способ очистки нефтяного газа от серосодержащих соединений типа сероводорода или сероуглерода

Формула изобретения

Способ очистки нефтяного газа от серосодержащих соединений, таких как сероводород или сероуглерод путем их диссоциации с последующим отделением серы, отличающийся тем, что диссоциацию серосодержащего в нефтяном газе соединения осуществляют растворением его в дистиллированной воде, пропустив нефтяной газ, транспортируемый из газосепараторов, в герметичную с нанесенным антикоррозионным покрытием емкость с упомянутой дистиллированной водой через ее нижнюю часть, предварительно отрегулировав ее уровень в емкости из расчета, что оказываемое ею статическое противодавление было меньше, чем давление поступающего нефтяного газа в емкость, в этой же емкости путем электролиза осаждают серу на аноде, а водород и/или углерод в виде сажи выделяют на катоде, соединенном с отрицательным источником постоянного тока и заземленной стенкой емкости, и далее очищенный газ с выделенным водородом транспортируют к потребителю.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам очистки нефтяного, природного газов от серосодержащих соединений, таких как сероводород или (и) сероуглерод путем их разложения с получением элементарной серы, а также может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и металлургической промышленности.

Известен способ десульфирования углеводородного сырья с высоким содержанием серы US 4581128 [1], заключающийся в десульфировании углеводородного сырья, имеющего относительно высокое содержание серы, путем контактирования сырья с газообразным водородом в присутствии катализатора, чтобы получить углеводородный продукт с относительно низким содержанием серы. Получаемый при этом в качестве побочного продукта газообразный сероводород обрабатывают хиноном, растворенным в полярном органическом растворителе, для получения серы и гидрохинона. Гидрохинон регенерирует при контактировании с воздухом в присутствии катализатора. Полученный в результате хинон рециклизуют обратно в реакцию абсорбции, при этом полученная в качестве побочного продукта перекись водорода восстанавливается до кислорода и воды. Кислород используют для частичного углеводородного топлива, которое генерирует водород, а газообразный водород рециклизуют на начальную стадию десульфирования.

В патенте США 4592905 [2] описан способ контактирования и взаимодействия газообразного сероводорода с антрахиноном, растворенным в полярном органическом растворителе, с получением серы и соответствующего антрагидрохинона. Сера осаждается из раствора и извлекается в виде продукта. Оставшийся антрагидрохиноновый раствор подают в реактор дегидрирования, где это термически или каталитически регенерируют для получения исходной формы антрахинона в растворе и газообразного водорода. Антрахиноновый раствор рециклизуют обратно в реактор с водородом, а водород извлекают в виде продукта.

В известных технических решениях требуется использование полярных органических растворителей. Полярные органические растворители обычно требуют мер по защите здоровья и безопасности окружающей среды, чтобы предотвратить нанесение ущерба персоналу и окружающей среде. Следовательно, имеется потребность в способе превращения газообразного сероводорода в серу через хиноновую систему, в котором не требуется использования полярных органических растворителей, устраняя тем самым потенциальные проблемы, связанные с использованием таких растворителей.

Известен также способ получения элементарной серы и молекулярного водорода из сероводородсодержащей нефтяной смеси RU 94040929 [3], предусматривающий диссоциацию электромагнитным воздействием в реакционной зоне с последующим разделением продуктов диссоциации на серу и водород и отвод их из реакционной зоны. При этом электромагнитное воздействие осуществляют непрерывно, путем подачи в реакционную зону направленного электромагнитного излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), при температуре 135°С, причем направление перемещения исходной смеси в реакционной зоне совпадает с векторной диаграммой излучателя СВЧ-излучения, а базовое разделение продуктов диссоциации осуществляют на выходе из реакционной зоны путем изменения направления перемещения исходной смеси и продуктов диссоциации.

Известный способ по технической сущности более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа.

Указанный способ для осуществления требует нагрева исходной смеси до 135°С, что увеличивает энергозатраты, он технологически сложный и требует сложного оборудования для его осуществления.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Поставленная задача решается описываемым способом, включающим очистку нефтяного газа от серосодержащих соединений, таких как сероводород, или (и) сероуглерода путем их диссоциации с последующим отделением серы.

Новым является то, что диссоциацию серосодержащего в нефтяном газе соединения осуществляют растворением его в дистиллированной воде, пропустив нефтяной газ, транспортируемый из газосепараторов, в герметичную с нанесенным антикоррозионным покрытием емкость с упомянутой дистиллированной водой через ее нижнюю часть, предварительно отрегулировав ее уровень в емкости из расчета, что оказываемое ею статическое противодавление было меньше, чем давление поступающего нефтяного газа в емкость, причем отделение серы осуществляют в этой же емкости и в этой же среде дистиллированной воды путем электролиза, осаждая ее на аноде, а водород выделяется на катоде, соединенный с отрицательным источником постоянного тока и заземленной стенкой емкости, и далее его транспортируют вместе с очищенным нефтяным газом к потребителю, при этом очистку нефтяного газа от сероуглерода осуществляют аналогично по вышеописанной последовательности, осаждая углерод в виде сажи на катоде, а серу - на аноде.

Приведенный рисунок поясняет суть изобретения, где схематически изображена установка для осуществления способа, емкость которой выполнена с двумя отсеками, в рабочем положении, в частичном разрезе.

Установка содержит вмонтированную на основании 1 герметичную и с нанесенным антикоррозионным покрытием емкость, представляющую последовательно соединенные с помощью подводящей трубы 2 отсеки 3 и 4 одинаковой конструкции, с соединительными патрубками 5 и 6 для подвода очищаемого нефтяного газа и отвода очищенного соответственно, с запорными элементами 7 и 8.

Установка для более полной очистки нефтяного газа может быть выполнена и с тремя отсеками аналогичной конструкции, что и отсеки 3 и 4.

Подводящая труба 2 сообщает верхнюю частью отсека 3 с нижней частью отсека 4 для подвода туда предварительно очищенного от серы нефтяного газа.

Каждый из отсеков снабжены электродами 9 и 10, служащими в качестве анода и катода соответственно, присоединяемые к положительному (+) и отрицательному (-) полюсам источника постоянного тока (источник постоянного тока не изображен). Электрод 10 с помощью сварки соединен с заземленной стенкой емкости. Каждый из отсеков 3 и 4 снабжены измерителем уровня воды 11 и 12 соответственно, а подводящий нефтяной газ трубопровод 13 - измерителем давления, т.е. манометром 14. Способ осуществляют в следующей последовательности. Сначала ведут подготовительные работы к запуску установки, заключающиеся в подаче дистиллированной воды 15 в отсеки 3 и 4 до необходимого уровня с таким учетом, чтобы оказываемое ею статическое противодавление Р_в было меньше, чем давление Р_г, поступающего в отсек 3 нефтяного газа с серосодержащим соединением, таких как сероводород - Н₂S или (и) сероуглерод - CS ₂, транспортируемый по трубопроводу 13 из газосепаратора (газосепаратор не изображен), а также в исправности измерительных приборов, запорных элементов и герметичность отсеков. По окончании подготовительных работ к электродам 9 и 10 подают постоянный электрический ток и открытием запорного элемента 7 в отсек 3 подают очищаемый нефтяной газ.

Следует отметить, что находящаяся в отсеках дистиллированная вода является единственным исходным химическим соединением, не изменяющей своих химических и физических свойств в ходе осуществления способа, и может быть использована длительно.

Авторами в ходе лабораторных исследований было установлено, что из всех газов, входящих в состав попутного нефтяного газа, только сероводород и сероуглерод растворимы - в воде, что и было использовано при осуществлении заявляемого способа.

Таким образом, поступивший в отсек 3 сероводород в смеси с нефтяным газом, растворяясь в дистиллированной воде, диссоциирует с образованием ионов серы и водорода:

H₂S Н⁺+HS 2Н⁺+S^2-,

превращая таким образом дистиллированную воду в электролит и далее под действием электрического поля постоянного тока отрицательные ионы серы направленно перемещаются к положительному электроду 10 - аноду, образуя на нем нерастворимою в воде элементарную серу, а на отрицательном электроде 11 - катоде выделяется нерастворимый в воде водород:

(2H⁺ +2e)+(S²-2е) Н₂ +S .

и он вместе с нефтяным газом всплывает на поверхность дистиллированной воды и далее они по подводящей трубе 2 попадают во второй отсек 4.

Таким образом, постоянный электрический ток, поданный к электродам, является нейтрализатором сероводорода в отсеке 2. В отсеке 4, снабженном электродами, происходит аналогичный процесс, что и в отсеке 3, где осуществляется более тонкая очистка нефтяного газа от сероводорода или от сероуглерода.

Аналогичный процесс происходит и в случае очистки нефтяного газа от сероуглерода. Сероуглерод слаборастворим в воде, однако, температура его кипения составляет 46,3°С, и в дистиллированной воде, которая имеет меньшую температуру, он переходит в жидкое агрегатное состояние. Растворяясь в воде, также диссоциирует с образованием ионов углерода и серы:

CS₂ C⁴⁺+2S^2-

Из образовавшегося электролита, при наличии электрического поля постоянного электрического тока на электродах, также происходит направленное движение ионов, при котором на аноде осаждается элементарная сера «S», а на катоде - нерастворимый в воде тонкодисперсный углерод «С», который выпадает в осадок:

(С⁴⁺+4е)+(2S²-4е) С +2S

С течением времени накопившуюся элементарную серу на аноде периодически удаляют и заодно удаляют выпавший в осадок тонкодисперсный углерод, так называемую газовую сажу. Следует отметить, что газовая сажа является ценным сырьем для химической промышленности. Кроме того, дистиллированная вода, используемая в способе в качестве растворителя, имеет высокое удельное электрическое сопротивление, поэтому способ реализуется только при образовании положительных и отрицательных ионов в воде, а наличие электрического поля источника постоянного тока, подаваемого к электродам, приводит к направленному движению ионов к электродам (аноду и катоду), обеспечивая тем самым нейтрализацию H₂S или (и) CS ₂ с образованием элементарной серы, водорода или (и) углерода на электродах - нерастворимых и химически нейтральных веществ.

Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем:

Предварительные стендовые испытания предлагаемого способа показали его перспективность. Так, он не требует сложного оборудования и больших энергозатрат, технологичен, исключает использование различных полярных органических растворителей, требующих регенерации и рециклизации исходных продуктов, как это предусмотрено в аналогах [1] и [2]. Способ легко поддается автоматизации, а процесс является саморегулируемым. Причем выделяемый водород при осуществлении способа вместе с очищенным нефтяным газом можно использовать как топливо и как ценное сырье для нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности. Удаление из попутного нефтяного газа серосодержащих соединений исключает коррозию технологического оборудования, приводит к оздоровлению экологии на нефтяных промыслах. Таким образом, нейтрализация предлагаемым способом сероводорода или (и) сероуглерода в нефтяном газе, являющимися сильнодействующими ядовитыми веществами нервно-паралитического действия, положительно скажется на здоровье населения, проживающих в районах нефтегазодобычи.

На дату подачи заявки в НГДУ «Азнакаевскнефть» идут подготовительные работы к промышленным испытаниям способа.

Источники информации

1. Пат. США №4581128.

2. Пат. США №4592905.

3. Заявка RU 94040929.