Оптимизация режимно-технологических параметров нейтрализации серосодержащих примесей в системах промысловой очистки природных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Воронцов, Роман Александрович

• Воронцов, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронцов, Роман Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ

ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ОТ СЕРОВОДОРОДА.

1.1. Актуальность разрабатываемой проблемы.

1.1.2 Опасность сернистых соединений.

1.1.3 Техногенные воздействия углеводородных газов.

1.2. Требования к очистке малосернистых газов.

1.3. Оценка условий промысловой добычи и переработки природных газов.

1.4 Анализ технологий очистки углеводородных газов от сероводорода.

1.4.1. Хемосорбционные процессы очистки природного газа от сероводорода.

1.4.2.Процессы очистки газа с использованием физической абсорбции.

1.4.3.Процессы очистки газов с применением химических и физических абсорбентов.

1.4.4.Адсорбционные процессы.

1.4.5. Окислительные процессы очистки углеводородных газов от сероводорода.

1.4.6. Особенности аппаратурного оформления процессов очистки газов.

1.4.7 Основные тенденции перспективного развития методов очистки углеводородных газов.

Выводы по главе.

Глава 2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СОРБЕНТОВ-ОКИСЛИТЕЛЕЙ.

2.1. Методологические подходы и закономерности утилизации сероводорода из углеводородных газов.

2.2. Анализ окислительных свойств хроматов и гидроксида трехвалентного железа к сероводороду.

2.2.1. Анализ исследований окислительных свойств гидроксида трехвалентного железа.

2.2.2. Анализ исследований окислительных свойств хроматов.

2.3. Анализ процесса окисления сульфида железа и гидроксида хрома кислородом воздуха.

2.3.1. Анализ исследований процесса окисления сульфида железа кислородом воздуха.

2.3.2. Анализ исследований процесса окисления гидроксида хрома кислородом воздуха.

2.4 Оценка физико-химических свойств и подбор катализатора для поглотительного раствора утилизации сероводорода из углеводородного газа.

Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВА БИШОФИТНОГО ПОГЛОТИТЕЛЬНОГО РАСТВОРА ДЛЯ ЭКОЛОГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ УТИЛИЗАЦИИ СЕРОВОДОРОДА В ЭЛЕМЕНТАРНУЮ СЕРУ НА ОСНОВЕ РЕЖИМНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

3.1. Разработка состава поглотительного раствора.

3.2. Экспериментальное изучение очищающей способности окислительного поглотительного раствора.

3.3. Анализ работы СОУ на разработанном поглотительном растворе.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. АППАРАТУРНО-РЕЖИМНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ

ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

ОТ СЕРОВОДОРОДА БИШОФИТНЫМ ПОГЛОТИТЕЛЬНЫМ

РАСТВОРОМ В ПРОМЫСЛОВЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Обоснование режимных параметров эффективной реализации окислительного процесса очистки на основе интенсификации контакта газа с поглотительным раствором.

4.1.1 Общие закономерности гидродинамики формирования пенного слоя.

4.1.2 Закономерности теплообмена при контакте газа и жидкости в пенодинамическом слое.

4.1.3 Закономерности межфазного массобмена в пенодинамическом слое.

4.1.4 Зависимость степени обработки газа от кинетики процессов межфазного обмена в пенодинамическом слое.

4.1.5 Обобщение режимных параметров эффективной реализации окислительного процесса очистки.

4.2. Унификация схемы аппаратурного оформления газоочистной установки на основе использования инжекторно-пенных скрубберов-реакторов (ИПС).

4.2.1. Структура компоновочных схем модулированных установок.

4.3. Модификация аппаратурной схемы газоочистной установки на основе использования инжекторно-пенных скрубберов-реакторов (ИПС) для условий реализации окислительного процесса очистки.

4.4. Определение режимных условий эффективного поглощения сероводорода бишофитным поглотительным раствором и стабильной регенерации отработанного окислительного сорбента в реакторе ИПС.

4.4.1. Аппаратурное оформление и методика экспериментов.

4.4.2. Состав оборудования экспериментального стенда.

4.4.3. Методика проведения и оценки результатов экспериментов.

4.4.4. Гидродинамические характеристики образования пенодинамического слоя.

4.4.5 Охлаждение газа при контакте с жидкостью в пенодинамическом слое.

4.4.6 Массообмен при контакте газа с жидкостью в пенодинамическом слое.

4.4.7 Обобщение режимных условий эффективного поглощения сероводорода бишофитным поглотительным раствором и стабильной регенерации отработанного окислительного сорбента в реакторе ИПС.

4.5. Оценка условий эффективной (устойчивой) эксплуатации газоочистной установки на основе реакторов ИПС.

4.5.1 Технико-экономические показатели эксплуатации газоочистной установки на основе реакторов ИПС.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация режимно-технологических параметров нейтрализации серосодержащих примесей в системах промысловой очистки природных газов»

Актуальность проблемы. Рост цен на газовое топливо и дефицит разведанных месторождений природных газов с отсутствием сернистых примесей ставит в ряд важнейших задач очистку от кислых примесей (в частности, от сероводорода), делающих невозможным использование таких газов в качестве топлива, а также вызывающих загрязнение окружающей среды, коррозию технологического оборудования и разрушение строительных конструкций.

В тоже время на территории России, и в частности, Нижнего Поволжья, разведано и законсервировано много газовых, нефтегазовых, газоконденсатных серосодержащих месторождений. Однако разработка данных газовых и нефтегазовых месторождений без обеспечения их эффективным сероочистным оборудованием может стать источником серьезных экологических осложнений, т.к. только двадцать одно месторождение Нижнего Поволжья в составе углеводородного газа содержат сероводород, концентрация которого варьируется от 0,01 до 7,5 об %.

Экологическую опасность сероводорода в большей мере определяет продукт его сжигания (сернистый ангидрид), который оказывает активное техногенное воздействие на окружающую среду, народохозяйственные и природные объекты.

Основное количество сернистого ангидрида выбрасывается в атмосферу в результате сжигания серосодержащего топлива в котельных ЖКХ, теплоэлектростанциях и промышленных печах. В среднем по Российской Федерации ежегодно в атмосферу поступает более 20 млн. т. вредных веществ, треть которых приходится на диоксид серы. Это делает чрезвычайно актуальным поиск путей сокращения объемов сернистых выбросов и их нейтрализации.

Наиболее эффективным направлением решения данной проблемы является обеспечение предварительной очистки углеводородного газового топлива и перевод на него всех крупных потребителей энергии.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

Цель работы - разработка технологической схемы аппаратурного оформления очистки углеводородных газов от сернистых соединений для экологически безопасного газоснабжения объектов промышленности, строительства и коммунального хозяйства;

-снижение антропогенного воздействия на окружающую среду выбросов НгЭ и БОг на основе оптимизации окислительного бишофитного процесса селективной очистки углеводородных газов от сероводорода посредством повышения стабильности и эффективности утилизации сероводорода и повышения степени регенерации отработанного поглотительного раствора. Основные задачи работы:

-разработка технологических основ окислительного бишофитного метода очистки углеводородных газовых сред от сероводорода с применением вихреинжекци-онного способа смешивания взаимодействующих фаз;

-повышение технологической и экономической эффективности окислительного бишофитного процесса;

-разработка состава поглотительного раствора для эффективной конверсии сероводорода в элементарную серу в широком температурном диапазоне;

-снижение антропогенного воздействия НгЭ на окружающую среду за счет оптимизации условий воздействия на него абсорбционного окислительного метода.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные исследования, математическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПК.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов расчета и натурными данными. Научная новизна работы состоит в том, что:

-разработана унифицированная технологическая схема аппаратурного оформления окислительного процесса очистки углеводородных газов от сероводорода поглотительным раствором на основе природного бишофита в пенодинамиче-ском слое на основе модульных принципов агрегатирования в аппаратах ИПС;

-разработаны теоретические принципы создания эффективной технологии утилизации сероводорода из углеводородных газов бишофитным поглотителем путем вихреинжекционного смешивания газожидкостной системы для экологически безопасного газоснабжения объектов промышленности и коммунального хозяйства;

-экспериментально установлено, что использование соли хромовой кислоты в комплексе с природным бишофитом (в качестве катализатора) имеет наибольшую реакционную способность. Наибольшая степень утилизации сероводорода наблюдается при рН 6-9 ед и в интервале температур -10-и-55°С;

-экспериментально установлены технологические параметры регенерации отработанного окислительного сорбента поглотительного раствора, лежащие в области нейтральных и слабощелочных значений рН 6-9 ед и температурном режиме +20-^+50 °С;

-установлено, что эффективное достижение удовлетворяющих степеней извлечения сероводорода из обрабатываемого газа поглотительным раствором на основе бишофита и регенерации отработанного сорбента, может быть реализовано в инжекторно-пенных скрубберах (ИПС) при скорости газа \Л/г> 6 м/с посредством варьирования величины начального уровня жидкости в области значений Ь0 >0,0 м.

Практическая ценность работы:

-разработана эффективная технология очистки углеводородных газов от сернистых соединений, позволяющая вовлечь в разработку законсервированные серосодержащие месторождения для экологически безопасного газоснабжения объектов промышленности, строительства и коммунального хозяйства;

-разработан состав поглотительного раствора для утилизации сероводорода, содержащий активный сорбент хромовый ангидрид, выполняющий одновременно две задачи - сорбента окислителя сероводорода и ингибитора коррозии технологического оборудования газоснабжения - в среде раствора природного бишофита, обладающего каталитическими свойствами. Состав обладает способностью утилизировать сероводород с высокой эффективностью в температурном режиме -Ю-и-55 °С, с получением элементарной серы. На новый поглотительный раствор разработаны технические условия (ТУ 2165-003-00147507-2000 "Поглотительный раствор для очистки газов от сероводорода");

-внедрен окислительный поглотительный раствор сероводорода в промысловых условиях. Раствор показал высокую утилизирующую эффективность к сероводороду в сложных природных условиях, способность легко регенерироваться кислородом воздуха без изменения первоначального состава и без выделения токсичных и вредных веществ. При этом он отличается низкой температурой замерзания (до -40°С) и малой коррозионной активностью к технологическому оборудованию в системе газоснабжения.

Реализация результатов работы:

Внедрение выполненных работ позволило сократить выбросы и сжигание попутного нефтяного газа на факелах и использовать очищенный газ в производственных технологических нуждах и газоснабжении промышленных и коммунальных объектов.

Результаты работы вошли в руководящие документы:

Поглотительный раствор для очистки газов от сероводорода" ТУ 2165-00300147507-2000. Волгоград, 2000 г.

Себестоимость предлагаемого (нового) состава поглотительного раствора более, чем в 2 раза меньше ранее применяемого (известного). Эксплуатационные расходы только на химреагенты снижаются более чем на 4 тыс. руб./м3.

Материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВЭБ ВолгГАСА в курсах лекций, а также в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальностей "Теплогазоснабжение и вентиляция", "Инженерная защита окружающей среды".

На защиту выносятся:

-принципиальная схема аппаратурного оформления ресурсосберегающей технологии окислительного процесса очистки углеводородных газов от сероводорода поглотителем на основе раствора бишофита в пенодинамическом слое на основе модульных принципов агрегатирования;

-теоретические и экспериментальные результаты исследования физико-химических закономерностей утилизации сероводорода и процессов очистки серосодержащих углеводородных газов на основе бишофитного поглотителя в вихреин-жекционных пенодинамических реакторах;

-методика получения состава поглотительного раствора для утилизации сероводорода.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и получили одобрение на: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО "ЛУКОЙЛ" (г. Волгоград, 2001 г.); по итогам конкурса авторская работа "Утилизация попутных и факельных газов" была отмечена дипломом за второе место; на Х-ом юбилейном конкурсе молодежных разработок "ТЭК -2001" (г. Москва, 2001 г.); по итогам конкурса авторская работа "Бишофитовая технология очистки углеводородных газов от сероводорода" была отмечена дипломом за первое место; на 1-ой Международной конференции "Нефтегазоносность Казахстана" (г. Апматы-Атырау, 2001 г.); на XII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Тюмень, 2002 г.).

Публикации. Основное научное содержание работы изложено в 9 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Воронцов, Роман Александрович

Основные выводы по работе

На основе проведенных исследований:

1. Разработана принципиальная схема аппаратурного оформления ресурсосберегающей технологии окислительной бишофитной очистки углеводородных газов от сероводорода, в пенодинамических реакторах.

2. Разработан состав поглотительного раствора для утилизации сероводорода содержащий активный сорбент хромовый ангидрид, выполняющий одновременно две задачи: сорбента окислителя сероводорода и ингибитора коррозии технологического оборудования, в среде раствора природного бишофита, обладающего каталитическими свойствами. Состав обладает способностью утилизировать сероводород с высокой эффективностью в температурном режиме -10 -т- +55 °С, с получением элементарной серы. На новый поглотительный раствор разработаны технические условия (ТУ 2165-003-00147507-2000 "Поглотительный раствор для очистки газов от сероводорода").

3. Результатами экспериментальных исследований установлены определяющие зависимости регулируемых технологических факторов оптимизации и управления окислительными процессами очистки углеводородных газов от сероводорода разработанным поглотительным раствором на основе бишофита в пенодинамиче-ском слое.

4. Дано теоретическое обоснование возможности реализации, кинетических и основных технологических параметров окислительных процессов утилизации сероводорода из углеводородных газов в пенодинамических реакторах растворами на основе бишофита.

5. Экспериментально определены технологические параметры оптимального режима утилизации сероводорода разработанным окислительным раствором на основе бишофита в пенодинамических реакторах.

6. Экспериментально определены технологические параметры оптимального режима регенерации разработанного окислительного раствора на основе бишофита для процессов очистки углеводородных газов в пенодинамических реакторах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронцов, Роман Александрович, 2003 год

1. Агаев Г.А. Борьба с пенообразованием в процессе аминовой очистки природного газа. М., 1979. —33 с. (Сер. "Подготовка и переработка газа и газового конденсата": Обзор, информ. / ВНИИЭгазпром; Вып.З).

2. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. — Л.: Химия, 1975. — 320 с.

3. Алексеев Н.И., Кисин Д.А., Горелов В.Е. Совершенствование пенно-вихревого аппарата методом ФСА // Химическое и нефтяное машиностроение. 1988.-№ 4. - С. 15-17.

4. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М.: Металлургия, 1986. — 544 с.

5. Ахметшин Э.А., Мавлютов М.Р. Борьба с проявлением сероводорода при бурении скважин. М., 1978. - 38 с. - (Сер. "Бурение": Обзор, информ. / ВНИИОЭНГ).

6. Балабеков О.С., Балтабаев Л.Ш. Очистка газов в химической промышленности. Процессы и аппараты. — М.: Химия, 1991. — 256 с.

7. Беделл С.А., Кирби Л.Х., Буэнгер С.У., Макгоф М.С. Очистка газов при помощи хелатных комплексонов // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. -1988, № 1.

8. Беккер Р. Теория теплоты. — М.: Энергия, 1974. — 504 с.

9. Белевицкий А.М. Проектирование газоочистных сооружений. — Л.: Химия, 1990. —288 с.

10. Бердт Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974. -688 с.

11. Богатых С.А. Циклонно-пенные аппараты. Л.: Машиностроение, 1978.224 с.

12. Брайнес Я.М. Введение в теорию и расчёты химических и нефтехимических реакторов. — М.: Химия, 1976. — 232 с.

13. Бретшнаидер Б., Курфюст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнения. -Л.: Химия. Ленинградское отделение, 1989. -288 с.

14. Броунштейн В.В., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. — Л.: Химия, 1977. — 280 с.

15. Бутвел К.Ф., Кабик Д.Д., Зигмунд П.У. Очистка синтез-газа алкаламинами // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1982. - № 3. - С. 90 - 97.16