Инновационная технология осушки природных и нефтяных газов

Авторы: Шестерикова Раиса Егоровна, Шестерикова Анастасия Андреевна

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 50-54

Объём: 0,27

Опубликовано в: «Наука без границ» № 12 (17), декабрь 2017

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Шестерикова Р. Е, Шестерикова А. А. Инновационная технология осушки природных и нефтяных газов // Наука без границ. 2017. № 12 (17). С. 50-54.

Аннотация: Статья направлена на проблему поиска новых энергоэффективных технологий для переработки углеводородного сырья. В статье рассматривается возможность применения мембранной технологии для осушки углеводородных газов. Авторами выполнены расчетные исследования осушки газа с помощью мембран. Существенным недостатком мембран по результатам исследований является узел утилизации пермеата, что и сдерживает широкое применение данного метода для осушки газов.

Мембранные технологии газоразделения достигли значительных промышленных масштабов в конце 20-го столетия. Сегодня российский мембранный рынок составляет не более 1 % от мирового, что говорит о больших потенциальных перспективах развития мембранных технологий в России. Мембранные технологии чаще всего используются при подготовке природных и попутных нефтяных газов для удаления из них сероводорода, влаги, тяжелых углеводородов, гелия. Следует отметить, что опыт применения мембранного разделения газов для подготовки природного и нефтяного газа мал из-за низкой энергоэффективности [2].

Принцип действия мембранного способа осушки газа заключается в селективной проницаемости через мембрану углеводородов за счет перепада давления на мембране. Углеводороды газа не проникают через мембрану, остаются в области высокого давления – в полости мембраны, а влага и часть углеводородов, размеры молекул которых сопоставимы с размерами молекул воды, проникают через нее, образуя газ низкого давления – пермеат.

Основными характеристиками работы установки являются:

  • коэффициент разделения потока или отбора пермеата – это отношение расхода пермеата к расходу осушаемого газа;
  • перепад давления на мембране.

Для осушки газа используется половолоконная мембрана, которая состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность непористого газоразделительного слоя. С помощью полимерных мембран содержание влаги в газах может быть снижено в 10…100 раз, что позволяет осушить газ до требуемого качества.

Главным недостатком мембранной технологии осушки природного газа является потеря метана более 1 % с пермеатом – газом низкого давления, который сжигается на факелах, загрязняя атмосферу. Это делает технологию менее конкурентоспособной. Поиск инженерных решений для сокращения потери метана позволил разработать схему с утилизацией потока пермеата путем его компримирования [3].

Принципиальная схема мембранной установки осушки газа с утилизацией пермеата приводится на рис. 1.

 Технологическая схема установки для осушения газа

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки осушки газа

Обработке подвергается газ высокого давления, который предварительно очищается в сепараторе С-101 от капельной влаги и механических примесей. После предварительной очистки газ проходит тонкую очистку на блоке фильтров БФ-101 и поступает в газоразделительный мембранный блок ГРБ-101, в котором проводится осушка газа.

Осушенный газ поступает в газотранспортную систему, а пермеат – газ низкого давления, направляется на компримирование. Компрессором М-102 давление газа повышается до давления сырьевого газа, при этом температура газа повышается. Для охлаждения газа используется воздушный холодильник АВО-102. По мере снижения температуры газа влага конденсируется и в сепараторе С-102 происходит разделение газа и жидкости. После отделения воды, пермеат смешивается с газовым потоком, который поступает на блок фильтров БФ-101. Такая схема исключает сброс пермеата на факельную установку. Часть пермеата используется в качестве топливного газа для привода компрессора М-102.

В табл. 1 приводятся основные технологические параметры осушки газа мембранным методом (данные разработчика – ЗАО «Грасис»). 

Таблица 1

Технологические характеристики мембранной установки осушки газа

Параметр

Исходный газ

Пермеат

Осушенный газ

Летний период

Расход, нм3

54330

6000

54010

Давление, МПа

5,1

0,15

5,0

Температура, ºС

45

40

45

Зимний период

Расход, нм3

54330

4700

54050

Давление (изб), МПа

5,1

0,05

5,0

Температура, ºС

35

20

25

Работа мембранной установки рассчитана на рабочее давление до 5,5 МПа, ресурс работы мембранных модулей составляет 2,5 года [1].

Из данных табл. 1 следует, что в процессе осушки образуется газ низкого давления Р = 0,15 МПа – пермеат, количество его составляет 11,04 % от сырья летом и 8,6 % зимой. Экономическая и энергоэффективность промышленного применения данной технологии ограничивается затратами на компримирование и капитальными затратами на компрессорное оборудование.

Для оценки инженерного совершенства технологии осушки газа мембранным методом выполнены расчетные исследования, результаты которых приводятся в табл. 2. 

Таблица 2

Результаты анализа осушки газа мембранным методом

Показатель

Обозначение

Размерность

Величина

Режим работы установки

 

 

 

Давление газа

Рг

МПа

5,10

Температура

tг

ºС

45,00

Доля пермеата

α

%

11,04

Давление пермеата

Рннг

МПа

0,15

Температура: осушенного газа

tог

ºС

45

                        пермеата

tп

ºС

40

Расход осушаемого газа

Qг

м3

54330

Температура точки росы осушенного газа

tт.р.

оС

-10

Расчет технологии

 

 

 

Влагосодержание: поступающего газа

Wпг

г/м3

1,667

                                 осушенного газа

Wос

г/м3

0,08

Количество извлекаемой воды

DW

кг/ч

87,0

Теоретический расход энергии на осушку газа

Етеор

кВт

54,65

Расход пермеата

Qп

м3

6000

Степень сжатия пермеата

εгнд

 

34,7

Число ступеней сжатия (поршневой компрессор)

nпк

шт

4

Степень сжатия газа одной ступенью έ1=(Pкон)0,25

ε1

 

2,69

Температура газа после каждой ступени сжатия

ti

ºC

120

Энергозатраты на компримирование газа

Nk

кВт

4462

Энергозатраты на охлаждение газа при сжатии

Nохл

кВт

991

Общие затраты энергии на утилизацию пермеата

Nобщ

кВт

5453

Коэффициент энергоемкости процесса

КЭПм

 

99,8

Удельные затраты энергии на осушку газа

Nуд

кВт/1000 м3

97,0

Расход топливного газа

Vтг

м3

456,6

Из данных табл. 2 следует, что для утилизации пермеата путем компримирования и возврата в цикл осушки необходимо поднять давление от 0,15 МПа до давления 5,1 МПа. Степень сжатия газа в этих условиях составляет e = 35.

Для такой степени сжатия нерационально использовать центробежные компрессоры, которые экономичны при небольших степенях сжатия для объемов компримируемого газа более 5000 м3/ч [3]. При больших степенях сжатия КПД центробежного компрессора снижается и может достигать нескольких процентов, т. к. общий КПД компрессора связан со степенью сжатия следующим степенным выражением η = ηк2 ,

где η – КПД компрессора;

ηк – КПД одной ступени;

n – число ступеней центробежного компрессора.

Из данных табл. 2 следует, что число ступеней сжатия для компримирования пермеата составит 18, тогда при КПД одной ступени сжатия 80 %, общий КПД машины составит 1,8 %.

На практике для компримирования газа объемом не более 12…15 тыс. м3/ч используются многоступенчатые поршневые компрессоры с промежуточным охлаждением сжимаемого газа между ступенями [3].

Из данных табл. 2 следует, что для сжатия пермеата, образующегося при осушке газа, энергозатраты составят 4462 кВт в летний период. В зимний период они несколько ниже.

При сжатии газа происходит его нагревание, поэтому применяется промежуточное охлаждение газа с помощью АВО после каждой ступени сжатия. Таким образом, второй составляющей энергозатрат на осушку газа мембранным методом являются энергозатраты на охлаждение. Из данных табл. 2 следует, что потребляемая мощность вентиляторов четырех АВО составляет 991 кВт.

Общая потребляемая мощность на компримирование пермеата (сжатие и охлаждение) составит в летний период 5452,8 кВт.

Коэффициент энергоемкости процесса утилизации (компримирования) пермеата составляет КЭП = 5452,8/54,65 = 99,8. Это свидетельствует о том, что фактические затраты энергии на утилизацию пермеата, образующего в процессе осушки, в 99,8 раз больше теоретически необходимых [4].

Выполненные исследования позволяют сделать следующий вывод – технология осушки природного газа мембранным методом в инженерном плане является несовершенной и высоко энергозатратной, удельные затраты энергии на осушку газа достигают 113 кВт/1000 м3, а расход топливного газа 8,7 тыс. м3/сут.

Однако следует отметить, что технология привлекательна в экологическом плане и это указывает на то, что за мембранными технологиями будущее и этим направлением исследований следует заниматься. Тому подтверждением являются пилотные испытания мембранного модуля производства ЗАО «Грасис» на Ключевской УПГ ООО «РН-Краснодарнефтегаз» с целью определения его газоразделительных характеристик, гидравлического сопротивления и качества осушенного газа, проведенные в 2010 г. В ноябре 2011 г. мембранный модуль для осушки газа был испытан в ООО «Газпром добыча Краснодар» на Лебединском и Марковском месторождениях [1].

Список литературы

  1. Официальный сайт компании Грасис [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.grasys.ru (дата обращения: 10.11.2017).
  2. Новые подходы к освоению гелийсодержащих месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока / Черепанов В. В., Гафаров Н. А., Минликаев В. З., Кисленко Н. Н., Семиколенов Т. Г., Гулянский М. А., Потехин С. В. // Газовая промышленность. 2012. № 6 (677). С. 22-26.
  3. Аджиев А. Ю., Пуртов П. А. Подготовка и переработка попутного нефтяного газа в России. Краснодар : ЭДВИ, 2014. 776 с.
  4. Гриценко А. И., Галанин И. А., Зиновьева Л. М. и др. Очистка газов от сернистых соединений при эксплуатации газовых месторождений. М. : Недра, 1985. 270 с.

 

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