Газогидратный способ разделения смеси газов

Изобретение относится к методам разделения газового потока на составляющие компоненты и может быть использовано в химической, нефте-газоперерабатывающей, металлургической промышленности и в других отраслях народного хозяйства. Исходную газовую смесь подают на первую ступень многоступенчатого компрессора для сжатия до давления гидратообразования первого компонента-газа. Далее смесь подают в реактор. При взаимодействии с водой в реакторе происходит образование гидратов первого компонента-газа. Затем в первом циклоне отделяют гидраты. Гидраты поступают в емкость для дегидратации для выделения первого компонента-газа. Непрореагировавшие газы подвергают дальнейшей ступенчатой гидратации при соответствующих термобарических условиях образования гидратов компонентов-газов с последующим ступенчатым процессом дегидратации с выделением отдельных компонентов. Изобретение позволяет организовать непрерывный технологический процесс разделения газовой смеси и получать отдельные компоненты-газы с высокой степенью чистоты. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к методам разделения газового потока на составляющие его газовые компоненты и может быть использовано в химической, нефтегазоперерабатывающей, металлургической промышленности и в других отраслях народного хозяйства.

Известен способ разделения углеводородных смесей, основанный на процессе гидратации [авт. св-во СССР, №206561, C10G, 1968], при котором газовую смесь перемешивают с водой при температуре 0-3°С и давлении до 5 атм, отделяют при этом гидраты от газовой фазы с последующим разложением гидратов, например, нагреванием, дросселированием.

Недостатком данного способа является то, что известный способ нельзя использовать для организации непрерывного процесса разделения газов.

Известен способ разделения биогаза [патент RU №2118560, В01D 57/00, F25J 3/00, опубл. 1998.09.10], заключающийся в том, что биогаз закачивают в газгольдер, заполненный водой с температурой 5°С, до достижения давления больше 5 МПа и образования газовых гидратов и затем проводят ступенчатую дегидратацию путем удаления отдельных компонентов биогаза.

Недостатками данного способа являются низкая производительность, отсутствие непрерывности технологического процесса и не высокая чистота выделяемого газа

Задачей предлагаемого изобретения является разработка газогидратного способа разделения смеси газов, которая позволяет получать отдельные компоненты-газы с высокой степенью чистоты, при организации непрерывного технологического процесса разделения газовой смеси.

Указанный технический результат достигается тем, что газогидратный способ разделения смеси газов включает ступенчатый процесс гидратации компонентов-газов исходной газовой смеси, различающихся термобарическими условиями образования газовых гидратов с последующим ступенчатым процессом дегидратации с выделением отдельных компонентов-газов из газовой смеси.

Особенностью предлагаемого способа является то, что исходную газовую смесь с компонентами-газами подают на первую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р1, равном давлению гидратообразования первого компонента-газа, затем ее отправляют в реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии первого компонента-газа с водой, далее в первом циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию в первую емкость для выделения первого компонента-газа, не прореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из первого циклона подают на вторую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р2, затем ее отправляют во второй реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии второго компонента-газа с водой, далее во втором циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию во вторую емкость для выделения второго компонента-газа, не прореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из второго циклона подают на следующую ступень многоступенчатого компрессора, и цикл снова повторяют, выделяя остальные компоненты-газы, при условии, что давление на каждой последующей стадии выше давления на предыдущей ступени, при этом процесс разделения газовой смеси, у которой размер молекул не превышает 7 ангстрем, проводят непрерывно при постоянном ее поступлении в многоступенчатый компрессор.

Кроме того, газовую смесь перед подачей в многоступенчатый компрессор очищают от капельной жидкости, а исходную газовую смесь еще и от механических примесей.

Кроме того, процесс образования газовых гидратов проводят путем диспергирования воды в потоке газовой смеси при температуре, ниже равновесной, и давлении, выше равновесного для выделяемого газа.

Кроме того, процесс разложения газовых гидратов проводят при температуре, выше равновесной, и давлении, ниже равновесного для выделяемого газа.

Кроме того, воду, выделившуюся после процесса разложения газовых гидратов вновь, используют в следующем процессе образования газовых гидратов.

Сущность изобретения основана на способности газов, размер молекул которых не превышает 7 ангстрем, при различных термобарических условиях ступенчато образовывать газовые гидраты с последующим ступенчатым процессом дегидратации для выделения отдельных компонентов-газов.

Процесс гидратации проводят путем диспергирования воды в потоке газовой смеси при температуре ниже равновесной и давлении выше равновесного для выделяемого газа. Это приводит к образованию газовых гидратов.

Процесс дегидратации газовых гидратов проводят при температуре выше равновесной и давлении ниже равновесного для выделяемого газа. Это приводит к разложению газовых гидратов на газ и воду.

Совокупность отличительных признаков позволяет осуществить более глубокое извлечение составляющих компонентов газовой смеси без особых капитальных и эксплутационных затрат. Кроме того, предлагаемый способ позволяет организовать непрерывность технологического процесса разделения газовой смеси при наличии определенного оборудования (перечислено ниже).

Предлагаемый непрерывный газогидратный способ разделения газовой смеси осуществляют по технологической схеме, приведенной на чертеже.

На чертеже представлены: многоступенчатый компрессор, реакторы 1, 2, 3, n, циклоны 1, 2, 3, n, емкости 1, 2, 3, n, теплообменники 1, 2, 3, n, сепараторы 1, 2, 3, n, газоанализаторы 1, 2, 3, n.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Из исходной смеси газов C1, C2, С3 и т.д. удаляют при необходимости, например, сепаратором капельную жидкость и механические примеси. Затем их подают на первую ступень многоступенчатого компрессора. С первой ступени компрессора смесь газов C1, C2, С3 и т.д. под давлением Р1, равным давлению гидратообразования газа C1, подают в реактор 1. В реактор 1 подают воду с температурой гидратообразования газа C1, где происходит образование газовых гидратов при установленной температуре, давлении путем диспергирования воды в потоке исходной газовой смеси. В циклоне 1 газовые гидраты отделяют и направляют в емкость 1, где после их разложения получают газ C1, который направляют в газоанализатор для оценки степени чистоты и далее на склад или доочистку в многоступенчатый компрессор на первую ступень, и воду, которую дополнительно, охладив в теплообменнике 1, вновь используют для образования газовых гидратов. Не прореагировавшую смесь газов C2, С3 и т.д. из циклона 1 направляют через сепаратор 1 в многоступенчатый компрессор на вторую ступень для сжатия при давлении Р2, затем ее подают в реактор 2, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии компонента-газа C2 с водой, в циклоне 2 газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию в емкость 2, где выделяют компонент-газ С2. Не прореагировавшую газовую смесь с компонентами-газами С3 и т.д. из циклона 2 возвращают через сепаратор 2 на следующую ступень многоступенчатого компрессора, и цикл вновь повторяют, выделяя компоненты-газы С3 и т.д., до полного разложения газовой смеси при условии Р1<Р2<Р3 и т.д., где Р1, Р2, Р3 и т.д. - давления гидратообразования комнонентов-газов С1, С2, С3 и т.д. исходной газовой смеси. Циклы уже для выделенных газов С1, С2, С3 и т.д. можно повторять до тех пор, пока не достигают необходимой чистоты выделяемого газа.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Для разделения использовалась смесь газов фреонов (11, 12, 22).

Смесь газов подают через сепаратор на первую ступень многоступенчатого компрессора. На выходе первой ступени компрессора достигалось давление 22 кПа, смесь газов под этим давлением (гидратообразование газа фреона 11) подают в реактор 1. В реактор 1 подают воду с температурой 279К, где при указанной температуре, давлении путем диспергирования воды в потоке газовой смеси происходит образование газовых гидратов. В циклоне 1 газовые гидраты отделяют и направляют в емкость 1, где после их разложения при температуре 281 К и давлении 20 кПа получают газ - фреон 11, который направляют в газоанализатор для оценки степени чистоты и воду, которую дополнительно, охладив в теплообменнике 1 до 279К, вновь используют для процесса гидратации. Не прореагировавшую с водой смесь газов (фреон 12, фреон 22) из циклона 1 направляют через сепаратор 1 в компрессор на вторую ступень. На выходе второй ступени компрессора достигалось давление 123 кПа, смесь газов под этим давлением (гидратообразование газа фреона 12) подают в реактор 2. Также в реактор 2 подают воду с температурой 279К, где при установленной температуре и давлении путем диспергирования воды в потоке газовой смеси происходит образование газовых гидратов. В циклоне 2 газовые гидраты отделяют и направляют в емкость 2, где после их разложения при температуре 281К и давлении 120 кПа получают газ - фреон 12, который далее направляют в газоанализатор для оценки степени чистоты, и воду, которую вновь используют в процессе. Аналогичный цикл проводят для выделения и очистки газа - фреона 22 с давлением 200 кПа на выходе из компрессора.

Таблица 1
Условия образования газогидратов фреона 11
Т, К	Р, кПа
5,1	9,1	21,8	35,5	62,3
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	+	+	+
283	-	-	-	-	-

Таблица 2
Условия образования газогидратов фреона 12
Т, К	Р, кПа
28,9	38,6	88,2	123	280
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	+
Таблица 3
Условия образования газогидратов фреона 22
Т, К	Р, кПа
71	98,5	149	198	332
268	+	+	+	+	+
273	-	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	+	+
283	-	-	-	-	+

Пример 2

Пример выделения из смеси газов определенного газа, например пропана.

Для разделения использовался природный газ, содержащий большое количество разных газов и пропан.

На первом цикле сначала отделяют из природного газа все газы, находящиеся перед пропаном в ряду гидратообразования. Природный газ подают через сепаратор на первую ступень многоступенчатого компрессора. На выходе первой ступени компрессора достигалось давление 540 кПа, природный газ под этим давлением подают в реактор 1. Также в реактор 1 подают воду с температурой 279К, где происходит образование газовых гидратов при указанной температуре, давлении путем диспергирования воды в потоке природного газа. В результате образуются газовые гидраты тех газов, которые находятся перед пропаном в ряду гидратообразования. В циклоне 1 газовые гидраты отделяют и направляют в емкость 1, где после их разложения при температуре 281К и давлении 530 кПа получают воду и газовую смесь (без пропана).

На втором цикле отделяют пропан от всех остальных газов. Из циклона 1 не прореагировавшую газовую смесь (содержащую пропан) через сепаратор 1 подают в многоступенчатый компрессор. На выходе второй ступени компрессора достигалось давление 557 кПа, смесь газов под этим давлением (гидратообразование газа пропана) подают в реактор 2. Также в реактор 2 подают воду с температурой 279К, где происходит образование газовых гидратов пропана при указанной температуре, давлении путем диспергирования воды в потоке газовой смеси (содержащей пропан). В циклоне 2 газовые гидраты пропана отделяют и направляют в емкость 2, где после их разложения получают чистый газ пропан, который далее направляют в газоанализатор для оценки степени чистоты и воду, которую вновь используют в процессе.

Таблица 4
Условия образования газогидратов пропана
Т, К	Р, кПа
174	323	400	515	557
268	+	+	+	+	+
273	+	+	+	+	+
277	-	-	+	+	+
279	-	-	-	-	+
283	-	-	-	-	-

Предлагаемый газогидратный способ разделения смеси газов позволяет организовать непрерывный технологический процесс выделения компонентов-газов из газовой смеси с высокой степенью чистоты выделяемых газов.

1. Газогидратный способ разделения смеси газов, включающий ступенчатый процесс гидратации компонентов-газов исходной газовой смеси, различающиеся термобарическими условиями образования газовых гидратов, с последующим ступенчатым процессом дегидратации с выделением отдельных компонентов-газов из газовой смеси, отличающийся тем, что исходную газовую смесь с компонентами-газами подают на первую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р1, равном давлению гидратообразования первого компонента газа, затем ее отправляют в реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии первого компонента-газа с водой, далее в первом циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию в первую емкость для выделения первого компонента-газа; непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из первого циклона подают на вторую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р2, затем ее отправляют во второй реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии второго компонента-газа с водой, далее во втором циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию во вторую емкость для выделения второго компонента-газа; непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из второго циклона подают на следующую ступень многоступенчатого компрессора, и цикл вновь повторяют, выделяя остальные компоненты-газы, при условии, что давление на каждой последующей стадии выше давления на предыдущей ступени, при этом процесс разделения газовой смеси, у которой размер молекул не превышает 7 Å, проводят непрерывно при постоянном ее поступлении в многоступенчатый компрессор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовую смесь перед подачей в многоступенчатый компрессор очищают от капельной жидкости, а исходную газовую смесь - и от механических примесей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс образования газовых гидратов проводят путем диспергирования воды в потоке газовой смеси при температуре ниже равновесной и давлении выше равновесного для выделяемого газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс разложения газовых гидратов проводят при температуре выше равновесной и давлении ниже равновесного для выделяемого газа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду, выделившуюся после процесса разложения газовых гидратов, вновь используют в процессе.