способ очистки и осушки газа и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки и осушки газа, основанный на короткоцикловой безнагревной адсорбции, включающий адсорбцию очищаемых компонентов, регенерацию адсорбента, приводимую путем снижения давления газа в адсорбере, продувки адсорбента очищенным и осушенным газом под низким давлением, и повышение давления газа в адсорбере до рабочего значения после регенерации, отличающийся тем, что продувочный газ при снижении давления разделяют на горячий и холодный потоки в вихревой трубке, продувают адсорбент горячим потоком, снижают давление в адсорбере ниже продувочного и откачивают продукты очистки, повышают давление до величины продувки, которую ведут холодным потоком при температуре ниже температуры очищаемого газа.

2. Устройство для очистки и осушки газа, содержащее адсорберы, например, со смешанным адсорбентом, соединенные с коллектором подачи очищаемого и с коллектором отвода очищенного и осушенного газа, ресивер, установленный на последнем, коллектор сброса продувочного газа, отличающееся тем, что оно снабжено вихревой трубкой и эжектором, установленным после ресивера, и теплообменником, установленным между ресивером и вихревой трубкой и на коллекторе сброса продувочного газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к очистке и осушке газа.

Известен способ очистки и осушки газа, основанный на короткоцикловой адсорбции, включающей адсорбцию очищаемых компонентов, горячую регенерацию адсорбента и его охлаждение. При этом регенерацию адсорбента обычно проводят нагретым газом температурой до 620^oK за счет подвода внешней тепловой энергии [1].

Основной недостаток указанного способа - это высокая энергоемкость процесса регенерации адсорбента и снижение его срока службы из-за периодического нагрева и охлаждения адсорбента в большом температурном диапазоне.

Известно также устройство для осуществления способа короткоцикловой адсорбции, содержащее адсорберы с адсорбентом, печь для нагрева регенерационного газа, рекуперативный теплообменник для утилизации тепла регенерационного газа, управляемую арматуру и командный блок [1].

Недостаток устройства заключается в его сложном аппаратном оформлении и в необходимости подвода внешнего энергоносителя к устройству по очистке и осушке газа.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ очистки и осушки газа, основанный на короткоцикловой безнагревной адсорбции, включающий адсорбцию очищаемых компонентов и регенерацию адсорбента, состоящей из процессов: снижения давления газа в адсорбере, продувки адсорбента очищенным и осушенным газом под низким давлением и повышения давления газа в адсорбере до рабочего значения после регенерации [2].

Недостатком способа является большой расход очищенного и осушенного газа на продувку и регенерацию адсорбента по сравнению с горячей регенерацией. Учитывая, что газ на продувку адсорбента отбирается из общего количества продуцированного очищенного и осушенного газа, то это приводит к снижению производительности установки в целом. Снижение же количества продуваемого газа уменьшает степень очистки и осушки газа,

Известное устройство короткоцикловой безнагревной адсорбции, содержащее систему с не менее чем 5 адсорберами, например, со смешанным адсорбентом, соединенные с коллектором подачи очищаемого газа и с коллектором отвода очищенного и осушенного, на котором установлен ресивер для накопления и подачи этого газа на продувку адсорбента, управляемую арматуру для переключения адсорберов с режима адсорбции на регенерацию и обратно, а также командный блок [2].

Недостаток устройства - нерациональное использование перепада давления газа между рабочим циклом адсорбции и десорбции, а также небольшая продолжительность полуцикла адсорбции и десорбции, что приводит к частым переключениям адсорберов и к снижению надежности управляемой арматуры.

Решаемая задача - увеличение надежности и производительности установки по очищенному и осушенному газу, а также снижение энергопотребления регенерационного цикла и повышение степени очистки газа.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе очистки и осушки газа, основанном на короткоцикловой безнагревной адсорбции, включающем адсорбцию очищаемых компонентов, регенерацию адсорбента, проводимую путем снижения давления газа в адсорбере, продувки адсорбента очищенным и осушенным газом под низким давлением с откачкой продуктов очистки, и повышение давления газа в адсорбере после регенерации, продувочный газ при снижении давления разделяют на горячий и холодный потоки в вихревой трубке, продувают адсорбент горячим потоком, снижают давление в адсорбере ниже продувочного и откачивают продукты очистки, повышают давление до величины продувки, которую ведут холодным потоком при температуре ниже температуры очищаемого газа.

А в устройстве, используемом для осуществления предлагаемого способа, содержащем адсорберы, например, со смешанным адсорбентом, соединенные с коллектором подачи очищаемого и с коллектором отвода очищенного и осушенного газа, ресивер, установленный на последнем, коллектор сброса продувочного газа, применены вихревая трубка и эжектор, установленные после ресивера, и теплообменник, установленный между ресивером и вихревой трубкой и на коллекторе сброса продувочного газа.

В периодических адсорбционных способах очистки и осушки газов основной проблемой является регенерация адсорбента с целью удаления продуктов очистки и восстановление его динамической активности до первоначального номинального значения.

Для регенерации адсорбента затрачивается большое количество энергии на его нагрев и десорбцию продуктов очистки с последующим охлаждением адсорбента для восстановления его динамической активности. Чем выше концентрация адсорбента в очищаемом газе, тем больше требуется адсорбента, а следовательно, тем больше нужно подвести тепловой энергии для его регенерации. В этом случае энергозатраты на очистку и осушку газа адсорбционным способом значительно больше, чем при очистке и осушке газа способом адсорбции.

Однако при необходимости тонкой очистки и осушки газа до высокой степени очистки, например, перед ожижением газа или других технологических процессов адсорбционный способ имеет значительные преимущества.

Способ короткоцикловой безнагревной адсорбции экономически эффективен, так как не требует подвода внешних энергоресурсов для регенерации адсорбента и прост в аппаратном оформлении, так как отсутствует печь для нагрева регенерационного газа.

При короткоцикловой безнагревной адсорбции поглощенные адсорбентом продукты очистки удаляют за счет снижения давления газа в адсорбере, в результате которого снижается равновесное давление между адсорбтивом и адсорбатом, уменьшается парциальное давление адсорбтива и динамическая активность адсорбента, что позволяет ослабить диффузионную связь между зернами адсорбента и продуктами очистки и удалить последние продувкой очищенным и осушенным газом.

Однако для удаления продуктов очистки холодным потоком газа требуется сравнительно больше газа, чем при горячей продувке адсорбента, которое обычно отбирается из уже очищенного и осушенного газа, снижая количество очищенного газа, подаваемого в следующий технологический процесс.

Количество газа, необходимое для продувки адсорбента в безнагревном режиме десорбции, определяется по уравнению: Y_пр = К х Y_о (P_пр/P_о), где Y_пр, P_пр - объемный расход и давление продувочного газа, Y_о, P_о - объемный расход и давление очищаемого газа, К - коэффициент избытка газа, который согласно экспериментальным данным равен 1,1 - 1,2. Из приведенного уравнения видно, что чем меньше P_пр, тем меньше объемный расход газа на продувку. При снижении давления газа в адсорбере ниже P_пр с помощью эжектора соответственно уменьшается объемный расход продувочного газа.

Поясним на примере. При осушке воздуха рабочим давлением 0,8 МПа короткоцикловым безнагревным способом продувку адсорбента, в частности силикагеля, проводят при давлении, близком к атмосферному и равном 0,12 МПа, тогда объемный расход осушенного воздуха на продувку силикагеля составит 18% от общего объема очищаемого газа. При снижении давления газа в адсорбере с помощью эжектора до величины 0,03 МПа объемный расход продувочного газа может быть снижен до 5,0% и соответственно увеличится производительность установки по очищенному газу на 10 - 12% с учетом расхода очищаемого газа на эжектор.

Полнота десорбции продуктов очистки во многом определяется адсорбционной способностью продуваемого газа. Например, при продувке адсорбента осушенным газом (точка росы - 70^oC) температурой +10^oC можно вынести с продуваемым газом 9,4 г/м³ влаги при условии насыщения продуваемого газа и относительной его влажности 100%. При нагреве продуваемого газа до + 50^oC, соблюдая те же условия, можно вынести до 83,0 г/м³, то есть одно и тоже количество влаги можно вынести меньшим количеством газа. Кроме того, с повышением температуры продуваемого газа увеличивается глубина десорбции и степень очистки газа. В то же время, принципиальная схема короткоцикловой безнагревной адсорбции не предусматривает источника подогрева газа, поэтому в рассматриваемом изобретении используется энергия сжатого газа, которая в традиционной схеме безнагревной десорбции диссипируется в окружающую среду при снижении давления газа в режиме регенерации. Для преобразования перепада давления газа между рабочим режимом адсорбции и десорбции продуктов очистки в тепловую энергию используется вихревая трубка, которая позволяет разделить продувочный газ на горячий и холодный потоки. Для повышения температуры горячего потока газа используется теплота адсорбции поглощаемых компонентов и рекуперируется теплота продуваемого газа с помощью дополнительно устанавливаемого теплообменника и подогрева газа на входе в сопло вихревой трубки.

Продувая последовательно адсорбент вначале горячим, а затем холодным очищенным газом, увеличивают полноту десорбции продуктов очистки и значительно повышают динамическую активность адсорбента.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

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

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства по очистке и осушке газа короткоцикловой безнагревной адсорбцией, а на фиг.2 - режим работы.

Устройство для очистки и осушки газа содержит адсорберы А, Б, В, Г и Д с двухслойным адсорбентом, в которые очищаемый газ подается по коллектору подачи очищаемого газа (1), а очищенный и осушенный газ по коллектору отвода (2) отводится сверху. К этому последнему коллектору подсоединен ресивер (3) для накопления и подачи продувочного газа на регенерацию через вихревую трубку (4), установленную после ресивера. Для откачки продуктов очистки используется эжектор (5), установленный также после ресивера. Снизу к адсорберам присоединен и коллектор отвода продувочного газа (6), на котором установлен теплообменник (7), одновременно размещенный на потоке газа между ресивером и вихревой трубкой. Управление арматурой для переключения адсорберов с режима адсорбции на регенерацию и обратно осуществляется командным блоком (на чертеже не показаны).

Принцип работы устройства заключается в следующем. Сырой исходный газ под давлением пропускают через, например, адсорбер А, где газ, проходя через первый слой адсорбента-силикагеля или окиси алюминия, подвергают предварительной осушке и очистке, а во втором слое адсорбента - цеолите производят окончательную глубокую осушку и очистку газа, который направляют потребителю, отбирая часть газа в ресивер для продувки адсорбента и откачки адсорбера. После насыщения адсорбента продуктами очистки адсорбер А переводят в режим регенерации, а адсорбер Б - в режим очистки и осушки. Процесс регенерации адсорбента состоит из следующих операций: снижение давления газа в адсорбере до величины, при которой проводится продувка адсорбента горячим очищенным и осушенным газом, снижение давления в адсорбере ниже продувочного с помощью эжектора и откачка продуктов очистки, повышение давления в адсорбере до величины, при которой проводится продувка адсорбента холодным потоком очищенного и осушенного газа, медленное повышение давления газа в адсорбере до рабочего значения режима очистки и осушки за счет подачи сырого исходного газа. Все адсорберы периодически и последовательно проходят режимы адсорбции и регенерации. Очищенный и осушенный газ для продувки отбирают из ресивера и через теплообменник направляют в вихревую трубку, где разделяют на холодный и горячий потоки, при этом долю холодного потока выбирают таким образом, чтобы обеспечить не только высокую температуру горячего потока, но и достаточный расход газа для продувки. Для обеспечения непрерывности работы вихревой трубки режим продувки организуют так, что пока в одном адсорбере продувают адсорбент горячим газом, то в это же время идет продувка адсорбента холодным потоком газа в другом адсорбере при одинаковых давлениях. Продувочные газы и газ после эжектора сбрасывают в магистраль газа низкого давления. Для снижения температуры сбрасываемого газа смешивают горячий поток после теплообменника с холодным потоком после эжектора.

Пример выполнения способа.

Очистка природного газа от диоксида углерода и осушки от влаги перед его ожижением для предотвращения конденсации указанных компонентов на теплопередающей поверхности холодильников при температуре 110К осуществляется следующим образом.

Очищаемый природный газ в количестве 9000 нм³/ч, давлением 4,5 МПа, с температурой 278К и содержанием диоксида углерода 0,1% (об.) при 100% относительной влажности подают на адсорбер A снизу. В адсорбере A природный газ вначале осушается на слое силикагеля до абсолютного влагосодержания, соответствующего точке росы -40^oC, кроме того, в этом слое адсорбируются тяжелые углеводороды, имеющие сравнительно высокую температуру конденсации, затем газ осушается в слое цеолита до точки росы -70^oC и очищается от диоксида углерода до остаточного содержания 40 ppm и подается на ожижение.

Часть очищенного газа отбирают в ресивер, где поддерживают давление газа, равное давлению газа на выходе из адсорберов. Количество адсорбента, засыпанного в адсорберы, обеспечивает очистку и осушку газа указанного расхода в течение 60 мин.

По истечении этого времени c помощью управляемых клапанов адсорбер А переводят в режим регенерации, а в режим очистки и осушки включают адсорбер Б. В режиме регенерации вначале снижают давление газа с 4,5 МПа до 0,6 МПа в течение 30 мин со скоростью 0,13 МПа в мин, а затем продувают адсорбенты горячим потоком газа с температурой 355К и расходом 360 нм³/ч в течение 60 мин. Продувку производят обратным потоком, подавая горячий газ в адсорбер сверху и отводя продувочные газы снизу через теплообменник в магистраль низкого давления газа. Утилизации тепла продувочных газов позволяет повысить температуру газа на входе в сопло вихревой трубки до 310 К и получить на выходе ее горячего конца - 355К. После прогрева адсорбента прекращают его продувку и откачивают продукты очистки с помощью эжектора, снижая давление в адсорбере до 0,15-0,2 МПа. Откачку адсорберов производят в течение 30 мин, затем вновь повышают давление газа в адсорбере до 0,6 МПа в течение 30 мин. Такое повышение давления в адсорбере предусмотрено для выравнивания давления газа между горячим и холодным потоками. После повышения давления в адсорбере продувают адсорбент холодным потоком газа с температурой 268K в течение 60 мин, снижая температуру адсорбента до 273K и повышая динамическую активность адсорбента. Продувочный холодный газ в количестве 440 нм³/ч отбирают с холодного конца вихревой трубки и после адсорбера сбрасывают в коллектор низкого давления, где он смешивается о горячим потоком газа после теплообменника. На этом процесс регенерации адсорбента завершается. Для подготовки адсорбера к режиму очистки и осушки в нем повышают давление до рабочего значения 4,5 МПа за счет подачи исходного очищаемого газа.

Таким образом, все адсорберы работают 60 мин в режиме адсорбции и 240 мин в режиме регенерации, то есть цикл регенерации адсорбента занимает в 4 раза больше времени, чем его работа в режиме адсорбции. Это также является существенным отличием от традиционной короткоцикловой безнагревной адсорбции, где полуциклы адсорбции и регенерации равны. Такое решение позволяет значительно сократить количество циклов срабатывания управляемой арматуры. Так, например, в выпускаемых блоках осушки воздуха, работающих по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции с 2-мя адсорберами и продолжительностью полуцикла адсорбции и регенерации по 10 мин при круглогодичной работе блока очистки и осушки газа (8000 часов) количество переключении клапанов составит 48000, а по предлагаемой схеме - количество переключений клапанов составляет 1600 циклов. Очевидно, что надежность работы предлагаемого устройства будет значительно выше и экономичнее, чем известные способы короткоцикловой безнагревной адсорбции.

Источники информации

1. US 3514396 A, 26.05.1970.

2. US 2944627 A, 12.07.1960.