Разделение углеводородных газов Извлечение жидких углеводородных компонентов из природных газов. Низкотемпературная сепарация (НТС) Составитель: к.х.н., доцент каф. ХТТ Бешагина Е.В г.

Природный газ выносит из скважин взвешенную капельную жидкость (газовый конденсат, воду) и мелкие частицы горной породы, т.е. газ представляет собой дисперсную систему с дисперсной жидкой и твердой фазами. 2

На начальных этапах эксплуатации газоконденсатных месторождений P вх в установки НТС значительно превышает P, необходимое для подачи в магистральные трубопроводы. Избыточное давление газа используется для получения низких температур, необходимых для отделения конденсата методом низкотемпературной сепарации. 3

Низкотемпературной сепарацией называют процесс извлечения жидких углеводородов из газов путем однократной конденсации при пониженных температурах от –10 до –25 о С с газогидромеханическим разделением равновесных газовой и жидкой фаз. 4

Промышленная реализация процесса НТС Метод НТС для извлечения жидких углеводородов из продукции скважин газоконденсатных месторождений был впервые применен в США в 1951 году. Первая промышленная установка НТС состояла из низкотемпературного сепаратора со змеевиком в нижней части, предназаначенным для расплава гидратов. Теплый газ из скважины проходил через змеевик, затем по выходе из змеевика сепаратора дросселировался и поступал в сепаратор. Отсепарированный газ направлялся в газопровод. 5

Дальнейшее развитие установок НТС шло по пути усложнения установок. В схему сначала включили рекуперационный теплообменник, затем системы впрыска и регенерации ингибитора гидратообразования, далее – холодильные машины и систему стабилизации конденсата. 6

7 Рис.1. Принципиальная технологическая схема установки низкотемпературной сепарации газа: 1, 5, 6 – сепараторы; 2,3 – рекуперативные теплообменники; 4 – дроссель.

Основные факторы, влияющие на процесс НТС Состав сырьевого газа. Чем тяжелее состав исходной смеси (чем больше средняя молекулярная масса газа), тем выше степень извлечения жидких углеводородов. Влияние температуры. Температуру на установках НТС выбирают, исходя из необходимой точки росы, обеспечивающей транспортировку газа по трубопроводу в однофазном состоянии, а в ряде случаев и, исходя из необходимости увеличения степени конденсации пропана и бутанов. Для легких газов снижение температуры сепарации от 0 до минус 40 ОС обеспечивает существенный рост степени извлечения конденсатообразующих компонентов. 8

Влияние давления. Давление сепарации определяется давлением в магистральном трубопроводе и в пределах обычно используемых давлений (5-7,5 МПа) мало влияет на степень извлечения компонентов С3 и выше. Более важен свободный перепад давления, позволяющий достигать низких температур сепарации. В период снижения пластового давления эффективность работы установок НТС поддерживается на прежнем уровне путем ввода дожимного компрессора и внешнего холодильного цикла. 9

Эффективность оборудования. На эффективность работы установок НТС влияет используемый источник холода. В процессе длительной эксплуатации скважин и при снижении пластового давления замена изоэнтальпийного расширения (дросселирование) на изоэнтропийное (расширение в детандерах) позволяет эффективнее использовать свободный перепад давления и при одном и том же перепаде давления при детандировании потока достигать более низких температур сепарации. 10

Число ступеней сепарации. При одинаковых параметрах (P и T последней ступени охлаждения) – чем меньше число ступеней сепарации, тем больше выход жидкой фазы и тем меньше содержание углеводородов С 5 и выше в товарном газе. Но при одноступенчатой сепарации чрезмерно высоки потери компонентов газа с углеводородным конденсатом. Увеличение ступеней сепарации повышает четкость разделения газовой и жидкой фаз. 11

Гидратообразование. Гидраты забивают трубки теплообменников и коммуникации установок НТС, что может привести к нарушению нормальной работы установки и даже к ее аварийной остановке. Для предотвращения гидратообразования в поток газа подают ингибиторы, в качестве которых используются водные растворы гликолей и метанола. 12

По мере длительной эксплуатации скважин эффективность работы установок НТС снижается по двум причинам: -уменьшение свободного перепада давления вследствие снижения пластового давления; -облегчение состава газа. 13

Недостатки установок НТС: зависимость извлечения целевых компонентов при дросселированных давлении и температуре от состава исходной смеси, и, вследствие этого, снижение эффективности процесса по мере облегчения состава газа и повышения температуры НТС; необходимость реконструкции установки с заменой источника холода после исчерпания свободного перепада давления; необходимость применения ингибитора гидратообразования, что усложняет и удорожает схему процесса по причине введения в схему блока отделения и регенерации ингибитора; высокие потери целевых компонентов с товарным газом; относительно низкие степени извлечения газового конденсата, особенно для тощих газов. 14

Достоинства установок НТС : низкие капитальные вложения и эксплуатационные расходы при наличии свободного перепада давления; одновременно с сепарацией имеет место осушка газа до точек росы, необходимых для транспортировки газа по магистральным газопроводам. 15

Низкотемпературная сепарация (НТК) Низкотемпературная конденсация (НТК) – это процесс изобарного охлаждения газа (P=const) до температур, при которых при примененном давлении появляется жидкая фаза с последующим разделением в сепараторах газовой и жидкой фаз. Одной и той же степени конденсации исходного газа можно достигать различными комбинациями значений температуры и давления. Степень конденсации углеводородов можно увеличивать двумя способами: повышением давления при постоянной температуре или понижением температуры при постоянном давлении. 16

Современные схемы установок НТК включают следующие узлы: компримирование газа (при необходимости) до заданного давления; осушка газа; охлаждение газа для образования двухфазной системы; сепарация двухфазной системы; деэтанизация (деметанизация) образовавшейся жидкой фазы.

Рис. Принципиальная схема процесса низкотемпературной конденсации (НТК):1,2- сепараторы 1-й и 2-й ступеней; 3- турбодетандер; 4- ректификационная колон­на; 5 -выветриватель конденсата; 6 - блок регенерации ингибитора гидратообразования; 7 -ребойлср; 8 - теплообменники; I и II - исходный и отсепарированный газ; III - ШФЛУ; IV- ингибитор гидрато­образования; V- конденсат сырого газа.

Низкотемпературная ректификация (НТР) основана на охлаждении газового сырья до температуры, при которой система переходит в двухфазное состояние, с последующим разделением образовавшейся газожидкостной смеси без предварительной сепарации в тарельчатых или насадочных ректификационных колоннах. Ректификационные колонны подразделяют на ректификационно-отпарные и конденсационно- отпарные.

Рис. Схема конденсационно-отпарной колонны установки НТР: 1 - холодильник-конденсатор; 2 - сепаратор; 3 - насос; 4 - ректификационная колонна; 5 –ребойлер