книги / Переработка нефтяных и природных газов

Температура глико­ ля, поступающего

всекцию регене-

В практике ингибирования используют в основном растворы гликолей концентрацией 60—80% масс. В этом случае точка росы газа по воде и углеводородам на выходе из сепаратора 3 равна примерно температуре сепарации. Если концентрацию гликоля повысить, то при условии хорошего контакта температура точки росы газа по влаге может быть ниже температуры газа, выходя­ щего из сепаратора 3 (рис. III.5) [11].

Выбор гликоля (ЭГ, ДЭГ, ТЭГ) зависит от температуры замер­ зания их водных растворов, вязкости, степени понижения темпера­ туры гидратообразования для данной концентрации гликоля, рас­ творимости гликоля в углеводородном конденсате, температуры сепарации и состава газа. Температура замерзания рабочего рас­ твора гликоля (образующегося после смешения исходного гликоля с выделяющейся из газа влагой), должна быть ниже минимально возможной температуры в системе. Эта температура определяется по графику, представленному на рис. III.6 [11].

Рис. III.5.

Равновесная точка росы газа по влаге над растворами этиленгли­ коля различной концентрации»

Ниже приведены предельно допустимые концентрации водных растворов гликолей (в % масс.), которые необходимо поддерживать в системе при различных температурах процесса 12 ]:

121

О10 20 30 W 50 60 10 80 90 100

гликоль; 5 — этиленгликоль.

За рубежом в качестве ингибитора чаще всего применяют диэти­ ленгликоль (ДЭГ), поскольку он имеет небольшое давление насы­ щенных паров и сравнительно мало растворим в углеводородном конденсате. В отечественной практике большее распространение получил этиленгликоль, так как он меньше растворяется в газо­ вом конденсате. Потери гликоля от растворимости в углеводородах 0,25—0,75 л на 1000 л извлекаемого из газа конденсата и опреде­ ляются в основном содержанием в конденсате ароматических уг­ леводородов [2]. Если газ в процессе переработки охлаждается до низких температур, его необходимо осушать.

МЕТОДЫ ОСУШКИ ГАЗА

Газ осушают с целью извлечения из него паров воды и обеспечения температуры точки росы газа по воде более низкой, чем минималь­ ная температура, которая может быть в системах транспортирова­ ния или переработки газа. В промышленности наибольшее распро­ странение получили следующие методы осушки газа: абсорбция влаги гигроскопическими жидкостями, адсорбция влаги активи­ рованными твердыми осушителями, конденсация влаги за счет сжатия и (или) охлаждения газа.

Абсорбционный метод

Абсорбционный метод широко применяют для осушки газа на головных сооружениях магистральных газопроводов и газопере­ рабатывающих заводах. В качестве абсорбентов — осушителей используют концентрированные водные растворы моно-, ди- и три-

122

этиленгликолей. Ниже приведены сведения о достоинствах и не* достатках различных гликолевых осушителей [2]:

дэг

Раствор 10—30% МЭА, )—859о ДЭГ, 5—10% воды

Осушка газа этими абсорбентами основана на разности парци­ альных давлений водяных паров в газе и абсорбенте./Значения равновесной точки росы газа, которые можно в принципе обеспе­ чить водными растворами гликолей, определяются по графикам, приведенным на рис. III.5, III.7 и III.8 121.

На промышленных установках осушить газ до равновесной точки росы невозможно, так как он контактирует с гликолем рас­ четной концентрации только на одной верхней тарелке, а на осталь­ ных тарелках газ контактирует с более разбавленным раствором гликоля (разбавление происходит в результате насыщения абсор­ бента водой). Поэтому на технологических установках фактическая точка росы осушенного газа на 5—11 °С выше равновесной [121. При этом осушка газа гликолями производится обычно до точки росы не ниже —25—30 °С; для более глубокой'осушки необходимы растворы с высокой концентрацией гликоля, что^сопряжено с оп­ ределенными трудностями (использование таких осушителей при­ водит к увеличению потерь гликолей с осушенным газом). Для полу­ чения на установках осушки высококонцентрированных гликолей регенерацию осушителей необходимо проводить в присутствии

123

Рис. III.7 .

Равновесная точка росы газа по влаге над растворами ДЭГ различной концентрации. Цифры на прямых — содержание ДЭГ в растворе, % масс.

Рис. I I I . 8.

Равновесная точка росы газа по влаге над растворами ТЭГ различной концентрации» Цифры на прямых — содержание ТЭГ в растворе, % масс.

инертного газа и др. В последние годы высококонцентрирован­ ные гликоли стали использовать в промышленности для осушки

ческими свойствами осушителя, температурой и давлением, эф­ фективностью контакта газа и абсорбента, массой циркулирующего в системе осушителя и его вязкостью [6].

На рис. III.9 представлена принципиальная технологическая схема осушки газа абсорбционным методом. Влажный газ на­ правляется в нижнюю часть абсорбера /, а концентрированный гликоль подается на верхнюю тарелку абсорбера. С верха абсор­ бера уходит осушенный газ, с низа — обводненный гликоль. Газ направляется потребителям, а гликоль далее нагревается в ре­ куперативном теплообменнике 2 и поступает в выветриватель 5, где из него выделяются поглощенные в абсорбере углеводороды (конденсат). После выветривателя 3 гликоль нагревается в реку­ перативном теплообменнике 4 и поступает в десорбер 5. С верха десорбера 5 отводятся пары воды и оставшееся количество газа, с низа — регенерированный гликоль, который после охлаждения

124

Принципиальная технологическая

схема установки осушки газа гли-

колями:

/ — абсорбер; 2 % 4 — теплообмен­ ники; 3 — выветриватель; 5 — десорбер; в —- рибойлер; 7 — холо­ дильник; 8 — емкость для диэтилеигликоля; о — насос. / — осу­ шаемый газ; I I — осушенный газ;

/ / / — газ выветривания; /К — во­ дяной пар в атмосферу; V — све­ жий диэтнленглнколь; VI — реге­

нерированный гликоль.

в рекуперативных теплооб­ менниках 4, 2 и холодиль­ нике 7 поступает в емкость 8, откуда забирается насо­ сом 9 и подается в абсор­

бер 1 (в емкость 8 можно подавать свежий гликоль при необ­ ходимости восполнения потерь гликоля).

При накоплении в системе углеводородного конденсата абсорбционная способность гликолей уменьшается. Иногда при попадании конденсата в абсор­ бер происходит вспенивание раствора, что приводит к механическому уносу гликоля (для снижения уноса над верхней тарелкой абсорбера устанавливают специальные отбойные устройства).

Верхний предел температуры процесса абсорбционной осушки газа определяется допустимой величиной потерь гликолей от ис­ парения — практически он составляет около 38 °С; нижний предел ограничивается снижением влагопоглощающей способности аб­ сорбента в результате повышения вязкости гликоля. Минимальная температура контакта для гликолей равна примерно 10 °С [5].

Влияние удельного расхода и концентрации осушителя на депрессию точки росы газа при использовании ТЭГ показано на рис. ШЛО [13]. Из рисунка видно, что при увеличении содержа­ ния воды в абсорбенте влияние удельного расхода ТЭГ на депрес­ сию' точки росы уменьшается. Влияние удельного расхода осу­ шителя на глубину осушки газа уменьшается при достижении не­ которого его значения. Большая часть установок осушки газа ТЭГ эксплуатируется при удельном орошении 10—35 л раствора на 1 кг извлекаемой из газа влаги (Н20) [2].

125

Наибольшее влияние на величину депрессии точки росы газа оказывает концентрация гликоля, подаваемого в абсорбер. Как видно из рис. III. 10, с повышением концентрации депрессия точки росы газа увеличивается больше, чем при увеличении удельного расхода осушителя.

Концентрация гликоля в абсорбенте определяется температу­ рой его регенерации. При температуре выше 164,4 °СДЭГ частично разлагается, а при 206,7 °С происходит разложение ТЭГ [10]. При регенерации гликолей под атмосферным давлением получить раствор с концентрацией более 97—98% масс, практически не­ возможно, так как температура низа десорбера должна быть выше указанных температур, что недопустимо по условиям химической их стабильности. Поэтому гликоли часто регенерируют под ва­ куумом, который создается в десорбере при конденсации паров воды в конденсаторе-холодильнике и поддерживается за счет удаления из системы несконденсировавшихся газов эжектором или вакуумным насосом.

На рис. III. 11 показана принципиальная технологическая схе­ ма процесса абсорбционной осушки газа с вакуумной регенера­ цией гликоля. Влажный газ поступает в низ абсорбера 1, а кон­ центрированный гликоль подается насосом 2 на верхнюю тарелку абсорбера. С верха абсорбера уходит осушенный газ, с низа — насыщенный водой гликоль, который направляется на регенера­ цию. Он нагревается в рекуперативном теплообменнике 5 за счет

Рис. III.11.

Принципиальная технологическая схема абсорбционной осушки газа с вакуумной реге­ нерацией гликоля:

126

теплообмена с регенерированным гликолем и поступает в выветриватель 6, где из него удаляются поглощенные в абсорбере углево­ дороды. Разгазированный гликоль проходит рекуперативный теп­ лообменник 7 и поступает в среднюю часть десорбера 9, в котором поддерживается абсолютное давление 10—13 кПа. За счет подачи водяного пара в рибойлер 13 температура в нижней кубовой части десорбера поддерживается в пределах 190—204 °С. При этих ус­ ловиях из ТЭГ отпаривается вода и концентрация его возрастает до 99,5% масс.

Регенерированный гликоль забирается с низа десорбера на­ сосом 8, прокачивается через теплообменники 7 и 5, в которых охлаждается потоком насыщенного гликоля, затем доохлаждается в холодильнике 4 водой и поступает в емкость 3, откуда забирается насосом 2 и подается на верх абсорбера 1. При температуре в аб­ сорбере 30 °С и концентрации ТЭГ 99,0—99,5% масс, точка росы газа по влаге снижается от —18 °С до —25 °С.

Для получения гликоля концентрацией более 99% масс, на­ ряду с вакуумной регенерацией широко применяют способ реге­ нерации гликолей с помощью отдувочного газа (стриппинг-газ), позволяющий получить ДЭГ и ТЭГ концентрацией 99,5—99,9% [14]. Обычно в качестве отдувочного газа используют отбензинен­ ный газ, который подают в рибойлер или непосредственно в ниж­ нюю кубовую часть десорбера. Стриппинг-газ уменьшает парциаль­ ное давление водяного пара над раствором, что способствует переходу воды из жидкой фазы в паровую. Влияние удельного расхода отдувочного газа на регенерацию триэтиленгликоля пока­ зано на рис. III. 12 [14]. Как видно из рисунка, более высокая эффективность регенерации обеспечивается при подаче газа не­ посредственно в низ десорбера. Количество отдувочного газа оп­ ределяют по уравнению Крейсера, которое широко используется для расчета процессов абсорбции и десорбции.

Гликоль высокой концентрации можно получить, применяя азеотропную регенерацию (в этом случае требуется более низкая температура). Азеотропные агенты образуют с водой соответствую­ щие азеотропы. Температура кипения азеотропного агента должна быть ниже температуры разложения осушителя. При такой регене­ рации ДЭГ и ТЭГ в качестве азеотропного агента рекомендуется

127

Рис. III.1 3 .

дильники; 5 — первичная отпарная

ТЭГ; X — газы выветривания; XI —

смесь пентана и ТЭГ.

Фирма Притчард для эффективного использования гигроскопи­ ческих свойств высококонцентрированных растворов гликолей и уменьшения их потерь с сухим газом разработала схемы одно- и

секций массообмена: верхней и нижней. Конструктивно они оди­ наковы, но на верхнюю тарелку верхней секции — второй по ходу газа — подается более концентрированный гликоль, чем на верх­ нюю тарелку нижней секции абсорбера. Концентрация гликоля, поступающего в секции, равна соответственно 99,95 и более 99,0% масс. Газ, поступающий в низ абсорбера 1, осушается частично в первой секции и до более низкой точки росы — во второй секции. При этом точка росы газа на выходе из абсорбера может достигать —84,4 °С. Регенерация гликоля в данном случае имеет свои осо­ бенности: воду из^'насыщенного осушителя отпаривают в двух ап­ паратах — в десорбере 5 концентрация гликоля увеличивается до 99%, масс, а в десорбере 6 — до 99,95% масс, за счет подачи отдувочного газа (предварительно нагретого до температуры низа десорбера). Применение двухступенчатой схемы регенерации обес­ печивает экономию топлива и снижение расхода отдувочного газа, особенно при осушке газа с высоким влагосодержанием. В про­ цессе фирмы Притчард для предотвращения уноса ТЭГ с осушен­ ным газом предусматривается промывка газа пентаном в верхней части абсорбера (это ограничивает возможности процесса).

Адсорбционные методы

При необходимости достижения высокой депрессии точки росы по влаге (100—120 °С) и обеспечения глубокой осушки газа (до точки росы —85-ь —100 °С) используют, как правило, адсорбцион­ ные методы извлечения влаги из природных и нефтяных газов. Адсорбция — это процесс концентрирования веществ на поверх-

128

ции зависит от массы поглощаемого адсорбата (извлекаемого из газа вещества) и его физико-химических свойств.

Адсорбционные процессы можно проводить периодически в ап­ паратах с неподвижным слоем адсорбента и непрерывно в аппара­ тах с движущимся слоем адсорбента. Непрерывные процессы не получили широкого распространения из-за сложности аппаратур­ ного и технологического оформления. На установках с периодиче­ ским процессом адсорбции предусматривается, как минимум, три или два адсорбера — в первом случае в одном адсорбере проводят адсорбцию, в другом — десорбцию поглощенного из газа веще­ ства, в третьем — охлаждение адсорбента. При совмещении в од­ ном аппарате циклов регенерации и охлаждения сорбента уста­ навливают два адсорбера.

В процессе адсорбционной осушки все поглощенные из газа компоненты адсорбируются с различной скоростью. Поэтому в слое адсорбента имеется одновременно несколько адсорбционных зон, которые формируются в начале цикла и перемещаются в адсорб­ ционном слое. Из всех поглощаемых компонентов в первую очередь поглощаются пары воды. При этом образуется соответствующий адсорбционный фронт, который перемещается в направлении дви­ жения газа. В момент, когда этот фронт достигнет последнего по ходу газа слоя адсорбента, содержание влаги в осушенном газе внезапно начинает увеличиваться, что свидетельствует о насыще­ нии адсорбента парами воды и необходимости прекращения про­ цесса адсорбции в этом аппарате. При «проскоке» влаги сырой газ направляют в другой адсорбер, где до этого регенерировали осушитель.

На промышленных установках адсорбент регенерируют про­ дувкой слоя поглотителя горячим потоком природного или нефтя­ ного газа (иногда для этой цели используют инертные газы). Для регенерации адсорбентов, за исключением цеолитов, газ на­ гревают обычно до 176—204 °С. Цеолиты регенерируют при 316— 370 °С (при необходимости достижения максимальной адсорбцион­ ной емкости и обеспечения точки росы газа от —85 до — 100 °С) 1171]. Объем газа регенерации составляет 5— 15% от общей про­ изводительности установки осушки [18]. При расчете теплового баланса установки исходят из того, что количество тепла, поступа­ ющего на регенерацию, должно быть достаточным для компенса­ ции теплоты испарения адсорбированной воды и нагрева адсорб­ ционного слоя до температуры, при которой начнется десорбция воды.

Изучение процесса адсорбционной осушки газа на установке со стационарным слоем адсорбента показало, что при регенерации адсорбента (цеолит NaA) зависимости, характеризующие интен­ сивность тепло- и массообмена в некоторые фиксированные мо­ менты "времени, изменяются синхронно и имеют несколько ано­ мальных участков [19]. При этом был выделен период образова­ ния температурного (концентрационного) фронта, период переме-

130