Разработка и моделирование ресурсосберегающей технологической схемы регенерации метанола

Ключевые слова: разработка газовых месторождений, проблема гидратообразования, методы регенерации метанола, метод отдувки, ректификация, установка регенерации метанола, ректификационная колонна.

Введение

Природный газ - один из наиболее высокоэкономичных источников топливно-энергетических ресурсов, занимающий особое место в сырьевой базе мира. Причинами этого являются его высокие потребительские свойства, низкие затраты на добычу и транспортировку, а также широкое применение во многих областях человеческой деятельности. Преимущество природного газа по сравнению с другими видами топлива заключается в его низкой себестоимости.

Российская газовая промышленность является важным источником дохода, поэтому на ее развитие и модернизацию выделяется большое количество денежных средств. «Развитие ресурсосберегающих технологий является важным направлением для газовой промышленности. При разработке газовых месторождений в условиях холодного климата необходимо учитывать возможность гидратообразования. Для того чтобы предотвратить образование гидратов в потоке газа необходимо устранить хотя бы одно из условий их существования» [1, с.65]. Основными методами борьбы с гидратами являются понижение давления, повышение температуры и ввод антигидратных ингибиторов. На сегодняшний день самым действенным и распространённым является последний метод. «Наиболее часто используемым ингибитором образования гидратов является метанол. Низкая температура замерзания водометанольного раствора и его способность разрушать гидраты обеспечивают стабильный рабочий процесс в широком диапазоне температур и давлений» [3, с.52]. Необходимость регенерации метанола диктуется суровым климатом, который требует больших объёмов метанола для предотвращения гидратообразования, а также удаленностью газовых месторождений от транспортных магистралей и промышленных центров, что приводит к высокой стоимости доставки метанола в районы промыслов.

1. Методы регенерации метанола

1.1 Регенерация метанола методом ректификации

Повышение концентрации водометанольного раствора можно достичь методом ректификации, адсорбцией или химической очисткой. Рассмотрим поподробнее восстановление метанола путём ректификации.

Ректификация - это вид перегонки, основывающийся на противоточном взаимодействии пара и жидкости в колонне. Она позволяет добиться наиболее полного разделения компонентов, также ее используют и для очистки метанола-сырца на установках синтеза метанола и в промысловых условиях. Рассмотрим регенерацию водных растворов метанола как процесс обычной ректификации. Метанол является низкокипящим компонентом, переходящим в пар, в смеси метанол-вода. Он конденсируется, образуя так называемый дистиллят. Вода, как компонент с более высокой температурой кипения не испаряется и называется остатком.

Основным узлом установки регенерации метанола выступает ректификационная колонна. Именно в ней метанол отделяется от воды. «Для пуска установки насыщенным метанолом наполняют ректификационную колонну до определенного уровня с одновременной подачей водяного пара в рибойлер. Данный способ регенерации метанола обеспечивает значительное снижение потерь метанола и возможность дальнейшего использования очищенных вод для различных технологических нужд.» [4, с.35].

При ректификации используются два вида колонн: тарельчатые и насадочные. Тарельчатые колонны представляют собой колонные аппараты. Внутренними устройствами тарельчатых колонн в рабочей зоне являются тарелки. Тарелки - это барботажные устройства, в которых происходит процесс массообмена. Другими словами, переход компонента из одной фазы в другую в результате непосредственного контакта между рабочими средами. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности используются тарельчатые колонны.

Насадочные колоны получили широкое распространение в процессах абсорбции, очистки, охлаждения и увлажнения газов, иногда ректификации.

1.2 Регенерация метанола методом отдувки

На установке регенерации метанола процесс его поглощения из водного раствора происходит методом отдувки газом летучего ингибитора на специальном участке газопровода. «Главное отличие данного метода в том, что метанол «добывается» без использования дополнительных участков регенерации и фильтров при транспортировке газа. Это существенно упраздняет технологическую схему.

Количество метанола, содержащегося в газе, которое будет обеспечивать предупреждение образования гидратов, принимается в два раза больше чем его теоретическое значение при применении метода отдувки. Это обеспечивает безгидратные условия в газе» [5, с.116]. Правда считается, что они близки к пороговым, при которых начинается образование гидратов. До недавнего времени метод отдувки считался неэффективным, потому что в низкотемпературной технологии для предотвращения гидратообразования рекомендуется ингибирование. В начальный период эксплуатации месторождений в условиях Крайнего Севера возникает необходимость подачи метанола в газосборные коллекторы в зимний период. Из-за этого пластовый газ, который поступает на первоначальную ступень разделения, содержит определенное количество метанола, которого не совсем достаточно для рециркуляции ингибитора. В результате этого система поглощения водометанольного раствора для его дальнейшей отдувки становится малоэффективной. Повышенные потери метанола также обусловлены необходимостью поддержания стабильного уровня жидкости в резервуарах, задействованных в работах, реализующих циркуляционную технологию.

2. Разработка и моделирование ресурсосберегающей технологической схемы регенерации метанола

Рассмотрим типовую установку регенерации водного раствора метанола методом ректификации, схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая схема установки регенерации метанола. 1 - теплообменник; 2 - ректификационная колонна; 3 - паровой подогреватель; 4 - конденсатор-холодильник; 5 - промежуточная ёмкость;6 - насосы.

Установка работает по следующей технологической схеме. Насыщенный водой метанол забирается насосом из резервуара и подается в ректификационную колонну через трубчатый теплообменник 1. В теплообменниках насыщенный метанол нагревается за счет тепла горячей воды, отходящей с низа колонны. Постоянная температура верхней части колонны поддерживается подачей метанола для орошения из резервуара. Пары метанола из верхней части ректификационной колонны при температуре 65-68°С поступают в конденсатор-холодильник 4, где охлаждаются до температуры ниже 30 °С насыщенным метанолом. Затем жидкий метанол поступает в промежуточную емкость 5, из которой насосом откачивается в резервуар 6.

2.1 Моделирование установки регенерации метанола по методу ректификации

Согласно технологической схемы водометанольный раствор с колонн отдувки проходя через разделитель жидкости, выветриватель газа, подается на очистные сооружения, а затем отводится на узел закачки очищенных стоков. Из-за недостаточной степени регенерации метанола из водометанольного раствора концентрация метанола не соответствует требованиям. гидратообразование метанол газовый месторождение

Для получения чистых промышленных сточных вод, в дальнейшем пригодных к закачке в пласт, и насыщенного раствора метанола с использованием программного пакета UniSim была смоделирована установка регенерации метанола, представленная на рисунке 2. Предлагаемая установка предназначена для доочистки промышленных сточных вод от метанола путём ректификации и доведения его концентрации до требований нормативных документов.

Рисунок 2. Модель установки регенерации метанола узла закачки очищенных стоков.

Установка состоит из таких частей, как:

• буферная ёмкость Р-1/1;

• ректификационная колонна с двенадцатью сетчатыми тарелками;

• конденсатор, представляющий собой воздушный холодильник с рефлюксной ёмкостью;

• ребойлер, нагреваемый паром из котельной с температурой 130 С;

• буферная ёмкость с внутренним змеевиком, которая предназначена для охлаждения и удаления из ректификационной колонны высококипящего компонента (кубового осадка) - воды;

• шесть герметичных насоса типа ЦГ 25/20 К-3-3 (Q-25 м3, h-20 м N=3 КВт) (3 находятся в работе, 3 резервных);

• буферная ёмкость накопитель Р-1.

При сравнении эффективности различных типов ректификационных колонн нами был выбрал тип, который обладает меньшей стоимостью, но при этом достаточно эффективен. Обычно вес насадочных колонн по сравнению с общим весом тарельчатых при их одинаковой производительности выше. В данном случае тарельчатые колонны больше подходят для регенерации метанола. Данный процесс сопровождается колебаниями температур, что провоцирует периодическое расширение и сжатие корпуса колонны, такие условия работы могут разрушить насадку.

«Для того, чтобы обеспечить наибольшую концентрацию метанола в паровой фазе, выходящей из верхней части колонны, и наименьшую концентрацию метанола в жидкости, отводимой из кубовой части, нужно определить оптимальные параметры работы ректификационной колонны. Качество разделения улучшается с увеличением числа тарелок в колонне» [7, с.74]. Количество тарелок было определено самым наименьшим, при котором может быть получен раствор метанола с концентрацией не менее 90%. Число тарелок принято n = 12.

«Эффективность работы ректификационной колонны характеризуется таким показателем, как флегмовое число. Для достижения наилучшего показателя концентрации значение флегмового числа должно быть равно 4, так как общий расход сконденсированного насыщенного метанола равен 1,5 т/ч.

В результате процесса ректификации входное сырье разделяется на два продукта: паровую фазу с содержанием метанола 95%, поступающую из верхней части колонны, и жидкость с высоким содержанием воды 98 %, поступающую из кубовой части колонны.» [8, с. 128]. Парообразный метанол поступает в конденсатор, в котором охлаждается до температуры 51 DC потоком воздуха и конденсируется в рефлюксной ёмкости. Далее в качестве орошения часть потока с помощью насоса направляется на 12 тарелку.

Поддержание постоянной температуры в кубовой части колонны осуществляется за счёт циркуляции жидкости через ребойлер. Вода, очищенная от метанола вода из буферной ёмкости колонного блока, перекачивается в накопительный резервуар с помощью насоса.