Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Принцип действия и гидродинамика аппаратов с вертикальными контактными решетками 14
1.1. Принцип дробления жидкости 14
1.2. Основные конструкции аппаратов АВР 17
1.3. Сравнительный анализ современных конструкций массообменных контактных устройств 22
1.4. Гидродинамика аппаратов с вертикальными контактными решетками в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости 28
1.4.1. Предельные режимы работы 29
1.4.2. Гидродинамические обобщения 39
1.4.2.1. Скорость начала подвисания жидкости 41
1.4.2.2. Универсальные гидродинамические параметры 43
1.4.2.3. Обобщенные гидродинамические уравнения 44
1.4.2.3.1. Предельная скорость газа 44
1.4.2.3.2. Задержка жидкости 45
1.4.2.3.3. Межфазная поверхность 49
1.4.3. Структура жидкостного потока. Модели смешения жидкости в контактных камерах 52
Основные результаты 55
ГЛАВА II. Математическая модель процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками как объекта автоматического управления 56
2.1. Статические характеристики управляемого процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными решетками 56
2.2. Динамические характеристики управляемого процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными решетками 65
Основные результаты 77
ГЛАВА III. Промысловая очистка попутного нефтяного газа от сероводорода в аппаратах с вертикальными решетками 78
3.1. Разработка малогабаритной установки осушки и очистки от сероводорода попутного нефтяного газа 79
3.2. Выбор принципиальных технологических и технических решений 80
3.3. Коэффициент массопередачи и его зависимость от факторов процесса 86
3.4. Статические и динамические характеристики управляемого процесса очистки попутного нефтяного газа от сероводорода в аппаратах с вертикальными решетками 89 Основные результаты 95
ГЛАВА IV. Система автоматического управления процессом очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 96
4.1. Описание системы автоматического управления малогабаритной блочной установки очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 96
4.2. Контур регулирования качества получаемой продукции 100
4.2.1. Работа контура регулирования качества получаемой продукции с пропорциональным регулятором 103
4.2.2. Работа контура регулирования качества получаемой продукции с астатическим регулятором 105
4.2.3. Работа контура регулирования качества получаемой продукции с компенсацией чистого запаздывания 107
4.3. Сравнительный анализ работы контура регулирования качества получаемой продукции с различными регуляторами 114
Основные результаты 115
Заключение 116
Литература 118
Приложения
- Сравнительный анализ современных конструкций массообменных контактных устройств
- Статические характеристики управляемого процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными решетками
- Выбор принципиальных технологических и технических решений
- Контур регулирования качества получаемой продукции
Введение к работе
Абсорбцией называется процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - выделение растворенного газа из раствора - носит название десорбции.
В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы -жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопере-дачи.
Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных областях промышленности весьма обширны. К ним относятся, например, процессы получения готового продукта путем поглощения газа жидкостью (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция окислов азота водой при производстве азотной кислоты и другие), разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси (абсорбция бензола из коксового газа, абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза и другие), очистка газов от примесей вредных компонентов (очистка попутных и природных газов от сероводорода, очистка азотноводородной смеси от СОг и СО при синтезе аммиака и другие), улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь.
При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность контакта газа и жидкости.
Природа газа и жидкости позволяет осуществить их контактирование тремя основными способами: пленочным, барботажным и методом дробления жидкости газовым потоком.
При пленочном способе контакта газа и жидкости поверхностью контакта фаз является зеркало жидкости или поверхность текущей пленки жидкости.
При барботаже поверхность контакта фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа осуществляется путем пропускания его через слой жидкости.
Современные тенденции развития колонного массообменного оборудования свидетельствуют о больших перспективах массообмена, осуществляющегося путем дробления жидкости газовым потоком, являющегося естественным при интенсивных режимах взаимодействия потоков. Резкого снижения энергозатрат на процесс дробления можно достичь путем предварительного преобразования жидкостного потока в малоустойчивые формы течения с развитой поверхностью. Наиболее эффективным средством получения таких форм является организация пленочного течения жидкости по вертикальным решеткам (сеткам), сквозь отверстия которых проходит газовый поток. В этом случае преобразование жидкости в удобную для распада форму происходит за счет энергии поверхностного натяжения, которая при других способах дробления не используется.
Принцип газожидкостного взаимодействия и конструкция контактного устройства, его реализующего, впервые предложены в Ленинградском технологическом институте профессором Н.И.Тагановым (1964 г.). Развитие этого направления связано с работами, проводимыми под руководством профессора Л.Г.Григоряна. В результате был создан новый класс эффективной массооб-менной техники, получивший название аппаратов с вертикальными контактными решетками (АВР).
Перспективность этого направления подтверждается успешным внедрением промышленных аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах стран СНГ.
Эффективная реализация в промышленных условиях новой массообменной техники становится возможным только с применением новых систем автоматического регулирования, обоснованное построение которых базируется на использовании математических моделей технологических процессов абсорбции, рассматриваемых в качестве объекта управления.
Математическую модель объекта управления можно определить двумя способами. Можно либо идентифицировать объект по результатам экспериментов с использованием входных и выходных воздействий, либо искать необходимую математическую модель расчетным путем, используя общие физические законы, сведения о конструкции и технологических параметрах оборудования.
Каждый из перечисленных способов построения математической модели имеет свои преимущества и недостатки. «Экспериментальная» идентификация возможна лишь в том случае, если исследуемый объект уже существует. При правильной постановке эксперимента можно получить необходимую информацию о поведении объекта, исследуя уже существующие промышленные установки. С другой стороны, при этом нельзя получить достаточно полное представление о внутренней структуре объекта, обо всех взаимосвязях и указать, как динамические характеристики объекта могут повлиять на выбор наилучшей конструкции.
Физико-математический анализ процессов, происходящих в объекте управления, позволяет выбрать надлежащую структуру математической модели объекта еще на стадии проектирования. Результаты такого теоретического исследования можно затем использовать для проектирования высокоэффективных систем автоматического регулирования. В связи с этим проблема математического моделирования и автоматизации технологических процессов абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками является актуальной.
Настоящая работа посвящена разработке математической модели процесса абсорбции в аппарате, оснащенного насадкой с вертикальными контактными решетками, как объекта автоматического регулирования и созданию на этой основе замкнутой системы автоматического управления.
Целью работы является изучение основных закономерностей газожидкостного взаимодействия на вертикальных контактных решетках в управляемых процессах абсорбции, создание на основе выявленных закономерностей мате-
10 матической модели процесса как объекта управления, а также построение на этой основе систем автоматического регулирования процессом абсорбции попутного нефтяного газа от сероводорода.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики управляемых аппаратов АВР в широком диапазоне жидкостных нагрузок;
разработка математической модели процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками как объекта автоматического управления;
создание аппаратуры и технологии для реализации автоматизированных систем промысловой очистки попутного газа от сероводорода;
синтез системы управления процессом очистки попутного нефтяного газ от сероводорода.
Получение обобщающих гидродинамических уравнений проводилось путем структурно-параметрической идентификации объекта управления. Обработка результатов эксперимента осуществлялось методом наименьших квадратов.
Получение передаточных функций процесса абсорбции проводилось путем решения уравнений материального баланса.
Синтез системы управления процесса очистки попутного нефтяного газа от сероводорода в аппаратах с вертикальными контактными решетками выполнялось методами теории автоматического управления.
Для анализа и синтеза системы управления использовались стандартные пакеты прикладных программ MAPLE и ELECTRONIC WORK BENCH.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
1. Впервые изучены гидродинамические особенности работы аппаратов АВР как объектов управления в диапазоне нагрузок по жидкости до 400 м3/м2-ч.
Разработаны универсальные параметры гидродинамической структуры потоков, на основе которых получены уравнения, обобщающие гидродинамические характеристики работы автоматизируемых аппаратов АВР.
Разработаны математические модели управляемых процессов абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками. Выявлены возможные модификации полученных моделей для технологического процесса очистки попутного газа от сероводорода.
Выполнено системно-структурное представление объекта управления, и найдены его передаточные функции по различным управляющим и возмущающим воздействиям.
В работе рассмотрены вопросы анализа, синтеза и реализации в промышленных условиях замкнутых систем автоматического регулирования процессов абсорбции. Результаты диссертации легли в основу разработки проекта автоматизированной малогабаритной блочной установки сероочистки и осушки попутного нефтяного газа для Красноярской ТХУ ОАО «Самаранефтегаз».
На защиту выносятся следующие положения:
Уравнения, обобщающие гидродинамические характеристики работы автоматизируемых аппаратов АВР в широком диапазоне жидкостных нагрузок;
Математическая модель процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками как объекта автоматического управления;
Система автоматического управления блочной установки сероочистки и осушки попутного нефтяного газа.
В первой главе диссертации показаны преимущества массообменных аппаратов, использующих принцип газожидкостного взаимодействия на вертикальных контактных решетках. Представлены основные конструкции аппаратов класса АВР и принцип их действия. Также проведены исследования гидродинамики аппаратов класса АВР, дополняющие и развивающие прежние теоретические и экспериментальные наработки. Изучен диапазон высоких жидкостных нагрузок 15(К400 м /м -ч.
На основе двух универсальных параметров гидродинамической структуры потоков получены уравнения для расчета скорости подвисания и захлебывания, задержки жидкости, поверхности межфазового контакта, обобщающие весь массив экспериментальных данных в широком диапазоне газожидкостных нагрузок.
Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы математического моделирования процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками как объекта автоматического управления.
На основании уравнений материального баланса и массопередачи были получены вход-выходные соотношения в операторной форме, связывающие управляемые величины с управляющими воздействиями типовыми дробно-рациональными передаточными функциями.
Были получены в явной форме функциональные зависимости коэффициентов передачи и постоянных времени, зависящие от состояния объекта управления в начальный момент времени и гидродинамической структуры газожидкостного взаимодействия потоков, и проведен сравнительный анализ расчетных характеристик разработанных моделей объекта управления и экспериментальных данных.
В третьей главе диссертации представлены результаты разработки малогабаритной блочной установки очистки от сероводорода и осушки попутного нефтяного газа, основанной на методе хемосорбции комбинированным поглотителем, состоящим из смеси моноэтаноламина, диэтиленгликоля и воды, с абсорбером АВР и неадиабатическим десорбером АВР, а также выявлены возможные модификации математической модели процесса абсорбции как объекта управления для технологического процесса промысловой очистки попутного нефтяного газа от сероводорода.
Проведенный сравнительный анализ экспериментальных данных и расчетных значений передаточных коэффициентов математической модели управляемого процесса промысловой очистки попутного нефтяного газа показал адек-
13 ватность модели процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными контактными решетками в рассматриваемом диапазоне работы установки.
В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы анализа и синтеза замкнутой системы автоматического регулирования технологическим процессом очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и представлены результаты анализа работоспособности контура регулирования качества получаемой продукции системы управления процессом очистки при использовании различных типов регуляторов.
Сравнительный анализ современных конструкций массообменных контактных устройств
На рис. 1.12. приведены характеристики насадок фирмы «Зульцер» («Меллапак» 250Y, 250Х) и АВР-бОхбО в условиях атмосферной ректификации на стандартных смесях в режиме полного возврата флегмы. Выбор размерного типа насадок продиктован тем, что эти насадки имеют примерно одну и ту же предельную скорость газа (Fs = 3,14-3,5 м/с-(кг/м ) ). Характерное для насадок «Меллапак» снижение эффективности с ростом нагрузки является следствием пленочной формы взаимодействия газа и жидкости. Насадка АВР-бОхбО имеет противоположную тенденцию, так как с ростом нагрузки увеличивается межфазная поверхность за счет интенсивного дробления жидкости на капли.В рабочем режиме Wp = 0,75-f-0,8 Wnp насадка АВР-60х60 имеет существенно большую разделяющую способность.
В условиях ректификации под давлением увеличивается удельная плотность орошения и эффективность насадок фирмы «Зульцер» резко падает. Специалисты фирмы «Зульцер» считают, что в условиях ректификации под давлением насадки «Меллапак» требуют определенного совершенствования, прежде чем их использование станет экономически выгодным, и предлагают возвратиться к тарельчатым конструкциям контактных устройств.
Для насадок АВР такой проблемы нет. Опыт эксплуатации колонных аппаратов АВР в условиях ректификации под давлением показал, что эта насадка как по производительности, так и по эффективности существенно превышает соответствующие характеристики тарельчатых аппаратов.
Другим недостатком насадок фирмы «Зульцер» является узкий диапазон эффективной работы. Опыт эксплуатации насадки в процессе вакуумной ректификации на НкНПЗ показал, что снижение нагрузки на 30% или повышение на 20%) по отношению к номинальной приводит к резкому ухудшению качества разделения продуктов. Конструкции фирмы «Зульцер» предусматривают монтаж в аппарате сложных перераспределительных устройств желобчатого типа, занимающих значительный полезный объем колонны. Кроме того, следует отметить: низкие прочностные качества насадки (толщина металла 0,1 мм), чувствительность к «гидроударам» и возможность самовоспламенения в связи с накапливанием пирофорных соединений на большой удельной поверхности, высокую цену и невозможность ремонта насадки. Вместе с тем, контактные устройства АВР значительно превосходят «популярные» зарубежные конструкции. Основными достоинствами аппаратов АВР являются: - высокая разделительная способность, Нвэтт = 200-4-600 мм; - устойчивость к динамическим колебаниям нагрузок в связи с малой задержкой и отсутствием застойных зон жидкости в аппарате. Возможность переработки термолабильных полимеризующихся продуктов и загрязненных жидкостей; - широкий диапазон допустимых нагрузок по жидкости от 5 до 400 м3/м2-ч и газу W=0,2-rO,8Wnp; - высокие предельные скорости паров. Fs до 5 6 (м/с)-(кг/м ) для низких нагрузок по жидкости. Fs = 0,7- 1,0 (м/с)-(кг/м ) для сверхвысоких нагрузок по жидкости; - низкое гидравлическое сопротивление аппарата АР = 20- 150 мм. вод. ст./м при плотностях орошения от 5 до 350 м /м -ч; - пеногасящие свойства; - высокая прочность, низкая чувствительность к «гидроудару». Проведенный анализ, а также накопленный предприятиями опыт работы с ведущими фирмами зарубежных стран, такими, как «Зульцер» и «Глитч», показали, что технические предложения этих фирм по реконструкции массооб-менных аппаратов уступают лучшим отечественным разработкам в этой области как в части глубины проработки процессов переноса, так и некоторых инженерных решений. 1.4. Гидродинамика аппаратов с вертикальными контактными решетками в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости. Гидродинамическая модель, адекватно отражающая структуру потоков на ступени контакта, позволяет более точно оценить движущую силу процесса, коэффициенты тепло- и массопереноса на ступени, время пребывания жидкости в аппарате и так далее. Следовательно, исследование гидродинамики аппаратов является актуальной проблемой. Многочисленные исследования гидродинамики аппаратов с вертикальными контактными решетками легли в основу стройной теории взаимодействия газа и жидкости. Разработанные теоретические представления подтверждаются зна 29 чительным количеством экспериментальных данных в диапазоне жидкостных нагрузок преимущественно от 5 до 150 м3/м2-ч. Увеличение нагрузок по жидкости свыше 150 м3/м2-ч, как показали исследования, приводят к значительному, до 40%, расхождению расчетных и экспериментальных гидродинамических характеристик работы аппарата. Вместе с тем, интенсификация нефтехимических процессов становится возможным при создании в аппарате режима активного орошения с удельными жидкостными на-грузками от 150 до 400 м /м -ч.
Статические характеристики управляемого процесса абсорбции в аппаратах с вертикальными решетками
С начала 80-х годов в мировой практике нефтедобычи наметилась устойчивая тенденция роста количества вовлекаемых в разработку месторождений нефти, содержащих сероводород. Основной объем серосодержащих нефтей в странах СНГ добывается на промыслах Урало-Поволжья, Астраханской области и Западного Казахстана. Содержание сероводорода в пластах колеблется в весьма широком диапазоне: от 0,01% до 16% моль.
Кроме того, зафиксировано появление и устойчивый рост концентрации сероводорода на нефтяных месторождениях, ранее не содержащих данный компонент. Это биогенный сероводород, образующийся в продукции скважин благодаря микробиологическим процессам - восстановлению сульфатов, содержащихся в породах, в результате активизации жизнедеятельности некоторых видов сульфатредуцирующих бактерий, попадающих в пласт с закачиваемой водой при его продуктивном заводнении.
Разработка и эксплуатация месторождений, содержащих высокоагрессивный компонент, требует решения комплекса специфичных проблем. В частности, проблемными являются вопросы: - очистка от сероводорода низконапорного газа концевых ступеней сепарации; - защита нефтепромыслового оборудования от коррозии; - охрана окружающей среды; - образование пирофорных соединений, способных самовозгораться. Очистка газообразных углеводородов на промыслах при существующей схеме сбора и подготовки продукции скважин осуществляется исключительно на газоперерабатывающих заводах либо на стационарных установках центральных пунктов сбора. Вместе с тем, существенные объемы попутного нефтяного газа не используются только потому, что в отечественной практике отсутствуют эффективные автономные установки малой производительности, позволяющие производить очистку газов концевых ступеней сепарации при низких давлениях. В настоящее время этот газ в большинстве случаев сгорает на факелах. Создание таких установок позволило бы сократить потери углеводородного сырья и получить бессернистый углеводородный газ для использования на энергосиловых промысловых установках или как инертный агент для десорб-ционной очистки жидких углеводородов от сероводорода. Значительное количество углеводородного газа, образующегося при добыче и подготовки нефти, не вовлекается в централизованную систему сбора и, в связи с этим, сжигается на факелах. В данную группу, как правило, входят удаленные от ЦПС объекты малой производительности по газу, вовлечение которых в газовую систему сбора нерентабельно. Вместе с тем, имеются широкие возможности экономически эффективного использования газа непосредственно на объектах подготовки нефти, например: - в паро-, электрогенераторных установках; - в силовых установках для добычи нефти; - в качестве десорбирующего агента в процессах стабилизации нефти и очистки нефти и воды от сероводорода. Перечисленные направления утилизации газа на промыслах требуют его очистки от сероводорода и осушки на эффективных установках малой производительности. В основу технологии очистки газа положен метод хемосорбции сероводорода, углекислого газа и воды комбинированным поглотителем - смесью моно-этаноламина (МЭА), диэтиленгликоля (ДЭГ) и воды в аппарате АВР. При этом использовались результаты проведенных ранее исследований процесса хемо-сорбции сероводорода и углекислого газа раствором моноэтаноламина в аппарате АВР. При выборе номинальной производительности малогабаритной установки сероочистки газа исходили из того, что потенциальным сырьем установки является газ, сжигаемый на факелах. Газ, направляющийся посредством системы сбора на ГПЗ или крупные ЦПС, подвергается очистке от сероводорода на крупных установках. При обследовании факельных установок Самарской и Оренбургской областей было обнаружено, что на них поступает газ, содержащий сероводород в количестве до 6% моль. Его утилизация, как правило, становится возможной при компремировании до давления 0,3-0,6 МПа и очистке от сероводорода до санитарных ( ),02 мг/дм ) или технических (менее 0,1% моль) норм. Нефтяной газ влажный, и его использование требует также осушки. Производительность установок находится в диапазоне от 5000 нм /сут до 50 000 нм /сут. Важно отметить, что более 70% обследованных факельных систем имеют производительность от 12 до 25 тыс. нм /сут. Последнее обстоятельство послужило основанием для выбора номинальной производительности малогабаритной блочной установки очистки и осушки газа - 20 000 нм /сут при рабочем давлении 0,6 МПа. Диапазон эффективной работы установки при этом составит 12-25 тыс. нм3/сут. Технология очистки и осушки газа основана на одновременном хемосорб-ционном поглощении кислых компонентов углеводородного газа (сероводород и углекислый газ) раствором, состоящим из 15% масс, моноэтаноламина, 75% масс, диэтиленгликоля и 10% воды в аппарате АВР. Кислые компоненты С02 и H2S быстро взаимодействуют с основной амин-ной группой. ОН-группа служит для увеличения молекулярного веса и уменьшения, соответственно, давления паров аминов. Это сокращает потери аминов с верхним продуктом.
Выбор принципиальных технологических и технических решений
Технология очистки и осушки газа основана на одновременном хемосорб-ционном поглощении кислых компонентов углеводородного газа (сероводород и углекислый газ) раствором, состоящим из 15% масс, моноэтаноламина, 75% масс, диэтиленгликоля и 10% воды в аппарате АВР.
Реакции между моноэтаноламином, с одной стороны, и сероводородом и углекислым газом, с другой, можно представить в следующем виде: 2 HOC2H4NH2 + H2S - (HOC2H4NH3)2S 2 HOC2H4NH2 + H2S + C02 - (HOC2H4NH3)2C03 Эти реакции являются обратимыми. Повышение температуры (115,5 -149,9С) сдвигает равновесие в левую сторону, а снижение температуры (37,8 -48,9С) - в правую. Сероводород быстрее взаимодействует с аминами, чем углекислый газ. Реакция сероводорода с моноэтаноламином является реакцией протонного переноса и имеет первый порядок. Такие реакции имеют высокую (практически мгновенную) скорость протекания. Реакция углекислого газа с моноэтаноламином - это реакция второго порядка и имеет более низкую скорость протекания. Одновременно с очисткой происходит осушка газа от паров влаги. Осушка основана на гидрофильных свойствах диэтиленгликоля и моноэтаноламина. Эффективность процесса резко возрастает при увеличении давления в абсорбере выше 0,4 МПа. Принципиальная технологическая схема установки очистки и осушки попутного нефтяного газа приведена на рис. 3.1. Отбензиненная смесь газов концевых ступеней сепарации, горячей ступени сепарации и с установки отдувки, с температурой 10-30С, через замерное устройство поступает в нижнюю часть абсорбера К-1 (поток I). Поднимаясь вертикально вверх по высоте абсорбера, нефтяной газ, содержащий сероводород, контактирует со стекающим сверху раствором (абсорбентом). На контактных устройствах абсорбера происходит интенсивное взаимодействие фаз, в результате чего сероводород и двуокись углерода переходят из газовой фазы в жидкую. Очищенный от сероводорода газ покидает верхнюю часть абсорбера и используется для технологических нужд (поток II). Насыщенный кислыми газами раствор выходит из нижней части абсорбера (поток III). Вследствие экзотермической реакции сероводорода и углекислого газа с моноэтаноламином раствор имеет повышенную температуру 45-60С. Далее насыщенный раствор за счет тепла регенерированного раствора, поступающего из нижней части десорбера (t=130C) в рекуперативный теплообменник Т-1, нагревается до температуры 75С и поступает в верхнюю часть десорбера К-2. Для управления и регулирования процесса десорбции между теплообменником Т-1 и десорбером предусмотрен паровой подогреватель Т-2. Насыщенный раствор, стекая сверху десорбера, последовательно проходит секцию массообмена (секция 2) и секцию нагрева водяным паром (секция 3). В нижней части десорбера производится дополнительная регенерация раствора подачей водяного пара во встроенный теплообменник. В процессе движения раствора сверху вниз из него под действием нагревания выделяются кислые газы. Смесь этих паров поступает в секцию 2, где происходит охлаждение кислых газов за счет стекающего из секции 1 водяного конденсата - рефлюкса -и абсорбция паров моноэтаноламина и диэтиленгликоля, что уменьшает их потери в процессе эксплуатации установки. Охлажденные и обедненные раствором кислые газы поступают в секцию 1, представляющую собой водяной холодильник. В этой секции кислые газы охлаждаются до температуры 35С, при этом из них выпадает рефлюкс, который стекает на секцию 2 и далее вниз. Испаряясь по мере течения вниз, рефлюкс увеличивает парциальное давление паров воды в газовой фазе, чем способствует процессу перехода кислых газов из жидкой фазы в газовую фазу. Кислые газы из верхней части десорбера с температурой 35-45С уходят на свечу или на установку их дальнейшей утилизации. Регенерированный раствор с температурой 125-130С из нижней части десорбера насосом Н-1 подается в рекуперационный теплообменник Т-1. Пройдя его, раствор с температурой 75-80С подается в водяной холодильник Х-1, где он охлаждается до температуры 35С. Освобожденный от кислых газов и охлажденный регенерированный раствор поступает в верхнюю часть абсорбера. Далее цикл насыщения и регенерации раствора кислыми газами повторяется. Абсорбер работает при низких температурах, при которых МЭА легко абсорбирует углекислый газ и сероводород из исходного газа. Хотя сероводород быстрее взаимодействует с аминами, чем углекислота, обе реакции являются достаточно быстрыми, поэтому МЭА эффективно улавливает оба компонента. Компоненты кислого газа выводятся из нижней части абсорбера вместе с МЭА. Этот поток называется обогащенным, поскольку амины поглотили углекислый газ и сероводород. Так как прямая реакция является экзотермической, то температура кубового продукта будет выше температуры питания установки. Эффективность работы колонны абсорбции сильно зависит от температуры абсорбента: чем она ниже, тем больше кислых компонентов газа можно уловить. Колонна регенерации работает при высокой температуре, и в ней протекает обратная реакция. Здесь сероводород и углекислый газ отделяются от аминов и выводятся через верхнюю часть ректификационной колонны. Амины и вода, которые обладают более высокими температурами кипения, чем кислые компоненты газа, выводятся из куба колонны. Этот очищенный кубовый продукт охлаждается и подается насосом в абсорбер. Небольшое количество аминов и воды безвозвратно теряются с кислым газом и с потоком очищенного газа. Поэтому необходимо компенсировать эти потери и вводить подпитку.
Контур регулирования качества получаемой продукции
Наиболее удобным регулирующим воздействием на содержание сероводорода в очищенном газе является количество абсорбента, вовлекаемого в процесс очистки газа. Схема управления процессом очистки газа представлена на рис. 4.1. Сероводородсодержащий углеводородный газ, содержание сероводорода в котором, его температура и расход контролируются соответствующими приборами, поступает в нижнюю часть абсорбера К-1. Поднимаясь вертикально вверх по высоте абсорбера, газ, содержащий сероводород, контактирует со стекающим сверху раствором (абсорбентом). На контактных устройствах абсорбера (насадка АВР) происходит интенсивное взаимодействие фаз, в результате чего сероводород переходит из газовой фазы в жидкую. Очищенный от сероводорода газ покидает верхнюю часть абсорбера и поступает в сепаратор С-1, где из него сепарируется унесенный газом абсорбент. Качество очищенного газа регулируется подачей абсорбента (контур I), с контролем его температуры, расхода и содержанием сероводорода. Уровень сконденсированного абсорбента в сепараторе С-1 регулируется системой контроля уровня в сепараторе (контур III). Давление в системе абсорбер К-1 - сепаратор С-1 регулируется контуром IV, открытием или закрытием клапана на линии вывода очищенного газа с установки. Также контролируется расход и температура этого газа. Насыщенный сероводородом абсорбент выходит из нижней части абсорбера. Уровень жидкости в кубе абсорбера регулируется контуром П. Так как реакция поглощения сероводорода из газа является экзотермической, то насыщенный абсорбент имеет повышенную температуру (45-НЮС). Далее раствор за счет тепла регенерированного абсорбента, поступающего из нижней части десорбера К-2 в теплообменник Т-1, нагревается до температуры 128С. Для управления и регулирования процесса десорбции между теплообменником Т-1 и входом насыщенного раствора в десорбер предусмотрен паровой нагреватель Т-2, с контуром регулирования подачи пара по температуре насыщенного абсорбента в десорбер (контур VIII). Насыщенный абсорбент, стекая сверху вниз, последовательно проходит секции массообмена и нагрева водяным паром. В нижней части десорбера К-2 производится дополнительная регенерация раствора подачей водяного пара во встроенный теплообменник. Температура в кубе десорбера регулируется контуром подачи водяного пара. Регулирование производится по температуре в кубе (контур VI). В процессе стекания раствора сверху вниз из него, под действием нагрева, выделяются сероводород и водяные пары. Смесь этих паров, а также незначительное количество паров моноэтаноламина и диэтиленгликоля поступают в отбойную секцию с водяным охлаждением, где протекают процессы охлаждения газа за счет стекающего водяного конденсата, абсорбция паров моноэтаноламина и диэтиленгликоля, что уменьшает их потери в процессе эксплуатации установки, и отбор излишнего количества воды из десорбера. Уровень жидкости в десорбере регулируется контуром VI. Охлажденные и обедненные моноэтаноламином и диэтиленгликолем кислые газы поступают в сепаратор С-2. В сепараторе происходит выделение из газов остатков конденсата. Уровень конденсата в сепараторе С-2 регулируется контуром регулирования V. Кислые газы из верхней части сепаратора с температурой 35-45С уходят на свечу сгорания или на установку их утилизации. Регенерированный раствор абсорбента с температурой 150С из нижней части десорбера насосом Н-1 подается непосредственно в рекуперационный теплообменник Т-1, пройдя который, он, охлаждаясь до температуры 35С в холодильнике Х-1, поступает в верхнюю часть абсорбера К-1. Далее цикл насыщения и регенерации раствора кислыми газами повторяется. Система управления технологическим процессом также контролирует процесс аварийного отключения в случае превышения технологических параметров или условий на установке заданных пределов или при ручном вмешательстве. В этом случае подача сырья в технологический процесс отключается, и установка изолируется при помощи блокирующего клапана, с перепуском газа на факел. Рассмотренная система автоматического управления использована в про--ектировании малогабаритной блочной установки сероочистки и осушки попутного нефтяного газа для Красноярской ТХУ ОАО «Самаранефтегаз».
