ШЛЯХИ ВДОСКОНАЛЕННЯ ОСНОВНИХ ВУЗЛІВ СХЕМИ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОЇ АБСОРБЦІЇ

Ефективність роботи окремих апаратів і процесу в цілому залежить від багатьох технологічних і конструктивних параметрів, зокрема, суттєво впливають тиск і температура процесу, склад вихідної сировини та якість продуктів, число теоретичних тарілок в абсорбційних і ректифікаційних апаратах, фізико-хімічні властивості абсорбенту та інші параметри. Виходячи з цього, визначилися наступні основні напрямки вдосконалення процесу НТА: зниження температури потоків, що поступають в абсорбер; підвищення тиску в системі НТК (охолодження) і абсорбції газу; насичення регенерованого абсорбенту етаном та (або) метаном за рахунок змішування абсорбенту з сухим газом абсорбера і (або) абсорбційно- відпарної колони; використання низькомолекулярних абсорбентів; організація процесу абсорбції і десорбції в умовах регульованого по висоті апарату знімання тепла і т.п.

Вузол абсорбції.Досвід експлуатації установок НТА в США і Канаді показав, що застосування пропанового холодильного циклу з ізотермою випаровування пропану від -30 до -40 °С дозволяє при відповідній витраті абсорбенту забезпечити вилучення 40—50 % етану, до 95 % пропану і приблизно 100 % газового бензину при високих техніко-економічних показниках процесу.

На вітчизняних ГПЗ тиск в абсорбційних апаратах установок НТА складає, звичайно, при переробці нафтових (попутних) газів не більше 4.0 МПа, при переробці природних газів — до 5.5 МПа. При виборі робочого тиску в абсорбційних системах ГПЗ приймають до уваги тиск газу, що надходить на завод; робочий тиск, при якому досягається оптимальне вилучення товарної продукції; тиск в магістральному газопроводі, призначеному для транспортування очищеного газу споживачам.

В абсорбційних апаратах установок НТА можна, в принципі, підтримувати приблизно такий же тиск, як і в магістральному газопроводі. Однак, підвищення тиску в абсорбері має свої недоліки, зокрема, призводить до збільшення вилучення легких небажаних вуглеводнів, в результаті чого кількість газу в абсорбційно-відпарній колоні зростає, що може привести до збільшення втрат пропану і важчих вуглеводнів з сухим газом АВК.

За кордоном (в США, Канаді, Мексіці та ін.) на багатьох ГПЗ робочий тиск в абсорберах установок НТА складає 5.5—7.0 МПа і більше. Це, очевидно, пов'язано з тим, що велика кількість підприємств призначені для переробки транзитного газу (в цьому випадку завод розташовується поблизу магістральних газопроводів) або для переробки високонапірного природного газу, а в деяких випадках з тим, що заводи очищають високонапірний газ родовищ, експлуатація яких здійснюється за допомогою сайклінг-процесу. Крім того, це визначається також необхідністю вилучення етану з ненасичених ("тощих") природних та нафтових газів або їх суміші.

Зниження температури і підвищення тиску в абсорбційних апаратах установок НТА дозволило використовувати низькомолекулярні абсорбенти (молекулярна маса 80—120) і забезпечити реалізацію процесу при нижчій питомій витраті абсорбенту.

Це має важливе практичне значення для підвищення ефективності процесу і збільшення одиничної потужності технологічних ліній газопереробних заводів.

Відомо, що процес абсорбції вуглеводневих газів протікає з виділенням тепла — найбільший екзотермічний ефект спостерігається у верхній і нижній частинах абсорбера, тому що наверху поглинається основна маса метану і етану, а внизу — бутану і важчих вуглеводнів. При переробці нафтового газу середньої "жирності" (С_3+вищі=300 г/м³) в абсорбері більше поглинається метану і етану, ніж пропану і важчих вуглеводнів (оцінювання проводиться в молях).

Для нормалізації теплового режиму і підвищення ефективності процесу розроблені різні технологічні і конструктивні рішення:

— знімання тепла по висоті абсорбційного апарату за рахунок проміжного охолодження насиченого абсорбенту в теплообмінниках, розташованих біля абсорбера (охолодження за схемою "абсорбер—холодильник—абсорбер");

— охолодження насиченого абсорбенту в теплообмінних пристроях, розташованих всередині апарату, включаючи варіант застосування трубнограткових тарілок з оребренням і без оребрення трубок, через які циркулює холодоагент;

— насичення регенерованого абсорбенту легкими вуглеводнями за межами абсорбера зі зніманням тепла абсорбції перед подачею абсорбенту в апарат та ін.

Спочатку на ГПЗ поширення набули схеми НТА зі зніманням тепла абсорбції за схемою "абсорбер—холодильник—абсорбер". В цьому випадку циркуляція рідини через теплообмінники здійснюється за рахунок різниці гідростатичного тиску в початковій і кінцевій "точках" трубопроводу, яким насичений абсорбент надходить в теплообмінник (холодильник) і перетікає з однієї тарілки на іншу.

Для оцінювання ефективності схеми з проміжним охолодженням абсорбенту за схемою "абсорбер—холодильник—абсорбер" були виконані розрахункові дослідження процесу при виведенні насиченого абсорбенту для проміжного охолодження з різних тарілок. Це завдання було розв'язане методом математичного моделювання. Ефективність оцінювали для станового та пропанового режиму (в першому випадку за ключевий компонент приймали етан, в другому — пропан). Це визначило методику дослідження і режимні параметри процесу: для станового режиму тиск прийнятий 4.0 МПа, для пропанового — 1.6 МПа, загальна кількість тепла Q, яке відводиться, була незмінною для кожного режиму і складала відповідно 170 і 290 МДж/год (при розрахунку на 100 моль вихідного газу). Нижче наведені склад сирого газу та технологічні параметри для обох режимів:

режим абсорбції:

пропановий становий

Температура, °С

сирого газу................................................ 35 35

ненасиченого ("тощего") абсорбенту.... 35 35

абсорбенту після холодильника............. 0 -23

Тиск (абсолютний), МПа........................ 1.6 4.0

L/G, моль/моль......................................... 0.2 0.2

Склад газу, % моль

СН₄ .................................................. 80.79 80.79

С₂Н₆ .................................................. 9.04 9.04

С₃Н₈ .................................................. 4.94 4.94

ізо-С₄Н₁₀............................................ 2.12 2.12

н-С₄Н_ІО ............................................ 0.80 0.80

С₅Н₁₂ ................................................ 2.31 2.31

Якщо необхідно одержати максимальне вилучення компонентів С_4+вищі, то достатньо охолоджувати тільки регенерований абсорбент, якщо ж потрібно забезпечити максимальне вилучення етану, зону знімання тепла потрібно змістити до середини апарату. При наявності одного проміжного холодильника однакове вилучення ключового компоненту досягається при зніманні тепла у верхній і нижній частинах абсорбера. Однак ці варіанти не рівноцінні — в першому випадку вилучається менше баласту.

В останні роки при проектуванні установок НТА почали відмовлятись від проміжного охолодження насиченого абсорбенту за схемою "абсорбент—холодильник—абсорбент" тому, що при такій організації процесу досягаються низькі коефіцієнти теплопередачі, тому для знімання тепла абсорбції потрібні більші поверхні теплообміну (це пов'язано з низькою швидкістю руху абсорбенту і відсутністю можливості регулювати її через обмежений напір рідини в системі). Крім того, знімання тепла при наявності такої схеми здійснюється локально, в одній або двох точках, хоч інтенсивне виділення тепла при абсорбції небажаних легких вуглеводнів здійснюється одночасно на декількох верхніх тарілках абсорбера.

Були розроблені рекомендації для попередження вилучення легких вуглеводнів в абсорбері: на установках НТА почали використовувати вузли попереднього насичення регенерованого абсорбенту легкими вуглеводнями — етаном і (або) метаном, тобто насичення регенерованого абсорбенту баластом почали проводити за межами абсорбера. Цей варіант нормалізації теплового режиму процесу абсорбції відрізняється простотою і надійністю, що робить його досить перспективним.

Вузол попереднього насичення регенерованого абсорбентує тепер невід'ємною складовою частиною сучасних процесів низькотемпературної абсорбції нафтових і природних газів.

Застосовують, в основному, три схеми попереднього насичення.

Перший варіант (мал. 21) — регенерований абсорбент змішується з сухим газом абсорбційно-відпарної колони 4 і разом з ним надходить у пропановий випарник 5. В результаті контакту цих потоків регенерований абсорбент насичується легкими вуглеводнями з одночасним зніманням тепла абсорбції. Після цього насичений (баластом) регенерований абсорбент відділяється в сепараторі 6 від вільного газу і подається на верхню тарілку абсорбера і АВК.

Другий варіант (мал. 22) — регенерований абсорбент змішується з сухим газом АВК 4 і разом з ним надходить в пропановий випарник 5. В результаті контакту цих потоків абсорбент насичується легкими вуглеводнями з одночасним зніманням тепла абсорбції. Після розділення цієї суміші в сепараторі 6 насичений абсорбент розділяється на два потоки — один направляється на верхню тарілку АВК, другий змішується з сухим газом абсорбера і надходить в пропановий випарник 7. В результаті цього абсорбент додатково насичується легкими вуглеводнями. Після випарника 7 суміш газу і абсорбенту надходить в сепаратор 8, з якого насичений регенерований абсорбент подається на верхню тарілку абсорбера 3, а сухий газ направляється споживачам.

Третій варіант (мал. 23) — один потік регенерованого абсорбенту насичується легкими вуглеводнями за рахунок змішування з сухим газом абсорбера 3, після охолодження в пропановому випарнику 7 і відділення від газу в сепараторі 8 подається на верхню тарілку абсорбера 3. Другий потік регенерованого абсорбенту насичується легкими вуглеводнями в результаті змішування з сухим газом абсорбційно-відпарної колони 4 і після охолодження в пропановому випарнику 5 та відділення від газу в сепараторі 6 подається на верхню тарілку абсорбційно-відпарної колони 4.

Таким чином, вилучення з газу легких вуглеводнів регенерованим абсорбентом за межами абсорбера з одночасним зніманням тепла абсорбції дозволяє зменшити виділення тепла у верхній частині апарату і в результаті цього збільшити ступінь вилучення з газу цільових вуглеводнів або зменшити питому витрату абсорбенту при незмінному ступені вилучення товарної продукції.

Нижче подані основні розрахункові рівняння модуля абсорбції з попереднім насиченням регенерованого абсорбенту легкими вуглеводнями і попереднім відбензинюванням сирого газу насиченим абсорбентом (мал. 24). В основу виведення залежностей, необхідних для розрахунку такої схеми, покладено рівняння Едмістера, яке враховує наявність в регенерованому абсорбенті компонентів, що вилучаються з газу і їх вплив на ефективність абсорбції: