Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода

Технологическая схема

Схематическое изображение типичного технологического оборудования для очистки кислого газа регенеративным абсорбентом

Абсорбер

Кислый газ, подаваемый на очистку, поступает в нижнюю часть абсорбера. Этот аппарат обычно содержит от 20 до 24 тарелок, но для небольших установок это может быть колонна, оснащенная насадкой. Водный раствор амина поступает в верхнюю часть абсорбера. По мере того как раствор стекает по тарелкам вниз, он находится в контакте с кислым газом, поскольку газ движется вверх через слой жидкости на каждой тарелке. Когда газ достигает верхней части сосуда, практически весь H₂S и, в зависимости от используемого абсорбента, весь CO₂ удаляются из потока газа. Очищенный газ соответствует спецификациям по содержанию H₂S, CO₂, общей сере.

Сепарация и подогрев насыщенного амина

Насыщенный раствор амина покидает абсорбер внизу и проходит через клапан сброса давления, обеспечивая падение давления примерно на 4 кгс/см2. После снижения давления обогащенный раствор поступает в сепаратор, где выделяется большая часть растворенного углеводородного газа и некоторое количество кислого газа. Затем раствор протекает через теплообменник, нагреваясь от тепла горячего потока регенерированного амина.

Десорбер

Насыщенный абсорбент поступает в аппарат, где регенерация абсорбента происходит при давлении около 0,8-1 кгс/см2 и температуре кипения раствора. Тепло подается от внешнего источника, такого как ребойлер. Отпаренный кислый газ и любой углеводородный газ, не испарившийся в сепараторе, выходит сверху десорбера вместе с небольшим количеством абсорбента и большим количеством водяного пара. Этот поток паров проходит через конденсатор, обычно воздушный охладитель, для конденсации паров абсорбента и воды.

Смесь жидкости и газа поступает в сепаратор, обычно называемый рефлюксной емкостью (аккумулятором рефлюкса), где кислый газ отделяется от сконденсированных жидкостей. Жидкая фаза сепаратора подается обратно в верхнюю часть десорбера в качестве флегмы. Поток газа, состоящий в основном из H₂S и CO₂, обычно направляется на установку получения серы. Регенерированный раствор поступает из ребойлера через теплообменник с насыщенным / регенерированным раствором амина в аппарат воздушного охлаждения и далее в расширительный бак. Затем поток нагнетается насосом высокого давления обратно в верхнюю часть абсорбера, чтобы продолжить очистку кислого газа.

Система фильтрации

Большинство систем абсорбентов имеют средства фильтрации раствора. Это достигается путем пропускания насыщенного раствора амина из сепаратора через фильтр для улавливания твердых частиц, а иногда и через угольный фильтр. Цель состоит в том, чтобы поддерживать высокую степень чистоты раствора для избежания пенообразования раствора. Некоторые системы абсорбентов также имеют средства для удаления продуктов разложения, которые включают в себя поддержание дополнительного ребойлера для этой цели при подключении оборудования для регенерации.

Хемосорбционная очистка газа

Основным преимуществом хемосорбционных процессов является высокая и надежная степень очистки газа от кислых компонентов при низкой абсорбции углеводородных компонентов сырьевого газа.

В качестве хемосорбентов применяют едкий натрий и калий, карбонаты щелочных металлов и наиболее широко — алканоламины.

Очистка газа растворами алканоламинов

Аминовые процессы применяют в промышленности, начиная с 1930-го года, когда впервые была разработана и запатентована в США схема аминовой установки с фенилгидразином в качестве абсорбента.

Процесс был усовершенствован применением в качестве поглотителя водных растворов алканоламинов. Алканоламины, являясь слабыми основаниями, вступают в реакцию с кислыми газами H₂S и СО₂, за счет чего происходит очистка газа. Образующиеся соли при нагревании насыщенного раствора легко разлагаются.

Наиболее известными этаноламинами, используемыми в процессах очистки газа от H₂S и СО₂ являются: моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин (ДЭА), триэтаноламин (ТЭА), дигликольамин (ДГА), диизопропаноламин (ДИПА), метилдиэтаноламин (МДЭА).

До настоящего времени в промышленности на установках по очистке кислых газов в качестве абсорбента, в основном, применяется моноэтаноламин (МЭА), а также диэтаноламин (ДЭА). Однако в последние годы наблюдается тенденция по замене МЭА на более эффективный абсорбент — метилдиэтаноламин (МДЭА).

На риснке показана основная однопоточная схема абсорбционной очистки газа растворами этаноламинов. Поступающий на очистку газ проходит восходящим потоком через абсорбер навстречу потоку раствора. Насыщенный кислыми газами раствор с низа абсорбера подогревается в теплообменнике регенерированным раствором из десорбера и подается на верх десорбера.

После частичного охлаждения в теплообменнике регенерированный раствор дополнительно охлаждается водой или воздухом и подается на верх абсорбера.

Кислый газ из десорбера охлаждается для конденсации водяных паров. Конденсат в виде флегмы непрерывно возвращается обратно в систему для поддержания заданной концентрации раствора амина.

Щелочные (карбонатные) способы очистки газа

Применение растворов аминов для очистки газов с малым содержанием H₂S (менее 0,5% об.) и высоким соотношением СО₂ к H₂S считается нерациональным, так как содержание H₂S в газах регенерации составляет 3–5% об. Получение серы из таких газов на типовых установках практически невозможно, и их приходится сжигать на факелах, что приводит к загрязнению атмосферы.

Для очистки газов, содержащих незначительные количества H₂S и CO₂, в промышленности используют щелочные (карбонатные) способы очистки. Применение растворов щелочей (карбонатов) в качестве поглотителя повышает концентрацию H₂S в газах регенерации и упрощает схемы установок по производству серы или серной кислоты.

Промышленный процесс щелочной очистки природного газа имеет следующие преимущества:

• тонкая очистка газа от основных серосодержащих соединений;
• высокая избирательность к сероводороду в присутствии диоксида углерода;
• высокая реакционноспособность и химическая стойкость поглотителя;
• доступность и дешевизна поглотителя;
• низкие эксплутационные затраты.

Применение щелочных способов очистки газа также целесообразно в промысловых условиях для очистки небольших количеств сырьевого газа и при небольшом содержании в газе H₂S.

Технологическая схема

Рис. 3 Принципиальная схема установки аминовой очистки

Газ подается в нижнюю часть колонны-абсорбера (1). Поднимаясь вверх по колонне, газ контактирует с раствором амина. В качестве контактных устройств применяются либо клапанные тарелки, либо неструктурированная насадка. Выбор типа контактного устройства определяется для каждого конкретного случая в отдельности. Количество теоретических ступеней контакта для типичного абсорбера – 7. Пройдя контактную часть абсорбера, газ поступает в секцию каплеуловителя. Назначение данной секции – максимально возможное снижение величины уноса раствора амина с потоком очищенного сырья. Далее, очищенный газ отводится за пределы установки. Колонна-абсорбер стандартно оборудована датчиками температуры для отслеживания изменения температуры по высоте аппарата.

Раствор амина по сигналу автоматического контроллера уровня отводится из нижней части колонны посредством автоматического клапана. При снижении давления из раствора амина выделяются фракции легкокипящих углеводородов. Разделение образовавшейся смеси происходит в сепараторе (2). Выделившийся в процессе сепарации газ отводится из верхней части аппарата в факельную систему сжигания «кислых» газов или в блок термической деструкции.

После сепарации раствор амина проходит механическую очистку в последовательно расположенных мешотчатом (3) и угольном (4) фильтрах.

Далее, очищенный от механических примесей раствор насыщенного амина поступает в теплообменник (5), где происходит нагрев за счет теплообмена с потоком регенерированного амина из ребойлера (7).

Из теплообменника (5) раствор амина подается в колонну-десорбер (6). Подвод тепла, необходимого для процесса регенерации, происходит в ребойлере (7). Источником тепла может быть как прямой подогреватель (газовая горелка, термоэлектрический нагреватель), так и косвенный (пар или горячее масло). АВО рефлюкса (8) обеспечивает частичную конденсацию паров из колонны-десорбера, формируя тем самым поток рефлюкса.

Регенерированный амин отводится из переливной секции ребойлера (7) и подается в теплообменник (5) для нагрева потока насыщенного амина, после чего подпорным насосом подается в секцию АВО амина (12).

Охлажденный регенерированный амин подается в колонну-абсорбер нагнетательным насосом (13).

Выбор абсорбента для процесса очистки

Желаемыми характеристиками абсорбента являются:

• необходимость удаления сероводорода H₂S и других соединений серы.
• поглощение углеводородов должно быть низким.
• давление паров абсорбента должно быть низким, чтобы минимизировать потери абсорбента.
• реакции между растворителем и кислыми газами должны быть обратимыми, чтобы предотвратить разложение абсорбента.
• абсорбент должен быть термически стабильным.
• удаление продуктов разложения должно быть простым.
• поглощение кислого газа на единицу циркулирующего абсорбента должно быть высоким.
• потребность в тепле для регенерации или удаления абсорбента должна быть низкой.
• абсорбент должен быть неагрессивным.
• абсорбент не должен пениться в абсорбере или десорбере.
• желательно избирательное удаление кислых газов.
• абсорбент должен быть дешевым и легкодоступным.

К сожалению, нет ни одного абсорбента, который обладает всеми желаемыми характеристиками. Это делает необходимым выбор абсорбента, который лучше всего подходит для обработки конкретной смеси кислых газов из различных доступных абсорбентов. Кислые смеси природного газа различаются по:

• содержанию и соотношению H₂S и CO₂
• содержанию тяжелых или ароматических соединений
• содержанию COS, CS₂ и меркаптанов

Хотя кислый газ в основном очищается абсорбентами, для слабо кислого газа может быть более экономичным использование абсорбентов-поглотителей или твердых агентов. В таких процессах соединение химически реагирует с H₂S и расходуется в процессе очистки, требуя периодической замены очищающего компонента.

Экономическая целесообразность

Выбранный процесс должен быть экономически эффективным в соответствии с различными спецификациями и требованиями. Во всем мире правила обычно ограничивают сжигание H₂S.

Очистить газовые потоки, содержащие очень низкие концентрации H₂S, можно разными способами, в зависимости от общих условий. Если поток кислого газа содержит более 30-45 кг серы в день в форме H₂S в сырьевом, для очистки потока кислого газа обычно выбирают регенеративный химический абсорбент. Для кислого газа, имеющего очень низкое содержание H₂S , обычно используется химический нейтрализатор. В таких случаях химическое вещество расходуется, и метод окончательного удаления отработанного химического вещества является предметом обсуждения.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin