CC BY
129
УДК 66.074.31
И. Р. Везиров (асп.)1, Р. Р. Везиров (к.т.н., зав. отд.)2, Ф. А. Арсланов (к.т.н., гл. спец.)3
ТЕХНОЛОГИЯ АБСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ГАЗОВ И ВАКУУМНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ АБСОРБЕНТА
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра технологии нефти и газа 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1, тел. (347) 422431, e-mail: r_vezirov@anrb.ru 2 ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ», отдел оптимизации и моделирования технологических процессов 450065, г. Уфа, ул. Инициативная, 12, тел. (347) 2934083, e-mail: Ivezirov@yandex.ru 3ООО «Проектно-технологический институт НХП»» 450065, г. Уфа, ул. Инициативная, 12, тел. (347) 2934083, e-mail: ppriemnaya@ptinhp.ru
I. R. Vezirov, R. R. Vezirov, F. A. Arslanov
TECHNOLOGY OF ABSORPTIVE DEHYDRATION OF GASES AND VACUUM REGENERATION OF THE ABSORBENT
1 Ufa State Oil Technical University, 1 Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia, ph. (347) 422431, e-mail: r_vezirov@anrb.ru 2Institute of Petroleum Refining and Petrochemistry, 12 Initsiativnaya Str., 450065, Ufa, Russia, ph. (347) 2934083, e-mail: Ivezirov@yandex.ru 3LLC «Design and Technological Institute of Petroleum Refining and Petrochemistry» 12 Initsiativnaya Str, 450065, Ufa, Russia, ph. (347) 2934083, e-mail: ppriemnaya@ptinhp.ru
Представлена технология абсорбционной осушки углеводородных газов с регенерацией циркулирующего абсорбента (обычно ди- и триэтиленгли-коль), особенностью которой является использование холодильной машины абсорбционного типа для охлаждения осушаемого сырого газа до температуры 10—25 °С перед подачей в абсорбер. При этом тепло, выделяющееся в холодильной машине, используется для нагрева куба вакуумного де-сорбера, где происходит на выпаривание влаги из циркулирующего гликоля, нагрева контура горячего водоснабжения (ГВС) и/или отопления для операторной и других хозяйственных объектов предприятия. Для увеличения глубины осушки регенерацию в десорбере осуществляют при пониженном давлении, которое создается за счет гид-роэжекторной вакуумсоздающей системы. В качестве рабочей жидкости используется вода. Охлаждение циркулирующей рабочей жидкости осуществляют за счет аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Исключение необходимости использования оборотной воды и перегретого пара позволяет применять разработанную технологию даже на неподготовленных объектах и месторождениях.
Ключевые слова: автономность; вакуумная регенерация гликоля; гидроэжекторная вакуумсозда-ющая система; гликоль; осушка углеводородных газов; регенерация тепла; холодильная машина абсорбционного типа; энергоэффективность.
Дата поступления 03.09.15
The article presents the technology of absorptive dehydration of hydrocarbon gases with regeneration of the circulating absorbent (typically di- and triethylene glycol). A special feature of this technology is the presence of absorption-type refrigerating machine which carries out the cooling of the raw gas to be dried to a temperature of 10—25 oC before being fed to the desorber. Thus heat generated in the refrigerating machine is used for heating the cube of vacuum stripper, for moisture evaporation from the circulating glycol, for HWS heat and/or heating system for the operator room and other enterprise objects. To increase the depth of dehydration the regeneration in the desorber is performed at a reduced pressure (vacuum) which is created by the hydro ejector vacuum system. Water is the working fluid. Cooling of the circulating working fluid is carried out at the expense of air coolers. Eliminating the need for the use of return water and superheated steam allows using the technology of absorptive dehydration of gases even on unprepared sites and fields.
Key words: absorption-type refrigerating machine; autonomy; dehydration of hydrocarbon gases, energy efficiency glycol; glycol vacuum regeneration; heat recovery; hydro ejector vacuum-system.
Для безопасной и стабильной перекачки топливного газа по магистральным трубопроводам от месторождения до потребителей современными стандартами регламентирована температура точки росы транспортируемого газа не выше —20 0С в зимний период 1,2, в то время как точка росы неподготовленного влажного (сырого) газа обычно колеблется в диапазоне 20—40 0С. Существуют различные способы осушки углеводородных газов — абсорбционный, адсорбционный и холодильный 3-5. В промышленности, где необходимо осушать большое количество газа, наиболее выгодным и, соответственно, распространенным является способ абсорбционной осушки.
Для эффективной осушки абсорбенты должны иметь высокую растворимость в воде, низкую агрессивность, стабильность по отношению к газовым компонентам, простоту регенерации, малую вязкость, низкую упругость паров при температуре контакта, слабое поглощение углеводородных компонентов газа, пониженную способность к образованию пены и эмульсий. Поэтому наибольшее распространение в качестве абсорбентов получили ди- и триэтиленгликоль, в меньшей степени этилен-гликоль. Гликоли хорошо отбирают влагу из газов в большом интервале концентраций. Глубина осушки газа гликолями прямо пропорциональна концентрации сорбента, давлению контакта фаз газ—сорбент и обратно пропорциональна температуре контакта фаз газ—сорбент 6. При повышении давления уменьшается содержание влаги в газе, что приводит к снижению количества циркулирующего раствора сорбента, необходимого для достижения заданной точки росы. Концентрация сорбента в зависимости от степени осушки газа колеблется в диапазоне 85—100 %.
В зависимости от состава и давления осушаемого газа достижение требований к точке росы обеспечивается за счет охлаждения газа перед абсорбером до температуры 10—25 0С. Однако на месторождениях и нефтегазопере-рабатывающих предприятиях температура осушаемого газа может доходить до +80 0С. Для охлаждения осушаемого газа до температуры 15—20 0С оборотной водой необходимо обеспечить ее температуру ~5 0С. Это приводит к значительному увеличению капитальных и эксплуатационных затрат на систему оборотного водоснабжения. Необходимо также обеспечивать подвод на установку теплоносителя (обычно перегретый пар) для отпарки влаги из гликоля и создания вакуума в десорбере 2'7. В условиях газового и/или нефтяного месторож-
дения, где, как правило, отсутствуют источники дешевого пара (ТЭЦ, нефтегазоперерабаты-вающие предприятия), выработка перегретого пара требует значительных эксплуатационных и энергетических затрат.
Таким образом, актуальной задачей является разработка технологии абсорбционной осушки, обеспечивающей требуемую глубину осушки газов, высокий энергетический к.п.д., работу, автономную т объектов водо- и паро-снабжения, требующей невысокие капитальные и эксплуатационные затраты.
Материалы и методы
Указанная задача была решена за счет дополнения установки абсорбционной осушки газов гидроэжекторной вакуумсоздающей системой и холодильной машиной. Основными преимуществами такой конфигурации установки являются:
— использование тепла, отбираемого у газа перед осушкой;
— автономность от источников водо- и па-роснабжения;
— регенерация абсорбента при пониженном давлении;
— обеспечение тепловой энергией общехозяйственных нужд.
Принципиальная схема энергоэффективной автономной установки абсорбционной осушки газов представлена на рис. 1.
Установка работает следующим образом. Охлажденный в абсорбционной холодильной машине 1 сырой газ после отделения конденсата в сепараторе 2 поступает в абсорбер 3, где циркулирующим абсорбентом (ди- или триэти-ленгликоль) из газа поглощается влага. Осушенный газ с верха абсорбера выводится с установки. Для предотвращения уноса гликоля в абсорбере устанавливают каплеотбойники и при необходимости газ после осушки может направляться в циклон или ресивер для дополнительной сепарации (на схеме не показаны). Насыщенный влагой гликоль из куба абсорбера направляется на регенерацию в вакуумный десорбер 4, где за счет тепла, выделяемого в холодильной машине 1 и подводимого в куб десорбера 4, а также при пониженном давлении происходит удаление (выпаривание) влаги из абсорбента. С верха десорбера 4 водяной пар идет в холодильник-конденсатор 5 и сепаратор 6, откуда несконденсировавшаяся часть направляется в струйный аппарат 7 вакуумсоз-дающей системы 8, и далее парогазожидкост-ная смесь направляется в сепаратор 9. Туда же
Рис. 1. Принципиальная схема автономной установки абсорбционной осушки газов: 1 — абсорбционная холодильная машина (АХМ); 2 — сепаратор; 3 — абсорбер; 4 — десорбер; 5, 11, 12 — теплообменный аппарат, 6 — сепаратор десорбера; 7 — эжектор; 8 — вакуумсоздающая система (ВСС); 9 — сепаратор ВСС; 10 — теплообменный аппарат; 11 — насос; 13 — накопитель абсорбента
может подаваться водный конденсат из сепаратора 6 в качестве рабочей жидкости. Циркулирующая рабочая жидкость после дегазации в сепараторе 9 подается в теплообменный аппарат воздушного типа 10, далее на прием циркуляционного насоса 11 и в струйный аппарат 7. Выделившиеся в сепараторе 9 газы выводятся на утилизацию в печь, а балансовый избыток рабочей жидкости выводится с установки. Из куба десорбера 4 выводится регенерированный гликоль, который далее направляется в теплообменник 12, где нагревает насыщенный гликоль и через накопитель 13 подается обратно в абсорбер 3. Для обновления, а также поддержания и/или повышения концентрации циркулирующего гликоля в накопитель подается свежий абсорбент.
Охлаждение осушаемого газа перед абсорбером осуществляется холодильной машиной, например, абсорбционного типа с огневым обогревом (АБХМ-Т, АБХМ-Тн) 8. Особенностью конструкции АБХМ является наличие печного аппарата для огневого обогрева. Суммарное тепло, вырабатываемое в печном
аппарате от сгорания топлива (газа) и охлаждения осушаемого газа, расходуется не только на работу холодильной машины, но также и на выпаривание влаги из гликоля в десорбере, нагрев контура ГВС и/или отопления для операторной и других хозяйственных объектов предприятия. Нагрев куба десорбера, контура ГВС и/или контура отопления значительно повышает тепловой к. п. д. АБХМ по сравнению с к.п.д. обычных холодильных машин, где отобранное тепло выбрасывается в атмосферу. В результате снижается количество потребляемого АБХМ топливного газа и, соответственно, эксплуатационные затраты.
Регенерация абсорбента при пониженном давлении (вакууме) обеспечивает снижение количества тепла, подводимого в куб де-сорбера для выпаривания влаги из гликоля. Для создания вакуума целесообразно использовать гидроэжекторную вакуумсоздающую систему (ВСС), где рабочей жидкостью является вода и конденсирующийся пар из десорбе-ра. В отличие от пароэжекторной ВСС, которой требуется подвод пара (активной среды) и
значительное количество оборотной воды для его дальнейшей конденсации, в гидроэжектор-ной ВСС конденсация откачиваемого пара происходит за счет захвата и компримирова-ния струями активной жидкости (воды) в жидкостном струйном аппарате. Жидкостные струйные аппараты обладают также большим коэффициентом сжатия и могут создавать стабильный вакуум ~50 мм рт. ст. одной ступенью. Остаточное давление, создаваемое жидкостным струйным аппаратом, не может быть ниже давления насыщенных паров рабочей жидкости. Следовательно, одним из ключевых параметров, влияющих на создаваемый вакуум (остаточное давление), является температура циркулирующей рабочей жидкости. Чем ниже температура, тем больший вакуум (меньшее остаточное давление) возможно создать. Для охлаждения рабочей жидкости без использования оборотной воды и обеспечения автономности установки целесообразно использовать аппараты воздушного охлаждения, которые обеспечивают гарантированное охлаждение рабочей жидкости до 40—45 0С. При такой температуре давление насыщенных паров воды составляет ~70 мм рт. ст. (абс.). Таким образом, с учетом сопротивления в шлемовой ли-
нии, холодильнике-конденсаторе и сепараторе остаточное давление в десорбере может достигать ~80 мм рт. ст. (абс.). Анализ расчетной модели показывает, что оптимальное остаточное давление в десорбере ~100 мм рт. ст. (абс.). При таком давлении обеспечивается регенерация циркулирующего гликоля до остаточного содержания влаги не более 0.5%, а меньшая нагрузка на ВСС позволяет уменьшить количество циркулирующей рабочей жидкости и энергозатраты на ее перекачку.
В зависимости от состава и влажности осушаемого газа может меняться количество поглощаемых абсорбентом газовых компонентов и воды. Выделяясь в вакуумном десорбере, они подаются в вакуумсоздающую систему и значительно повышают нагрузку на нее. Вследствие увеличения нагрузки снижается глубина вакуума (увеличивается остаточное давление), регенерации абсорбента и, следовательно, степень осушки газа. Из-за ухудшения глубины осушки необходимо увеличить количество циркулирующего и подачу свежего абсорбента, что также приведет к увеличению энергозатрат. При значительной влажности осушаемого газа для снижения нагрузки на ВСС перед вакуумным десорбером целесообразно установить дегазатор (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема установки осушки газов с дегазатором насыщенного абсорбента: 1 — абсорбционная холодильная машина (АХМ); 2 — сепаратор; 3 — абсорбер; 4 — десорбер; 5, 11, 12, 14 — тепло-обменный аппарат; 6 — сепаратор десорбера; 7 — эжектор; 8 — вакуумсоздающая система (ВСС); 9 — сепаратор ВСС; 10 — теплообменный аппарат; 11 — насос; 13 — накопитель абсорбента; 15 — дегазатор
Таблица 1
Характеристики автономной установки осушки газов
Параметр С АБХМ | Без АБХМ
Расход газа на осушку, - ст. м3/ч - ст. м3/год 200 000 1 752 000 000
Точка росы газа перед осушкой: - по воде, °С - по углеводородам,°С + 40 + 30
Точка росы газа после осушки: - по воде, °С -по углеводородам,°С < -20 < -10
Температура газа на входе в установку, °С + 50
Давление газа на входе в установку, МПа (абс.) 25
Содержание влаги в абсорбенте, % мас. до 0.5
Потребляемая мощность установки, кВт 100 70
Расход горючего газа, нм /ч 370 -
Расход водяного пара: - т/ч - Гкал/ч - 4 - 5 2,132
Расход оборотной воды, т/ч - не менее 450
Стоимость энергоресурсов: - топливный газ, руб./тыс. м3 - оборотная вода, руб./м3 - водяной пар, руб./Гкал - электричество, руб./кВтч 4062 13 600 5
Затраты на энергоресурсы: 2002.9 3879
Удельные затраты на энергоресуры, руб./ст. м3 0.01 0.194
Гликоль с поглощенными газовыми компонентами и влагой после подогрева регенерированным гликолем в теплообменном аппарате 14 подается в дегазатор 15 с меньшим по сравнению с абсорбером давлением ~1.5—4 кгс/см2 (абс.). При этом происходит выделение части поглощенной абсорбентом влаги и газовых компонентов, которые выводятся из дегазатора на утилизацию. С низа дегазатора абсорбент с меньшим содержанием растворенных веществ поступает в теплообменный аппарат 12 для подогрева регенерированным абсорбентом из десорбера и далее подается в вакуумный десорбер 4 на регенерацию. Меньшая нагрузка на ВСС позволяет снизить энергозатраты на создание вакуума или увеличить глубину регенерации абсорбента. Таким образом, за счет использования дегазатора значительно снижается нагрузка на ВСС, увеличивается глубина осушки циркулирующего абсорбента, снижается его количество и, следовательно, энергозатраты на создание вакуума и перекачку абсорбента.
Результаты анализа
В табл. 1 приведены технические характеристики автономной установки осушки газов производительностью 200 000 ст. м3/ч (без дегазатора). Из таблицы видно, что использование АБХМ снижает эксплуатационные затраты на 40—50 %.
Таким образом, за счет регенерации тепла, отбираемого у газа перед осушкой, подбора оптимального режима работы установки, снижения энергозатрат на регенерацию абсорбента и создание вакуума, исключения необходимости использования оборотной воды и выработки тепла для общехозяйственных нужд, обеспечивается высокий тепловой к.п.д. установки абсорбционной осушки газов, снижение количества потребляемого топлива. Исключение необходимости использования оборотной воды и перегретого пара позволяет использовать автономную установку абсорбционной осушки газов даже на неподготовленных объектах и месторождениях.
Литература
1. OCT 51.40-93 Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия.— Утв. 10 сентября 1993 г.— 8 с.
2. Технология переработки природного газа и конденсата / Под ред. В. И. Мурина и др.— М.: Недра, 2002.- Ч. 1.- 517 с.
3. Методы осушки газа // Отраслевой аналитический журнал Газ Technology.- 2014.- №8.-C. 24-26.
4. Патент №2342980 РФ Адсорбционная установка для очистки и осушки газов / Мухутдинов Р.Х., Артамонов Н.А., Хафизов Ф.Ш., Хафи-зов Н.Ф. http://www1.fips.ru/. 2009.
5. Патент №2506986 РФ. Устройство и способ для осушки^ газа / Балтус Фриц Корнелис А., Де Хердт Йохан Хендрик Р., Руланд Франк Жак Э. http://www1.fips.ru/. 2014.
6. Лапидус А. Л., Голубева И. А., Жагфаров Ф. Г. Газохимия.- М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008.447 с.
7. Клюсов В. А. Технологические расчеты систем абсорбционной осушки газа.- Тюмень: Тюмен-НИИгипрогаз, 2002.- 140 с.
8. Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины. Каталог.- Новосибирск: ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ» // Электронный ресурс: http://www.teplosibmash.ru/files/ File/Catalog-17-04-12.pdf
References
1. OST 51.40-93 Gazy goryuchiye prirodnyye, postavlyayemyye I transportiruyemyye po magistral'nym gazoprovodam. Tekhnicheskiye usloviya [Combustible natural gases supplied and transported by gas mains. Technical conditions]. Appr. September 10, 1993, 8 p.
2. Tekhnologiya pererabotki prirodnogo gaza i kondensata. Pod red. V. I. Murina i dr. [Technology of processing of natural gas and condensate. Ed. V.I. Murin and others]. Moscow, Nedra Publ., 2002, Part 1, 517 p.
3. Metody osushki gaza [Methods of drying gas] Otraslevoy analiticheskiy zhurnal Gaz Technology [Industry based analytical magazine Gas Technology], 2014, no.8, pp. 24-26.
4. Mukhutdinov R.KH., Artamonov N.A., Khafizov F.SH., Khafizov N.F. Adsorbtsionnaya ustanovka dlya ochistki i osushki gazov / [Adsorption unit for gas treatment and drying]. Patent RF, no. 2342980, 2009.
5. Baltus Frits Kornelis A., De Kherdt Yokhan Khendrik R., Ruland Frank Zhak E. Ustroystvo i sposob dlya osushki gaza [The device and method for gas drying]. Patent RF, no. 2506986, 2014.
6. Lapidus A.L., Golubeva I. A., Zhagfarov F. G. Gazokhimiya [Gas Chemistry]. Moscow, TsentrLitNefteGaz Publ., 2008, 447 p.
7. Klyusov V.A. Tekhnologicheskiye raschety sistem absorbtsionnoy osushki gaza [Process calculations of absorption gas drying systems]. Tyumen, TyumenNIIgiprogaz Publ., 2002, 140 p.
8. Absorbtsionnyye bromistolitiyevyye kholodil'-nyye mashiny. Katalog (Absorption lithium bromide refrigerating machines. Catalog). Novosibirsk, OKB Teplosibmash LLC, http:// www.teplosibmash.ru/files/File/Catalog-17-04-12.pdf
