Осушка природного газу при його транспортуванні шляхом використання надзвукового сепаратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Осушка природного газу при його транспортуванні шляхом використання надзвукового сепаратора

Общие сведения об осушке природного газа.

В недрах земных пластов углеводородные газы (природный, попутный) насыщены водяными парами до равновесного состояния. Количество паров воды зависит от условий в пласте, а также от состава газа. Присутствие паров воды в газе негативно сказывается на аппаратах и коммуникациях установок переработки и транспорта газа вследствие образования в них гидратов, во избежание этого явления, обязательным условием подготовки газа к транспортировке по магистральным газопроводам служит процесс осушки газа.

Важным требованием к топливу на сжатом природном газе является низкая точка росы по воде. Если точка росы по воде при условиях подачи превышает минимальную температуру окружающей среды, то необходимо установить оборудование для осушки газа. Выбор оборудования определяется исходя из требований заказчика и рабочих условий. Для достижения очень низкой точки росы по воде для широкого диапазона рабочего давления, рекомендуется использование установки по осушки природного газа c регенерацией тепла.

Предлагаемые установки состоят из сборных элементов и оборудованы всем необходимыми системами для контроля и управления.

Особенности установок для осушки газа:

· Регенерация в закрытом контуре без потребления газа

· Автоматические логические схемы управления и контроль системы

· Отдельно стоящая рама-основание

· Простая эксплуатация и техническое обслуживание

· Высокая надежность и гибкость

· Специальное исполнение для очень низких температур окружающей среды

· Готова к эксплуатации

Типовые установки.

Технические параметры:

Точка росы природного газа: -60…-80°C

Поток природного газа: до 10 000Нм3/ч

Мин./макс. рабочее давление: 2-200 бар изб.

Потребляемая мощность: 1-40кВт (в зависимости от рабочих условий)

Специальное исполнение по запросу:

· Индикация точки росы: специальный анализатор для установки во взрывоопасной зоне

· Микропроцессорное управление с дистанционным управлением

· КИП: передатчики с LCD индикаторами

· Пневматические соединения и трубы: из нержавеющей стали

· Входной сепаратор (по требованию)

· Сливной бак для природного газа: для гашения пульсации

Специальное исполнение для низкой температуры окружающей среды (минус 60°C)



Применяемые технологии в установках по осушке природного газа:

· осушка газа на основе процесса абсорбции

· осушка газа на основе процесса охлаждения

· осушка газа на основе процесса адсорбции

· осушки газа на основе комбинирования различных процессов

Осушка газа методом абсорбции.

В основе способа лежит применение специальных реагентов поглощающих влагу из газа при непосредственном контакте внутри установки.

В качестве влагопоглощающих агентов используются растворы диэтиленгликоля (ДЭГ), триэтиленгликоля (ТЭГ).

В ходе процесса осушаемый газ на тарелках абсорбера контактирует в противотоке с подаваемым сверху гликолем. Давление в абсорбере не превышает 120 атм., а температура гликоля порядка 40°C.

Осушенный газ отводится сверху абсорбера и направляется в магистральный газопровод, а гликоль, насыщенный влагой, отводится снизу абсорбера и направляется в выветриватель - для отдува поглощенных углеводородов. После выветривателя насыщеный влагой гликоль нагревается в подогревателе и поступает на регенерацию в десорбер, в котором из-за меньшего давления и подвода тепла происходит испарение и отвод поглощенной гликолем в абсорбере влаги из газа.



Из десорбера регенерированный гликоль с концентрацией 95-97% поступает вновь на абсорбцию и цикл повторяется.

Глубина осушки газа.

Глубина осушки газа очень сильно зависит от концентрации гликоля, с которым газ контактирует в абсорбере. Максимально возможная концентрация гликоля, которой можно достичь, равна 97%.

Абсорбция гликолем с концентрацией гликоля 96-97% позволяет достичь депрессии точки росы осушаемого газа равную 30°C.

Увеличение концентрации гликоля до 99% позволяет, значению депрессии точки росы вырасти до 40°C.

В тех случаях, когда стандартных настроек процесса осушки недостаточно для получения необходимого качества осушки газа, возможно аппаратурное оформление установки для осуществления процесса осушки в двух ступенчатом исполнении.

На первом этапе осушка происходит по стандартному циклу, газ осушается в абсорбере, контактируя с гликолем концентрацией 96 %, после чего поступает в абсорбер вторичной осушки, где уже осушеный на первом этапе газ повторно осушается гликолем концентрации 99,5 %. В десорбере этапа первичной осушки, процесс регенерации гликоля происходит под давлением 1-2 атм, а в десорбере вторичной осушки под вакуумом.

Применение процесса двух стадийной осушки газа, позволяет получить на выходе с установки депрессию точки росы около 90°C.

Осушка газа охлаждением.

В основе способа лежит охлаждение газа при неизменном давлении. По ходу процесса избыточная влага конденсируется и отводится, а точка росы газа снижается.

Выбор конкретной технологии осушки газа, расчет и обеспечение необходимых рабочих параметров установки, объем ее аппаратурного оформления. осушка газ сепаратор надзвуковий

Осушка газа методом адсорбции.

Это технологический процесс заключается в избирательном поглощении порами поверхности твердого адсорбента молекул воды из газа, с последующим извлечением их из пор посредством применения внешних воздействий. Процесс адсорбционной осушки газа позволяет достигать депрессия точки росы в 100°C. (минимальная точка росы, достигаемая адсорбцией около -90°C.). При выборе применяемых адсорбентов на установках адсорбционной осушки газа необходимо принимать во внимание состав газа, наличия в нем тех или иных компонентов влияющих на адсорбенты и других факторов влияющих на процесс и конечный результат.

Виды адсорбентов: оксиды алюминия, синтетические цеолиты, силикагели.

На стандартной установке адсорбционной осушки технологический процесс осушки газа представляет собой последовательное выполнение следующих этапов в рамках одного рабочего цикла осушки:

· адсорбция

· нагрев адсорбента

· десорбция

· охлаждение адсорбента

Пример установки для осушки газа методом адсорбции.

Внешний вид установки

Характеристики газа на входе:

Производительность Давление на входе Температура газа на входе Относительная влажность	708,5 нм3/ч 16 бар от +30°C до +40°C 100%

Покомпонентный состав газа в % об.:

Метан (CH4) этан (C2H6) пропан (C3H8)	93,342 0,0271 0,238
н-бутан (n-C4H10) изобутан (i-C4H10) пентан (C5H12)	0,135 0,082 0,031
азот (N2) кислород (O2) углекислота (CO2)	4,348 0,413 1,100



Характеристики газа на выходе:

Точка росы Исполнение Установка Температура окружающего воздуха	не выше - 8°C, приведённая к давлению 39,2 бар блочно-модульное на открытом воздухе от -20°C до +30°C

Характеристики установки

Тип Режим работы Присоединение Примерное падение давления	адсорбционный, с автоматической системой регенерации постоянный 50 мм 0,09 бар

Комплектация:

· Двухколонный поглотитель водяного пара природного газа с автоматической системой противоточной регенерации фильтра природного газа с замкнутым восстанавливающим контуром нагрева.

· Камеры осушителя, расчетная температура резервуара -28 до 260 °C, с допуском на коррозию 0,8 мм.

· Клапан для сброса давления, один (1) на каждую камеру, установленный на расчетное давление.

· Каждая камера осушителя изолирована стекловолокном толщиной 50 мм и имеет кожух из штампованного алюминия для работы на открытом воздухе.

· Высокопроизводительный прочный молекулярный ситовый осушитель для сведения к минимуму сопутствующей адсорбции меркаптанов.

· Смонтированные и оснащенные предварительной трубной обвязкой коалесцирующий фильтр грубой очистки и фильтр тонкой очистки для удаления частиц с ручными дренажными клапанами.

· Восстанавливающие циклы нагрева и охлаждения раздельных потоков с нагнетателем природного газа, установленным в резервуаре высокого давления.

· Изолированный корпус электронагревателя, с использованием низковаттных нагревательных элементов в кожухе и с сигнализацией и аварийным выключением при высокой температуре кожуха нагревателя и высокой температуре на выходе нагревателя.

· Восстанавливающий выходной охладитель с ребристой трубой воздух-газ, оборудованный электродвигателем и безыскровым вентилятором. Сигнализация и аварийное выключение при высокой температуре на выходе из охладителя. Индикация температуры на входе и выходе из охладителя на цифровом дисплее.

· Высокоэффективный восстанавливающий коалесцирующий сепаратор, оборудованный баком для сбора жидкости.

· Один манометр с наполнением жидкостью, установлен на каждой сушильной камере.

· Сварной скид из конструкционной стали с четырьмя (4) подъемными проушинами.

· Установленные на месте фильтры грубой и тонкой очистки, датчики дифференциального давления.

· Жаропрочное покрытие силиконовой акриловой эмалью. Грунт и краска нанесены на все наружные неизолированные поверхности из углеродистой стали

· Гигрометр, датчик точки росы, расположенные на выходе из осушителя

· Текстовый дисплей, отображающий состояние осушителя, регенерации и точки росы

Примерные габариты установки

Скид 3300х3000 мм

Высота 2700 мм

Вес 6000 кг



Зачем нужна осушка природного газа?

Необходимым условием качественной подготовки природного газа к дальнейшей транспортировке и использованию в промышленных предприятиях является осушка газа и его очистка от жидкой фазы и твердых частиц.

В первичном природном газе содержится большое количество различных включений, среди которых выделяются капельная жидкость, на которую может приходиться от 30-40 до 200-800 г/м³. Чаще всего данное вещество состоит из метанола, минерализованной воды, газового конденсата и других веществ. Также в состав газа входят и механические примеси, представляющие собой измельченные частицы породообразующих минералов, а также частички, образовавшиеся в результате технологических загрязнений.

Такое положение дел крайне нежелательно, поскольку перечисленные примеси могут приводить к возникновению аварийных ситуаций и преждевременному выходу из строя как основного, так и вспомогательного технологического оборудования. Поэтому осушка газа и его очистка являются обязательными.

Наличие в природном газе твердожидкостной фазы не в лучшую сторону изменяет гидравлические характеристики трубопроводов, а капельная жидкость снижает производительность и коэффициент их использования на 20-25%. Это вызвано повышением гидравлического сопротивления. Общая эффективность газотранспортной системы снижается.

Применяемое в технологических линиях газоперерабатывающих производств газосепарационное оборудование (газосепараторы вертикальные, горизонтальногоные, шаровые, центробежные регулируемые, сетчатые) отличается низкой степенью разделения (эффективность разделения не превышает 30-40%, а иногда достигает даже 15%), что обеспечивает лишь грубую очистку нефтяных попутных и природных газов от механических примесей и капельной жидкости.

Учитывая значительное влияние работы разделительной аппаратуры на качество продукции (товарного газа), в последнее время ведутся поиски новых способов обработки газожидкостных потоков, обеспечивающих высокую эффективность разделения.

Очистка и осушка природного газа

Наличие в природном газе посторонних примесей и влаги крайне нежелательно, поскольку может негативно сказываться как на процессах транспортировки, так и эксплуатации.

Очисткой природного газа называют извлечение нежелательных компонентов, которые усложняют его эксплуатацию в качестве топлива и сырья. Также этот процесс охватывает удаление веществ, загрязняющих окружающую среду. В первую очередь, стоит выделить диоксид углерода, сероводород и диоксид серы. Природный газ должен быть очищен до такой степени, чтобы общее содержание вредных примесей, попадающих в атмосферу, не превышало 500 ррm.

Зачастую очистку природного газа осуществляют непосредственно при добыче исходного сырья. Выбор способа очистки зависит от состава и концентрации примесей. Удаление нежелательных компонентов может быть достигнуто одним из следующих способов:

· химическая обработка;

· физическая абсорбция;

· комбинация физического и химического способа;

· окисление сероводородных соединений с выпадением серы;

· применение твердых адсорбентов.

Для осушки природного сейчас актуальны методы прямого охлаждения, абсорбция, адсорбция или же комбинирование перечисленных подходов.

Адсорбционная осушка - это избирательное поглощение поверхностью пор твердых веществ воды. После этого ее молекулы извлекаются при помощи внешних воздействий.

Твердые адсорбенты обычно используются в аппаратах периодического действия, где слой поглотителя остается неподвижным. Полный цикл осушки природного газа на таком приспособлении состоит из адсорбции, регенерации и охлаждения адсорбента. В качестве поглощающих веществ могут использоваться бокситы, цеолиты (молекулярные сита), силикагели, алюмосиликагели и активированный оксид алюминия. Самыми дорогими адсорбентами являются цеолиты, но они наиболее эффективны при осушке газов, содержащих кислые компоненты.

Адсорбционный метод отличается высокой степенью сушки газа независимо от его исходного состояния, а также компактностью оборудования для своей реализации. К недостаткам относят большие расходы на адсорбент, высокое сопротивление потоку газа и высокие затраты при покупке установок большой мощности.



Осушка природного газа

Газовая промышленность - одна из наиболее стремительно разивающихся отраслей топливно-энергетического комплекса. Основным фактором, способствующим подобному положению дел, является экологическая чистота газа как топлива.

Из скважин поступает преимущественно газ, в состав которого входят механические примеси (пыль, песок и т..п.), а также пары воды и свободная влага. Во втором случае существенно возрастает вероятность образования гидратов и льда, которые становятся причиной появления пробок в трубопроводах, что существенно усложняет процесс транспортировки. Поэтому необходимо как очищать газы от примесей, так и производить их осушку.

Механические примеси удаляются при помощи специальных сепараторов. Исключение конденсации воды из газа при охлаждении и образования гидратов достигается за счет искусственной осушки. Она позволяет обеспечить такое состояние газа, при котором его точка росы находится ниже, чем температура транспортировки.

Все методы осушки природного газа в зависимости от классификационного признака можно условно разделить на три группы: физические, химические и физико-химические.

Физические методы основаны на искусственном охлаждении газов, компримировании и сочетании охлаждения и компримирования. Технически цель может быть достигнута за счет:

· вымораживания влаги низкими температурами атмосферы;

· охлаждением газа с дополнительным компримирование (или без него);

· инжекции химических веществ в газовый поток с улавливанием продуктов гидратации при помощи сепарационных и центральных установок;

· низкотемпературной сепарации.

Химические методы базируются на взаимодействии воды с химическими веществами. При этом полнота реакций может обеспечить образование продуктов гидратации с очень низкой упругостью водяных паров. На сегодняшний день существуют реагенты, способные обеспечить практически полную осушку газа. Основная проблема состоит в трудности или невозможности регенерации таких веществ. Поэтому в качестве промышленных осушителей они использоваться не могут. Скорее, речь может идти исключительно о лабораторном применении при определении влажности газов.

Физико-химические методы позволяют поглощать влагу при помощи специальных веществ. В зависимости от типа применяемого сорбента они делятся на адсорбцию (твердый сорбент) и абсорбцию (жидкий сорбент). Очистка с помощью физико-химических методов получила наиболее широкое распространение на практике.

При адсорбционной очистке имеет место избирательное поглощение порами сорбента молекул воды. После насыщения вода извлекается из пор при помощи внешних воздействий.

Такой вид осушки позволяет достичь минимальной точки росы в -90 єС. Выбор типа используемого адсорбента зависит от исходного состава газа, наличие в нем компонентов, оказывающих влияние на адсорбент и т.п. На практике чаще всего применяется синтетический цеолит, силикагель и оксид алюминия.

Стандартные установки адсорбционной осушки газов работают по следующему алгоритму: адсорбция-нагрев адсорбента-десорбция-охлаждение адсорбента. В случае необходимости этот цикл повторяется.

Абсорбционная осушка реализуется за счет применения жидких реагентов, которые поглощают влагу при непосредственном контакте с газом внутри специальных аппаратов. Обычно в качестве поглотителей используются растворы ди- и триэтиленгликоля.

Адсорбционная осушка газа

Адсорбция - это избирательное поглощение паров или газов с помощью твердых веществ. Они, соответственно, получили название адсорбентов. На поверхности или в объеме пор таких веществ происходит концентрирование поглощаемого пара или газа.

Одно из возможных практических применений адсорбционных процессов - глубокое охлаждение природных газов с целью удаления из них влаги и тяжелых углеводородов. Адсорбция имеет важные преимущества, одно из которых состоит в отсутствии необходимости в предварительной осушки газа. Роль адсорбентов обычно выполняют твердые пористые вещества с большой удельной поверхностью. Среди них стоит выделить активированный уголь, силикагель, цеолит и т.п.

Суть процесса адсорбции состоит в задержке вещества на поверхности или в объеме микропор адсорбента. На практике используются поглотители с радиусом микропор 5-10 мкм. Именно эта величина является наиболее эффективной при практическом использовании. Размеры пор соизмеримы с размерами молекул адсорбируемого вещества, на которое воздействуют силы межмолекулярного взаимодействия. Именно за счет них и происходит накопление вещества в порах адсорбента.

К промышленным адсорбентам, применяемым для решения задачки осушки газов, выдвигается ряд требований. Среди них необходимо выделить:

· высокую активность;

· обратимость адсорбции;

· простоту регенерации;

· малое сопротивление потоку газа;

· высокую механическую прочность;

· химическую инертность;

· небольшие объемные изменения в зависимости от температуры и степени насыщения.

В состав адсорбционной установки осушки газов входит два или более адсорберов. И адсорбция, и десорбция протекают в одном и том же аппарате. При насыщении одно из адсорберов влагой в другом адсорбере протекает десорбция и охлаждение. Сам процесс идет последовательно.

Цикл насыщения адсорбента обычно длиться не более 10-20 часов, в то время как регенерация занимает приблизительно 4-8 часов. Охлаждение задействуют в том случае, когда адсорбент не успел охладиться газом, поступающим на осушку.

Спосіб утворення і виділення конденсату з газової суміші і пристрій для його здійснення

Гетерогенна конденсація здійснюється при розгоні газової суміші в конфузора краплями з попередньо поданого на вхід конфузора конденсату низькокиплячих компонентів суміші, що підлягають виділенню. Конденсація проводиться в каналі конфузорно-диффузорной форми з центральним рухомим в осьовому напрямку вісесиметричним тілом з щілинними отворами для відбору конденсату, розташованими на стінках дифузора і лобової частини центрального тіла в мінімальному перерізі пристрою, і щілинними отворами, розташованими в найбільш широкій частині центрального тіла на виході з дифузора. Пристрій також містить розбризкувач конденсату, встановлений на вході в конфузор, зливну ємність для конденсату, а також зливну і дренований магістралі. Використання винаходу дозволить з малими енергетичними втратами конденсувати низькокиплячі компоненти газової суміші і поєднати процеси виділення конденсату з газової суміші і сепарації в одному пристрої, а також використовувати пристрій як дроселі для пониження тиску високонапірного газу. 2 с. і 6 з.п. ф-ли, 1 іл.

Винахід відноситься до нафтогазової промисловості, але може сі. Зокрема, в практиці видобутку газу проблема виділення низькокиплячих компонент пов'язана з необхідністю осушки газу і можливістю використання виділеного конденсату в якості низькооктанового палива.

Прототипом цього винаходу можна вважати "Пристрій для низькотемпературної обробки газу" (авт. св. 386221, кл. 25 3/08, Ч.С. Гусейнов та ін, 1973). З метою пониження температури газової суміші і створення необхідного переохолодження для виникнення умов конденсації низькокиплячих компонент в цьому пристрої пропонується розганяти газову суміш до надзвукової швидкості в ряді послідовно встановлених конусів, розташованих на периферії відцентрового сепаратора. Конденсат, що утворився пропонується відбирати через щілини, утворені між виходом і входом кожної послідовної пари конусів. На виході з пристрою передбачається встановлення ділянки, званого конфузора, для переходу потоку до дозвуковой швидкістю.

Запропонований пристрій має істотні, принципові недоліки, що ставлять під сумнів можливість його реалізації. По-перше, організувати надзвуковий потік в негладко спрофилированном конічному ділянці, та ще при наявності скачкачки ущільнення на надзвуковому ділянці пристрою призведуть до великих втрат повного тиску. До того ж утворився раніше конденсат, пройшовши стрибок ущільнення, частково або навіть повністю випарується. Із-за виниклої системи стрибків ущільнення потік на виході з надзвукового ділянки виявиться дозвуковим і знову буде розганятися у вихідному конфузора, що також призведе до додаткових втрат повного тиску. По-друге, в запропонованому пристрої може здійснюватися тільки гомогенна конденсація, тобто конденсація на власних зародках, подученних в результаті флуктуації молекул газу внаслідок зниження його температури істотно нижче температури насичення. Розміри утворилися в результаті конденсації крапель сумірні з розмірами молекул газу і отсепарировать їх інерційним способом, як пропонується в пристрої, не представляється можливим. Але навіть гіпотетична модель запропонованого пристрою володіє тим суттєвим недоліком, що будучи пристроєм з постійною геометрією, воно може працювати тільки на одному режимі, наприклад, з постійною витратою газової суміші при постійному тиску на вході.

Гомогенна конденсація газової суміші вимагає для свого здійснення великих перепадів тиску і надзвукових швидкостей потоку, до?ке, пов'язане з великими втратами повного тиску. Отсепарировать отриману в результаті гомогенної конденсації дуже дрібнодисперсну рідина без попередньої коагуляції, а отже, додаткового пристрою і додаткових втрат повного тиску, вкрай складно. Застосування гомогенної конденсації можливо тоді, коли необхідно спрацювати зайвий наявний перепад тиску, що і роблять при дроселюванні газу на високонапірних свердловинах. На практиці, наприклад, при експлуатації низьконапірних газових свердловин, необхідні для гомогенної конденсації наявні перепади тиску відсутні, а тому для здійснення конденсації газу або будь-яких компоненти газової суміші необхідні інші способи і інші пристрої.

Метою цього винаходу є розробка ефективного способу виділення конденсату з газової суміші, заснованого на гетерогенній конденсації, здійснюваного при відносно невеликих перепадах тиску, а отже, з малими енергетичними втратами, і з розмірами крапель конденсату, прийнятними для інерційного сепарування, а також розробка пристрою, здатного ефективно виконувати зазначені функції ширагаемого способу для виділення конденсату з газової суміші полягає в наступному. Охолоджену до температури насичення конденсованої компоненти газову суміш розганяють у конфузорной ділянці. Попередньо на вхід в конфузорной ділянку впорскують рідину тієї компоненти газової суміші, яку необхідно конденсувати або іншу, що має температуру кипіння, по крайней море, близьку до температури кипіння конденсованої компоненти або нижче її. Розміри крапель впорскуємої рідини повинні бути прийнятними для здійснення інерційної сепарації і визначаються, в основному, тиском газу на вході у конфузор. Разом з тим, вони не повинні бути досить дрібними, щоб утворилося двофазне протягом конфузора було більш близьким до рівноважного, оскільки це сприятиме поліпшенню міжфазного масообміну. При розгоні двофазного потоку в конфузора тиск і температура в ньому будуть падати, причому в набагато більшому ступені, ніж при розгоні чистого газу, тому частина ентальпії газу буде витрачатися на роботу з розгону крапель. У якийсь момент парціальний тиск конденсованої компоненти стане нижче тиску насичення, також внаслідок теплообміну з потоком знизиться і температура крапель до значення, близького до температури насичення. Парциального ж пара в потоці, а тому перенасичений пар конденсованої компоненти буде дифундувати з потоку на краплі і там конденсуватися. Так станеться гетерогенна конденсація виділяється компоненти газової суміші на краплях, що знаходяться в потоці, причому з істотно більш низьким переохолодженням, ніж це було б необхідно для здійснення її гомогенної конденсації. В результаті описаного вище процесу конденсації в кінці конфузора витрата рідини, що виділяється з газової суміші компоненти, буде більшим, ніж її було подано на вхід. В кінці конфузора конденсат сепарують від газової фази. Частина отриманого конденсату знову подають на вхід у конфузор, а залишився надлишок використовують в тих чи інших цілях. Швидкість газу в подальшому знижують в дифузорі до прийнятного рівня. На цьому процес виділення низькокиплячих компонент з газової суміші закінчують.

Слід зазначити, що запропонований спосіб придатний і для виділення конденсату і з однокомпонентного потоку.

Схема пристрою для здійснення запропонованого способу представлена на кресленні. Пристрій включає підвідний трубопровід 1, розпилювач рідини 12, конфузорно-діффузорним ділянка, що складається з звужується каналу 2 і диффузорнии центральним тілом 3. Схема конфузорно-дифузорного ділянки, що представляє собою сепаратор, взята з патенту 2013108 на винахід "Спосіб сепарації рідини з газорідинного потоку і пристрій для його здійснення" (автор А.А. Бузою, 1990 р.). Запропоноване пристрій також включає механізм приводу центрального тіла 5, манометри 6 і 7, магістраль відводу рідини, з встановленим на ній регулюючим краном 8, зливну ємність 9, дренажні магістралі, з встановленими на них запірними кранами 10 і 13, магістраль підведення рідини до разбризгивателю, з встановленим на ній насосом 11, магістраль відводу рідини з краном 14.

Робота пристрою відбувається наступним чином. Утворилася після вприску рідини в газовий потік в початковому перерізі пристрої II двофазну суміш розганяють в конфузора 2 з зниженням тиску у потоці і пониженням температур обох фаз. При зниженні температури газу нижче температури насичення, яка виділяється з нього компоненти починається конденсація цієї компоненти на краплях ядра потоку, а також на плівці рідини, що утворюється на стінках конфузора, так і на центральному тілі. Ця плівка в обох випадках має хвилеподібну структуру, а тому умови образосходит з прискоренням до мінімального перерізу конфузора II-II, горла пристрої, і з гальмуванням його в диффузорной частини до перетину III-III, максимального перерізу центрального тіла (міделю).

Режим течії в пристрої з прискоренням в конфузора і гальмуванням в дифузорі забезпечують регулюванням площі мінімального перерізу пристрою, його горла, шляхом переміщення центрального конічного тіла 3. Контроль за наявністю такого режиму течії здійснюють за рахунок підтримки позитивного перепаду тиску між манометрами 7 і 6, перший з яких встановлено поблизу мінімального перерізу конфузора, а другий - поблизу мінімального перетину дифузора, тобто ліворуч і праворуч від горла пристрою, як показано на кресленні. З метою поліпшення умов для конденсації газу і поліпшення умов для сепарації крапель у пристрої підтримують режим течії, близький до критичного, тому що при цьому збільшується переохолодження газу і збільшується швидкість крапель. Для цієї мети тиск, реєстроване манометром 7, підтримують, по можливості, мінімальним, зберігаючи при цьому позитивний перепад тиску між манометрами 7 і 6.

Конденсація виділяється компоненти газової суміші відбувається протягом усього плину потоку в пристрої. У мінімальному перерізі в передній частині центрального тіла 3. У диффузорной частині пристрою конденсат відбирають через щілинні отвори, розташовані в мидельном перерізі центрального тіла.

Всі магістралі відбору з'єднані між собою. Відібраний конденсат чорним регулюючий кран 8 по трубопроводу подають в зливну ємність 9. Призначення крана 8 - створити такий опір у мережі трубопроводів, щоб відбирається через щілинні отвори разом з конденсатом газ, по можливості, в меншій кількості потрапляв в зливну ємність. З цією метою прохідний перетин крана 8 встановлюють таким, щоб більш інерційний і несжимаемий конденсат повністю проходив через кран, а для стисливого газу цей кран був би сильним опором.

Частина газу разом з конденсатом все ж потрапляє в зливну ємність, хоча величина його витрат істотно менші витрати газу через сам пристрій. Тиск спочиваючого газу в зливний ємності більше, ніж тиск рухомого газу в пристрої, а тому газ з зливний ємності дренують через запірний кран 13 по магістралі, з'єднаної з пристроєм в районі його горла, де тиск в потоці найменше. Таким чином, враховуючи, що і рідина на вхід пристрою виявляється замкнутим.

Запропонований пристрій може застосовуватися і для інших цілей, крім зазначених у описі його роботи.

Так, при експлуатації високонапірних газових свердловин виникає необхідність знизити тиск газового потоку, щоб надалі не порвалися відвідні трубопроводи. При цьому часто одночасно необхідно відібрати йде з газом попутну рідина.

Прикривши в описаному вище пристрої мінімальний переріз до необхідної величини, його можна використовувати в якості дроселя і знизити тиск в потоці до необхідної величини. При цьому функція пристрою, як сепаратора, зберігається і попутна рідина буде відбиратися.

При ремонті магістральних трубопроводів необхідно відключати подачу газу. В якості запірного крана можна використовувати запропоноване пристрій, якщо прикрити в ньому повністю мінімальний переріз. Це дозволить заощадити на установці додаткового запірного крана.

При проходженні газотрубопроводов в районах вічної мерзлоти виникає необхідність захолаживания йде за ним газу з метою попередження опади трубопроводів.

Якщо на вхід пропонованого пристрою подати в досить великій кількості рідина, яка не буоту за її розгону, до мінімального перерізу буде істотно охолоджений. Сама рідина, подана на вході в пристрій, до виходу з пристрою буде отсепарирована. Таким чином, запропонований пристрій може бути використано в якості захолаживателя газу.

Об'єктивність запропонованого способу та пристрою для виділення конденсату з газової суміші порівняно з наявними аналогами визначається наступним. Виділення низькокиплячих компонент з газової суміші відбувається шляхом проведення гетерогенної конденсації газу на краплях попередньо введеної в потік рідини і здійснюється при відносно малих перепадах тиску і дозвукових швидкостях потоку в пристрої, отже, пов'язане з малими енергетичними втратами. Процес конденсації і процес виділення конденсату з потоку, тобто сепарації, об'єднані в одному пристрої, а це економічно вигідно як при виготовленні пристрою, так і при його експлуатації. Габарити пристрою порівнянні з габаритами підвідного трубопроводу, а отже, воно має невелику металоємність. Можливості використання пристрою в якості дроселя з відбором попутної рідини, запірного крана і захолаживателя газу дають додатковий чистим.

Формула винаходу.

1. Спосіб утворення конденсату з низькокиплячих компонентів газової суміші, що включає охолодження газової суміші до температури насичення її низькокиплячих компонентів при розгоні газової суміші в конфузорной каналі, який відрізняється тим, що газову суміш розганяють в конфузора спільно з краплями рідини конденсируемого компонента, який попередньо подають на вхід у конфузор.

2. Пристрій для утворення і виділення конденсату низькокиплячих компонентів газової суміші, що включає сепаратор з конфузорно-диффузорной проточною частиною і рухомим в осьовому напрямку центральним тілом, з щілинними отворами для відбору випадає на стінки сепаратора і центральне тіло рідини, що включає також накопичувальну ємність для зливу конденсату і подводящую до неї магістраль, що відрізняється тим, що на вході в пристрій встановлений розприскувач, через який подають у необхідній кількості у вигляді крапель конденсат низькокиплячих компонентів для розгону його спільно з газовою сумішшю в конфузорной ділянці пристрою.

3. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що положення центрального тіла і, отже, величину площі мінімального встановлених до і після мінімального перерізу пристрою, поблизу його, зберігаючи при цьому мінімально можливим тиск в кінці конфузора.

4. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що магістраль відбору конденсату обладнана регулюючим краном.

5. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що зливна ємність з'єднаний трубопроводом з сепаратором поблизу його мінімального перерізу, де тиск у пристрої мінімальне.

6. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що мінімальний переріз в ньому прикривають до такого розміру, що пристрій виконує функцію дроселя для зниження тиску газу з одночасним відбором попутної рідини.

7. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що мінімальний переріз в ньому прикривають повністю, і пристрій виконує функцію запірного крана.

8. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що на вхід в пристрій подають у необхідній кількості рідина і розганяють її разом з газом в конфузора, тим самим істотно знижують температуру потоку в кінці конфузора і використовують пристрій в якості захолаживателя газу, подану на вхід в пристрій рідина відбирають, використовуючи функції пристрою, як сепаратора.

3S (Super Sonic Separator) -- сепаратор -- низкотемпературный сверхзвуковой сепаратор, конструкция которого основана на использовании достижений современной аэродинамики, связанных с аэрокосмической техникой.

Принцип работы 3S-сепаратора базируется на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке. Сверхзвуковой поток реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей, больших скорости распространения звука в газе. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа.

Работа 3S-сепаратора происходит следующим образом. Входной поток закручивается в форкамере и подается в сопло 2, где падает его давление и температура и резко возрастает скорость. В результате сильного охлаждения образуются капли жидкости, далее эти капли нарастают за счет коагуляции (этому процессу способствует турбулизация потока, вызванная его вращением).

Рост капель продолжается в рабочей секции, в которой образуется газожидкостный пограничный слой, обогащенный жидкими компонентами, а центральный поток оказывается очищенным от целевых компонентов. Затем потоки проходят через диффузоры, где их скорость гасится, а давление повышается.

Применение диффузоров на выходе из рабочей части 3S-сепаратора позволяет преобразовать часть кинетической энергии потока в потенциальную, что обеспечивает получение более высокого давления газа на выходе из диффузоров, чем статическое давление газа в сверхзвуковом сопле.

Таким образом, на вход 3S-сепаратора подается газовый поток (он может содержать до 20% жидкости), а из 3S-сепаратора выходит два потока: один - поток подготовленного товарного газа, а второй -- газожидкостный поток, обогащенный жидкими компонентами.

Технические характеристики.

3S-сепаратор представляет собой 4-хсекционную трубную конструкцию, элементы которой соединены фланцами. Все газодинамические элементы расположены внутри трубных секций. Движущиеся части отсутствуют.

В зависимости от места использования, 3S-сепараторы изготавливаются для входных давлений 60 атм., 100 атм. и 160 атм.

Потребительские свойства.

3S-сепаратор предназначен для низкотемпературной сепарации компонент газовых смесей и используется в нефтяной и газовой промышленности для:

-- подготовки газа к транспорту;

-- выделения пропан-бутановой и пентановой фракций.

Конкурентные преимущества

Конкурентные преимущества:

· Компактность установки, высокая конкурентоспособность по капитальным и текущим затратам

· 3S-сепараторы не требуют энергетических затрат, эффективно используя при работе энергию газового пласта, имея при этом очень низкие операционные затраты, так как являются необслуживаемыми

· Конкурирующие технологии либо имеют высокие операционные затраты (адсорбционные, абсорбционные и мембранные технологии) либо потребляют большое количество электрической энергии (криогенные технологии)

Правовая защита основных технологических решений продукта

Российские патенты*

RU 2133137 Устройство для разделения компонентов газовых смесей

RU 2137065 Устройство для сжижения газа

RU 2139479 Способ сжижения газа

RU 2139480 Способ разделения компонентов газовых смесей

RU 2143654 Способ разделения компонентов газовых смесей

RU 2167374 Устройство для сжижения газа

RU 2272973 Способ низкотемпературной сепарации газа (варианты)

RU 2348871 Устройство для сжижения и сепарации газов

RU 2380630 Способ сжижения и сепарации газов

Тексты патентов можно найти на сайте Федерального института промышленной собственности . Они находятся в открытых реестрах.

Опыт применения.

На данный момент созданы, испытаны и введены в промышленную эксплуатацию первые установки сверхзвуковой сепарации, предназначенные для сепарации относительно малых количеств C5+, C3+ из природного газа. Начато промышленное внедрение 3S-установок для сепарации углеводородов.

Первые две установки по выделению C5+ из природного газа введены в эксплуатацию (Роснефть, PetroChina).

Как разделять газ на сверхзвуковых скоростях?

Чтобы отделить от природного газа бутан, пропан, пентан и прочее ценное для химической промышленности сырье, нужны технологии сепарации газов. Российская компания «ЭНГО Инжиниринг» разработала компактную установку -- 3S-сепаратор, который использует для разделение газовых смесей их ускорение до сверхзвуковых скоростей, и работает с большей отдачей, чем уществующее оборудование.

Такой сепаратор встраивается в специальную установку комплексной подготовки природного газа к транспорту, заменяя широко применяемые сегодня клапаны Джоуля-Томсона. Использование технологии компании «ЭНГО Инжиниринг» позволяет более чем на треть увеличить отбор тяжелых углеводородов при сохранении той же мощности установки. Если же нужно сохранить прежний уровень производительности, то благодаря 3S-сепаратору можно уменьшить компрессорную мощность установки -- до 50-70%. Вдобавок ее отличают малые габариты и вес, что очень важно, если учитывать, что центры добычи газа становятся все более труднодоступными -- и следовательно, становятся востребованными мобильные решения.

«ЭНГО Инжиниринг» уже оснастила 3S-сепараторами установки подготовки природного газа для нескольких крупных клиентов, в частности, на Губкинском и Северо-Комсомольском месторождениях для «Роснефти», и на месторождениях Talimi и Dabei для китайской PetroChina. В стадии разработки сейчас находятся еще пять проектов, где планируется применение технологии 3S-сепарации как для выделения «тяжелых» фракций из природного и попутного газа, так и для очистки природного газа от углекислого газа. «ЭНГО Инжиниринг» уже оснастила 3S-сепараторами установки подготовки природного газа для нескольких крупных клиентов, в частности, на Губкинском и Северо-Комсомольском месторождениях для «Роснефти», и на месторождениях Talimi и Dabei для китайской PetroChina. В стадии разработки сейчас находятся еще пять проектов, где планируется применение технологии 3S-сепарации как для выделения «тяжелых» фракций из природного и попутного газа, так и для очистки природного газа от углекислого газа.

Описание 3S-технологии

Принцип действия.

3S-технология базируется на расширении предварительно закрученного потока газа в сопле Лаваля. При этом за счет перехода части потенциальной энергии газового потока в кинетическую при его разгоне до сверхзвуковых скоростей происходит резкое падение статического давления в потоке, которое сопровождается его сильным охлаждением.

В 3S-сепараторе расчётным выбором геометрии сопла и степенью падения давления (характеризуемую обычно числом Маха «М») можно регулировать температуру потока в сопле. Число М подбирают таким образом, чтобы "целевые" (подлежащие сепарации) компоненты газовой смеси переходили в жидкую фазу. Образовавшиеся капли активно коагулируют, чему способствует турбулентный характер закрученного потока. Степень закрутки потока обычно выбирается так, чтобы обеспечить центробежные силы в рабочей секции сопла величиной порядка 100 тысяч g.

Под воздействием центробежных сил жидкие капли перемещаются в пограничный слой, в котором образуется газожидкостная смесь, обогащенная «целевыми» компонентами. При этом «центральная» часть потока оказывается очищенной от «целевых» компонент.

Далее в устройстве отбора газовый поток разделяется на два: газожидкостный поток, направляемый в газожидкостный сепаратор, и поток подготовленного (товарного) газа, направляемый потребителю.

Применение диффузоров на выходе из рабочей части 3S-сепаратора позволяет за счет торможения преобразовать часть кинетической энергии потока в потенциальную, что обеспечивает получение существенно большего давления газа на выходе из диффузора, чем статическое давление газа в сопле Лаваля, при котором происходит конденсация целевых компонент.

Принципиальная схема конструкции сепаратора

Преимущества 3S-технологии.

Высокая эффективность подготовки и переработки газа

Высокая энергетическая эффективность, достигаемая за счёт использования энергии пласта

Экологическая безопасность

Высокая надежность обусловленная отсутствием движущихся частей внутри сепаратора

Компактность и малый вес установки

Возможность обеспечения углубленного извлечения пропан-бутанов и этана

Отсутствие необходимости в трудоёмком и высококвалифицированном текущем обслуживании

Продление периода бескомпрессорной эксплуатации месторождений за счет обеспечения высокой эффективности при малых перепадах давления газа на установке

Эффективное извлечение СО2 и H2S из кислых природных газов

Возможность использования на морских платформах и в подводных системах подготовки газа

Экономический эффект применения 3S-технологии имеет следующие составляющие:

Достигаемая экономия капитальных затрат по сравнению с использованием технологий предыдущего поколения составляет от 30 до 70 % в зависимости от ныне применяемого оборудования и характеристик обрабатываемого газа.

Возможность введения в разработку газовых и нефтяных месторождений с большим содержанием кислых компонент, разработка которых с использованием действующих технологий существенно затруднена или невозможна.

Минимальные операционные расходы.



Области применения 3s-сепаратора: ключевые преимущества

Подготовка попутногои природного газа

Увеличение глубины выхода жидких при том же перепаде давлений

-- Снижение капитальных затрат

-- Продление работы УКПГ без ДКС на 3-5 лет

Подводна сепарация газа

Нет необходимости в обслуживании

-- Нет необходимости во внешних источниках энергии

Сепарация СO2 на месторождения с большим его содержанием



Товарный газ содержит не более 3% СO2

-- Низкие капитальные затраты

-- Компактность установки

Нефте- и газодобывающие морские платформы, FPSO

Низкие требования к качеству входного потока (возможного наличия жидкости)

-- Малые габариты

Сверхзвуковая сепарация

На газоконденсатных месторождениях РФ для подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС). Метод состоит в охлаждении потока пластового флюида за счет дросселирования избыточного давления и механического разделения образовавшихся жидкой и газовой фаз.

Дросселяция газа основана на применении эффекта Джоуля-Томпсона. Эффектом Джоуля-Томсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании -- медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку).



Рисунок 1 - Клапан КРД-5

В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. После дросселирования смесь газа и выпавшей жидкости входит в низкотемпературный сепаратор. Здесь в результате сепарации выделяются сухой газ высокого давления, нестабильный газовый конденсат и водометанольная смесь. На рисунке 1 изображен клапан КРД-5 используемый для НТС.

Рабочая среда поступает в напорную часть корпуса и проходит через профилированное отверстие дискового седла, открываемое при повороте золотника, который поворачивается вокруг своей оси с помощью шпинделя, проходящего через графлексовое уплотнение, соединяемого с приводом.

Первым серьезным недостатком НТС является то, что для предотвращения гидратообразования при снижении температуры газового потока необходимо использовать опасные химические реагенты (метанол, смесь этанола и гликоля).

По мере разработки месторождения, при его истощении, следовало бы для поддержания заданного уровня добычи жидких углеводородов из все облегчающегося состава исходной смеси снижать температуру сепарации. На практике же из-за непрерывного снижения свободного перепада давления температура сепарации постоянно растет. Вышесказанное является вторым существенным недостатком системы НТС [3].

Третьим недостатком данной схемы является ее большие габаритные размеры и значительная масса, что крайне нежелательно при добыче газа на море (проектная стоимость одного койко-места на платформе составляет 4 миллиона долларов) [8].

Наличие подвижных частей в клапане НТС и их движение относительно друг друга при частых регулировках уровня открытия клапана вызывают необходимость трудоемкого и высококвалифицированного технического обслуживания. Данный факт указывает на невозможность использования НТС в подводных системах подготовки газа, где доступ персонала к оборудованию затруднен, а в случае больших глубин невозможен. Использование водолазов и подводных роботов связано с рисками и значительными затратами.

Менее распространенным в РФ является способ осушки газа при помощи турбодетандеров (рисунок 2).

Рисунок 2 - Турбодетандер (слева) и его рабочая камера (справа)



Турбодетандеры -- лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа. За счет двухступенчатого преобразования энергии газа турбодетандер более эффективен по сравнению с клапаном КРД, однако имеет схожие с ним недостатки.

Учитывая изложенное ранее была разработана технология подготовки газа на основе 3S сепарации. 3S сепарация (от англ. super sonic separation) - новейшая технология, предназначенная для извлечения целевых компонентов из природных газов. Технология базируется на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке газа.

Сверхзвуковой поток реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей превышающих скорость распространения звука в газе. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа. Выделившаяся в результате охлаждения жидкость центробежными силами с ускорением достигающим 10⁶ м/с² [5] отбрасывается к стенкам выходного раструба, а газ выходит через диффузор. В диффузоре кинетическая энергия, приобретенная потоком, переходит в давление (давление на выходе составляет 70-80 % от входного давления) [6].



На рисунке 3 представлена конструкция 3S сепаратора, на рисунке 4 схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе.

Рисунок 3 - Принципиальная схема 3S-сепаратора

1 - завихряющее устройство; 2 - сопло Лаваля; 3 - рабочая секция; 4 -двухфазный сепаратор газ-жидкость; 5 - диффузор; 6 - направляющий аппарат

Рисунок 4 - Схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе

По сравнению с традиционными схемами подготовки газа использование 3S-сепараторов имеет следующие преимущества:

- Позволяет отказаться от использования химикатов для борьбы с гидратообразованием (время пребывания газожидкостной смеси внутри сепаратора составляет тысячные доли секунды, за столь малый промежуток времени гидраты не успевают сформироваться)

- Малая занимаемая площадь и масса установки, высокая транспортабельность и монтажеспособность (сепаратор спроектированный на рабочее давление в 100 бар имеет длину 2 м);

- Упрощение конструкции установки;

- Продление периода бескомпрессорной эксплуатации месторождения;

- Снижение затрат мощности компрессорных станций без снижения производительности (достигает 50-70%) [5];

- Углубленное извлечение пропан-бутанов и этана;

- Предотвращение уноса конденсата из сепараторов НТС за счет увеличения степени извлечения фракций C5+ (30 % рост извлечения при одинаковых энергозатратах) [5];

- Эффективное извлечение CO₂ и H₂S из кислых природных газов [2];

- В 3S-сепараторе отсутствуют движущие части и, как следствие, нет необходимости в трудоемком и высококвалифицированном текущем обслуживании аппарата;

- Можно использовать на платформах и в подводных системах подготовки газа.

Рисунок 4 - Сравнительный график эффективности

На рисунке 4 изображен сравнительный график эффективности для клапана НТС, турбодетандера и 3S сепаратора. Общий вид 3S сепаратора представлен на рисунке 5.

Первая экспериментальная установка была построена в Канаде. Первая в мире промышленная установка 3-s сепарации была введена в строй в 2005 году в Западной Сибири.



Рисунок 5 - 3S сепаратор

Летом 2007 г. был завершен проект модернизации УКПГ-1 Губкинского месторождения ОАО НК «Роснефть-Пурнефтегаз» на основе 3S-технологии, при этом производительность по газу и конденсату выросла на 50%. Срок окупаемости капитальных вложений на модернизацию составил 6 месяцев [6]. За рубежом данная технология активно используется компанией Shell.



Список литературы

1. Бордачев С.Г., Имаев С.З.Технологические схемы УКПГ на основе 3S - технологии для северных месторождений - Московский физико-технический институт.

...