Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность науке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным спе циалистом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
11.7. Переработка нефтяного попутного газа (НПГ) Классификация способов разделения Основные способы выделения целевых углеводородов из НПГ или при- родных газов – этот низкотемпературная конденсация (НТК), низкотемператур- ная ректификация (НТР) и низкотемпературная абсорбция (НТА). Процесс низкотемпературной конденсации (НТК) наиболее широко рас- пространен в газовой промышленности при обработке конденсатосодержащих газов. Установки, предназначенные для извлечения из газа тяжелых углеводо- родов процессом НТК на промыслах, на практике принято называть установка- ми низкотемпературной сепарации (НТС). Процессы НТК (НТС) используются также в схемах установок низкотемпературной абсорбции (НТА) как их пред- варительная стадия. Процессы НТК и НТР состоят из следующих стадий: − компримирование газа до относительно высоких давлений: 3,5; 5,7 и 7,5 МПА; − осушка газа жидкими или твердыми поглотителями влаги; − последующее охлаждение сжатого и осушенного газа до низких тем- ператур в пределах от –10 до –100 °С; 209 − разделение образовавшейся газожидкостной смеси углеводородов на деэтанизированный конденсат (нестабильный газовый бензин или ШФЛУ) и несконденсировавшийся газ. Такое разделение может быть осуществлено на одноколонной или двухколонной установке; − разделение ШФЛУ на необходимые товарные углеводородные состав- ляющие. Три первоначальные стадии процесса − общие как для НТК, так и для НТР. Отличие между ними заключается в четвертой стадии. Если в схеме НТК в первую ректификационную колонну поступает только отсепарированный конденсат, то в схеме НТР в колонну поступает вся газожидкостная смесь. В установках НТА осуществляется поглощение газов и/или паров из газо- вых смесей жидкими поглотителями при отрицательной температуре (от –10 до –40 °С), причем газ и абсорбент подвергаются предварительному охлаждению обратными потоками газа и абсорбента, а также специальными хладоагентами. Абсорбцию проводят в вертикальном цилиндрическом аппарате − абсор- бере. Контакт между газом и абсорбентом происходит на барботажных тарел- ках, смонтированных внутри абсорбера, причем газ поднимается снизу вверх, а абсорбент стекает сверху вниз. Общая схема переработки нефтяных попутных газов Наиболее распространенной практикой в утилизации попутного газа яв- ляется доставка его по существующим трубопроводам на газоперерабатываю- щие заводы (ГПЗ). На ГПЗ производится разделение НПГ на углеводородные составляющие и переработка в ценное сырье для химической и нефтехимиче- ской промышленности. Переработка нефтяных попутных газов схематично изображена на рис. 31. Получаемый таким образом ШФЛУ и стабильный конденсат являются, в свою очередь, исходным сырьем для производства следующих продуктов: − сжиженных газов для коммунально-бытового потребления; − пропановой, изобутановой, бутановой, изопентановой, пентановой фракций, используемых в качестве сырья для нефтехимического сырья; 210 − дизельного топлива, авиакеросина, автомобильного бензина, раство- рителей, флотореагентов и котельного топлива. Рис. 31. Обобщенная схема переработки нефтяных попутных газов Так перерабатывается до 40 % российских НПГ. Большие объемы перера- батываемого газа и сосредоточение в одном месте нескольких технологических процессов позволяют добиться неплохих показателей по энергозатратам на единицу вырабатываемой продукции. Однако далеко не со всех источников можно доставить по трубопроводу НПГ до ближайшего ГПЗ или ближайшего уже существующего трубопровода в силу того, что строительство газопроводов для перекачки сырья сравнительно небольших объемов экономически нецеле- Подготовка газа Га з из с кв аж ин ы Газоперерабатывающий завод Ш ФЛУ С таби льн ы й газ ов ы й кон ден сат Э тан ов ая ф ра кци я С ух ой газ к ом му нал ьн о- бы тов ог о наз нач ен ия Э лем ен тарн ая с ера Осушка, филь- трация от ме- ханических примесей Отделение жидкости Извлечение тяжелых угле- водородов (УВ) Сепарация, очистка, ком- примирование, осушка отбензи- нивание, фрак- ционирование Фракционирование СП БТ СГ Б Сжижение ССО Г 211 сообразно. На сегодняшний день единственной альтернативой трубопроводной транспортировке НПГ является сжижение и разделение попутного газа на угле- водородные составляющие прямо в месте добычи. Для этих целей необходимо легко транспортируемое и монтируемое обо- рудование в блочно-модульном исполнении. Стоимость оборудования и его эксплуатационные затраты должны обеспечить окупаемость оборудования и получение прибыли за время жизни источника попутного газа. Разработанные много лет назад способы разделения попутных газов ис- пользуются как на ГПЗ, так и (в модернизированном виде) на малогабаритных установках переработки газа. Оценка эффективности инвестиционного проекта по утилизации попутного нефтяного газа в Кондинском районе (ХМАО-Югра, Россия) представлена в Приложении. Низкотемпературная абсорбция (НТА) Физическая сущность процесса абсорбции заключается в достижении равновесия между взаимодействующими потоками газа и жидкости за счет диффузии (переноса) вещества из одной фазы в другую. Движущая сила диф- фузии определяется при прочих равных условиях разностью парциальных дав- лений извлекаемого компонента в газовой и жидкой фазах. Если парциальное давление компонента в газовой фазе выше, чем в жидкой, то происходит про- цесс абсорбции (поглощение газа жидкостью). И наоборот: если парциальное давление компонента в газовой фазе ниже, чем в жидкой, происходит процесс десорбции (выделение газа из жидкости). Процесс разделения газа методом абсорбции производят в абсорбцион- ных и ректификационных аппаратах тарельчатого и насадочного типа. При наличии технологического контура абсорбер – десорбер можно организовать поглощение из газа соответствующих компонентов в абсорбере и выделение их в десорбере. Извлеченные из насыщенного абсорбента углеводороды отводят из верхней части десорбера и направляют на следующую ступень переработки. Регенерированный абсорбент отводят с низа десорбера и подают в абсорбер для повторного использования. 212 В настоящем разделе приводятся технологические схемы процессов, кото- рые используются для выделения целевых углеводородных продуктов из нефтяных и природных газов: − низкотемпературной абсорбции (НТА); − низкотемпературной конденсации (НТК); − низкотемпературной ректификации (НТР). На рис. 32 приведена типичная схема блока НТА для выделения из соста- ва исходного газа ШФЛУ. Исходный газ после предварительной очистки от капельной (свободной) жидкости и механических примесей компримируется, осушается до необходи- мой точки росы и подается под нижнюю тарелку абсорбера 1 (узлы сепарации, компримирования и осушки на схеме не показаны), на верхнюю тарелку пода- ют регенерированный абсорбент. В этом аппарате из газа извлекают целевые компоненты некоторое количество нежелательных углеводородов (метан, этан). С верха абсорбера 1 отводят сухой газ, с низа – насыщенный абсорбент, который представляет собой смесь тощего абсорбента с извлеченными углево- дородами. Сухой газ направляют потребителю, насыщенный абсорбент подают в питательную секцию абсорбционно-отпарной колонны (АОК) 2 (узел демета- Рис. 32. Типичная схема блока НТА: 1 – абсорбер; 2 – абсорбционно-отпарная колонна; 3 − десорбер; 4, 5 – регене- ративные теплообменники; 6, 8 – холодильники; 7 – воздушный (или водяной) холодильник; 9 – рефлюксная емкость; 10 – подогреватель 213 низации и деэтанизации). В АОК из насыщенного абсорбента удаляют легкие углеводороды (метан, этан). Для сокращения потерь пропана с сухим газом и обеспечения наиболее полной деэтанизации насыщенного абсорбента на верх- нюю тарелку АОК подают регенерированный абсорбент, а в нижнюю кубовую часть АОК подводят тепло. С верха АОК выводят сухой газ (метан + этан), с низа – насыщенный абсор- бент, который нагревают в теплообменнике 4 и подают в питательную секцию де- сорбера 3. С верха десорбера получают смесь пропан + высшие углеводороды. ШФЛУ конденсируется в воздушном или водяном холодильнике 7 и по- ступает в рефлюксную емкость 9, из которой часть ШФЛУ подают в качестве орошения на верхнюю тарелку десорбера 3, а избыток направляют на дальней- шую переработку (выделение необходимых фракций). Тепло в нижнюю часть десорбера 3 подводят за счет циркуляции абсорбента, стекающего с нижней та- релки десорбера через подогреватель 10. Регенерированный абсорбент выводят с низа десорбера 3, охлаждают в регенеративных теплообменниках 4, 5 и в хо- лодильниках 6, 8, после чего подают в абсорбер 1 и АОК 2. Далее ШФЛУ может быть разделено на необходимые углеводородные со- ставляющие. Низкотемпературная конденсация (НТК) Технологические схемы переработки попутного нефтяного газа по спосо- бу низкотемпературной конденсации (сепарации) могут классифицироваться по числу основных ступеней сепарации, виду источников холода, виду выпускае- мого целевого продукта. По числу ступеней сепарации современные схемы (НТК) можно разде- лить на одно-, двух- и трехступенчатые. На каждой ступени обязательно выво- дится жидкая фаза. По виду источников холода схемы НТК можно разделить на схемы с внешним холодильным циклом; с внутренним холодильным циклом; схемы, в которых источником холода являются и внешний, и внутренний холодильные циклы. Внешний холодильный цикл не зависит от технологической схемы и 214 имеет собственный хладоагент. В зависимости от вида хладоагента внешние холодильные циклы можно разделить на две группы: с однокомпонентным хладоагентом, с многокомпонентным (смешанным) хладоагентом, которым обычно является смесь легких углеводородов. Внешние холодильные циклы с применением двух и более однокомпонентных хладоагентов называются кас- кадными холодильными циклами. Во внутренних холодильных циклах холод получают за счет технологи- ческих потоков самой схемы переработки газа. Внутренний холодильный цикл можно разделить на группы: − с дросселированием технологических жидких потоков; − с узлом детандирования; холод и низкие температуры получают за счет термодинамически эффективного процесса изоэнтропийного расши- рения газа. В схемах НТК по переработке нефтяных попутных газов на первой сту- пени газ охлаждается до температуры порядка –30 °С, здесь применяют обычно пропановый холодильный цикл. На второй ступени для получения более низ- ких температур – дросселирование жидких потоков, получаемых в самом про- цессе, или детандирование частично отбензиненного газа. На рис. 33 приводится технологическая схема процесса НТК. Рис. 33. Технологическая схема процесса НТК: I – сырьевой газ; II – отбензиненный газ; III – этановая фракция; IV – деэтанированный бензин; V – водяной пар 215 Жирный газ, поступающий на установку НТК под давлением 3−4 МПа, сна- чала охлаждается в последовательной цепочке рекуперативных теплообменников 1−4 обратными потоками газа и конденсата, а затем дополнительно (испаряющи- мися пропаном или аммиаком) в испарителе 5 до температуры –20…–35 °С. Образовавшийся в результате умеренного охлаждения углеводородный конденсат отделяется от остаточного газа в сепараторе 6. Газ направляется в га- зопровод, а конденсат − в деэтанизатор 7. В конденсате будут преобладать высо- кокипящие углеводороды (С 3+ ). Однако в его составе будут метан и этан. Они отгоняются из углеводород- ного конденсата в деэтанизаторе 7. Пары орошения конденсируются в пропановом холодильнике 8, откуда газожидкостная смесь поступает в емкость 9. Жидкость орошения подается в колонну насосом 10, а продукт из верхней части колонны отводится в газовой фазе в магистральный этанопровод. Тепло подводится в нижнюю часть деэтанизатора через кипятильник 11. Теплоносителем является водяной пар. Деэтанизированный нестабильный газо- вый конденсат из нижней части колонны направляется потребителю. Метан и этан, если их концентрация (молярная) в выпавшем из нефтяного газа конденсате невелика (в сумме около 10 %), могут быть удалены в деэтани- заторе, работающем на холодном сырье без орошения. В этом случае холодный углеводородный конденсат непосредственно из сепараторов 6, минуя тепло- обменники 2 и 4, подается на вторую или третью (считая сверху) тарелку де- этанизатора. Режим колонны (деэтанизатора) в зависимости от состава углево- дородного конденсата регулируется изменением давления, температуры верхней и нижней частей колонны. Низкотемпературная ректификация (НТР) Процесс ректификации термодинамически более выгодный, чем процесс абсорбции. Схема НТР эффективнее НТА, а аппаратная реализация проще. Принципиальное отличие схемы НТР от схемы НТК – сырье, поступающее на установку, после охлаждения (всего или части сырьевого потока) без предвари- тельной сепарации подается в ректификационную колонну, где происходит 216 квалифицированное разделение сырого газа на сухой газ (уходит с верха ко- лонны) и ШФЛУ (уходит с низа колонны). В зависимости от принципиальной схемы процесса НТР основной узел технологической схемы – ректификацион- ные колонны – подразделяют на ректификационно-отпарные и конденсацион- но-отпарные. Ректификационно-отпарной называется колонна, в среднюю часть кото- рой подается предварительно охлажденный поток сырого газа. Энергетически схемы с ректификационно-отпарными колоннами выгоднее схем НТК. Конденсационно-отпарная колонна отличается от ректификационной тем, что разделяемая смесь подается в ней на верхнюю тарелку. Верхней укрепляющей частью в ней служит конденсатор-холодильник орошения внеш- него холодильного цикла. На рис. 34 представлена схема установки НТР. Процесс НТК по сравнению с процессом НТР имеет следующие преиму- щества: Рис. 34. Технологическая схема процесса НТР: 1 – деэтанизатор; 2 – пропановый холодильник; 3 – теплообменник; 4 – рефлюксная емкость; 5 – насос; 6 – кипятильник; I, II – сырьевой и отбензиненный газы; III – деэтанизированная ШФЛУ 217 − после сепаратора из системы выводится основная масса несконден- сировавшихся газов, которые в дальнейшем процессе на этой установке не участвуют, поэтому ректификационная колонна и другие аппараты имеют относительно небольшие размеры; − вследствие относительно небольшого содержания метана и этана в сы- рье деэтанизатора конденсацию паров орошения в холодильниках можно проводить при сравнительно высоких температурах (от –5 до –30 °С). К недостаткам схемы НТК следует отнести то, что сепарация конденса- та от газа происходит только после однократной конденсации, поэтому часть целевых компонентов теряется с остаточным газом. Для глубокого извлечения пропана и более тяжелых углеводородов по спо- собу НТК приходится вести процесс при относительно низких температурах, при которых в жидкую среду переходят большее количество целевых компонентов. При понижении температуры процесса конденсации выход конденсата повышается. Прежде всего, повышается степень извлечения из газа целевых уг- леводородов: пропана, изобутана и н-бутана. При понижении температуры в конденсате также увеличиваются концентрации метана и этана. Необходимо учитывать, что в процессах НТК и НТР максимального извлечения пропана можно достигнуть при одновременной конденсации значительного количества этана и метана. Для поддержания заданной температуры конденсации важно обеспечить нормальную работу теплообменной и холодильной аппаратуры. Прежде всего, необходимо, чтобы температура газа, поступающего из предыдущей стадии про- цесса (в частности, с установок осушки и очистки), не превышала значения, за- данного по технологической карте. Кроме того, газ должен быть осушен до определенной точки росы. При недостаточной осушке газа работа установок НТК и НТР может быть нарушена в результате образования гидратов, закупорки труб, забивки аппаратуры, арматуры и т.д. Для разрушения уже образовавшихся гидратов в систему НТК вводится метанол, который, вступая в контакт с гидра- том, образует спиртоводный раствор с низкой температурой застывания. Дол- жен быть тщательно осушен и пропан, циркулирующий в системе охлаждения. 218 Нормальная работа установки НТР зависит от устойчивости теплового режима деметанизатора. Недостаточное выпаривание метана в деметанизаторе (вследствие чрезвычайно низкой температуры в кубе колонны) и превышение заданной температуры верхней части детаэнизатора могут быть причиной уноса значительного количества пропана с несконденсировавшимися парами, отходя- щими с верхней части деэтанизатора. К этому может привести и повышение температуры в нижней части деэтанизатора. При понижении температуры в нижней части деэтанизатора увеличивается содержание этана в ШФЛУ. Способы разделения нефтяных попутных газов на целевые продукты Выбор технологии обработки газа определяется, в первую очередь, требуемой глубиной извлечения целевых компонентов (см. табл. 20). Таблица 20 Предпочтительные области применения различных технологических процессов Наименование процесса Глубина охла- ждения, °С Степень извлечения, % С 2 Сз С 4 Абсорбция без применения искусственного холода 10–45 25–30 40–60 60–80 НТА –40 30–40 90 97 НТС с использованием дроссель-эффекта –25 25–30 40–60 60–80 НТК с пропановым холодильным циклом –40 35–40 90 97 НТК с пропан-этановым холодильным циклом –80 60–80 95 99 НТК с пропановым и детан- дерным холодильным циклом –(80–90) 60–90 95 99 НТК с этан-этиленовым и де- тандерным холодильным цик- лом –120 85 95 99 Другим определяющим фактором является состав обрабатываемого газа. 219 При содержании в газе углеводородов С 3+ до 3 % мол. преимуществом об- ладает процесс НТА; при их содержании до 12,6 % оба процесса равнозначны. Для газа, содержащего 12,64 % углеводородов С 3+ по приведенным затра- там установки, НТА с трехступенчатой абсорбцией и НТК примерно одинаковы. Чем беднее газ по содержанию С 3+ , тем эффективнее процесс НТА по сравнению с НТК. Для более жирных газов процесс НТС неоспоримо выгоднее. |