|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[**] Способ и система для удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды. Текучую среду, использованную в качестве образца потока кислого газа, уловленного с целью усиления нефтедобычи или для накопления, сначала подвергают обработке, чтобы провести конденсацию жидкостей, удалить их и создать поток газа. Затем поток газа подвергают сжатию и охлаждению. После этого по крайней мере часть этого потока газа подвергают расширению, чтобы создать охлажденный поток низкого давления, и смешивают его с начальным потоком текучей среды, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Способ и система для удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды. Текучую среду, использованную в качестве образца потока кислого газа, уловленного с целью усиления нефтедобычи или для накопления, сначала подвергают обработке, чтобы провести конденсацию жидкостей, удалить их и создать поток газа. Затем поток газа подвергают сжатию и охлаждению. После этого по крайней мере часть этого потока газа подвергают расширению, чтобы создать охлажденный поток низкого давления, и смешивают его с начальным потоком текучей среды, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов.
СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ИЗ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ КОНДЕНСИРУЮЩИХСЯ
КОМПОНЕНТОВ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к удалению конденсирующихся компонентов из текучих смесей, проявляющих положительный эффект Джоуля-Томсона, в частности, настоящее изобретение относится к удалению, например, воды из потока кислых газов, чтобы свести до минимума или исключить образование в них жидкой воды и тем самым свести до минимума коррозию и образование гидратов в потоке транспортируемого или подаваемого на улавливание компонентов газа.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Потоки газов, таких, как газы, образующиеся при нефтепереработке или в процессах горения, часто содержат газ или газы, образующие кислоту при смешении с водой. Обычно такие газы называют "кислыми газами".
Кислыми газами природного происхождения, чаще всего выделяющимися при нефтепереработке, являются сероводород (H2S) и двуокись углерода (С02). При горении/ окислении/ пиролизе обычно образуются двуокись углерода (С02), двуокись серы (S02) и окислы азота (NO, N02). Кислые газы обычно содержат воду. Кислые газы природного происхождения часто насыщаются водой в хранилище, а образовавшиеся при горении газы уносят с собой воду, образовавшуюся из водорода и кислорода во время горения. Фактически все кислые газы, в конце концов, насыщаются парами воды на той или иной стадии их удаления или очистки. При понижении температуры или повышении давления содержащего воду кислого газа в определенном диапазоне, таком, который наблюдается при прохождении кислого газа через компрессор, будет происходить конденсация некоторого количества воды с образованием жидкой фазы. При некоторых температурах, которые все еще выше температуры замерзания воды, вода и кислый газ могут создавать "кристаллообразные" структуры, называемые газогидратами. Температуру, при которой может начаться образование гидратов, называют
температурой гидратообразования. Она меняется в зависимости от давления, состава смеси и содержания воды в смеси. Гидраты представляют собой физическое сочетание воды и небольших молекул, образующее соединение, которое по внешнему виду напоминает лед, но отличается от него по своим свойствам и структуре. Газогидраты можно также называть газовыми клатратами. Газогидраты создают помехи, поскольку они могут замедлять теплообмен, повышать падение давления, вызывать закупоривание, приводить к остановкам производства и требуют обращать внимание на обеспечение безопасности при работе с ними.
Образование водной фазы в любой газовой системе является нежелательным явлением, поскольку она усиливает коррозию, может приводить к образованию газогидратов и приводить к механическим неисправностям и нарушениям технологического режима. Образование водной фазы нежелательно, в частности, в системах с кислыми газами, поскольку образовавшаяся водная фаза будет содержать кислоту, что приводит к значительному ускорению коррозии и обычно сопровождается повышением температуры гидратообразования по сравнению с температурами гидратообразования некислых газов.
В табл. А показаны скорости коррозии малоуглеродистой стали при различных концентрациях компонентов кислого газа в воде.
Таблица А
Скорости коррозии малоуглеродистой стали под действием двуокиси углерода и других газов в воде *
Концентрация 02, млн"1
Концентрация H2S, млн"1
Коррозия, мил/год конц. С02 200 млн"1
Коррозия, мил/год конц. С02 600 млн"1
8.8
4.3
1.6
0.4
<0.5
<0.5
150
<0.5
400
*Температура 27°С, продолжительность испытания 72 ч.
Источник: данные Watkins и Kincheloe (1958), а также Watkins и Wright (1953)
Хотя речь шла о кислом газе, специалистам в данной области понятно, что эта методология и ее идея пригодны для удаления конденсирующихся компонентов и из потока любой другой текучей среды, обладающей положительным коэффициентом Джоуля-Томсона.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного протокола удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующиеся компоненты.
Другой целью настоящего изобретения является создание способа удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды, содержащей конденсирующиеся компоненты, по которому:
создают текучую смесь с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащую конденсирующиеся компоненты, в качестве исходного загрузочного потока;
подвергают исходный загрузочный поток такой обработке, чтобы из него конденсировались жидкости, и удаляют эти жидкости, чтобы создать поток газа;
подвергают поток газа сжатию и охлаждению, чтобы создать поток высокого давления;
подвергают расширению по меньшей мере часть потока высокого давления, чтобы создать охлажденный поток низкого давления, и смешивают охлажденный поток низкого давления с исходным загрузочным потоком, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов в исходном загрузочном потоке.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства для удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующиеся компоненты, которое содержит:
конденсатор для обработки текучей смеси с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующиеся компоненты, в качестве исходного загрузочного потока, чтобы конденсировать из него жидкости и, удалив жидкости, создать поток газа;
компрессор и доохладитель потока газа, чтобы создать поток высокого давления;
контур расширения, предназначенный для расширения по меньшей мере части потока высокого давления, чтобы создать охлажденный поток низкого давления;
рециркуляционный контур, сообщающийся с контуром расширения, для смешения охлажденного потока низкого давления с исходным загрузочным потоком, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов в исходном загрузочном потоке.
Следующей целью настоящего изобретения является создание системы для предотвращения образования газогидратов в газе, содержащем конденсирующуюся воду, во время удаления конденсирующейся воды, которая включает
блок обработки, содержащий
поток текучей среды с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующуюся воду;
сепаратор, сообщающийся с потоком текучей среды, предназначенный для отделения жидкости, содержащей конденсированную воду, от потока текучей среды, чтобы создать поток частично обезвоженного газа;
компрессор и доохладитель для сжатия и охлаждения потока частично обезвоженного газа, поступающего из сепаратора;
выпускное приспособление для потока частично обезвоженного газа; расширительное приспособление для расширения и охлаждения потока газа;
причем этот контур расположен так, чтобы обеспечивать рециркуляцию части потока частично обезвоженного газа через расширительное приспособление на блок обработки.
Согласно фиг.1 и 2 содержание воды в кислом газе пропорционально температуре, а при давлении, имеющем значение в диапазоне до 28,0 кг/см для H2S и до 63,0 кг/см для С02, обратно пропорционально давлению. В этих диапазонах, чем выше давление и ниже температура, тем меньше содержание воды в кислых газах.
Обезвоживание представляет собой процесс удаления воды, позволяющий свести до минимума или предотвратить образование газогидратов и свободной воды. При сравнительно высокой концентрации H2S достаточно большое количество воды обычно удаляется из кислого газа во время охлаждения между стадиями обычного многоступенчатого сжатия до плотной фазы (до давления несколько превышающего критическое давление текучей среды), так что в отдельном процессе обезвоживания нет нужды. По мере повышения содержания С02 в кислом газе удаление достаточного количества воды в процессе самого сжатия становится менее вероятным, и обычно приходится проводить отдельный процесс обезвоживания.
Обычно обезвоживание газов проводят путем адсорбции на твердых осушителях, абсорбции жидкими осушителями, охлаждения, мембранного отделения и отпарки сухим газом. Чаще всего используют адсорбцию на твердом осушителе и абсорбцию жидким осушителем.
Наиболее подходящим для промышленности и экономически приемлемым для использования по различному назначению является обезвоживание гликолем, представляющее собой процесс абсорбции жидким осушителем. Такие процессы обезвоживания жидким осушителем обладают рядом недостатков:
• могут оказаться значительными потери гликоля при обезвоживании С02 под высоким давлением;
• избыток кислорода, обычно содержащийся в кислых газах, образовавшихся при сгорании, значительно усиливает коррозию и ускоряет разложение гликоля при повышенных температурах его регенерации, заставляя постоянно проводить дополнительную регенерацию гликоля;
• оборудование для обезвоживания приходится изготовлять из дорогостоящих коррозионностойких металлов, таких, как нержавеющая сталь, чтобы можно было работать с образовавшимися кислыми жидкостями;
• гликоль обычно нагревают до 204°С, чтобы провести его регенерацию, заключающуюся в испарении воды и выбросе в атмосферу прочих поглощенных гликолем примесей, таких, как летучие органические вещества (ЛОВ), обычно бензол, толуол, этилбензол и ксилол, и какие-либо поглотительные газы. Для регулирования выброса этих загрязняющих веществ в атмосферу требуется дополнительное дорогостоящее оборудование для утилизации паров, которая сопряжена с возможностью дальнейшего загрязнения кислородом;
• к подобным процессам предъявляются высокие требования в отношении их практичности, в том числе в отношении топлива, используемого для регенерации гликоля, и потребления энергии на перекачку гликоля и работу оборудования для утилизации паров;
• в результате установки обезвоживающего оборудования и выброса С02, образующегося из-за удовлетворения требований к практичности системы и составу гликоля, используемого в процессе обезвоживания, создается значительный углеродный след.
Обезвоживание путем охлаждения использует уменьшение влагосодержания газа по мере понижения его температуры. Понижения температуры можно добиться косвенным путем, используя теплообмен с внешним "охладителем" или другим понижающим температуру процессом, или прямым путем, используя расширение самого газа. Прямое расширение газа бывает либо изоэнтропическим, таким, как расширение в турбодетандере, либо изоэнтальпическим, таким, как расширение по циклу Джоуля-Томсона, используемое обычно на установках с самоохлаждением, или расширение, используемое в процессе охлаждения после сжатия газа. Использование для обезвоживания одной лишь установки косвенного охлаждения обычно недопустимо из-за ее высокой стоимости.
Способы обезвоживания как прямым изоэнтальпическим охлаждением, так и прямым изоэнтропическим охлаждением используют расширительное устройство, низкотемпературный сепаратор и по меньшей мере один теплообменник, чтобы регенерировать из процесса как можно больше энергии. В самом простейшем случае весь газ целиком подвергается расширению, либо изоэнтальпическому, либо изоэнтропическому, от более
высокого давления до более низкого давления, приводящему к понижению температуры текучей среды до уровня, достаточного для конденсации воды. Конденсированную воду отделяют в низкотемпературном сепараторе, а остальной низкотемпературный сухой газ используют для предварительного охлаждения поступающей текучей среды, чтобы повысить термический к.п.д. процесса.
Изоэнтропическое расширение выполняется детандером, и работа, совершенная детандером, обычно используется для частичного повторного сжатия сухого газа на выходе.
Выбор для использования изоэнтропического или изоэнтальпического расширения зависит от количества воды, которое требуется удалить, а следовательно, от величины требуемого понижения температуры. Изоэнтропическое расширение позволяет достичь более низкой температуры. С точки зрения капитальных затрат изоэнтропический процесс является значительно более дорогостоящим, но способность совершать работу компенсирует этот недостаток. С точки зрения эксплуатации и технического обслуживания изоэнтальпический процесс обладает тем преимуществом, что он прост в механическом и технологическом отношении и пригоден для использования почти по любому назначению. Компенсирующим недостатком изоэнтальпического процесса является необходимость совершать дополнительную работу из-за повышенных требований к степени сжатия.
Общим недостатком любого процесса обезвоживания путем охлаждения является то, что в большинстве областей его использования требуется охлаждать поток газа до температуры, которая ниже температуры гидратообразования или близка к ней, чтобы достичь требуемого уровня обезвоживания. Для обеспечения надежной работы обычно приходится постоянно добавлять термодинамический ингибитор гидратообразования, такой, как гликоль или метанол, чтобы понизить температуру гидратообразования. В случае необходимости можно регенерировать и гликоль, и метанол, но для них требуются отдельные процессы регенерации, наделенные всеми теми недостатками, которые были указаны выше при рассмотрении обезвоживания жидким осушителем. Часто останавливают выбор на метаноле без его регенерации, поскольку метанол нуждается в
менее жестких условиях использования и оказывает меньшее воздействие на последующие процессы, чем гликоль.
Понятно, что существует потребность в процессе обезвоживания потоков кислых газов, который является высокоэффективным и экономически выгодным и лишен тех недостатков, которыми обладают известные процессы обезвоживания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки этого изобретения станут более понятными в последующем подробном описании, в котором даются ссылки на приложенные в нем чертежи.
На фиг.1 показаны зависимости насыщенного содержания воды в различных текучих средах, кислых газах и метане (СН4) при температуре 38°С от давления.
На фиг.2 показаны зависимости насыщенного содержания воды в смесях, обогащенных СОг, и в метане (СН4) при температуре 38°С от давления.
На фиг.З приведен график зависимости, отражающий потери гликоля при обезвоживании С02 высокого давления известным способом.
На фиг.4А приведена схема изоэнтальпического процесса обезвоживания согласно примеру осуществления данного изобретения для насыщенного водой потока текучей среды, содержащей 100% С02.
На фиг.4В приведена схема изоэнтальпического процесса обезвоживания согласно рис. 4А для потока текучей среды, содержащей 80% С02 и 20% H2S.
На фиг.5А и 5В приведены схемы изоэнтальпического процесса обезвоживания согласно фиг.4А и 4В, содержащие теплообменник для нагревания частично расширившейся спутной струи, чтобы предотвратить гидратообразование в загрузочном потоке основного процесса до тех пор, пока не произойдет дальнейшее расширение спутной струи, обеспечивающее требуемое снижение температуры.
На фиг.бА и 6В приведены схемы изоэнтальпического процесса обезвоживания согласно фиг.4А и 4В, содержащие низкотемпературный сепаратор для удаления воды из потока текучей среды перед тем, как возвращать в него спутную струю и вводить ингибитор гидратообразования.
На фиг.7 приведена схема многостадийного изоэнтальпического процесса согласно примеру осуществления данного изобретения.
На фиг.8 приведена схема многостадийного изоэнтропического процесса согласно примеру осуществления данного изобретения, в которой один из клапанов Джоуля-Томсона заменен на изоэнтропический детандер текучей среды.
На этих чертежах сходными позициями обозначены сходные элементы.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В примерах осуществления используются полезные термодинамические свойства типичных кислых газов, которые делают их пригодными в качестве "хладоагента". Подобные газы подвергаются сравнительно большому понижению температуры при определенном уменьшении давления в области проведения этого процесса. Сильное понижение температуры используют для охлаждения спутной струи загрузочного потока, которую после этого возвращают на вход, чтобы охладить загрузочный поток. Подобным образом этот способ использует рециркуляцию для "самоохлаждения". Эффект Джоуля-Томсона создается за счет проведения изоэнтальпического расширения газа в дроссельном устройстве, обычно регуляторе. Во время изоэнтальпического расширения газ не совершает внешнюю работу. Отношение изменения температуры к изменению давления в процессе Джоуля-Томсона представляет собой коэффициент Джоуля-Томсона (Кельвина). Так, например, коэффициент Джоуля-Томсона для двуокиси углерода при температуре 50°С и давлении 60 атмосфер примерно в 5,6 раз больше, чем коэффициент Джоуля-Томсона для азота при тех же самых условиях. Следовательно, понижение температуры у СОг будет примерно в 5,6 раз больше, чем у азота при том же самом понижении давления в тех же самых условиях. Известны также значения коэффициента Джоуля-Томсона для H2S и S02.
Кислые газы, предназначенные для коммерческого использования, такого, как увеличение нефтедобычи или улавливание и накопление углерода, обычно сжимают до сверхкритических давлений, при которых они образуют так называемую "плотную фазу", для последующей транспортировки и/или накопления. Чтобы достичь состояния плотной фазы, сжатие обычно проводят в несколько стадий с использованием либо центробежного сжатия, либо поршневого сжатия, либо ударного сжатия в зависимости от исходного давления. Разность давлений между стадиями сжатия позволяет использовать преимущества, обеспечиваемые более высоким коэффициентом Джоуля-Томсона у паров.
Сжатие разделяется на две отдельные области относительно критической точки сжимаемой текучей среды. В первой области стадии сжатия являются докритическими, а стадии сжатия во второй области являются сверхкритическими. Входной поток поступает в первую область сжатия, которая является докритической, вероятно, в насыщенном водой состоянии. Некоторое количество воды самопроизвольно удаляется на различных стадиях сжатия в первой области.
В примере осуществления данного изобретения спутную струю текучей среды после доохлаждения на одной стадии сжатия, обычно перед или после критического давления, подвергают расширению до давления всасывания на той же самой стадии или подают на предыдущую стадию, если она нуждается в дополнительном понижении температуры. Подвергшуюся расширению спутную струю с пониженной температурой используют для охлаждения на входе основного потока текучей среды сначала путем теплообмена, если это необходимо, а в конце путем прямого смешения спутной струи с основным потоком текучей среды. В результате понижения температуры полученной смеси происходит дополнительная конденсация воды из газа. Необходимая степень охлаждения зависит от минимального количества воды, которое может содержаться в потоке, чтобы выполнялись расчетные требования в отношении точки росы для воды и/или температуры гидратообразования.
Ниже приведены примеры, наглядно демонстрирующие варианты осуществления данного изобретения, а именно:
пример 1 показывает основной вариант осуществления изобретения;
пример 2 показывает использование низкотемпературного сепаратора
(LTS);
пример 3 демонстрирует использование теплообменника (HEX);
пример 4 показывает многостадийный изоэнтальпический вариант осуществления;
пример 5 показывает многостадийный изоэнтропический и изоэнтальпический вариант осуществления.
Примеры 1-3 демонстрируют использование потоков разного состава, в том числе потока, содержащего 100% С02, и потока, содержащего 80% С02 и 20% H2S. Но следует отметить, что примеры осуществления данного изобретения пригодны для потоков, содержащих различные количества H2S вместе с S02, NOx и любых других смесей, обладающих сравнительно большим коэффициентом Джоуля-Томсона.
Примеры 4 и 5 демонстрируют низкотемпературные способности вариантов осуществления данного изобретения, а также разницу между изоэнтальпическим и изоэнтропическим процессами.
Пример 1. ОСНОВНОЙ ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно примеру осуществления данного изобретения, показанному на фиг.4А и 4В, загрузочный поток 10 кислого газа, насыщенного водой, поступает на стадию всасывания 12, где его сжимают 14 до давления всасывания на следующей стадии 16. Нагретый сжатый пар 14 охлаждают 18 доохладителем 20, вызывая в загрузочном потоке конденсацию некоторого количества воды и других конденсирующихся компонентов. Конденсированную жидкость, содержащую воду, удаляют 22 в сепараторе 24 перед последней стадией сжатия. Насыщенный газ 26 из сепаратора 24 подвергают дальнейшему сжатию в 28 и доохлаждению в 30.
Отделяют спутную струю 32 от потока текучей среды, подвергшейся сжатию и доохлаждению, и подвергают изоэнтальпическому расширению 34 в клапане Джоуля-Томсона (TCV) 36 до более низкого давления всасывания на той же самой стадии 16 сжатия. Расширение приводит к понижению температуры, величина которого зависит от понижения давления и состава
потока текучей среды. Более холодный поток 38 объединяют с доохлажденным потоком 18 на предыдущей стадии сжатия, получая смесевой поток 40, имеющий достаточно низкую температуру, чтобы вызвать конденсацию требуемого количества воды.
Как показано на фиг.4А для загрузочного потока, содержащего 100% С02, температура понижается примерно до 31 °С, а конечное содержание воды понижается в пересчете на нормальные условия примерно до 1,2-10"6 г/см3, приводя к понижению температуры гидратообразования до - 1,1 °С.
Как показано на фиг.4В, когда в загрузочном потоке содержится 80% С02 и 20% H2S, то достаточно понизить температуру примерно 34°С, чтобы конечное содержание воды составляло в пересчете на нормальные условия около 1,4-10"6 г/см3 и температура гидратообразования понизилась до того же самого значения - 1,1°С.
Пример 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКА
В тех случаях, когда состав загрузочного потока в сочетании с большим понижением давления вызывает понижение температуры ниже температуры гидратообразования для основного необезвоженного загрузочного потока, пример осуществления, показанный на фиг.4А и 4В, можно изменить, включив в него теплообменник.
На фиг.5А и 5В основной вариант осуществления изменен для того, чтобы избежать потребности в непрерывном вводе ингибитора гидратообразования, как в обычных процессах охлаждения.
На фиг.5А и 5В спутную струю 34 подвергают частичному расширению 42 через второй клапан Джоуля-Томсона 44. После этого температуру частично расширившегося потока поднимают в теплообменнике 46 перед тем, как подвергать поток 48 дальнейшему расширению в клапане Джоуля-Томсона 50. Таким образом, температура и частично расширившегося потока 42, и полностью расширившегося потока 48 остается выше соответствующих температур гидратообразования основного необезвоженного загрузочного потока.
Для примера 2 расчетная температура гидратообразования составляла
- 9,4°С.
Как показано на фиг.бА, в загрузочном потоке, содержащем 100% С02, температуру следует понизить примерно до 23°С, чтобы обеспечить конечное содержание воды в пересчете на нормальные условия около 0,82-10"6 г/см3 и достичь расчетной температуры гидратообразования - 9,4°С.
Как показано на фиг.5В, и в том случае, когда загрузочный поток содержит 80% С02 и 20% H2S, температуру понизили примерно до 26 °С, чтобы обеспечить конечное содержание воды в пересчете на нормальные условия около 1,0-106 г/см3 и достичь расчетной температуры гидратообразования - 9,4°С.
Пример 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЕПАРАТОРА
Как показано на фиг.бА и 6В, в этом варианте осуществления данного изобретения использован дополнительный сепаратор, в котором температура значительно понижается в отличие от варианта осуществления, описанного в примере 2.
Как показано на фиг.бА и 6В, теплообменник 46 и клапан Джоуля-Томсона 44 на фиг.бА и 5В, соответственно, заменен на второй низкотемпературный сепаратор 52. Спутная струя 54 подвергается расширению 56 при прохождении через клапан Джоуля-Томсона 44. Первый сепаратор 24 расположен в таком месте, чтобы удалять как можно больше воды из загрузочного потока перед тем, как повторно вводить расширившуюся спутную струю 48. Добавление ингибитора гидратообразования в расширившуюся спутную струю 48 предусматривается лишь в том случае, когда расчетное значение температуры в расширившейся спутной струе составляет менее 0°С. Ранее удаление воды уменьшает количество холода, необходимое для достижения расчетных условий, и по достижению этих условий снижает потребное количество ингибитора гидратообразования.
Для примера 3 расчетная температура гидратообразования составляла
- 18°С.
Как показано на фиг.бА, когда загрузочный поток содержит 100% С02, температуру следует понизить до 17°С, чтобы обеспечить конечное содержание воды в пересчете на нормальные условия около 0,58-10"6 г/см3 и достичь расчетной температуры гидратообразования - 18°С.
Как показано на фиг.бВ, когда загрузочный поток содержит 80% СОг и 20% H2S, температуру следует понизить примерно до 19°С, чтобы обеспечить конечное содержание воды в пересчете на нормальные условия около 0,72-10"6 г/см3 и достичь расчетной температуры гидратообразования - 18°С.
Пример 4. МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ ИЗОЭНТРОПИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Как показано на фиг.7, этот многоступенчатый вариант осуществления данного изобретения используют, когда требуемое понижение температуры очень велико. Этот вариант был рассчитан на то, чтобы достичь температуры гидратообразования - 43°С.
Как показано на фиг.7, этот вариант содержит теплообменник 46, низкотемпературный сепаратор 52 и инжектор 56 для непрерывной подачи ингибитора гидратообразования. Первый сепаратор 24 расположен между теплообменником 46 и повторным вводом потока, имеющего пониженную температуру. Ранее удаление воды из загрузочного потока уменьшает количество холода и ингибитора гидратообразования, потребное для достижения расчетных условий.
Чтобы достичь более низкой температуры, понижение давления, обеспечиваемое при расширении спутной струи 58 во время прохождении через клапан Джоуля-Томсона 44, производят, по крайней мере, через две ступени сжатия. Таким образом, частично расширившуюся спутную струю 60 нагревают в теплообменнике 46 и окончательно подвергают расширению 62 при прохождении через клапан Джоуля- Томсона 64, чтобы повторно ввести вместе с добавкой ингибитора гидратообразования в загрузочный поток на второй или еще более далекой ступени 66, 68 перед отводом спутной струи 58 на охлаждение загрузочного потока 28. Конденсированную воду удаляют из охлажденного загрузочного потока 28 во втором сепараторе 52 перед последующим сжатием охлажденного загрузочного потока 28.
В этом примере низкая температура, достигнутая при окончательном расширении спутной струи 56 и охлаждении загрузочного потока 28, нуждается в добавке ингибитора гидратообразования, однако количество ингибитора гидратообразования сведено до минимума за счет более раннего удаления значительной части воды в первом сепараторе 24.
Дополнительным преимуществом низкой температуры, обеспечиваемой в охлажденном загрузочном потоке в этом примере, является возможность уменьшить количество степеней сжатия от пяти до четырех, что приводит к сокращению общих затрат.
Пример 5. МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ ИЗОЭНТРОПИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Как показано на фиг.8, этот многоступенчатый вариант осуществления данного изобретения использует изоэнтропический детандер 66 текучей среды, такой, как обычная радиально-расширительная турбина турбодетандер (например, производства фирмы Mafi-Trench, г. Santa Maria, шт. СА, США), вместо клапана Джоуля-Томсона 44 на фиг.7 для расширения спутной струи 58.
В этом варианте осуществления изоэнтропический детандер текучей среды способен обеспечить более низкую температуру в расширенной спутной струе 60, чем клапан Джоуля-Томсона (изоэнтальпическое расширение) при том же самом понижении давления. Кроме того, требуемая часть спутной струи меньше, чем в примере 4.
В этом варианте мощность, потребляемая на стадии 3 (66), и на стадии 4 (68), меньше примерно на 2%, чем в примере 4. Изоэнтропический детандер текучей среды генерирует мощность, около 1,8% на стадии 3 (66) и стадии 4 (68), используемую по иному назначению. Потребность в ингибиторе гидратообразования минимальна.
Описанные здесь варианты осуществления данного изобретения обладают заметными отличиями и преимуществами перед обычными процессами обезвоживания жидким осушителем и обезвоживания путем изоэнтальпического охлаждения.
В отличие от процессов обезвоживания жидким осушителем, варианты осуществления настоящего изобретения позволяют обходиться без обычного обезвоживающего оборудования, заменив его расширительными клапанами, затраты на которые составляют небольшую долю от затрат на обычное обезвоживающее оборудование.
В отличие от обычных процессов охлаждения путем изоэнтальпического расширения, таких, как установка с самоохлаждением, варианты осуществления настоящего изобретения позволяют обходиться без одной ступени сжатия, газового теплообменника для основного газа и добавления ингибитора дегидратации и тем самым значительно уменьшить капитальные расходы.
Известная установка с самоохлаждением требует, чтобы весь поток газа подвергался избыточному сжатию и расширению до требуемого давления. Это обычно приводит к увеличению расхода мощности на исходное сжатие системы на 20%-25%. В зависимости от состава газа и рабочих условий для увеличения давления на выходе из компрессора может потребоваться дополнительная ступень сжатия.
Охлаждающая спутная струя обычно составляет 10%-20% от общего потока на первой ступени в зависимости от состава кислого газа и требуемых рабочих условий. Увеличение производительности одной ступени сжатия теоретически увеличивает расход мощности на общее сжатие на 2%-4% (т.е. 1/5 от 10%-20% для 5-ступенчатого компрессора). Но это увеличение часто сопоставимо с увеличением, обусловленным падением давления в обычном обезвоживающем оборудовании. Далее наблюдается повышение к.п.д., а следовательно, соответствующее уменьшение мощности сжатия, обусловленное уменьшением рабочей температуры компрессора. В некоторых случаях требования к мощности сжатия оказываются менее жесткими, чем при использовании обычного обезвоживающего оборудования.
Более низкие температуры всасывания, обеспечиваемые вариантами осуществления данного изобретения, обеспечивают дополнительное преимущество как перед обычным осушителем, так и перед установкой с самоохлаждением. Уменьшение температуры на одной ступени позволяет провести перебалансировку степеней сжатия на каждой ступени, повышая
степень сжатия на той ступени, где температура всасывания ниже, и тем самым позволяя уменьшать степень сжатия на остальных ступенях до тех пор, пока температуры нагнетания каждой ступени не уравняются на некотором новом, более низком уровне. Уменьшение температуры нагнетания несколько понижает дополнительный расход мощности, обусловленный увеличением объема спутной струи, наблюдаемым на одной или нескольких ступенях сжатия. Понижение температуры приводит также к увеличению срока службы клапана, увеличению продолжительности его эксплуатации и к понижению расходов на техническое обслуживание. При снижении температур перебалансировка может в какой-то момент оказаться настолько значительной, что позволит исключить целую ступень сжатия и тем самым обеспечить значительное сокращение капитальных затрат.
Верится, что углеродный след вариантов осуществления настоящего изобретения окажется значительно более коротким, чем у известных способов. Требования к оборудованию значительно менее жесткие, что облегчает их производство. Нет необходимости в регенерации гликоля, и не требуется дополнительная система для производства С02, которая нужна лишь для того, чтобы компенсировать увеличение потребляемой мощности (обычно на 2%) на сжатие спутной струи. Кроме того, отсутствие требований к химическим веществам в вариантах осуществления настоящего изобретения значительно снижает экологический риск.
Кислые газы, в том числе С02, H2S, S02 и NOx, являются текучими средами, вполне подходящими для осуществления данного изобретения. Но понятно, что текучие среды не ограничиваются только ими. Понятно также, что термодинамические принципы, использованные в вариантах осуществления данного изобретения, действительны и для любых смесей текучих сред, обладающих положительным коэффициентом Джоуля-Томсона в требуемом диапазоне рабочих условий, т.е. способных охлаждаться при расширении. Как правило, текучая среда с большим коэффициентом Джоуля-Томсона охлаждается сильнее, чем текучая среда с меньшим коэффициентом Джоуля-Томсона, а следовательно, нуждается в меньшем объеме спутной струи. Низкие требования к объему спутной струи являются экономически выгодными.
Варианты осуществления данного изобретения найдут применение при улавливании и накоплении углерода, при обработке С02, S02 и NOx, улавливаемых при горении, газификации, при промышленном проведении химических процессов с целью улавливания и накопления кислых газов, когда улавливают H2S и С02 из нефти и технологических газов с целью их накопления.
Представленные здесь примеры 1-5 основаны на одном сочетании параметров. Варианты осуществления настоящего изобретения нуждаются в оптимизации для каждой текучей среды и каждого сочетания параметров. Оптимизация заключается в выборе ступени сжатия, наиболее подходящей для отвода спутной струи, и ступени, которая лучше всего подходит для возврата спутной струи. Другая оптимизация заключается в выборе оптимального изменения процесса, будь то основной вариант, вариант с холодильником, вариант с низкотемпературным сепаратором, многоступенчатый вариант или многоступенчатый изоэнтропический вариант, или же какое-либо сочетание этих вариантов, описанных выше. При выборе любого из этих вариантов необходима также оптимальная система контрольно-измерительных приборов и система управления и оптимальные режимы его использования.
Приведенные примеры предполагают наличие стационарных условий. Для пуска, эксплуатации, при нарушениях режима и остановке коммерческих предприятий нужны другие подходы. В самом простом случае в первые минуты после пуска или в периоды внешнего нарушения режима температуры и скорости течения спутной струи не могут оставаться в установившемся состоянии, зафиксированном в утвержденном регламенте процесса. Потенциально возможно образование гидратов, если в конструкции не предусмотрены меры противодействия их образованию. Поэтому варианты осуществления данного изобретения рассчитаны на возможность дополнительной подачи термодинамического ингибитора
гидратообразования, такого, как метанол, чтобы временно предотвратить образование гидратов в неустановившихся условиях.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды, содержащей конденсирующиеся компоненты, согласно которому
создают текучую смесь, содержащую конденсирующиеся компоненты, в качестве начального загрузочного потока,
подвергают начальный загрузочный поток такой обработке, чтобы конденсировать из него жидкости и удалить эти жидкости с образованием потока газа,
проводят сжатие и доохлаждение потока газа, чтобы создать поток высокого давления,
проводят расширение по меньшей мере части потока высокого давления, чтобы образовать охлажденный поток низкого давления, и смешивают охлажденный поток низкого давления с начальным загрузочным потоком, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов в указанном начальном загрузочном потоке.
2. Способ по п.1, в котором обработка начального загрузочного потока включает охлаждение охлажденным потоком низкого давления.
3. Способ по п.1, в котором текучая среда обладает положительным коэффициентом Джоуля-Томсона.
4. Способ по п.1, в котором конденсирующиеся компоненты содержат воду.
5. Способ по п.1, в котором конденсирующиеся компоненты содержат низшие алканы.
6. Способ по п.1, в котором начальный загрузочный поток содержит кислые газы.
7. Способ по п.1, в котором обработка начального загрузочного потока включает контактирование с теплообменником.
8. Способ по п.1, в котором текучую среду подвергают изоэнтропическому расширению.
9. Способ по п.1, в котором текучую среду подвергают изоэнтальпическому расширению.
10. Способ по п.4, в котором конденсированную жидкость удаляют с помощью низкотемпературного сепаратора.
11. Способ по п.1, в котором в текучую среду добавляют ингибитор гидратообразования.
12. Способ по п.6, в котором загрузочный поток, содержащий кислые газы, насыщен водой.
13. Способ по п.1, в котором текучую среду подвергают такому обезвоживанию, чтобы предотвратить образование гидратов и/или водной фазы.
14. Устройство для удаления конденсирующихся компонентов из текучей среды с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующиеся компоненты, включающее
конденсатор для обработки текучей смеси с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащей конденсирующиеся компоненты, в качестве начального загрузочного потока для осуществления конденсации конденсирующихся компонентов и отделения из него жидкости, чтобы создать поток газа,
компрессор и доохладитель для потока газа, чтобы создать поток высокого давления,
контур расширения, предназначенный для расширения по меньшей мере части потока высокого давления, чтобы создать охлажденный поток низкого давления,
рециркуляционный контур, сообщающийся с контуром расширения, для смешения охлажденного потока низкого давления с начальным загрузочным потоком, чтобы усилить охлаждение и конденсацию конденсирующихся компонентов в начальном загрузочном потоке.
15. Устройство по п. 14, дополнительно содержащее теплообменник.
16. Устройство по п.14, в котором контур расширения содержит множество клапанов Джоуля-Томсона.
17. Устройство по п. 14, в котором сепаратор представляет собой сепаратор низкого давления.
18. Устройство по п. 14, в котором компрессор представляет собой множество компрессоров.
19. Система для предотвращения образования газогидратов в газе, содержащем конденсирующуюся воду, во время удаления конденсирующейся воды, включающая
блок обработки, содержащий
поток текучей среды с положительным коэффициентом Джоуля-Томсона, содержащий конденсирующуюся воду,
сепаратор, сообщающийся с потоком текучей среды, для отделения жидкости, содержащей конденсированную воду, от потока текучей среды, чтобы создать поток частично обезвоженного газа,
компрессор и доохладитель для сжатия и охлаждения потока частично обезвоженного газа, поступающего из сепаратора,
выпускное приспособление для потока частично обезвоженного газа,
контур с устройством расширения, предназначенным для расширения и охлаждения потока газа,
причем это устройство расширения расположено с возможностью обеспечивать рециркуляцию части потока частично обезвоженного газа через устройство расширения на блок обработки.
20. Система по п. 19, в которой устройство расширения представляет собой детандер.
21. Система по п.20, в которой детандер представляет собой изоэнтальпический детандер.
22. Система по п.21, в которой устройство расширения представляет собой клапан Джоуля-Томсона.
23. Система по п.22, в которой сепаратор представляет собой низкотемпературный сепаратор.
24. 24 Система по п.20, в которой детандер представляет собой изоэнтропический детандер.
25. Система по п.24, в которой детандер представляет собой турбодетандер.
26. Система по п.24, в которой сепаратор представляет собой низкотемпературный сепаратор.
Содержание воды в кислых газах при т-ре 38 °С
1,6
0,16
г 7
100% H2S:
100% СН*
9% СНф 10% С02,81% H2S
00% С02
-100% н2а
- 9% СНф 10% С02,81% H2S
- 100% со2
~ 20% СНф80%СО2
30% Ct-Ц, 80% COot 10% HoS
- * пп% СИ ,
-IVU /O ъщ
3 ifte^. "
^20% СН4, "80% С02
¦30% СН4> 60% C02s
i^10% HoS
***** __
Давление, кг/см"
ФИГ. 1
1? 1 °
ГО о
о *
с го s ?
8 5
20 S л Ы О .
0 " <
X X
го го
1 s < ч
о о
Содержание воды в обогащенных С02 смесях при т-ре 38 С
(О (0
о о.
о 3
О ю
6,4
3,2
2,4
.......1.....j......
i j
-L"
- IUU70 ^-'V-'2
....... 5.31% СНф 94.69% С
-- 100%СН4
i......4......
1,-L_
...... j "
1 1 i
100% COo!
I F 4-
.....I ji
1Г11
1 i 1
1 1
' 1
l r
{ й
1-ч
С л 4 0/ f^U С\Л С ПО/ "Т*
_1,
IV ¦
" 47*t"wO /О WW
......i........
"........i"""
I i_j
V'" \
-^-
гшА
i >
f '
f r
i i
f s
I ¦
........1
¦ s
...
..................t /
-1-
-h-
-1-
-t-r-t-
.....i ,"
f ! 1
l s ¦ !
105 140 \ro Давление, кг/ем2 ФИГ. 2
210
245
4.000
5 О ? 3
ф ft
II * s
о <
о го
э: st -I
6 о я -о
За сг
3/7
Способ удаления из текучей среды конденсирующихся компонентов
Концентрация С02 в гликоле, г/см3 ФИГ. 3
28 30
<Содержание воды: 1,2-10"6 г/см3 ^ Т-ра гидратообразования: -1,1 °С
ФИГ. 4А
i4 20
/-32
' Содержание воды: 1,4-10"6 г/см3 16 Т-ра гидратообразования:-1,1 °С
ФИГ. 4В
О о О
За ГО X
¦и за < "
5 5
В 5
х о
о 2 3
н го
о " <
X X
го го
X Sc
о о го тз го За
14 20 46
42-х
42-^
48 50
Содержание воды: 0,82-10"6 г/см3 Т-ра гидратообразования: -9,4 °С
ФИГ. 5А
^Т> ь/"44
J Содержание воды: 1,0-10"6 г/см3 \ Т-ра гидратообразования: -9,4 °С
vS0
ФИГ. 5Б
?ч о
? о
го (c)
тз ja
5 а
е го
- I
* а
* s
* W о
I Й
о з
X X
го го
X s < н
о о
СО 73 m
V*NJ--
16 Содержание воды: 0,58-10"6 г/см3
Т-ра гидратообразования: -18 °С ФИГ, 6А
г-54
. . ГШ
............1
л с Г^ппгаг"\1/о1_нл" ПАШ ¦• п 7п _/___3
iw "wH^K"vannc DU^DI. U,/Z" I U Г/СМ"
Т-ра гидратообразования: -18 °г.
ФИГ. 6В
--J
? а
-3 5
? 2
- s
X U О " <
ГО го
И "О
За г
14 20
1 --j->
S^7
4*=
ФИГ. 7
14 20 4Q
60^
Л .
•66
лиг я
Содержание воды: 0,275-10"6 г/см3 Т-ра гидратообразования: -43 °С
-*-
Содержание воды: 0,274-10"6 г/см2
Т-ПЯ ГМППЯТПлЯпоолпоикп' АО 0о
PS Г"1
0 if э- _ ¦С w
5 о
тз ь
> < ";
5 5
-Е | С s
а s
1 Й
О ^
± 1
'К'
X Sc
о о
Ш XS
о За
|
