RU2626354C1

RU2626354C1 - Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции

Info

Publication number: RU2626354C1
Application number: RU2016130347A
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Мнушкин
Original assignee: Игорь Анатольевич Мнушкин
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-07-26
Also published as: RU2626354C9

Abstract

Изобретение относится к процессам разделения многокомпонентных газовых потоков на отдельные компоненты или фракции при помощи адсорбентов и может быть использовано в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности. Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции включает реализацию двухстадийного процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции в стационарном слое адсорбента, при этом исходный газовый поток разделяют на N отдельных компонентов или фракций, характеризуемых коэффициентом аффинности по адсорбционному сродству к адсорбенту, наименее сорбируемый отдельный компонент или фракция имеют коэффициент аффинности а₁=1, а остальные сорбируемые отдельные компоненты или фракции имеют последовательно возрастающие коэффициенты аффинности по мере возрастания адсорбционного сродства к адсорбенту а_N>а_N-1>...>а₂>а₁=1, последовательно направляя его под высоким давлением в адсорбера N-1 блока адсорбер-десорбер и очищая от наименее сорбируемых компонентов или отдельных фракций. Изобретение решает задачу разработки эффективного способа разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции на основе принципа короткоцикловой адсорбции, обеспечивающего энерго- и ресурсосбережение. 20 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к процессам разделения многокомпонентных газовых потоков на отдельные компоненты или фракции при помощи адсорбентов и может быть использовано в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности.

Адсорбционный способ очистки и разделения многокомпонентных газовых потоков широко применяют в промышленности. Наиболее часто такой процесс реализуют в системе адсорберов-десорберов со стационарным слоем адсорбента в режиме «температурные качели», когда процесс осуществляют по крайней мере в двух попеременно работающих аппаратах: стадию адсорбции – при умеренно низких температурах в адсорбере, а стадию десорбции – в десорбере, где адсорбент сначала нагревают до температуры десорбции, затем проводят непосредственно процесс десорбции тем или иным известным способом, после чего адсорбент охлаждают до температуры адсорбции (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976, 511 с.).

Известен, например, способ осушки и очистки этановой фракции от сернистых соединений и углекислого газа, включающий адсорбцию примесей цеолитом под давлением с последующими регенерацией и охлаждением цеолита с помощью газа регенерации и охлаждения, при этом в качестве газа регенерации и охлаждения используют метановую фракцию, в качестве цеолита – цеолит СаА, регенерацию которого осуществляют при температуре 210-230°С и давлении на 1-3 кг/см² ниже давления адсорбции, а насыщенный газ регенерации цеолита подают на всас компрессора магистрали товарного газа (патент на изобретение RU 2221626 С1, МПК B01D53/02, B01D53/26, заявлен 15.08.2002, опубл. 20.01.2004).

Недостатками данного изобретения являются:

1) существенные энергозатраты для нагрева газа регенерации;

2) увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, вызванное повышением объема загружаемого адсорбента и, соответственно, металлоемкости адсорберов из-за снижения адсорбционной активности цеолита СаА на стадии адсорбции по причине низкой, не обеспечивающей высокое качество, температуры регенерации (210-230oС);

3) снижение качества товарного газа при подаче содержащего десорбированные сернистые соединения и углекислый газ газа регенерации в магистраль товарного газа.

Известен способ осушки и очистки углеводородных газов, реализуемый на адсорбционной установке, включающей входной сепаратор, дроссель, нагреватель газа регенерации, охладитель газа регенерации, сепаратор газа регенерации, фильтр осушенного газа, адсорберы, соединенные в коллекторную схему для работы в режимах осушки газа, регенерации адсорбента, охлаждения адсорбента с возвратом газов регенерации и охлаждения на осушку, в которой газы регенерации и охлаждения подаются в один и тот же адсорбер соответственно снизу и сверху последовательно за время, равное времени осушки сырого газа в другом адсорбере, и отводятся из адсорбера в линию подачи газа на охладитель и сепаратор газа регенерации (патент на полезную модель RU 128514 U1, МПК B01D53/04, заявлена 07.11.2012, опубл. 27.05.2013).

Недостатками данной полезной модели являются:

1) значительные энергозатраты для нагрева газа регенерации и капитальные затраты на многочисленное оборудование, приводящие к чрезмерному увеличению себестоимости осушки и очистки углеводородных газов;

2) усложняющее технологическую схему и управление технологическим процессом использование нагревателя, охладителя и сепаратора газа регенерации;

3) не позволяющая оптимизировать сорбционный процесс по каждому компоненту реализуемая в адсорбере совместная адсорбция всех извлекаемых компонентов;

4) равенство времени адсорбции и времени совместных регенерации и охлаждения адсорбента, приводящее к переходу стадии регенерации из непрерывного процесса в периодический вследствие необходимости в прекращении или переводе в экономически нецелесообразный режим циркуляции нагрева газа регенерации и перемещении его по коммуникациям установки во время подачи в десорбер газа охлаждения;

5) невозможность раздельного извлечения компонентов из углеводородного газа.

Известен способ адсорбционного разделения жидкой или газовой смеси компонентов, основанный на принципе гиперсорбции и непрерывном противоточном контактировании адсорбента с восходящим потоком жидкости или газа последовательно в адсорбционной и хроматографической секциях, при этом в промежуточном сечении адсорбционной секции слой движущегося адсорбента и в промежуточном сечении хроматографической секции восходящий поток жидкости или газа разделяют на два потока, образуя две зоны противоточного контактирования, причем один из потоков адсорбента и восходящего потока жидкости или газа контактируют в зоне ввода исходной смеси, другой поток адсорбента и восходящего потока жидкости или газа – в зоне вывода промежуточной фракции, что позволяет разделять исходную смесь на три продукта в одном аппарате (патент на изобретение RU 2098168 С1, МПК B01D53/06, заявлен 14.06.1996, опубл. 10.12.1997).

1) ограниченность разделения исходной смеси компонентов только тремя продуктами в виде достаточно чистых отдельных компонентов или фракций;

2) истирание адсорбента с выносом образующейся при этом пыли вместе с продуктами, покидающими аппарат с легкой и промежуточной фракциями, требующее установки на этих потоках дополнительных фильтров;

3) необходимость достаточно большой высоты слоя адсорбента для формирования хроматографической секции.

Рядом преимуществ обладают процессы, реализуемые в стационарном слое адсорбента в режиме «качели давления», когда процесс осуществляют в двух попеременно работающих аппаратах: стадию адсорбции – при умеренно низких температурах под высоким давлением в адсорбере, а стадию десорбции – в десорбере путем сброса избыточного давления при температуре стадии адсорбции и регенерации адсорбента за счет смещения фазового равновесия в системе адсорбент-адсорбат.

Известен способ адсорбционного разделения газовой смеси посредством процесса адсорбции в одном или нескольких параллельно работающих адсорберах при переменном давлении и использовании вакуума, причем подлежащую разделению газовую смесь перед подачей в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума сжимают посредством по меньшей мере одного компрессора до давления адсорбции, а регенерацию адсорбера или адсорберов осуществляют посредством по меньшей мере одного вакуумного насоса, при этом в те моменты времени, когда газовую смесь не подают в процесс адсорбции при переменном давлении и с использованием вакуума, сжатую газовую смесь по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично подают на промежуточное накопление и/или направляют потребителю и/или в то время, когда не осуществляют регенерацию адсорбера посредством вакуумного насоса или по меньшей мере одного из вакуумных насосов, вакуумный насос или по меньшей мере один из вакуумных насосов, не являющихся необходимыми для регенерации, по меньшей мере временно используют для другого применения (патент на изобретение RU 2579448 С2, МПК B01D53/53, заявлен 05.10.2011, опубл. 10.04.2016).

1) периодичность реализации способа;

2) использование неочищенного продукта при подаче сжатой газовой смеси по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично на промежуточное накопление и/или направлении потребителю;

3) вызванная периодичностью и высокой отходностью невозможность использования способа в промышленных масштабах.

Известен также способ короткоцикловой адсорбции, в котором один адсорбционный слой находится в рабочем режиме, при котором адсорбат адсорбируется из сырьевой газовой смеси, проходя через данный слой, в то время как другой адсорбционный слой находится в регенерационном режиме, при котором адсорбированный адсорбат десорбируют из данного слоя, и указанные слои чередуют между режимами, при этом время, требуемое для завершения рабочего режима, определяют из общего количества адсорбата в сырьевой газовой смеси, вводимой в слой в ходе указанного режима, концентрацию адсорбата в сырьевой газовой смеси измеряют в течение указанного рабочего режима, и время, требуемое для завершения действующего рабочего режима, прогнозируют на основании указанной измеренной концентрации, и по меньшей мере один технологический параметр регенерационного режима модифицируют в ответ на изменения в указанном спрогнозированном времени, посредством чего регенерационный режим завершается в то же время, что и параллельный рабочий режим, в частности, таким образом можно выделить диоксид углерода из воздуха (заявка на патент RU 2009115012 А, МПК B01D53/02, заявлена 20.04.2009, опубл. 27.10.2010).

1) ограниченность четкого выделения из сырьевой газовой смеси только одним компонентом;

2) необходимость использования дополнительного технологического процесса, например, ректификации, для разделения десорбированных адсорбатов при их извлечении из сырьевой газовой смеси, существенно снижающая экономическую эффективность способа;

3) неверное представление о зависимости времени рабочего режима от общего количества адсорбатов в сырьевой газовой смеси, подаваемой в адсорбционный слой в течение указанного рабочего режима, определяемом с учетом различного сродства адсорбента к разным адсорбатам и пропорционально не общему количеству адсорбатов, а времени отработки адсорбционного слоя наименее сорбируемым компонентом.

Известен также способ разделения многокомпонентной парогазовой смеси с ее одновременной осушкой, который осуществляют в цикле, при этом парогазовую смесь, поступившую в адсорбционную емкость, выдерживают в течение времени, необходимого для достижения заданного перепада парциальных давлений целевого продукта вне и внутри полых сферических частиц, стенки которых выполнены из селективно-проницаемого материала по отношению к целевому продукту, например из алюмосиликатного стекла, одновременно происходит осушка и сорбция сопутствующего продукта гигроскопичным материалом гранул, например γ-оксидом алюминия (γ-Аl₂О₃), поглощающим пары жидкости, затем осуществляют десорбцию целевого и сопутствующего продуктов, после которой цикл повторяют (патент на изобретение RU 2508156 С2, МПК B01D53/02, заявлен 03.05.2012, опубл. 27.02.2014). Недостатками данного изобретения являются:

1) снижение качества разделения из-за использования в адсорбере двух слоев различных адсорбентов, извлекающих различные компоненты из исходной многокомпонентной парогазовой смеси, не позволяющего сбалансировано извлекать целевой компонент, влагу и сопутствующие продукты при колебании состава исходной многокомпонентной парогазовой смеси по указанным компонентам;

2) загрязнение влагой и сопутствующими продуктами целевого компонента из-за использования в адсорбере двух слоев различных адсорбентов, извлекающих различные компоненты из исходной многокомпонентной парогазовой смеси, приводящего к смешению между собой десорбируемых продуктов в ходе регенерации адсорбента.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в разработке эффективного способа разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции на основе принципа короткоцикловой адсорбции, обеспечивающего энерго- и ресурсосбережение.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции, включающем реализацию двухстадийного процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции в стационарном слое адсорбента по крайней мере в двух адиабатических периодически переключаемых аппаратах: проведение стадии адсорбции извлекаемых отдельных компонентов или фракций при высоком давлении в адсорбере и стадии десорбции извлекаемых отдельных компонентов или фракций при низком давлении в десорбере, исходный газовый поток разделяют на N отдельных компонентов или фракций, характеризуемых коэффициентом аффинности по адсорбционному сродству к адсорбенту, при этом наименее сорбируемый отдельный компонент или фракция имеют коэффициент аффинности а₁=1, а остальные сорбируемые компоненты или фракции имеют последовательно возрастающие коэффициенты аффинности по мере увеличения адсорбционного сродства к адсорбенту а_N>а_N-1>...>а₂>а₁=1, двухстадийный процесс короткоцикловой безнагревной адсорбции в стационарном слое адсорбента реализуют в последовательной системе из N-1 блока адсорбер-десорбер, исходный газовый поток вводят под высоким давлением в адсорбер первого блока адсорбер-десорбер и очищают наименее сорбируемый отдельный компонент или фракцию с коэффициентом аффинности а₁=1, адсорбируя остальные отдельные компоненты или фракции, имеющие последовательно возрастающие коэффициенты аффинности от а₂ до а_N, при переключении адсорбера первого блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции осуществляют сброс давления до давления, близкого к атмосферному, и из десорбера отводят десорбированные отдельные компоненты или фракции с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности от а₂ до а_N для дальнейшего компримирования до давления адсорбции и подачи в качестве очищаемого газового потока в адсорбер второго блока адсорбер-десорбер, где очищают менее сорбируемый отдельный компонент или фракцию с коэффициентом аффинности а₂, адсорбируя остальные отдельные компоненты или фракции, имеющие последовательно возрастающие коэффициенты аффинности от а₃ до а_N, при переключении адсорбера второго блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции выполняют сброс давления до давления, близкого к атмосферному, и из десорбера отводят десорбированные отдельные компоненты или фракции с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности от а₃ до а_N для дальнейшего компримирования до давления адсорбции и подачи в качестве очищаемого газового потока в адсорбер третьего блока адсорбер-десорбер, далее эту последовательность операций повторяют от блока к блоку, при этом из адсорбера каждого i-го блока адсорбер-десорбер отводят i-й отдельный компонент или фракцию, а десорбированные отдельные компоненты или фракции из десорбера каждого i-го блока адсорбер-десорбер становятся очищаемым газовым потоком, вводимым в адсорбер (i+1)-го блока адсорбер-десорбер.

В качестве исходного газового потока можно использовать природный углеводородный газ, попутный углеводородный газ или отходящие газы нефтепереработки, газохимии или нефтехимии.

Целесообразно очищаемый газовый поток пропускать через слой адсорбента в адсорберах снизу вверх, а десорбированные отдельные компоненты или фракции отводить из десорбера снизу: при этом обеспечивается противоток газовых потоков на стадиях адсорбции и десорбции, что позволяет на стадии десорбции наиболее насыщенный десорбатом газовый поток отводить из нижней части слоя адсорбента, обеспечивая тем самым оптимальный режим десорбции. Кроме того, нижний отвод потока десорбированного газа при сбросе давления на стадии десорбции препятствует локальному псевдоожижению слоя и истиранию при этом частиц адсорбента.

Целесообразно в качестве адсорбента использовать цеолиты, силикагели, оксид алюминия, активированные угли, углеродные наноструктуры, органические полимеры, при этом адсорбент, загружаемый в адсорбер и десорбер каждого i-го блока адсорбер-десорбер, подбирается из условия наибольшей разницы между коэффициентами аффинности двух отдельных компонентов, формирующих границу разделения очищаемого газового потока, поступающего в данный блок, что позволяет для каждого блока адсорбер-десорбер подбирать оптимальный с позиций селективности адсорбционного разделения вид адсорбента.

Целесообразно заполнять адсорберы и десорберы каждого i-го блока адсорбер-десорбер адсорбентом, имеющим повышенную селективность по отношению к отдельным компонентам или фракциям от i+1 до N, что интенсифицирует сорбцию и повышает динамическую активность адсорбента по сумме извлекаемых отдельных компонентов или фракций в каждом адсорбере и опосредовано позволяет уменьшить загрузку адсорбента в i-й блок адсорбер-десорбер и металлоемкость аппаратов этого блока.

Целесообразно обеспечивать высоту слоя адсорбента в адсорберах и десорберах каждого из i блоков адсорбер-десорбер равной не менее 10 длин зоны массопередачи для соответствующего сорбируемого в этом блоке (i+1)-го отдельного компонента или фракции, поскольку при этом достигается достаточно высокая динамическая активность адсорбента.

Необходимо слой адсорбента в адсорберах и десорберах размещать на уложенном на колосниковую решетку слое инертной насадки при переходе от штуцеров к слою адсорбента для выравнивания скорости потока газа, а сверху слоя адсорбента, размещаемого в адсорберах и десорберах, укладывать слой инертной насадки для поджимания слоя адсорбента и предотвращения его псевдоожижения при сбросе давления на стадии десорбции. При этом в качестве инертной насадки необходимо использовать керамические кольца или шары.

Целесообразно проводить переключение адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции при достижении концентрации (i+1)-го отдельного компонента или фракции в выходящем из адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер очищенном газовом потоке равной допустимой проскоковой величине, что обеспечит необходимую глубину очистки газового потока от данного отдельного компонента или фракции. Определение допустимой проскоковой величины концентрации (i+1)-го отдельного компонента или фракции в выходящем из адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер очищенном газовом потоке осуществляется при помощи поточного анализатора, при этом переключение адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции и наоборот выполняют при помощи четырехходовых кранов по сигналу поточного анализатора.

Целесообразно также для каждого (N-1)-го блока адсорбер-десорбер обеспечить рекуперативный теплообмен между покидающим десорбер потоком десорбированного отдельного компонента или фракции и поступающим в адсорбер очищаемым газовым потоком, поскольку, несмотря на формальную изотермичность стадий адсорбции и десорбции, на стадии адсорбции будет происходить нежелательный разогрев очищаемого газового потока и адсорбента за счет выделения теплоты адсорбции, а на стадии десорбции будет происходить нежелательное охлаждение десорбированных отдельных компонентов или фракций и адсорбента за счет поглощения теплоты десорбции и наличия эффекта дросселирования при снижении давления в десорбере.

Целесообразно часть очищенного газового потока с коэффициентом аффинности а₁=1 дросселировать и направлять в десорберы после сброса давления в них до давления, близкого к атмосферному для продувки адсорбента, что снизит парциальное давление десорбируемых отдельных компонентов или фракций, интенсифицирует их десорбцию и приведет к увеличению динамической активности адсорбентов на стадии адсорбции и уменьшению их загрузки в аппараты. Газовый поток после продувки адсорбента используют в качестве топливного газа для внутренних нужд предприятия или компримируют и смешивают с исходным разделяемым газовым потоком для повышения глубины отбора отдельных компонентов или фракций, попавших в продувающий газовый поток в процессе десорбции. При этом объем дросселируемого и направляемого в десорберы после сброса давления в них до давления, близкого к атмосферному для продувки адсорбента очищенного газового потока необходимо обеспечивать не менее удвоенного объема соответствующего десорбера для достаточно полного вытеснения десорбированных отдельных компонентов или фракций из десорбера.

Заявленное изобретение может быть реализовано на установке разделения газового потока, представленной на фиг. 1, где проиллюстрировано разделение исходного газового потока на четыре составляющих компонента с различными коэффициентами аффинности в трех блоках адсорбер-десорбер.

Установка разделения газового потока включает следующие позиции:

1, 3, 5 – адсорбер;

2, 4, 6 – десорбер;

7-12 – четырехходовой кран;

13-15 – поточный анализатор;

16-21 – дросселирующий клапан;

22-23 – компрессор;

24-30 – трубопровод.

Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции реализуется на установке разделения газового потока следующим образом.

Исходный газовый поток, содержащий компоненты С₁, С₂, С₃, С₄ с различными коэффициентами аффинности а₁=1 <а₂< а₃< а₄, соответственно, подают под давлением в диапазоне от 1 до 10 МПа при температуре окружающей среды по трубопроводу 24 через четырехходовой кран 7 в адсорбер 1 блока адсорбер-десорбер 1 с закрытым дросселирующим клапаном 17 и пропускают снизу вверх через слой селективного адсорбента, извлекающего наиболее сорбируемые компоненты С₂, С₃, С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₂< а₃< а₄, а очищенный газовый поток, содержащий компонент С₁ с коэффициентом аффинности а₁=1, отводят с верха адсорбера 1 блока адсорбер-десорбер 1 через четырехходовой кран 8 и по трубопроводу 25 после поточного анализатора 13, фиксирующего концентрацию компонента С₂, направляют потребителю. В это время десорбер 2 блока адсорбер-десорбер 1 находится на стадии регенерации адсорбента за счет того, что при температуре окружающей среды и открытом дросселирующем клапане 16 давление снижается до давления, близкого к атмосферному, а десорбированные компоненты С₂, С₃ и С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₂< а₃< а₄, соответственно, компримируют компрессором 22 до давления в диапазоне от 1 до 4 МПа и по трубопроводу 28 подают в блок адсорбер-десорбер 2.

Десорбированные компоненты С₂, С₃, С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₂< а₃< а₄, соответственно, из десорбера 2 блока адсорбер-десорбер 1 направляют под давлением в диапазоне от 1 до 4 МПа при температуре окружающей среды по трубопроводу 28 через четырехходовой кран 9 в адсорбер 3 блока адсорбер-десорбер 2 с закрытым дросселирующим клапаном 19 и пропускают снизу вверх через слой селективного адсорбента, извлекающего наиболее сорбируемые компоненты С₃ и С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₃< а₄, соответственно, а очищенный газовый поток, содержащий компонент С₂ с коэффициентом аффинности а₂, отводят с верха адсорбера 3 блока адсорбер-десорбер 2 через четырехходовой кран 10 и по трубопроводу 26 после поточного анализатора 14, фиксирующего концентрацию компонента С₃, отправляют потребителю. При этом одновременно десорбер 4 блока адсорбер-десорбер 2 находится на стадии регенерации адсорбента за счет того, что при температуре окружающей среды и открытом дросселирующем клапане 18 давление снижается до давления, близкого к атмосферному, а десорбированные компоненты С₃ и С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₃<а₄, соответственно, компримируют компрессором 23 до давления в диапазоне от 1 до 4 МПа и по трубопроводу 29 подают в блок адсорбер-десорбер 3.

Десорбированные компоненты С₃ и С₄ с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности а₃< а₄, соответственно, из десорбера 4 блока адсорбер-десорбер 2 направляют под давлением в диапазоне от 1 до 4 МПа при температуре окружающей среды по трубопроводу 29 через четырехходовой кран 11 в адсорбер 5 блока адсорбер-десорбер 3 с закрытым дросселирующим клапаном 21 и пропускают снизу вверх через слой селективного адсорбента, извлекающего наиболее сорбируемый компонент С₄ с коэффициентом аффинности а₄, а очищенный газовый поток, содержащий компонент С₃ с коэффициентом аффинности а₃, отводят с верха адсорбера 5 блока адсорбер-десорбер 3 через четырехходовой кран 12 и по трубопроводу 27 после поточного анализатора 15, фиксирующего концентрацию компонента С₄, отправляют потребителю. При этом одновременно десорбер 6 блока адсорбер-десорбер 3 находится на стадии регенерации адсорбента за счет того, что при температуре окружающей среды и открытом дросселирующем клапане 20 давление снижается до давления, близкого к атмосферному, а десорбированный компонент С₄ поступает потребителю по трубопроводу 30.

Когда на поточном анализаторе 13 фиксируется концентрация компонента С₂ в очищенном газовом потоке, содержащем компонент С₁ с коэффициентом аффинности а₁=1, соответствующая допустимой проскоковой концентрации компонента С₂, обеспечивающей полноту его извлечения из очищаемого газового потока, при помощи четырехходовых кранов 7 и 8 осуществляется переключение адсорбера 1 блока адсорбер-десорбер 1 на стадию десорбции, при этом закрытый дросселирующий клапан 17 открывается, и десорбера 2 блока адсорбер-десорбер 1 на стадию адсорбции, при этом открытый дросселирующий клапан 16 закрывается.

Когда на поточном анализаторе 14 фиксируется концентрация компонента С₃ в очищенном газовом потоке, содержащем компонент С₂ с коэффициентом аффинности а₂, соответствующая допустимой проскоковой концентрации компонента С₃, обеспечивающей полноту его извлечения из очищаемого газового потока, при помощи четырехходовых кранов 9 и 10 осуществляется переключение адсорбера 3 блока адсорбер-десорбер 2 на стадию десорбции, при этом закрытый дросселирующий клапан 19 открывается, и десорбера 4 блока адсорбер-десорбер 2 на стадию адсорбции, при этом открытый дросселирующий клапан 18 закрывается.

Когда на поточном анализаторе 15 фиксируется концентрация компонента С₄ в очищенном газовом потоке, содержащем компонент С₃ с коэффициентом аффинности а₃, соответствующая допустимой проскоковой концентрации компонента С₄, обеспечивающей полноту его извлечения из очищаемого газового потока, при помощи четырехходовых кранов 11 и 12 осуществляется переключение адсорбера 5 блока адсорбер-десорбер 3 на стадию десорбции, при этом закрытый дросселирующий клапан 21 открывается, и десорбера 6 блока адсорбер-десорбер 3 на стадию адсорбции, при этом открытый дросселирующий клапан 22 закрывается.

Возможность реализации заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Оценка сорбируемости компонентов смеси по коэффициентам аффинности. В таблице 1 приведены коэффициенты аффинности характерных газовых компонентов для цеолитных и угольных адсорбентов, рассчитанные по отношению к метану (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976, с.158).

Таблица 1

Адсорбируемый компонент	Коэффициенты аффинности для адсорбентов
Адсорбируемый компонент	Цеолиты	Активированные угли
Метан	1,00	1,00
Этан	1,25	1,12
Пропан	1,69	1,45
н-Бутан	2,16	1,73
н-Пентан	2,38	2,1
Сероводород	1,75	0,75
Вода	1,88	-
Диоксид углерода	1,72	1,52

Таким образом, коэффициент аффинности является объективным критерием, который может быть положен в основу способа адсорбционного разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции.

Пример 2. Обоснование эквивалентности системы блоков адсорбер-десорбер принципу гиперсорбции. Исходный поток природного газа в количестве 0,5 млрд. нм³/год (60 тыс. нм³/ч), содержащий 90 об.% метана, 4 об.% этана, 4 об.% пропана и 2 об.% н-бутана, находящийся под давлением 6 МПа, необходимо подвергнуть разделению перед транспортировкой метана в качестве топливного газа по магистральному трубопроводу с покомпонентным извлечением более тяжелых углеводородовв качестве сырья нефтехимического завода. Для реализации этой задачи необходимо разработать гиперсорбционную установку, аналогичную приведенной на фигуре 1, с тремя блоками адсорбер-десорбер, на первом из которых метан очищают от более тяжелых углеводородов, а на остальных двух блоках адсорбер-десорбер разделяют покомпонентно скомпримированные в диапазоне от 1 до 4 МПа десорбированные компоненты первого блока адсорбер-десорбер. При этом в адсорбере второго блока адсорбер-десорбер адсорбируют смесь пропана и н-бутана, а этан выводят под давлением потребителю. Десорбированные компоненты второго блока адсорбер-десорбер компримируют и подают в адсорбер третьего блока адсорбер-десорбер, где адсорбируется н-бутан. К потребителю для последующей переработки с верха адсорбера третьего блока адсорбер-десорбер отправляют пропан, а с низа десорбера третьего блока адсорбер-десорбер – н-бутан.

Пример 3. Для условий примера 2 оценивается коэффициент разделения К веществ в заполненных цеолитами адсорберах первого, второго и третьего блоков адсорбер-десорбер по уравнению (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976, с.158):

lgК= - 0,23 + 4,76*(1-z),

где z – отношение коэффициентов аффинности хуже и лучше сорбирующихся веществ.

С учетом данных таблицы 1 расчеты показывают, что в адсорбере первого блока адсорбер-десорбер коэффициент разделения К₁ для системы с границей деления «метан-этан» равен:

К_1Э= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1/1,25))}=5,3;

при этом по пропану и н-бутану соответственно:

К_1П= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1/1,69))}=51,7;

К_1Б= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1/2,16))}=212,0;

в адсорбере второго блока адсорбер-десорбер с границей деления «этан-пропан» коэффициент разделения К₂ равен:

К_2П= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1,25/1,69))}=10,2;

при этом по н-бутану:

К_2Б= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1,25/2,16))}=59,6;

а в адсорбере третьего блока адсорбер-десорбер с границей деления «пропан-н-бутан» коэффициент разделения К₃ равен:

К₃= 10^{(- 0,23 + 4,76*(1-1,69/2,16))}=6,4.

Полученные значения коэффициентов разделения К₁, К₂ и К₃ свидетельствуют о высокой эффективности адсорбционного разделения во всех трех блоках адсорбер-десорбер стадии адсорбции: адсорбируемые целевые компоненты извлекаются в 5-200 раз более интенсивно, чем побочные компоненты.

Пример 4. Для условий примера 2 оцениваются размеры основных аппаратов установки. При расходе исходного газового потока в рабочих условиях 1000 м³/ч (60 тыс. нм³/ч) и допустимой скорости 0,07 м/с (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976, с.175) диаметры адсорбера и десорбера первого блока адсорбер-десорбер составят 2,25 м. Высота слоя адсорбента, определяемая из условий сорбции из исходного газового потока этана, пропана и н-бутана в количестве 1100 кг/ч при динамической активности адсорбента 10 мас.% и продолжительности стадий адсорбции и десорбции по 2 мин, составит 1,2 м с загрузкой 9,6 м³адсорбента в оба аппарата.

Аналогичный расчет аппаратов второго блока адсорбер-десорбер, в который поступает скомпримированные до 4,0 МПа 6000 нм³/ч десорбированные компоненты первого блока адсорбер-десорбер, 11035 кг/ч или 150 м³/ч в рабочих условиях, показывает, что адсорбер, где сорбируется 7800 кг/ч пропана и н-бутана, имеет диаметр 0,9 м при высоте слоя адсорбента 6 м, такие же размеры имеет десорбер, а суммарная загрузка адсорбента в адсорбер и десорбер второго блока адсорбер-десорбер составляет 7 м³.

Аналогичный расчет аппаратов третьего блока адсорбер-десорбер, в который поступает скомпримированные до 4,0 МПа 3600 нм³/ч десорбированные компоненты второго блока адсорбер-десорбер, 7800 кг/ч или 60 м³/ч в рабочих условиях, показывает, что адсорбер, где сорбируется 3100 кг/ч н-бутана, имеет диаметр 0,55 м при высоте слоя адсорбента 10 м, такие же размеры имеет десорбер, а суммарная загрузка адсорбента в адсорбер и десорбер третьего блока адсорбер-десорбер составляет 2,4 м³.

В целом загрузка адсорбента в аппараты трех блоков короткоцикловой установки составляет 19 м³. Для сравнения: реализация аналогичного процесса разделения исходного газового потока, содержащего компоненты С₁, С₂, С₃, С₄, на установке со стационарным слоем адсорбента и термической регенерацией адсорбента по принципу «температурные качели» с переключением аппаратов со стадии адсорбции на стадию десорбции через 12 часов потребует увеличения суммарной загрузки адсорбента в адсорберы-десорберы до 6840 м³, при этом придется задействовать несколько параллельно работающих установок, что усложнит работу обслуживающего персонала и увеличит его численность, а также возникнет необходимость установки таких дополнительных дорогостоящих аппаратов, как печи и теплообменники.

Пример 5. Для условий примера 4 оценивается приемлемость высоты слоя адсорбента с позиций эффективности процесса адсорбции. Особенность адсорбционных процессов в стационарном слое адсорбента заключается в том, что непосредственно акт адсорбции реализуется на небольшом участке слоя – длине зоны массопередачи L₀, который перемещается по высоте слоя адсорбента L от места ввода исходного газового потока в адсорбер до места вывода очищенного газового потока из слоя адсорбента. Эффективная рабочая активность адсорбента по извлекаемому компоненту a_P до момента проскока извлекаемого компонента в очищаемый продукт составляет часть от потенциальной активности адсорбента a₀ и зависит от соотношения L/L₀. Например, при L/L₀ = 1, 2, 5, 10 и 20 величина рабочей активности a_P составляет соответственно 0, 50, 90, 96 и 97 % от потенциальной активности a₀. При сорбции этана, пропана и н-бутана цеолитами длины зоны массопередачи L₀имеют величину около 19, 8 и 4 см, соответственно (Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976, с.239), следовательно, при расчетной высоте слоев адсорбента в первом блоке адсорбер-десорбер 2,25 м, во втором блоке адсорбер-десорбер – 6 м и в третьем блоке адсорбер-десорбер – 10 м соотношение L/L₀ по блокам составит 12, 75 и 250, соответственно, что обеспечивает высокую эффективность процесса адсорбции, при этом во втором и третьем блоках адсорбер-десорбер рабочая активность адсорбента практически приближается к потенциальной.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает реализацию энерго- и ресурсосберегающего эффективного способа разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции на основе принципа короткоцикловой адсорбции, эквивалентного гиперсорбции.

Claims

1. Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции, включающий реализацию двухстадийного процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции в стационарном слое адсорбента по крайней мере в двух адиабатических периодически переключаемых аппаратах: проведение стадии адсорбции извлекаемых отдельных компонентов или фракций при высоком давлении в адсорбере и стадии десорбции извлекаемых отдельных компонентов или фракций при низком давлении в десорбере, отличающийся тем, что исходный газовый поток разделяют на N отдельных компонентов или фракций, характеризуемых коэффициентом аффинности по адсорбционному сродству к адсорбенту, при этом наименее сорбируемый отдельный компонент или фракция имеют коэффициент аффинности a₁=1, а остальные сорбируемые компоненты или фракции имеют последовательно возрастающие коэффициенты аффинности по мере увеличения адсорбционного сродства к адсорбенту a_N>a_N-1>…>а₂>a₁=1, двухстадийный процесс короткоцикловой безнагревной адсорбции в стационарном слое адсорбента реализуют в последовательной системе из N-1 блока адсорбер-десорбер, исходный газовый поток вводят под высоким давлением в адсорбер первого блока адсорбер-десорбер и очищают наименее сорбируемый отдельный компонент или фракцию с коэффициентом аффинности а₁=1, адсорбируя остальные отдельные компоненты или фракции, имеющие последовательно возрастающие коэффициенты аффинности от а₂ до a_N, при переключении адсорбера первого блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции осуществляют сброс давления до давления, близкого к атмосферному, и из десорбера отводят десорбированные отдельные компоненты или фракции с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности от а₂ до a_Nдля дальнейшего компримирования до давления адсорбции и подачи в качестве очищаемого газового потока в адсорбер второго блока адсорбер-десорбер, где очищают менее сорбируемый отдельный компонент или фракцию с коэффициентом аффинности а₂, адсорбируя остальные отдельные компоненты или фракции, имеющие последовательно возрастающие коэффициенты аффинности от а₃ до a_N, при переключении адсорбера второго блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции выполняют сброс давления до близкого к атмосферному и из десорбера отводят десорбированные отдельные компоненты или фракции с последовательно возрастающими коэффициентами аффинности от а₃ до a_N для дальнейшего компримирования до давления адсорбции и подачи в качестве очищаемого газового потока в адсорбер третьего блока адсорбер-десорбер, далее эту последовательность операций повторяют от блока к блоку, при этом из адсорбера каждого i-го блока адсорбер-десорбер отводят i-й отдельный компонент или фракцию, а десорбированные отдельные компоненты или фракции из десорбера каждого i-го блока адсорбер-десорбер становятся очищаемым газовым потоком, вводимым в адсорбер (i+1)-го блока адсорбер-десорбер.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного газового потока используют природный углеводородный газ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного газового потока используют попутный углеводородный газ.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходного газового потока используют отходящие газы нефтепереработки, газохимии или нефтехимии.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очищаемый газовый поток пропускают через слой адсорбента в адсорберах снизу вверх.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что десорбированные отдельные компоненты или фракции отводят из десорбера снизу.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют цеолиты, силикагели, оксид алюминия, активированные угли, углеродные наноструктуры, органические полимеры.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что адсорбент, загружаемый в адсорбер и десорбер каждого i-го блока адсорбер-десорбер, подбирают из условия наибольшей разницы между коэффициентами аффинности двух отдельных компонентов, формирующих границу разделения очищаемого газового потока, поступающего в данный блок.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что адсорберы и десорберы каждого i-го блока адсорбер-десорбер заполняют адсорбентом, имеющим повышенную селективность по отношению к отдельным компонентам или фракциям от i+1 до N.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что высоту слоя адсорбента в адсорберах и десорберах каждого i-го блока адсорбер-десорбер обеспечивают равной не менее 10 длин зоны массопередачи для соответствующего сорбируемого в этом блоке (i+1)-го отдельного компонента или фракции.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что слой адсорбента размещают в адсорберах и десорберах на уложенном на колосниковую решетку слое инертной насадки.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что сверху слоя адсорбента, размещаемого в адсорберах и десорберах, укладывают слой инертной насадки.

13. Способ по пп. 11 и 12, отличающийся тем, что в качестве инертной насадки используют керамические кольца или шары.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переключение адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции производят при достижении концентрации (i+1)-го отдельного компонента или фракции в выходящем из адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер очищенном газовом потоке, равной допустимой проскоковой величине.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что определение допустимой проскоковой величины концентрации (i+1)-го отдельного компонента или фракции в выходящем из адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер очищенном газовом потоке осуществляют при помощи поточного анализатора.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что переключение адсорбера i-го блока адсорбер-десорбер со стадии адсорбции на стадию десорбции и наоборот выполняют при помощи четырехходовых кранов по сигналу поточного анализатора.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждого (N-1)-го блоков адсорбер-десорбер обеспечивают рекуперативный теплообмен между покидающим десорбер потоком десорбированного отдельного компонента или фракции и поступающим в адсорбер очищаемым газовым потоком.

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть очищенного газового потока с коэффициентом аффинности a₁=1 дросселируют и направляют в десорберы после сброса давления в них до давления, близкого к атмосферному для продувки адсорбента.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что газовый поток после продувки адсорбента используют в качестве топливного газа для внутренних нужд предприятия.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что газовый поток после продувки адсорбента компримируют и смешивают с исходным разделяемым газовым потоком.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что объем дросселируемого и направляемого в десорберы после сброса давления в них до давления, близкого к атмосферному для продувки адсорбента очищенного газового потока, обеспечивают не менее удвоенного объема соответствующего десорбера.