УДК 665.612.003.1
Моделирование и экспериментальное исследование изобарного низкотемпературного разделения низкокалорийного попутного нефтяного газа
А. Н. БЛЯБЛЯС – аспирант ИМ УрО РАН
М. А. КОРЕПАНОВ – д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН
В статье описывается технология низкотемпературного разделения попутного нефтяного газа на фракции без использования компрессионных установок. Проведен анализ эффективности данной технологии на примере газа с химическим составом, аналогичным попутному нефтяному газу Гремихинского месторождения, характерного для Удмуртской Республики. Проведены численные и экспериментальные исследования и подтверждена работоспособность технологии.
С 1 января 2012 г. вступило в действие постановление правительства РФ, устанавливающее требование к нефтекомпаниям об утилизации 95% добываемого попутного нефтяного газа. Не смотря на это, ежегодно на факельных системах нефтегазодобывающих компаний сжигаются миллионы кубометров топлива.
На сегодняшний день существуют множество технологий позволяющих так или иначе использовать попутный нефтяной газ, одной из наиболее используемых является низкотемпературная сепарация в ректификационных колоннах с последующем выделением широких фракций легких углеводородов. Данная технология оправдывает энергозатраты, когда углеводородный газ высококалорийный, с теплотой сгорания 15–25 тыс. ккал/м3.
Специфика добываемого попутного газа на территории Удмуртской Республики заключается в том, что средняя объемная доля азота составляет 60-90%, в связи с этим, средняя теплота сгорания газа варьируется от 3 до 7 тыс. ккал/м3. В связи с этим невольно напрашивается вопрос о целесообразности компрессионного воздействия на большую часть азота, который, как известно, не горит. Кроме того, компрессионное разделение газа влечет за собой конденсацию и растворение в жидкости нецелевых компонентов, таких как азот, сероводород, и т. д. В связи с этим, требуется последующая дегазация продукта.
Предлагаемая технология предусматривает исключение компрессорной установки из стандартной технологической схемы компрессионного разделения углеводородных газов.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема изобарного разделения низкокалорийного попутного нефтяного газа
Высвободившееся энергия направлена на дополнительное охлаждение хладагента в системе. Существующие технологии позволяют поддерживать температуру хладагента в системе до -30°С.
Для моделирования процесса низкотемпературной сепарации используется САПР Aspen HYSYS, с решателем по уравнению Пенга-Робинсона.
В 1976 г. было предложено уравнение состояния Пенга-Робинсона. Оно получило широкое распространение для расчетов газо-жидкостного равновесия:
где:
р – давление, МПа;
Т – температура, К;
v – мольный объем, м3/кмоль;
R – универсальная газовая постоянная, МПа×м3/кмоль×К;
a, b – коэффициенты уравнения Пенга-Робинсона для чистых веществ [2].
Моделирование и эксперимент рассматривается на низкокалорийном попутном газе Гремихинского месторождения Удмуртской Республики, с общей теплотой сгорания 5111 ккал/м3.
Аппроксимируем значения, принимаем расход газа на факельной линии – 100 кг/час, температуру газа в факельной линии +20°С (при среднегодовой температуре +3°С), среднее давление на факельной линии 1 МПа. Рассматриваются режимы глубокого охлаждения углеводородной смеси до температур +5°С, 0°С, -5°С, -10°С, -15°С, -20°С, -25°С, -30°С.
Ввиду того, что из 100 кг низкокалорийного газа- целевых углеводородов лишь 12,35 кг, объем выделенного конденсата составляет 67,5%.
На основании математических зависимостей была спроектирована лабораторная установка, которая подтвердила свою работоспособность на нефтяных месторождениях Удмуртской Республики. Эксперимент проводился на попутном газе аналогичного химического состава.
Рис. 2. Выход жидкой фракции. Корреляция моделирования и эксперимента
Результаты эксперимента достаточно хорошо коррелируют с получившимися теоретическими предсказаниями.
Из графика (рис. 2) видно, что при понижении температуры охлаждения выход ШФЛУ практически линейно возрастает, некоторые отклонения экспериментальных результатов относительно математической модели можно объяснить колебаниями состава ПНГ в газопроводе.
Стоит также отметить, что данная технология выделения жидкой фракции из ПНГ оказывается экономически эффективной даже при извлечении менее 10 кг ШФЛУ из 100 кг исходного газа. Это связано в первую очередь с тем, что на прямое глубокое охлаждение ПНГ затрачивается значительно меньше энергии, чем на предварительное компримирование и последующее охлаждение.
Из таблицы 2 видно, что при температуре охлаждения -30°С затраты энергии на охлаждение ПНГ при расходе 100 кг/ч не превышают 3 кВт/ч, а выход сжиженной фракции составляет около 8 кг, что при существующих ценах на энергоносители показывает низкий уровень затрат на электроэнергию для охлаждения по сравнению с ценой жидкой фракции.
Оставшаяся в газообразном состоянии часть исходного ПНГ содержит в основном азот, метан, другие газы, а также углеводороды, оставшиеся на уровне давления насыщенного пара. Этот газ нельзя выбрасывать в атмосферу без переработки. И так как после извлечения углеводородов теплота сгорания оставшегося газа будет еще ниже, и если температура его адиабатного сгорания будет составляет около 1900 К, что находится на границе устойчивого горения углеводородов на воздухе [4], то для его утилизации можно рассмотреть сжигание с воздухом в присутствии катализатора с использованием тепла в технологических целях, например, для подогрева нефти.
Очевидно, что повышение точности расчетов фазовых превращений углеводородных смесей актуально и в настоящее время, поскольку, чем выше точность и область применения модели, тем меньше количество необходимых трудоемких экспериментов.
Рассмотренная в статье технология утилизации попутного нефтяного газа позволяет извлекать из него жидкие углеводороды и существенно сократить выбросы в окружающую среду.
Предложенная технология может быть экономически оправданна даже при содержании инертных газов в ПНГ свыше 70%, что характерно для нефтяных месторождений Удмуртской республики.
ЛИТЕРАТУРА:
- О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках. Постановление Правительства РФ от 08.01.2009 № 7 (ред. от 08.11.2012). URL: ttp://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_83792/ (дата обращения 13.09.2014).
- Блябляс А. Н., Технология разделения попутного нефтяного газа в условиях отсутствия развитой инфраструктуры // Сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке / Ответственные за выпуск: А. П. Тюрин, А. Н. Домбрачев. Электронное научное издание. Ижевск: Изд-во ИННОВА, 2015. с. 570–573.
- Фаловский В. И., Хорошев А. С., Шахов А. С. Современный подход к моделированию фазовых превращений углеводородных систем с помощью уравнения состояния Пенга-Робинсона // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 4–1. с. 120–125.
- Бернадинер М. Н., Шурыгин А. П., Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990. с. 304.
