Повышение эффективности систем извлечения соединений алканов и алкенов из природного газа
Повышение эффективности систем извлечения соединений алканов и алкенов из природного газа
Аннотация
В работе рассмотрены актуальность извлечения высококипящих компонентов из природного газа при его подготовке к сжижению, область применения этана, пропана, бутана и их производных, методы извлечения этана пропана и бутана из природного газа. Целью данной работы являлось улучшение методов извлечения высококипящих компонентов из природного газа за счет изменения технологических схем и введения в них новых конструктивных элементов. Приведены результаты сравнительного анализа двух низкотемпературных методов. Численный эксперимент проводился с применением программы Aspen HYSYS. Было установлено, что мольные доли метана выше в схеме с дросселем, чем в схеме низкотемпературной сепарации с впрыском метанола, что говорит о более полном извлечении компонентов. Однако мольные доли этана меньше в первой схеме, чем во второй.
1. Введение
Поступательный рост экономики Российской Федерации приводит к увеличению спроса на соединения алканов и алкенов на основе этана, пропана, бутана и др. Целью данной работы является улучшение методов извлечения высококипящих компонентов из природного газа за счет изменения технологических схем и введения в них новых конструктивных элементов. Во многих новых месторождениях Сибири и Дальнего Востока в газе содержится большое количество этана, этилена и других соединений, которые являются ценным сырьем для газохимической промышленности, что обуславливает необходимость внедрения и развития новых технологических процессов глубокого извлечения высококипящих компонентов из природного газа при его подготовке к сжижению .
Перед сжижением из газа следует удалить кислые соединения серы, углекислого газа, влаги и очистить его от высококипящих фракций. В большинстве месторождений РФ в природном газе содержатся высококипящие фракции углеводородов, в частности, алканов. С целью наибольшего извлечения углеводородов для их дальнейшей переработки и получения дорогого продукта следует исследовать и внедрять новые способы их извлечения из природного газа .
Когда высококипящие фракции подвергаются переработке, из них выделяются элементы, которые используются в последующих процессах. Этановая фракция используется для производства лакокрасочной продукции, а также в качестве хладагента в различных процессах. Пропан используется в качестве газа в бытовых нуждах и для заправки автомобилей, а также может использоваться как хладагент на многих перерабатывающих предприятиях. Бутан используется для изготовления синтетического каучука. Для извлечения высококипящих фракций из природного газа используется метод отбензинивания природного газа .
Этан – органическое вещество из класса насыщенных углеводородов – алканов . В естественном состоянии он находится в составе природного газа, в сланцевом газе. Газ этан не растворяется в воде и других полярных растворителях, но растворяется в некоторых неполярных органических растворителях. Сжиженный этан, являясь криогенной жидкостью, может использоваться для замораживания объектов, но способен нанести ожоги человеческой коже. Пары жидкого этана тяжелее воздуха и, находясь на земле, могут загореться. Также этан можно использовать в качестве хладагента в бытовых холодильниках.
Пропан является одним из самых популярных алканов и находит широкое применение в различных областях. Пропан наиболее известен как альтернативное транспортное топливо, которое превосходит по своим характеристикам привычный бензин. Часто пропан используется вместе с бутаном, образуя смесь, которая имеет различные процентные соотношения компонент в зависимости от сезонных погодных условий. Пропан практически не растворим в воде, что определяет его преимущества при использовании для приготовления пищи, обогрева, а также в промышленных процессах, таких как сварка и пайка. Благодаря своим характеристикам и доступности смесь пропан-бутан является незаменимым ресурсом во многих отраслях.
Бутан – органическое вещество класса алканов, состоящее из четырех атомов углерода и десяти атомов водорода. В природе он содержится в природном газе, который добывается из газовых и газоконденсатных месторождений. В воде и других полярных растворителях растворяется слабо, но растворяется в некоторых неполярных органических веществах. Бутан используется для получения бутилена, 1,3-бутадиена, компонентов бензинов с высоким октановым числом, для производства других химических веществ. В быту бутан используется в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки, в смеси с пропаном для приготовления пищи, на транспортных средствах, в отопительных приборах и системах кондиционирования воздуха, в качестве хладагента в холодильниках и холодильных установках.
2. Методы и принципы исследования
Первоначально для извлечения высококипящих фракций широко применялся компрессионный метод. Принцип этого метода заключался в том, что газ сжимался до максимального давления 4 МПа и затем охлаждался до температуры максимально −30 °C. Затем широкое применение нашли масляная и низкотемпературная абсорбция. В этих методах температура устанавливалась на уровне до −45 °C и давление − от 7 МПа. В качестве абсорбента в этой технологии использовались керосиновые фракции, при которых степень извлечения углеводородов составляла максимум 95%. Чтобы извлечь оставшиеся фракции в схеме с низкотемпературной абсорбцией может использоваться абсорбция на активированном угле .
В настоящее время наиболее эффективным методом извлечения фракций является низкотемпературная сепарация. Расчеты в данной работе выполнены с помощью программы AspenHYSYS , которая является одним из наиболее известных и распространенных в нефтегазовой отрасли симулятором. В расчетах использовано уравнение Пенга–Робинсона, которое позволяет рассчитать свойства материальных потоков, а также всех элементов схем. Достоинство этого уравнения заключается в том, что свойства чистого газа описываются этим уравнением с помощью только трех индивидуальных свойств: температуры и давления критической точки газа и ацентрического фактора. Эти параметры определены для широкого круга веществ.
Уравнение записывается в виде:
где P – давление; R – постоянная газовая постоянная; T – температура; V – молярный объем; a, b – коэффициенты, α – универсальная функция.
Параметры в уравнении имеют вид:
где ω – ацентрический фактор; Tc – критическая температура, Pc – критическое давление; Tr – относительная температура.
Мольные доли газа приняты в соответствии с данными предприятия Ямал СПГ приведены в табл. 1, расчетные параметры оборудования − в табл. 2, 3.
Таблица 1 - Исходный состав природного газа
Состав газа | Мольное содержание компонента | Параметры газа | Значение |
Азот | 0,0018 | Давление газа на входе, кПа | 4000 |
CO2 | 0,0091 | ||
Метан | 0,8082 | Температура газа на входе, °C | 16 |
Этан | 0,0646 | ||
Пропан | 0,0200 | Расход газа, кмоль/ час | 1000 |
н - Бутан | 0,0336 | ||
и - Бутан | 0,0336 | ||
Этилен | 0,0291 |
Таблица 2 - Аппараты, применяемые для процесса низкотемпературной сепарации природного газа с впрыском метанола
Аппараты в схеме | Параметры аппаратов |
Входной сепаратор | Температура 16 °C. Давление 40 бар |
Теплообменник | Перепад давлений 0 бар. Температура на выходе 40 °C |
Дроссельный клапан | Перепад давлений 39 бар |
Низкотемпературный сепаратор | Температура 12.99 °C. Давление 1 бар |
Теплообменник 2 | Перепад давлений 0,2 бар. Температура на выходе 15 °C |
Природный газ после сбора с месторождения отправляется на первую ступень сепарации (рис. 1). В первом сепараторе от газа отделяется нестабильный конденсат. Затем газ направляется в теплообменник для рекуперации холода дросселированного газа и охлаждается на 15 °С и более. После теплообменника охлажденный газ подается на дроссель, где охлаждается на 20 °С. Затем газожидкостная смесь поступает в низкотемпературный сепаратор. Там газ отделяется от жидкой фазы; очищенный холодный газ поступает в теплообменник с сырым газом и затем в газопровод как товарный газ. Перед теплообменником предусмотрен впрыск ингибитора гидратообразования – метанола. Углеводородный конденсат поступает в разделитель, в котором он дегазируется. Затем конденсат отправляется на установку стабилизации .
Рисунок 1 - Схема низкотемпературной сепарации природного газа с впрыском метанола
Таблица 3 - Аппараты, применяемые для процесса низкотемпературной сепарации природного газа с дросселем, и их свойства
Аппараты в схеме | Параметры аппаратов |
Входной сепаратор | Температура 16 °C. Давление 40 бар |
Низкотемпературный теплообменник | Перепад давлений 0,7 бар. Температура на выходе –5 °C |
Дроссельный клапан | Перепад давлений 0,7 бар |
Низкотемпературный сепаратор | Температура –5,370 °C. Давление 38,70 бар |
Ректификационная колонна | Давление в ребойлере 14 бар. Давление в конденсаторе 13 бар. Температура в ребойлере 100 °C. Температура в конденсаторе 5 °C. Количество пропана в кубовой жидкости 2% |
На рис. 2 изображена схема низкотемпературной сепарации природного газа с применением дросселя. Исходный поток природного газа направляется в сепаратор, где разделяется на паровую и жидкую фракции. Жидкость из входного сепаратора поступает в смеситель. В свою очередь, пар поступает в теплообменник для первоначального охлаждения. Из теплообменника выходит товарный газ для потребителей, а холодный газ направляется в дроссель для повторного охлаждения. Охлажденный газ идет в низкотемпературный сепаратор, откуда пар возвращается в теплообменник, а жидкость смешивается в смесителе с жидкостью из входного сепаратора. Затем весь конденсат направляется в колонну–депропанизатор для выделения продукта с пропановой фракцией .
Рисунок 2 - Схема низкотемпературной сепарации природного газа с применением дросселя
3. Обсуждение
В результате численных экспериментов установлено, что мольные доли метана в схеме с дросселем выше, чем в схеме низкотемпературной сепарации с впрыском метанола, что говорит о более полном извлечении компонентов (табл. 4). Однако мольные доли этана меньше в первой схеме, чем во второй. Также, было установлено, что мощность установки низкотемпературной сепарации природного газа с дросселем значительна выше, чем установки низкотемпературной сепарации с впрыском метанола.
Таблица 4 - Сравнение мольных долей компонентов товарного газа
Состав газа | Мольные доли в природном газе | Мольные доли в товарном газе (рис. 1) | Мольные доли в товарном газе (рис. 2) |
Метан | 0,8082 | 0,7515 | 0,8386 |
Этан | 0,0646 | 0,0599 | 0,0631 |
Пропан | 0,0200 | 0,0185 | 0,0167 |
Н-бутан | 0,0336 | 0,0311 | 0,0219 |
И-бутан | 0,0336 | 0,0309 | 0,0191 |
Этилен | 0,0291 | 0,0270 | 0,0294 |
При уменьшении температуры холодного газа в схеме с дросселем, мольные доли метана увеличиваются, мольные доли этана, пропана и бутана уменьшаются (табл. 5).
Таблица 5 - Влияние температуры холодного газа на мольные доли в товарном газе в схеме низкотемпературной сепарации с применением дросселя
Состав газа | T = -5 °C | T = -15°C | T = -25°C | T = -35 °C | T = -45°C | T = -55°C |
Метан | 0,8386 | 0,8566 | 0,8730 | 0,8888 | 0,9049 | 0,9233 |
Этан | 0,0631 | 0,0609 | 0,0575 | 0,0525 | 0,0457 | 0,0369 |
Пропан | 0,0167 | 0,0140 | 0,0112 | 0,0083 | 0,0058 | 0,0037 |
Н-бутан | 0,0219 | 0,0155 | 0,0105 | 0,0067 | 0,0041 | 0,0024 |
И-бутан | 0,0191 | 0,0125 | 0,0080 | 0,0049 | 0,0029 | 0,0017 |
Этилен | 0,0294 | 0,0292 | 0,0287 | 0,0276 | 0,0258 | 0,0229 |
Рисунок 3 - Зависимость мольных долей в товарном газе от температуры холодного газа в схеме низкотемпературной сепарации с применением дросселя
4. Заключение
Таким образом, исследованы варианты технологических схем переработки природного газа, которые могут быть использованы при выделении из него высококипящих фракций. Рассчитан процесс низкотемпературной сепарации природного газа по двум схемам. Расчет проведен в программе AspenHysys. Установлено, что мольные доли пропана в товарном газе уменьшаются в схеме низкотемпературной сепарации с дросселем по сравнению со схемой низкотемпературной сепарации с впрыском метанола. Однако, процесс деэтанизации в рассмотренных условиях происходит лучше в установке с впрыском метанола. Мощность установки низкотемпературной сепарации природного газа с дросселем значительна выше, чем установки низкотемпературной сепарации с впрыском метанола, что приводит к увеличению энергозатрат. При уменьшении температуры холодного газа в схеме с дросселем, мольные доли метана увеличиваются, мольные доли этана, пропана и бутана уменьшаются. Предпочтение конкретной схеме следует отдавать в результате углубленного моделирования с учетом дополнительно сформулированных технических, экономических и экологических критериев и в зависимости от местных условий и требований заказчика.