Тема № 4. ПОДГОТОВКА ГАЗА

Вопрос № 1. Общие сведения.

Существует следующая классификация углеводородных газов:

1. природные;

2. попутные;

3. техногенные.

Природные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы из газовых месторождений;

2. газы из газоконденсатных месторождений;

3. газы из газогидратных месторождений.

Попутные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы начальных ступеней сепарации;

2. газы средних ступеней сепарации;

3. газы конечных ступеней сепарации.

Техногенные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы нефтепереработки и нефтехимии;

2. газы углепереработки;

3. газы остальных технологических процессов.

Природные углеводородные газы из чисто газовых месторождений до 99 % об.состоят из метана и называются сухим (или тощим) газом, т.е. содержащим тяжелых углеводородов начиная с пропана < 150 г/м³ при ст.усл

Газы из газоконденсатных и газогидратных месторождений относятся либо к газам средней жирности (содержание С_3+высш от 150 300 г/м³ при ст.усл.), либо к жирным (богатым) газам (содержание С_3+высш > 300 г/м³ при ст.усл.).

Все попутные газы характеризуются повышенным (по сравнению с природными) содержанием тяжелых компонентов, относительная доля которых возрастает от начальных к конечным ступеням сепарации. И природные и попутные газы представлены только предельными (парафиновыми) компонентами.

Рассмотрение техногенных газов выходит за рамки нашего курса.

Помимо углеводородной составляющей (в том числе и жидко – капельной) и природные и попутные газы могут содержать азот, углекислый газ, сероводород, COS, CS₂, меркаптаны, тиофены, благородные газы, а также пары воды и механическую пыль (включая продукты коррозии и соли).

Существуют следующие пути утилизации углеводородных газов:

1. сжигание в факелах;

2. Использование для целей ППД, повышения конечного коэффициента нефтеизвлечения, доразработки нефтяных месторождений;

3. Создание подземных газовых хранилищ;

4. Откачка потребителям в качестве энергоносителя или технологического сырья.

Сжиганию в факелах в основном подвергается газ на начальных этапах разработки месторождений или при отсутствии потребителей, или, наконец, при отсутствии соответствующих трубопроводов и технологических мощностей по подготовке газа к транспортированию.

В настоящее время на долю попутного газа приходится примерно 30 % об.от его общего производства, причём, в факелах сжигается более 25 % от этого количества.

Использование углеводородов для технологических целей и создания подземных газовых хранилищ широкого распространения не получило.

Поэтому, основным путём утилизации газа является его откачка в качестве энергоносителя или технологического сырья потребителям среди которых первое место принадлежит газоперерабатывающим заводам (ГПЗ). При этом:

1. Если поставка газа осуществляется по магистральным газопроводам, то его качество регламентируется отраслевым стандартом ОСТ 51. 40 – 93 в соответствии с которым транспортируемый газ должен удовлетворять следующим требованиям, изложенным в табл.8.

Допускается поставка в отдельные трубопроводы газа с более высоким содержанием сероводорода и меркаптанов по согласованным в установленном порядке техническим условиям. Климатические районы определяются по ГОСТ 16350.

Для месторождений, введённых в эксплуатацию до 1983 г. показатели точки росы по влаге и углеводородам устанавливаются в технических условиях, разрабатываемых Генеральным Проектантом (ГП) и согласованных с РАО «Газпром».

Для газов, в которых содержание углеводородов С_5+высш £ 1 г/м³ ст.усл. точка росы по углеводородам не нормируется.

2. Если газ в незначительном количестве примешивается к уже существующему магистральному газопроводу, или поставляется конкретному потребителю по тупиковому трубопроводу, то требования к качеству газа устанавливаются в договорах между поставщиком и потребителем, исходя из конкретных условий.

3. Если газ поставляется непосредственно на ГПЗ без закачки в магистральные трубопроводы, то добывающая организация обычно подготавливает газ только исходя из условий обеспечения его доставки на завод. где

его качество и доводится до кондиции, соответствующей требованиям газотранспортных организаций.

Табл.8.

Требования к физико – химическим показателям углеводородных газов, предназначенных к

Магистральному транспорту.

3. Наконец, если газ подаётся непосредственно коммунально – бытовым потребителям, его качество регламентируется ГОСТ 5542 – 87 в соответствии с которым транспортируемый газ должен удовлетворять следующим требованиям (Табл.9.):

Табл.9.

Требования к физико – химическим показателям углеводородных газов, предназначенных для коммунально – бытовых потребителей

№ п.п.	Наименование показателей	Норма	Метод испытания
1.     2.   3.   4.   5.     6.   7.     8.	Теплота сгорания низшая (число Воббе), МДж/м3, ст. усл., не менее   Область значений число Воббе высшая, МДж/м3, ст. усл. Допустимое отклонение числа Воббе от номинального значения, %, не более Массовая концентрация H2S г/м3, не более, ст.усл. Массовая концентрация меркаптановой серы, г/м3, ст.усл., не более   Объёмная доля кислорода, % не более   Масса мех.примесей в 1 м3 газа ст.усл. (г), не более   Интенсивность запаха газа при объёмной доле 1 % в воздухе, не менее	31,8     41,2 – 54,5   5   0,02   0,036   1,0     0,001	ГОСТ 27193 – 86 ГОСТ 22667 – 82 ГОСТ 10062 – 75   ГОСТ 22667 – 82   -   ГОСТ 22387.2 – 83   ГОСТ 22387.2 – 83 ГОСТ 22387.3 – 77 ГОСТ 23781 – 83   ГОСТ 22387 – 77   ГОСТ 22387.5 – 77

По согласованию с потребителем допускается подача газа по отдельным газопроводам и с более высоким содержанием сероводорода и меркаптановой серы.

Точка росы по влаге в пункте сдачи должна быть ниже температуры газа.

Наличие в газе жидкой воды и углеводородов не допускается.

Поскольку ни один добываемый газ, как правило, не соответствует всем изложенным выше требованиям, добывающие организации вынуждены заниматься доведением газа до требуемых кондиций.

Подготовка углеводородного газа сводится к следующим нескольким процессам:

1. Очистка газа от механических примесей;

2. Осушка газа;

3. Очистка газа от агрессивных примесей;

4. Отбензинивание газа;

5. Одоризация газа;

6. Извлечение из газа особо ценных компонентов.

Вопрос № 2. Очистка газа от механических примесей.

Под механическими примесями в газе понимают аэрозольные системы с газовой дисперсионной средой и твёрдой дисперсной фазой.

Дисперсная фаза может быть охарактеризована концентрацией, дисперсностью, характером распределения частиц по радиусу и соответствующей плотностью.

Дисперсная среда описывается в основном плотностью и вязкостью.

Подобные системы не только способны перемещаться как единое целое, но и сохраняться в исходном состоянии достаточно долгое время.

В неподвижной газовой среде аэрозольные частицы поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собственному тепловому движению и в следствии обмена энергией с молекулами среды.

Энергия теплового движения для частиц любой массы, как известно, может быть оценена как:

(19)

где: - постоянная Больцмана;

- абсолютная температура.

При этом, если размеры частиц << , то для поддержания частиц во взвешенном состоянии достаточно одной энергии теплового движения; причём:

(20)

где: - масса частицы.

Если же , то для поддержания системы в равновесии необходима дополнительная энергия или извне, или получаемая за счёт соударения с молекулами среды.

Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта:

(21)

где: - концентрация газовых молекул;

- длина их свободного пробега.

Так вот, при < 10^-7 существенен лишь вклад теплового движения;

при > 10^-5 имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой;

при 10^-7 < < 10^-5 оба вклада соизмеримы.

В движущейся газовой среде частицам аэрозоля присущи 2 основные формы движения – увлечение дисперсионной средой и смещение относительно её. Поддержка частиц во взвешенном состоянии в этом случае определяется их инерционностью и характеризуется так называемым турбулентным числом Шмидта , равным отношению коэффициента диффузии частиц к коэффициенту турбулентной диффузии молекул среды .

Кроме энергии теплового движения частиц, обмена энергией между частицами и средой и энергии, поступающей извне, аэрозольные частицы могут поддерживаться во взвешенном состоянии за счёт градиентов температуры и концентрации. Возникающие при этом движения носят названия термо – и диффузио- фореза соответственно.

Однако, аэрозольные системы не могут существовать вечно. При прекращении поступления энергии извне, выравнивании температурных и концентрационных полей и установлении равновесия между тепловой энергией частиц и среды неизбежно начнется процесс самопроизвольного оседания частиц, не способных в силу своей массы удержаться во взвешенном состоянии за счет теплового движения при данных термобарических параметрах. Закон их седиментации описан ещё Стоксом в 1852 г и будет рассмотрен на практических занятиях. Например, в спокойном воздухе при стандартных условиях частицы песка размером 100 мкм оседают со скоростью 0,25 м/с; 10 мкм – 0,003 м/с; а 1 мкм – 0,00003 м/с.

При этом, принято различать 5 видов механизма осаждения взвешенных частиц:

1. Гравитационный: движущиеся частицы (обычно 40 – 550 мкм) выпадают из газа благодаря силе тяжести.

2.
Инерционный: частицы при обтекании некого тела (возможно с газовым потоком) за счет инерции отклоняются от общего потока и осаждаются на фронтальной поверхности обтекаемого тела.

3. Зацепление: частицы (обычно 1 – 3 мкм) при перемещении вместе с газовым потоком в относительной близости от обтекаемого тела приходят в соприкосновение с ним и прилипают к нему.

4.
Диффузионный: частицы (обычно < 0,1 мкм) в результате броуновского движения попадают на поверхность обтекаемого тела и прилипают к нему.

5.
Центробежный: частицы выводятся из вращающегося газового потока под действием центробежных сил.

Но даже если аэрозольная система состоит из частиц способных удержаться при данных термобарических параметрах во взвешенном состоянии данная система будет саморазрушаться, т.к. частицы способны самоукрупняться. Данный процесс носит название коагуляции. Так частицы < 0,1 мкм коагулируют практически мгновенно. Различают несколько видов коагуляции:

1. Броуновская – вызывается случайным столкновением частиц в следствии их беспорядочного теплового движения.

2. Градиентная – обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке.

3. Кинематическая – обусловлена различием скоростей движения частиц относительно среды.

4. Турбулентная и акустическая – обусловлена тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды.

При этом, на скорость коагуляции влияет наличие электрического заряда на частицах и наличие внешнего электрического поля. Аэрозольные частицы способны приобретать электрический заряд многими способами, например, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы. Наконец, частицы приобретают заряд при освещении, облучении, прохождении коронного разряда и т.п.

Размеры частиц в аэрозольных системах образующихся в природных и попутных газах характеризуются широким разнообразием. Диапазон размеров частиц колеблется от 0.01 до 1000 мкм и более.

Подобные частицы способны в следствии эррозии и загрязнения вывести из строя не только КИП и компрессоры, но даже трубопроводы и запорную арматуру. Именно поэтому нормативными документами и вводятся соответствующие ограничения.

Различают механические и электрические методы очистки газа от механических частиц.

Механические методы в свою очередь подразделяются на способы отстоя и фильтрования.

Наконец, различают отстой в сухих и мокрых условиях.

Перейдём к рассмотрению этих методов:

В методах сухого отстоя наибольшее распространение получили устройства в которых осаждение частиц происходит в следствии резкого изменения направления или скорости газового потока. Это прежде всего различные газовые сепараторы и циклоны. В них при незначительном гидравлическом сопротивлении (порядка 0,5 – 1,5 кП) улавливаются сравнительно крупные частицы с размерами 5 мкм. Причём, эффективность циклонов выше и для частиц с размерами 5 мкм степень извлечения достигает 40 – 70 %, а для частиц 20 мкм – 97 – 99 %. При этом, газовые сепараторы используются преимущественно 4 видов:

а) гравитационные – они наиболее просты, но в то же время наиболее металлоёмки и габаритны.

б) инерционные – в них под действием сил инерции поток посредством металлических отбойников разделяется на очищенный газ и частицы. Они более эффективны и компактны.

в) жалюзийные – снабжены наборами профилированных пластин.

г) центробежные сепараторы.

Мокрые методы отстоя основаны на контакте газового потока с промывной жидкостью (обычно водой или маслом) в аппаратах получивших название скруббера или масляного фильтра (особо эффективен так называемый скруббер Вентури). Во всех этих аппаратах жидкость используется многократно и обеспечивает остаточное содержание механических примесей до 10 мг/ м³ газа при гидравлических потерях от 3 – 5 до 20 – 30 кПа. В нефтяной промышленности наибольшее распространение получили масляные пылеуловители (рис.46):

Рис.46. Схема масляного пылеуловителя

Масляный пылеуловитель состоит из 3 секций: в нижней промывочной секции А в разделительную перегородку (5) вварены контактные трубки (6), на которых в нижней части имеется ряд продольных прорезей. Газ поступает в аппарат через патрубок 4, ударяется о козырёк (3), соприкасается с маслом и захватывая его, проходит с большой скоростью в контактные трубки. В средней (осадительной) секции Б скорость газа резко понижается, при этом, крупные капли масла с механическими частицами оседают и стекают по дренажным трубкам (10) вниз. Освобождённый от крупных механических примесей газ поступает в верхнюю каплеуловительную секцию В, где мелкие частицы пыли и масла (размером менее 0,25 мм) задерживаются специальной насадкой и тоже стекают вниз по дренажу (9). Очищенный газ уходит через патрубок (8). Загрязненное масло через патрубок (12) удаляют продувкой в отстойник, а затем по трубе (11) доливают очищенное масло. Продувку проводят по мере снижения уровня масла до контрольного уровня, но не реже 1 раза в месяц. Полностью удаляют масло через люк (1) 2 – 3 раза в год. Уровень масла контролируют по шкале 2. Расход масла не более 25 г на 1000 м³ газа. Масляные пылеуловители выпускают диаметром от 400 до 2400 мм; высотой от 5100 до 8800 мм на рабочее давление от 6 до 64 атм.

Лекция № 14

Очистка газа фильтрованием основана на прохождении газа через пористые перегородки, пропускающие газ, но задерживающие механические примеси. Метод высокоэффективен, т.к. способен уловить даже весьма тонкие фракции примесей с размерами частиц менее 1 мкм.

Различают следующие виды фильтров:

а) Рукавные. Они обеспечивают остаточное содержание примесей менее 10 мг/м³ газа при при гидравлическом сопротивлении до 1,3 кПа. Аппарат состоит из камеры и подвешенных в ней рукавов (с диаметром от 100 до 300 мм и длиной от 2 до 10 м) с заглушенным концом. Газ подаётся в рукова в которых и задерживается пыль. Пыль периодически удаляется либо обратной продувкой, либо встряхиванием. Фильтр состоит из нескольких секций, работающих попеременно. Рукава делают из тканевых и нетканных (войлок, фетр) материалов. Срок службы рукавов до 2 лет.

б) Зернистые. Различают так называемые насыпные и жесткие конструкции. Насыпные состоят из слоя песка, гальки, шлака или кокса с размерами зёрен 0,2 – 0,3 мм, толщиной слоя 0,1 – 0,15 м и сопротивлением 0,5 – 1,5 кПа. Они обеспечивают остаточное содержание механических примесей в газе порядка 20 мг/м³. Регенерируют их ворошением с вибровоздействием и обратной продувкой. Жесткие представляют собой патроны из керамики или металлокерамики. При гидравлическом сопротивлении от 0,1 до 6 кПа они способны обеспечить остаточное содержание механических примесей в газе менее 1 мг/м³. Регенерируются подобные конструкции обратной продувкой или с помощью промывных жидкостей.

в) Для улавливания высокодисперсных аэрозолей с суммарной концентрацией от 0,5 до 5 мг/м³ используют волокнистые фильтры с перегородками из тонких и ультратонких волокон, как правило, с диаметром волокон 1 – 2 мкм, нанесённых на марлевую подложку. И хотя подобные конструкции не подлежат регенерации, они способны обеспечить 100 % очистку газа при гидравлическом сопротивлении всего 0,8 – 1,5 кПа.

г) Для грубодисперсных систем, состоящих из капель и туманов, с диаметрами частиц свыше 10 мкм, применяют сетчатые фильтры – каплеуловители с пакетами из мелкоячеистых сеток. При скорости газового потока порядка 2 м/с пакет толщиной всего 0,1 м способен обеспечить 98 % -ую степень очистки газа с гидравлическими потерями всего 0,2 кПа. Для более дисперсных систем используют перегородки из стеклянных, синтетических или металлических волокон с диаметром 100 – 200 мкм для частиц крупнее 1 мкм, и диаметром 5 – 20 мкм для улавливания субмикронных частиц. В этом случае, степень очистки газа колеблется от 85 до 100 % при гидравлическом сопротивлении перегородок от 1 до 5 кПа. Все фильтры, улавливающие капли и туманы, работают в стационарном режиме саморегуляции благодаря самопроизвольному стеканию жидкости в результате коалесценции или её испарения.

Наконец, электрическая очистка газа основана на ионизации электрическим зарядом под действием постоянного тока напряжением до 90 кВ твёрдых и жидких частиц с последующим их осаждением на электродах в сухих или мокрых фильтрах, обеспечивающих остаточное содержание механических примесей 50 и 5 мг/м³ соответственно при гидравлических сопротивлениях не более 200 кПа.

Сравнительная характеристика всех рассмотренных выше методов представлена на рис.47.

Рис.47. Сравнительная характеристика методов очистки газа от механических примесей

Вопрос 3. Осушка газа.

Осушка газа производится для предотвращения образования жидкостных, ледяных и кристаллогидратных пробок в трубопроводах, улучшения условий работы компрессорного оборудования и понижения коррозионной активности газа.

Различают абсолютную и относительную влажность газа. Под абсолютной влажностью понимают массовое содержание воды в определённом объёме газа (обычно кг/1000 м³ при н.у.). Под относительной влажностью газа понимается отношение фактического содержания влаги в газе к максимально возможному при данных термодинамических условиях. Зависимость максимально возможного содержания влаги в газе W от термодинамических условий представлена на рис. 48.

Рис.48. Зависимость W от термодинамических условий

Причём, речь идёт исключительно о водяных парах. Из рис.48 видно, что с понижением давления и повышением температуры максимальное содержание водяных паров в газе возрастает. Температура, при которой газ становится полностью насыщенным водяными парами, при данном содержании влаги в газе, называется температурой точки росы газа по воде при данном давлении. При этом, под газом, насыщенном водяными парами, понимают газ с относительной влажностью равной единице. Каждая кривая на рис.48 представляет собой геометрическое место точек росы газа в зависимости от содержания в газе воды при постоянном абсолютном давлении. В зоне, расположенной выше соответствующей кривой, свободная вода имеется, в зоне ниже кривой – отсутствует. Влажность газа может быть определена с помощью:

1. Кулонометрических влагомеров и гигрометров;

2. Пьезосорбционных влагомеров и гигрометров;

3. Электросорбционных гигрометров;

4. Диэлькометрических влагомеров и гигрометров;

5. ЯМР – влагомеров;

6. Нейтронных влагомеров;

7. Гигрометров, основанных на измерении точки росы;

8. Психометров;

9. Оптических влагомеров и гигрометров.

При этом, отличие гигрометров от влагомеров состоит в том, что они предназначены исключительно для определения влажности газов, в то время как влагомеры могут использоваться и для определения влажности жидких и твёрдых субстанций.

Известно несколько способов осушки газа:

1. Вымораживанием;

2. С помощью абсорбции;

3. С помощью адсорбции.

Метод осушки газа вымораживанием основан на изменении влажности газа в зависимости от его температуры. Если газ охладить, то часть влаги, находящейся в нём в паровой фазе, сконденсируется. Выпавший конденсат можно удалить, а газ с пониженной влажностью будет иметь более низкую точку росы. Необходимая степень осушки газа вымораживанием достигается в том случае, если газ удаётся охладить ниже минимальной температуры, наблюдаемой при его дальнейшем транспортировании, подготовке и утилизации.

Различают вымораживание с помощью естественного и искусственного холода.

Вымораживание с помощью естественного холода возможно только в зимний период, да и то, как правило, лишь в северных районах. Оформление процесса сводится к пропусканию газа через батарею труб с необходимой поверхностью теплообмена. При движении газа по трубам он охлаждается, влага конденсируется и кристаллизуется на внутренних стенках труб. Вымораживатели включаются в работу поочередно, а их регенерация осуществляется продувкой отработанной батареи труб острым водяным паром. Вымораживание с помощью искусственного холода применяется гораздо чаще и основывается либо на применении холодильных машин, либо на дросселировании, либо, наконец, на использовании винтовых детандеров. Причём, первые два процесса применяются, как правило, в сочетании друг с другом, а все методы искусственного охлаждения реализуются совместно с низкотемпературной сепарацией.

Сущность эффекта дросселирования основана на эффекте Джоуля – Томпсона, согласно которого, любое снижение давления газа на 1 атмосферу в специальном устройстве (дросселе – представляющим собой специфическую диафрагму) вызывает понижение температуры газа от 0,15 до 0.25 ⁰С. Легко видеть, что охладить подобным образом газ до температур, предусмотренных нормативными документами, возможно только в том случае, если он имеет высокое давление, намного превышающее давление первой ступени сепарации. Таким образом, данный способ применим, в основном, для продукции газовых и газоконденсатных местрождений.

Принципиальная схема подобной установки приведена на рис.49.

Рис.49. Схема установки для охлаждения газа дросселированием.

Газ, подлежащий вымораживанию, потоком (I) подаётся в сепаратор (2), где происходит отделение свободной воды и углеводородного конденсата, выводимых для разделения и утилизации на специальную установку потоком (II). Если давление поступающего газа слишком велико (пороговым значением, как правило, является величина в 160 атм), то перед входом в сепаратор (2) устанавливают штуцер (1), на котором давление стравливается до необходимой величины. В этом случае происходит небольшое предварительное охлаждение газа. Из сепаратора газ подаётся в теплообменник (3), в котором охлаждается обратным потоком холодного осушенного газа. В целях предотвращения образования ледяных и гидратных отложений на стенках аппаратов на вход теплообменника (3) подают соответствующий ингибитор (чаще всего 80 % водный раствор этиленгликоля или концентрированный метанол). После теплообменника газ дросселируют в дросселе (4), понижая его температуру до требуемого значения. При недостаточно высоком исходном давлении газа с помощью задвижек (6) к дросселю параллельно подключают холодильную машину (7), использующую в качестве хладоагента фреон, аммиак или пропан. Сконденсировавшаяся влага и углеводородный конденсат отделяются в сепараторе (5), а сухой газ, пройдя теплообменник (3), потоком (III) выводится с установки. Смесь жидкой воды и углеводородного конденсата расслаивается в отстойнике (8). Углеводородная часть сбрасывается в поток (II), а водная часть поступает на установку регенерации ингибитора (9). При необходимости, часть водяного потока может быть пропущена через фильтр (11), задерживающий продукты коррозии. Регенерированный ингибитор насосом (10) возвращается в процесс, а лишняя вода либо потоком V выводится с установки, либо сбрасывается в поток II. Потери ингибитора непрерывно пополняются потоком IV.

Сущность метода вымораживания с использованием детандеров сводится к политропному расширению газа с отдачей внешней работы. В этом случае, детандер – это аппарат (чаще всего винтовой или турбинный компрессор), способный обеспечить подобное расширение. Для выполнения внешней работы вал детандера жестко связывают с любым необходимым устройством. Преимущество подобного метода охлаждения неоспоримо. Т.к. позволяет охлаждать газ на 12 – 20 ⁰С на каждую 1 атм. сбрасываемого давления, что делает возможным обработку практически любого попутного или природного газа.

Существует два основных способа обработки газа с помощью детандера (рис.50). Так называемая «открытая» схема (а) в которой исходный газ потоком (I) проходит через теплообменник (1), где предварительно охлаждается обратным потоком осушенного газа и поступает в сепаратор (2), где освобождается от свободной влаги и углеводородного конденсата. Жидкая фаза из сепаратора выводится потоком III на разделение. Оставшийся газ поступает на детандер (3), где и подвергается глубокому охлаждению. Сконденсировавшаяся при этом влага и углеводородный конденсат отделяются в сепараторе (4) и выводятся потоком (IV) на разделение. Высушенный газ, пройдя через теплообменник (1), поджимается в компрессоре (5), жестко соединенным с детандером и потоком (III) покидает установку. Если необходимо поджать газ до исходного давления, то к компрессору (5) дополнительно подключают электродвигатель. Для предотвращения намерзания в соответствующие точки схемы подаётся ин
гибитор, поток V. Утилизация потоков II и IV сводится к отстою для отделения углеводородной части и регенерации ингибитора из водного раствора с возвратом его в процесс.

Рис.50. Схема установки для охлаждения газа с помощью детандера.

В «закрытой» (б) схеме вместо осушенного газа компримированию подвергается любой другой газ, поток VI. Чаще всего это газ концевых ступеней сепарации утилизация которого из – за малого давления затруднена. Более того, в этом случае удаётся даже этот дополнительный газ несколько подсушить после охлаждения в теплообменнике (6). Частично отделившаяся влага и углеводородный конденсат потоком VIII выводятся на разделение, а оставшийся газ (поток VII) может быть направлен на дальнейшую подготовку. Поскольку охлаждение газа концевых ступеней незначительное, применение ингибитора, как правило, не требуется.

Подобные установки получили широчайшее распространение в западных странах, где их количество измеряется сотнями, причём применение детандеров всегда комплексное, т.е. охлаждение используется не только для осушки газа и отделения от него углеводородного конденсата, но и для выделения из газа отдельных компонентов.

Лекция № 15

В качестве примера рассмотрим принципиальную схему установки канадской фирмы Badger Engineering Ing (рис.51).

Рис.51. Принципиальная схема установки фирмы Badger Engineering Ing

Исходный газ потоком (I) после смешения с метанолом (поток II) подаётся в центробежный сепаратор (1), в котором происходит отделение основного количества спирта, успевшего поглотить свободную влагу. Затем, газ поступает в сепаратор высокого давления (2) где более полно освобождается от жидкой фазы. Оставшийся газ поступает в детандер (3) где охлаждается до температуры от – 62 до – 107⁰С. Температура подбирается таким образом, чтобы при оставшемся давлении все компоненты кроме метана перешли в жидкое состояние. Охлажденная смесь направляется в сепаратор низкого давления (5) где и происходит выделение сухого газа, состоящего, в основном, из метана. Этот газ поджимается в компрессоре (4) и потоком (III) направляется потребителю.

Жидкая фаза из сепаратора поступает в колонну (6) – деметанизатор в которой за счет постепенного нагрева жидкость освобождается от растворенного в ней метана, присоединяемого к потоку сухого газа. Подогрев осуществляется с помощью «горячей струи» через теплообменник (7), обогреваемый частью исходного газа. Деметанизированный газ направляется в колонну (8) – деэтанизатор, где за счет снижения давления происходит выделение этана, направляемого потоком (IV) потребителю. Оставшаяся смесь через промежуточную ёмкость (16) и отстойник (17) направляется в ректификационную колонну (18) – депропанизатор. На входе ёмкости она смешивается с углеводородной компонентой, поступающей с узла регенерации метанола. Подвод тепла в колонну осуществляется путём организации горячей струи в кубовой части с помощью насоса (10) и теплообменника (11). Теплоносителем служит водяной пар. Отогнанный пропан охлаждается в водяном холодильнике (19) и частично возвращается на орошение колонны и, в принципе, может быть направлен потребителю. Но если в исходном газе содержались сероводород, меркаптаны и другие сернистые соединения, этого сделать нельзя; т.к. они в значительной мере выделяются в газовую фазу в тех же условиях, что и пропан. Поэтому, пропан направляют на блок очистки, состоящий из абсорбера (21) и десорбера (24). О работе этого узла будет подробно рассказано ниже в соответствующем разделе. Очищенный пропан проходит окончательную очистку защелачиванием в ёмкости (22) и через отстойник (23) потоком (VIII) направляется потребителю. Выделенные кислые компоненты потоком (IX) направляются на утилизацию. А депропанизированная смесь из колонны (18) направляется в ректификационную колонну (26) – дебутанизатор, работающую аналогично колонне (18). Выделенный бутан также направляется на блок очистки, состоящий из адсорбера (29) и десорбера (24). Очищенный бутан через ёмкость (30) в которой при необходимости тоже можно организовать защелачивание, потоком (Х) направляется потребителю. Оставшиеся углеводороды под названием конденсата потоком (XI) выводятся с установки. При необходимости он может быть разделён на ШФЛУ и нефтяную часть или из него может быть продолжено извлечение индивидуальных компонентов или узких фракций, т.е. схема открыта для наращивания. Узел регенерации метанола состоит из двух основных аппаратов – тарелчатой колонны (9) и насадочной колонны (14) где метанол просто отпаривают, охладжают и конденси –

руют в АВО (12), отделяют от увлечённых углеводородов в сепараторе (13) и накапливают в ёмкости (15), откуда после добавки свежего потока (поток VI) возвращают в процесс. Углеводородная часть (С_4+высш) из сепаратора (13) и куба колонны (9) направляются на дебутанизацию. В сепараторах (1) и (2) поддерживают такие условия, что более лёгкие компоненты в водный раствор метилового спирта практически не попадают.

Осушка газа абсорбцией

Абсорбция – это объёмное поглощение газов и паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора. Процесс обратный абсорбции называется десорбцией.

Различают физическую, химическую и так называемую промежуточную абсорбцию. Физическая абсорбция связана с образованием физического раствора без химического взаимодействия поглощаемого компонента и растворителя. Энергия взаимодействия поглощаемого компонента и растворителя всегда 20 кДж/моль поглощаемого вещества. Химическая абсорбция (хемосорбция) связана с протеканием определённых химических реакций между поглощаемым компонентом и абсорбентом. Энергия взаимодействия в этом случае всегда > 25 кДж/моль. Наконец, промежуточная абсорбция связана с образованием между молекулами поглощаемого вещества и абсорбента слабых координационных связей (например, водородных) с энергиями взаимодействия 20 – 30 кДж/моль.

При физической абсорбции поглощающая способность абсорбента (разумеется при достижении равновесия) определяется константой фазового равновесия). Чем она меньше тем лучше поглотительные возможности растворителя. Константа фазового равновесия, в свою очередь, является функцией давления, температуры и состава газа и жидкости, т.е.:

причём, решающее влияние принадлежит первым двум аргументам:

- с ростом давления растворимость любого компонента газа увеличивается (константа фазового равновесия понижается);

- с ростом температуры растворимость плохо растворимых газов увеличивается (за исключением водных растворов), а растворимость хорошо растворимых газов уменьшается.

При химической абсорбции поглощающая способность абсорбента (при достижении равновесия) определяется константой равновесия конкретной химической реакции, которая, в свою очередь, подчиняется принципам Ля –Шателье. Поскольку поглощение идёт с уменьшением объёма, то:

- с ростом давления растворимость увеличивается. Поскольку хемосорбция может идти как с выделением, так и с поглощением тепла, причём, в гораздо больших количествах, чем при физической абсорбции, то:

- с ростом температуры растворимость будет уменьшаться, если реакция идёт с выделением тепла, и, наоборот, будет возрастать, если реакция идёт с поглощением тепла. Кроме того, при хемосорбции роль двух последних аргументов, пожалуй, не менее значительна, ибо может привести либо к полному прекращению реакции (ингибирующие добавки), либо к её стремительному протеканию в присутствии катализирующих добавок. При этом, с термодинамической точки зрения химическая абсорбция особо выгодна для удаления из газа компонентов с малыми концентрациями, в то время как для грубой очистки пригодны оба метода.

- При физической абсорбции поглощаемый газ в результате молекулярной, конвективной, а также турбулентной диффузии из ядра газового потока переносится к границе раздела фаз, а затем, по такому же механизму равномерно распределяется в объёме жидкости. При химической абсорбции эти процессы осложняются химической реакцией, причём, скорость каждого процесса сказывается на скорости реакции. Поскольку скорость химической реакции, как правило, намного выше скорости диффузии, именно последняя (во всех своих проявлениях) является лимитирующей стадией процесса.

Абсорбция осуществляется в массообменных аппаратах называемых абсорберами (скрубберами). Их классификация, устройство, расчет и анализ работы подробно изложены в материалах практических занятий.

Абсорбцию, как правило, осуществляют в виде абсорбционно – десорбционного цикла (рис.52).

Рис.52. Технологическая схема абсорбционно – десорбционного цикла.

Однако, стадия десорбции может отсутствовать, если в результате абсорбции получают готовый продукт или регенерация поглотителя невозможна (разомкнутый цикл). При этом, чем выше циркуляция поглотителя, тем меньше размеры абсорбера, но выше эксплуатационные расходы и побочное поглощение из газа нецелевых компонентов. Для снижения этих расходов поглотитель может подаваться в абсорбер разной степени регенерированности в разные точки, соответственно, и отбираться из десорбера об будет из разных точек. Регенерация абсорбентов, как правило, проводится либо снижением давления, либо нагреванием, либо отдувкой плохо растворимым газом.

Физическую абсорбцию осуществляют, как правило, при температуре приходящего газа (20 – 40⁰С) или при специально понижаемых температурах, т.к. при этом возрастает растворимость хорошо поглощаемого компонента и снижается растворимость плохо поглощаемых компонентов, т.е. повышается селективность процесса (любой компонент можно сделать хорошо или плохо растворимым, меняя марку растворителя). Кроме этого, уменьшаются потери растворителя от испарения и рост парциального давления поглощаемого компонента в исходном газе практически не влияет на степень циркуляции поглотителя чего не скажешь о хемосорбции.

К жидкому абсорбенту, предназначенному для осушки газа, предъявляются многочисленные требования, основные из которых сводятся к следующему:

1. Высокая влагоёмкость;

2. Нетоксичность;

3. Стабильность;

4. Отсутствие корродирующих свойств;

5. Низкая растворяющая способность по отношению к углеводородам и слабая растворимость в них;

6. Простота регенерации.

Лекция № 16

В наибольшей степени этим требованиям отвечают диэтиленгликоль и триэтиленгликоль (ДЭГ и ТЭГ) – ГОСТ 10136 – 77. Используя ДЭГ можно уменьшить температуру точки росы газа по воде примерно на 30⁰С. ТЭГ обладает более высокой влагоёмкостью, но труднее регенерируется по сравнению с ДЭГ ом. В России, в основном, используется ДЭГ. Во ВНИИСПТнефти и ЦКБН созданы блочные автоматизированные установки осушки газа ДЭГ ом пропускной способностью 100, 200 и 300 тыс.м³/сутки на рабочее давление 10 атм и пропускной способностью 500 тыс м³/сутки на рабочее давление 6 атм. В последнее время появились установки пропускной способностью 1200 и 2400 тыс м³/сутки на рабочее давление 10 атм. Немало осталось в России и установок спроектированных в ГДР, основанных на использовании ТЭГ а с пропускной способностью 500 тыс м³/сутки на рабочее давление 6 атм. Принципиальные технологические схемы отечественных и импортных установок осушки газа аналогичны и приведены на рис. 53:

Рис.53. Принципиальная схема абсорбционной осушки газа.

Исходный влажный газ потоком (I) проходит через холодильник (1), охлаждаемый любым хладоагентом (поток II) и с температурой порядка 35⁰С поступает в сепаратор (2), где он освобождается от жидкой влаги и сконденсировавшихся тяжелых углеводородов, выводимых с установки потоком (III). Охлаждённый газ освобождается от уносимого тумана жидкости в ловушке с завихряющим устройством (3) и поступает в сепаратор тонкой очистки (5), снабженный отбойными устройствами, где и происходит окончательное отделение от газа капельной жидкости, накапливающейся в нижней части сепаратора. Накопленная жидкость вместе сводой и тяжелыми углеводородами, поступающими из отбойника (3), через регулятор уровня сбрасывается в поток (III). Очищенный газ через флянцевое соединение подаётся в распылительный абсорбер (4), в объёме которого с помощью специальных форсунок распыляется абсорбент. Распылительные ступени в абсорбере (4) установлены последовательно относительно газового потока и параллельно относительно абсорбента. Кроме того, абсорбер имеет соответствующее число эффективно действующих промежуточных насадок. В результате тесного контакта в абсорбере происходит поглощение влаги. Осушенный газ через каплеуловительную секцию (7) потоком (IV) покидает установку, а насыщенный абсорбент через сепаратор тонкой очистки (6) направляется на регенерацию, сводящуюся к выпариванию поглощенной воды. Для этого насышенный абсорбент нагревают примерно до 50⁰С в дефлегматоре (8), расположенном в верхней части выпарной колонны (9), затем примерно до 100⁰С в теплообменнике (10), расположенном в ёмкости сбора регенерированного абсорбента (11) и поступает в выпарную колонну (9), снабженную контактными устройствами. Температура в верхней части колонны (9) поддерживается на уровне 70⁰С. Орошение верхней части происходит за счет конденсации паров воды на трубках дифлегматора. Температура в нижней части колонны поддерживается на уровне 165⁰С, за счет паров абсорбента, поднимающихся из испарителя (12). В этих условиях отпаренная вода потоком (V) в виде пара стравливается в атмосферу. Регенерированный абсорбент из накопительной ёмкости (11) после охлаждения в калорифере (14) и прохождения фильтра (15) насосом (16) возвращается в процесс. Унос реагента газом непрерывно компенсируется (поток VIII). Источником тепла для регенерации служат дымовые газы, образующиеся в топке под давлением (17), при сжигании части осушенного газа в воздухе (поток VII). После отдачи тепла дымовые газы потоком (VI) выбрасываются в пятиметровую дымовую трубу.

Установка выполнена в блочном исполнении (блок охлаждения, сепарации, абсорбции и регенерации). Каждый блок установлен на металлических санях. Первые три блока монтируют в общем ангарном укрытии.

Итак, мы уже неоднократно встречаемся со специальными устройствами, носящими название контактных. Познакомимся с ними поближе. Они служат одной цели – обеспечить тесный контакт и взаимодействие газовой и жидкой фазы. Различают контактные устройства тарелчатого и насадочного типа. Контактные устройства тарелчатого типа представляют собой жесткую металлическую конструкцию, самых различных модификаций (колпачковые, S – образные, сетчатые, желобковые и т.д.).

Рассмотрим принцип действия одной из них – колпачковой (рис.54).

Рис.54. Схема действия колпачковой тарелки

Влажный газ подаётся на осушку в нижнюю часть абсорбера. Вначале он попадает в каплеотделитель, снабженный насадкой для отделения от него взвешенных капель воды. Затем, газ через тарелки поднимается вверх. Число тарелок в аппарате может быть от 5 до 12.Навстречу газу стекает абсорбент. Каждый колпачек погружен своими краями в абсорбент, образуя гидравлический затвор. Газ, поднимаясь по сквозным патрубкам, пробивается через затвор и распыляет абсорбент. Края колпачков зазубрены. Абсорбент контактирует с газом, главным образом, в зонах пены, брызг и в образующемся в межтарелчатом пространстве тумане.

1. Насадка для отделения от газа капель воды; 2. Глухая тарелка; 3. Штуцер; 4. Копачек; 5. Колпачковая тарелка; 6. Насадка для отделения от газа капель абсорбента; 7. Сливная труба; 8. Корпус.

I. Осушенный газ из абсорбера; II. Регенерированный или свежий абсорбент; III. Отработанный абсорбент на регенерацию; IV. Сырой газ на осушку; V. Вода в канализацию.

Контактный аппарат насадочного типа представляет собой полую колонну, в которой часть объёма заполнена слоями твёрдых тел различных размеров и форм – неподвижными и подвижными насадками – которые служат для создания развитой поверхности контакта между взаимодействующими потоками. Если насадка неподвижна, то она засыпается на опорные решетки, имеющие отверстия для стока жидкости и прохождения газа (рис.55).

Рис.55. Схема действия насадочного абсорбера

Жидкость при этом, подаётся на насадку сверху при помощи специальных распределительных устройств. По всей высоте насадки равномерное распределение жидкости невозможно из-за так называемого пристеночного эффекта вследствие которого жидкость самопроизвольно стремится к переферии. Для предотвращения этого и улучшения смачиваемости насадки ее укладывают не сплошь на всю высоту, а отдель­ными слоями по 1,5 - 3,0 м и под каждым из них кроме нижнего, размешают устройства перераспределяющие потоки жидкости.

1 - неподвижная насадка

2 - опорная решетка

3,4 - распределители и перераспределители жид­кости соответственно.

Газ и жидкость движутся, как правило, проти­вотоком и лишь при высоких скоростях газа (более 10 м/с) используют прямоток (нисходящий).

Для работы с грязненными газами и жидко­стями применяют аппараты с подвижной насадкой, в которой твердые элементы поддерживают­ся в псевдоожиженном состоянии потоком газа. Объем псевдоожиженного слоя ограничивается решетками, расположенными, как правило, на расстоянии 1,0 -1,5 м друг от друга.

Насадочные тела изготавливают обычно из металла, стекла, керамики, пластмасс, дерева и загружают в аппараты либо навалом (нерегуляр­ные насадки), либо укладывают или монтируют в определенном порядке (регулярные насадки).

Основными характеристиками насадок явля­ются - удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата (м²/м³). Чем она выше, тем больше эффективность работы насадки, но выше гидравлическое сопротивление и меньше производительность. Свободный объем это суммарный объем пустот между насадочными телами в еди­нице объема аппарата (м³/м³). Чем больше эта величина, тем выше производительность аппа­рата, меньше гидравлическое сопротивление и меньше эффективность.

Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, полусфер, седел и др. Наиболее распространены: коль­ца Рашига с высотой, равной диаметру, кольца Палля, Лессинга, седла Берля и насадки Инталокс.

Регулярные насадки имеют меньшее гидрав лическое сопротивление и большую пропускную способность. Это в основном - хордовые насадки сетчатые насадки и трубчатые насадки самых различных модификаций.

Помимо тарелчатых и насадочных аппаратов используется их комбинация. В них слои насадок чередуются с тарелками, одновременно исполня­ющими роль перераспределителей жидкости.

Насадочные аппараты обладают высокой разделительной способностью и большой произ­водительностью, сравнительно невысоким гидравлическим сопротивлением, просты и надежны в работе. Но из них трудно отводить тепло.

Поиск по сайту: