способ регенерации метанола из насыщенного водой раствора

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам осушки углеводородных газов (природного и нефтяного), в частности к процессам выделения метанола из воды, и может быть использовано при подготовке газа к переработке с целью предотвращения кристаллогидратов.

Известен (Халиф А.Л., Зиберт Г.К., Туревский Е.Н., Сейкин В.В. "Установка регенерации метанола из засоленных пластовых вод". Экспресс-информация. Серия "Подготовка, переработка и использование газа". - М.: ВНИИЭгазпром, 1990, выпуск 4, с.1-4) способ регенерации метанола из водного раствора, включающий предварительный нагрев исходного раствора, испарение из него водо-метанольной смеси, отбор солевого остатка и последующую ректификацию водометанольной смеси на метанол и воду.

Преимуществом этого способа является то, что при реализации происходит основное отложение солей в нижней части испарителя, а не в более дорогостоящей ректификационной колонне. Кроме того, отложение солей происходит в паропроводе по пути от испарителя к ректификационной колонне. Данный способ не решает задачи полного исключения отложения солей на нагревательных поверхностях технологических аппаратов и, как следствие, кардинального улучшения процесса теплообмена и отделения от воды, то есть повышения эффективности регенерации метанола из минерализованного водного раствора.

Известен (Бухгалтер Э.Б. «Метанол и его использование в газовой промышленности». М.: Недра, 1986, с.141-143) способ регенерации метанола из насыщенного водой раствора, включающий подачу насыщенного водой метанола через теплообменник и противонакипное устройство в среднюю часть ректификационной колонны, подачу в нижнюю часть ректификационной колонны из испарителя газообразной среды для разделения смеси метанола и воды с последующим сбором регенерированного метанола.

Недостатками известного способа следует признать значительные габариты используемой при реализации способа установки, а также накипь, образующуюся на жаровых трубах испарителя, удаление которой является технически сложной задачей.

Наиболее близким аналогом разработанного способа можно признать (http://sapr-n.ru/regeneraciya_metanolnoj_vody.html) способ регенерации метанола из насыщенного водного раствора. Известный способ включает подачу насыщенного водой метанола из разделительной емкости через теплообменник и противонакипное устройство в колонну-испаритель, где происходит процесс ректификации. Регенерированный метанол с верха колонны проходит через холодильник и в жидком виде поступает в емкость-сборник, а оставшийся конденсат (в основном это вода) опускается вниз. Для осуществления этого процесса вниз выпарной колонны подают водяной пар, который генерируется в огневом испарителе. Этот пар, поднимаясь вверх, конденсируется на насадке или тарелках и испаряет метанол. Образовавшийся конденсат стекает вниз колонны и вместе с кубовой водой возвращается обратно в испаритель. Там часть кубовой воды испаряется, а остальная откачивается насосом, проходя через теплообменник и нагревая насыщенный метанол, подаваемый в выпарную колонну.

Недостатками известного способа следует признать значительные габариты используемой при реализации способа установки, а также накипь, образующуюся на жаровых трубах испарителя, удаление которой является технически сложной задачей.

Техническая задача, на решение которой направлен разработанный способ, состоит в оптимизации процесса регенерации метанола из насыщенного водой раствора.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в уменьшении размеров используемого оборудования при одновременном уменьшении соляных отложений на поверхности используемой аппаратуры.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный процесс регенерации метанола из насыщенного водного раствора. При реализации способа подают насыщенный водой метанол через теплообменник и противонакипное устройство в среднюю часть ректификационной колонны, при этом подают в нижнюю часть ректификационной колонны из испарителя газообразную среду для разделения смеси метанола и воды с последующим сбором регенерированного метанола, причем согласно разработанному способу используют объединение испарителя и ректификационной колонны в один вертикальный агрегат, при этом в качестве испарителя используют, по меньшей мере, одну тепловую трубу, в которой расположена, по меньшей мере, одна греющая труба.

Объединение испарителя и ректификационной колонны в один вертикальный агрегат, а также использование в качестве испарителя, по меньшей мере, одной тепловой трубы, в которой расположена, по меньшей мере, одна греющая труба, вместо используемого в ближайшем аналоге кубового испарителя, значительно уменьшают габариты используемой установки.

При реализации способа может быть использована установка, содержащая более одного испарителя. В предпочтительном варианте реализации способа испарители установлены параллельно.

Возможен вариант реализации, когда объем одной тепловой трубы разделен продольными перегородками на несколько секций, в каждой из которых расположена, по меньшей мере, одна греющая труба.

В большинстве вариантов реализации способа используют испаритель, содержащий более одной греющей трубы.

Предпочтительно греющие трубы располагают в каждом испарителе параллельно друг другу и равномерно по объему испарителя.

Преимущественно суммарное поперечное сечение всех греющих труб в одном испарителе составляет не более 70% от величины поперечного сечения испарителя.

Обычно в качестве рабочего вещества тепловой трубы используют водный раствор метанола, предпочтительно с содержанием метанола от 30 до 90 масс.%.

В большинстве вариантов реализации в качестве газообразной среды, поступающей в ректификационную колонну, используют смесь паров воды и метанола при содержании метанола не выше 5% масс.

Предпочтительно используют тепловые трубы и трубы-испарители кругового или овального поперечного сечения.

На графическом материале (фиг. 1-3) представлены продольный разрез тепловой трубы-испарителя и поперечные разрезы, при этом использованы следующие обозначения: внешняя стенка 1 тепловой трубы, греющие трубы 2, рабочее вещество 3 тепловой трубы, коаксиально расположенная труба 4, труба 5, подводящая тепловую энергию от нагревателя.

Используемая установка регенерации метанола отличается от традиционной установки меньшими габаритами за счет объединения выпарной колонны и испарителя в один вертикальный агрегат.

Испаритель выполнен в виде тепловой трубы, в которой расположены греющие трубы. Испаритель может быть выполнен как в виде одной тепловой трубы, так и секционирован, т.е. по факту несколько тепловых труб-испарителей установлены параллельно. Внутри тепловой трубы находится рабочее вещество - водный раствор метанола (температура кипения около 130°C), который в процессе испарения-конденсации переносит тепло из зоны нагрева в зону греющих труб-испарителей воды. Нагрев нижней части тепловой трубы может быть осуществлен в топочной камере, которая входит в единый вертикальный блок совместно с ректификационной колонной и испарителем. Топочная камера снабжена горелками, равномерно расположенными в нижней части агрегата. Выделяемое ими тепло тепловая труба передает непосредственно в греющие трубы. Однако нагрев может быть осуществлен с использованием индукционных печей или электрических спиралей.

За счет такой модернизации необходимая площадь блока регенерации метанола уменьшается более чем в четыре раза.

Использование внутренних поверхностей цилиндрических труб для подогрева и испарения воды позволяет минимизировать отложение солей на поверхностях теплообмена. Это достигается за счет нанесения на внутреннюю поверхность труб антиадгезионных покрытий или полировки. Кроме того, внутренняя поверхность труб легко очищается от отложений механическим путем при минимальном демонтаже установки. Специфика работы тепловой трубы обеспечивает постоянную температуру по всей длине труб-испарителей и не допускает перегрева труб в каких-либо областях. Этот эффект также препятствует образованию солевых отложений на трубах.

В дальнейшем разработанный способ будет рассмотрен на примере использования установки регенерации по насыщенному водой метанолу производительностью, равной 2 м³/ч.

Испаритель состоит из 16 греющих вертикальных труб диаметром 70 мм и длиной 1.5 м каждая. Греющие трубы помещены в цилиндрическую часть тепловой трубы диаметром ~1.2 м и расположены равномерно на окружности диаметром ~800 мм. В центре тепловой трубы выполнена цилиндрическая труба диаметром ~0.4 м, которая служит опускной трубой испарителя. В эту трубу поступает пар из греющих труб. Внизу опускная труба и греющие трубы соединены общим коллектором. Вверху греющие трубы выступают над поверхностью тепловой трубы на ~70 мм. Над греющими трубами установлена съемная решетка, ограничивающая унос капельной жидкости.

Из цилиндрической части тепловой трубы в топочную камеру (печь) выступают от 3 до 50 труб диаметром 70 мм и длиной ~1.75 м каждая. Эти трубы вместе с верхней частью объединены общей полостью тепловой трубы, по меньшей мере, частично заполненной рабочей жидкостью (рабочим веществом). Испаряясь в нижней части тепловой трубы под действием тепла горелок и конденсируясь на поверхности греющих труб, рабочая жидкость передает тепло, необходимое для греющих труб. Замкнутая циркуляция рабочего вещества поддерживается действием массовых или капиллярных сил. В корпусе установки над греющими трубами установлены люки. Внизу коллектора под греющими трубами также расположен люк. Эти люки предназначены для очистки внутренней поверхности греющих труб. Все элементы выполнены из стали (предпочтительно Ст20). Боковая поверхность тепловой трубы покрыта теплоизоляцией. Топочная камера имеет внутреннюю футеровку.

В указанном режиме при подаче метанольной воды с расходом 62,5 кг/ч на выходе получают очищенную воду с расходом 24,6 кг/ч и метанол (90% масс.) с расходом 37,9 кг/ч.

Применение разработанного способа позволяет уменьшить размеры используемого оборудования при одновременном уменьшении соляных отложений на поверхности используемой аппаратуры.

1. Способ регенерации метанола из насыщенного водой раствора, включающий подачу насыщенного водой метанола через теплообменник и противонакипное устройство в среднюю часть ректификационной колонны, подачу в нижнюю часть ректификационной колонны из испарителя газообразной среды для разделения смеси метанола и воды с последующим сбором регенерированного метанола, отличающийся тем, что используют объединение испарителя и ректификационной колонны в один вертикальный агрегат, при этом в качестве испарителя используют, по меньшей мере, одну тепловую трубу, в которой расположена, по меньшей мере, одна греющая труба.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют более одного испарителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют испаритель, содержащий более одной греющей трубы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что греющие трубы располагают в каждом испарителе параллельно друг другу и равномерно по объему испарителя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарное поперечное сечение всех греющих труб в одном испарителе составляет не более 70% от величины поперечного сечения испарителя.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют тепловую трубу, в качестве рабочего вещества в которой использован водный раствор метанола.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества тепловой трубы используют водный раствор метанола с содержанием метанола от 30 до 90 масс.%.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газообразной среды в ректификационной колонне используют смесь паров воды и метанола при содержании метанола не выше 5% масс.