Способ и система регенерации водного растворителя

СПОСОБ И СИСТЕМА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДНОГО РАСТВОРИТЕЛЯ В изобретении водяной пар для использования в качестве отпаривающей среды в регенераторе извлекают из части кубового продукта регенератора с использованием первапорационного устройства. В наиболее предпочтительных аспектах часть выбирают так, чтобы поддерживать нейтральный водный баланс в отпарной колонне для желательного уровня регенерации.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЛУОР ТЕКНОЛОДЖИЗ КОРПОРЕЙШН (US) Настоящая заявка испрашивает приоритет находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявки США с серийным номером 61/029536, которая была подана 18 февраля 2008 г. и принадлежит тем же заявителям. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к конфигурациям и способам регенерации растворителей, в частности паровой регенерации растворителей на основе аминов. Уровень техники В технологии известны разнообразные конфигурации и способы удаления кислого газа из технологического газа (например, разнообразные дистилляционные, адсорбционные и абсорбционные способы),среди них часто используют системы "регенератор-абсорбер" в качестве относительно надежной и экономичной системы очистки газа. В типичной системе "регенератор-абсорбер" технологический газ приводят в контакт в абсорбере в противоточном режиме и кислый газ (или другой нежелательный газообразный компонент), по меньшей мере частично, поглощается обедненным химическим растворителем для получения обогащенного растворителя и очищенного технологического газа. Образованный таким образом обогащенный растворитель затем нагревают в теплообменнике с перекрестным током и после этого отпаривают при относительно низком давлении в регенераторе с использованием водяного пара. Отпаренный таким образом растворитель (то есть обедненный растворитель) затем охлаждают в теплообменнике с перекрестным током для снижения температуры обедненного растворителя перед завершением рециркуляции обратно в абсорбер. Поэтому системы "регенератор-абсорбер" обычно обеспечивают возможность непрерывной работы при относительно невысоких затратах. Для повышения производительности удаления диоксида углерода в таких системах может быть повышена температура в регенераторе. Однако степень оптимизации этого процесса часто ограничена повышенной коррозионной активностью и разложением растворителя. Кроме того, повышение рабочей температуры часто будет вести к возрастанию эксплуатационных расходов. И сверх того, и в особенности там, где нужно удалять относительно большие количества диоксида углерода, зачастую требуются значительные количества водяного пара в регенераторе для получения достаточно обедненного растворителя. Однако получение больших количеств водяного пара часто является дорогостоящим. И что еще хуже, когда используют острый пар от внешнего источника, водный баланс процесса часто нарушается и требуется удаление избыточной воды. Таким образом, по-прежнему существует потребность в усовершенствовании конфигураций регенератора растворителя и способов регенерации для сокращения энергопотребления, в то же время при сохранении желательной производительности. Сущность изобретения Настоящее изобретение направлено на конфигурации и способы регенерации растворителя и в особенности на извлечение и повторное использование водяного пара из водного растворителя с использованием одного или более первапорационных устройств. Во многих типичных аспектах предмета изобретения растворитель включает воду и по меньшей мере один органический и/или неорганический реагент,который пригоден для улавливания (адсорбции или абсорбции) и извлечения желательного компонента. В таких случаях по меньшей мере некоторая часть желательного компонента высвобождается в регенераторе обычно с помощью некоторой комбинации энергии (такой как теплота) и/или пониженного давления. В одном особенно предпочтительном аспекте предмета изобретения способ регенерации растворителя (типично на основе аминов) включает стадию отпаривания растворителя в регенераторе с использованием водяного пара в качестве отпаривающей среды для получения верхнего погона регенератора и кубового продукта регенератора. В последующей стадии по меньшей мере часть кубового продукта регенератора пропускают через первапорационное устройство для получения паровой фазы, которая обогащена водяным паром, и в еще одной стадии паровую фазу подают в регенератор для подведения тем самым по меньшей мере части отпаривающей среды. Если взглянуть с другой позиции, то обсуждается способ подведения водяного пара в паровой регенератор, в котором регенератор скомпонован для получения кубового продукта регенератора из водного растворителя. В таких способах часть кубового продукта регенератора пропускают через первапорационное устройство, чтобы таким образом образовать паровой пермеат, и полученный тем самым паровой пермеат затем подают в паровой регенератор. В основном является предпочтительным, чтобы давление части кубового продукта регенератора было повышено выше по потоку относительно первапорационного устройства и/или чтобы ниже по потоку относительно первапорационного устройства действовал вакуумный блок для создания градиента давления в пределах первапорационного устройства. Там, где это желательно, паровая фаза может быть подвергнута сжатию перед подачей паровой фазы в регенератор (например, с использованием компрессора или эжектора). Альтернативно, от компрессора можно также отказаться там, где пермеат уже находится под давлением, равным или превышающим давление в регенераторе. Далее предполагается, что количество кубового продукта регенератора может варьировать в зависимости от эксплуатационных ус-1 021823 ловий, желательной степени регенерации, однако в особенности предпочтительно, что часть кубового продукта регенератора выбирают так, что количество водяного пара в паровой фазе равно количеству водяного пара, необходимому для регенерации растворителя в регенераторе до желательной степени. В некоторых аспектах часть кубового продукта регенератора будет составлять между 10 и 40 об.%, более типично между 40 и 70 об.% и наиболее типично между 70 и 100 об.% от общего количества кубового продукта регенератора. Поэтому в регенераторе может поддерживаться нейтральный водный баланс. Без намерения ограничивать предмет изобретения, в общем, предпочтительно, что еще одну часть кубового продукта регенератора объединяют с ретентатом из первапорационного устройства с образованием объединенного обедненного растворителя, который обычно подают в абсорбер для получения обогащенного растворителя, который затем возвращают обратно в регенератор. Следовательно, в еще одном дополнительном аспекте предмета изобретения рассматривается система регенерации растворителя, которая включает паровой регенератор, который скомпонован для возможности использования водяного пара в качестве отпаривающей среды, чтобы получать таким образом верхний погон регенератора и кубовой продукт регенератора. Затем обеспечивают сообщение по текучей среде первапорационного устройства с паровым регенератором для возможности подачи по меньшей мере части кубового продукта регенератора в первапорационное устройство, чтобы получать тем самым паровую фазу, которая обогащена водяным паром, причем первапорационное устройство дополнительно скомпоновано так, чтобы обеспечивать подведение паровой фазы в регенератор для подачи тем самым по меньшей мере части и предпочтительно всей отпаривающей среды. В основном предпочтительно, что такие системы дополнительно включают насос, который находится выше по потоку относительно первапорационного устройства и сообщается с ним по текучей среде, и вакуумный насос, который расположен ниже по потоку относительно первапорационного устройства и сообщается с ним по текучей среде, чтобы создавать градиент давления в пределах первапорационного устройства. Дополнительно или альтернативно, компрессор может сообщаться по текучей среде с первапорационным устройством, чтобы создавать паровую фазу как сжатый поток к паровому регенератору. Альтернативно, может быть преимущественным организовывать работу на стороне пермеата в первапорационной системе при давлении регенератора так, что компрессор не понадобится. Наиболее типично рассматриваемые системы также будут включать трубопровод для объединения ретентата из первапорационного устройства с еще одной частью кубового продукта регенератора, которую затем подают в абсорбер для получения обогащенного растворителя для регенерации в регенераторе. Разнообразные предметы, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Краткое описание чертежа Чертеж представляет примерную схему одной рассматриваемой регенерационной системы. Подробное описание Авторы настоящего изобретения обнаружили, что водяной пар для использования в качестве отпаривающей среды в регенераторе для растворителя и в особенности водного химического растворителя может быть извлечен из части обедненного растворителя с использованием первапорационного устройства. Извлеченный таким образом водяной пар затем вновь вводят в регенератор, обычно после сжатия до надлежащего давления. В особенности следуетиметь в виду, что часть обедненного растворителя может быть выбрана так, что регенератор имеет нейтральный водный баланс для любой желательной степени регенерации растворителя. Такие конфигурации и способы будут преимущественно сокращать энергозатраты, связанные с необходимыми в противном случае производством и конденсацией водяного пара для регулирования водного баланса регенератора. Наиболее типично растворитель представляет собой водный растворитель, включающий воду и по меньшей мере один органический и/или неорганический реагент, который пригоден для улавливания (адсорбции или абсорбции) и извлечения желательного компонента (типично кислого газа, такого как CO2 и/или H2S), и желательный компонент, по меньшей мере частично, высвобождается в регенераторе с помощью некоторой комбинации энергии (например, теплоты) и/или снижения давления. Как используемый здесь, термин "первапорационное устройство" относится к системе, в которой жидкий сырьевой материал подают на мембрану, в которой мембрана предназначена для отделения парового пермеата (компонента, проходящего через мембрану) от жидкого ретентата. В одном особенно предпочтительном аспекте водяной пар для отпаривания растворителя в регенераторе выводят по меньшей мере из части регенерируемого растворителя с использованием системы разделения, которая преимущественно (то есть с селективностью выше 50%) и более предпочтительно селективно (то есть с селективностью выше 90%) отделяет воду от органического компонента растворителя. В особенно предпочтительных аспектах система разделения представляет собой первапорационную систему, в которой мембрана обеспечивает селективную проницаемость для воды и растворитель представляет собой водный раствор амина. Например, пригодные амины включают разнообразные алканоламины, такие как моноэтаноламин (МЕА), диэтаноламин (DEA), метилдиэтаноламин MDEA и т.д., или другие амины, такие как диизопропиламин (DIPA) или дигликольамин (DGA). Например, чертеж схематически изображает предпочтительную конфигурацию 100, в которой регенератор 110 скомпонован для приема из абсорбера (не показан) потока 111 обогащенного растворителя и для создания потока 112 верхнего погона регенератора, типично содержащего СО 2 и/или H2S. Абсорбер также производит поток 114 кубового продукта регенератора (то есть регенерированного водного растворителя). Десорбцию CO2 и/или H2S в регенераторе производят по большей части с помощью отпаривающей среды 144, обычно водяного пара, которую вводят вблизи дна регенератора 110. Поток 112 верхнего погона регенератора охлаждают в конденсаторе 172 верхнего погона общепринятым способом и сконденсированную воду отделяют в барабанном сепараторе 150 верхнего погона и возвращают в регенератор 110 через трубопровод 154 и насос 132 для орошения колонны. Поток 152 кислого газа направляют в надлежащее место (например, H2S на установку Клауса или СО 2 для EOR (Enchanced Oil Recovery, повышение нефтеотдачи закачиванием газа в пласт) или на депонирование). Кубовый продукт 114 регенератора затем разделяют на первую часть 114 А, которую подают в первапорационное устройство 120, тогда как вторую часть 114 В направляют в абсорбер в качестве регенерированного (обедненного) растворителя. Если требуется, первую часть 114 А охлаждают в охладителе 170 до требуемой температуры (например, между 40-90 С) и закачивают в насос 130 до надлежащего давления (например, между 1-5 бар (0,1-0,5 МПа), более типично между 5-30 бар (0,5-3,0 МПа) и наиболее типично между 1 и 50 бар (0,1-5,0 МПа. Однако следует отметить, что охладитель может не потребоваться, так как охлаждение преимущественно используют для защиты мембраны первапорационного устройства. При необходимости может быть использован вакуумный насос 140 на стороне пермеата первапорационного устройства 120, чтобы способствовать созданию надлежащего градиента давления на первапорационной мембране. Следует отметить, что в отличие от общепринятого применения пермеат не конденсируют. Таким образом, в основном является предпочтительным, чтобы паровой пермеат из первапорационного устройства затем доводили до давления регенератора с помощью компрессора (или эжектора) 142, если требуется, и вводили в регенератор 110 в качестве отпаривающей среды. Пусковой и/или дополнительный водяной пар может быть подан в регенератор 110 через трубопровод 146, хотя этот поток, в общем, сводят к нулю во время нормального эксплуатационного режима. Ретентат из первапорационного устройства подают в абсорбер в виде потока 122, который наиболее предпочтительно объединяют со второй частью 114 В для образования объединенного потока 114 С обедненного растворителя. В особо обсуждаемом аспекте предмета изобретения расход потока первой части растворителя, который подают на первапорационную мембрану, зависит от паровой нагрузки регенератора и производительности мембраны. Более предпочтительно паровую нагрузку ограничивают так, чтобы в регенераторе достигалась желательная степень удаления кислого газа из растворителя, так как введение повышенного количества водяного пара приводит к избыточному отпариванию растворителя с возрастанием эксплуатационных расходов. Как только определена паровая нагрузка, величину расхода потока регенерированного растворителя, который подают на мембрану, регулируют таким образом, что скорость удаления воды равна необходимому удельному расходу пара, который типично будет зависеть от типа мембраны,градиента давления на мембране и концентрации растворителя. Следует понимать, что в этой ситуации водный баланс всей установки в целом не нарушается действием устройства с первапорационной мембраной. Таким образом, когда две части (то есть ретентат и вторая часть) обедненного растворителя вновь смешивают выше по потоку относительно абсорбера, будет достигаться правильный состав растворителя. Например, при мембране с относительно высокой скоростью удаления воды потребовалась бы меньшая часть потока регенерированного растворителя, чем для мембраны с меньшей скоростью удаления воды. Чтобы свести к минимуму эксплуатационные затраты и капиталовложения, в общем,предпочтительно минимизировать величину расхода потока регенерированного растворителя через мембрану для данного желательного удельного расхода пара. Конечно, следует отдавать себе отчет в том, что соотношение величин расхода потока первой и второй части регенерированного растворителя будет зависеть от многочисленных факторов, и специалист с обычной квалификацией в этой области технологии без труда способен выяснить надлежащее соотношение величин расхода потоков. Без намерения ограничивать предмет изобретения, типично является предпочтительным, чтобы вся паровая нагрузка регенератора в целом обеспечивалась первапорационным устройством. Однако в менее предпочтительных аспектах первапорационное устройство может быть использовано в дополнение к потоку водяного пара или другой регенерационной среды, которую генерируют в источнике, ином, нежели обедненный растворитель (например, типичном кипятильнике,нагреваемом паром). Также следует иметь в виду, что могут существовать определенные эксплуатационные условия, где может быть заимствован извне дополнительный водяной пар (например, во время пускового режима). Следует понимать, что среди прочих преимуществ вышеописанных системы и способов прямое введение водяного пара в колонну регенератора представляет собой эффективный метод введения в систему энергии, необходимой для высвобождения захваченного компонента из растворителя. Однако любое введение водяного пара приводит к добавлению воды в систему растворителя, которая должна быть впоследствии удалена для сохранения состава растворителя. Представленные здесь конфигурации и спо-3 021823 собы предлагают уникальное решение этой проблемы. Воду удаляют из водного растворителя, выходящего из нижней части регенератора, с использованием первапорационного разделения, где пермеат более насыщен водой, которая уже находится в паровой фазе. Этот паровой поток пермеата затем подвергают сжатию до давления регенератора и вновь вводят в нижнюю часть регенератора. Такой водяной пар, полученный внутри установки, затем используют для регенерации растворителя, конденсируют в колонне или в конденсаторе верхнего погона и возвращают в колонну в виде флегмы. Сконденсированную воду опять отделяют от растворителя на первапорационной мембране. Следовательно, следует понимать, что в то время как в регенератор добавляют свежий водяной пар, внешние источники воды или водяного пара не требуются, тем самым поддерживается нейтральный водный баланс для регенератора. В зависимости от эксплуатационных условий регенератора разнообразные модификации могут быть реализованы для упрощения процесса диффузионного испарения и для сохранения преимуществ данной системы. Например, там, где растворитель имеет относительно высокую температуру, один или более охладителей, теплообменников (например, с использованием охлаждающей жидкости или обогащенного растворителя) могут быть использованы для снижения температуры обедненного растворителя до температуры, которая уменьшает опасность повреждения мембраны первапорационного устройства. С другой стороны, там, где температура обедненного растворителя относительно низка, один или более источников тепла могут подводить теплоту к части обедненного растворителя. Подобным образом, там,где рабочее давление регенератора является относительно низким (то есть ниже давления, пригодного для работы первапорационной мембраны), может быть применен насос для повышения разности давлений на мембране. Альтернативно или дополнительно, вакуумный насос может быть соединен с паровой стороной первапорационного устройства для облегчения или усиления отделения водяного пара от обедненного растворителя. Наиболее типично, конфигурации регенератора для регенерации растворителя,поглотившего кислый газ, будут включать по меньшей мере один вакуумный блок (установку) ниже по потоку относительно первапорационного устройства для обеспечения надлежащего градиента давления и выделения водяного пара. В отношении подходящих первапорационных устройств следует иметь в виду, что существуют разнообразные первапорационные устройства, известные в технологии, и все из них представляются пригодными для применения в связи с приведенными здесь инструкциями. Однако является в особенности предпочтительным, чтобы первапорационное устройство включало мембранную систему, которая проницаема для воды/водяного пара и почти не проницаема для органических растворителей. Например,одна пригодная первапорационная система описана в патенте США 5051188, который включен здесь ссылкой. Дополнительные известные применимые мембранные системы включают такие, которые описаны в патентах США 5248427, 5707522, 7166224, 6755975 и в патентной заявке США 2008/0099400, все из которых включены здесь ссылкой. В дополнительных обсуждаемых аспектах предмета изобретения следует отметить, что представленные здесь конфигурации и способы могут быть также применены в системах, иных, нежели регенерация растворителей на основе аминов, и считаются пригодными все системы, в которых водяной пар может быть извлечен из технологического потока с использованием первапорационных систем. Такой водяной пар мог бы быть использован в качестве отпаривающей среды в качестве реактанта или растворителя в реакции или в качестве движущей текучей среды в схеме генерирования электроэнергии. Поэтому пригодные текучие среды, которые подаются в первапорационное устройство, не должны быть ограничены поглощающими кислый газ растворителями, но могут включать все водные растворы, используемые в отмеченных выше процессах. Следовательно, первапорационное устройство может быть скомпоновано разнообразными вариантами, в том числе в виде последовательных или параллельных блоков,имеющих одинаковую или разную проницаемость. Более того, предполагается, что первапорационное устройство может быть также использовано в системах, где воду нужно удалять из водной технологической текучей среды (например, химической реакции, в которой образуется избыточная вода), в которой текучая среда предпочтительно находится при относительно высоком давлении (например, по меньшей мере 5 бар (0,5 МПа. Вода затем может быть удалена в форме водяного пара, который может быть затем использован как водяной пар низкого давления. Таким образом, были представлены конкретные варианты осуществления и применения регенерации растворителя при сниженной паровой нагрузке. Однако квалифицированным специалистам в этой области технологии должно быть ясно, что многообразные модификации, кроме уже описанных, возможны без выхода за пределы приведенных здесь концепций изобретения. Поэтому предмет изобретения не ограничен ничем, кроме как смыслом прилагаемых пунктов формулы изобретения. Более того, при интерпретации как описания, так и пунктов формулы изобретения все термины должны пониматься в самом широком возможном смысле, соответствующем контексту. В частности, термины "включает" и"включающий" следует понимать как имеющие отношение к элементам, компонентам или стадиям в неисключительном плане, показывая, что указанные элементы, компоненты или стадии могут присутствовать, или быть применены, или объединены с прочими элементами, компонентами или стадиями, которые не названы явным образом. Более того, там, где определение или использование термина в литера-4 021823 турном источнике, который включен здесь ссылкой, не согласуется с приведенным здесь определением этого термина или противоречит таковому, применяется указанное здесь определение этого термина и определение этого термина в литературном источнике неприменимо. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ регенерации водного растворителя, включающий этапы, на которых отпаривают водный растворитель в регенераторе с использованием водяного пара в качестве отпаривающей среды для получения верхнего погона регенератора и регенерированного водного растворителя в качестве кубового продукта регенератора; повышают давление части кубового продукта регенератора выше по потоку от первапорационного устройства; пропускают по меньшей мере часть кубового продукта регенератора через первапорационное устройство для получения паровой фазы, которая обогащена водяным паром; сжимают паровую фазу и подают сжатую паровую фазу в качестве отпаривающего водяного пара в нижнюю часть регенератора для подачи тем самым по меньшей мере части отпаривающей среды. 2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, на которой приводят в действие вакуумный блок ниже по потоку от первапорационного устройства для создания градиента давления в первапорационном устройстве. 3. Способ по п.1, в котором стадия сжатия паровой фазы включает применение компрессора или эжектора. 4. Способ по п.1, в котором часть кубового продукта регенератора выбирают так, что количество водяного пара в паровой фазе равно количеству водяного пара, необходимому для регенерации растворителя в регенераторе до желательной степени. 5. Способ по п.1, в котором часть кубового продукта регенератора составляет между 70 и 100 об.% от общего количества кубового продукта регенератора. 6. Способ по п.1, в котором растворитель представляет собой растворитель на основе аминов. 7. Система регенерации водного растворителя для реализации способа по п.1 регенерации водного растворителя, включающая паровой регенератор, который выполнен с возможностью использования водяного пара в качестве отпаривающей среды для получения верхнего погона регенератора и кубового продукта регенератора,содержащего водный растворитель; насос, который расположен выше по потоку от первапорационного устройства и сообщается с ним по текучей среде для получения кубового продукта регенератора под давлением; первапорационное устройство, находящееся в сообщении по текучей среде с паровым регенератором для подачи по меньшей мере части кубового продукта регенератора под давлением в первапорационное устройство для производства паровой фазы, которая обогащена водяным паром, причем первапорационное устройство выполнено с возможностью селективного отделения воды от органического компонента; компрессор, сообщающийся по текучей среде с первапорационным устройством и выполненный с возможностью подачи паровой фазы в виде сжатого потока через трубопровод в паровой регенератор,причем трубопровод находится в сообщении по текучей среде с первапорационным устройством и выполнен с возможностью подачи сжатой паровой фазы в нижнюю часть регенератора, чтобы тем самым подавать по меньшей мере часть отпаривающего водяного пара. 8. Система регенерации по п.7, дополнительно включающая вакуумный насос, находящийся ниже по потоку от первапорационного устройства и который сообщается с ним по текучей среде, для создания градиента давления в первапорационном устройстве. 9. Система регенерации по п.7, дополнительно содержащая трубопровод, который обеспечивает объединение ретентата из первапорационного устройства и еще одной части кубового продукта регенератора. 10. Способ подведения водяного пара в паровой регенератор, который выполнен с возможностью производства кубового продукта из водного растворителя, включающий стадию, на которой пропускают часть кубового продукта регенератора через первапорационное устройство для формирования парового пермеата, причем первапорационное устройство выполнено с возможностью селективного отделения воды от органического компонента, и подают паровой пермеат из первапорационного устройства к компрессору и из компрессора в паровой регенератор в качестве отпаривающей среды. 11. Способ по п.10, в котором часть выбирают так, чтобы обеспечить возможность работы без необходимости во внешнем источнике воды или пара. 12. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию, на которой объединяют еще одну часть кубового продукта регенератора с ретентатом из первапорационного устройства для образования объединенного обедненного растворителя. 13. Способ по п.12, дополнительно включающий стадию, на которой подают объединенный обед-5 021823