способ очистки газа от сероводорода и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки газа от сероводорода, заключающийся в нейтрализации сероводорода путем смешивания сероводородсодержащего газа с жидким поглотительным раствором, содержащим в качестве окислителя соединения трехвалентного железа, и последующей регенерации отработанного раствора путем смешивания его с воздухом, отличающийся тем, что соединения железа одновременно находятся в растворе, как в растворенном, так и в мелкодисперсном состояниях в среде катализатора на основе бишофита, содержащего бихромат щелочного металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание исходного газа и воздуха с поглотительным раствором ведут путем их диспергирования с образованием мелкодисперсных газожидкостной и воздухожидкостной систем.

3. Установка для очистки газа от сероводорода, содержащая абсорбер, регенератор и сепараторы, отличающаяся тем, что каждый абсорбер и регенератор содержит струйный эжектор с диспергатором и последовательно присоединенный к ним трубопроводный змеевиковообразный реактор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке газов, преимущественно углеводородных, в частности к окислительно-жидким процессам очистки газов от сероводорода с получением элементарной серы и может быть использовано в газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности.

Известны способы очистки сероводородсодержащих газов с поглощением сероводорода растворами алканоламинов - МЭА, ДЭА, ТЭА (Коуль А.Л., Резенфельд Ф. С. Очистка газов. -М., 1962. -С. 21-49), где нейтрализация осуществляется путем физико-химической абсорбции, а регенерация сорбента - путем высокотемпературной десорбции. Основная схема процессов очистки газов растворами алканоламинов состоит из абсорбера колонного типа, теплообменников, отпарной колонны и холодильников.

Эти способы имеют ряд недостатков: они энергоемки, металлоемки, установки для очистки сложны, кроме того, требуется большой расход сорбентов, а для очистки кислых газов с получением элементарной серы необходимо строительство установки Клауса, хвостовые газы которой также необходимо доочищать от сероводорода. При малых объемах очищаемого газа методы становятся неэкономичными.

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки газа от сероводорода путем контактирования его со взвесями гидроксида трехвалентного железа с последующей регенерацией поглотительного раствора кислородом воздуха в эжекторе под давлением (а.с. СССР N 645687, кл. B 01 D 53/14, 1977).

Однако этот способ имеет низкие скорости реакции нейтрализации и регенерации, он нетехнологичен из-за малой экономичности и низкой работоспособности в промысловых условиях.

Наиболее близкой к предлагаемой является установка для двухступенчатой очистки газа от сероводорода, содержащая последовательно соединенные реактор-трубопровод, через который прямотоком пропускают исходный газ с поглотительным раствором (1 ступень очистки), орошаемый абсорбер колонного типа (II ступень очистки), газосепараторы и регенератор колонного типа, в котором воздух барботируется через поглотительный раствор (Техника и технология бурения скважин и добычи нефти на нефтяных месторождения ТАССР. - Бугульма, 1983. -С. 111-115.

Недостатком этой установки является малая производительность по газу при относительно высоких энергетических затратах и больших габаритах узлов установки, а также недостаточно высокая степень очистки. Поэтому для небольших объемов перерабатываемого газа она экономически неэффективна.

Технологическая задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении скорости нейтрализации сероводорода и регенерации отработанного поглотительного раствора в целях полной очистки газа от сероводорода с минимальными энергетическими и другими затратами при работе в непрерывном и цикличном режимах.

Указанная цель достигается тем, что очистка газа от сероводорода заключается в нейтрализации сероводорода путем диспергирования сероводородсодержащего газа с жидким поглотительным раствором, содержащим в качестве основного окислителя соединения трехвалентного железа как в растворенном, так и в мелкодисперсном состояниях в среде катализатора, приготовленного на основе природного бишофита, в состав которого входит бихромат щелочного металла, с последующей регенерацией поглотительного раствора кислородом путем идентичного диспергирования его с атмосферным воздухом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности процесса очистки при одновременном упрощении конструкции установки, снижении ее металло- и энергоемкости.

Поставленная задача решается тем, что установка для очистки газа включает два идентичных узла нейтрализации и регенерации (абсорбер и регенератор), где каждый из них содержит струйный эжектор с диспергатором и последовательно присоединенный трубопроводный змеевикообразный реактор за каждым смесителем.

В разработанной технологии в качестве основного окислителя сероводорода предлагаются соединения трехвалентного железа, например, гидроксид железа Fe(OH)₃, который находится в поглотительном растворе в двух формах: растворенной и мелкодисперсной. Две формы гидроксида Fe⁺³ ведут себя по отношению к сероводороду по-разному и выполняют различные технологические задачи. Это способствует повышению вероятности контактирования с сероводородом и кислородом, ускорению реакции нейтрализации и регенерации и в конечном итоге - повышению эффективности всего процесса очистки в целом.

Мелкодисперсные частицы гидроксида Fe⁺³, полученные при смешивании разбавленных солей железа с щелочным раствором бишофитового катализатора, играют основную роль при диспергировании исходного газа и воздуха с поглотительным раствором посредством эжекторного диспергатора. При этом образуются более устойчивые коллоидные смеси "газ - раствор" и "воздух - раствор" с низкой дисперсностью. Это способствует при одной ступени очистки газа получению высоких скоростей реакции нейтрализации и регенерации, тем самым - высокой эффективности процесса очистки.

Растворенный гидроксид Fe⁺³ образуется при взаимодействии его с комплексообразователем и находится в виде "железо - комплексон" (LFe⁺³). Несвязанный Fe (OH)₃ присутствует в виде мелкодисперсных частиц, полученных из разбавленных растворов трехвалентного железа, например хлорного железа, в условиях интенсивного перемешивания в среде катализатора, содержащего хлорид магния.

Применяемый в качестве катализатора процессов нейтрализации и регенерации - солевой водный раствор из природного бишофита, основу которого составляет хлорид магния с содержанием бихромата щелочного металла для дополнительного окисления сероводорода и уменьшения коррозии.

Применяемый катализатор обладает следующими физико-химическими свойствами:

Плотность при 20^oC, кг/м³ - 1150-1200

Динамическая вязкость при 20^oC, мПас - 2,0-4,0

pH - 6,8-8,5

Температура замерзания, ^oC - -30^oC -50

Температура кипения, ^oC - 110-120

Коррозионная активность к стали при 20-100^oC, мм/год - 0,002-0,10

Предлагаемый способ очистки газа от сероводорода осуществляется следующим образом.

Поглотительный раствор, содержащий в качестве основного окислителя гидроксид трехвалентного железа в растворенном и мелкодисперсном состояниях в среде бишофитового катализатора, содержащего бихромат щелочного металла (дополнительный окислитель), смешивают с сероводородсодержащим газом с образованием газожидкостной дисперсной смеси; при этом происходят следующие основные реакции с сероводородом:

2 Fe(OH₃) + 3H₂S _ Fe₂S₃ + 6H₂O;

LFe⁺³ + H₂S + 2OH^- _ LFe⁺² + S + 2H₂O;

2CrO^-₄²+3H₂S+2H₂O _ 2Cr(OH)₃+3S+4OH^-.

Очищенный от сероводорода газ удаляют, а отработанный поглотительный раствор восстанавливают путем смешивания его с атмосферным воздухом; при этом происходит процесс регенерации окислителей кислородом воздуха по уравнениям:

2Fe₂S₃ + 3O₂+ 6H₂O _ 4Fe(OH)₃ + 6S;

LFe⁺² + O₂ + 2H₂O _ LFe⁺³ + 4OH^-;

2CR(OH)₃+O₂+3OH^- _ 2CrO^-₄²+3H₂O.

Процесс очистки газа идет с выделением элементарной серы в виде водяной пульпы. Суммарная реакция процесса нейтрализации сероводорода протекает следующим образом:

H₂S + 1/2 O₂ _ S + H₂O.

Таким образом, разработанный процесс очистки газа состоит из двух раздельных последовательных операций: во-первых, нейтрализация сероводорода поглотительным раствором, во-вторых, регенерация поглотительного раствора кислородом воздуха. Обе операции ведутся самостоятельно в условиях окружающей среды при температуре в пределах от -20 до +50^oC, т.е. без энергозатрат.

На основе вышесказанного была разработана установка для очистки газа от сероводорода (см. чертеж), которая содержит центробежный насос 1, нейтрализатор (абсорбер), состоящий из эжекторного диспергатора 2 и трубопроводного реактора 3, газосепаратор 4, регенератор, выполненный аналогично абсорберу в виде эжекторного диспергатора 5 и трубопроводного реактора 6, и второй сепаратор 7.

Установка работает следующим образом.

Исходный сероводородсодержащий газ, подлежащий обработке, подают на всасывающий вход диспергатора 2, куда одновременно насосом 1 подают поглотительный раствор-нейтрализатор сероводорода, где происходит их смешивание и образование газожидкостной дисперсной смеси, а следовательно, и реакция нейтрализации сероводорода окислителями.

Газожидкостная смесь проходит через трубопроводный реактор 3, где и заканчивается реакция нейтрализации сероводорода, и далее поступает в газовый сепаратор 4, в котором происходит фазовое разделение. Очищенный газ удаляется из верхнего отвода сепаратора и отправляется потребителям.

Отработанный поглотительный раствор из газосепаратора 4 поступает во второй диспергатор 5, где он смешивается с атмосферным воздухом с образованием воздухожидкостной смеси и началом регенерации окислителей.

Воздухожидкостная смесь проходит через трубопроводный реактор 6, где и заканчивается реакция регенерации окислителей, далее смесь поступает в сепаратор 7, в котором происходит разделение. Отработанный воздух удаляется с верхнего отвода сепаратора в окружающую среду, а отрегенерированный (восстановленный) поглотительный раствор с нижней части сепаратора 7 возвращается вновь в цикл на повторную нейтрализацию сероводорода (на рециркуляцию).

Полученная серная пульпа отпускается на переработку.

Данная технология (способ и установка) успешно прошла лабораторные и промысловые испытания по очистке нефтяного газа от сероводорода. Степень очистки составила более 98% при работе в условиях окружающей среды без нагрева или охлаждения.