Сверхзвуковая сепарация в технологии переработки газового углеводородного сырья.

Для подготовки газа, добываемого на газовых или нефтяных месторождениях, к дальнейшей транспортировке потребителям используются традиционные способы, заключающиеся в из­влечении тяжелых углеводородов. К ним отно­сятся:

· абсорбционное извлечение;

· адсорбция на твердых поглотителях;

· низкотемпературная конденсация (НТК).

Первый способ — один из старейших (с 1913 г.). В качестве абсорбента в нем исполь­зуют керосиновую или дизельную фракции. Производственники называют ее «маслом», и поэтому установки получили название маслоабсорбционных.

НТК — основной способ выделения углево­дородов, заключаюпдийся в конденсации угле­водородов при понижении температуры за счет дросселирования газа (эффект Джоуля-Томсона) или его расширения в турбодетандере (изоэнтропийный процесс). Для достижения более низких температур (-70°С) используется искусственное охлаждение пропаном.

Низкотемпературная конденсация достаточ­но энергоемка, но при этом достигается макси­мально возможное извлечение жидких углеводо­родов и, соответственно, очистка и осушка газа.

В последнее время в России и за рубежом уделяется все большее внимание внедрению но­вых технологий, основанных на законах физики, термодинамики, аэродинамики. Например: регулируемые вихревые трубы;

волновой детандер-компрессор;

сверхзвуковая сепарация.

В данной статье подробно изложены вопросы, связанные с разработкой и промышленным внедрением последней техноло­гии. В 2002 г. ОАО «АК «Сибур» приступило к опытно-промыш­ленному внедрению новой технологии выделения жидких углеводородов из природного и попутного газа, получившей название сверхзвуковой сепа­рации — Super Sonic Separator (3S). Разработчик и лицензи­ар данной технологии — ком­пания TransLang Technologies Ltd. — TLT (Канада). Оператор проекта в России — компания «Фонд деловое сотрудничество "Восток-Запад". Центр "ЭНГО"».

«ЗS»-Texнoлoгия компании TLT уже запатентована в России, США, Австралии, Евразии. Центр «Энго» имеет лицензированные права на ее использование в России.

Развитие этой техноло­гии основано на достижени­ях аэродинамики, связанны» с аэрокосмической техникой. «3S»-CenapaTop (рис. 4) представляет собой участок трубо­провода. Для простоты обслу­живания и замены внутренних устройств сепаратор собран из отдельных сегментов трубопро­вода, соединенных фланцами. Газовый поток под избыточным давлением поступает в сепара­тор, закручивается специаль­ным устройством, разгоняется до сверхзвуковых скоростей в сопле и затем дросселируется. За счет резких перепадов давления (сжатие и расширение), пониже­ния температуры в рабочей зоне происходит разделение потока на газ и жидкость. Последняя отбирается через специальные устройства, а газовый поток поступает в диффузор, где его давление выравнивается, после чего газ направляется потреби­телям.

В результате сепарации по­лучается очищенный газ и жид­кий поток с остатком растворен­ных в нем легких газообразных углеводородов С₁-С₂, т.е. в се­паратор поступает смесь «жид­кость в газе», а из него — «газ в жидкости».

В зависимости от решаемых задач в «3S»-технологии исполь­зуются до- или сверхзвуковые сопла, различные типы закручивающих устройств и диффузоров. Стенка рабочей зоны может быть снабжена специальной перфорацией для дополнительного отбора жидкости.

На базе этих разработок были созданы соответствующие экспериментальные установ­ки сепарации природного газа, которые прошли тестирование на испытательных стендах. Взяв за основу разработанную и запатентованную в Канаде установку производительнос­тью 7-9 кг/с по входному по­току (около 500 млн нм³/гoд), работающую на испытатель­ном полигоне вблизи г. Калгари (Канада), на одном из предприятий Московской обл. был раз­работан и изготовлен экспери­ментальный стенд (рис. 2) с ус­тановкой «3S»-сепаратора про­изводительностью 1,5-2,5 кг/с по входному потоку, рабочим давлением до 150 атм. и воз­можностью изменения началь­ной температуры от -60 до

+20 ⁰С.

Для выяснения эффектив­ности «3S»-сепаратора при па­раметрах газа, используемых в расчетах, были проведены спе­циальные эксперименты на газодинамическом стенде. На нем было проведено более 400 ис­пытаний при различных темпе­ратурах, давлениях и составах газовых смесей. Испытаны до-, около- и сверхзвуковые режимы сепарации.

Результаты эксперимен­тов приведены в табл. 1 и 2: в табл. 1 — компонентный состав газа на входе в модельный сепа­ратор (точка 1) и выходе из него (точка 2), в табл. 2 — режимные параметры испытаний, а также значения разности измеренных объемных концентраций це­левых компонентов до и после очистки (Δα=α₁-α₂ , где α₁ и α₂ являются суммой концентраций компонентов 3-9, см. табл. 1).

Для сравнения в табл.2 при­ведены результаты очистки газа изоэнтропийным способом (Δα_s) и дросселированием (Δα_D):

Δα_s = α₁-α_2S ; Δα_D = α₁-α_2D

где α_2S и α_2D — расчетные зна­чения суммарной концентрации компонентов  3-9 для изоэнтропийного процесса, соответству­ющего расширению газа в иде­альном турбодетандере, и для процесса дросселирования соот­ветственно.

Разность концентраций це­левых компонентов до и после очистки (Δα) по «3S»-технологии близка к значениям для изоэнтропийного процесса, в то время как для процесса дросселирова­ния — значительно выше.

Рисунок 4. Схема экспериментального стенда.

1 - рабочий газ; 2 — теплообменник; 3 — жидкие компоненты;

4,9,10,14 — трубопроводы; 5 — смеситель;

б — входной отсек; 7 — сепарационный отсек;

8 — разделительный отсек; 11 — шнековый сепаратор;

12 — емкость для жидкости; 13 — уровнемер;

15 — трубы Вентури; 16 —дроссельные шайбы;

17 —расходомерные сопла; 18 — подача смеси на сжигание;

19 — турбинный расходомер; 20 — клапаны;

21 —- емкость с целевыми компонентами; 22 — сжатый азот;

23 — трубопровод для выхода жидкости.

Приборы: П1, П2 — пробоотборники; Т1-Т6 — термопары; Р1-Р10 — датчики давлений;

API, АР2 — датчики перепада давлений для труб Вентури

В сравнении с традиционными технология­ми (JT-клапан — дроссель) установки «3S» при любых условиях работы превосходят по эффек­тивности: выделение тяжелых углеводородов увеличивается не менее чем на 30% (притом же перепаде давления), а экономия компрессорных мощностей при решении задач подготовки газа к транспортировке достигает 50-70%, вследствие чего уменьшаются эксплуатационные издержки. Они эффективно работают и в таких условиях, когда JT-клапан неприменим.

На рис.3 представлен график сравнительной эффективности «3S»-установки и JT-клапана при сепарации газового потока для одной из се­рий испытаний в дозвуковом режиме.

Рисунок 5. Степень извлечения тяжелых углеводородов по «3S» (эксперимент) и JT (расчет) – технологиям, %.

Каждой точке на этом графике соответствует резуль­тат испытания «3S»-установки. При этом со­ответствующее значение по вертикальной оси означает степень извлечения тяжелых угле­водородов, достигнутую в этом эксперименте, а по горизонтальной оси — расчетную степень извлечения для JT-клапана притом же пере­паде давления.

Уже сейчас (на ранней стадии развития технологии) схемы НТК с использованием «3S»-сепаратора превосходят по эффективности схемы с использованием турбодетандеров (изоэнтропийный процесс) в случае низкого и уме­ренного расхода газа и для достаточно богатых по содержанию соответствующих компонентов га­зов. На рис.4 представлен сравнительный анализ использования двух таких схем с одинаковыми входными и выходными параметрами.

«3S»-Сепараторы можно эффективно исполь­зовать во многих ситуациях, когда турбодетандеры неприменимы по техническим (например, высокое входное давление) или экономическим (выделение пропан-бутанов на месторождениях малого и среднего объема) соображениям.

· «3S»-Технология обладает потенциалом ис­пользования при решении следующих задач га­зовой промышленности:

· подготовка газа к транспортировке (дегид­ратация и выделение тяжелых углеводородов);

· извлечение пропан-бутанов (LPG), H2S и CO₂, этана;

· сжижение метана.

Таблица 6. Компонентный состав газа до и после сепарационной отчистки.

В настоящее время созданы и испытаны установки, способные эффективно извлекать углеводороды С₅₊ и С₃₊. Ведутся испытания «3S»-установки, предназначенной для осушки природного газа от паров воды. Проводятся ин­тенсивные экспериментальные исследования по дальнейшему повышению эффективности «3S»-установок для выделения С3+ и созданию установки для выделения этана.

На основе предлагаемой технологии в сочета­нии с традиционным оборудованием (теплообмен­ники, газожидкостные сепараторы, холодильни­ки, дистилляционные и ректификационные ко­лонны и т.д.) созданы высокоэффективные схемы низкотемпературной конденсации, которые можно использовать на промыслах и газоперерабатывающих заводах, в том числе при переработке газа на морских платформах.

«3S»-Технологии имеют некоторые преимущества по сравнению с традиционными методами очистки природного газа:

· малогабаритность и, как следствие, — возможность размещения в достаточно ограни­ченном объеме, легкого включения в комплекс другого оборудования, снижение стоимости монтажа;

· низкие капитальные и эксплуатационные затраты;

· экологическая безопасность;

· отсутствие движущихся деталей;

· отсутствие необходимости постоянного обслуживания;

· возможность использования энергии пласта.

Достигнутые результаты позволяют гово­рить о том, что технологии с использованием «3S»-сепараторов превзойдут эффективность соответствующих комплексов, основанных на турбодетандерах, в широком диапазоне возможных применений, в том числе при выделении этановой фракции.