PL83699B1 - - Google Patents

Description

Uprawniony z patentu: Petrocarbon Developments Limited, Manchester (Wielka Brytania) Sposób oddzielania lekkiego gazu o wysokiej czystosci z gazowej mieszaniny wieloskladnikowej, zawierajacej co najmniej jeden gaz ciezszy i urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób oddzielania lekkiego gazu o wysokiej czystosci i z duza wydajnoscia z gazowej mieszaniny wieloskladnikowej, zawierajacej co najmniej jeden gaz ciezszy. Przedmiotem wynalazku jest równiez urzadzenie do stosowania tego sposobu.W technice czesto zachodzi potrzeba wyodrebnienia lekkiego gazu, na przyklad wodoru lub helu o róznym stopniu czystosci, z mieszanin zawierajacych równiez jeden lub kilka gazów ciezszych. W przypadku wodoru zródlem jego sa gazy odprowadzane z procesów syntezy, na przyklad z syntezy amoniaku lub gazy otrzymywane przy kontrolowanym spalaniu tub reformowaniu paliw weglowodorowych lub krakowaniu weglowodorów.W przypadku helu, jako zródlo tego gazu stosuje sie naturalny gaz zawierajacy hel.Jeden ze znanych sposobów oddzielania gazowego strumienia o duzej zawartosci zadanego lekkiego gazu polega na tym, ze skrapla sie skladnik lub skladniki ciezsze. W tym celu stosuje sie separatory, w których strumien gazu pod zwiekszonym cisnieniem, zwykle^—56 atm chlodzi sie w wymienniku ciepla do niskiej temperatury i od skroplonego produktu oddziela strumien gazu o duzej zawartosci zadanego lekkiego gazu.Procesy takie sa opisane na przyklad w The Chemical Engineer 1965, tom 184 str. Ce 87 i dalsze oraz w brytyjskim opisie patentowym nr 1136040.Wada tych procesów, w których stosuje sie niska temperature, jest to, ze temperatura do której mozna chlodzic strumien gazu, jest ograniczona temperatura krzepniecia któregokolwiek ze skladników mieszaniny.Z tego wzgledu czystosc otrzymanego lekkiego gazu jest czesto niedostateczna do pewnych celów. Na przyklad w przypadku wodoru czystosc otrzymanego gazu jest w zaleznosci od warunków procesu i pozostalych skladników mieszaniny przewaznie nie wyzsza niz 95-98%. Gaz ten mozna wprawdzie oczyscic stosujac dalsze zabiegi, ale sa one klopotliwe i kosztowne.Inny znany sposób polega na tym, ze gazowa mieszanine poddaje sie adsorpcji pod zmiennym cisnieniem,2 83699 zwanej równiez adsorpcja na zimno. Proces ten polega na tym, ze gazowa mieszanine przeprowadza sie pod zwiekszonym cisnieniem przez adsorber o zmiennym cisnieniu, skladajacy sie z dwóch lub kilku komór adsorpcyjnych, zawierajacych sita molekularne lub inne adsorbenty pochlaniajace skladnik lub skladniki ciezsze.Separator ten jest wyposazony w urzadzenia, które umozliwiaja prowadzenie w poszczególnych komorach na przemian procesu oddzielania skladników ciezszych przez adsorpcje za pomoca sit molekularnych lub innych adsorbentów i nastepnie usuwanie tych skladników w celu zregenerowania adsorbentów.Proces usuwania skladników zaadsorbowanych prowadzi sie w ten sposób, ze czesc strumienia produktu zawraca sie pod nizszym cisnieniem i kieruje przez adsorbent jako gaz regenerujacy, w warunkach zasadniczo izotermicznych. Wielkosc strumienia zawracanego do regeneracji zalezy od róznicy pomiedzy cisnieniem adsorpcji i cisnieniem desorpcji i im wieksza jest ta róznica, tym mniejszy moze byc strumien zawracany. Stosuje sie 2 lub wieksza liczbe zlóz adsorbentu tak, ze gdy w jednym zlozu odbywa sie proces adsorpcji, wówczas w drugim prowadzi sie regneracje. Sposób postepowania przy stosowaniu tej metody jest opisany na przyklad w Oil and Gas Jurnal, numer z dnia 13 listopada 1967 r. str. 78 i w Chemical Engineering Progress, nr 9, tom 65, str. 78(1969).Jezeli lekki gaz jest zmieszany z takimi ciezszymi gazami jak azot, tlenek wegla i/lub metan, wówczas zanieczyszczenia zawarte w strumieniu produktu mozna ograniczyc w znacznym stopniu, do kilku czesci na milion, otrzymujac bardzo czysty strumien lekkiego gazu. Jezeli jednak czesc tego czystego strumienia, a zwykle jest to duza czesc, trzeba zawrócic do procesu regeneracji, wówczas znaczna ilosc produktu traci sie. Straty te sa duze i w przypadku wodoru ostateczna wydajnosc procesu wynosi 50-80% wydajnosci teoretycznej. Poza tym, skladniki usuniete z adsorbentu przez strumien gazu uzytego do regeneracji nie moga byc odzyskiwane z tego gazu i zwykle ulegaja straceniu.Wynalazek umozliwia oddzielanie z wysoka wydajnoscia bardzo czystego lekkiego gazu w wieloskladniko¬ wej mieszaniny gazowej, zawierajacej co najmniej jeden gaz ciezszy. Sposób wedlug wynalazku polega na zastosowaniu nowego ukladu, skladajacego sie z separatora pracujacego w niskiej temperaturze i adsorbera o zmiennym cisnieniu i poprzez te dwa urzadzenia zawraca sie strumien gazu o stezeniu zadanego lekkiego gazu lezacym pomiedzy stezeniem tego gazu w wieloskladnikowej mieszaninie i jego stezeniem w strumieniu gazu oczyszczonego. W zaleznosci od stezenia lekkiego gazu w mieszaninie wieloskladnikowej, zawracaniu poddaje sie albo czesciowo oczyszczony strumien gazu otrzymywany w separatorze o niskiej temperaturze, albo strumien gazu regenerujacego, ulatujacy z adsorbera o zmiennym cisnieniu.Cecha sposobu wedlug wynalazku jest to, ze wieloskladnikowa mieszanine gazowa wprowadza sie pod pierwotnym cisnieniem do separatora o niskiej temperaturze umozliwiajacego oddzielanie co najmniej jednego ciezszego gazu na drodze skraplania, albo do adsorbera pracujacego pod cisnieniem dajacym sie zmieniac, umozliwiajacego oddzielanie co najmniej jednego ciezszego gazu na drodze adsorpcji, po czym cisnienie pierwszej czesci gazowego produktu opuszczajacego adsorber redukuje sie do cisnienia nizszego od cisnienia pierwotnego i pod tym obnizonym cisnieniem zawraca gaz jako gaz regeneracyjny do adsorbera, nastepnie za pomoca sprezarki spreza sie gaz regeneracyjny opuszczajacy adsorber do cisnienia pierwotnego i pod tym cisnieniem wprowadza sie do separatora o niskiej temperaturze, a strumien lekkiego, czystego gazu stanowiacy druga czesc gazowego strumienia odplywajacego z adsorbera zbiera sie jako produkt, zas z separatora o niskiej temperaturze odprowadza sie strumien zawierajacy co najmniej jeden ciezszy gaz, praktycznie biorac wolny od gazu lekkiego.Wieloskladnikowa mieszanine gazowa poddawana procesowi kieruje sie do adsorbera pracujacego pod zmniejszonym cisnieniem wtedy, gdy stezenie lekkiego gazu w tej mieszaninie jest wyzsze od stezenia w gazie regeneracyjnym odplywajacym z tego adsorbera, natomiast gdy stezenie lekkiego gazu w tej mieszaninie, jest nizsze od stezenia w gazie regeneracyjnym odplywajacym z adsorbera pracujacego pod znizonym cisnieniem, wówczas mieszanine poddawana procesowi wprowadza sie do separatora o niskiej temperaturze.Zaleta sposobu wedlug wynalazku jest to, ze umozliwia on otrzymywanie drugiego strumienia gazu nie zawierajacego zasadniczo wcale lekkiego gazu. Tej mozliwosci nie daje zaden ze znanych sposobów, w których stosuje sie separator o niskiej temperaturze albo adsorber o zmiennym cisnieniu, gdyz zarówno strumien gazu odprowadzanego jako produkt odpadowy z separatora jak i strumien gazu odprowadzanego z adsorbera po procesie regeneracji zawieraja pewne ilosci lekkiego gazu.W odróznieniu od tego, prowadzac proces sposobem wedlug wynalazku, z separatora pracujacego w niskiej temperaturze otrzymuje sie strumien gazu nie zawierajacego praktycznie biorac gazu lekkiego i jezeli przeróbce poddaje sie mieszanine zawierajaca tylko dwa skladniki, wówczas sposobem wedlug wynalazku mozna otrzymywac z wysoka wydajnoscia oba te skladniki o wysokim stopniu czystosci.Inna zaleta sposobu wedlug wynalazku polega na tym, ze adsorber o zmiennym cisnieniu pracuje bardzo dobrze w temperaturze otoczenia, totez unika sie koniecznosci wmontowywania don urzadzen chlodniczych, a tym samym ulatwia sie prace i zmniejsza koszty produkcji.83699 3 Mieszanine wieloskladnikowa wprowadza sie do ukladu pod cisnieniem zwiekszonym, zwykle wynosza¬ cym 3,5—56 atm, korzystnie 21—35 atm. W separatorze o niskiej temperaturze proces prowadzi sie zwykle tak, ze cisnienie gazów wlotowych wynosi 7—56 atm, a cisnienie u wylotu jest nieco nizsze. Adsorber pracuje bardzo dobrze, gdy cisnienie gazu u jego wylotu jest równe cisnieniu gazów odprowadzanych z separatora i w temperatu¬ rze równej lub zblizonej do temperatury otoczenia, totez przewaznie nie trzeba dostosowywac cisnienia ani temperatury strumienia produktu z separatora przed wprowadzeniem go do adsorbera.Cisnienie oczyszczonego gazu lekkiego otrzymywanego wadsorberze jest nieco nizsze od cisnienia przy wlocie do adsorbera i wynosi okolo 1,8—52 atm. Czesc strumienia gazu stosowana do regeneracji rozpreza sie przed wprowadzeniem do komór absorbera, przy czym korzystnie rozpreza sie do cisnienia zblizonego do atmosferycznego* Po przejsciu przez adsorbent gazy z regeneracji spreza sie ponownie do cisnienia stosowanego w separatorze.Cecha urzadzenia wedlug wynalazku jest to, ze sklada sie ono z separatora pracujacego w niskiej temperaturze, wyposazonego w przewód zasilajacy, przewód do odprowadzania gazu o duzej zawartosci gazu lekkiego i przewód do odprowadzania skroplin z adsorbera pracujacego pod cisnieniem dajacym sie zmieniac, wyposazonego w przewód zasilajacy, przewód do odprowadzania gazowego produktu, przewód odprowadzajacy gaz regeneracyjny i przewód doprowadzajacy ten gaz, jak równiez z sprezarki wyposazonej w przewód doprowa¬ dzajacy i przewód odprowadzajacy gaz. Przewód odprowadzajacy gaz z rozdzielacza o niskiej temperaturze jest polaczony z przewodem zasilajacym adsorbera, przewód odprowadzajacy gaz regeneracyjny z adsorbera jest polaczony z przewodem doprowadzajacym sprezarki a przewód odprowadzajacy gaz ze sprezarki jest polaczony z przewodem zasilajacym separatora.Urzadzenie do stosowania sposobu wedlug wynalazku jest przedstawione schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urzadzenie, w którym wieloskladnikowa mieszanine poddawana przeróbce wprowadza sie do adsorbera pracujacego pod zmiennym cisnieniem, a fig. 2 przedstawia urzadzenie, w którym mieszanine te wprowadza sie do separatora pracujacego w n/skiej temperaturze.W urzadzeniu przedstawionym na fig. 1, mieszanine zawierajaca lekki gaz i zanieczyszczenia doprowadza sie przewodem F i po polaczeniu z czescia lekkiego gazu, odprowadzanego przewodem P z separatora S, wprowadza przewodem G do adsorbera A. Czesc lekkiego gazu o wysokiej czystosci odprowadza sie z adsorbera A jako produkt przewodem H, a czesc uzyta do regeneracji adsorbentu kieruje przewodem R do separatora S.W separatorze gaz ten rozdziela sie na strumien zawierajacy wylacznie zanieczyszczenia bez gazu lekkiego i odprowadza ten strumien przewodem I, a lekki gaz o wysokiej czystosci kieruje przewodem P, jak wyzej wspomniano, do przewodu F swiezej mieszaniny wprowadzanej do adsorbera A.W urzadzeniu przedstawionym na fig. 2, mieszanine poddawana przeróbce kieruje sie przewodami F i G do separatora S, z którego oddzielone zanieczyszczenia, nie zawierajace gazu lekkiego, odprowadza sie przewodem I, a lekki gaz oczyszczony kieruje do adsorbera A przewodem P. Z adsorbera lekki gaz o wysokiej czystosci odprowadza sie jako produkt przewodem H, a czesc gazu uzyta do procesu regeneracji zawraca przewodem R i razem ze swieza mieszanina wprowadza przewodem G do separatora S.Jezeli sposób wedlug wynalazku stosuje sie do oddzielania wodoru, wówczas znaczna czesc wodoru mozna otrzymac w postaci gazu o bardzo wysokiej czystosci, a równoczesnie prawie wszystkie zanieczyszczenia mozna odzyskac oddzielnie, praktycznie biorac nie zawierajace wodoru. Koszty ruchowe sa male, gdyz zuzycie mocy i innych czynników jest niewielkie. Poza tym proces wedlug wynalazku jest bardzo elastyczny i moze byc stosowany do rozdzielania róznych mieszanin.Wynalazek wyjasniono dokladnie w nizej podanych przykladach, przy czym w celu uproszczenia obliczen w przykladach tych przyjeto, ze czystosc otrzymanych gazów wynosi 100% chociaz faktycznie strumien wodoru zawiera azot w ilosci kilku czesci na milion, zaleznie od warunków procesu, zas strumien azotu zawiera w zaleznosci od warunków procesu, okolo 0,5% wodoru.Przyklad I. Przeróbce prowadzonej w urzadzeniu przedstawionym na fig..1 poddaje sie mieszanine zawierajaca 90% objetosciowych wodoru i 10% objetosciowych azotu. Mieszanine wprowadza sie do adsorbera pod cisnieniem 39 atm i w temperaturze otoczenia. Strumien gazu stosowanego do regeneracji rozpreza sie do cisnienia okolo 1,3 atm, po czym spreza do 40 atm i wprowadza do separatora po ochlodzeniu do temperatury 66°K. Gaz zawracany do adsorbera ma cisnienie takie, jak swieza mieszanina. Sklad strumieni w procentach molowych i predkosc przeplywu tych strumieni w Nm3/godzine w poszczególnych przewodach urzadzenia podano w tablicy 1. Dla kazdego z tych przewodów pierwsza liczba oznacza sklad, a druga predkosc.4 83699 Tablica 1 Gar Przewód F Przewód G Przewód H Przewód I Przewód P Przewód R wodór 90 25,5 91 33,2 100 25,5 0 0 95 7,5 70 ij azot 10 2,8 9 3,9 0 0 100 2,8 5 0,4 30 3,9 razem 100 28,3 100 37,1 100 25,5 100 2,8 100 7,9 100 11,4 Przyklad II. Proces prowadzi sie w urzadzeniu przedstawionym na fig. 2 i przeróbce poddaje gazowa mieszanine zawierajaca 60% objetosciowych wodoru i 40% objetosciowych azotu, otrzymujac wodór i azot.Mieszanine wprowadza sie pod cisnieniem 40 atm i w temperaturze otoczenia, po czym chlodzi w separatorze do temperatury 66°K. Strumien gazu o duzej zawartosci wodoru wprowadza sie do adsorbera pod cisnieniem 39 atm i w temperaturze otoczenia i gaz do regeneracji adsorbentów rozpreza do cisnienia 1,3 atm, a po regeneracji spreza sie 40 atm i zawraca do separatora. Sklad strumieni gazów i ich predkosc podano w tablicy 2, w ukladzie opisanym wyzej w odniesieniu do tablicy 1.Tablica 2 Gaz Przewód F Przewód G Przewód H Przewód I Przewód P Przewód R wodór 60 17,0 63,3 21,5 100 17,0 0 0 95 21,5 80 4,5 azot 40 11,3 36,7 12,4 0 0 100 11,3 5 1,1 20 1,1 razem. 100 28,3 100,0 33,9 100 17,0 100 11,3 100 22,6 100 5,6 Przyklad III. Jako surowiec do wytwarzania helu stosuje sie typowa mieszanine helu z azotem, otrzymywana przy wzbogacaniu naturalnego gazu zawierajacego hel. Stezenie helu w strumieniu regeneracyjnym R jest wieksze niz w mieszaninie poddawanej przeróbce i proces prowadzi sie w urzadzeniu uwidocznionym na fig. 2. Swieza mieszanine i strumien regeneracyjny wprowadza sie do separatora pod cisnieniem 25 atm, w temperaturze otoczenia i chlodzi w separatorze do temperatury 66°K. Strumien czesciowo oczyszczonego helu o niskiej temperaturze odprowadza sie z separatora i pod cisnieniem 24 atm, w temperaturze otoczenia wprowa¬ dza sie do adsorbera. Regeneracje prowadzi sie pod cisnieniem 1,3 atm, po czym spreza do 25 atm i zawraca do separatora. Sklad strumieni gazów i predkosc przeplywu przez poszczególne przewody podano w tablicy 3, w ukladzie opisanym wyzej w odniesieniu do tablicy 1. W celu uproszczenia przyjmuje sie, ze zawartosc helu w strumieniu H wynosi 100%, chociaz w praktyce hel ten zawiera azot w ilosci kilku czesci na milion, w zaleznosci od warunków procesu.Tablica 3 Gaz Przewód F Przewód G Przewód H Przewód I Przewód P Przewód R hel 88 24,9 89 31,2 100 24,8 2 0,06 98 31,1 92 6,3 azot 12 3,4 11 4,0 0 0 98 3,4 2 0,6 8 0,6 razem 100 28,3 100 35,2 100 24,8 100 3,46 100 31,7 100 6,9 Zastrzez L.ia patentowe 1. Sposób oddzielania lekkiego gazu o wysokiej czystosci i z duza wydajnoscia z gazowej mieszaniny wieloskladnikowej, zawierajacej co najmniej jeden gaz ciezszy, znamienny tym, ze wieloskladnikowa mieszanine gazowa wprowadza sie pod pierwotnym cisnieniem do separatora o niskiej temperaturze, umozliwiaja¬ cego oddzielanie co najmniej jednego ciezszego gazu na drodze skraplania, albo do adsorbera pracujacego pod cisnieniem dajacym sie zmieniac, umozliwiajacego oddzielanie co najmnie} jednego ciezszego gazu na drodze83699 5 adsorpcji, po czym cisnienie pierwszej czesci gazowego produktu opuszczajacego adsorber redukuje sie do cisnienia nizszego od cisnienia pierwotnego i pod tym obnizonym cisnieniem zawraca gaz jako gaz regeneracyjny do adsorbera, nastepnie za pomoca sprezarki spreza sie gaz regeneracyjny opuszczajacy adsorber do cisnienia pierwotnego i pod tym cisnieniem wprowadza do separatora o niskiej temperaturze, a strumien lekkiego, czystego gazu, stanowiacy druga czesc gazowego strumienia odplywajacego z adsorbera zbiera sie jako produkt, zas z separatora o niskiej temperaturze odprowadza sie strumien zawierajacy co najmniej jeden ciezszy gaz, praktycznie biorac wolny od gazu lekkiego, przy czym wieloskladnikowa mieszanine gazowa kieruje sie do adsorbera pracujacego pod zmiennym cisnieniem wtedy, gdy stezenie lekkiego gazu w tej mieszaninie jest wyzsze od stezenia w gazie regeneracyjnym odplywajacym z tego adsorbera, natomiast mieszanine te wprowadza sie do separatora o niskiej temperaturze wtedy, gdy stezenie lekkiego gazu w tej mieszaninie jest nizsze od stezenia w gazie regeneracyjnym odplywajacym z adsorbera pracujacego pod cisnieniem zmiennym. 2. Urzadzenie do oddzielania lekkiego gazu o wysokiej czystosci i z duza wydajnoscia z gazowej mieszaniny wieloskladnikowej, zawierajacej co najmniej jeden gaz ciezszy, znamienne tym, ze sklada sie z separatora (S) pracujacego w niskiej temperaturze, wyposazonego w przewód zasilajacy, przewód do odprowadzania gazu o duzej zawartosci gazu lekkiego i przewód do odprowadzania skroplin, z adsorbera (A) pracujacego pod cisnieniem dajacym sie zmieniac, wyposazonego w przewód zasilajacy, przewód do odprowadzania gazowego produktu, przewód doprowadzajacy i przewód odprowadzajacy gaz regulacyjny oraz sprezarki (C), wyposazonej w przewód doprowadzajacy gaz i przewód odprowadzajacy gaz, przy czym przewód odprowadzajacy gaz z separatora (S) o niskiej temperaturze jest polaczony z przewodem zasilajacym adsorbera (A), przewód odprowadzajacy gaz regeneracyjny z adsorbera (A) jest polaczony z przewodem doprowadzajacym sprezarki (C), a przewód odprowadzajacy gaz ze sprezarki (C) jest polaczony z przewodem zasilajacym separatora (S).F P .1 g m A 1 ^1 s U H R F /*. c n 1 v n i p \ ¦ •.2 ^CP H PL PL