Выбор режима работы абсорбционных установок

Механизм процесса абсорбции. Абсорбция — процесс поглоще­ния газов жидкостью. Движущей силой процесса является разность парциальных давлений компонентов в газовой и жид­кой фазах.

Абсорбированные на поверхности жидкости молекулы опре­деляют значение поверхностного натяжения жидкости а. С ро­стом молекулярной массы углеводородов снижается значение их поверхностного натяжения. Следовательно, из смеси в пер­вую очередь абсорбируются те компоненты, которые сильнее снижают поверхностное натяжение жидкости, т. е. компоненты с большой молекулярной массой.

Для эффективного протекания процесса абсорбции необ­ходимы противоток газа и абсорбента и образование большой поверхности соприкосновения фаз.

При абсорбции абсорбент и газ нагреваются за счет выде­лившегося тепла, причем температура абсорбента выше темпе­ратуры газа, поскольку тепло непосредственно сообщается аб­сорбенту, а газ нагревается только за счет теплообмена между ним и абсорбентом.

Лекция 13 Технологические схемы абсорбционных установок

Двухколонная абсорбционная установка. Схемы первых абсорб­ционных установок включали в себя две колонны - абсорбер и десорбер, а также ряд рекуперативных теплообменников.

В абсорбере производилось извлечение из газа целевых ком­понентов при обычных температурах. Насыщенный абсорбент поступал во вторую колонну для десорбции поглощаемых углеводородов.

Следует отметить, что такую схему можно применять, когда абсорбент имеет высокую избирательность и задача процесса — извлекать из смеси один компонент или же одну целевую фракцию Абсорбционные установки с такой схемой применяются при извлечении из газа кислых компонентов и при осушке га­за При переработке природных и нефтяных газов такие схемы не эффективны, так как не обеспечивают получение кондици­онной товарной продукции.

В настоящее время в промышленности применяют следую­щие технологические схемы абсорбционных установок:

-абсорбция с частичной отпаркой легких углеводородов; абсорбция с рециркуляцией несконденсировавшихся газов; двухступенчатая абсорбция;

-абсорбция с предварительным насыщением тощего абсор­бента. Абсорбция с частичной отпаркой легких углеводородов. Аб­сорбер, работающий с обогревом низа с целью частичной отпарки метана (иногда и этана), на практике называется абсорбционно-отпарной колонной (АОК).

При поддержании постоянного давления в абсорбере повы­шение температуры насыщенного абсорбента приводит к обра­зованию потока газа, состоящего в основном из метана и эта­на. При этом происходит частичная десорбция пропана и бо­лее тяжелых углеводородов, которые необходимо улавливать с помощью абсорбента. Для этого в верх колонны подается тощий абсорбент и верхняя часть колонны работает в режиме абсорбции, а нижняя — отпарки.

В настоящее время технологические, схемы практически всех абсорбционных установок включают в себя абсорбционно-отпарные колонны. Подбирая соответствующий режим АОК практически можно обеспечить полную деметанизацию, а ког­да требуется и деэтанизацию абсорбента.

Выделение метана и этана из насыщенного абсорбента при высоких давлениях позволяет несколько снизить расход энер­гии на дожатие этих газов.

Извлечение из газов стабилизации УСК первой очереди Оренбургского ГПЗ широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) производится на абсорбционной установке, работаю­щей по проточной схеме (рис.17), где абсорбер работает в режиме АОК.

В качестве абсорбента на установке используется стабиль­ный конденсат. Расчетная производительность установки по сырьевому газу составляет 11,4 тыс. м³/ч. Степень извлечения пропана по проекту принята 90%.

Газ стабилизации на установку поступает при давлении до 0,6 МПа и температуре до 50 °С. На установке предусмотрено разделение потока газа. Часть потока поступает в узел предварительной абсорбции, где в поток по­дается тощий абсорбент — стабильный конденсат. Смесь газа и абсорбента проходит воздушный холодильник А01, охлаждается и поступает на 11-ю тарелку абсорбционно-отпарной колонны С01.

С целью снижения нагрузки на среднюю часть колонны предусмотрена подача части газа в низ колонны.

Рис. 17. Технологическая схема абсорбционной установки с проточной схемой:

В01А, В01Б, В02 —сепараторы-разделители; А01, А02, АОЗ, А04~— воздушные холодильни­ки; Т-1005, Е04 —водяные холодильники; Е01, ЕОЗ — испарители; Е02 — рекуперативный теплообменник; С01 — абсорбционно-отпарная колонна; С02 — дебутанизатор; Р01, Р02, РОЗ — насосы;' / — сырьевой газ; // — стабильный конденсат (абсорбент); /// — отбензиненный газ; IV —абсорбент; V— насыщенный абсорбент; VI — ШФЛУ

Стабильный конденсат, используемый в качестве абсорбента, для отде­ления от следов капельной воды поступает в фазовый разделитель ВОБ1, делившаяся вода отводится в канализацию. По мере необходимости аб­сорбент из В01Б насосом РОЗ подается для подпитки в поток регенериро­ванного абсорбента на выходе из воздушных холодильников А02.

Расход абсорбента, подаваемого в узел предварительной сорбции, со­ставляет 180—200 м³/ч. Примерно такое же количество абсорбента подает­ся в верх абсорбера в качестве орошения. Для орошения потоки абсор­бента раздельно проходят водяные холодильники Т-1005 и Е04.

Колонна С01 работает в режиме деэтанизации при температуре низа 93 °С и верха 60 °С и давлении 0,5 МПа.

После верхней тарелки колонны установлены каплеотбойники. Подвод тепла осуществляется через испаритель Е01. Теплоносителем в испарителе является тощий абсорбент с низа колонны С02. Деэтанизированный абсор­бент с низа колонны С01 поступает в насос Р01. Большая часть потока лроходит теплообменник Е02, где подогревается обратным потоком тощего абсорбента и поступает на 11-ю тарелку десорбера С02. Другая часть аб­сорбента—холодный поток подается на 21-ю тарелку колонны, что позво­ляет снизить нагрузку на воздушный холодильник АОЗ. Режим колонны С02: давление 1,4 МПа, температура верха — не более 130, низа —не более 221, литания —не более 160 °С.

Значение давления в десорбере выбрано таким, чтобы ШФЛУ можно было ожижать при температуре, достигаемой воздушным охлаждением. Па­ры с верха десорбера охлаждаются до 70°С в воздушном холодильнике АОЗ. Образовавшаяся парожидкостная смесь поступает в емкость орошения В02. Жидкая фаза из В02 насосом Р02 подается в верх колонны как оро­шение. Паровая фаза поступает в воздушный холодильник А04, где конден­сируется и в виду ШФЛУ поступает на склад.

Кубовый продукт колонны С02 самотеком поступает в два испарителя ЕОЗ, где теплоносителем служит водяной пар с давлением 4,0 МПа и тем­пературой 250 °С.

Тепло регенерированного абсорбента, отводимого из десорбера, исполь­зуют для нагрева насыщенного абсорбента в рекуперативном теплообмен­нике Е02 и для поддержания температуры внизу колонны С01.

Одной из отличительных особенностей описанной схемы яв­ляется то, что обновление абсорбента в ней происходит прак­тически непрерывно. Часть циркулирующего абсорбента посто­янно выводится из системы, взамен него подается стабильный конденсат из емкости В01Б. Такая система обновления погло­тителя исключает накопление фракции тяжелых углеводоро­дов, смол и механических примесей в циркулирующем абсор­бенте.

Абсорбционная система с рециркуляцией газов десорбции. Как было указано выше, при работе абсорбционной установки под средним и высоким давлениями наряду с пропаном и выс­шими углеводородами абсорбентом поглощается также значи­тельное количество метана и этана. Это усложняет схему де­сорбции. Из-за большого давления насыщенных паров продук­тов верха колонны (рис. 18) затрудняется их конденсация, так как требуются низкие температуры. В емкости орошения Е-1 продукты находятся в двух фазах. Жидкая фракция в ос­новном состоит из смеси целевых компонентов, она направля­ется на газофракционирующую установку. Газовая фракция состоит практически из всех компонентов исходного газа. Вы­деление из этой смеси целевых компонентов является одним из путей повышения эффективности абсорбционной установки. Для этой цели остаточный газ из емкости Е-1 можно повторно перерабатывать в отдельной колонне, либо произвести рецир­куляцию этого потока в основной абсорбер К-1. Экономическая целесообразность применения той или иной схемы определяет­ся конкретными условиями производства, в первую очередь со­ставом и количеством газовых потоков и давлением процесса.

На ряде ГПЗ применены схемы с рециркуляцией остаточных газов, аналогичные приведенной на рис. 18 Определение оп­тимальных условий работы этой установки затруднительно. С одной стороны, желательно проводить деметанизацию насы­щенного абсорбента под высоким давлением, чтобы снизить нагрузку на сжатие остаточного газа, с другой — повышение давления увеличивает металлоемкость колонны и расход тепла на регенерацию абсорбента.

Рис. 18 Технологиче­ская схема абсорбцион­ной установки с рецир­куляцией газов десорб­ции:

К-1 — абсорбер; К-2 — абсорбционно-отпарная колон­на; К-3 — десорбер; Е-1 — емкость орошения; И-1, И-2 — испарители; Х-1 — хо­лодильник; ДК — дожимной компрессор; Н-1 — насос

Двухступенчатая абсорбция. С применением процесса НТА возникает целый ряд вопросов, в частности при использовании легкого абсорбента повышается унос поглотителя с газом как за счет его растворения в газе, так и за счет унoca в виде мелких капель. Для уменьшения потерь поглотителя с сухим газом применяют схемы двухступенчатой абсорбции; легкий абсорбент подают в I ступень, а относительно тяжелый — во II ступень абсорбции.

Применяют также схемы многоступенчатой абсорбции с раз­личными температурой и давлением на отдельных ступенях.

В качестве примера рассмотрим схему абсорбционной установ­ки Азербайджанского ГПЗ (рис.19).

Основным аппаратом установки является абсорбер К-1, имеющий 25 двухслойных желобчатых тарелок. Абсорбер работает при 3,5-4 МПа и 25-35°С. Газ с верха абсорбера через сепаратор подается в газопровод. Насыщенный абсорбент через рекуперативный теплообменник Т-1 поступа­ет в дегазатор В-1, где при 185°С и 2 МПа происходит его однократное испарение. С верха дегазатора газ поступает в абсорбер К-2, где из него поглощаются тяжелые углеводороды.

Насыщенный абсорбент с нижней части абсорбера К-2 через рекупера­тивный теплообменник Т-2 поступает в дегазатор. В-2, туда же поступает и жидкость с нижней части аппарата В-1. Выделяемые при 1,2 МПа и 155 °С пары тяжелых углеводородов поступают в десорбер К-3, под 5-ю та­релку, а жидкость подается на расположенные выше тарелки.

Выделенные в колонне К-3 газы для улавливания из них пропана и бутанов поступают в абсорбер К-4. Сухой газ низкого давления с верха аб­сорбера подается к потребителям.

Нижний продукт колонны К-3 при 240 °С поступает в десорбер К-5 где при 0,66 МПа, температуре низа 250-260 °С и верха 85-90 °С насыщенный абсорбент полностью регенерируется. Десорбер К-5 имеет 30 тарелок. Верх­ний продукт десорбера охлаждается в холодильниках, конденсируется и собирается в рефлексную емкость, из которой часть подается на ороше­ние, а избыток откачивается в товарный парк.

Нижний продукт колонны - регенерированный абсорбент проходит рекуперативные теплообменники и водяной холодильник и поступает в буфер­ную емкость, а оттуда забирается насосом и подается в абсорберы.

На установке достигается степень извлечения пропана до 40%, бутанов 75—80 и С₅+ около 90—95%.

Рис. 19 Принципиальная схема абсорбционной установки Азербайджан­ского ГПЗ:

К-1, К-2, К-4 - абсорберы; К-3 - абсорбционно-отпарная колонна; К-5 - десорбер; В-1, В-2 - дегазаторы; С-1, С-2, С-3 - сепараторы; Х-1, Х-2, Х-3 - холодильники; Т-1, Т-2 -рекуперативные теплообменники; П-1, П-2 - печи; Е-1-сборная емкость; К-2 - емкость-орошения; Н-1 - насос; I- сырьевой газ; II, IV, V - сухой газ высокого, среднего, низ­кого давления соответственно; III - регенерированный абсорбент; VI - нестабильный бензин.

Абсорбция с предварительным насыщением тощего абсор­бента. Анализ распределения температур по высоте абсорберов на различных установках показал, что интенсивность нагрева абсорбента больше в верхней и нижней частях аппарата, так как основное количество метана и этана поглощается вверху колонны, а на нижних тарелках происходит растворение бута­нов и пентанов. Поэтому целесообразно максимальное количе­ство тепла процесса растворения снять в промежуточных холо­дильниках, установленных в верху и в низу абсорбера. Однако схемы с промежуточными холодильниками имеют ряд недо­статков: наличие глухих тарелок в абсорбере, сложность точ­ного выбора места ввода охлажденного абсорбента, низкие ко­эффициенты теплоотдачи.

Для устранения указанных недостатков возможно примене­ние схем с предварительным отбензиниванием сырого газа и насыщением тощего абсорбента. Предварительное насыщение тощего абсорбента сухим газом, отходящим из абсорбера, поз­воляет повысить глубину извлечения целевых компонентов из газа в абсорбере, поскольку в такой схеме контакт сырого га­за и насыщенного абсорбента осуществляется в холодильнике сырого газа при более низкой температуре, чем в абсорбере. В этом холодильнике одновременно конденсируется часть тя­желых углеводородов, что приводит к снижению тепла абсорб­ции в абсорбере.

Благодаря предварительному насыщению абсорбента мета­ном, в самом абсорбере происходит извлечение из газа в основном целевых углеводородов.