RU113670U1

RU113670U1 - INSTALLATION FOR MEMBRANE-ABSORPTION CLEANING OF GAS MIXTURES FROM ACID COMPONENTS

Info

Publication number: RU113670U1
Application number: RU2011138894/05U
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Левин; Александр Юрьевич Окунев; Юрий Николаевич Сидыганов; Дмитрий Николаевич Шамшуров; Нина Павловна Умнякова; Кристина Сергеевна Андрейцева; Денис Владимирович Костромин; Владимир Александрович Смирнов; Карен Самвелович Шагинян
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-02-27

Abstract

Установка относится к устройствам для разделения и очистки газов. Ее основным назначением является очистка различных технических газовых смесей от кислых компонентов, в частности, от диоксида углерода методом абсорбции. Установка может быть использована в нефтегазовой промышленности, при производстве биогазовых топлив, в химической и других отраслях промышленности. Задачей и техническим результатом, достигаемом при использовании установки является улучшение потребительских качеств очищенных от кислых примесей газовых смесей за счет их дополнительной осушки. Для очистки газовых смесей и их осушки используется двухступенчатая технологическая схема, основанная на использовании единой мембранно-контакторной абсорбционной технологии. Установка для мембранно-абсорбционной очистки газовых смесей от кислых компонентов работает следующим образом. Побудитель расхода 1 создает поток очищаемой газовой смеси, содержащей кислые компоненты, который через входную газовую коммуникацию 9 поступает в абсорбер 3 рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 2. Газовая смесь движется в газовой полости абсорбера, отделенной от жидкостной полости и потока жидкости полупроницаемой мембраной, которая пропускает через свою поверхность газовые компоненты и не пропускает абсорбирующую жидкостью В качестве абсорбирующей жидкости используются водные растворы карбонатов, аминов, дистиллированная вода и др. Мембрана может быть как пористой, так и полимерной, обладающей селективными свойствами проницаемости по отношению к различным газам. С другой стороны мембраны в жидкостной полости движется жидкий абсорбент. Движение его может быть прямоточным, противоточным или перекрестноточным по отношению к направленности потока газа. Скорости и массовые расходы потоков жидкости и газа, а также геометрические параметры абсорбера задаются исходя из условий обеспечения оптимального соотношения между диффузионными и конвективными потоками в жидкостной и газовой полостях. Конструктивно абсорбер может быть выполнен в виде плоскорамного элемента (плоские газовая и жидкостная полости, разделенные плоской мембраной), рулонным (вариант плоскорамного элемента) или половолоконным. Во время движения жидкости и газа кислые компоненты проникают через мембрану и насыщают жидкость, которая выходит из абсорбера в виде насыщенного раствора. Очищенный газ через выходную газовую коммуникацию 10 покидает рециркуляционный мембранный-контакторный модуль 2. Жидкостной насос 6 по жидкостной коммуникации 5 подает абсорбирующую жидкость в десорбер 4, где происходят обратные процессы, т.е. выделение кислых газовых компонентов из жидкости. Движущей силой может быть либо вакуумирование газовой полости десорбера, либо проникновение кислых компонентов в поток воздуха (отдувка воздухом), либо нагрев абсорбирующей жидкости перед ее поступлением в десорбер, либо использование комбинации из всех трех способов. Кислые газы удаляются из десорбера через газовую коммуникацию 11. Очищенная жидкость в рециркуляционном контуре по жидкостной коммуникации 5 возвращается на вход абсорбера. Для увеличения степени очистки от кислых компонентов и уменьшения площади мембраны и потока жидкости на жидкостной коммуникации установлены теплообменники 7 (охладитель) и 8 (нагреватель), поскольку абсорбция протекает лучше в более холодную жидкость, а десорбция протекает лучше из более горячей жидкости. Для осушки очищенной газовой смеси используется дополнительный рециркуляционный мембранно-контакторный модуль 12, по конструкции аналогичный основному модулю 2. При этом газовая коммуникация 10 для отвода очищенной газовой смеси из модуля 2 соединена с входной газовой коммуникацией 13 дополнительного рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 12. Регулировка производительности по сорбирующей жидкости модуля 12 производится в зависимости от величины поступающего в него потока газа и от его относительной влажности. Во всем остальном модули 2 и 12 функционируют независимо. В модуле 12 в качестве жидкого сорбента используются водные растворы этиленгликолей или водные растворы солей некоторых металлов (например, LiCl). Очищенная и осушенная газовая смесь отводится потребителю по газовой коммуникации 20 модуля 12, а по коммуникации 21 отводятся пары воды, удаленные из газовой смеси в десорбере 15. В модуле 12 удаление (десорбция) паров воды может производиться либо вакуумированием, либо нагревом абсорбирующей жидкости перед ее поступлением в десорбер, либо комбинацией этих способов. Отдувка в воздух малоэффективна, поскольку окружающий воздух, как правило, имеет высокую влажность. Для повышения энергоэффективности и степени очистки и осушки газовой смеси одним из вариантов реализации устройства является устройство в рециркуляционных мембранно-контакторных модулях 2 и 12 которого теплообменники 7, 8 и 18, 19 соединены тепловыми насосами 22 и 23, которые отбирают часть тепла из теплообменников 7 и 18 и передают его через теплообменники 8 и 19 в жидкостные коммуникации 5 и 16. Теплообменники могут быть двухсекционными, позволяющими осуществлять теплообмен между жидким абсорбентом и внешними источниками холода и тепла, так и за счет перекачки тепла посредством тепловых насосов. Использование предложенной двухмодульной схемы очистки и осушки, построенной на единой абсорбционной мембранно-контакторной технологии, позволяет обеспечить непрерывный во времени процесс. Преимуществом устройства является также то, что в нем используется один побудитель расхода очищаемого газа и дополнительное его сжатие на осушку не требуется, как это имеет место в случае, когда для финишной осушки используются адсорбционные колонны. Поставленная задача (улучшение потребительских свойств очищенных от кислых примесей газовых смесей) решается при незначительном (до 20% и ниже) увеличении капитальных и незначительном (до 10% и ниже) увеличении энергетических затрат. 1 зпф, 1 рис. The installation relates to devices for the separation and purification of gases. Its main purpose is the purification of various technical gas mixtures from acidic components, in particular, from carbon dioxide by absorption. The installation can be used in the oil and gas industry, in the production of biogas fuels, in the chemical and other industries. The objective and the technical result achieved when using the installation is to improve the consumer qualities of gas mixtures purified from acidic impurities due to their additional drying. For the purification of gas mixtures and their drying, a two-stage technological scheme is used, based on the use of a single membrane-contactor absorption technology. Installation for membrane-absorption treatment of gas mixtures from acidic components works as follows. The flow driver 1 generates a stream of the cleaned gas mixture containing acidic components, which through the gas inlet 9 enters the absorber 3 of the recirculation membrane-contactor module 2. The gas mixture moves in the gas cavity of the absorber, which is separated from the liquid cavity and the liquid stream by a semipermeable membrane, which passes gas components through its surface and does not pass through an absorbing liquid. As an absorbing liquid, aqueous solutions of carbonates, amines, and distilled are used. water and other membranes. The membrane can be either porous or polymer, with selective permeability properties with respect to various gases. On the other side of the membrane, a liquid absorbent moves in the liquid cavity. Its movement can be direct-flow, counter-current or cross-flow with respect to the direction of gas flow. The velocities and mass flow rates of the liquid and gas flows, as well as the geometric parameters of the absorber are set based on the conditions for ensuring the optimal ratio between diffusion and convective flows in the liquid and gas cavities. Structurally, the absorber can be made in the form of a flat element (flat gas and liquid cavities separated by a flat membrane), rolled (a variant of a flat element) or hollow fiber. During the movement of the liquid and gas, acidic components penetrate the membrane and saturate the liquid, which leaves the absorber in the form of a saturated solution. The purified gas leaves the recirculation membrane-contactor module 2 through the gas outlet 10. The liquid pump 6 through the liquid communication 5 delivers the absorbing liquid to the stripper 4, where the reverse processes occur, i.e. evolution of acid gas components from a liquid. The driving force can be either evacuation of the gas cavity of the stripper, or penetration of acidic components into the air stream (air blowing), or heating of the absorbing liquid before it enters the stripper, or using a combination of all three methods. Acid gases are removed from the stripper through the gas communication 11. The purified liquid in the recirculation loop through the liquid communication 5 is returned to the input of the absorber. To increase the degree of purification from acidic components and reduce the area of the membrane and fluid flow, heat exchangers 7 (cooler) and 8 (heater) are installed on the liquid communication, since absorption flows better into a colder liquid and desorption proceeds better from a hotter liquid. An additional recirculation membrane-contactor module 12, similar in design to the main module 2, is used to dry the cleaned gas mixture. In this case, the gas communication 10 for discharging the purified gas mixture from module 2 is connected to the inlet gas communication 13 of the additional recirculation membrane-contactor module 12. Performance adjustment on the sorbing liquid of module 12 is made depending on the size of the gas stream entering it and on its relative humidity. In all other respects, modules 2 and 12 function independently. In module 12, aqueous solutions of ethylene glycols or aqueous solutions of certain metal salts (e.g., LiCl) are used as a liquid sorbent. The cleaned and drained gas mixture is discharged to the consumer via gas communication 20 of module 12, and water 21 is removed from the gas mixture removed from the gas mixture in stripper 15. In module 12, water vapor can be removed (desorption) either by vacuum or by heating the absorbing liquid before it admission to the stripper, or a combination of these methods. Blowing into the air is ineffective, because the surrounding air, as a rule, has high humidity. To improve energy efficiency and the degree of purification and drying of the gas mixture, one of the options for implementing the device is a device in the recirculation membrane-contactor modules 2 and 12 of which the heat exchangers 7, 8 and 18, 19 are connected by heat pumps 22 and 23, which take part of the heat from the heat exchangers 7 and 18 and transmit it through heat exchangers 8 and 19 to the liquid communications 5 and 16. Heat exchangers can be two-sectional, allowing heat exchange between the liquid absorbent and external sources of cold and heat, and for heat transfer through heat pumps. Using the proposed two-module cleaning and drying scheme, built on a single absorption membrane-contactor technology, allows for a continuous process in time. An advantage of the device is also that it uses a single inducer of the consumption of the gas to be purified and its additional compression for drying is not required, as is the case when adsorption columns are used for the final drying. The task (improving the consumer properties of gas mixtures purified from acidic impurities) is solved with a slight (up to 20% and lower) increase in capital and a slight (up to 10% and lower) increase in energy costs. 1 zpf, 1 pic.

Description

Установка относится к устройствам для разделения и очистки газов. Ее основным назначением является очистка различных технических газовых смесей от кислых компонентов, в частности, от диоксида углерода методом абсорбции. Установка может быть использована в нефтегазовой промышленности, при производстве биогазовых топлив, в химической и других отраслях промышленности.The installation relates to devices for the separation and purification of gases. Its main purpose is the purification of various technical gas mixtures from acidic components, in particular, from carbon dioxide by absorption. The installation can be used in the oil and gas industry, in the production of biogas fuels, in the chemical and other industries.

Техническими газами, в большом количестве содержащими кислые компоненты, являются дымовые газы, природный газ и биогаз. Содержащиеся в них кислые компоненты составляют, в основном, диоксид углерода (углекислый газ) и сероводород. Очистка от кислых компонентами на практике осуществляется различными физическими и физико-химическими методами.Technical gases, in large quantities containing acidic components, are flue gases, natural gas and biogas. The acidic components contained in them are mainly carbon dioxide (carbon dioxide) and hydrogen sulfide. Purification of acidic components in practice is carried out by various physical and physicochemical methods.

Известны методы электрохимического отделения кислых газов (см. пат. РФ №2092232), однако эти методы не нашли широкого распространения в промышленности в силу сложности их реализации и сравнительно малой экономической эффективности.Known methods for the electrochemical separation of acid gases (see US Pat. RF No. 2092232), however, these methods are not widely used in industry due to the complexity of their implementation and relatively low economic efficiency.

Основные промышленные технологии для очистки газов от кислых компонентов основаны на использовании сорбционных методов, которые включают адсорбционные и абсорбционные технологии.The main industrial technologies for cleaning gases from acidic components are based on the use of sorption methods, which include adsorption and absorption technologies.

Адсорбционный метод (см., например, устройство по патенты РФ №2298426) основан на поглощении кислых компонентов твердыми сорбентами. В силу технологических особенностей в крупномасштабном производстве использование адсорбционного метода затруднено. Причины состоят в том, что каждая адсорбционная установка по истечении определенного времени требует периодической регенерации, которая производится при повышенной температуре очищенными газовыми продуктами из технологического цикла. Со временем твердые сорбенты разрушаются и требуют замены. Кроме того, твердые сорбенты в большинстве случаев способны поглощать и очищаемые компоненты, что связано с определенными потерями производительности и степени извлечения целевого продукта. Основным достоинством адсорбционной технологии заключается в том, что параллельно с очисткой газов имеет место их осушка, что в большинстве случаев является одним из критериев качества целевых продуктов.The adsorption method (see, for example, the device according to the patents of the Russian Federation No. 2298426) is based on the absorption of acidic components by solid sorbents. Due to technological features in large-scale production, the use of the adsorption method is difficult. The reasons are that, after a certain time, each adsorption unit requires periodic regeneration, which is carried out at elevated temperatures by purified gas products from the technological cycle. Over time, solid sorbents break down and require replacement. In addition, solid sorbents in most cases are able to absorb cleaned components, which is associated with certain losses in productivity and the degree of extraction of the target product. The main advantage of adsorption technology is that in parallel with the purification of gases, they are dried, which in most cases is one of the criteria for the quality of the target products.

Абсорбционный метод основан на поглощении газов жидкими сорбентами и является высокоселективным по отношению к кислым компонентам (минимальные потери целевого продукта). Абсорбционный метод технически реализуется в специальных массообменных устройствах - абсорберах и десорберах. Абсорбер содержит входную коммуникацию для подачи жидкого сорбента и коммуникацию для его отвода. В абсорбере также имеются коммуникация для подвода и отвода очищаемой газовой смеси. Движение очищаемого газа и жидкого сорбента могут осуществляться прямотоком, противотоком или барботажем. Десорбер имеет коммуникации для подвода и отвода сорбента и коммуникацию для отвода кислого компонента. Очистка (регенерация) сорбента в десорбере может проводиться за счет нагрева, снижения давления, продувки воздухом или комбинацией указанных процессов. При использовании абсорбционных методов стадия регенерации сорбента (десорбция) может проводиться в едином непрерывном цикле с поглощением (абсорбцией). Наряду с высокой селективностью абсорбционных методов, непрерывность процесса составляет одно из их преимуществ.The absorption method is based on the absorption of gases by liquid sorbents and is highly selective with respect to acidic components (minimal loss of the target product). The absorption method is technically implemented in special mass transfer devices - absorbers and strippers. The absorber contains an input communication for supplying a liquid sorbent and communication for its removal. The absorber also has communication for supplying and discharging the cleaned gas mixture. The movement of the purified gas and liquid sorbent can be carried out by direct flow, countercurrent or bubbling. The desorber has communications for the supply and removal of the sorbent and communication for the removal of the acidic component. Cleaning (regeneration) of the sorbent in the stripper can be carried out by heating, reducing pressure, blowing air or a combination of these processes. When using absorption methods, the sorbent regeneration stage (desorption) can be carried out in a single continuous cycle with absorption (absorption). Along with the high selectivity of absorption methods, process continuity is one of their advantages.

Абсорбционный метод очистки от кислых компонентов широко используется на практике в виде абсорбционных устройств различного типа. Самыми распространенными устройством для реализации абсорбционного метода является использование масообменных абсорбционных колонн (см. напр., пат РФ №2278724). Установка состоит из двух вертикальных колонн - абсорбера и десорбера, соединенных трубопроводами и побудителем расхода для непрерывной циркуляции жидкого абсорбента между ними. На десорбере установлен теплообменник для подогрева входящей жидкости. Нижняя часть абсорбера снабжена трубопроводом для подачи исходного очищаемого газа, а верхняя - для отбора очищенного газа. Верхняя часть десорбера снабжена трубопроводом для отвода выделенного в нем после десорбции кислого газа. В качестве абсорбента используются водные растворы, хорошо поглощающие кислые газы, чаще всего, амины. В качестве сорбенета может быть использована дистиллированная вода. Одним из возможных вариантов реализации таких установок является использование абсорбера в виде барботажной колонны.The absorption method of purification from acidic components is widely used in practice in the form of absorption devices of various types. The most common device for implementing the absorption method is the use of mass transfer absorption columns (see, for example, Pat. RF No. 2278724). The installation consists of two vertical columns - an absorber and a stripper connected by pipelines and a flow inducer for continuous circulation of the liquid absorbent between them. A heat exchanger is installed on the stripper to heat the incoming fluid. The lower part of the absorber is equipped with a pipeline for supplying the source gas to be purified, and the upper part for the selection of purified gas. The upper part of the stripper is equipped with a pipeline for the removal of acid gas released therein after stripping. As an absorbent, aqueous solutions are used that absorb acidic gases, most often amines. As sorbenet, distilled water can be used. One of the possible options for the implementation of such installations is the use of an absorber in the form of a bubble column.

Абсорбционные установки в виде колонн обладают следующими достоинствами и недостатками. К достоинствам относятся возможность достижения высокой степени очистки от кислых компонентов, возможность организации непрерывного процесса в течение длительного времени. К недостаткам относится сравнительно ограниченный период эксплуатации жидкого абсорбента, который за счет прямого контакта с очищаемым газом подвержен химическим изменениям, в частности, окислению при использовании в качестве сырья дымовых газов. Кроме того, в таких установках неизбежен унос из колонн абсорбента в капельном и парообразном виде в потоке очищенного газа, что может быть связано с возникновением экологических проблем. Десорбция в колоннах-десорберах производится либо за счет нагрева, либо за счет вакуумирования, что связано с заметными энергозатратами. Жидкость и газ в колоннах-абсорберах должны быть охлаждены, что также требует энергозатрат.Absorption installations in the form of columns have the following advantages and disadvantages. Advantages include the ability to achieve a high degree of purification from acidic components, the ability to organize a continuous process for a long time. The disadvantages include a relatively limited period of operation of the liquid absorbent, which, due to direct contact with the gas being cleaned, is subject to chemical changes, in particular, oxidation when using flue gases as a raw material. In addition, in such installations, the entrainment of absorbent columns in droplet and vapor form in the stream of purified gas is inevitable, which may be associated with the occurrence of environmental problems. Desorption in desorption columns is carried out either by heating or by evacuation, which is associated with noticeable energy consumption. The liquid and gas in the absorber columns must be cooled, which also requires energy.

Еще одним недостатком подобных устройств является то, что очищенный от кислых компонентов газ является влажным за счет контакта с водными растворами сорбента в колоннах. Относительная влажность в зависимости от температурных условий может достигать 100%. В большинстве случаев (в особенности для природного газа и биогаза) высокая относительная влажность является крайне нежелательным фактором. Во-первых, влажность продукта сказывается на его технологических качествах. При колебаниях внешней температуры в трубопроводах будет возможно образование водного конденсата и условий для коррозии. При отрицательных температурах возможно намораживание и перекрытие трубопроводов. При наличии следов сероводорода возможна повышенная степень коррозии трубопроводов. Во вторых, концентрация водяных паров, которая может достигать до 2-5% объемных, сказывается на калорийности и товарном качестве природного газа и биогаза.Another disadvantage of such devices is that the gas purified from acidic components is moist due to contact with aqueous solutions of the sorbent in the columns. Relative humidity depending on temperature conditions can reach 100%. In most cases (especially for natural gas and biogas), high relative humidity is an extremely undesirable factor. Firstly, the humidity of the product affects its technological qualities. With fluctuations in external temperature in the pipelines, formation of water condensate and corrosion conditions will be possible. At freezing temperatures, freezing and blocking of pipelines is possible. In the presence of traces of hydrogen sulfide, an increased degree of corrosion of pipelines is possible. Secondly, the concentration of water vapor, which can reach up to 2-5% by volume, affects the calorific value and commercial quality of natural gas and biogas.

Для абсорбционной очистки газов наиболее эффективными являются устройства, основанные на мембранно-контакторных абсорбционных технологиях (см, например, патент РФ №2056148). В этом случае отсутствует прямой контакт между абсорбирующей жидкостью и очищаемым газом. В мембранно-контакторном устройстве потоки газа и жидкости разделены полупроницаемой для газов и непроницаемой для жидкости мембраной, через которую хорошо сорбируемые кислые компоненты поглощаются жидким сорбентом. В установке для газоразделения используется рециркуляционная схема по жидкому абсорбенту, на которой также установлен мембранно-контакторный десорбер по конструкции аналогичный абсорберу. Задача, которую решает мембранно-контакторный десорбер - очистка жидкого абсорбента перед его возвратом в абсорбер. Мембранно-абсорбционное газоразделение обладает рядом преимуществ перед другими абсорбционными технологиями. Во-первых, в мембранно-абсорбционных устройствах достигаются высокие коэффициенты разделения смесей за счет повышенной удельной площади контакта газовой и жидкостной фаз. Во-вторых, за счет отсутствия прямого контакта жидкости и газа унос жидкого абсорбента в потоке очищенного газа практически отсутствует. В отличие от абсорбционных противоточных и барботажных колонн, контакторные устройства не требуют строгой ориентации в пространстве и не требуют строгого задания определенной высоты (как это необходимо для абсорбционных колонн) для достижения необходимой степени очистки (установка может компоноваться из нескольких произвольно ориентированных модулей). Десорберы в установке имеют конструктивное исполнение, аналогичное абсорберам, что позволяет изготавливать устройство по единой технологии, как и абсорберы. Единственным недостатком мембранно-абсорбционных установок, как и всех абсорбционных установок в целом, является то, что при очистке от кислых компонентов они не могут осуществлять одновременную осушку газового потока. Для очистки от кислых компонентов и для осушки требуются принципиально различные жидкие сорбенты. Более того, поскольку основу сорбентов составляет вода, пары которой хорошо проникают через мембраны, на выходе мембранно-абсорбционных модулей очищаемый газ имеет практически 100% относительную влажность.For absorption gas cleaning, the most effective are devices based on membrane-contactor absorption technologies (see, for example, RF patent No. 2056148). In this case, there is no direct contact between the absorbing liquid and the gas to be cleaned. In the membrane-contactor device, the gas and liquid flows are separated by a gas-tight and liquid-tight membrane, through which well-sorbed acidic components are absorbed by the liquid sorbent. The gas separation unit uses a liquid absorbent recirculation circuit, on which a membrane-contactor stripper is also installed, similar in design to the absorber. The task that the membrane-contactor stripper solves is the cleaning of the liquid absorbent before it is returned to the absorber. Membrane-absorption gas separation has several advantages over other absorption technologies. Firstly, in membrane-absorption devices, high separation ratios of mixtures are achieved due to the increased specific contact area of the gas and liquid phases. Secondly, due to the lack of direct contact of the liquid and gas, the entrainment of the liquid absorbent in the stream of purified gas is practically absent. Unlike absorption countercurrent and bubbling columns, contactor devices do not require a strict orientation in space and do not require a strict task of a certain height (as is necessary for absorption columns) to achieve the required degree of cleaning (the installation can be composed of several randomly oriented modules). The desorbers in the installation have a design similar to absorbers, which allows the device to be manufactured using the same technology as the absorbers. The only drawback of membrane-absorption plants, as well as of all absorption plants in general, is that when cleaning from acidic components they cannot simultaneously dry the gas stream. Fundamentally different liquid sorbents are required for cleaning acidic components and for drying. Moreover, since the basis of the sorbents is water, the vapors of which penetrate well through the membranes, the gas to be purified has almost 100% relative humidity at the outlet of the membrane-absorption modules.

Одной из наиболее близких по конструктивному исполнению и принятой за прототип является мембранно-абсорбционная установка (блок газоразделения), входящая в состав системы комплексной переработки органических отходов (пат. РФ №65048). Установка предназначена для очистки биогазов от кислых компонентов. Установка представляет собой побудитель расхода очищаемого газа и мембранный контакторный модуль, выполненный по рециркуляционной схеме, который включает контакторный абсорбер и контакторный десорбер, газовую коммуникацию для подачи очищаемой смеси в контакторный абсорбер, газовую коммуникацию для отвода газовой смеси из контакторного абсорбера, газовую коммуникацию для отвода кислых компонентов из контакторного десорбера, жидкостную коммуникацию для рециркуляционного соединения контакторного абсорбера и контакторного десорбера, насос для прокачки жидкости в жидкостной коммуникации и установленные на ней теплообменники.One of the closest in design and adopted for the prototype is a membrane-absorption unit (gas separation unit), which is part of a complex system for the processing of organic waste (US Pat. RF No. 65048). The unit is designed to clean biogas from acidic components. The installation is a purifier of the gas to be purified and a membrane contactor module made according to the recirculation scheme, which includes a contactor absorber and a contactor stripper, gas communication for supplying the mixture to be cleaned in the contactor absorber, gas communication for the removal of the gas mixture from the contactor absorber, gas communication for the removal of acidic components from contactor stripper, fluid communication for recirculation connection of contactor absorber and contactor stripper a, a pump for pumping liquid in a liquid communication and heat exchangers installed on it.

Основную задачу, которую решает эта установка, является очистка биогаза от кислых компонентов, в частности, диоксида углерода. Объемная концентрация диоксида углерода может быть понижена от 30-50% объемных до величин 1-3% и ниже. Однако производимый продукт (биогаз) на выходе установки имеет относительную влажность на уровне 100%. Повышенная влажность ухудшает потребительские качества и затрудняет использование биогазового топлива.The main task that this installation solves is the purification of biogas from acidic components, in particular carbon dioxide. The volumetric concentration of carbon dioxide can be reduced from 30-50% by volume to values of 1-3% and below. However, the produced product (biogas) at the installation outlet has a relative humidity of 100%. High humidity worsens consumer qualities and complicates the use of biogas fuels.

Задачей предложенного технического решения является улучшение потребительских свойств очищенных от кислых примесей газовых смесей за счет их дополнительной осушки с использованием мембранно-контакторных абсорбционных технологий.The objective of the proposed technical solution is to improve the consumer properties of gas mixtures purified from acidic impurities due to their additional drying using membrane-contactor absorption technologies.

Техническим результатом от использования предложенной установки является возможность проведения финишной осушки предварительно очищенных от кислых компонентов газовых смесей с использованием однотипной двухмодульной технологической схемы, включающей очистку и последующую осушку без значительного увеличения капитальных и энергетических затрат.The technical result from the use of the proposed installation is the possibility of finishing drying pre-cleaned from acidic components of gas mixtures using the same two-module technological scheme, including cleaning and subsequent drying without a significant increase in capital and energy costs.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что установка для мембранно-абсорбционной очистки газовых смесей от кислых компонентов, состоящая из побудителя расхода очищаемой газовой смеси и рециркуляционного мембранно-контакторного модуля с абсорбентом для очистки газовой смеси от кислых компоненгтов, содержит дополнительный последовательно расположенный рециркуляционноый мембранно контакторный модуль с абсорбентом для осушки газовой смеси. Каждый из модулей включает контакторный абсорбер и контакторный десорбер, газовую коммуникацию для подачи газовой смеси в контакторный абсорбер, газовую коммуникацию для отвода газовой смеси из контакторного абсорбера, газовую коммуникацию для отвода газа из контакторного десорбера, жидкостную коммуникацию для рециркуляционного соединения контакторного абсорбера и контакторного десорбера, насос для прокачки жидкости в жидкостной коммуникации и установленные на ней теплообменники. Газовая коммуникация для отвода газовой смеси из контакторного абсорбера первого модуля соединена с газовой коммуникацией для подачи газовой смеси в контакторный абсорбер дополнительного модуля.The specified task and technical result is achieved in that the installation for membrane-absorption cleaning of gas mixtures from acidic components, consisting of an inducer of the flow rate of the purified gas mixture and a recirculation membrane-contactor module with an absorbent for cleaning the gas mixture from acidic components, contains an additional sequentially located recirculation membrane contactor module with absorbent for drying the gas mixture. Each of the modules includes a contactor absorber and a contactor stripper, gas communication for discharging the gas mixture from the contactor absorber, gas communication for discharging the gas from the contactor absorber, gas communication for discharging gas from the contactor desorber, liquid communication for recirculating connection of the contactor absorber and contactor desorber, a pump for pumping liquid in liquid communication and heat exchangers installed on it. The gas communication for discharging the gas mixture from the contactor absorber of the first module is connected to the gas communication for supplying the gas mixture to the contactor absorber of the additional module.

Вариантом выполнения установки является то, что теплообменники в модулях соединены между собой тепловыми насосами для перекачки тепла из контакторного абсорбера в контакторный десорбер.An embodiment of the installation is that the heat exchangers in the modules are interconnected by heat pumps to transfer heat from the contactor absorber to the contactor desorber.

Основным отличием заявленной установки от прототипа и других известных установок является то, что на выходе она содержит дополнительный рециркуляционноый мембранно контакторный модуль с абсорбентом для осушки газовой смеси. Основной модуль поглощает кислые компоненты, а дополнительный модуль производит финишную осушку очищенного целевого газа. В каждом модуле абсорбер должен находиться при пониженной температуре, а десорбер - при повышенной, что достигается использованием теплообменников. Для экономии энергоресурсов теплообменники соединяются между собой тепловым насосом для перекачки тепла из абсорберов в десорберы.The main difference between the claimed installation from the prototype and other known installations is that at the outlet it contains an additional recirculation membrane contactor module with an absorbent for drying the gas mixture. The main module absorbs acidic components, and the additional module completes the drying of the purified target gas. In each module, the absorber should be at a low temperature, and the stripper at a higher temperature, which is achieved by using heat exchangers. To save energy, heat exchangers are interconnected by a heat pump to transfer heat from the absorbers to the desorbers.

Положительный эффект от использования технического решения состоит в следующем:The positive effect of using a technical solution is as follows:

- обеспечение финишной осушки и улучшение потребительских качеств очищенных от кислых примесей газовых смесей.- ensuring the final drying and improvement of consumer qualities of gas mixtures purified from acidic impurities.

- снижение себестоимости полной переработки газовых смесей за счет использования единой абсорбционной технологии очистки и осушки.- reducing the cost of complete processing of gas mixtures through the use of a single absorption technology for cleaning and drying.

- снижение энергозатрат на абсорбционную очистку и осушку газовых смесей за счет использования тепловых ресурсов установки.- reduction of energy consumption for absorption cleaning and drying of gas mixtures through the use of heat resources of the installation.

На приведенном рисунке изображена принципиальная схема установки для мембранно-абсорбционной очистки газовых смесей от кислых компонентов.The figure below shows a schematic diagram of an installation for membrane-absorption treatment of gas mixtures from acidic components.

Установка для мембранно-абсорбционной очистки газовых смесей от кислых компонентов состоит из побудителя расхода очищаемой газовой смеси 1 и рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 2, включающего контакторный абсорбер 3 и контакторный десорбер 4, соединенные по рециркуляционной схеме жидкостной коммуникацией 5, которая заполнена поглощающим кислые компоненты жидким абсорбентом. На жидкостной коммуникации установлен жидкостной насос 6 и два теплообменника 7 и 8 для охлаждения абсорбента, поступающего в абсорбер 3 и нагрева абсорбента, поступающего в десорбер 4. Установка снабжена входной газовой коммуникацией 9 для подачи очищаемой газовой смеси в абсорбер, выходной газовой коммуникацией 10 для отвода очищенной газовой смеси из абсорбера и газовой коммуникацией 11 для отвода кислых компонентов из десорбера. Установка включает дополнительный рециркуляционный мембранно-контакторный модуль 12, подключенный последовательно к основному модулю 2. Для этого выходная газовая коммуникация 10 модуля 2 соединена с входной газовой коммуникацией 13 дополнительного модуля 12. Дополнительный мембранно-контакторный модуль 12 как и основной модуль 2 включает абсорбер 14, десорбер 15, жидкостную газовую коммуникацию 16, жидкостной насос 17 и два теплообменника 18 и 19. Его жидкостная коммуникация 16 заполнена поглощающим воду жидким абсорбентом. Выходная коммуникация 20 служит для подачи потребителю очищенной и осушенной газовой смеси из абсорбера 14, а газовая коммуникация 21 из десорбера 15 служит для отвода паров воды.The installation for membrane-absorption cleaning of gas mixtures from acidic components consists of a flow rate inducer of the gas mixture being cleaned 1 and a recirculation membrane-contactor module 2, including a contactor absorber 3 and a contactor desorber 4 connected in a recirculation scheme with liquid communication 5, which is filled with liquid absorbing acidic components absorbent. A liquid pump 6 and two heat exchangers 7 and 8 are installed on the liquid communication for cooling the absorbent entering the absorber 3 and heating the absorbent entering the desorber 4. The installation is equipped with an inlet gas communication 9 for supplying a cleaned gas mixture to the absorber, an outlet gas communication 10 for removal purified gas mixture from the absorber and gas communication 11 for removal of acidic components from the stripper. The installation includes an additional recirculation membrane-contactor module 12, connected in series to the main module 2. For this, the gas outlet 10 of module 2 is connected to the gas inlet 13 of the additional module 12. The additional membrane-contact module 12 as well as the main module 2 includes an absorber 14, stripper 15, liquid gas communication 16, liquid pump 17 and two heat exchangers 18 and 19. Its liquid communication 16 is filled with water absorbing liquid absorbent. The output communication 20 serves to supply the consumer with a cleaned and dried gas mixture from the absorber 14, and the gas communication 21 from the stripper 15 serves to remove water vapor.

В основном и дополнительном рециркуляционных мембранно-контакторных модулях теплообменники могут быть соединены тепловыми насосами 22 и 23 для перекачки тепла и охлаждения абсорбента, поступающего в абсорбер, и нагрева абсорбента, поступающего в десорбер.In the main and additional recirculation membrane-contactor modules, the heat exchangers can be connected by heat pumps 22 and 23 for transferring heat and cooling the absorbent entering the absorber and heating the absorbent entering the desorber.

Установка для мембранно-абсорбционной очистки газовых смесей от кислых компонентов работает следующим образом. Побудитель расхода 1 создает поток очищаемой газовой смеси, содержащей кислые компоненты, который через входную газовую коммуникацию 9 поступает в абсорбер 3 рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 2. Газовая смесь движется в газовой полости абсорбера, отделенной от жидкостной полости и потока жидкости полупроницаемой мембраной, которая пропускает через свою поверхность газовые компоненты и не пропускает абсорбирующую жидкостью В качестве абсорбирующей жидкости используются водные растворы карбонатов, аминов, дистиллированная вода и др. Мембрана может быть как пористой, так и полимерной, обладающей селективными свойствами проницаемости по отношению к различным газам. С другой стороны мембраны в жидкостной полости движется жидкий абсорбент. Движение его может быть прямоточным, противоточным или перекрестноточным по отношению к направленности потока газа. Скорости и массовые расходы потоков жидкости и газа, а также геометрические параметры абсорбера задаются исходя из условий обеспечения оптимального соотношения между диффузионными и конвективными потоками в жидкостной и газовой полостях. Конструктивно абсорбер может быть выполнен в виде плоскорамного элемента (плоские газовая и жидкостная полости, разделенные плоской мембраной), рулонным (вариант плоскорамного элемента) или половолоконным.Installation for membrane-absorption treatment of gas mixtures from acidic components works as follows. The flow driver 1 generates a stream of the cleaned gas mixture containing acidic components, which through the gas inlet 9 enters the absorber 3 of the recirculation membrane-contactor module 2. The gas mixture moves in the gas cavity of the absorber, which is separated from the liquid cavity and the liquid stream by a semipermeable membrane, which passes gas components through its surface and does not pass through an absorbing liquid. As an absorbing liquid, aqueous solutions of carbonates, amines, and distilled are used. water and other membranes. The membrane can be either porous or polymer, with selective permeability properties with respect to various gases. On the other side of the membrane, a liquid absorbent moves in the liquid cavity. Its movement can be direct-flow, counter-current or cross-flow with respect to the direction of gas flow. The velocities and mass flow rates of the liquid and gas flows, as well as the geometric parameters of the absorber are set based on the conditions for ensuring the optimal ratio between diffusion and convective flows in the liquid and gas cavities. Structurally, the absorber can be made in the form of a flat element (flat gas and liquid cavities separated by a flat membrane), rolled (a variant of a flat element) or hollow fiber.

Во время движения жидкости и газа кислые компоненты проникают через мембрану и насыщают жидкость, которая выходит из абсорбера в виде насыщенного раствора. Очищенный газ через выходную газовую коммуникацию 10 покидает рециркуляционный мембранный-контакторный модуль 2. Жидкостной насос 6 по жидкостной коммуникации 5 подает абсорбирующую жидкость в десорбер 4, где происходят обратные процессы, т.е. выделение кислых газовых компонентов из жидкости. Движущей силой может быть либо вакуумирование газовой полости десорбера, либо проникновение кислых компонентов в поток воздуха (отдувка воздухом), либо нагрев абсорбирующей жидкости перед ее поступлением в десорбер, либо использование комбинации из всех трех способов. Кислые газы удаляются из десорбера через газовую коммуникацию 11. Очищенная жидкость в рециркуляционном контуре по жидкостной коммуникации 5 возвращается на вход абсорбера. Для увеличения степени очистки от кислых компонентов и уменьшения площади мембраны и потока жидкости на жидкостной коммуникации установлены теплообменники 7 (охладитель) и 8 (нагреватель), поскольку абсорбция протекает лучше в более холодную жидкость, а десорбция протекает лучше из более горячей жидкости.During the movement of the liquid and gas, acidic components penetrate the membrane and saturate the liquid, which leaves the absorber in the form of a saturated solution. The purified gas leaves the recirculation membrane-contactor module 2 through the gas outlet 10. The liquid pump 6 through the liquid communication 5 delivers the absorbing liquid to the stripper 4, where the reverse processes occur, i.e. evolution of acid gas components from a liquid. The driving force can be either evacuation of the gas cavity of the stripper, or penetration of acidic components into the air stream (air blowing), or heating of the absorbing liquid before it enters the stripper, or using a combination of all three methods. Acid gases are removed from the stripper through the gas communication 11. The purified liquid in the recirculation loop through the liquid communication 5 is returned to the input of the absorber. To increase the degree of purification from acidic components and reduce the area of the membrane and fluid flow, heat exchangers 7 (cooler) and 8 (heater) are installed on the liquid communication, since absorption flows better into a colder liquid and desorption proceeds better from a hotter liquid.

Полупроницаемые мембраны всегда хорошо пропускают пары воды. Т.к. сорбентами являются водные растворы, то в процессе сорбции в абсорбере 3 происходит насыщение очищаемой газовой смеси парами воды. В этой связи, поскольку имеет место унос воды из жидкого абсорбента и концентрирование его раствора, в рециркуляционном мембранно-контакторном модуле 2 должна быть предусмотрена система разбавления раствора абсорбента путем добавления воды в жидкостную коммуникацию 5 в процессе эксплуатации (на Рисунке не показана).Semi-permeable membranes always pass water vapor well. Because Since water sorbents are aqueous solutions, in the process of sorption in the absorber 3, the purified gas mixture is saturated with water vapor. In this regard, since there is ablation of water from the liquid absorbent and concentration of its solution, a system for diluting the absorbent solution by adding water to the liquid communication 5 during operation (not shown) should be provided in the recirculation membrane-contactor module 2.

Для осушки очищенной газовой смеси используется дополнительный рециркуляционный мембранно-контакторный модуль 12, по конструкции аналогичный основному модулю 2. При этом газовая коммуникация 10 для отвода очищенной газовой смеси из модуля 2 соединена с входной газовой коммуникацией 13 дополнительного рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 12. Регулировка производительности по сорбирующей жидкости модуля 12 производится в зависимости от величины поступающего в него потока газа и от его относительной влажности. Во всем остальном модули 2 и 12 функционируют независимо. В модуле 12 в качестве жидкого сорбента используются водные растворы этиленгликолей или водные растворы солей некоторых металлов (например, LiCl). Очищенная и осушенная газовая смесь отводится потребителю по газовой коммуникации 20 модуля 12, а по коммуникации 21 отводятся пары воды, удаленные из газовой смеси в десорбере 15. В модуле 12 удаление (десорбция) паров воды может производиться либо вакуумированием, либо нагревом абсорбирующей жидкости перед ее поступлением в десорбер, либо комбинацией этих способов. Отдувка в воздух малоэффективна, поскольку окружающий воздух, как правило, имеет высокую влажность.An additional recirculation membrane-contactor module 12, similar in design to the main module 2, is used to dry the cleaned gas mixture. In this case, the gas communication 10 for discharging the purified gas mixture from module 2 is connected to the inlet gas communication 13 of the additional recirculation membrane-contactor module 12. Performance adjustment on the sorbing liquid of module 12 is made depending on the size of the gas stream entering it and on its relative humidity. In all other respects, modules 2 and 12 function independently. In module 12, aqueous solutions of ethylene glycols or aqueous solutions of certain metal salts (e.g., LiCl) are used as a liquid sorbent. The cleaned and drained gas mixture is discharged to the consumer via gas communication 20 of module 12, and water 21 is removed from the gas mixture removed from the gas mixture in stripper 15. In module 12, water vapor can be removed (desorption) either by vacuum or by heating the absorbing liquid before it admission to the stripper, or a combination of these methods. Blowing into the air is ineffective, because the surrounding air, as a rule, has high humidity.

Абсорбция паров воды в модуле 12 приводит к разбавлению раствора сорбента. Сохранение его концентрации регулируется степенью десорбции в десорбере 15.The absorption of water vapor in the module 12 leads to dilution of the sorbent solution. The preservation of its concentration is regulated by the degree of desorption in the stripper 15.

Для повышения энергоэффективности и степени очистки и осушки газовой смеси одним из вариантов реализации устройства является устройство в рециркуляционных мембранно-контакторных модулях 2 и 12 которого теплообменники 7, 8 и 18, 19 соединены тепловыми насосами 22 и 23, которые отбирают часть тепла из теплообменников 7 и 18 и передают его через теплообменники 8 и 19 в жидкостные коммуникации 5 и 16. Теплообменники могут быть двухсекционными, позволяющими осуществлять теплообмен между жидким абсорбентом и внешними источниками холода и тепла, так и за счет перекачки тепла посредством тепловых насосов.To improve energy efficiency and the degree of purification and drying of the gas mixture, one of the options for implementing the device is a device in the recirculation membrane-contactor modules 2 and 12 of which the heat exchangers 7, 8 and 18, 19 are connected by heat pumps 22 and 23, which take part of the heat from the heat exchangers 7 and 18 and transmit it through heat exchangers 8 and 19 to the liquid communications 5 and 16. Heat exchangers can be two-sectional, allowing heat exchange between the liquid absorbent and external sources of cold and heat, and for heat transfer through heat pumps.

Использование предложенной двухмодульной схемы очистки и осушки, построенной на единой абсорбционной мембранно-контакторной технологии, позволяет обеспечить непрерывный во времени процесс. Преимуществом устройства является также то, что в нем используется один побудитель расхода очищаемого газа и дополнительное его сжатие на осушку не требуется, как это имеет место в случае, когда для финишной осушки используются адсорбционные колонны.Using the proposed two-module cleaning and drying scheme, built on a single absorption membrane-contactor technology, allows for a continuous process in time. An advantage of the device is also that it uses a single inducer of the consumption of the gas to be purified and its additional compression for drying is not required, as is the case when adsorption columns are used for the final drying.

Решаемые задачи и достигаемый технический результат при использовании устройства поясняется следующими примером. Абсорбер и десорбер рециркуляционного мембранно-контакторного модуля 2 содержит полимерную мембрану на основе политетрафторэтилена (ПТЭ) площадью по 50 м². В качестве сорбирующей жидкости используется 10% водный раствор диэтаноламина. При очистке входного потока биогаза, имеющего температуру 20°С с объемным расходом 100 м³/час и содержащего 40% объемных двуокиси углерода и 1,4% паров воды (относительная влажность биогаза равна 60%), поток сорбирующей жидкости равен 10 м³/час. Абсорбция проводится при температуре 30°С, а десорбция при температуре 100°С. На выходе абсорбера в газовой коммуникации 10 отводится поток очищенного биогаза 64,5 м³/час с концентрацией двуокиси углерода 5% объемных и с концентрацией паров воды 4,2% (относительная влажность равна 100%). В дополнительном рециркуляционном мембранно-контакторном модуле 12 абсорбер и десорбер имеют площадь мембраны по 10 м². Поток сорбирующей жидкости в виде триэтиленгликоля, имеющего 2 массовых процента воды, составляет 1,0 м³/час. При этом относительная влажность осушенного биогаза снижается до 5%, что соответствует точке росы около минус 22°С. Биогаз с содержанием двуокиси углерода не выше 5% соответствует нормативам на газовое топливо различного назначения. Достигаемая степень осушки позволяет транспортировать биогаз в открытых трубопроводах в зимних условиях, а также закачивать биогазовое топливо в баллоны высокого давления.The tasks and technical result achieved when using the device is illustrated by the following example. The absorber and stripper of the recirculation membrane-contactor module 2 contains a polytetrafluoroethylene (PTE) polymer membrane with an area of 50 m ² . A 10% aqueous solution of diethanolamine is used as the sorbing liquid. When cleaning the biogas inlet stream having a temperature of 20 ° C with a volumetric flow rate of 100 m ³ / h and containing 40% volumetric carbon dioxide and 1.4% water vapor (relative humidity of biogas is 60%), the sorbing liquid stream is 10 m ³ / hour. Absorption is carried out at a temperature of 30 ° C, and desorption at a temperature of 100 ° C. At the outlet of the absorber in the gas communication 10, a stream of purified biogas is discharged 64.5 m ³ / h with a carbon dioxide concentration of 5% by volume and with a water vapor concentration of 4.2% (relative humidity is 100%). In the additional recirculation membrane-contactor module 12, the absorber and stripper have a membrane area of 10 m ² . The flow of the sorbing liquid in the form of triethylene glycol having 2 weight percent of water is 1.0 m ³ / h. In this case, the relative humidity of the dried biogas is reduced to 5%, which corresponds to a dew point of about minus 22 ° C. Biogas with a carbon dioxide content of not higher than 5% meets the standards for gas fuel for various purposes. The achieved degree of drying allows transporting biogas in open pipelines in winter conditions, as well as pumping biogas fuel into high-pressure cylinders.

В приведенном примере проведение осушки биогаза на дополнительном рециркуляционном мембранно-контакторном модуле требует незначительных дополнительных капитальных затрат, которые примерно в пять раза ниже, по отношению к капитальным затратам на изготовление основного модуля для очистки газовой смеси. В связи с малым требуемым потоком жидкого абсорбента в дополнительном модуле, энергозатраты на его эксплуатацию примерно в десять раз ниже, чем при эксплуатации основного модуля. Приведенные параметры могут быть значительно улучшены за счет повышения давления газовой смеси при сорбции и оптимизации температурных режимов.In the above example, biogas drying on an additional recirculation membrane-contactor module requires insignificant additional capital costs, which are approximately five times lower compared to the capital costs for the manufacture of the main module for cleaning the gas mixture. Due to the small required flow of liquid absorbent in the additional module, the energy consumption for its operation is about ten times lower than when operating the main module. These parameters can be significantly improved by increasing the pressure of the gas mixture during sorption and optimizing temperature conditions.

Claims

1. Installation for membrane-absorption cleaning of gas mixtures from acidic components, consisting of an inducer of consumption of the gas to be cleaned and a recirculation membrane-contactor module, including a contactor absorber, a contactor stripper equipped with a liquid pump and two heat exchangers and filled with liquid communication absorbing acidic components liquid absorbent to provide a recirculation flow between the absorber and the stripper, the inlet gas communication for supplying the cleaned gas mixture to the absorber, the outlet gas communication for the removal of the purified gas mixture from the absorber and the gas communication for the removal of acidic components from the stripper, characterized in that the installation is equipped with an additional recirculation membrane-contactor module, the input gas communication of which is connected to the output gas communication of the main recirculation membrane-contactor module , the liquid communication of the add-on module is filled with water absorbing liquid absorbent, its output gas communication is It serves to supply the consumer with a purified and dried gas mixture from the absorber, and its gas communication from the stripper serves to remove water vapor.

2. Installation for membrane-absorption cleaning of gas mixtures from acidic components according to claim 1, characterized in that the heat exchangers of the recirculation membrane-contactor modules are connected by heat pumps for pumping heat and cooling the liquid absorbent entering the absorbers and heating the liquid absorbent entering the strippers.