Теоретические исследования применимости физической абсорбции для промысловой очистки газа от сероводорода

Авторы: Шестерикова Елена Александровна, Шестерикова Анастасия Андреевна

.

Рубрика: Науки о Земле

Страницы: 147-150

Объём: 0,21

Опубликовано в: «Наука без границ» № 11 (16), ноябрь 2017

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Шестерикова Е. А., Шестерикова А. А. Теоретические исследования применимости физической абсорбции для промысловой очистки газа от сероводорода // Наука без границ. 2017. № 11 (16). С. 147-150.

Аннотация: Статья посвящена проблеме промысловой подготовки газа на газоконденсатных малосернистых месторождениях. В условиях промысловой подготовки малосернистых газов экономически и технологически оправдано использование простых прямоточных абсорберов. Авторами выполнены исследования возможности использования прямоточных массообменных аппаратов при физической абсорбции. Исследования авторов основаны на применении известных газовых законов.

При разработке малосернистых газоконденсатных месторождений основной задачей является выбор метода промысловой подготовки газа. От этого зависят как технические, так и экономические показатели добычи углеводородного сырья.

На территории Волгоградской области основные разведанные запасы представляют группу большого числа относительно небольших залежей, которые относятся к газоконденсатным, а пластовый флюид характеризуется наличием сероводорода. Подготовка газа на таких месторождениях сводится к его отбензиниванию и извлечению из него сероводорода. Однако из-за наличия сероводорода и отсутствия экономичной технологии промысловой сероочистки уже разведанные месторождения до настоящего времени находятся в консервации [1].

Для промысловой сероочистки газа на газоконденсатных месторождениях целесообразно исследовать технологию с использованием физической абсорбции. Выбор данного метода обусловлен его технологической простотой, возможностью использования простых прямоточных массообменных аппаратов, что является определяющим критерием для промысловых условий.

Методологическую основу теоретических исследований составляют законы Рауля и Генри, описывающие растворимость газов в жидкостях. Главной задачей исследований является определение условий для получения регламентированной концентрации сероводорода в очищенном газе, которая составляет 20 мг/м3.

Условия межфазного равновесия для физической абсорбции описываются законом Генри [2, 3]. Применительно к очистке газа от сероводорода физической абсорбцией уравнение Генри имеет вид:

Уравнение Генри,  (1)

где Парциальное давление сероводорода в газе  – парциальное давление сероводорода в газе, МПа;

Мольная доля сероводорода в газе – мольная доля сероводорода в газе, мол/мол;

Ра – давление абсорбции, МПа.

Равновесное парциальное давление сероводорода в газе над раствором зависит от его концентрации в растворе и описывается уравнением (2).

Равновесное парциальное давление,  (2)

где  Константа Генри  – константа Генри, МПа;

[H2S] – концентрация сероводорода в растворе, мол/мол.

Подставив выражение (2) в уравнение (1), имеем выражение (3)

   (3)

Полученное выражение (3) позволяет определить давление абсорбции в режиме прямотока в зависимости от степени насыщения абсорбента для условий, когда остаточное содержание сероводорода в очищенном газе составляет CH2S = 20 мг/м3. При пересчете массовой концентрации в мольную получаем CH2S =1,3×10-5 мол/мол. После подстановки мольной концентрации сероводорода в уравнение (3) имеем выражение (4) для расчета давления абсорбции.

Давление абсорбции   (4)

Результаты расчетных исследований очистки газа от сероводорода физической абсорбцией по уравнению (4) при температуре 15 оС и константе КH2S = 36,5 МПа [4] приводятся на рис. 1.

Условия достижения остаточной концентрации сероводорода

Рис.1. Условия достижения остаточной концентрации сероводорода в очищенном газе 20 мг/м3 при прямотоке

Из данных рис. 1 следует, что даже при минимальной степени насыщения абсорбента, например [H2S] = 0,1 моль/моль, для достижения остаточной концентрации сероводорода в очищенном газе 20 мг/м3 требуется давление более 100 МПа. На практике обеспечить такое давление в массообменном аппарате не представляется возможным.

Другим определяющим фактором достижения регламентируемой очистки газа от сероводорода методом физической абсорбции в условиях прямоточного движения фаз, является объем абсорбента. Исследование факторов, влияющих на этот показатель, проводилось на основе растворимости газов в водных растворах, что подчиняется закону Генри.

При нормальных условиях растворимость сероводорода в воде составляет 3 л/л, что соответствует концентрации [H2S] = 0,13 моль/л, упругость паров сероводорода над жидкостью при этом составляет 1 кгс/см2. С учетом сказанного при насыщении раствора сероводородом его равновесная концентрация будет определяться следующей зависимостью:

Равновесная концентрация газа  (5)

В очищенном газе, содержащем 20 мг/м3 (1,3×10-5 мол/мол) сероводорода, его парциальное давление согласно закону Генри составит:

Парциальное давление газа   (6)

Подставив уравнение (6) в уравнение (5), получим зависимость концентрации поглощенного сероводорода в воде от давления:

Зависимость сероводорода от давления   (7)

где [H2S] – концентрация поглощенного водой сероводорода, кг/м3.

Объем циркулирующего абсорбента (воды) определяется по формуле:

Объем абсорбента   (8)

где GH2S –количество поглощенного сероводорода, кг/ч.

Подставив выражение (7) в уравнение (8), получим зависимость объема абсорбента для достижения остаточной концентрации сероводорода в очищенном газе 20 мг/м3 от давления и количества поглощенного сероводорода.

Расчет объема газа   (9)

На рис. 2 приводятся результаты исследований влияния объема циркулирующего абсорбента и давления очистки на получение кондиционного по сероводороду газа в режиме прямотока.

Условия получения газа

Рис. 2. Условия получения кондиционного по сероводороду газа в режиме прямотока 

Из данных рис. 2 следует, что объем циркулирующего абсорбента при прямоточной физической абсорбции сероводорода составляет сотни кубометров и увеличивается с уменьшением давления. Например, при давлении очистки 10,0 МПа объем циркулирующего абсорбента достигает 667 м3/ч, что для условий промысловой подготовки газа экономически и технически невозможно.

Таким образом, результаты выполненных теоретических исследований исключают возможность применения метода физической абсорбции для промысловой очистки газа от сероводорода с использованием прямоточных массообменных аппаратов.

Список литературы

  1. Шестерикова Р. Е. Шестерикова Е. А. Результаты изучения влияния технологических факторов на очистку газа от сероводорода газовым конденсатом на пилотной установке // Вестник Северо-Кавказского Федерального университета. 2013. № 3 (36).
  2. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. : «Химия». 1973.
  3. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М. : Госхимиздат, 1962.
  4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. : «Химия», 1981.

 

Материал поступил в редакцию 21.11.2017
© Шестерикова Е. А., Шестерикова А. А., 2017