Исходное сырье и продукты переработки газов

Легкие углеводороды содержатся в природных горючих газах (чисто газовых, нефтяных и газоконденсатных месторождений), а также в газах, получаемых при переработке нефти.

Природные горючие газы состоят в основном из смеси парафиновых углеводородов. Кроме того, в их состав могут входить азот, углекислый газ, пары воды, сероводород, гелий.

Природные горючие газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах, которые строят вблизи крупных нефтяных и газовых месторождений. Предварительно газы очищают от мехпримесей (частиц пыли, песка, окалины и т.д.), осушают и очищают от сероводорода и углекислого газа. Продуктами первичной переработки природных горючих газов являются газовый бензин, сжиженные и сухие газы, технические углеводороды: этан, пропан, бутаны, пентаны.

Газы, получаемые при первичной и вторичной (особенно там, где используют термокаталитические процессы) переработке нефти, кроме предельных парафиновых углеводородов содержат и непредельные - олефины. Этим они отличаются от природных горючих газов.

9.2. Основные объекты газоперерабатывающих заводов

На газоперерабатывающих заводах (ГПЗ) с полным (законченным) технологическим циклом применяют пять основных технологических процессов:

1) прием, замер и подготовка (очистка, осушка и т.д.) газа к переработке;

2) компримирование газа до давления, необходимого для переработки;

3) отбензинивание газа, т.е. извлечение из него нестабильного газового бензина;

4) разделение нестабильного бензина на газовый бензин и индивидуальные технически чистые углеводороды (пропан, бутаны, пентаны, н-гексан);

5) хранение и отгрузка жидкой продукции завода.

Газоперерабатывающее производство может быть организовано не только как ГПЗ, но и как газоотбензинивающая установка в составе нефтегазодобывающего управления (НГДУ) или нефтеперерабатывающего завода (НПЗ). Это делается когда количество исходного сырья невелико.

Принципиальная технологическая схема ГПЗ приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Принципиальная технологическая схема ГПЗ:

1 - узел замера количества газа; 2 - установка очистки газа; 3 - компрессорная станция; 4 - отбензинивающие установки; 5 - компрессорная станция 2-й ступени; 6 - газофракционирующие установки; 7 - товарный парк; 8 - пункт отгрузки жидкой продукции.

I- пункт приема газа; II - сухой газ потребителям; III - жидкая продукция потребителям

Газ поступает на пункт приема под давлением 0,15...0,35 МПа. Здесь сначала производят замер его количества, а затем направляют в приемные сепараторы, где от газа отделяют механические примеси (песок, пыль, продукты коррозии газопроводов) и капельную влагу. Далее газ поступает на установку очистки газа 2, где от него отделяют сероводород и углекислый газ.

Компрессорная станция 1-й ступени 3 предназначена для перекачки сырьевого («сырого») газа. Сжатие осуществляется в одну, две или три ступени газомоторными компрессорами (10 ГК, 10 ГКМ, 10 ГКН) или центробежными нагнетателями (К-380, К-980).

На отбензинивающих установках 4 сырьевой газ разделяют на нестабильный газовый бензин, отбензиненный газ и сбросной газ. Нестабильный бензин направляют на газофракционирующие установки 6. Отбензиненный («сухой») газ компрессорной станцией 2-й ступени 5 закачивается в магистральный газопровод или реализуется местным потребителям. Сбросной газ используют для топливных нужд котельной и трубчатых печей.

Газофракционирующие установки 6 предназначены для разделения нестабильного бензина на газовый (стабильный) бензин и индивидуальные технически чистые углеводороды: этан, пропан, бутаны, пентаны и н-гексан. Получаемые продукты газоразделения откачивают в товарный парк 7, откуда впоследствии производится их отгрузка железнодорожным транспортом или по трубопроводам.

Отбензинивание газов

Для отбензинивания газов используются компрессионный, абсорбционный, адсорбционный и конденсационный методы.

Компрессионный метод

Сущность компрессионного метода заключается в сжатии газа компрессорами и последующем его охлаждении в холодильнике. Уже при сжатии тяжелые компоненты газа частично переходят из газовой фазы в жидкую. С понижением температуры выход жидкой фазы из сжатого газа возрастает.

Компрессионный метод применяют для отбензинивания «жирных» газов, в которых содержится более 1000 г/м³ тяжелых углеводородов. Оптимальным для нефтяных газов является давление компримирования 2 - 4 МПа.

Абсорбционный метод

Сущность абсорбционного метода состоит в поглощении тяжелых углеводородов из газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В качестве таких поглотителей могут быть использованы керосин, дизельный дистиллят, масла.

При физической абсорбции поглощаемые углеводороды не образуют химических соединений с абсорбентами. Поэтому обычно физическая абсорбция обратима, т.е. поглощенные компоненты можно выделить из абсорбентов. Этот процесс называется десорбцией. Чередование процессов абсорбции и десорбции позволяет многократно применять один и тот же поглотитель.

Количество поглощенных газов при абсорбции увеличивается с повышением давления и понижением температуры. Чем больше молярная масса компонентов газа, тем в большем количестве он поглощается одной и той же жидкостью.

Принципиальная схема абсобционно-десорбционного процесса приведена на рис. 9.2.

Рис. 9.2,Принципиальная схема абсорбционно-десорбционного процесса:

1 - абсорбер; 2 - холодильник; 3 - насос; 4 - промежуточная емкость; 5 -подогреватель; 6 - десорбер; 7 - гидравлическая турбина. I- сырьевой газ; II - газ, освобожденный от целевых компонентов; III-регенерированный абсорбент; IV- насыщенный абсорбент; V - целевые компоненты; VI - десорбирующий агент

Исходный (сырьевой) газ I подается в нижнюю часть абсорбера 1. Поднимаясь вверх, газ контактирует с абсорбентом, стекающим по тарелкам абсорбера вниз, в результате чего (вследствие массообмена) целевые компоненты из газа переходят в жидкость. Очищенный газ II выходит из верхней части абсорбера, а насыщенный абсорбент IV - из нижней части.

Насыщенный абсорбент поступает в гидравлическую турбину 7, где совершает полезную работу, приводя в действие насос 3. В результате его давление снижается от давления абсорбции до давления десорбции. Далее насыщенный абсорбент нагревается в подогревателе 5 и поступает в верхнюю часть десорбера 6. В нижнюю часть десорбера 6 подается горячий десорбирующий агент (острый водяной пар) VI. В результате нагрева насыщенного абсорбента происходит процесс десорбции. Испарившиеся целевые компоненты V выходят через верхнюю часть десорбера, а регенерированный абсорбент - через нижнюю часть. Регенерированный абсорбент после рекуперации теплоты в теплообменнике 5 через промежуточную емкость 4 и холодильник 2 насосом 3 возвращается в абсорбер 1.

Применение абсорбционного метода наиболее рационально для отбензинивания газов, содержащих от 200 до 300 г тяжелых углеводородов в 1 м³.

Адсорбционный метод

Адсорбциейназывается процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси твердым веществом - адсорбентом. Процессы адсорбции обычно обратимы. На этом основан процесс десорбции - выделение из адсорбента поглощенных им веществ.

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества, имеющие большую удельную поверхность - от сотен до десятков сотен квадратных метров на грамм вещества. Другой важнейшей характеристикой адсорбентов является их адсорбционная активность (или адсорбционная емкость) равная количеству целевых компонентов (в масс. %, граммах и т.п.), которое может быть поглощено единицей массы адсорбента.

Адсорбционная активность адсорбентов зависит от состава газа, давления и температуры. Чем выше молярная масса газа и давление, а также чем ниже температура, тем адсорбционная активность выше.

В качестве адсорбентов при разделении газовых смесей используют активированный уголь, силикагель и цеолиты.

Принципиальная схема отбензинивания газов адсорбционным методом приведена на рис. 9.3.

Рис. 9.3 Принципиальная схема абсорбционного отбензинивания газовой смеси:

1, 2 - абсорберы; 3 - подогреватель; 4, 5 - холодильники; 6 - конденсатосборник

I - отсепарированный от жидкости сырьевой газ; II - отбензиненный газ; III - регенерационный газ; IV- сконденсированные тяжелые углеводороды;

На отбензинивание подается газ, от которого предварительно отделена капельная влага. Это связано с тем, что попадание капельной жидкости в слой адсорбента вызывает его разрушение и снижение адсорбционной активности. Пройдя слой адсорбента, например, в адсорбере 1, сырьевой газ очищается от целевых компонентов. Для регенерации адсорбента в адсорбере 2 отбирается поток регенерационного газа III в количестве 15...30 % от расхода сырьевого газа. Регенерационный газ нагревается в подогревателе 3 и поступает в адсорбер 2, где адсорбированные компоненты переходят из слоя адсорбента в нагретый газ. По выходе из адсорбера регенерационный газ охлаждается: сначала потоком отбензиненного газа в холодильнике 4, а затем водой в холодильнике 5. Выпадающий при этом конденсат собирается в конденсатосборнике 6, а отбензиненный газ направляется на доочистку в работающий адсорбер 1.

По мере насыщения адсорбента в адсорбере 1 он выводится па регенерацию, а в работу включается адсорбер 2.

Для регенерации адсорбента применяют также пропаривание адсорберов острым водяным паром с последующим охлаждением выходящего влажного пара и отделением углеводородов.

Адсорбционный способ отбензинивания углеводородных газов применяют при содержании тяжелых компонентов от 50 до 100 г/м³.

Конденсационный метод

Сущность конденсационного метода заключается в сжижении тяжелых углеводородных компонентов газа при отрицательных температурах. Применяют две разновидности конденсационного метода отбензинивания газов: низкотемпературная конденсация (НТК) и низкотемпературная ректификация (НТР).

Процесс низкотемпературного отбензинивания состоит из 3-х стадий:

а) компримирования газа до давления 3...7 МПа;

б) охлаждения сжатого и осушенного газа до температуры - 10...−80 ^оС;

в) разделения образовавшейся газожидкостной смеси углеводородов на нестабильный газовый бензин и «сухой» газ.

Две первые стадии процесса при применении НТК и НТР одинаковы. Отличие между ними заключается в третьей стадии.

В схеме низкотемпературной конденсация НТК (рис. 9.4) газожидкостная смесь под давлением 3...4 МПа проходит систему холодильников 1-3 после чего разделяется в сепараторе 4. Образовавшийся конденсат после использования в качестве хладагента в холодильниках 1,2 подается в деэтанизатор 5, а сухой газ - в газопровод.

Рис. 9.4 Принципиальная схема получения деэтанизированного бензина в установке НТК:

1 -3 - холодильники; 4 - сепаратор; 5 - деэтанизатор; 6 - кипятильник; 7 -пропановый холодильник; 8 - рефлюксная емкость; 9 - насос I - сырьевой газ; II - сухой газ; III - нестабильный бензин;

IV- деэтанизированный нестабильный бензин

В конденсате кроме высококипящих углеводородов (C₃H₈ + высшие) присутствуют метан и этан, которые являются помехой при его хранении, транспортировании и переработке. Метан и этан отгоняют от углеводородного конденсата в деэтанизаторе 5 путем нагрева в кипятильнике 6. Углеводородные пары, отходящие с верха деэтанизатора, частично конденсируются в пропановом холодильнике 7 и направляются в рефлюксную емкость 8. Отсюда несконденсировавшийся газ отводится потребителям, а жидкая фаза насосом 9 закачивается в верхнюю часть деэтанизатора в качестве орошения.

Деэтанизированный нестабильный бензин с низа деэтанизатора направляют на газофракционирующую установку.

В схеме низкотемпературной ректификации в отличие от схемы НТК в ректификационную колонну (деэтанизатор) поступает вся газожидкостная смесь, образовавшаяся в результате компримирования и охлаждения сырьевого газа. То есть сепаратор 4 из схемы, изображенной на рис. 9.4, исключен.

Процесс НТК по сравнению с процессом НТР имеет следующие преимущества:

1. благодаря предварительному отбору газовой фазы в сепараторе 4, деэтанизатор и другие аппараты установки имеют меньшие размеры;

2. вследствие относительно небольшого содержания метана и этана в сырье деэтанизатора конденсацию паров в холодильнике 7 можно осуществлять при сравнительно высоких температурах −5... −10 °С.

Недостатками схемы низкотемпературной ректификации НТК является то, что часть целевых компонентов теряется с газом, отбираемым из сепаратора 4. Этот недостаток устраняется более глубоким охлаждением сырьевого газа перед сепаратором, что требует больших затрат энергии.

Считается, что схема НТР наиболее рациональна при извлечении пропана в пределах 50 % от потенциала, а схема НТР экономичнее при извлечении свыше 70 % пропана, содержащемся в исходном газе.

Процесс разделения двухкомпонентной смеси ректификацией выглядит следующим образом. Сырье, которое надо разделить, подается в среднюю часть колонны на тарелку питания. Введенная в колонну жидкая смесь стекает по контактным устройствам в нижнюю часть колонны, называемую отпарной. Навстречу потоку жидкости поднимаются пары, образовавшиеся в результате кипения жидкости в кубе колонны. В процессе противоточиого движения паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом, а жидкая - высококипящим.

Нестабильный бензин, получаемый на отбензинивающих установках методами компрессии, абсорбции, адсорбции и охлаждения (НТК, НТР) состоит в общем случае из углеводородов от этана до гептана включительно. Это связано с тем, что при фазовых переходах и сорбции тяжелые углеводороды увлекают за собой легкие.

Поскольку нестабильный газовый бензин не находит непосредственного применения в народном хозяйстве из него получают стабильный газовый бензин и технически чистые индивидуальные углеводороды - пропан, бутаны, пентаны, гексан.

Процесс разделения нестабильного газового бензина на отдельные компоненты называется фракционированием. В основе фракционирования лежит метод ректификации. Поскольку требуется обеспечить четкое разделение исходного сырья на компоненты, температура кипения которых различается незначительно, фракционирование осуществляют в несколько ступеней, на каждой из которых сырье разделяется на два компонента: высококипящий и низкокипящий.

Процесс разделения двухкомпонентной смеси ректификацией выглядит следующим образом. Сырье, которое надо разделить, подается в среднюю часть колонны на тарелку питания. Введенная в колонну жидкая смесь стекает по контактным устройствам в нижнюю часть колонны, называемую отпарной. Навстречу потоку жидкости поднимаются пары, образовавшиеся в результате кипения жидкости в кубе колонны. В процессе противоточиого движения паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом, а жидкая - высококипящим.

Газофракционирующие установки бывают двух типов: одноколонные и многоколонные. Одноколонные установки называют стабилизационными. Они предназначены для разделения нестабильного газового бензина на стабильный газовый бензин и сжиженный газ (рис. 9.5 а).

Рис. 9.5 Принципиальные схемы газофракционирования:

а) - двухкомпонентная; б) - трехкомпонентная; в) - четырехкомпонентная

На многоколонных ГФУ из нестабильного бензина выделяют стабильный бензин и фракции индивидуальных углеводородов. Для разделения нестабильного бензина на три компонента требуется две колонны (рис. 9.5 б): в первой колонне выделяется один целевой компонент, а в следующей - второй и третий. Рассуждая аналогично легко показать, что для разделения смеси на n фракций требуется (n-1) (n минус одна) ректификационная колонна. Таким образом, для получения стабильного газового бензина и всех возможных технически чистых углеводородов (пропан, бутаны, пентаны, гексан) требуется 6 колонн.