Лапидус и др. Газы 2 части

2. Первичная переработка углеводородных газов.

н и ­

щенствовать и довели степень извлечения фракции С3 до 60-90%, фракции С4 до 80-98%, фракции С5 и выше до 94-99%. Процесс проводят обычно при температуре окружающего воз­ духа, однако в последнее время стали использовать пропановое и аммиачное охлаждения.

Типичная принципиальная схема процесса масляной аб­ сорбции, осуществляемого при температуре окружающего воз­ духа, приведена на рис. 37.

Рис. 37. Принципиальная схема отбензинивания газа масляной абсорбцией:

1, 2- охладители газа; 3 - сепаратор; 4 - абсорбер; 5 - абсорбци- онно-отпарная колонна; 6 - десорбер; 7 - холодильники; 8 - ре­ бойлеры; 9 - теплообменники; I и II - исходный и отбснзиненный газы; III - газ деэтанизации; IV - ШФЛУ; V и VI - насыщен­ ный и регенерированный абсорбент

Исходный газ I обычно охлаждается в охладителях 1,2, раз­ деляется в сепараторе 3 и поступает в абсорбер 4, где из него абсорбентом VI извлекается основная масса тяжелых углеводо­ родов. Насыщенный этими углеводородами абсорбент, подогре­ тый в теплообменнике 9, поступает в абсорбционно-отпарную колонну (АОК) 5. В нее же ниже ввода абсорбента из колонны 4

-212- .А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

поступает жидкая фаза из сепаратора 3. На верх АОК подается регенерированный абсорбент, а внизу ее в ребойлере 8 вводится тепло и создается паровое орошение. В АОК из абсорбента, по­ ступающего снизу абсорбера 4, удаляются (отпариваются) лег­ кие углеводороды (метан, этан) и поглощаются абсорбентом углеводороды от пропана и выше. Полностью насыщенный аб­ сорбент снизу АОК нагревается в теплообменнике 9 и поступает в десорбер 6, где от него отгоняется ШФЛУ IV, а регенериро­ ванный абсорбент возвращается в колонны 4 и 5.

Обычный процесс проводится с охлаждением газа перед абсорбером до 0-10°С, температуре в абсорбере 10-30°С и дав­ лениях в абсорбере 4-7 МПа, в АОК 1-4 МПа и в десорбере 0,7-1,5 МПа. При таких условиях обеспечивается извлечение из газа 50-70% пропана и до 98% бутанов и выше. Этана в составе ШФЛУ в этом случае немного и он, в основном, уходит с пото­ ком газа III.

Часть метана и этана растворяется в абсорбенте и за счет этого увеличивается количество газа деэтанизации III в ущерб выходу товарного газа II. Для того, чтобы предотвратить это и повысить эффективность процесса, регенерированный абсор­ бент VI подают в поток газа III, из которого он извлекает метан и этан, предварительно насыщаясь ими; после этого абсорбент направляют в колонны 4 и 5.

Низкотемпературная абсорбция (НТА)

Снижение температуры газа перед входом в абсорбер и в самом абсорбере - один из действенных путей повышения сте­ пени извлечения тяжелых углеводородов из газа. Это позволяет уже до абсорбера в сепараторе 3 сконденсировать и отделить большее количество сжиженных углеводородов, снизить на­ грузку абсорбера и углубить извлечение остающихся в газе уг­ леводородов С2-С5 в самом абсорбере. Характерный режим рабо­ ты таких установок низкотемпературной абсорбции (НТА) сле­ дующий: температура в абсорбере -20+-60°С, давление (в МПа): в абсорбере 4,0-6,0, в АОК - 2,0-3,5, в десорбере -1,0-2,0. Степень извлечения этана составляет 20-50%, пропана - 80-99%, бутанов и выше - 100%. Широкому применению процесса НТА способ­ ствовало во многих случаях наличие высокого давления газа на выходе из скважин и возможность при этом использовать эффект дросселирования для охлаждения газа перед абсорбером. Таким образом, в этих случаях сочетаются два процесса - НТС и НТА.

2. Первичная переработка углеводородных газов.

-213-

Важным параметром любого процесса абсорбции является удельный расход абсорбента (кратность абсорбента), опреде­ ляемый как отношение расхода абсорбента к расходу газа (в л/м3). Влияние этого параметра на степень извлечения угле­ водородов из газа иллюстрирует рис. 38, кривые на котором по­ строены для температуры абсорбции 20°С. Дальнейшее пони­ жение температуры обусловливает сдвиг кривых в сторону уве­ личения степени извлечения в среднем на 1,0-1,5% на каждый градус понижения температуры абсорбции.

О	1,0	2,0	3,0
	L/ V,	Л/М3

Рис. 38. Зависимость степени извлечения углеводорода от кратно­ сти абсорбента (температура абсорбции 20°С, давление 7 МПа): 1-5 - соответственно метан, этан, пропан, бутан и пентан

Низкотемпературная адсорбция.

При получении газового бензина адсорбционным методом в качестве адсорбента обычно применяют гранулированный акти­ вированный уголь, полученный путем термической и химиче­ ской обработки природного углеродсодержащего сырья (дерева, костей и др.) или силикагель. При использовании в качестве ад­ сорбента силикагеля основным процессом является осушка газа, а получение газового бензина - побочным. Адсорбцию проводят при пониженных температурах и повышенных давлениях. Для

-214-

A.JI. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

десорбции применяют острый или перегретый пар (в случае уг­ ля) либо сухой горячий газ (в случае силикагеля).

Газ, после охлаждения и прохождения через фильтр для очистки от капель углеводородов и механических примесей, по­ ступает снизу в адсорбер, где происходит его отбензинивание. Далее газ поступает в подогреватель, где нагревается до 120-140°С и затем в нижнюю часть находящегося на стадии осушки адсорбера. Увлажненный газ направляется в низ десорбера, находящегося на стадии охлаждения. Смесь паров воды и углеводородов охлаждается, и сконденсированные углеводоро­ ды отделяются в сепараторе.

Низкотемпературная конденсация и низкотемпературая ректификация

Процесс отбензинивания газов методом низкотемператур­ ной конденсации и ректификации включает следующие стадии:

-осушка газа; -компримирование газа до давлений 3-7 МПа;

-охлаждение сжатого и осушенного газа до -10 -80°С; -разделение частично сконденсировавшегося газа на неста­

бильный газовый бензин и несконденсированный сухой газ.

На установке низкотемпературной ректификации жирный газ проходит через теплообменник, где охлаждается обратным потоком остаточного газа и поступает в колонну-деэтанизатор. Газы с верха колонны проходят через пропановый холодильник, где происходит частичная их конденсация. Конденсат стекает в рефлюксную емкость, откуда насосом подается на орошение колонны. Несконденсированные газы из рефлюкс-емкости про­ ходят через теплообменник-рекуператор и направляются в газо­ провод. Деэтанизированный нестабильный бензин с низа колон­ ны отводится в товарный парк или на ГФУ.

Жирный газ поступает на установку низкотемпературной конденсации под давлением 3-4 МПа и направляется через теп­ лообменники-рекуператоры холода из обратных потоков газа и конденсата в холодильник, где охлаждается до минус 23-35°С, а затем в сепаратор, где происходит разделение несконденсировавшегося газа и конденсата. Газ направляется в газопровод, а конденсат поступает в деэтанизатор. Деэтанизированный неста-

&	2. Первичная переработка углеводородных газов.	-215-
j&
I	бильный бензин с низа колонны направляется в товарный парк
|	или для дальнейшей переработки на ГФУ. Газ в верхней части
|	деэтанизатора частично конденсируется в пропановом холо-
I	дильнике, после чего направляется в газопровод или для ис-
|	пользования в качестве топлива. Конденсат поступает	в реф-

■люксную емкость и затем откачивается на орошение верха ко­ лонны. При низком содержании метана и этана в конденсате деэтанизатор может работать без орошения.

Для производства искусственного холода используют обычно компрессорные холодильные машины, хладагентом в которых являются пропан, этан или фреон, а также турбодетан­ деры, в которых энергия расширяющегося газа рекуперируется для производства холода.

Вразделе 4.2. рассмотрены способы получения «холода» и основные низкотемпературные процессы разделения углеводо­ родных газов.

| 4.2. Процессы разделения углеводородных газов

! Низкотемпературные процессы в газопереработке приобре­ тают все большее значение в связи с повышающейся потребно­ стью в таких индивидуальных углеводородах, как этан, пропан и бутаны, а также увеличивающимся спросом на сжиженные га- ■ зы. Процессы разделения углеводородных газов основаны на

;различии физико-химических свойств компонентов газа. Наибо-

;лее важный показатель, влияющий на технологические парамет-

i; ры процессов разделения - давление насыщенных паров компо-

гнентов. Четкость разделения углеводородных газов в значитель­

	'-Г	ной степени определяется относительной летучестью компонентов
		« =Х\Р\/ХтРг = кх/к2
	I
	i	где: Х\ Х2 - коэффициенты активности разделяемых компонентов;
	I	PuPi - давление насыщенных паров компонентов;
	I	ки к2- константы фазового равновесия.
	I	Компоненты или фракции углеводородов, имеющие наи-
	|	большую разность значений летучести, разделяются с меньшей
	I	затратой энергии.
		Значения относительной летучести для бинарной системы
		не являются постоянными, а увеличиваются с понижением тем-

-216-

Л.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. г АЗОХИМИЯ

пературы и уменьшаются с повышением давления. Если увели­ чивать давление при постоянной температуре, то в жидкую фазу будет переходить большее количество легких углеводородов, т.е. четкость разделения будет снижаться. Если же понижать температуру при постоянном давлении, то четкость разделения компонентов повышается. Тем не менее, на практике разделение углеводородных газов проводят при повышенном давлении, что позволяет в большинстве случаев вести процесс при умеренном охлаждении. Но для более четкого разделения компонентов газа предпочтение следует отдавать понижению температуры. По­ этому прежде чем рассматривать основные низкотемпературные процессы разделения углеводородных газов, остановимся на основных способах получения «холода».

Способы получения «холода»

Производство "холода” на любом заданном температурном уровне ниже температуры окружающей среды осуществляется в системах, реализующих тот или иной холодильный цикл. В со­ временных процессах газопереработки используются различные холодильные циклы, позволяющие получить температуры от близких к температуре окружающей среды до температуры жидкого гелия.

В настоящее время в низкотемпературных процессах ис­ пользуются технологические схемы:

свнешним холодильным циклом, когда применяются специ­ альные вещества — хладагенты, совершающие круговой про­ цесс в холодильном цикле; при этом могут использоваться не только однокомпонентные хладагенты (пропан, этан, этилен, аммиак и т.д.), но и многокомпонентные, смешанные (например, смесь легких углеводородов); для глубокого охлаждения ис­ пользуют каскадные холодильные циклы, которые основаны на использовании соединенных последовательно нескольких холо­ дильных циклов с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения;

свнутренним холодильным циклом, когда используется не­ посредственное охлаждение технологических потоков путем их дроссельного (изоэнтальпийного) или детандерного (изоэнтропийного) расширения;

2. Первичная переработка углеводородных газов.

- 217-

|Г с комбинированным холодильным циклом, например с ис- § пользованием внешнего хладагента на начальном этапе с после- ll дующим дросселированием или детандированием потока.

I1

&

IПолучение холода связано с передачей тепла от менее на-

!гретого тела к более нагретому, в то время как самопроизвольно

Iпроцесс передачи тепла может осуществляться только, наобо-

Iрот, от более нагретого к менее нагретому телу. Следовательно, ; процесс получения холода возможен только с затратой работы.

	В качестве переносчика тепла с низшего температурного уровня
I	на более высокий используется рабочее вещество - хладагент,
I	совершающее круговой процесс.
	Если в качестве хладагентов используются газы с критиче-

f ской температурой более высокой, чем температура окружаю­ щей среды, охлаждение называется умеренным, если же с более

|	низкой - это глубокое охлаждение.
	Различие между процессами умеренного и глубокого охла-
I	ждения заключается в том, что в процессе умеренного охлажде-
Е	ния сжатые до определенного давления газы конденсируются,
|	отдавая тепло окружающей среде (воздуху или воде), а в про-
|	цессе глубокого охлаждения для конденсации хладагента его
|	необходимо охлаждать до температуры более низкой, чем тем-

!пература окружающей среды.

I	Способы получения умеренного холода
|	В процессе умеренного холода нижний температурный
|	предел (до минус 120°С) достигается при использовании в каче-
|	стве хладагента этилена. В зависимости от способа сжатия хла-
|	дагента и изменения его состояния в рабочем цикле для дости-
I	жения умеренного охлаждения используют следующие холо-
|	дильные установки:
|	-парокомпрессионные холодильные машины, в которых сжа-
I тие хладагента осуществляется поршневым, турбинным или вин-
|	товым компрессором, и сжатый газ подвергается конденсации
I	-абсорбционные холодильные машины, в которых хлад-
!	агент сжимается термокомпрессором и подвергается сжижению.
|	Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной
I	машины показана на рис. 39.

-218-

..АЛ. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

хк

и

Рис. 39. Схема парокомпрессионной холодильной машины:

К - компрессор; ХК - холодильник-конденсатор; X - холодиль­ ник; Д - дроссель; И - испаритель.

Пары циркулирующего хладагента направляются на прием компрессора К и сжимаются в нем до рабочего давления. Сжа­ тые пары хладагента поступают в холодильник-конденсатор ХК, где при охлаждении водой или воздухом конденсируются и по­ ступают для доо'хлаждения в холодильник X. Переохлажденный жидкий хладагент затем дросселируется в Д, в результате чего его температура понижается.

После дросселя Д хладагент направляется в испарители, где происходит его испарение за счет подвода тепла охлаждаемым потоком. Верхняя температура парокомпрессионного цикла примерно одинакова при использовании всех хладагентов, так как зависит от температуры охлаждаемой воды, и колеблется от О до 30°С. Нижнюю температуру цикла задают в зависимости от назначения холодильной установки. Выбор хладагента зависит от необходимого интервала температур в работе холодильной установки, т.е. от требуемого нижнего температурного предела.

При выборе хладагента и температурного интервала цикла стремятся также к тому, чтобы давление насыщенных паров хладагента при нижней температуре цикла было близко к атмо­ сферному.

В настоящее время для холодильных установок использу­ ются различные хладагенты: этан, этилен, пропан, аммиак и т.д. Широкое применение в практике работы парокомпрессионных холодильных установок получил аммиак. При температуре 20°С

2. Первичная переработка углеводородных.газов.

-219-

давление насыщенных паров аммиака составляет 857 КПа, в то время как температура насыщения, равная минус 34°С, соответ­ ствует давлению 98 КПа. Следовательно, создание аммиачной парокомпрессионной холодильной установки на конечные тем­ пературы до минус 34°С не требует применения вакуума, что значительно упрощает ее конструкцию. Кроме того, по сравне­ нию с другими хладагентами аммиак имеет более высокую холодопроизводительность на 1 кг хладагента. Аммиак тем не ме­ нее имеет и некоторые недостатки - токсичность и коррозион­ ную активность, поэтому в промышленности широкое примене­ ние в качестве хладагентов находят углеводороды, в частности пропан, этан или этилен, которые, хотя и имеют более низкую холодопроизводительность по сравнению с аммиаком, но не об­ ладают коррозионной активностью и нетоксичны.

В абсорбционных холодильных машинах необходимо вы­ брать не только подходящий хладагент, но и дешевый и доступ­ ный растворитель, в котором легко растворяется хладагент. Схемы абсорбционных циклов отличаются от парокомпресси­ онных способом сжатия паров хладагента после испарителя. Схема абсорбционной холодильной машины приведена на рис. 40. Пары хладагента из испарителя 1 поступают в абсорбер 2, где они поглощаются растворителем, при этом предусмотрен отвод тепла абсорбции. Процесс поглощения паров хладагента аналогичен процессу всасывания паров в компрессор в схеме парокомпрессионной холодильной машины. Насыщенный рас­ творитель из нижней части абсорбера проходит рекуперативный теплообменник 3 и насосом 4 подается в отпарную колонну с кипятильником 5. За счет подвода тепла к кипятильнику боль­ шая часть хладагента испаряется из насыщенного раствора и в виде паров под высоким давлением отводится из отпарной ко­ лонны; пары конденсируются в холодильнике-конденсаторе 6, и затем сжиженный хладагент доохлаждается в холодильнике 7, проходит через дроссель 8 и при более низкой температуре по­ ступает в испаритель 1. Обедненный раствор хладагента из от­ парной колонны с кипятильником 5 через дроссель 9 и теплооб­ менник 3 подается в верхнюю часть абсорбера. Основная слож­ ность в использовании абсорбционных холодильных машин - подбор соответствующей пары хладагент-растворитель, к кото­ рым предъявляются весьма жесткие требования: нетоксичность, низкая коррозионная активность, высокая взаимная раствори­ мость и др. Первым из хладагентов в абсорбционных холодиль­

-220-

.A.J1. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

ных машинах начали использовать аммиак, который обладает хорошими холодильными свойствами, и хорошо растворим в воде, используемой в этом случае в качестве абсорбента.

Рис. 40. Схема абсорбционной холодильной машины:

1 - испаритель; 2 *- абсорбер; 3 - рекуперативный теплообмен­ ник; 4 - насос; 5 - отпарная колонна; 6 - холодильникконденсатор; 7 - холодильник; 8, 9 - дроссель

Все большее применение находит система бромистый ли­ тий - вода. Исследованиями некоторых авторов показана также перспективность использования систем пропан - углеводород­ ная жидкость.

Капитальные затраты на создание парокомпрессионных и абсорбционных холодильных машин примерно одинаковы.

Преимуществом парокомпрессионных машин являются компактность и меньшая металлоемкость, а абсорбционныхпростота оборудования и эксплуатации.

Способы получения глубокого холода

Для получения глубокого холода в процессах газоперера­ ботки используются:

-внутренние холодильные циклы;

-каскадные холодильные циклы;

-комбинированные холодильные циклы.