способ комплексной очистки газов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ комплексной очистки газов, включающий периодическую очистку газа в одном из адсорберов, заполненных адсорбентом, с одновременной регенерацией адсорбента в другом адсорбере регенерирующим газом, в качестве которого используют очищенный газ при давлении ниже рабочего давления адсорбции, отличающийся тем, что очистку проводят на многослойных адсорбентах с разными селективными характеристиками, организуют зигзагообразное движение очищаемого и регенерирующего газа через перфорированные секции с адсорбентами, регенерацию ведут под давлением 1/60-1/65 от рабочего давления адсорбции, для чего используют очищенный газ в количестве, равном 0,015-0,02 от массы газа, подаваемого на очистку, при этом давление регенерирующего газа создают вакуум-компрессором с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, а тепло сжатия используют для нагрева очищенного газа перед регенерацией, при этом на выходе из регенерируемого адсорбера регенерирующий газ очищают жидкостью, впрыскиваемой в рабочую полость сжатия вакуум-компрессора, и возвращают в поток газа, подаваемого на очистку.

2. Устройство для комплексной очистки газов, содержащее два попеременно работающих адсорбера, соединенные трубопроводом с установленными на нем автоматически переключающимися клапанами и ограничителем расхода регенерирующего газа, отличающееся тем, что оно снабжено линией регенерации, на которой последовательно установлены ограничитель скорости газа, шумопоглотитель, ресивер, винтовой вакуум-компрессор с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, емкость для отделения продуктов очистки от впрыскиваемой жидкости, фильтр очистки газа от механических примесей и рекуперативный теплообменник для нагрева регенерирующего газа теплом сжатия вакуум-компрессора, а также линией возврата очищенного регенерирующего газа, на котором последовательно установлены водяной холодильник, мокрый скруббер с баком и насосом, сепаратор для отделения конденсата, фильтр и обратный клапан, кроме того, адсорберы выполнены многоходовыми, в виде секции с перфорированными внутренней и внешней обечайками, с патрубками подвода и отвода газа, при этом перфорация нанесена таким образом, чтобы обеспечить зигзагообразное движение очищаемого и регенерирующего газа, а в адсорберах перфорированные секции заполнены адсорбентами с разными селективными характеристиками, подбор которых определяется свойствами и концентрацией поглощаемых из исходного газа компонентов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что адсорберы выполнены четырехходовыми.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газовой промышленности криогенной технике, в частности к глубокой очистке газов и воздуха от влаги, диоксида углерода, тяжелых углеводородов и других компонентов.

Известен способ комплексной очистки газа, включающий периодическую адсорбцию адсорбентами из очищаемого газа влаги, диоксида углерода, тяжелых углеводородов и десорбцию продуктов очистки продувкой горячим регенерационным газом для восстановления поглотительной способности адсорбентов, последующее снижение температуры адсорбентов за счет продувки холодным газом и возврат регенерационных газов с помощью газодувки после их охлаждения в теплообменнике и отделения конденсата в сепараторе в линию очистки газов. Известно устройство для выполнения вышеуказанного способа, содержащее попеременно работающие адсорберы с адсорбентами соединенные трубопроводом и переключающимися клапанами, рибойлер для нагрева регенерационного газа, холодильник для охлаждения регенерационного газа, сепаратор для отделения конденсата и газодувку для возврата газа в адсорбер, находящийся на стадии очистки [1].

Недостатки вышеуказанных способа и устройства заключается в том, что при больших расходах очищаемого газа и при продолжительности процесса комплексной очистки газа требуется большое количество адсорбента, приводящее к увеличению габаритов и металлоемкости блока очистки, а также к большому расходу регенерационного газа и затрат энергии на нагрев адсорбентов, корпусов адсорберов и их изоляции, что приводит к значительному росту стоимости блока очистки и удельных эксплуатационных затрат на единицу объема очищенного газа. Кроме того, возврат регенерационных газов после их охлаждения в линию очистки без предварительного отделения продуктов очистки увеличивает их исходную концентрацию в очищаемом газе и, как следствие, возрастает нагрузка на адсорбент и уменьшается продолжительность цикла очистка.

Известны способ и устройство обезвреживания газовых выбросов от паров органических соединений адсорбцией при пропускании газовых выбросов через слой адсорбента-катализатора из оксидов меди и хрома на носителе с последующей регенерацией слоя адсорбента-катализатора при пропускании через него кислородосодержащего газа при повышенной температуре и окислении продуктов десорбции и последующем направлении десорбированного потока газа через дополнительный слой адсорбента-катализатора идентичного состава. А в адсорберах последовательно по высоте установлены кассеты цилиндрической формы с перфорированными обечайками, причем одна из кассет разделена на два отсека перфорированной кольцевой перегородкой [2].

Недостаток указанных способа и устройства заключается в том, что при регенерации адсорбента-катализатора на высоком температурном уровне необходимо подвести большое количество тепловой энергии. Кроме того, очистка газовых выбросов от нескольких компонентов производится только на одном адсорбенте-катализаторе, тогда как различные отделяемые компоненты обладают различной адсорбционной активностью, поэтому при адсорбции более активного адсорбтива из адсорбента вытесняется менее активный компонент.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ комплексной адсорбционной очистки газа от влаги и диоксида углерода и других компонентов, основанный на короткоцикловой адсорбции и безнагревной десорбции, включающий поглощение отделяемых компонентов из газа адсорбентами и последующую регенерацию насыщенного адсорбента продувкой очищенным газом при давлении ниже давления адсорбции и устройство для комплексной очистки газа, содержащее два попеременно работающих адсорбера, линию подачи исходного газа в адсорберы через управляемые клапаны и фильтр, линию отвода очищенного газа, соединенную с адсорберами через управляемые клапаны и фильтр, линию подачи очищенного продувочного газа из одного адсорбера в другой для регенерации адсорбентов и линию отвода продувочных газов, соединенных с адсорберами также управляемыми клапанами [3].

Основной недостаток способа и устройства адсорбционной очистки газа, осуществляемой методом короткоцикловой адсорбции и безнагревной десорбции заключается в том, что количество очищенного газа, направляемое на продувку адсорбента и десорбцию продуктов очистки, зависит от отношения давления газа, при котором производят десорбцию продуктов очистки из адсорбента, к рабочему давлению исходного газа. Давление десорбции определяется параметрами среды, куда сбрасываются продувочные газы. Например, при осушке воздуха короткоцикловой адсорбцией продувочный воздух сбрасывается в атмосферу, поэтому, чем меньше рабочее давление очищаемого воздуха, тем больше расход продувочного воздуха, и тем больше потери энергии с сжатым воздухом и тем меньше относительная производительность блока осушки по целевому воздуху.

Решаемая задача - повышение технико-экономических показателей блока комплексной очистки газа от влаги, диоксида углерода, тяжелых углеводородов и других компонентов.

Решение поставленной задачи заключается в том, что способ комплексной очистки газов, включающий периодическую очистку газа в одном из адсорберов, заполненных адсорбентом, с одновременной регенерацией адсорбента в другом адсорбере регенерирующим газом, в качестве которого используют очищенный газ при давлении ниже рабочего давления адсорбции, очистку проводят на многослойных адсорбентах с разными селективными характеристиками, организуют зигзагообразное движение очищаемого и регенерирующего газа через перфорированные секции с адсорбентами, регенерацию ведут под давлением 1/60-1/65 от рабочего давления адсорбции, для чего используют очищенный газ в количестве, равном 0.015-0.02 от массы газа, подаваемого на очистку, при этом давление регенерирующего газа создают вакуум-компрессором с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, а тепло сжатия используют для нагрева очищенного газа перед регенерацией, при этом на выходе из регенерируемого адсорбера регенерирующий газ очищают жидкостью, впрыскиваемой в рабочую полость сжатия вакуум-компрессора, и возвращают в поток газа, подаваемого на очистку, а устройство для комплексной очистки газов, содержащее два попеременно работающих адсорбера, соединенные трубопроводом с установленными на нем автоматически переключающимися клапанами и ограничителем расхода регенерирующего газа, оно снабжено линией регенерации, на которой последовательно установлены ограничитель скорости газа, шумопоглотитель, ресивер, винтовой вакуум-компрессор с впрыском жидкости в рабочую полость сжатия, емкость для отделения продуктов очистки от впрыскиваемой жидкости, фильтр очистки газа от механических примесей и рекуперативный теплообменник для нагрева регенерирующего газа теплом сжатия вакуум-компрессора, а также линией возврата очищенного регенерирующегогаза, на котором последовательно установлены водяной холодильник, мокрый скруббер с баком и насосом, сепаратор для отделения конденсата, фильтр и обратный клапан, кроме того, адсорберы выполнены многоходовыми, в виде секции с перфорированными внутренней и внешней обечайками, с патрубками подвода и отвода газа, при этом перфорация нанесена таким образом, чтобы обеспечить зигзагообразное движение очищаемого и регенерирующего газа, а в адсорберах перфорированные секции заполнены адсорбентами с разными селективными характеристиками, подбор которых определяется свойствами и концентрацией поглощаемых из исходного газа компонентов, а адсорберы выполнены четырехходовыми.

Анализ уровня техники показал, что заявителем не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию “новизна”.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1, приводится принципиальная схема блока комплексной очистки газа от влаги, диоксида углерода, тяжелых углеводородов и сернистых соединений с ограниченной концентрацией. На фиг.2. изображена схема четырехходового адсорбера с внутренней и внешней перфорированными обечайками с патрубками подвода и отвода газа.

Блок комплексной очистки газа содержит: линию подачи исходного газа - I, линию отвода очищенного газа - II, линию подачи продувочного газа - III, и линию отвода продувочного газа - IV. Линия исходного газа I и линия очищенного газа соединены с адсорберами 4 и 5 через управляемые клапаны 2, 3, 6 и 7. На этих линиях установлены фильтры 1 и 8 для улавливания твердых частиц адсорбентов. На линии подачи продувочного газа III установлены дюзы 9 и 10, а также управляемые клапаны 11, 12, 13 и теплообменник 14 для подогрева продувочного газа. На линии IV установлены управляемые клапаны 15 и 16, дюзы 17 и 18, для ограничения расхода продувочного газа, глушитель шума 19, ресивер - 20, вакуум-компрессор 21, десорбционный бак 22 с насосом 23, фильтр 24, водяной холодильник 25 для охлаждения газа, скруббер 26 с десорбционным баком 27 и насосом 28, сепаратор 29 с фильтром 30 и обратный клапан 31.

Адсорбер состоит из корпуса 32, с внутренней перфорированной обечайкой 33 и секций 34, 35, 36, 37 и внешней перфорированной обечайкой 38, при этом перфорация нанесена таким образом, что обеспечивается зигзагообразное движение очищаемого и регенерирующего газа. Перфорированные секции заполнены адсорбентами с разными селективными характеристиками, подбор которых определяется свойствами и концентрацией поглощаемых из исходного газа компонентов.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Влажный исходный газ с ограниченным содержанием диоксида углерода, тяжелых углеводородов и сероводорода поступает по линии I через фильтр 1 и управляемые клапаны 2 или 3 в один из адсорберов 4 или 5, например 4, в котором газ последовательно очищают от влаги, диоксида углерода, сероводорода и тяжелых углеводородов в секциях 34, 35, 36 и 37. При прохождении очищаемого газа через секцию 34 плавно увеличивается поверхность контакта газа с адсорбентом и, соответственно, снижается радиальная скорость газа, что способствует росту поглотительной способности адсорбента и полному использованию толщины адсорбционного слоя. При прохождении газа через секцию 35 с большого сечения на меньшее происходит некоторое увеличение объемной скорости, что позволяет более полно использовать толщину слоя адсорбента за счет перемещения адсорбированных продуктов очистки с лобового слоя адсорбента в его глубину. Аналогичная картина имеет место в секциях 36 (34) и 37 (35). В адсорберах с перфорированными обечайками и секциями организуется зигзагообразное движение потока газа с многократным поворотом на 180°, переменной скоростью, местного динамического давления, что в совокупности позволяет повысить адсорбционную способность адсорбентов и более эффективно их использовать. Очищенный газ после адсорбера направляют через управляемые клапаны 6 или 7 и фильтр 8 в линию II для проведения следующей технологической операции сжижение газа. В то время, когда в адсорбере проводят комплексную очистку газа, в адсорбере 5 производят регенерацию адсорбентов.

Вначале снижают давление в ресивере 20 с помощью вакуум-компрессора 21 до значения, равного 1/60-1/65 от рабочего давления, при котором производят очистку газа, затем снижают давление в адсорбере 5 через клапан 16, дюзу 18 и глушитель шума 19. Продувочный газ из ресивера 20 забирают вакуум-компрессором 21 и сжимают до рабочего давления адсорбции. В процессе сжатия продувочного газа в рабочую полость вакуум-компрессора впрыскивают жидкость, которая абсорбирует продукты очистки, диоксид углерода, сероводород, тяжелые углеводороды. Жидкость с абсорбированными компонентами - в десорбционный бак 22, где в результате снижения давления выделяют продукты очистки, а чистую жидкость насосом 23 вновь подают на впрыск в рабочую полость вакуум-компрессора 21. Сжатый газ после вакуум-компрессора 21 и фильтра 24 подают через теплообменник 14, в линию IV, где продувочный газ охлаждают в водяном холодильнике 25, затем промывают под давлением водой в скруббере 26 для удаления остаточного содержания продукта очистки и воду после скруббера выводят в бак 27, десорбируют продукты очистки за счет снижения давления и воду насосом 28 возвращают в скруббер 26. После скруббера 26 отделяют от газа капельную жидкость и аэрозоли в сепараторе 29 и фильтре 30 и через обратный клапан 31 подают в линию I. Одновременно со снижением давления в адсорбере 5 подают из адсорбера 4, находящегося в режиме комплексной очистки, очищенный продувочный газ по линии III через дюзы 9 и 10, открытые клапаны 11 и 12 и теплообменник 14, где продувочный газ нагревают до температуры 80-100°С. При достижении температуры газа на выходе из адсорбера 40-50°С прекращают нагрев адсорбентов и проводят их охлаждение. Для этого закрывают клапаны 11 и 12 и открывают клапан 13. По завершении процесса охлаждения адсорбентов закрывают клапан 16 и повышают давление в адсорбере 5 до рабочего значения и переводят отрегенерированный адсорбер 5 в режим комплексной очистки, а адсорбер 4 - в режим регенерации, который проводят в том же порядке, что и на адсорбере 5.

Регенерационные газы могут быть поданы в линию IVa на сброс в открытую систему, например, при комплексной очистке воздуха перед его сжижением, в атмосферу.

Пример выполнения способа.

Исходный природный газ расходом 8000 нм/ч, (при давлении 0.1 МПа и температуре 273 К) давлением 30 бар и температурой 20°С перед сжижением осушают от влаги, содержание которой составляет 1 г/нм, очищают от диоксида углерода СO₂ с исходной концентрацией 0.08% об., сероводорода - 0.1% об. и тяжелых углеводородов С₅+ - 0.3%.

Комплексную очистку исходного газа от вышеуказанных компонентов проводят по схеме 2-х попеременно работающих адсорберов продолжительностью работы в режимах комплексной очистки и регенерации по 30 мин. Регенерацию адсорбентов проводят обратным потоком очищенного газа расходом 160 нм^3/ч (2% от расхода исходного газа) под давлением 0.45 бар (абс) при отношении давления регенерации к давлению исходного газа 1/66.7, в следующем режиме: снижение давления в регенерируемом адсорбере - 5 мин; продувка адсорбентов горячим очищенным газом - 10 мин; продувка адсорбентов холодным очищенным газом - 10 мин; повышение давления газа в отрегенерированном адсорбере - 5 мин.

Давление регенерации 0.45 бар создают винтовым вакуум-компрессором с впрыском в рабочую полость сжатия жидкости, которая абсорбирует продукты очистки. Потребляемая мощность компрессора около 38.0 кВт. Газ регенерации после вакуум-компрессора очищают от капельной жидкости в фильтре 24 и после охлаждения в теплообменнике 14 подают в линию IV, где после охлаждения в водяном теплообменнике 25 газ очищают от остаточного содержания диоксида углерода и сернистых соединений в мокром скруббере 26 и через сепаратор 26 и фильтр 30 направляют в линию очистки исходного газа. Потребляемая мощность циркуляционного насоса около 1.5 кВт. Удельный расход электроэнергии на регенерацию адсорбентов составляет около 5 Вт/нм очищенного газа, что почти на 30% ниже, чем при комплексной очистке природного газа на указанные параметры по наиболее экономичной из известных технологических схем.

При комплексной очистке воздуха от воды, диоксида углерода, сероводорода и др. компонентов регенерационный воздух направляют в линию IVa и сбрасывают в атмосферу.

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

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить габариты адсорберов, отказаться от отдельно стоящего подогревателя регенерирующих газов, снизить расход адсорбентов и в целом уменьшить материалоемкость и стоимость блока комплексной очистки газа, а также существенно снизить эксплуатационные затраты за счет уменьшения расхода регенерирующего газа и энергозатрат на его нагрев, а также за счет возврата регенерирующего газа в линию очистки, что в итоге обеспечивает снижение стоимости очищенного газа и повышение технико-экономических показателей блока комплексной очистки газа.

Источники информации

1. Н.В.Кельцев. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1978 г, стр.411, рис.19.15.

2. Там же, стр.338-339, рис.16.29, 16.31.

3. Патент РФ №2040313, кл. В 01 D 53/72, 53/04, 27.07.95 г. Бюл.№21.