книги / Переработка нефтяных и природных газов

Аналогично происходит обратный процесс изобарического охлаждения от точки d (dx) до точки а (ах) вне областей AM К

и КМ А.

Процесс изотермического сжатия или расширения вне областей, ограниченных температурами Тк и TN, также происходит анало­ гично таковому в индивидуальном веществе, с той только разни­ цей, что жидкая фаза образуется (или испаряется) в интервале

ная смесь сжимается, а затем в точке / (Д) начинается процесс конденсации. Между точками / (Д) и h (/гх) существует двухфазная система, в точке h (hx) вся смесь переходит в жидкое состояние.

Иначе ведет себя многокомпонентная система в заштрихован­ ных областях. Действительно, если проводить изотермическое сжатие смеси в интервалах температур, соответствующих темпе­ ратуре критической точки К и критической температуре конден­ сации (ТК и TN), то система ведет себя отлично от индивидуаль­ ного вещества.

В точке k (kx) система находится в паровой фазе; в точке I

(Д) начинается частичная конденсация; в интервале между точками / и тп (Д и m-j) существует двухфазная система, в том числе и в точке /и, а затем система снова превращается в однофазную паровую, несмотря на повышение давления. Этот процесс испарения жидко­ сти, происходящий при повышении давления, называется ретро­ градным испарением [5, 72]. Если процесс вести в обратном направлении — от точки п (/гх) до точки /г (УД), то в точке пг начи­ нается процесс конденсации, который происходит при изотерми­ ческом расширении. Явление образования жидкости в процессе изотермического расширения газообразной смеси называется ретро­ градной конденсацией [5, 72].

Аналогичные явления происходят в областях AM К и КМ А при изобарном нагревании или охлаждении смеси. Действительно, если точка К лежит между точками М и N (см. рис. 111.24), то в процессе нагревания смеси при постоянном давлении от точки о до точки s смесь вначале находится в жидкой фазе, затем в точке р начинает кипеть, т. е. появляется паровая фаза, а в точке г снова переходит в жидкую фазу, несмотря на повышение температуры. Таким образом, на участке ор существует жидкая фаза, на участке рг — двухфазная система, на участке- rs — жидкая фаза. Это явление тоже называется ретроградной конденсацией. Причем, оно наблюдается в процессе изобарного нагревания в указанной области, если точка К лежит между точками М и N.

Если вести обратный процесс изобарного охлаждения, то в области АМ К между точками г и р протекает процесс испарения, несмотря на понижение температуры (ретроградное испарение).

Если точка К лежит левее точек М и N, то при изобарном нагреве по линии olt pv гъ происходит процесс ретроградной

162

конденсации в области КМ А, а при изобарном охлаждении (в обратном процессе) в точке рх начинается процесс ретроградного испарения (при понижении температуры).

В настоящей главе рассматривается процесс конденсации нефтяных и природных газов вне области критических и закритических параметров. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Так как индивидуальные составляющие нефтяных и природных газов (метан, этан и др.) имеют различные температуры конденса­ ции, то при их охлаждении происходит следующее. При снижении температуры газа наступает момент, когда один из компонентов (при его парциальном давлении) начинает конденсироваться. Естественно, что первым сконденсируется компонент, температура конденсации которого при его парциальном давлении в данной исходной смеси максимальна. Если предположить равномерное распределение компонентов в исходной смеси, то вначале выпадут в виде конденсата преимущественно компоненты с максимальным значением нормальной температуры конденсации. Углеводородные газы обладают одной важной особенностью: они растворяются в углеводородных жидкостях. Поэтому в жидкую фазу переходят не только те компоненты, которые должны конденсироваться при данных значениях температуры и парциального давления, но и другие, даже те, критическая температура которых значительно ниже температуры смеси в данный момент. Например, смесь, со­ стоящая из 10% мол. метана и 90% мол. пропана в проточной системе может быть полностью сконденсирована при охлаждении до 10 °С при Р = 2,0 МПа. Таким образом, метан, критическая температура которого —82 °С, в присутствии пропана при 10 °С (температуре значительно выше критической) превращается в жидкость.

Растворение газа в жидкости, так же как и конденсация газа, сопровождается выделением тепла. Численное значение теплоты растворения мало отличается от значений теплоты конден­ сации. По мере снижения температуры увеличивается количество образовавшейся жидкости и изменяется ее состав: жидкость обога­ щается легколетучими компонентами. Одновременно обогащается легколетучими компонентами и паровая фаза (по мере конденсации тяжелых составляющих). При дальнейшем охлаждении смеси этот процесс будет продолжаться до полной конденсации паровой фазы.

В процессе низкотемпературной конденсации (НТК) газа охлаждение продолжают лишь до заданной степени конденсации паровой фазы (исходного газа), которая определяется необходимой глубиной извлечения целевых компонентов из газа и достигается с помощью вполне определенной (в зависимости от состава исход­ ного газа и давления в системе) конечной температуры процесса охлаждения. Эта температура достигается путем подвода расчет­ ного количества холода нужного температурного уровня.

Одной и той же степени конденсации исходного газа можно достигнуть различными комбинациями значений температуры и

давления. С повышением давления в системе, т. е. с повышением парциального давления каждого компонента, степень конденсации при постоянной температуре увеличивается и происходит процесс, аналогичный процессу изобарного охлаждения. Избирательность процесса конденсации с повышением давления снижается. Интен­ сивность изменения степени конденсации не прямо пропорцио­ нальна изменению давления и температуры. В области небольших значений степень конденсации быстро изменяется с изменением величины давления. При дальнейшем увеличении давления интен­ сивность конденсации снижается. То же можно сказать и о влиянии температуры: степень конденсации компонентов увеличивается с понижением температуры наиболее интенсивно до определенного значения (в зависимости от состава исходного газа), ниже которого скорость конденсации замедляется.

Степень конденсации углеводородов будет увеличиваться в слу­ чае повышения давления процесса конденсации при постоянной

вэтих двух случаях будет протекать по-разному. При повышении давления и постоянной температуре степень конденсации будет увеличиваться с ухудшением четкости разделения углеводородов:

вжидкую фазу вместе с тяжелыми компонентами переходит значи­ тельное количество легких. При понижении температуры процесса конденсации и постоянном давлении увеличение степени конден­ сации сопровождается более четким разделением легких и тяжелых углеводородов. При общем увеличении перехода в жидкую фазу всех компонентов селективность их извлечения сохраняется: тяжелые переходят в жидкую фазу быстрее.

Ниже приводятся результаты расчетных исследований влияния давления и температуры на процесс конденсации. Для расчетных исследований был взят газ с содержанием 600 г/м3 пропана + 4- высшие (применительно к газу Речицкого и Осташкинского месторождений Белорусской ССР). Состав его приведен ниже:

температур от 0 до —50 °С. Для этих условий определяли степень извлечения компонентов газа Сх—С5+Высшие от потенциала в про­ цессе однократной конденсации. Результаты расчетных исследова­ ний приведены на рис. III.27. Как видно из рисунка, при условии примерно одинаковой степени извлечения пропана как целевого компонента извлечение легких углеводородов при Р = 1,0 МПа и t = —40 °С примерно в 1,5 раза меньше, чем при 3,5 МПа и / =

— —10 °С. Это подтверждает положение о том, что с повышением

164

Зависимость степени конденсации компонентов от температуры и давления.

давления селективность процесса уменьшается. Указанные иссле­ дования показали, что выбор оптимальных параметров процесса НТК в зависимости от состава исходного газа и заданной степени извлечения ' целевых компонентов является весьма важным.

Поскольку в схеме НТК на каком-то участке движется двух­ фазная смесь, в этот период происходит процесс массообмена между газовой (паровой) фазой и жидкостью. Газожидкостная смесь разделяется в сепараторе. Составы и количество образовав­ шихся фаз рассчитывают, исходя из предположения, что в системе наступает фазовое равновесие. Однако, судя по результатам иссле­ дований [73, 42], покидающие аппарат фазы не находятся в равно­ весии не только по составу, но и по температуре.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что отбензиненный газ и конденсат на выходе из холодильникаконденсатора значительно переохлаждены и не находятся в состоя­ нии равновесия, т. е. жидкость является более тяжелой по составу по сравнению с равновесной, а газ — более легким. Это объясня-

165

Рис. I I I .28.

Принципиальная схема переработки газа методом НТК.

Модули: / — компрессор сырого газа; 2 — узел осушки газа от воды; 3 — источник

ется протеканием процессов теплообмена намного быстрее процес­ сов массообмена, особенно в жидкой фазе. Например, содержание метана в конденсате, полученном в реальном процессе, по сравне­ нию с конденсатом, выпавшим в равновесном процессе, снижается на 15%, тепловая нагрузка на испаритель-холодильник умень­ шается на 5—10%. Вследствие уменьшения содержания метана снижаются энергозатраты на последующую деэтанизацию кон­ денсата.

Принципиальная схема переработки газа способом НТК должна - включить в себя следующие узлы (рис. II 1.28): компримирование газа до требуемого давления; осушку; охлаждение газа до задан­ ной температуры для образования двухфазной смеси; сепарацию (разделение) двухфазной смеси; сухой газ с верха сепаратора 4 направляют потребителю, жидкую фазу (широкую фракцию угле­ водородов — ШФУ) — на деэтанизацию (деметанизацию) в ко­ лонну 5; деэтанизацию (деметанизацию) образовавшейся жидкой фазы для получения товарной продукции, так как в зависимости от получаемых целевых продуктов — этана + высшие или про­ пана + высшие — предельно допустимое содержание этана или метана в товарной продукции ограничивается.

Если схема НТК предназначена для получения С2+иЫСшие. то после узла деметанизации устанавливают этановую колонну,

вкоторой получают товарный этан. Сам процесс НТК. происходит

вузле, состоящем из источника холода и сепаратора. Этот узел образует одну ступень сепарации. В реальных схемах перед источником холода обычно включают системы регенеративного теплообмена, которые служат для использования холода обратных потоков газа и конденсата с целью уменьшения нагрузки на источ­ ник холода.

Таким образом, в реальных схемах одна ступень конденсации, как правило, состоит из системы регенеративного теплообмена, источника холода и сепаратора. Однако могут быть ступени сепа­ рации, состоящие либо только из источника холода и сепаратора, либо из регенеративного теплообмена и сепаратора (в этом случае система регенеративного теплообмена выполняет функции источ­ ника холода).

166

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗА МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОНДЕНСАЦИИ

Краткая классификация схем НТК

Технологические схемы переработки газа по способу НТК могут классифицироваться по: числу основных ступеней сепарации; виду источников холода; виду выпускаемого целевого продукта.

По числу ступеней сепарации современные схемы НТК делятся на одно-, двух- и трехступенчатые. На каждой ступени обяза­ тельно выводится жидкая фаза.

По виду источников холода схемы НТК можно разделить на схемы: с внешним холодильным циклом; с внутренним холодиль­ ным циклом; с комбинированным холодильным циклом, в которых источниками холода являются и внешний, и внутренний холодиль­ ные циклы.

Внешний холодильный цикл не зависит от технологической схемы и имеет собственный хладоагент. В зависимости от вида хладоагента внешние холодильные циклы можно разделить на две группы: с однокомпонентным (или однокомпонентными) хладоагентом (хладоагентами); с многокомпонентным хладоагентом (со смешанным хладоагентом), которым обычно является смесь легких углеводородов. Внешние холодильные циклы с примене­ нием двух и более однокомпонентных хладоагентов называются каскадными холодильными циклами.

Во внутренних холодильных циклах холод получают за счет технологических потоков самой схемы переработки газа. Внутрен­ ние холодильные циклы можно разделить на группы:

сдросселированием технологических жидких потоков; холод получается в частности за счет дросселирования конденсатов I и II ступеней конденсации, рефлюксов деэтанизации и деметанизации;

сузлом детандирования; холод и низкие температуры получают за счет термодинамически эффективного процесса изоэнтропийного расширения газа.

Принципиально возможно применение схем, в которых весь необходимый для процесса холод получают в результате испаре­ ния внутренних жидких потоков. Однако схемы с дросселирова­ нием жидких потоков в указанном случае неэкономичны и сложны

вэксплуатации.

Применять турбодетандеры как единственные источники холода можно лишь для тощих газов и при соответствующем перепаде давлений. Поэтому такие схемы обычно используют в случае переработки природных газов с большим избытком пластовой энергии или на газоконденсатных месторождениях, для эксплуата­ ции которых применяют сайклинг-процесс.

Нефтяные газы обычно перерабатывают по схемам, в которых внешний пропановый холодильный цикл сочетается с внутренним

167

холодильным циклом. В таких схемах на I ступени охлаждения газа до температуры порядка —30 °С применяют внешний пропано­ вый холодильный цикл, а на II ступени — для получения более низких температур — дросселирование жидких потоков, полу­ чаемых в самом процессе, или детандирование частично отбензи­ ненного газа.

; По виду выпускаемого целевого продукта схемы НТК делятся на схемы для получения С2+1зЫСШ1Ге и схемы для получения С3+Пысишс. Рассмотрим наиболее типичные технологические схемы перера­ ботки газа по способу низкотемпературной конденсации.

СХЕМЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОНДЕНСАЦИИ С ВНЕШНИМ ХОЛОДИЛЬНЫМ ц и к л о м

Схема одноступенчатой конденсации для получения Сз+высишс с пропановым холодильным циклом

На рис. III.29 представлена технологическая схема ГПЗ, работаю­ щего по способу НТК. Эта так называемая классическая схема была впервые применена для переработки газа и получила в даль­ нейшем широкое распространение. На ее основе были разработаны все существующие модификации схем НТКСхема имеет один внешний источник холода — пропановый холодильный цикл и один узел разделения (сепарации) двухфазной смеси.

Газ по указанной схеме перерабатывают следующим образом. Сырой газ из трубопровода поступает во входной сепаратор 1, где он очищается от механических примесей и капельной жидкости (нефть, конденсат, вода и др.).

После предварительной очистки в сепараторе 1 сырой газ посту­ пает в компрессор 2, где в современных схемах дожимается до дав­ ления 3,0—4,0 МПа и более. Сжатый газ охлаждается до темпера­ туры порядка —20-*-—35°С последовательно в воздушном холодиль­ нике 3, теплообменниках 4 и 5 за счет холода потоков сухого газа и конденсата из сепаратора 7. Затем в пропановом испарителе 6 газ частично конденсируется и поступает в сепаратор 7, где отделя­ ются сконденсированные углеводороды. С верха сепаратора 7 выходит сухой газ, который после регенерации его холода в тепло­ обменнике 4 дожимается и подается в магистральный газопровод.

рокая фракция углеводородов).

168

Рис. III.SO.

Поточная балансовая схема установки одноступенчатой НТК с пропановым холодила IIым циклом

С низа сепаратора 7 выводится выпавший конденсат и после регенерации его холода в теплообменнике 5, где он нагревается до 20—30 °С, подается в середину деэтанизатора 8. Верхний продукт деэтанизатора — смесь метана (20—70% об.), этана (30—75% об.)

ипропана (не более 5% об.) смешивают с сухим газом сепаратора 7

иподают в магистральный газопровод. Нижний продукт деэтани­ затора — широкая фракция углеводородов (ШФУ), представляю­ щая собой смесь пропана и более тяжелых углеводородов (С3+1ШОЩ11е), • используют для производства пропана, бутанов, пентанов и газо­ вого бензина или бытового газа и газового бензина (С5+Высш11е).

Разделение ШФУ проводится на специальных газофракциони­ рующих установках, которые могут быть в составе газоперераба­ тывающих, нефтеперерабатывающих или нефтехимических пред­ приятий. Балансовая схема переработки газа описанным способом,

представлена на рис. II 1.30. Блок деэтанизации является одним из основных агрегатов установки низкотемпературной конденса­ ции, от эффективной его работы зависит качество продукции и в значительной степени экономика процесса. Повышенное содержа­ ние пропана в газе деэтанизатора приводит к потере товарной продукции, содержание этана в нижнем продукте деэтанизатора более 2—3% масс, приводит к производству некондиционного пропана или пропан-бутановой фракции на газофракционирующих установках (ГФУ).

169

Эффективность работы деэтанизатора зависит от технологиче­ ского режима процесса — наиболее выгодный режим нужно выбирать на основе оптимизации процесса по ряду параметров (давление, температура питания, температура верха и низа ко­ лонны и др.). Известно, что чем выше давление в деэтанизаторе, тем при более высокой изотерме может работать холодильник 10 (см. рис. III.29); следовательно, повышением давления можно снизить энергетические затраты на охлаждение верхнего продукта деэтанизатора. Однако повышение давления потребует увеличения температуры низа колонны, а это будет связано с дополнительными затратами тепла. При понижении давления в деэтанизаторе наблюдается обратная закономерность.

Деэтанизатор представляет собой ректификационную колонну

с10—=12 т. т. В последнее время в качестве контактных устройств

вдеэтанизаторах применяют клапанные тарелки, обычно 30 шт.; давление в колонне, как правило, поддерживают 3,0—3,5 МПа. С одной стороны, в условиях переработки газа методом НТК под давлением 4,0 МПа и более поддержание такого давления не требует дополнительных энергозатрат, с другой — такое давление

вдеэтанизаторе позволяет для охлаждения верха колонны при­ менять пропановый холод. Использование более высокого давле­ ния нецелесообразно, так как при этом ухудшаются условия разде­ ления. Давление 3,5 МПа составляет примерно 0,8 от критического давления для нижнего продукта деэтанизатора. При указанном давлении температурный режим деэтанизатора поддерживается

с пропановым холодильным циклом и предварительной деэтанизацией ШФУ

Вследствие недостаточной селективности одноступенчатого про­ цесса НТК значительные энергетические затраты приходятся на процесс деэтанизации. При этом энергия расходуется на процесс конденсации (растворения) легкокипящих компонентов (в схемах с извлечением С3+ВЫСШПс — это метан + этан), а затем на отпарку в процессе деэтанизации сконденсировавшихся легких компонен­ тов. Поэтому в последние годы в схемах одноступенчатых НТК с извлечением, С3+высшпе широко применяют узел предварительной деэтанизации, в котором этан частично отпаривают за счет регене­ рации тепла сырого газа вне колонны-деэтанизатора.

Технологическая схема процесса одноступенчатой низкотемпе­ ратурной конденсации с узлом предварительной деэтанизации представлена на рис. III.31. В отличие от схемы НТК, показанной на рис. III.29, конденсат из сепаратора 7 подается насосом (на рисунке не показан) в регенеративный теплообменник 5, где подогревается за счет потока сырого газа. Оттуда конденсат посту-

170