RU2788911C1

RU2788911C1 - Cyclone adsorber for complex purification of natural gas

Info

Publication number: RU2788911C1
Application number: RU2022109779A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Наталья Евгеньевна Семичева; Дмитрий Александрович Лоханов
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-01-25

Abstract

FIELD: natural gases purifying.

SUBSTANCE: invention relates to a technique for purifying natural gases from harmful components and mechanical impurities. The cyclone adsorber contains a cylindrical body, inside which there is a chamber of purified gas from top to bottom, under which an annular perforated cylindrical basket is placed coaxially to the body, placed with an annular gap equal to Δ between its side surface and the body wall and filled with pumice granules made from metallurgical slags with basicity modulus M>1 and granule diameter from 5 to 10 mm. The inner side surface of the perforated basket is covered with an annular filtering partition, inside which there is a central cavity closed from above with a plug, through the top of the perforated basket and the filtering partition, an inlet branch pipe is tangentially passed into the central cavity, from below the filtering partition, the perforated basket and the annular gap are covered with an annular plug. The annular gap between the perforated basket and the housing wall forms annular collectors of purified gas and wash water, connected from above to the purified gas chamber, and the conical bottom of the housing is equipped with a drain fitting.

EFFECT: ensuring reliable operation of the adsorber.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к технике очистки газов и может быть использовано для очистки природных газов от вредных компонентов, а именно газообразных соединений серы (сероводорода и пр.) и механических примесей.The invention relates to gas purification technology and can be used to purify natural gases from harmful components, namely gaseous sulfur compounds (hydrogen sulfide, etc.) and mechanical impurities.

Известен циклонный адсорбер, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, внутри цилиндрического корпуса помещена перфорированная кольцевая цилиндрическая корзина, заполненная гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх которой тангенциально пропущен входной патрубок, соединенный с соединительным газопроводом, над вышеупомянутой корзиной расположен, кольцевой, перфорированный снизу, промывочный коллектор соединенный со штуцером промывочной воды центральная труба соединена с газопроводом очищенного газа, а сливной штуцер соединен с емкостью отработанной промывочной воды [В.С. Ежов, д. т. н., Н.Е. Семичева, Г.Г. Щедрина, к. т. н. Технология комплексной очистки природного газа перед подачей потребителю. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. No 9].Known cyclone adsorber containing a cylindrical body with a conical bottom, inside the cylindrical body is placed a perforated annular cylindrical basket filled with pumice granules made from metallurgical slags with a basicity modulus M>1 and a granule diameter of 5 to 10 mm, through the top of which an inlet pipe is tangentially passed , connected to the connecting gas pipeline, above the aforementioned basket, there is an annular, perforated from below, flushing collector connected to the flushing water fitting, the central pipe is connected to the purified gas pipeline, and the drain fitting is connected to the waste washing water tank [V.S. Ezhov, Doctor of Technical Sciences, N.E. Semicheva, G.G. Shchedrin, Ph.D. Technology of complex purification of natural gas before supply to the consumer. Chemical and oil and gas engineering. 2020. No 9].

Основными недостатками известного циклонного адсорбера являются недостаточное использование адсорбционной емкости адсорбента - гранулированного доменного шлака, обусловленное образованием застойных зон у стенки корпуса и неполная регенерация адсорбента, обусловленная наличием непромытых зон гранулированного шлака, в которые промывочная вода поступает в недостаточном количестве, что снижает экономическую и экологическую эффективность циклонного адсорбера.The main disadvantages of the known cyclone adsorber are the insufficient use of the adsorption capacity of the adsorbent - granulated blast-furnace slag, due to the formation of stagnant zones near the vessel wall and incomplete regeneration of the adsorbent, due to the presence of unwashed zones of granulated slag, into which washing water enters in insufficient quantities, which reduces economic and environmental efficiency. cyclone adsorber.

Более близким к предлагаемому изобретению является циклонный адсорбер для очистки природного газа, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого соосно помещена вертикальная центральная труба, сверху - вниз расположены горизонтальная кольцевая перегородка с диаметром центрального отверстия большим диаметра центральной трубы, полость между которой и крышкой корпуса образует кольцевой коллектор промывочной воды, центральное отверстие которого соединено с верхней кромкой перфорированной трубы оросительной рубашки, образующей между собой и центральной трубой кольцевую щель с зазором равным Δ₁, заглушенную снизу кольцевой планкой, примыкающую к нижней стороне кольцевой перегородки, перфорированную сбоку, изнутри и снизу кольцевую цилиндрическую корзину с зазором между ней и корпусом, закрытым сверху кольцевой перегородкой, открытым снизу и равным Δ₂, причем кольцевая цилиндрическая корзина заполнена гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, через верх корзины тангенциально пропущен входной патрубок, а кольцевой коллектор промывочной воды и коническое днище корпуса снабжены штуцером подачи промывочной воды и сливным штуцером [Патент РФ № 2762736, МПК B04C 5/22, B01D 45/12, B01D 45/18, 2021].Closer to the proposed invention is a cyclone adsorber for natural gas purification, containing a cylindrical body, inside which a vertical central pipe is coaxially placed, a horizontal annular partition is located from top to bottom with a central hole diameter greater than the diameter of the central pipe, the cavity between which and the housing cover forms an annular collector flushing water, the central hole of which is connected to the upper edge of the perforated pipe of the irrigation jacket, forming between itself and the central pipe an annular slot with a gap equal to Δ ₁ , plugged from the bottom with an annular strip, adjacent to the lower side of the annular partition, perforated from the side, from the inside and from the bottom, an annular cylindrical basket with a gap between it and the body, closed from above by an annular partition, open from below and equal to Δ ₂ , and the annular cylindrical basket is filled with pumice granules made from metallurgical slags with a basicity modulus M>1 and with a diameter of granules from 5 to 10 mm, an inlet pipe is tangentially passed through the top of the basket, and the annular wash water collector and the conical bottom of the housing are equipped with a wash water supply fitting and a drain fitting [RF Patent No. 2762736, IPC B04C 5/22, B01D 45/12, B01D 45/18, 2021].

Основным недостатком известного циклонного адсорбера для очистки природного газа является быстрая закупорка пор гранул шлаковой пемзы мелкими частицами механических примесей, ведущая к резкому снижению ее адсорбционной активности, что снижает надежность его работы и ухудшает эффективность очистки газа.The main disadvantage of the known cyclone adsorber for natural gas purification is the rapid clogging of the pores of slag pumice granules by small particles of mechanical impurities, leading to a sharp decrease in its adsorption activity, which reduces the reliability of its operation and worsens the efficiency of gas purification.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности работы и экологической эффективности комплексного циклонного адсорбера для очистки природного газа.The technical result, the solution of which is directed by the present invention, is to increase the reliability of operation and environmental efficiency of a complex cyclone adsorber for natural gas purification.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый циклонный адсорбер для комплексной очистки природного газа содержит цилиндрический корпус, внутри которого сверху - вниз расположена камера очищенного газа, снабженная сверху выходным патрубком и сбоку штуцером подачи промывочной воды, под которой соосно корпусу помещена кольцевая цилиндрическая корзина, перфорированная сбоку, снаружи и снизу, размещенная с кольцевым зазором, равным Δ, между ее боковой поверхностью и стенкой корпуса и заполненная гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутренняя боковая поверхность перфорированной корзины покрыта кольцевой фильтрующей перегородкой, внутри которй раположена центральная полость, закрытая сверху заглушкой, через верх перфорированной корзины и фильтрующей перегородки в центральную полость тангенциально пропущен входной патрубок, снизу фильтрующая перегородка, перфорированная корзина и кольцевой зазор покрыты кольцевой заглушкой, диаметр отверстия которой равен диаметру центральной полости, при этом кольцевой зазор между перфорированной корзиной и стенкой корпуса образует кольцевые коллектор очищеного газа и коллектор промывочной воды, соединенные сверху с камерой очищенного газа, а коническое днище корпуса снабжено сливным штуцером.The technical result is achieved by the fact that the proposed cyclone adsorber for the complex purification of natural gas contains a cylindrical body, inside of which there is a chamber of purified gas from top to bottom, equipped with an outlet pipe on top and a flush water supply fitting on the side, under which an annular cylindrical basket is placed coaxially with the body, perforated on the side , outside and below, placed with an annular gap equal to Δ between its side surface and the body wall and filled with pumice granules made from metallurgical slags with a basicity modulus M> 1 and a granule diameter of 5 to 10 mm, the inner side surface of the perforated basket is covered an annular filtering baffle, inside which there is a central cavity, closed from above with a plug, through the top of the perforated basket and the filtering baffle, an inlet branch pipe is tangentially passed into the central cavity, the filtering baffle, the perforated basket and the annular gap are covered from below an annular plug, the hole diameter of which is equal to the diameter of the central cavity, while the annular gap between the perforated basket and the housing wall forms an annular purified gas collector and a flushing water collector connected from above to the purified gas chamber, and the conical bottom of the housing is provided with a drain fitting.

Предлагаемый циклонный адсорбер для комплексной очистки природного газа (ЦАКОПГ) изображен на фиг. 1 - 4 (фиг. 1 - общий вид ЦАКОПГ, фиг. 2-4 - разрезы, фиг. 5, 6 - узлы стыковки нижних кромок кольцевой цилиндрической корзины с кольцевой заглушкой).The proposed cyclone adsorber for the complex purification of natural gas (CAKOPG) is shown in Fig. 1 - 4 (Fig. 1 - General view of CAKOPG, Fig. 2-4 - sections, Fig. 5, 6 - docking nodes of the lower edges of the annular cylindrical basket with an annular plug).

Циклонный адсорбер для комплексной очистки природного газа содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого сверху - вниз расположена камера очищенного газа 2, снабженная сверху выходным патрубком 3 и сбоку штуцером подачи промывочной воды 4, под которой соосно корпусу 1 помещена кольцевая цилиндрическая корзина 5, перфорированная сбоку, снаружи и снизу, размещенная с кольцевым зазором 6, равным Δ, между ее боковой поверхностью и стенкой корпуса 1 и заполненная гранулами пемзы 7, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутренняя боковая поверхность перфорированной корзины 5 покрыта кольцевой фильтрующей перегородкой 8, внутри которой расположена центральная полость 9, закрытая сверху заглушкой 10, через верх перфорированной корзины 5 и фильтрующей перегородки 8 в центральную полость 9 тангенциально пропущен входной патрубок 11, снизу фильтрующая перегородка 8, перфорированная корзина 5 и кольцевой зазор 6 покрыты кольцевой заглушкой 12, диаметр отверстия 13 которой равен диаметру полости 9, при этом кольцевой зазор 6 образует кольцевые коллектор очищенного газа 14 и коллектор промывочной воды 15, соединенные сверху с камерой очищенного газа 2, а коническое днище корпуса 1 снабжено сливным штуцером 16.The cyclone adsorber for the complex purification of natural gas contains a cylindrical body 1, inside which, from top to bottom, there is a chamber of purified gas 2, equipped with an outlet pipe 3 on top and a flush water supply fitting 4 on the side, under which an annular cylindrical basket 5 is placed coaxially with the body 1, perforated on the side, outside and below, placed with an annular gap 6 equal to Δ, between its side surface and the wall of the housing 1 and filled with pumice granules 7, made from metallurgical slags with a basicity modulus M> 1 and a granule diameter of 5 to 10 mm, the inner side surface is perforated basket 5 is covered with an annular filtering partition 8, inside of which there is a central cavity 9, closed from above with a plug 10, through the top of the perforated basket 5 and the filtering partition 8, an inlet pipe 11 is tangentially passed into the central cavity 9, a filtering partition 8, a perforated basket 5 and an annular gap from below 6 covered roundabout a plug 12, the diameter of the hole 13 of which is equal to the diameter of the cavity 9, while the annular gap 6 forms an annular collector of purified gas 14 and a collector of wash water 15, connected from above with the chamber of purified gas 2, and the conical bottom of the housing 1 is equipped with a drain fitting 16.

В основу работы предлагаемого ЦАКОПГ положены использование процессов фильтрации мелких механических примесей фильтрующей перегородкой и адсорбции вредных газообразных примесей гранулированной шлаковой пемзой. В качестве фильтрующей перегородки используется фильтрующее полотно, изготовленное из химически стойкого, гидрофобного материала. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, MnO) c модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. - М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в природных газах (соединения серы, диоксид углерода и пр.) [Ежов В.С. и др. Использование гранулированных доменных шлаков для очистки газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха от вредных компонентов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. №6, 2019. - С. 44-48]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов природных газов, широко доступны и дешевы.The work of the proposed CAKOPG is based on the use of processes for filtering small mechanical impurities with a filtering partition and adsorption of harmful gaseous impurities with granulated slag pumice. A filter cloth made of a chemically resistant, hydrophobic material is used as a filtering partition. Slag pumice, made from basic metallurgical slags, is a material with a highly porous mechanically strong structure (compressive strength up to 2.7 MPa), consisting of calcium oxide, silicon oxide, aluminum oxide and partly magnesium oxide (CaO, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , MnO) with basicity modulus M>1 [Building materials. Directory. Ed. Boldyreva A. S. and others - M .: Stroyizd., 1989, p. 423; Domokeev A.K. Construction Materials. - M.: Higher. school, 1989, p. 163]. The high value of the modulus of basicity gives the granules of slag pumice the basic properties that allow sorbing substances with acidic properties on their surface, which include harmful impurities that are present in natural gases (sulfur compounds, carbon dioxide, etc.) [Ezhov V.S. and others. The use of granulated blast-furnace slags for cleaning gaseous combustion products and atmospheric air from harmful components. Chemical and oil and gas engineering. No. 6, 2019. - S. 44-48]. In addition, based on their composition, slag pumice granules are resistant to the corrosive effects of acidic components of natural gases, are widely available and cheap.

ЦАКОПГ предназначен для очистки природного газа от мелких механических примесей и сернистых соединений. После предварительной очистки природного газа от конденсата, частиц кристаллогидратов углеводородов и большей части механических примесей газ из входного патрубка 11 тангенциально поступает в центральную полость 9 ЦАКОПГ (вариант - батарея ЦАКОПГ), где происходит закручивание его потока и частицы газа за счет центробежных сил отбрасываются к стенке кольцевой фильтрующей перегородки 8, проходят через нее, очищаясь при этом от мелких механических примесей и поступают в перфорированную кольцевую корзину 5, проникают вовнутрь ее и контактируют с гранулами шлаковой пемзы 7, в порах которой происходит адсорбция молекул сероводорода, меркаптанов, оксидов серы, обладающих кислыми свойствами, которая осуществляется за счет основности шлака. Адсорбированные сернистые соединения, диоксид углерода, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 7 в результате капиллярной конденсации паров воды, которые находятся в газе, с образованием соответствующих кислот H₂SO₄ и H₂CO₃. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 7 оседают мелкодисперсные частицы. При этом, наличие кольцевого зазора 6, образующего кольцевой коллектор очищенного газа между стенкой корпуса 1 и наружной перфорированной стенкой корзины 5 обеспечивает прохождение потока газа через всю толщину загрузки шлака и отсутствие застойных зон у стенки корпуса 1, что увеличивает рабочий объем адсорбента и таким образом интенсифицирует процесс адсорбции. Окончательно очищенный природный газ собирается в камере очищенного газа 2 и через выходной патрубок 3 поступает в газопровод очищенного газа (на фиг. 1-6 не показан), откуда направляется потребителю.CAKOPG is intended for purification of natural gas from small mechanical impurities and sulfur compounds. After preliminary purification of natural gas from condensate, particles of crystalline hydrocarbons and most of the mechanical impurities, the gas from the inlet pipe 11 tangentially enters the central cavity 9 of the CAKOPG (an option is the CACOPG battery), where its flow is swirled and gas particles due to centrifugal forces are thrown to the wall annular filtering partition 8, pass through it, being cleaned from small mechanical impurities and enter the perforated annular basket 5, penetrate inside it and contact with granules of slag pumice 7, in the pores of which adsorption of hydrogen sulfide molecules, mercaptans, sulfur oxides with acidic properties, which is due to the basicity of the slag. Adsorbed sulfur compounds, carbon dioxide, in turn, interact with water particles formed in the pores of the granules 7 as a result of capillary condensation of water vapor, which are in the gas, with the formation of the corresponding acids H ₂ SO ₄ and H ₂ CO ₃ . In addition, fine particles settle on the surface and in the pores of the granules 7. At the same time, the presence of an annular gap 6, which forms an annular collector of purified gas between the wall of the housing 1 and the outer perforated wall of the basket 5, ensures the passage of the gas flow through the entire thickness of the slag load and the absence of stagnant zones near the wall of the housing 1, which increases the working volume of the adsorbent and thus intensifies adsorption process. The finally purified natural gas is collected in the purified gas chamber 2 and through the outlet pipe 3 enters the purified gas pipeline (not shown in Fig. 1-6), from where it is sent to the consumer.

При заполнении живого сечения фильтрующей перегородки 8 механическими примесями и насыщении адсорбента (гранул шлаковой пемзы 7) газообразными примесями перегородку 8 и гранулы 7 подвергают регенерации, которая заключается в промывке их промывочной водой, подаваемой из штуцера 13 в кольцевой коллектор промывочной воды 15, откуда она проходит через толщу шлаковой пемзы 7 и живое сечение перегородки 8, вымывая оттуда вредные примеси. При этом, кольцевая конструкция коллектора промывочной воды 15, расположенного снаружи перфорированной корзины 6 и наличие свободной центральной полости 9 за фильтрующей перегородкой 8 обеспечивает прохождение потока промывочной воды через всю толщину гранул шлака 7 и фильтрующей перегородки 8 и надежную промывку всего их объема. Полученная промывочная вода, содержащая механические примеси и насыщенная кислотными компонентами, через сливной штуцер 16 сбрасывается в емкость отработанной промывочной воды (на фиг. 1-6 не показана), откуда по мере накопления удаляется на очистку.When filling the living section of the filtering partition 8 with mechanical impurities and saturating the adsorbent (granules of slag pumice 7) with gaseous impurities, the partition 8 and granules 7 are subjected to regeneration, which consists in washing them with washing water supplied from the fitting 13 to the annular collector of washing water 15, from where it passes through the thickness of slag pumice 7 and the living section of the partition 8, washing out harmful impurities from there. At the same time, the annular design of the wash water collector 15 located outside the perforated basket 6 and the presence of a free central cavity 9 behind the filter partition 8 ensures the passage of the wash water flow through the entire thickness of the slag granules 7 and the filter partition 8 and reliable washing of their entire volume. The resulting wash water, containing mechanical impurities and saturated with acidic components, is discharged through the drain fitting 16 into a waste wash water tank (not shown in Figs. 1-6), from where it is removed for purification as it accumulates.

Диаметр отверстий перфорации цилиндрической корзины 6 принимают меньшим диметра гранул металлургического шлака 7. Оптимальный расход промывочной воды определяют опытным путем. При этом гидрофобные свойства и химическая стойкость материала фильтрующей перегородка 8 предотвращают его насыщение водой и химическое взаимодействие с газообразными примесями.The diameter of the perforation holes of the cylindrical basket 6 is taken to be less than the diameter of the granules of metallurgical slag 7. The optimal flow rate of washing water is determined empirically. At the same time, the hydrophobic properties and chemical resistance of the material of the filtering partition 8 prevent its saturation with water and chemical interaction with gaseous impurities.

Таким образом, циклонный адсорбер для комплексной очистки природного газа обеспечивает надежную очистку газа от механических примесей и сернистых соединений, что снижает коррозионный износ газопроводов и газоиспользующего оборудования, регенерацию всего объема гранулированного шлака и очистку фильтрующей перегородки, повышая тем самым надежность своей работы и экологические характеристики природного газа, поставляемого потребителю.Thus, the cyclone adsorber for the complex purification of natural gas provides reliable gas purification from mechanical impurities and sulfur compounds, which reduces the corrosive wear of gas pipelines and gas-using equipment, regenerates the entire volume of granulated slag and cleans the filtering baffle, thereby increasing the reliability of its operation and the environmental characteristics of natural gas. gas supplied to the consumer.

Claims

A cyclone adsorber for the complex purification of natural gas, containing a cylindrical body, inside of which there is an annular wash water collector, an annular cylindrical basket perforated from the side, from the inside and from the bottom with a gap between it and the body equal to Δ, and the annular cylindrical basket is filled with pumice granules made from metallurgical slags with a basicity modulus M>1 and a granule diameter of 5 to 10 mm, an inlet pipe is tangentially passed through the top of the basket, and an annular wash water collector and a conical bottom of the housing are equipped with a wash water supply fitting and a drain fitting, characterized in that inside the housing from top to bottom a chamber of purified gas is located, equipped with an outlet pipe from above, the inner side surface of the annular perforated basket is covered with an annular filter partition, inside which there is a central cavity, closed from above with a plug, through the top of the filter partition into the central cavity of the tangent The inlet branch pipe is axially passed, the filtering partition, the perforated basket and the annular gap are covered with an annular plug from below, the hole diameter of which is equal to the diameter of the central cavity, while the annular gap between the perforated basket and the housing wall forms an annular purified gas collector and a wash water collector connected from above to the chamber purified gas.