Установка для извлечения этана из смеси с метаном

Любой метод разделения газовых смесей основывается на численном различии показателя, характеризующего физическое свойство каждого из компонентов газовой смеси. Так как все газы характеризуются самопроизвольным процессом полной смешиваемости, то для разделения газовой смеси чаще всего вводят извне в систему новую фазу (жидкость, твердое тело), которая более близка по своей природе одному из компонентов газовой смеси, и селективно поглощает его. Причем, все существующие методы разделения газовых смесей могут функционировать лишь при фазовом превращении одного или нескольких компонентов из газа в жидкость или, наоборот - из жидкости в газ. Предлагаемая установка предназначена для разделения двух газовых компонентов. Оба компонента, метан и этан являются углеводородными газами и их свойства весьма схожи между собой, причем оба газа в реальных условиях находятся в газообразном состоянии. Для превращения в жидкое состояние, например, в нормальных условиях (t=0°C, р=760 мм рт.ст.) требуется охлаждать метан до минус 168,58, а этан до минус 88,63°С. Различие этана от метана можно усмотреть лишь в разнице их молекулярных масс, поэтому априори можно сказать, что разделение можно осуществлять лишь при очень интенсивном центрифугировании газовой смеси. При этом молекулы этана, имеющие атомный вес в два раза больше атомного веса метана, отбрасываются к стенкам, и при выходе из вихревой камеры «проваливаются» в «транспортер» - пленку углеводородной жидкости, например, из смеси пропана и бутана, и поглощаются ею. А метан, вытесненный в центральную часть центрифуги, через патрубок, расположенный в центральной части головки корпуса, уходит в отдельную метановую линию.

Установка для извлечения этана из смеси с метаном относится к нефтяному и химическому машиностроению и может быть использована для получения этана непосредственно в промысловых условиях.

Любой метод разделения газовых смесей основывается на численном различии какого-либо показателя, характеризующего физическое свойство каждого из компонентов газовой смеси. В предлагаемой технологии таким показателем является молекулярная масса метана и этана. Так как все газы характеризуются самопроизвольным процессом полной смешиваемости, то для разделения газовой смеси чаще всего вводят извне в систему новую фазу, например, жидкость, которая более близка по своей природе одному из компонентов газовой смеси, и селективно поглощает его. Причем, все существующие методы разделения газовых смесей функционируют при условии, когда один из компонентов предварительно превращается в жидкость. Разделение такой смеси на жидкость и на газ осуществляют в сепараторах различных конструкций. Чаще для выделения капельной взвеси из газового потока используют центробежные сепараторы, например, как в Устройстве для разделения нефтегазовой смеси [1] или Способе очистки газа и устройстве для его осуществления [2]. Они предполагают отделение целевого газа от посторонних сопутствующих компонентов также после превращения его в жидкость. Также известны типовые технические решения для извлечения этана из природного или попутного нефтяного газа, заключающееся в глубоком охлаждении этана до превращения его в жидкость и последующем отделении от газообразного метана использованием инерционных, центробежных или комбинированных сепарационных устройств. Также существует способ, когда оба компонента сначала превращают в жидкость путем глубокого охлаждения, затем производят испарение одного из компонентов, после чего его отводят в отдельную емкость (метод ректификации).

Наиболее близким (прототипом) является устройство селективной абсорбции с возвратом газовой флегмы, схема которого представлена в литературном источнике [3, с.237]. Схема включает абсорбционную и отгонную секции, десорбер, компрессор, насос и предназначен для выделения СО₂ как целевого компонента из синтез-газов, содержащих водород, являющимся побочным продуктом.

Предлагаемое техническое решение направлено на извлечение целевого компонента (этана) из смеси с метаном без превращения какого-либо компонента в жидкое состояние.

Для этой цели Установка для извлечения этана из смеси с метаном, содержащая вихревой абсорбер, десорбер, отгонную секцию, компрессор и насос, отличается тем, что отгонная секция выполнена в виде конической обечайки с углом наклона 3-5 градусов к продольной оси, также как и корпус абсорбера. Установка отличается еще и тем, что газовая смесь поступает в отгонную секцию, проходя через турбодетандр, жидкий поглотитель - проходя через холодильник. Турбодетандер снабжен ускорителем завихрения смеси в виде винта.

Схема установки для извлечения этана из смеси с метаном представлена на рисунке 1. Установка включает абсорбер 1, отгонную секцию 2, десорбер 3, компрессор 4, насос 5, турбодетандер 6, ускоритель завихрения 7, «зонт» для формирования пленки жидкости 8, регулятор давления «до себя» 9; холодильник 10, этановую 11 и метановую линию 12.

Предлагаемая установка предназначена для разделения двух газовых компонентов. Оба компонента, метан и этан являются углеводородными газами и их свойства весьма схожи между собой, причем оба газа в реальных условиях находятся в газообразном состоянии. Для превращения в жидкое состояние, например, в условиях t=0°C, р=760 мм рт.ст. требуется охлаждать метан до минус 168, 58, а этан до минус 88,63°С [3].

Различие этана от метана можно усмотреть лишь в разнице их молекулярных масс, поэтому априори можно сказать, что разделение можно осуществлять лишь при очень интенсивном центрифугировании газовой смеси. При этом молекулы этана, имеющие атомный вес в два раза больше атомного веса метана¹, отбрасываются к стенкам, и при выходе из отгонной секции «проваливаются» в «транспортер» - пленку углеводородной жидкости, например, из смеси пропана и бутана, и поглощаются ею. А метан, вытесненный в центральную часть отгонной секции, через патрубок, расположенный в центральной части головки корпуса абсорбера, уходит в отдельную метановую линию.

Использование отгонной секции с нисходящей конусностью связано с обеспечением больших центробежных сил, достаточных для инерционного разделения этана от метана. Частота вращения газового потока и радиус вращения связаны зависимостью

т.е. чем меньше радиус вращения потока, тем быстрее он вращается.

Частота вращения газовой смеси зависит от размера входного патрубка и расхода жидкости. Поэтому, чтобы поддержать необходимую частоту вращения потока, в систему привнесен ускоритель завихрения 7. Кроме того, при необходимости он может приводиться во вращение от электродвигателя с необходимой частотой вращения вала.

Использование же корпуса абсорбера 1 в форме конуса связано с созданием пленки жидкости, вектор движения которой не пересекается с вектором движения метана, следовательно, будет отсутствовать их взаимный унос. Жидкость-поглотитель входит в абсорбер тангенциально и сразу получает круговое вращательное движение. Установленный у входа жидкости «зонт» 8 способствует формированию пленки жидкости на стенках абсорбера, которая

¹Плотность при 0°С и 101,33 кПа у метана _о=0,7168 кг/м³, у этана _о=1,3566 кг/м³служит транспортером поглощенного этана. Техническое решение направлено на создание эффективной техники и технологии разделения двух углеводородных газов, в частности, для получения промышленного этана.

Абсорбционный процесс сопровождается выделением тепла, нейтрализация которого обеспечивается охлаждением жидкости-поглотителя в холодильнике 10. Охлаждение газа происходит при его прохождении через турбодетандер 6, причем снижение давления газа в детандере на одну атмосферу и совершаемая этим газом работа снижает температуру его приблизительно в 30 раз интенсивнее, чем эффект Джоуля-Томсона.

Принцип действия устройства

Основное отличие от всех других процессов извлечения тяжелых углеводородов из газа состоит в вихревом движении газа, в результате чего молекулы тяжелых компонентов газа центробежными силами отбрасываются в сторону движущейся жидкости, внедряются в нее и уносятся потоком жидкости. Введенный тангенциально жидкость-поглотитель (смесь жидкого пропана и бутана) вращательным движением разливается по внутренней стенке абсорбера, движется нисходящим волнообразным потоком, по пути захватывая этан, отброшенный центробежными силами в отгонной секции 2.

Десорбер 3 представляет собой горизонтальную емкость, в которой давление поддерживается не менее 0,6 МПа при помощи регулятора давления «до себя» 9, благодаря чему этан находится в газообразном, а пропан-бутан в жидком состоянии, что благоприятствует их гравитационному разделению. Жидкий абсорбент, охлаждаемый в холодильнике 10, насосом 5 вновь подается в циркуляционную систему.

Выбор пропан-бутановой смеси в качестве жидкости-поглотителя связан со следующим обстоятельством. Вещества, близкие между собой по составу, строению и величине молекул, хорошо растворяются друг в друге. По этим условиям растворение этана в пропане более предпочтительно, чем у метана.

Пример. Определить давление насыщенных паров жидкости-поглотителя и сравнить с давлением насыщенных паров целевого компонента - этана.

Давление насыщенных паров жидкости-поглотителя.

Пусть жидкость-поглотитель состоит из пропан-бутановой смеси, состав которой (% по объему): 10% C₃H₈ , 50% n- С₄Н₁₀ и 40% i- С₄Н ₁₀. По табл.1.13 [4, с.35] находим давления насыщенных паров чистых компонентов: пропана - 8,6; нормального бутана - 2,1 и изобутана - 3,0. Тогда давление, под которым находится смесь, будет

кгс/см²=303,5 кПа.

При тех же условиях, например, при стандартных условиях давление насыщенных паров этана составляет 3721 кПа. Сравнение показывает

р_эт=3721 р=303,5,

т.е. давление насыщенных паров этана на порядок больше давления насыщенных паров жидкости-поглотителя. Следовательно, она обладает высокой поглотительной способностью по отношению к этану.

Использованные источники

1. Патент 2042435, Россия. Устройство для разделения нефтегазовой смеси / P.P.Ахсанов, Р.Г.Тухбатуллин, Г.П.Харланов, и др. Опубл. 1995 г. Бюл. 24. - С.120

2. Патент 2171705, Россия. Способ очистки газа и устройство для его осуществления / Ф.Ш.Хафизов. Н.Ф.Хафизов.. А.Ш.Хайбдрахманов. А.В.Белоусов. М.А.Аликян. Опубл. 10.08.2001. Бюл. 22.

3. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 г.

4. Справочник по транспорту горючих газов/Коллектив авторов//Под редакцией К.С.Зарембо. - М.: Гостоптехиздат, 1962 г.

Позиции элементов

«УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭТАНА ИЗ СМЕСИ С МЕТАНОМ»

1 - абсорбер;

2 - отгонная секция;

3 - десорбер;

4 - компрессор;

5 - насос;

6 - турбодетандер;

7 - ускоритель завихрения;

8 - «зонт» для формирования пленки жидкости-поглотителя;

9 - регулятор давления «до себя»;

10 - холодильник;

11 - этановая линия;

12 - метановая линия.

1. Установка для извлечения этана из смеси с метаном, содержащая вихревой абсорбер, десорбер, отгонную секцию, компрессор и насос, отличающаяся тем, что отгонная секция выполнена в виде конической обечайки с углом наклона 35º к продольной оси, так же как и корпус абсорбера.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что газовая смесь поступает в отгонную секцию, проходя через турбодетандр, жидкий поглотитель - проходя через холодильник.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что турбодетандер снабжен ускорителем завихрения смеси в виде винта.