image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5 2017

Разработка и эксплуатация месторождений

01.05.2017 10:00 Метод извлечения этана в смеси с метаном в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка – Хилша и сопла Лаваля
Этан является самым эффективным сырьем для получения этилена, базового сырья для получения полиэтилена, так как при получении из него этилена не образуются побочные продукты. Как показывают проведенные исследования, наращивание производства этана – процесс энергозатратный. К примеру, в год Оренбургский гелиевый завод потребляет свыше 1 млрд кВт.ч электроэнергии. Поэтому, несомненно, особую актуальность приобретают процессы, основанные на ресурсо- и энергосбережении для достижения низких температур и относительно небольшой металлоемкости применяемого оборудования. В статье рассматривается метод разделения углеводородов (этана и метана) путем совмещения трубки Ранка – Хилша и сопла Лаваля. При этом обосновывается необходимость разделения углеводородов непосредственно в промысловых условиях.
Ключевые слова: эффект Джоуля – Томсона, снижение температуры, степень извлечения фракций, низкотемпературный сепаратор, трубка Ранка – Хилша, сопло Лаваля.
Ссылка для цитирования: Мияссаров Р.Ф., Ишмурзин А.А., Махмутов Р.А. Метод извлечения этана в смеси с метаном в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка – Хилша и сопла Лаваля // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 5. С. 44–47.
Открыть PDF


Попутный нефтяной газ (ПНГ) и природный газ (ПГ) представляют собой смесь углеводородов метанового ряда: этана, пропана, бутана и др. Все углеводородные газы по происхождению можно разделить на две большие группы: природные газы и газы нефтеперерабатывающих заводов [5].

Природные газы в зависимости от условий залегания имеют различный состав. Обычно с нарастанием глубины и, соответственно, пластового давления изменяется состав газа. Для так называемого сеноманского газа, например, на Уренгойском газоконденсатном месторождении характерны глубины 1040–1230 м и содержание метана в природном газе более 98 %. Ачимовские залежи Уренгойского ГКМ расположены в диапазоне 3370–3800 м, содержание метана в пластовом газе ачимовских залежей составляет менее 80 %. Содержание этана этих месторождений колеблется от 4,5 до 6 % для валанжинских залежей и свыше 8 % – для ачимовских. Газ большинства новых месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также Надым-Пур-Тазовского региона характеризуется высоким содержанием этана, который является ценным сырьем для газохимических производств, поэтому необходимо ориентироваться на получение продуктов глубокой переработки, что обусловливает необходимость развития и внедрения новых технологических процессов глубокого извлечения фракции С2+. 

1_1_13.png

Постановка вопроса

Многолетний мировой опыт показал высокую эффективность и экономичность производства химической продукции и синтетических полимеров из легких углеводородов газового сырья. Так, 1 т этана заменяет при получении этилена примерно 2 т бензина. Выход этилена из бензина составляет 27 % [4]. Поэтому более дешевый способ получения этилена как базового сырья для получения полиэтилена – это использование этана.

На сегодняшний день 80 % российского этана производится на Оренбургском гелиевом заводе. Прежде всего перерабатываемый природный газ (15 млрд м3/год) необходимо превратить в жидкость с температурой ниже –100 °C, и затем полученная жидкость подвергается многостадийному разделению, в ходе которого выделяют ценные компоненты.

Для сравнения: один газоконденсатный промысел Ямбургского месторождения дает фактическую максимальную производительность 16,5 млрд м3/год газа, т. е. самый крупный газоперерабатывающий завод России просто не успеет подготовить такое количество газа. По этой причине в России перерабатывается всего 7,5 % добываемого ПГ, в то время как в США в 2005 г. переработано около 90 % ПГ. На этом Россия ежегодно теряет еще около 19–20 млн т широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) [5].

В связи с этим актуальной задачей является более полное выделение ценных компонентов на газовых месторождениях, поскольку существующие мощности не сумеют справиться с поставляемыми объемами. Разумеется, для достижения температуры –100 °C необходимы большие капиталовложения и огромное количество энергоресурсов. В настоящее время при извлечении этана предпочтение отдается технологическим схемам с детандерным холодильным циклом. Часто технологические схемы с детандером для предварительного охлаждения газа включают пропановые холодильные циклы. Поэтому, по мнению авторов, «жирный» газ валанжинских и ачимовских отложений, содержащих большое количество тяжелых компонентов, необходимо подготавливать в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка – Хилша и сопла Лаваля. Суть технологии выделения ценных компонентов, главным образом этана, основывается на численном различии молекулярной массы метана и этана. Молекулы этана в два раза тяжелее молекул метана.

1_1.png 

Принципиальная схема охлаждения газа путем совмещения трубки Ранка – Хилша и сопла Лаваля

Предлагаемое техническое решение направлено на извлечение целевого компонента (этана) из смеси с метаном без превращения какого-либо компонента в жидкое состояние (рис. 1).

Принцип действия основан на создании центробежной силы в аппарате при помощи улитки 1. Далее закрученный поток газа поступает в конфузорно-диффузорное сопло Лаваля 2, в котором при адиабатном расширении в дозвуковой части и прохождении критического участка падают его температура и давление и увеличивается скорость. За счет достижения низкой температуры в сепарационной секции 3 происходит ослабление межмолекулярных связей, и более тяжелые компоненты молекулы этана отбрасываются к периферии и отбираются посредством кольцевой щели, образованной диффузором 4 и сепарационной секцией 3. Далее молекулы этана поступают в межтрубное пространство, куда подается абсорбент через насос 8, форсунки 6 и тарелку 5, для равномерного распределения абсорбента по пространству и выхода насыщенного абсорбента в этановую линию.

Как явствует из технологической схемы, в сопле Лаваля происходит охлаждение газа и одновременно температурное разделение на «холодный» и «горячий» потоки за счет высокоскоростного закручивания. При этом «холодный» поток, выработанный в сопле Лаваля, охлаждается за счет передачи своего тепла «горячему» потоку. К тому же за счет закручивания путь движения газа в сопле Лаваля удлиняется и, очевидно, процесс охлаждения газа становится более стабильным.

1_1_1.png 

Результаты газодинамических расчетов изменения параметров газа по длине сопла Лаваля

Проведенные газодинамические расчеты снижения температуры по длине сопла, выполненные по известным формулам [7], дали результат, представленный на рис. 2–4.

Газодинамический расчет был произведен для природного газа применительно к газоконденсатному месторождению. Течение газа в сопле адиабатное, расширение газа происходит без совершения внешней работы и теплообмена с внешней средой.

Исходные данные: пропускная способность установки рассчитана на переработку 200 млн м3 газа в год, расчет проводился для Ямбургского газоконденсатного месторождения при следующем составе газа: CH4 = 93,3;
C2H6 = 4,22; C3H8 = 1,22; C4H10 = 0,72;
C5H12 = 0,15; CO2 = 0,72; N2 = 0,54.

Расчеты подтвердили: при длине сопла L = 903 мм, диаметре входного сечения d1 = 150 мм, критическом сечении dкр = 65 мм, выходном диаметре d2 = 118 мм и числе Маха М = 1,8 можно охладить природный газ до –52 °C.

Изменение температуры по длине сопла связано с созданием перепада давления кратностью 2,7. При таком перепаде давления установлена степень извлечения этановой фракции 36 % (рис. 5).

1_1_2.png 

Заключение

В статье дано теоретическое обоснование увеличения выделения ценных компонентов в промысловых условиях, главным образом этана, и эффективности применения высокоскоростных газодинамических процессов для подготовки природного газа газоконденсатных месторождений. Стоит отметить, что одним из целевых значений «Основных положений плана развития газо- и нефтехимии России на период до 2030 г.» [12] является отметка в 7,5 млн т производимого ежегодно этилена. Такое количество этилена может быть получено всего из 12,7 млн т этана. Поэтому необходимо максимально полно извлечь целевые компоненты, особенно этан, перед смешением «жирного» валанжинского и ачимовского газа с «бедным» сеноманским газом. Проведенные расчеты показали, что при высокоскоростном закручивании потока газа можно добиться его охлаждения до температуры –52 °С, что свидетельствует о возможности извлечения до 36 % этановой фракции без превращения какого-либо компонента в жидкое состояние.



← Назад к списку


im - научные статьи.