Низкотемпературная кристолизация и ректификация

Низкотемпературная  ректификация (HIT) отличается от процесса НТК тем, что процесс НТР происходит при более низкой температуре и в ректификационную колонну поступает двухфазная смесь: охлажденный газ и выпавший из него углеводородный конденсат. Сверху колонны уходит отбензиненный газ, а снизу — деметанизированный углеводородный конденсат. Этан из конденсата отделяют во второй колонне — деэтанизаторе.

Абсорбционный способ отбензинивания основан на различной растворимости компонентов газа в жидких нефтепродуктах, применяемых в качестве абсорбентов — поглотителей.

Процесс отбензинивания проводят в цилиндрической колонне, называемой абсорбером. Абсорбер по высоте разделен поперечными перегородками — барботажными тарелками, на которых происходит контактирование восходящего снизу вверх потока газа и стекающего сверху вниз абсорбента. По мере подъема газа от нижней тарелки до верхней содержащиеся в газе тяжелые углеводороды постепенно растворяются в абсорбенте, и сверху абсорбера отводится отбензиненный газ, почти не содержащий тяжелых углеводородов.

Снизу абсорбера  отводится насыщенный абсорбент, который  направляется на следующую стадию — десорбцию. На этой стадии благодаря нагреву и снижению давления происходит отпарка из абсорбента поглощенных из газа углеводородов, которые, покидая десорбер сверху, проходят через конденсаторы-холодильники, где конденсируются и образуют нестабильный газовый бензин.

Регенерированный  или «тощий» абсорбент по выходе из нижней части десорбера охлаждается и вновь поступает на абсорбцию, т. е. абсорбент циркулирует по замкнутой системе.

Применение абсорбционного способа наиболее рационально для  отбензинивания газов, содержащих от 200 до 300 г углеводородов СзНв+высшие в 1 м³.

Поглощающая    способность    абсорбентов    тем    выше,    чем    ниже температура   процесса   абсорбции.   В   последние   два   десятилетия   все большее распространение получает процесс абсорбции нефтяных газов при низких (ниже 0°С) температурах.

По сравнению  с процессом абсорбции при  температуре окружающего воздуха применение процессов низкотемпературной абсорбции с одинаково заданными величинами извлечения целевых компонентов приводит к значительному сокращению энергетических расходов, уменьшению конструктивных размеров аппаратов и в целом к снижению эксплуатационных расходов.

При переработке  тощих нефтяных газов с содержанием СзН8+высшие от 50 до 100 г/м применяют адсорбционный способ отбензинивания. Он основан на свойстве твердых пористых материалов (адсорбентов) поглощать пары и газы. В качестве адсорбента обычно используют активированный уголь, который поглощает из газа преимущественно тяжелые углеводороды и постепенно насыщается ими. Для отгонки поглощенных углеводородов и восстановления адсорбционной способности насыщенный уголь обрабатывают перегретым водяным паром.

Смесь водяных  и углеводородных паров, отогнанных из адсорбента, охлаждается и конденсируется.

Полученный нестабильный бензин легко отделяется от воды.

Недостаток адсорбционных  процессов, применяемых как для  отбензинивания, так и для осушки и очистки,— периодичность их работы.

1.3.4  Извлечение тяжелых углеводородов из газа

Так как в составе  природных газов присутствуют углеводороды от метана до пентана, причем если метан и частично этан - это целевые составляющие газа, используемого в быту и в промышленности как газовое топливо, то пропан, бутаны и пентаны в газовом топливе нежелательны, хотя сами они являются ценными соединениями и могут быть использованы для других нужд. Поэтому до подачи природного газа в транспортные магистральные сети из него должны быть удалены углеводороды от этана (частично) до пентанов включительно (называемые в данном случае тяжелыми). Извлеченная сумма тяжелых углеводородов C₁ -С₅ называется обычно газовым бензином и направляется на установки ЦГФУ для разделения на отдельные углеводороды и стабильный бензин.

К основным технологическим  методам извлечения тяжелых углеводородов из газа относятся: низкотемпературная сепарация (НТС), низкотемпературная конденсация (НТК), низкотемпературная ректификация (НТР).

Сущность процесса низкотемпературной сепарации (НТС) состоит  в однократной конденсации углеводородов при понижении температуры газа до минус 25 - минус 30 °С за счет его дросселирования (эффект Джоуля-Томсона). Вместо дросселирования через клапан (изоэнтальпийный процесс) может быть использовано расширение газа в турбодетандере (изоэнтропийный процесс), что позволяет более эффективно использовать перепад давления газа. Принципиальная схема НТС показана на рисунок 1.3.

 

Рисунок 1.3.   Принципиальная схема процесса низкотемпературной сепарации (НТС)

1,2- сепараторы 1-й и 2-й ступеней; 3 - сепараторы сырого конденсата, 4 – дроссельные клапаны (детандеры); 5 - холодильная машина; 6 - блок стабилизации конденсата; 7 - блок регенерации ингибитора гидратообраэования; 8 - теплообменники; / и // - исходный и отсепарированный газ, /// - газовый бензин; IV - конденсат сырого газа, V- раствор ингибитора гидратообразования

Газ под большим (8-12 МПа) давлением поступает в сепаратор 1-й ступени, где от него отделяется тяжелый газовый конденсат. Затем газ через рекуперативные теплообменники 8, охлаждаемые газом и конденсатом 2-й ступени сепарации, поступает в дроссельное устройство 4. В дросселе давление газа снижается на 4 - 5 МПа, за счет чего его температура резко падает и высококипящие углеводороды конденсируются. Выпадающий конденсат отделяют в сепараторе 2-й ступени, а газ, очищенный от тяжелых углеводородов, направляют потребителю.

Таким образом, только при  температуре -40°С достигается почти полная конденсация бутанов и пентанов. Этан и пропан при этом конденсируются лишь на 50 и 79%.

В связи с тем, что процесс НТС протекает  при низких температурах, в поток газа вводят ингибитор гидратообразования, что позволяет предотвратить образование гидратов. В качестве ингибитора используют метанол или гликоли, которые связывают влагу из газа и после регенерации (дегидратации) в блоке 6 (см. рис. 1.3.) возвращаются в процесс. Важнейший параметр НТС - исходное давление газа из скважины. Вначале это давление высоко за счет повышенного пластового давления, но с течением времени пластовое давление снижается (и одновременно снижается содержание в газе тяжелых углеводородов) и потенциал природной энергии для реализации процесса НТС существенно падает. В этом случае перед сепаратором первой ступени устанавливают дожимной компрессор, повышающий давление газа, или же в точке дросселирования газа помещают холодильную машину 5.

Извлечение углеводородов  из газа процессом НТС в значительной мере

определяется  составом исходного газа (например, выражаемым средней

молярной температурой его  кипения).

Для поддержания нужного  уровня извлечения жидких углеводородов  из все более облегчающегося по составу газа (по мере выработки его месторождения) нужно понижать температуру сепарации, что сделать крайне трудно из-за одновременного снижения пластового давления. В этом заключается один из крупных недостатков процесса НТС, несмотря на его технологическую простоту. Поэтому в большинстве случаев процесс НТС заменен процессом НТК, отличающимся более низкими температурами охлаждения газа (-90  -120 °С).

Процесс НТК начал  развиваться в 1960-е годы, когда  повысился спрос на этан - один из основных мономеров в ассортименте сырьевых ресурсов нефтехимии. Это потребовало перейти на низкие температуры охлаждения газа, с тем чтобы увеличить степень извлечения из него этана (и соответственно - более тяжелых углеводородов). Это в свою очередь потребовало наряду с эффектом дросселирования применять искусственное охлаждение с использованием пропанового холода (для охлаждения до -70°С) или каскадного холодильного пропан-этанового цикла, с помощью которого стало возможным извлечь из газа 85 -87% этана, почти полностью (92%) - пропан и 100% всех остальных углеводородов.

1.2.5 Технологические схемы установок НТК и НТР

Для       сравнения       рассмотрим       существующие       два       процесса: низкотемпературная конденсация  и низкотемпературная ректификация. Процесс состоит из четырех стадий:

а) компримирование газа до относительно высоких давлений - 3,5; 5,7 и 7,5 МПа;

б) осушка газа жидкими или твердыми поглотителями влаги;

в) последующее  охлаждение   сжатого   и   осушенного  газа  до  низких температур в пределах до -10 до -100 "С;

г) 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.

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.

Жирный газ, поступающий  на установку НТК (рисунке 1.4) под давлением 3-4 МПа, сначала охлаждается в последовательной цепочке рекуперативных теплообменников 1-4 обратными потоками газа и конденсата, а затем дополнительно (испаряющимися 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 газопровод, а конденсат — в деэтанизатор 7. В конденсате будут преобладать высококипящие углеводороды (С_з+выше).

Однако в его  составе будут метан и этан. Они отгоняются из углеводородного конденсата в деэтанизаторе 7 в качестве товарной этановой фракции марки Б.

Пары орошения конденсируются в пропановом холодильнике 8, откуда газожидкостная смесь поступает в рефлюксную 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 газовый бензин из нижней части колонны направляется в товарный парк. Метан и этан, если их концентрация (молярная) в выпавшем из нефтяного газа конденсата невелика (в сумме около 10%), могут быть удалены в деэтанизаторе, работающем на холодном сырье без орошения, В этом случае холодный углеводородный конденсат непосредственно из сепараторов 6, минуя теплообменники 2 и 4, подается на

Рисунок 1.4. Схема установки низкотемпературной конденсации газа: I – сырьевой газ; II – отбензиненный газ; III – этановая фракция; IV -  вторую или третью (считая с верху) тарелку деэтанизатора.

Режим колонны (деэтанизатора) в зависимости от состава углеводородного конденсата регулируется изменением давления, температуры верхней и нижней частей колонны.

На рисунке 1.5 представлена схема установки НТР. Сырьевой газ охлаждается обратным потоком остаточного газа в теплообменнике 3. Образовавшаяся газожидкостная смесь поступает в ректификационную колонну, в которой в результате подачи холодной флегмы (орошения) происходит конденсация основной массы высококипящих углеводородов и отчасти метана и этана, но подвод тепла в нижнюю часть колонны обеспечивает их выпаривание. В колонне сырье подразделяется на товарный газ и деэтанизированную ШФЛУ, которая отводится с нижней части колонны на газофракционирующую установку или в товарный парк.

Рисунок 1.5. Схема установки низкотемпературной ректификации:

1 - деэтанизатор; 2- пропановый холодильннк; 3- теплообменник газ - газ; 4 - рефлюксная емкость; 5-насос; 6- кипятильник; I - сырьевой газ; II - отбензиненный газ; Ш - деэтанизированная ШФЛУ.

Процесс НТК по сравнению с процессом НТР  имеет следующие преимущества:

после      сепаратора     из      системы      выводится      основная     масса несконденсировавшихся 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 сырье деэтанизатора конденсацию паров орошения в холодильниках можно проводить при сравнительно высоких температурах (от - 5 до - ЗО°С).

Установка проста в эксплуатации. Аппаратура изготовляется  из углеродистой стали. Процесс НТК нашел применение на ряде отечественных ГПЗ (Отрадненском, Нефтегорском и др.).

К недостаткам схемы НТК  следует отнести то, что сепарация  конденсата от газа происходит только после однократной конденсации, поэтому часть целевых компонентов теряется с остаточным газом.

Для глубокого извлечения пропана и более тяжелых углеводородов  по способу НТК приходится вести процесс при относительно низких температурах, при которых в жидкую среду переходят большие количества метана и этана.

Рассмотренные выше схемы НТК и НТР были применены  в технических проектах ГПЗ в 50-60-х годах для отбензинивания жирных газов, содержащих Сз+выше от 400 до 600 г/нм³.

Для отбензинивания более тощих нефтяных газов (С_з+выше в пределах 300 г/нм³) эти технологические схемы явно непригодны. В 70-80-е годы были разработаны и внедрены в производство новые технологические схемы НТР и НТК с использованием глубокого холода, т. е. криогенной технологии на основе применения как внешних, так и внутренних холодильных циклов.