Способ дегидратации газов
Изобретение относится к способу дегидратации газов посредством использования гигроскопических жидкостей. Способ дегидратации газов включает поглощение паров воды гигроскопической жидкостью, состоящей, по существу, из одного или более С2-С8 гликолей, и добавки, состоящей из алифатических спиртов с числом атомов углерода в диапазоне от 5 до 8 или их смесей, и изопропилбензола при мольном соотношении гликоль/пары воды от 6,5 до 65, перегонку смеси гликоль/вода/добавка с получением верхнего продукта, состоящего, по существу, из азеотропной смеси (вода + добавка), и кубового продукта, состоящего из гликоля и добавки, возвращение кубового продукта перегонки на стадию абсорбции, разделение в, по меньшей мере, двухфазном сепараторе верхнего продукта перегонки, который разделяют на одну фазу, состоящую, по существу, из добавки, возвращаемой на стадию перегонки, и другую фазу, состоящую по существу из воды, которую выводят из установки. Технический результат: абсорбция воды увеличивается и потери гликоля сводятся к минимуму. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 7 табл.
Данное изобретение относится к способу дегидратации газов.
Более конкретно, данное изобретение относится к способу дегидратации газа посредством использования гигроскопических жидкостей.
Еще более конкретно, данное изобретение относится к способу дегидратации газа посредством использования гигроскопических жидкостей с их последующей регенерацией и рециклированием.
Многие промышленные газы, такие как природный газ или не конденсирующийся газ, получаемый при перегонке, могут содержать растворенные пары воды в различных количествах в зависимости от температуры и давления. Дегидратационная обработка может предохранить от образования льда и/или гидратов (которые могут вызвать последующие изменения при сжатии и/или охлаждении газа) и помочь снизить явление коррозии труб, вентилей и (других) устройств в ходе транспортировки, хранения и использования газа.
Имеется по меньшей мере три коммерческих/промышленных способа удаления паров воды из газов: поглощение гигроскопическими жидкостями, поглощение дегидратирующими твердыми веществами и конденсация посредством сжатия и/или охлаждения. Среди этих способов наиболее обычно используемым является дегидратация гигроскопическими жидкостями (особенно гликолями). Среди обычно применяемых гликолей, например при дегидратации природного газа, наиболее часто используемым гликолем является триэтиленгликоль (ТЭГ), хотя используют также и другие гликоли и полигликоли с числом атомов углерода в диапазоне от 2 до 8. Эти продукты используют из-за их высокой гигроскопичности, их относительно низкого давления пара и их относительно хорошей химической стабильности.
На обычном заводе для удаления паров воды из газообразных потоков поток гликоля, содержащего количество воды обычно ниже 2 мас.%, приводят в контакт с газом в абсорбционной колонне, в условиях противотока, так, чтобы можно было абсорбировать влагу в газе. Температура в абсорбционной колонне обычно не превышает 40°С. Фактически низкая температура улучшает абсорбцию воды и дает возможность свести к минимуму дальнейшие потери гликоля, в то время как следует избегать слишком низких температур из-за того, что эффективность массопереноса снижается по мере увеличения вязкости гликоля. Например, если используют ТЭГ, рекомендуют, чтобы температура в колонне не падала ниже 16°С.
Обогащенную водой фазу гликоля удаляют из нижней части абсорбционной колонны, обычно пропускают через конденсатор, буферную емкость, теплообменник и направляют в регенератор, где оставшуюся абсорбированную воду отделяют от гликоля посредством перегонки. Регенераторы гликоля обычно работают под давлением, близким к атмосферному давлению.
Необходимость свести к минимуму деградацию гликоля определяет для каждого типа гликоля максимальную температуру, при которой работает ребойлер, и это будет влиять на чистоту регенерированного гликоля, который затем подают в верхнюю часть абсорбционной колонны.
Таблица 1, приведенная ниже, приводит, исключительно для примера, некоторые данные, относящиеся к максимальной температуре, при которой следует обрабатывать гликоли, и, следовательно, к максимальной степени чистоты, которой можно достичь с различными типами гликолей в процессе их регенерации при атмосферном давлении и в отсутствии продувочного газа.
| Таблица 1 | ||||
| ЭГ | ДЭГ | ТЭГ | Тетра-ЭГ | |
| С2Н6O2 | С4Н10О3 | C6H14O4 | C8H18O5 | |
| Молекулярная масса | 62 | 106 | 150 | 194 |
| Удельная масса (г/см 3) | 1,115 | 1,118 | 1,125 | 1,244 |
| Температура плавления (°С) | -13 | -10 | -7 | -5 |
| Температура кипения (атм. °С) | 197 | 245 | 286 | 314 |
| Давление пара при 25°С (Па) | 12,24 | 0,27 | 0,05 | 0,007 |
| Максимальная рабочая температура - Тmах(°С) (***) | 163 | 177 | 204 | 225 |
| Максимальная чистота (мас.%) (**) | 95,8 | 97,0 | 98,6 | 99,3 |
| Температура точки росы - макс. снижение (°С) | 12 | 16 | 29 | 35 |
где (*) - температура, при которой разложение гликоля быстро возрастает; (**) - максимально допустимая концентрация в ребойлере при атмосферном давлении.
Так как скорость дегидратации используемого гликоля оказывает значительное воздействие на эффективность дегидратационной обработки газа, были разработаны несколько различных способов и процессов для увеличения скорости дегидратации до величины, превышающей значения, указанные в Таблице 1. Все они основаны на принципе снижения парциального давления Н2O в паровой фазе регенератора гликоля.
Двумя из наиболее часто используемых способов снижения парциального давления воды в регенераторе являются применение продувочного газа при регенерации и снижение рабочего давления регенератора ниже атмосферного давления. Оба эти решения имеют недостаток увеличения проблем, связанных с выделением загрязняющих веществ (углеводородов, особенно ВТХ, которые могут присутствовать в природном газе), которые затем могут попадать в газы, выходящие из верхней части регенератора. В таких случаях этот газ следует или обработать, или сжечь.
Заявители открыли способ дегидратации газов с помощью абсорбции гигроскопическими жидкостями, который предлагает более высокую эффективность удаления воды из газов по сравнению со способами предшествующего уровня техники и не проявляет вышеупомянутых недостатков.
Таким образом, предметом данного изобретения является способ дегидратации газов, например природного газа, включающий:
а) поглощение паров воды гигроскопической поглотительной жидкостью, состоящей, по существу, из одного или более гликолей С2-С8 и добавки, способной образовывать с водой азеотроп минимального типа, выбранной из группы, состоящей из:
алифатических спиртов с числом атомов углерода в диапазоне от 5 до 8, или их смесей и
кумола (изопропилбензола),
при мольном соотношении гликоль/пары воды от 6,5 до 65;
б) перегонку смеси гликоль/вода/добавка для получения верхнего продукта, состоящего, по существу, из азеотропной смеси (добавка + вода) и кубового продукта, состоящего, по существу, из гликоля и добавки;
в) возвращение кубового продукта перегонки (гигроскопической абсорбирующей жидкости) на стадию абсорбции;
г) разделение в по меньшей мере двухфазном сепараторе верхнего продукта перегонки, который разделяют на одну фазу, состоящую, по существу, из добавки, возвращаемой в процесс перегонки, и другую фазу, состоящую, по существу, из воды, выводимой за пределы установки.
Согласно этому изобретению добавку можно использовать в концентрациях от 2 до 20 мас.% по отношению к гликолю. Предпочтительную добавку выбирают из кумола или алифатического спирта с числом атомов углерода 6 или 7 или их смеси.
Поглощение паров воды происходит в колонне тарельчатого типа или в насадочной колонне, где насадка расположена или упорядоченно, или по всему объему, путем подачи сырого газа в нижнюю часть колонны, а гигроскопической жидкости - в верхнюю часть колонны. Абсорбция обычно происходит при температуре от 10 до 50°С и при приемлемом давлении газа. В случае природного газа абсорбция может происходить при давлении, имеющемся в сборной емкости добывающей скважины, или же при давлении, которое в существенной мере близко к давлению в сборной емкости, если газ поступает с предшествующей стадии очистки, такой как удаление/снижение содержания азота иди сероводорода, или любых других загрязняющих веществ, которые могут присутствовать.
После дегидратации газа обогащенную водой поглотительную жидкость направляют на установку регенерации. Регенерацию обычно проводят при давлении окружающей среды в перегонной колонне, работающей при температуре в кубе (температуре ребойлера) в диапазоне от 150 до 225°С, и эта температура не должна в любом случае превышать максимальные рабочие температуры для каждого типа используемых гликолей, как показано в Таблице 1. В случае дегидратации природного газа, проводимой по существу при давлении, имеющемся в сборной емкости добывающей скважины, гигроскопическую жидкость после абсорбции подвергают одной или более стадиям расширения, по существу, до давления в перегонной колонне, перед тем, как направить ее в эту же перегонную колонну.
Поглощающую жидкость извлекают из куба перегонной колонны, где остаточная концентрация воды всегда ниже, чем концентрация, которую можно получить в отсутствие добавки, при этом все остальные рабочие условия остаются прежними. После отвода тепла в подходящем теплообменнике этот поток накачивают системой насосов до рабочего давления поглотительной колонны, а затем подают в эту колонну. Легкую фракцию отбирают из верхней части колонны, конденсируют ее и затем направляют в по меньшей мере двухфазный сепаратор, где разделяют на две фазы, одну - состоящую из смеси вода/добавка, которую затем возвращают в перегонную колонну, и другую, состоящую из избыточной воды, извлеченной в ходе стадии абсорбции, которую затем выгружают. В общем случае этот сепаратор может также быть сепаратором трехфазного типа, если в потоке, отбираемом из верхней части колонны, присутствуют также не конденсирующиеся газы.
Способ дегидратации газов, предмет данного изобретения, можно понять лучше, рассматривая схему на приложенном чертеже, которая изображает приведенный для примера и не ограничивающий данное изобретение пример его реализации.
Обращаясь к этому чертежу, данный способ можно осуществить посредством устройства, которое включает поглотительную колонну тарельчатого типа (1) и перегонную колонну (2), снабженную ребойлером (3). Это устройство включает также блок расширения (4), два теплообменника (5) и (6), обслуживающие перегонную колонну (2), блок фильтрации (7), накопительную емкость (8), насос для рециркуляции (9), охлаждающее устройство (10) для охлаждения возвращаемой в процесс гигроскопической жидкости до рабочей температуры поглотительной колонны (1) и, наконец, трехфазный сепаратор (11) для разделения продуктов, отбираемых из верхней части перегонной колонны (2).
Влажный газ (12) подают в куб поглотительной колонны тарельчатого типа (1), в то время как регенерированную гигроскопическую жидкость (13) подают в верхнюю ее часть. По мере того, как газ протекает по колонне снизу вверх, он встречает жидкость, стекающую вниз, дегидратируется и затем его выпускают из верхней части колонны посредством клапана (14).
Обогащенную водой поглотительную жидкость подают в первый теплообменник (5), где конденсируют верхние продукты (15) перегонной колонны (2); затем их заставляют расширяться в блоке расширения (4), из которого выпускают образованные в ходе расширения газы (16), и затем ее направляют в виде потока (17) в теплообменник (6), где ее нагревают до температуры питания перегонной колонны (2), и в блок фильтрации (7).
Верхний продукт перегонной колонны (2) направляют посредством (18) в трехфазный сепаратор (11) для того, чтобы получить нижний слой жидкости (19), состоящий, по существу, из воды, извлеченной из газа в (1), который затем направляют в установки обработки воды, верхний слой жидкости (20) (добавка + вода), который возвращают в колонну (2), и, возможно, поток газа (21), который следует направить на сжигание или прямо выбросить в атмосферу.
Регенерированную гигроскопическую жидкость возвращают в поглотительную колонну (1). Более конкретно, кубовый поток нагревают до максимальной рабочей температуры перегонной колонны в ребойлере (3), затем его частично возвращают в перегонную колонну и частично направляют в накопительную емкость (8), охлаждают в теплообменнике (6) и снова подают в колонну (1) насосом (9) в виде потока (13). Если это необходимо, охлаждающее устройство (10) может снизить температуру жидкого потока (13) до оптимального значения, необходимого для дегидратации газа.
Ниже приведены, со ссылкой на схему, представленную на прилагаемом чертеже, несколько иллюстративных и не ограничивающих примеров.
Пример 1 (сравнительный)
Экспериментальную проверку материальных балансов блока (2) перегонки и сепаратора (11) провели с использованием установки пилотного масштаба. Перегонная установка была настроена для работы при температуре в бойлере 200°С и давлении 102 кПа. Дистиллят собрали, оценили его количество и проанализировали. Когда дистиллят был разделен на несколько фаз, отдельные фазы были разделены, оценены по количеству и проанализированы. Материальные балансы для каждого теста были сведены с большой степенью точности
В Таблице 2 приведены результаты для смеси Н2О/триэтиленгликоль.
| Таблица 2 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 100,00 | 0,00 | 3,09 | 96,91 |
| Н2O (мас.%) | 4,65 | 0,00 | 100,00 | 1,61 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 95,35 | 0,00 | 0,00 | 98,39 |
| Гликоль/вода (мол.) | 7,33 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
Пример 2
В Таблице 3 приведены результаты, полученные для смеси Н2O/1-гексанол/триэтиленгликоль при использовании таких же рабочих условий, как и в вышеприведенном Примере 1:
| Таблица 3 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 98,11 | 1,89 | 4,27 | 93,84 |
| H2O (мас.%) | 4,97 | 6,90 | 100,00 | 0,65 |
| 1-гексанол (мас.%) | 7,58 | 93,10 | 0,00 | 7,93 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 87,44 | 0,00 | 0,00 | 91,42 |
| Гликоль/вода (мол.) | 16,86 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
Пример 3
В Таблице 4 приведены результаты, полученные для второй смеси Н2O/1-гексанол/триэтиленгликоль при использовании таких же рабочих условий, как и в вышеприведенном Примере 2:
| Таблица 4 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 94,43 | 5,57 | 4,41 | 90,02 |
| Н2O (мас.%) | 4,83 | 6,52 | 99,78 | 0,17 |
| 1-гексанол (мас.%) | 9,15 | 93,48 | 0,22 | 9,59 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 86,02 | 0,00 | 0,00 | 90,24 |
| Гликоль/вода (мол.) | 63,63 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
Пример 4
В Таблице 5 приведены результаты, полученные для второй смеси Н2O/1-гептанол/триэтиленгликоль при использовании таких же рабочих условий, как и в вышеприведенном Примере 1:
| Таблица 5 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 98,72 | 1,28 | 4,28 | 94,44 |
| Н2O (мас.%) | 4,81 | 5,21 | 99,71 | 0,51 |
| 1-гептанол (мас.%) | 12,88 | 94,79 | 0,29 | 13,45 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 82,31 | 0,00 | 0,00 | 86,04 |
| Гликоль/вода (мол.) | 20,22 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
Пример 5
В Таблице 6 приведены результаты, полученные для смеси Н2O/кумол/триэтиленгликоль при использовании таких же рабочих условий, как и в вышеприведенном Примере 1:
| Таблица 6 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 93,48 | 6,52 | 4,35 | 89,12 |
| Н2O (мас.%) | 5,02 | 0,06 | 100,00 | 0,38 |
| Кумол (мас.%) | 2,93 | 99,94 | 0,00 | 3,07 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 92,05 | 0,00 | 0,00 | 96,55 |
| Гликоль/вода (мол.) | 30,45 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
Пример 6
В Таблице 7 приведены результаты, полученные для второй смеси Н2O/кумол/триэтиленгликоль при использовании таких же рабочих условий, как и в вышеприведенном Примере 5.
| Таблица 7 | ||||
| Баланс перегонной колонны (2) и сепаратора (11). Рабочие условия для ребойлера (3): Т = 200°С, Р = 102 кПа | ||||
| Поток | (17) | (20) | (19) | (13) |
| Распределение (мас.%)(1) | 89,98 | 10,02 | 4,30 | 85,67 |
| Н2O (мас.%) | 5,01 | 0,06 | 100,00 | 0,24 |
| Кумол (мас.%) | 4,07 | 99,94 | 0,00 | 4,27 |
| Триэтиленгликоль (мас.%) | 90,92 | 0,00 | 0,00 | 95,49 |
| Гликоль/вода (мол.) | 47,69 | |||
| (1)(17)+(20)=100; (19)+(13)=(17) |
1. Способ дегидратации газов, состоящий из следующих стадий:
а) поглощение паров воды гигроскопической жидкостью, состоящей, по существу, из одного или более С2-С8 гликолей и добавки, способной образовывать с водой азеотроп минимального типа, выбранной из группы, состоящей из:
алифатических спиртов с числом атомов углерода в диапазоне от 5 до 8
или их смесей и
изопропилбензола,
при мольном соотношении гликоль/пары воды от 6,5 до 65;
б) перегонка смеси гликоль/вода/добавка с получением верхнего продукта, состоящего, по существу, из азеотропной смеси (добавка + вода), и кубового продукта, состоящего, по существу, из гликоля и добавки;
в) возвращение кубового продукта перегонки (гигроскопической поглощающей жидкости) на стадию абсорбции;
г) разделение в, по меньшей мере, двухфазном сепараторе верхнего продукта перегонки, который разделяют на одну фазу, состоящую, по существу, из добавки, возвращаемой на стадию перегонки, и другую фазу, состоящую, по существу, из воды, которую выводят из установки.
2. Способ по п.1, где добавку используют в концентрациях от 2 до 20 мас.% по отношению к гликолю.
3. Способ по п.1, где добавка состоит из алифатического спирта с числом атомов углерода 6 или 7 или их смеси или изопропилбензола.
4. Способ по п.3, где добавка представляет собой 1-гексанол или 1-гептанол или их смесь.
5. Способ по п.1, где абсорбцию проводят при температуре от 10 до 50°С.
6. Способ по любому из пп.1-5, где газ является природным газом.
