой в абсорбер 2, в топке котла 11 можно дополнительно сжигать часть полученной элементарной серы. При этом используется теплотворная способность сероводорода и серы. Тепло, полученное в котле 11, может быть использовано для промышленных и бытовых нужд.

Рибойлер 8 и котел 11 могут быть объединены в один блок, что позволит сократить количество применяемого оборудования.

Таким образом, разработанная технология очистки природного газа позволяет произвести глубокую очистку его от сероводорода и влаги с простым аппаратным исполнением без применения дорогостоящих реагентов и без загрязнения окружающей среды продуктами очистки, так как продукт очистки газа используется для получения дешевого реагента, применяемого для хемсорбции сероводорода. Глубокая очистка и осушка природного газа от сероводорода и влаги до требуемой кондиции возможна только адсорбционным способом, но при этом потребовалось бы адсорбента в десять раз больше, чем в предлагаемом способе, и, соответственно, большего расхода газа на регенерацию адсорбента и тепловой энергии для его нагрева, при этом проблема утилизации продуктов очистки газа без ущерба для окружающей среды оставалась бы весьма сложной, требующей дополнительного оборудования и затрат.

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