Природные газы и индивидуальные углеводороды
Природные газы и индивидуальные углеводороды
План
Введение
1. Общая характеристика углеводородных газов
2. Сепарация газа (низкотемпературная сепарация)
Литература
Введение
Рост добычи газа, особенно на газоконденсатных месторождениях, вызывает развитие переработки газовых конденсатов, количество которых уже велико и продолжает возрастать с каждым днем.
Увеличение добычи природного газа принципиально изменит топливный баланс страны и улучшит экономические показатели развития экономики. В настоящее время совершенствуются технологии переработки природных газов.
1. Общая характеристика углеводородных газов
Углеводородные газы делятся на природные (естественные) и искусственные. К природным относятся так называемые "сухие" природные газы, попутные нефтяные и газы конденсатных месторождений.
К природным (попутным) газам могут быть отнесены также газы стабилизации нефти. Природные газы, их компоненты либо отдельные фракции используются в качестве топлива и химического сырья.
Любые смеси углеводородных газов могут быть сожжены в газогорелочных устройствах топок, печей и технологических агрегатов, в цилиндрах и камерах сгорания поршневых и турбинных двигателей внутреннего сгорания.
Однако перед сжиганием природные (и искусственные) углеводородные газы практически всегда подвергают разделению для:
а) выделения некоторых наиболее ценных компонентов;
б) удаления вредных либо балластных компонентов, затрудняющих транспортирование газов или ухудшающих процесс сгорания;
в) обеспечения оптимального транспортирования двух основных групп компонентов природных газов: тяжелых углеводородов в жидком и легких в газообразном видах.
"Сухие" природные газы почти целиком состоят из метана и содержат небольшие количества углеводородов С>2>-С>4>, азота, углекислоты и сероводорода. В месте добычи они всегда насыщены влагой.
Сероводород может вызвать коррозию магистрального газопровода при транспортировании газа, а продукты сгорания сероводорода - коррозию технологического оборудования, в котором сжигается газ.
Газы, содержащие H>2>S, не допускаются к использованию в бытовых приборах, так как продукты сгорания их вредны для человеческого организма.
Влага с предельными углеводородами до С>4> при определенных (обычных для магистральных газопроводов) значениях концентраций, температур и давлений образует комплексные соединения - гидраты углеводородов вида С>n>Н>2>>n>>+2> т Н>2>О.
Гидраты, являющиеся твердыми ледообразными телами, иногда полностью заполняют проходные сечения трубопроводов.
Для транспортирования газа нежелательно присутствие больших концентраций балластных примесей - азота и углекислоты.
Поэтому "сухие" (метанистые) природные газы на головных сооружениях магистральных газопроводов подвергаются предварительному разделению - осушке, очистке от сероводорода и углекислоты, а иногда и от азота.
Газы газоконденсатных месторождений в условиях пласта (давление 100-500 am, температура 30-80° С) содержат иногда значительные количества углеводородов С>5>-С>10>.
При выходе газа на поверхность земли и снижении давления до обычных в магистральных газопроводах значений (50-60 am) имеет место понижение температуры за счет эффекта Джоуля-Томпсона на 30-50° С; при этом в результате так называемой "ретроградной конденсации" происходит выделение из газовой фазы тяжелых компонентов С>5>-С>10>.
В условиях относительно высоких давлений и низких температур в этих тяжелых компонентах растворяются легкие углеводороды C>1>-С>4>.
Образующаяся при этом жидкость (конденсат), содержащая всю гамму углеводородов C>1> - С>10>> >и богатая тяжелыми компонентами, иногда заливает целые участки магистрального газопровода, мешая его нормальной эксплуатации.
Разделение газов газоконденсатных месторождений с целью удаления тяжелых компонентов (одновременно удаляется влага) называется сепарацией.
Попутные нефтяные газы выделяются из нефти при давлениях 1-6 am (а иногда и под вакуумом). Для транспортирования на дальние расстояния их приходится сжимать до давлений 50-60 ат.
При изотермическом сжатии таких газов из них выделяются в виде конденсата компоненты С>3>-С>8>. Выделение этих компонентов необходимо по следующим соображениям:
1) углеводороды C>3>-С>8> могут быть использованы после несложной переработки как моторное топливо;
углеводороды С>3>-С>4> ("сжиженные углеводородные газы") широко используются как химическое сырье и для газоснабжения пунктов, удаленных от линий газопроводов;
для обеспечения возможности транспортирования по магистральным газопроводам углеводородов С>1>-С>2> необходимо значительно уменьшить концентрацию углеводородов С>3>-С>4> и практически полностью удалить углеводороды С>5>-С>8>.
Извлечение из попутных газов углеводородов С>3>-С>8> и разделение их на фракции (либо индивидуальные компоненты) производится на газобензиновых заводах (ГБЗ). Иногда попутные нефтяные газы (при работе скважин под вакуумом) содержат значительные количества воздуха.
В этом случае оказывается целесообразным выделение из газа его балластных компонентов, в особенности если газ предназначается для транспортирования по магистральным газопроводам.
Как видно из изложенного, для использования природных и искусственных газов в качестве топлива (с транспортированием их по магистральным газопроводам) в большинстве случаев необходимо их предварительно разделять.
Разделение, имеющее целью удаление компонентов, концентрации которых в исходном газе невелики, называется очисткой, а по отношению к воде - осушкой.
Показатели, которым должны удовлетворять газы, транспортируемые по магистральным газопроводам, представлены в табл.1.
Использование углеводородных газов как химического сырья в большинстве случаев требует выделения из смесей не фракций, а индивидуальных углеводородов иногда очень высокой степени чистоты.
Это объясняется тем, что управлять химическими реакциями воздействием температур, давлений и времен контакта легче, если в качестве сырья использовать только одно исходное вещество достаточной степени чистоты.
Наиболее часто как химическое сырье используются следующие компоненты природных газов: метан, этан, пропан и н-бутан; парафины: изобутан и изопентан; углеводороды С>9>-С>12> из конденсатов, сероводород и гелий.
Метан является исходным сырьем в производстве хлор - и фтор-производных, используемых для получения многих полимерных материалов. Этан является одним из лучших видов сырья для производства этилена, а также используется в производстве хлорпроизводных.
Применение этана или его смесей с метаном перспективно в производстве ацетилена. Пропан широко используется для получения этилена, этилена и пропилена, этилена и ацетилена методом пиролиза. н-Бутан является исходным сырьем для производства бутадиена и бутилена.
Изобутан применяется в производстве изобутилена и для хлорирования, сульфирования и др.; изобутилен полимеризуется в синтетический каучук - полиизобутилен, а также используется вместе с изобутаном в производстве изооктана - высокооктановой добавки к моторным топливам.
Изопентан служит добавкой к авиабензинам, так как он является высокооктановым топливом с высокими пусковыми характеристиками.
Кроме того, изопентан используется в производстве изопрена - сырья для получения полиизопренового каучука, амиловых спиртов, хлор - и сульфопроизводных. Все парафины изостроения легко алкилируются. Конденсаты газоконденсатных месторождений содержат фракции с температурами кипения до 300° С. Фракции до 200° С используются как растворители и моторное топливо, а фракции 200 - 300° С могут быть использованы в производстве моющих средств сульфохлорированием.
Таблица 1.
Показатели, которым должны удовлетворять газы, транспортируемые по магистральным трубопроводам
Общепринятой схемы разделения углеводородных газов нет и не может быть.
В каждом индивидуальном случае в зависимости от состава исходного газа, степени извлечения и чистоты целевых компонентов, производительности установки и многих других факторов на основании технико-экономического анализа может быть выбрана оптимальная схема разделения.
Отдельные процессы в установках разделения углеводородных газов, а также отдельные аппараты этих установок рассчитывают методами последовательного приближения. Такие расчеты могут быть произведены только на вычислительных машинах. [1, с.10]
2. Сепарация газа (низкотемпературная сепарация)
При добыче нефти и газа вместе с этими продуктами на дневную поверхность извлекается целая гамма углеводородов. Среди последних имеются легко меняющие свое фазовое состояние. К таким углеводородам метанового ряда можно отнести углеводороды от С>3> до С>6>.
Эта группа углеводородов при сравнительно небольших изменениях давлений и температур легко переходит из жидкого состояния в газообразное и наоборот.
Нестабильность указанных выше углеводородов вызывает в работе промыслов и газопроводов серьезные осложнения, так как в трубопроводах они могут сконденсироваться и образовать пробки.
Эти углеводороды, испаряясь в хранилищах, уносят с собой и более тяжелые фракции, вызывая потери и загазовывая территорию. Между тем углеводороды от С>3> до С>5> (и их изомеры) представляют для нефтехимической промышленности особую ценность.
Как известно, на нефтяных и газовых промыслах нефть от газа и газ от конденсата отделяют в сепараторах (трапах).
Сепарация газа и жидкости - важнейшая промысловая операция. По существу она является первой стадией подготовки газа к транспортировке.
Сепаратор должен включать следующие секции и оборудование:
главную сепарационную секцию для удаления капель жидкости из газа, высота которой должна быть достаточна для осаждения мельчайших капель жидкости под действием силы тяжести;
емкость для жидкости, предназначенную для улавливания больших порций жидкости, иногда поступающей из газопроводов;
приспособление для уменьшения турбулентности потока в самом аппарате для лучшего оседания капель жидкости; коагулятор для улавливания из газа мельчайших капель, которые слишком малы и не оседают под действием силы тяжести;
средства контроля давления и уровня жидкости.
Все сепарирующие устройства можно подразделить на собственно сепараторы и скрубберы. Скруббером можно назвать любое приспособление, предназначенное только для отделения жидкости от газа, не имеющее емкости для накопления жидкости, сепарационной секции для осаждения капель и не оборудованное средствами контроля давления и уровня жидкости.
Работа любого сепаратора основана на применении одного или нескольких принципов осаждения: за счет силы тяжести, центробежной силы, соударения, электростатических сил, ультразвука, фильтрации, коагуляции, адсорбции и термического воздействия.
Проблема усложняется тем, что частицы имеют различные размеры и могут быть твердыми и жидкими. Поэтому размеры сепараторов и их стоимость всегда определяются характеристикой обрабатываемого газа.
Размер частиц обычно определяется их диаметром, выраженным в микронах. Частицы, размером более 10 мкм можно легко отделить от газа в обычном сепараторе.
Более мелкие частицы отделить от газа очень трудно даже при использовании силы тяжести, соударения, центробежной силы и фильтрования.
Сепарацию, основанную на других принципах, использовать для газовых потоков высокого давления пока не удается.
Капли жидкости, попавшие в сепаратор, находятся в нестабильном состоянии. При соответствующем времени контакта происходит их коагуляция или испарение.
Время контакта обычно обратно пропорционально размерам капель, и прямо пропорционально количеству контактов между частицами.
На этом допущении основана сепарация - за счет соударения. По-существу, коагулятор частиц предназначен именно для того, чтобы соударение и сепарация произошли за приемлемый промежуток времени.
Такие свойства жидкости, как поверхностное натяжение, влияют на коагуляцию частиц и их осаждение, поэтому при проектировании сепараторов их необходимо учитывать.
Химические свойства веществ не имеют никакого значения для сепарации их частиц.
Например, разница в химических свойствах гликоля и нефти не влияет на их сепарацию, хотя физические характеристики этих веществ могут оказать существенное влияние на осаждение их частиц в сепараторе.
Многие промышленные коагуляторы основаны на нескольких принципах сепарации, поэтому очень трудно, а иногда невозможно определить эффективность каждого из них или их взаимное влияние.
Сепарация, распространенная у нас на промыслах, обычно проходит при сравнительно высоких (и, во всяком случае, положительных) температурах и носит в основном характер чистого газодинамического процесса, при котором от газа отделяются уже выделившиеся и сформировавшиеся при данном давлении и температуре частицы (глобулы) углеводородной жидкости.
Естественно, что такая "высокотемпературная" сепарация не даст значительного эффекта, так как углеводороды, находящиеся в газе в парообразном состоянии, не отделяются от него и поступают с ним в трубопроводы.
Поэтому, чтобы извлечь из газа все сравнительно легко конденсирующие компоненты, важно в сепараторах понизить температуру газа.
В этом случае в сепараторах будут проходить два процесса: термодинамический процесс выделения (конденсации) жидкости и газодинамический процесс отделения этой жидкости от газа.
Этот комплекс процессов и получил название "низкотемпературная сепарация". Низкотемпературная сепарация является наиболее эффективным процессом для выделения и отделения из сырого газа всех высококипящих компонентов.
Кроме того, сепарация газа при низкой температуре является отличным средством для дегидратации его, так как под действием сравнительно низких температур содержащиеся в газе пары воды конденсируются в капельную жидкость, переходя затем в кристаллогидраты, которые, как и жидкие углеводороды, в сепараторах отделяются от газа.
Дегидратации газа (осушка) совершенно необходима, потому что образующиеся кристаллогидраты, выпадая, могут перекрыть газопровод и прекратить транспорт газа.
Можно утверждать, что низкотемпературная сепарация является высокоэффективным комплексным процессом, освобождающим газ от воды и "выбивающим" из него высококипящие компоненты.
Универсальность и высокая эффективность низкотемпературной сепарации газа в сочетании с практически бесплатным холодом, получаемым на промыслах в результате использования энергии, заключенной в самих газовых потоках высокого (100-200 am) давления, делает этот процесс незаменимым почти на всех газодобывающих промыслах, где требуется осушить и обезжирить газ.
Продукция газоконденсатных месторождений, как видно по изотермам конденсации, содержит большое количество ценных жидких компонентов, которые при определенных условиях находятся в растворе с газом, и, если этот газ не подвергнуть обработке холодом, компоненты вместе с ним будут попросту сожжены как топливо. [2, с.12]
Литература
Клименко А.П. Разделение природных углеводородных газов. К.: Техника, 1964. - 371с.
Арутюнов А.И. Низкотемпературная сепарация природного газа. М.: Гостоптехиздат, 1961. - 49с.