способ и установка улавливания углеводородов из парогазовой смеси

Формула изобретения

1. Способ улавливания углеводородов из парогазовой смеси при сливе, хранении и подготовке углеводородного сырья в производстве технического углерода, включающий нагрев сырья до температуры 90-100°С с образованием парогазовой смеси и последующей кристаллизацией нафталиновых углеводородов в теплообменнике-кристаллизаторе и сорбцией углеводородов в слое углеродного сорбента, с периодическим удалением кристаллов нафталиновых углеводородов путем нагрева труб теплообменника-кристаллизатора и регенерацией углеродного сорбента водяным паром, отличающийся тем, что удаляемые из теплообменника-кристаллизатора и углеродного сорбента продукты регенерации охлаждают в дополнительно установленном теплообменнике-конденсаторе до температуры 60-80°С и направляют в реактор на охлаждение аэрозоля для получения технического углерода с пониженным содержанием золы.

2. Установка для улавливания углеводородов из парогазовой смеси, включающая теплообменник-кристаллизатор, внутри которого расположены трубы в форме змеевика, на теплообменник-кристаллизатор установлена нижним основанием кассета с углеродным сорбентом с устройством для регенерации сорбента, отличающаяся тем, что теплообменник-кристаллизатор соединен с дополнительно установленным теплообменником-конденсатором для охлаждения и конденсации продуктов регенерации, который через гидрозатвор, погружной насос, накопительную емкость и центробежный насос соединен с реактором для получения технического углерода, а устройство для регенерации сорбента соединено через плотный клапан со стационарно установленным вентилятором для удаления очищенного воздуха в атмосферу, а через патрубок - с источниками водяного пара и подогретого воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в системах улавливания углеводородов из парогазовых смесей, выбрасываемых в атмосферу при сливе, хранении и подготовке коксохимического сырья в производстве технического углерода.

Известны способы улавливания углеводородов из парогазовой смеси, образующейся при хранении нефтепродуктов, которые включают подачу жидкой среды в жидкостно-газовый аппарат и откачку из емкости с нефтепродуктом парогазовой среды. Ее сжатие в жидкостно-газовом аппарате за счет энергии жидкой среды и подачу образовавшейся смеси парогазовой и жидкой сред в сепаратор, где происходит разделение смеси на газообразную фазу и жидкую среду с отводом из сепаратора газообразной фазы и жидкой среды. При этом газообразную фазу направляют в абсорбер, в который в качестве адсорбента подают жидкие углеводороды. Затем жидкие углеводороды с растворенными в них углеводородами газообразной фазы выводят из адсорбера, а очищенный от углеводородов воздух выбрасывают в атмосферу (патенты РФ № № 2261829, 2276054, 2261830).

Недостатком известных способов является их сложное аппаратурное оформление, а также невозможность их применения для очистки парогазовой среды, образующейся при хранении коксохимического сырья, которое содержит до 40% и более нафталина, кристаллизующегося уже при 20-30°С.

Известен способ выделения нафталина и бензольных углеводородов из прямого коксового газа, включающий охлаждение газа с одновременной очисткой газа от нафталина в конечных газовых холодильниках (КГХ). Последующее извлечение из коксового газа бензольных углеводородов и нафталина с использованием в качестве абсорбента каменноугольного поглотительного или солярового масла в абсорберах насадочных, заполненных хордовой деревянной, металлической спиральной или регулярной плоскопараллельной и Z-образной металлической насадками, а также насадкой, выполненной из просечно-вытяжного листа по разработкам фирмы «Крупп-Копперс» (Справочник коксохимика, т.3.-М.: Металлургия, 1966, с.103-107, Оборудование цехов улавливания и переработки продуктов коксования; Справочник. - М.: Металлургия, 1992, с.64; Тарасов Н.А., Мельников И.И. и др. //Освоение усовершенствованной схемы бензольного отделения цеха улавливания химических продуктов коксования // Кокс и химия, 2001, № 12, с.24-29).

Известен также способ охлаждения коксового газа с одновременным удалением нафталина в конечных газовых холодильниках, с последующей обработкой газа в абсорбере тарельчатого типа поглотительным маслом, подаваемым через форсунки в верхнюю часть абсорбера, при пропускании коксового газа противотоком снизу вверх через провальные тарелки (патент РФ № 2257946).

Для выделения из газовой смеси кристаллических веществ (в частности нафталина) разработан целый ряд устройств, в которых они осаждаются из газовой фазы, которая соприкасается с различного рода охлаждаемыми поверхностями. В результате на охлаждаемой поверхности десублимируются кристаллические вещества, которые затем удаляют.(А.Н.Плановский и Д.А.Гуревич Аппаратура промышленности полупродуктов и красителей . - Москва, 1961, - стр.448, рис.270; а.с. СССР № 1057058, МПК³ B01D 7/02, 1983; патент РФ № 2047313, МПК⁶ B01D 7/00, 1995; патент РФ № 2271849, B01D 7/02, 2006).

К недостаткам этих способов обработки коксового газа следует отнести: высокие капитальные затраты на изготовление оборудования, высокие эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью регулярной пропарки оборудования, нестабильность гидравлических режимов из-за зарастания насадки отложениями. Эти способы нецелесообразно применять при улавливании углеводородов из парогазовой смеси, образующейся при сливе, хранении и подготовке сырья в производстве технического углерода.

В производстве технического углерода, где коксохимическая продукция является одним из компонентов сырьевой смеси, используются различные приемы и методы борьбы с потерями продукта при его сливе, хранении и подготовке смесей. Однако, несмотря на это, парами нафталиновых и ароматических углеводородов по-прежнему загрязняется окружающая среда, и ценный дорогостоящий продукт теряется, оседая на земле, траве, деревьях и т.д. (В.П.Зуев, В.В.Михайлов, Производство сажи. - М.: Химия, 1970 г., с.57-63; В.Ю.Орлов, А.М.Комаров, Л.А.Ляпина. Производство и использование технического углерода для резин . - Ярославль: изд. Александр Руман, 2002 г., с.81-86).

Наиболее близким к предлагаемому являются способ и устройство улавливания углеводородов из парогазовой смеси при сливе, хранении и подготовке углеводородного сырья в производстве технического углерода (патент РФ № 2344870, прототип). Способ состоит в нагреве сырья до температуры 90-100°С с образованием парогазовой смеси и ее удалении из резервуара. Далее смесь подают со скоростью 0,1-0,5 м/с в теплообменник-кристаллизатор, где при температуре 10-30°С проводят кристаллизацию нафталиновых углеводородов. После этого смесь направляют со скоростью 0,1-0,3 м/с через слой углеродного сорбента для сорбции углеводородов. При нагреве труб теплообменника с их поверхности удаляют кристаллы нафталиновых углеводородов. Водяным паром регенерируют слой углеродного сорбента. Известное устройство содержит дыхательный патрубок резервуара с теплообменником-кристаллизатором, внутри которого расположены трубы в форме змеевика, соединенные входным патрубком с источниками воды и водяного пара, а выходным патрубком - с системой сбора конденсата и водоводом пониженного давления. На теплообменнике установлен сорбционный фильтр, соединенный со съемным вентилятором. Для регенерации сорбента используется переходник с распределительной решеткой, установленной на сорбционном фильтре.

К недостаткам указанного способа и устройства улавливания углеводородов из парогазовой смеси относится неизбежность обводнения сырья конденсатом водяного пара при регенерации углеродного сорбента. При температурах водяного пара 100-130°С не исключены потери углеводородов в атмосферу из парообразных продуктов регенерации углеродного сорбента, направляемых в резервуар для сырья.

Необходимость замены вентилятора, установленного на кассете сорбционного фильтра при регенерации сорбента, устройством для регенерации сорбента, а после регенерации сорбента замены устройства для регенерации сорбента вентилятором создает неудобства при эксплуатации установки, потери рабочего времени и требует дополнительных затрат.

Целью настоящего изобретения является снижение общих затрат на производство технического углерода при эффективном улавливании углеводородов из парогазовых смесей, образующихся при сливе, хранении и подготовке коксохимического сырья, и снижение содержания золы в целевом продукте.

Предлагаемый способ улавливания углеводородов из парогазовой смеси при сливе, хранении и подготовке углеводородного сырья в производстве технического углерода включает нагрев сырья до температуры 90-100°С с образованием парогазовой смеси и последующей кристаллизацией нафталиновых углеводородов в теплообменнике-кристаллизаторе и сорбцией углеводородов в слое углеродного сорбента, с периодическим удалением кристаллов нафталиновых углеводородов путем нагрева труб теплообменника-кристаллизатора и регенерацией углеродного сорбента водяным паром, при этом удаляемые из теплообменника-кристаллизатора и углеродного сорбента продукты регенерации охлаждают в дополнительно установленном теплообменнике-конденсаторе до температуры 60-80°С и направляют в реактор на охлаждение аэрозоля для получения технического углерода с пониженным содержанием золы.

Предлагаемая установка для улавливания углеводородов из парогазовой смеси содержит теплообменник-кристаллизатор, внутри которого расположены трубы в форме змеевика, на теплообменник-кристаллизатор установлена нижним основанием кассета с углеродным сорбентом с устройством для регенерации сорбента, теплообменник-кристаллизатор соединен с теплообменником-конденсатором для охлаждения и конденсации продуктов регенерации, который через гидрозатвор, погружной насос, накопительную емкость и центробежный насос соединен с реактором для получения технического углерода, причем устройство для регенерации сорбента соединено через плотный клапан со стационарно установленным вентилятором для удаления очищенного воздуха в атмосферу, а через патрубок - с источниками водяного пара и подогретого воздуха.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются:

- охлаждение продуктов регенерации до температуры 60-80°С в теплообменнике-конденсаторе;

- подача охлажденных продуктов регенерации в реактор для получения технического углерода на охлаждение аэрозоля.

Отличительными признаками предлагаемой установки являются:

- теплообменник-кристаллизатор соединен с дополнительно установленным теплообменником-конденсатором для охлаждения продуктов регенерации;

- теплообменник-конденсатор через гидрозатвор, погружной насос, накопительную емкость и центробежный насос соединен с реактором для получения технического углерода;

- устройство для регенерации сорбента соединено через плотный клапан со стационарно установленным вентилятором для удаления очищенного воздуха в атмосферу, а через патрубок - с источниками водяного пара и подогретого воздуха.

Предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующая способ и установку улавливания углеводородов из парогазовой смеси при сливе, хранении и подготовке сырья в производстве технического углерода позволяет обеспечить высокую эффективность очистки выбрасываемого в атмосферу воздуха, практически исключить потери углеводородного сырья, сократить затраты на производство технического углерода и повысить его качество.

Анализ результатов работы известной установки показывает, что выделение нафталиновых углеводородов путем их кристаллизации на охлажденной от 10°С до 30°С поверхности змеевика и корпуса теплообменника-кристаллизатора, а также адсорбция ароматических углеводородов в слое углеродного сорбента позволяет обеспечивать эффективность улавливания углеводородов до 98,2%. Однако возвращение продуктов регенерации углеродного сорбента в резервуар, предназначенный для хранения и подготовки сырья, приводит к повышению содержания воды в сырье, что требует дополнительных затрат на последующее его обезвоживание. Естественный выброс части парообразных продуктов регенерации из подземного резервуара через устройства инструментального контроля в нем при регенерации сорбента приводит к снижению эффективности улавливания углеводородов из парогазовой смеси.

При этом, на стадии получения в реакторе аэрозоля технического углерода с использованием коксохимического сырья и технической воды на охлаждение аэрозоля в соответствии с действующими технологическими регламентами, содержание золы в целевом продукте достигает 0,5%. Это объясняется высоким содержанием солей в технической воде, которые при испарении воды в потоке аэрозоля в реакторе дают золу.

Использование же конденсата водяного пара с растворенными в нем углеводородами по предлагаемому изобретению вместо технической воды на охлаждение аэрозоля от 1500-1600°С до 900 - 1000°С в зоне закалки реактора позволяет получить специальные марки высококачественного технического углерода со снижением содержания золы в нем от 0,3-0,5% до 0,03-0,05%.

При осуществлении способа улавливания углеводородов из парогазовой смеси теплообменник-кристаллизатор и углеродный сорбент в кассете периодически регенерируют водяным паром с температурой от 120°С до 130°С и удельным расходом 250-300 кг на 1 кг уловленных углеводородов. Продукты регенерации (водяной пар с парами углеводородов) с температурой до 120°С поступают в теплообменник-конденсатор, где они охлаждаются оборотной водой до температур от 60°С до 80°С. Эффективность улавливания углеводородов из парогазовой смеси тем выше, чем выше температура и удельный расход водяного пара при регенерации сорбента и ниже температура продуктов регенерации после теплообменника-конденсатора. Использование продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом после теплообменника-конденсатора в процессе получения технического углерода в реакторе снижает общие затраты на производство целевого продукта.

На чертеже представлена принципиальная схема установки улавливания углеводородов из парогазовой смеси при сливе, хранении и подготовке сырья в производстве технического углерода.

Установка включает трубопровод 1, соединяющий источник парогазовой смеси (на фиг. не показан) через плотный клапан 2 с теплообменником-кристаллизатором 3 с размещенной на нем кассетой с углеродным сорбентом 4 и установленным на ней устройством для регенерации сорбента 5, соединенным через плотный клапан с вентилятором 7 и патрубком 27 с источниками водяного пара и подогретого воздуха. Теплообменник-кристаллизатор 3 через плотный клапан 8 соединен с теплообменником-конденсатором 9 и далее через гидрозатвор 10, погружной насос 11, накопительную емкость 12 и центробежный насос 13 с реактором получения технического углерода 14. Установка содержит трубопроводы охлаждающей оборотной воды 15 и 18, водяного пара 20 и горячего воздуха 23, а также задвижки 16, 17, 21, 22, 25 для подачи воды, 19 и 26 для подачи водяного пара и 24 для подачи горячего воздуха. Установка работает следующим образом.

Подогретая до температуры 90-100°С парогазовая смесь от источника парогазовой смеси (не показан) поступает через плотный клапан 2 в теплообменник-кристаллизатор 3, в который по трубопроводу 15 через задвижку 16 подают холодную воду. Отработанную в процессе воду через задвижку 17 и трубопровод 18 направляют в систему оборотной воды. Из теплообменника-кристаллизатора 3, где осаждаются кристаллизующиеся углеводороды, парогазовая смесь поступает в кассету с углеродным сорбентом 4, где в процессе адсорбции обеспечивается эффективное улавливание углеводородов, и очищенный воздух через устройство для регенерации сорбента 5 и плотный клапан 6 вентилятором 7 направляется в атмосферу.

Для регенерации плотные клапаны 2 и 6, задвижки 16 и 17 закрывают, а плотный клапан 8 открывают, и через задвижку 19 из трубопровода 20 в устройство для регенерации сорбента 5 через патрубок 27 в кассету 4 и теплообменник-кристаллизатор 3 подают водяной пар. Уловленные углеводороды с водяным паром из кассеты 4 и теплообменника-кристаллизатора 3 через плотный клапан 8 поступают в теплообменник-конденсатор 9, охлаждаемый оборотной водой из трубопровода 15 при открытых задвижках 21 и 22. При этом удаление кристаллизующихся углеводородов с труб теплообменника-кристаллизатора 3 предусмотрено как при регенерации сорбента в кассете 4, так и кратковременной подачей водяного пара в змеевики вместо охлаждающей воды через задвижку 26.

Продукты регенерации (конденсат водяного пара с растворенными в нем уловленными углеводородами), охлажденные до температуры от 60°С до 80°С в теплообменнике-конденсаторе 9 через гидрозатвор 10 погружным насосом 11 подают в накопительную емкость 12, из которой центробежным насосом 13 направляют на охлаждение аэрозоля в реактор получения технического углерода 14.

Ниже приведены примеры реализации изобретения, которые проведены на экспериментальной установке улавливания углеводородов. Сырье предназначено для получения технического углерода. Результаты представлены в таблице.

Пример 1 (по прототипу)

Парогазовая смесь из подземного резервуара с содержанием нафталиновых углеводородов до 3 г/ м³ и ароматических углеводородов до 2 г/м³ через дыхательный патрубок поступает в теплообменник-кристаллизатор и установленную на нем своим нижним основанием кассету с углеродным сорбентом. Своим верхним основанием кассета с углеродным сорбентом соединена со съемным вентилятором для удаления очищенного воздуха в атмосферу.

Периодически через 48 часов проводят регенерацию теплообменника-кристаллизатора и установленной на нем кассеты с углеродным сорбентом водяным паром с температурой 100-130°С и горячим воздухом, а продукты регенерации удаляют из теплообменника-кристаллизатора и сорбционного фильтра в подземный резервуар для приемки сырья.

Перед регенерацией вентилятор заменяют переходником, содержащим в нижнем основании трубчатую распределительную решетку, установленную на сорбционном фильтре, а своим верхним патрубком переходник соединен с источниками водяного пара и подогретого воздуха (устройство для регенерации сорбента). После регенерации сорбента указанное устройство заменяют вентилятором. При этом время регенерации сорбента водяным паром составляло 1 час, горячим воздухом - 0,5 часа, а с операциями по демонтажу и очередному монтажу вентилятора и устройства для регенерации составляло не менее 3 часов.

Пример 2 (по предлагаемому изобретению).

При расходе парогазовой смеси в 500 м³ /ч выделение нафталиновых углеводородов с концентрацией 3,0 г/м ³ кристаллизацией на охлажденной до 25°С поверхности труб и внутренней поверхности корпуса теплообменника-кристаллизатора, а также адсорбция ароматических углеводородов с концентрацией 2,5 г/м³ в слое углеродного сорбента позволяет достичь общей эффективности выделения углеводородов до 99,5% при периодической через 48 часов регенерации слоя сорбента в кассете в течение 1 часа водяным паром с температурой 130°С и удельным расходом 300 кг на 1 кг уловленных углеводородов и в течение 0,5 часа - горячим воздухом с последующим охлаждением и конденсацией продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом в теплообменнике-конденсаторе до температуры 60°С. Использование продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом после теплообменника-конденсатора вместо технической воды для охлаждения аэрозоля технического углерода в зоне закалки реактора позволяет снизить содержание золы в целевом продукте до 0,03%.

Пример 3

При расходе парогазовой смеси в 600 м³ /ч выделение нафталиновых углеводородов с концентрацией 2,7 г/м ³ кристаллизацией на охлажденной до 25°С поверхности труб и внутренней поверхности корпуса теплообменника-кристаллизатора, а также адсорбция ароматических углеводородов с концентрацией 2,0 г/м³ в слое углеродного сорбента позволяет достичь общей эффективности выделения углеводородов до 98,8% при периодической через 48 часов регенерации слоя сорбента в кассете в течение 1 часа водяным паром с температурой 130°С и удельным расходом 270 кг на 1 кг уловленных углеводородов и в течение 0,5 часа - горячим воздухом с последующим охлаждением и конденсацией продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом в теплообменнике-конденсаторе до температуры 70°С. Использование продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом после теплообменника-конденсатора вместо технической воды для охлаждения аэрозоля технического углерода в зоне закалки реактора позволяет снизить содержание золы в целевом продукте до 0,04%.

Пример 4

При расходе парогазовой смеси в 750 м³ /ч выделение нафталиновых углеводородов с концентрацией 2,5 г/м ³ кристаллизацией на охлажденной до 25°С поверхности труб и внутренней поверхности корпуса теплообменника-кристаллизатора, а также адсорбция ароматических углеводородов с концентрацией 1,5 г/м³ в слое углеродного сорбента позволяет достичь общей эффективности выделения углеводородов до 98,5% при периодической через 48 часов регенерации слоя сорбента в кассете в течение 1 часа водяным паром с температурой 130°С и удельным расходом 250 кг на 1 кг уловленных углеводородов и в течение 0,5 часа - горячим воздухом с последующим охлаждением и конденсацией продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом в теплообменнике-конденсаторе до температуры 80°С. Использование продуктов регенерации теплообменника-кристаллизатора и кассеты с углеродным сорбентом после теплообменника-конденсатора вместо технической воды для охлаждения аэрозоля технического углерода в зоне закалки реактора позволяет снизить содержание золы в целевом продукте до 0,05%.

Наименование показателей процесса	Параметры процесса
	Пример 1 по прототипу	Пример 2	Пример 3.	Пример 4
Расход парогазовой смеси, м3/ч	500	500	600	750
Содержание нафталина в парогазовой смеси, г/м3	2,5	3,0	2,7	2,5
Содержание углеводородов в смеси, г/м 3	2,0	2,5	2,0	1,5
Скорость парогазовой смеси в кристаллизаторе, м/с	0,1	0,1	0,12	0,15
Скорость смеси в сорбционном фильтре, м/с	0,1	0,1	0,12	0,15
Температура водяного пара, 0С	130	130	130	130
Удельный расход пара, кг/кг	250	300	270,	250
Температура продуктов регенерации в теплообменнике-кристаллизаторе, °С	120	120	118	117
Время регенерации сорбента (полное), час	3,0	1,5	1,5	1,5
Температура продуктов регенерации после охлаждения и конденсации, °С	-	60	70	80
Общая эффективность улавливания углеводородов, %	98,2	99,5	98,8	98,5
Содержание золы в целевом продукте, %	0,4	0,03	0,04	0,05

Как следует из приведенных примеров и таблицы, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить общую эффективность улавливания углеводородов, значительно снизить содержание золы в целевом продукте, и, таким образом, сократить общие затраты на его производство.