Газохимия Лекция 7.2 Способы получения холода для разделения углеводородных газовых смесей. Компрессионный метод. Низкотемпературные методы: абсорбция, конденсация, ректификация, адсорбция Лектор – к.т.н., доцент кафедры ХТТ Юрьев Е.М.

Разделение углеводородных газовых смесей -Низкотемпературная сепарация (НТС) - наиболее технологически простой – позволяет разделить на фракции С 1 -С 4, С 5+ ; -Процессы для разделения на фракции С 1, С 2+ (компрессионный; масляная абсорбция, в т.ч. низкотемпературная; низкотемпературная конденсация, и ректификация; адсорбция, в т.ч. низкотемпературная). Название Формулаt пл, °Сt кип, °С Относительная плотность жидкости при 20 °С МетанCH4-182,5-161,50,416 (t кип ) ЭтанC2H6C2H6 -183,3-88,60,546 (t кип ) ПропанC3H8C3H8 -187,7-42,10,585 (t кип ) н-БутанC 4 H ,3-0,50,6 (t кип ) н-ПентанC 5 H ,736,070,6262 н-ГексанC 6 H ,368,70,6594 н-ГептанC 7 H ,698,40,638 н-ОктанC 8 H ,8125,70,7025 н-НонанC 9 H ,5150,80,7176 н-ДеканC 10 H ,7174,10,73 Фреон R-11CFCl ,4523,651,4905 Фреон R-12CF 2 Cl ,95-29,745,11 (t кип ) АммиакNH 3 -77,73-33,346,814 (t кип )

Компрессионный метод -сжа­тие газа с последующим его охлаждением; -оптимальное давле­ние сжатия (2,0 - 4,0 МПа) зависит от: -состава ис­ходного газа; -требуемой степени извлечения целевых компонен­тов; -энергозатрат на сжатие и охлаждение и т.п. -сжимают с помощью двух- или трехступенчатых поршневых (р>4,5 МПа ) и турбокомпрессоров; -Для повышения эффективности применяют межступенчатое охлаждение газа в промежуточных холодильни­ках и охлаждение стенок цилиндров компрессора; -для при­вода используют электродвигатели, газомоторы, па­ровые или газовые турбины. -применяют для отбензинивания жир­ных газов, содержащих более 150 г УВ С 3+ /1 м 3 газа. Недостатки - нечеткое раз­деление: попадание легких УВ в кон­денсат, потеря части тяжелых УВ с га­зовой фазой.

Компрессионный метод Технологическая схема компрессорной установки отбензинивания: 1 приемник-аккумулятор; 2, 3, 19, 20, 21 сборные емкости; 4, 5, 6 соответственно I, II и III ступени компрессии; 7, 8, 9 маслоотделители; 10, 11, 12, 18 холодильники; 13 отпарная колонна; 14, 15, 16 сепараторы соответственно I, II и III ступени компрессии; 17 теплообменник; 22 емкость орошения; 23, 24, 25, 26 насосы. Потоки: I газ; II газовый бензин; III загрязненный конденсат на отпарку; IV остаток из отпарной колонны и масло из маслоотделителей в сборную емкость 3; V газовый бензин на газофракционирующую установку; VI водяной пар. Давление на ступенях сепарации: 1 - 0,05-0,15 МПа; 2 - 0,3-0,5 МПа; 3 - 3,8-5 МПа.

Абсорбционный метод -НТА является наиболее распространенным на ГПЗ у нас в стране и за рубежом; -основан на избирательном поглощении тяжелых компонентов газа жидкими абсорбентами (бензин, керосин или фракцию ДТ, чаще всего КФ И ДФ с ММ ) -раство­римость компонентов газа в абсорбенте растет при ММ, р, Т. Абсорберы – тарельчатые (колпачковые и ситчатые та­релки), температура не выше о С, давление 1,0-5,0 МПа. Десорбция: температура о С, давление 0,3-0,5 МПа, десорбирующий агент - острый водяной пар. Зависимость степени извлечения углеводорода от кратности абсорбента (температура абсорбции 20 о С, давление 7 МПа): соответственно метан, этан, пропан, бутан и пентан

Маслоабсорбционный метод Степень извлечения фракций: -С 3 до 60-90%; -С 4 до 80-98%; -С 5+ до 94-99%. Температура: -Температура окружающего воздуха; -Иногда пропановое и аммиачное охлаждение. Режим работы установок низкотемпературной абсорбции (НТА): -температура в абсорбере - (-20)-(-60) °С, -давле­ние, МПа: в абсорбере 4-6, в АОК - 2,0-3,5, в адсорбере - 1-2; Степень извлечения: -этана - 20–50 %; -пропана %; -бутанов и выше - 100%. Процесса НТА эффективен при наличии высокого давления газа на выходе из скважин: эффект дроссе­лирования для охлаждения газа перед абсорбером - НТС и НТА.

Маслоабсорбционный метод Принципиальная схема отбензинивания газа масляной абсорбцией: 1,2- охладители газа; 3 - сепаратор; 4 - абсорбер; 5 - абсорбционно-отпарная колонна; 6 - десорбер; 7 - холодильники; 8 - ребойлеры; 9 - теплообменники; I и II - исходный и отбензиненный газы; III - газ деэтанизации; IV - ШФЛУ; V и VI - насыщенный и регене­рированный абсорбент. t=0-10 °C t=10-30 °C р=4-7 МПа р=1-4 МПа р=0,7-1,5 МПа

Маслоабсорбционный метод Факторы: -температура и давление процесса; -состав исходного сырья и требуемое качество продуктов; -число теоре­тических тарелок в абсорбционных и ректификационных ко­ лоннах; -природа и физико-химические свойства используемого абсорбента и др.

Низкотемпературная абсорбция Температура: применение пропанового холодильного цикла -30-(-40) о С - извлечение % этана, до 95 % пропана и 100 % газового бензина. Плюс: Понижение температуры абсорбции приводит к повышению степени конденсации всех углеводородов: причем скорость увеличения степени конденсации для тяжелых компонентов газа выше, чем для легких (!!!). Давление: на отечественных установках - природные газы - до 5,5 МПа, нефтяные газы - до 4 МПа. Повышение давления в абсорбере приводит к увеличению извлечения легких компонентов газа - возрастает нагрузка на верхнюю часть АОК. Снижение температуры и повышение давления в абсорбционных аппаратах позволяют использовать низкомолекулярные абсорбенты (молекулярная масса ) и вести процесс при низком удельном расходе абсорбента.

Низкотемпературная абсорбция Процесс абсорбции экзотермичен - существует проблема теплосъема по высоте абсорбера. Наибольший экзотермический эффект: -наверху поглощается основная масса метана и этана; -внизу – бутана+; Причем, тепло абсорбции нежелательных компонентов (С 1-2 ) больше, чем целевых компонентов (С 3+ ), поэтому извлечение С 1-2 приводит к повышению средней температуры абсорбции и снижению эффективности процесса разделения газов. Для нормализации теплового режима и повышения эффективности процесса предложены: -съем тепла по высоте абсорбера за счет промежуточного охлаждения насыщенного абсорбента в выносных теплообменниках; -охлаждение насыщенного абсорбента в теплообменниках, расположен­ных внутри абсорбера; -насыщение регенерированного абсорбента легкими углеводородами за пределами абсорбера со съемом тепла абсорбции перед подачей абсорбента в абсорбер.

Низкотемпературная абсорбция Уменьшить выделение тепла внизу абсорбера и повысить степень извлечения целевых компонентов можно, производя отбензинивание газа за пределами абсорбера: -либо насыщенным абсорбентом, стекающим с нижних тарелок абсорбера; -либо методом НТК. Основные направления совершенствования процесса НТА: -снижение температуры потоков, поступающих в абсорбер; -повышение давления в блоке низкотемпературной конденсации (охлаждения) и абсорбции газа; -насыщение регенерированного абсорбента газами С 1-2 за счет смешения абсорбента с сухим газом абсорбера и (или) АОК; -использование низкомолекулярных абсорбентов; -осуществление процессов абсорбции и десорбции с регулируемым по высоте аппарата теплосъемом и т.д.; -предварительное отбензинивание сырого газа за пределами абсорбера.

Адсорбционный метод -используются в процессах газопе­реработки -для очистки инертных газов (гелий, не­он, аргон и др.) от микропримесей кислорода и азота; -для очистки воздуха от СО 2 -адсорбент - гранулированный активированный уголь или силикагель (стационарный слой); -используют, когда концентрация извлекаемых компонентов в газе очень мала, извлечение их затруднительно, а требуется получить продукты высокой степени чистоты; -высокая избирательность; -весьма дорогостоящие, требуют обеспечения хорошего теплосъема и четкого контроля, высокие эксплуатационные затраты; -проводят при пониженных температурах (т.к. парциальные давления низки) и повышенных давлениях; -крайне важен теплосъем - применяются адсорберы кольцевого типа или в виде кожухов-трубчатого теплообменника; -для десорбции (при °С) применяют: -острый или перегретый пар (в случае угля); -сухой горячий газ (в случае силикагеля).

Способы низкотемпературной конденсации и низкотемпературной ректификации Низкотемпературная конденсация (НТК) - это процесс изобарного охлаждения газа до температур, при которых при примененном давлении появляется жидкая фаза с последующим разделением в сепараторах газовой и жидкой фаз. Высокой четкости разделения НТК добиться практически невозможно - схемы НТК включают колонны: - деэтанизации (для отделения этана из пропан-бутановой фракции) - деметанизации (метана - из фракции С 2+ ). Низкотемпературная ректификация (НТР) основана на охлаждении газового сырья до температуры, при которой система переходит в двухфазное состояние, с последующим разделением без предварительной сепарации в тарельчатых или насадочных ректификационных колоннах. Процессы НТК и НТР включает следующие стадии: осушка газа; компримирование газа до давлений 3-7 МПа; охлаждение сжатого и осушенного газа до (–10)-(–80) °С; разделение частично сконденсировавшегося газа на нестабильный газовый бензин и несконденсированный сухой газ. Для производства искусственного холода используют обычно компрессорные холодильные машины, хладагентом в которых являются пропан, этан или фреон, а также турбодетандеры, в которых энергия расширяющегося газа рекуперируется для производства холода.

Низкотемпературная конденсация 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 -ребойлер; 8 - теплообменники; I и II - исходный и отсепарированный газ; III - ШФЛУ; IV- ингибитор гидратообразования; V- конденсат сырого газа. t=-77 °C t=-55 °C

Низкотемпературная конденсация Схемы установок НТК включают следующие узлы: -осушка газа; -компримирование газа (при необходимости) до заданного давления; -охлаждение газа для образования двухфазной системы; -сепарация двухфазной системы; -деэтанизация (деметанизация) образовавшейся жидкой фазы. Схемы НТК классифицируют по числу ступеней конденсации на одно-, двух- и трехступенчатые (с промежуточным понижением температуры) и числу источников холода.

Низкотемпературная конденсация Дросселирование + пропановый ХЦ (до -70°С) или каскадный пропан- этановый ХЦ (до -90°С): -Извлекается 85-87% этана; -99 % - пропан; -100 % С 4+. Глубина извлечения целевых компонентов - заданная степень конденсации газовой фазы - конечная температура охлаждения - подвод расчетного количества холода – за счет работы газовой фазы в турбодетандере. Температура охлаждения обязательно должна быть ниже критической! Однако: т.к. углеводородные газы способны растворяться в углеводородных жидкостях – при конденсации тяжелых компонентов имеет место частичная конденсация растворение легких компонентов с Т кр ниже, чем температура смеси (!!!) – требуется ректификация!

Низкотемпературная конденсация С повышением давления в системе степень конденсации при T=const увеличивается, а избирательность процесса снижается; В области низких P степень конденсации быстро меняется с изменением давления; в области высоких Р - интенсивность конденсации снижается. Значение давления газа не столь критично, как при НТС, потому что эффект понижения температуры достигается за счет охлаждения газом, совершившим работу в детандере. Понижение температуры: интенсивно степень конденсации увеличивается с понижением температуры до определенного значения, ниже которого скорость конденсации замедляется. В области низких Т - большая разность значений летучести компонентов – избирательность процесса выше. Поэтому целесообразно проводить процесс: -при умеренном давлении; -низких температурах; -использовать НТК + деметанизацию или деэтанизацию жидкой фазы в колоннах для удаления растворенных в ней легких компонентов.

Низкотемпературная ректификация Отличие схемы НТР от НТК - отсутствие предварительной сепарации перед подачей в ректификационную ко­лонну. Метод используют в следующих процессах: -для разделения природных и нефтяных газов; -для получения гелия, водорода, дейтерия, оксида углерода; -для разделения воздуха с целью получения кислорода, азо­та и инертных газов (неона, криптона, ксенона, аргона); -для очистки некоторых газов.

Низкотемпературная ректификация Конструктивное оформление установок: -используются внешние или внутренние холодильные циклы; -для подвода тепла в куб колонны используются кипятиль­ники, расположенные непосредственно под колонной, в кото­рых теплоносителем служит подаваемое на разделение сырье, либо ребойлеры, в змеевик которых подается сырьевой поток, а тепло в колонну поступает с паровой фазой, выделенной в ребойлере из кубового продукта колонны; -ректификационная колонна может не иметь холодильника-конденсатора для верхнего продукта и работать как колонна исчерпывания; (например, для конденсации паров низкокипящего азота).

Низкотемпературная ректификация РК на установках НТР подразделяют на: -ректификационно-отпарные (в РОК газовый поток ох­лаждается последовательно обратным пото­ком сухого газа и в холодильнике и без предварительной сепарации подается в среднюю часть ко­лонны; в схему включают либо холодильник с внешним хладагентом, либо дроссели и турбодетандеры); -конденсационно-отпарные (газовый поток после охлаждения обрат­ным потоком сухого газа поступает в сепара­тор на разделение; газовая фаза - в турбодетандер, жидкая фаза - через дроссель; затем газовая (целиком или часть) и жидкая фазы объединяются и поступают в середину КОК в качестве питания). РОК: меньшие расходы энергии, но более высокие капитальные затраты; высокая четкость разделения вследствие присутствия больших количеств НКК, которые повышают парциальное давление извлекаемых компонентов в жидкой фазе и ускоряют процессы массообмена. КОК: больший расход энергии при экс­плуатации, но ниже капитальные затраты; снижается нагрузка на колонну путем отделения основного количества сухого газа в сепараторе; схему с дроссели­рованием и детандированием целесо­образно использовать в тех случаях, когда имеется свободный перепад давления между сырьевым и сухим газом;

Низкотемпературная ректификация Схема НТР с двухпоточным вводом сырья (60 % - напрямую в среднюю часть колонны, 40 % - через охлаждение): 1 - теплообменник; 2 - пропановый испаритель; 3 - трехфазный сепара­тор; 4 - насос; 5 - ректификационная колонна; 6 - испаритель-подогреватель -энергозатраты ниже примерно на 10 %; -процесс идет при более высоких температурах.

Способы низкотемпературной конденсации и низкотемпературной ректификации Различие заключается в последней стадии: НТК - на разделение направляется только конденсат (из сепаратора); НТР - вся парожидкостная смесь. НТК: -требует меньших расходов тепла, холода и затрат на строительство; -осуществляется в аппаратах меньшего объема НТР: -позволяет более глубоко извлекать пропан из газа; -получать более чистые индивидуальные углеводороды/узкие фракции. НТА: -разделение можно осуществлять при умеренных температурах (например, пропановые испарители);