Разработка эффективных схем разделения метанолсодержащих растворов в технологии подготовки газа и газового конденсата

Россия обладает самыми крупными промышленными запасами природного газа (около 40% от мировых) и занимает лидирующее положение в мире по его добыче и экспорту. Оценка размеров прогнозных ресурсов газа в Восточной Сибири и Дальнем Востоке, на шельфах северных и восточных морей показывает, что Россия еще долгое время будет лидером в газовой отрасли мира. Однако в последние десятилетия наблюдается тенденция к постоянному повышению доли газоконденсатных месторождений со сложным компонентным составом [1]. Переход к добыче газа из газоконденсатных месторождений потребовал применения широкого спектра технологий, призванных решать новые задачи как при подготовке газа и конденсата к транспорту, так и при организации глубокой переработки природного газа.

В 2008 году организации ОАО «Газпром» добыли 549,7 м газа. Такие объемы производства предопределяют значительное техногенное воздействие на окружающую природную среду. Постоянный поиск более совершенных решений в природоохранной деятельности направлен на сведение этого воздействия к минимуму. При этом одними из стратегических направлений (в соответствие с Концепцией научно-технической политики ОАО Газпром до 2015 г.) являются:

— повышение экологической безопасности объектов отрасли на основе создания и внедрения экологически чистых технологий и технических средств;

— стабилизация и последующее сокращение объемов выбросов парниковых газов;

— существенное снижение сбросов загрязненных сточных вод и дальнейшее прекращение сброса вод этой категории.

Наличие в газе избыточной влаги вызывает ряд серьезных проблем при добыче, обработке (подготовке) и транспортировании газа. При изменении условий (снижение давления, температуры) в системе происходит конденсация водяных паров и, следовательно, образование в ней водного конденсата. Последний образует гидраты с компонентами природного газа. Гидраты, отлагаясь в газопроводах, запорной арматуре, уменьшают их сечение, а иногда приводят к аварийным остановкам. Для предотвращения образования гидратов широкое применение нашли ингибиторы гидратообразования, в первую очередь — метанол. Это самый распространенный химический реагент, применяемый в газовой промышленности. Усредненные нормы расхода метанола в технологии добычи и подготовки природного газа для северных месторождений по данным [2] составляют от 30 до 2000 г/тыс. м3 добытого газа. С учетом геологических условий расположения газовой залежи и технологии подготовки (обработки) газа расход метанола нормируется следующим образом:

— сеноманский газ — адсорбционная или абсорбционная осушка, средние удельные показатели потребления метанола 30 — 50 г/1000 м обрабатываемого газа;

— сеноманский газ — низкотемпературная сепарация с детандер-компрессорным агрегатом «среднего давления», средние удельные показатели потребления метанола 400 — 1200 г/1000 м3 обрабатываемого газа;

— валанжинский газ — низкотемпературная сепарация, средние удельные показатели потребления метанола 1500 — 1800 г/1000 м3 обрабатываемого газа;

— валанжинский газ — низкотемпературная сепарация с турбодетандерным агрегатом при температуре минус 70 °C, средние удельные показатели потребления л метанола 2000 — 2500 г/1000 м обрабатываемого газа.

Современная потребность в метаноле газодобывающих предприятий «ОАО» Газпром", расположенных в Западной Сибири составляет порядка 130 000 тонн в год.

Также массовым по объему применения в российской газовой промышленности химическим реагентом является диэтиленгликоль (ДЭГ), который применяется в качестве абсорбента для извлечения из газа остаточной влаги до норм, соответствующей показателям ОСТ 51.40−93. Поэтому осушка газа остается наиболее распространенной технологией, необходимой практически на любом месторождении газа и газоперерабатывающем заводе.

Второй по распространенности в промысловых и заводских условиях является технология извлечения из пластового газа так называемого нестабильного газового конденсата, т. е. углеводородов С2+ (этана и более высококипящих) низкотемпературная сепарация. Опыт зарубежных стран показывает, что глубокое извлечение тяжелых углеводородов из газов и их применение в качестве нефтехимического сырья и моторного топлива в ряде случаев более эффективно, чем использование для этих целей нефтепродуктов. Как утверждают авторы [3] выход этилена при пиролизе этана составляет 70%, а при пиролизе бензина и газойля — 27 и 15% соответственно. Хотя это утверждение мне кажется спорным. Другой пример: при использовании пропан-бутановой фракции (ПБФ) в качестве моторного топлива выброс вредных веществ в атмосферу в 3 — 4 раза уменьшается по сравнению с бензином. Кроме того, ПБФ значительно дешевле бензина. Но, несмотря на указанные факты, в настоящее время степень извлечения пропана и бутанов из природных газов на промысловых установках России весьма низкая и составляет 10 — 30% и 20 — 60% соответственно. Ежегодно миллионы тонн ПБФ и этана используются нерационально, зачастую просто сжигаются [3], что является источником прямой эмиссией парникового газа (С02) в атмосферу и снижает общую эффективность использования углеводородов.

Таким образом, для обеспечения бесперебойной добычи подготовки газа к транспорту в современной технологии используются два основных химических реагента — метанол как ингибитор гидратоотбразования и ДЭГ как осушающий агент. С целью снижения их потерь современные установки комплексной подготовки газа (УКПГ) имеют в своем составе установки по регенерации разбавленного ДЭГа и установку регенерации воднометанольных растворов. Оба процесса по своей организации аналогичны и осуществляются путем ректификации в соответствующих двухотборных колонах. Жидкость после первой сепарации разделяется на углеводородную (нестабильный конденсат) и водорастворимую части. Водорастворимая часть, содержащая метанол, ДЭГ, а также эмульгированные углеводороды (нефтепродукты) поступает на регенерацию. Углеводородная составляющая стабилизируется (т.е. от нее отделяется большая часть метана и этана) и полученный стабильный конденсат подается в конденсатопровод. В случае наличия в составе УКПГ интегрированной установки получения моторных топлив (УПМТ), обеспечивающей потребности в первую очередь в дизельном топливе марки ГШФЗ (газовое широкофракционное зимнее), нестабильный конденсат подается на эту установку, где происходит стабилизация конденсата и дальнейшее получение товарной продукции (ПБФ, дистиллят газового конденсата легкий.

ДГКЛ, ГШФЗ и котельного топлива) путем разделения с использованием массообменных процессов.

Как ДЭГ, так и метанол являются дорогостоящими химикатами. Стоимость метанола, доставленного в Новый Уренгой в 2008 г. составляла порядка 13 ООО рублей за тонну. Доставленный на УКПГ метанол еще дороже. Повышение эффективности работы установок регенерации по извлечению метанола даже на 1 — 2% с учетом потребляемых объемов позволит сэкономить ОАО «Газпром» не менее 25 — 30 млн. рублей в год только за счет дополнительно возвращенного в производство ингибитора. Кроме того, несовершенство процессов сепарации и регенерации приводит к попаданию в кубовый остаток и далее в сточные воды газодобывающих предприятий углеводородов (нефтепродуктов), метанола и ДЭГа в количествах, значительно превышающих природоохранные нормативы. Основным способом утилизации таких сточных вод сегодня является огневое обезвреживание, что требует расходов значительных объемов природного газа и увеличивает техногенную нагрузку на окружающую среду. Разработка эффективной технологии способа очистки воднометанольных растворов от нефтепродуктов, а также выделения ДЭГа в процессе ректификации (регенерации) метанола и предотвращение его попадания в кубовый остаток приведет к значительному сокращению объема жидких стоков, требующих безусловной утилизации.

Таким образом, разработка новых технологий по очистке воднометанольных растворов от нефтепродуктов и совершенствование процессов разделения и массообменна с одной стороны увеличивает экономическую эффективность процессов добычи и подготовки природного газа, а с другой стороны снижает техногенную нагрузку на окружающую среду.

Дель данной работы: повышение технико-экономических показателей работы установок регенерации метанола и установок комплексной подготовки газа, разработка мер по снижению техногенной нагрузки на окружающую среду.

Основные задачи: Разработка эффективной малостадийной технологии очистки промышленных стоков (в том числе метанол-содержащих) от эмульгированных и водонерастворимых примесей.

— Усовершенствование технологии разделения воднометанольных растворов (снижение энергоемкости процесса регенерации воднометанольных растворов, обеспечение высокой степени извлечения метанола, снижение содержания метанола и диэтиленгликоля в сточных водах до суммарных концентраций менее 10 ррш).

Значительное сокращение количества промстоков, подлежащих безусловной утилизации.

Цели, задачи и методы исследования:

• цели — совершенствование технологии подготовки к транспорту газа и газового конденсата с целью повышения экономической эффективности, разработка мер по снижению техногенной нагрузки на окружающую среду.

• задачи — разработка новых эффективных способов очистки и увеличение эффективности регенерации метанолсодержащих вод техногенного происхождения.

• методы — натурный эксперимент, количественный химический анализ, жидкостная хроматография, математическое моделирование работы массообменных аппаратов.

Диссертация включает в себя введение, 4 основные главы, заключение, список использованной литературы и приложения к основным главам.

ВЫВОДЫ.

На основании проделанной работы можно сформулировать ряд выводов:

1. Анализ работы существующих установок регенерации метанола показал, что увеличение эффективности их работы возможно как за счет увеличения степени очистки в первую очередь от нерастворимых и эмульгированных примесей, так и за счет повышения эффективности работы массообменной системы разделения.

2. Впервые показано, что после обработки загрязненных воднометанольных растворов путем пропусканием жидкости через зернистый слой железных гранул в реакторе электроэрозионного диспергирования (РЭД) происходит очистка от нерастворимых, эмульгированных примесей углеводородов с сохранением практически неизменных концентраций метанола и нежелательной примеси — диэтиленгликоля (ДЭГ).

3. Показано, что технологическая последовательность «РЭД-отстойник-фильтр» позволяет отделить и извлечь в связанном виде (продукты электроэрозии железа + углеводороды = шлам) 95% и более процентов исходных углеводородов.

4. Так как низкая концентрация ДЭГ в разделяемой системе «метанол-вода-ДЭГ» не позволяет качественно разделить смесь в трехотборной колонне необходимо применение массообменных комплексов класса «ректификация + десорбция» или «ректификация + ректификация».

5. Из 10 синтезированных схем выявлено по одной схеме каждого класса, обладающих минимальными энергетическими затратами. Выбор варианта для практической реализации требует экономической проработки и учета условий конкретной площадки.

6. Разработана гибкая схема усовершенствованного процесса регенерации метанола, которая увеличивает эффективность работы установок, позволяет организовать замкнутый цикл водопотребления и значительно сократить объем жидких промстоков, направляемых на утилизацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ работы существующих установок регенерации метанола показал, что увеличение эффективности их работы возможно как за счет увеличения степени очистки в первую очередь от нерастворимых и эмульгированных примесей, так и за счет повышения эффективности работы массообменной системы разделения.

На основании выполненных исследований возможно создание функциональной комплексной опытно-промышленной технологической установки, имеющей в своем составе систему очистки от примесей «реактор электроэрозионного диспергирования — отстойник-фильтр», массообменный модуль и дополненную блоком огневого обезвреживания жидких отходов и системой утилизации твердых отходов.

Возможны два принципиальных варианта реализации, отличающиеся организацией работы массообменного модуля: на основе последовательности «ректификация+ректификация» (блок-схема на рис. 5.1).

Метанол-содержащш раствор Патронный фильтр

Сборник товарного метанола.

9 И N Я в 1%.

Сборник.

If и.

1 — метанолсодержащий раствор- 2 — суспензия после РЭД- 3 — осветленная суспензия, 4 — шлам на сжигание- 5, 6 — очищенная жидкость- 7 — промывка фильтра- 8 — промывные воды- 9, 11 -раствор ДЭГ- 10 — товарный метанол- 12 — очищенная вода- 13 — раствор ДЭГ 4—6% на утилизацию- 14 -отожженный шлам.

Рисунок 5.1 — Блок-схема опытно-промышленной установки (доочистка от метанола ректификацией) и «ректификация + десорбция» (блок-схема на рис 5.2) 8.

1 — метанолсодержащий раствор- 2 — суспензия после РЭД- 3 — осветленная суспензия, 4 — шлам на сжигание- 5, 6 — очищенная жидкость- 7 — промывка фильтра- 8 — промывные воды- 9,12 -раствор метанола 1−3%- 10 — товарный метанол- 11 — раствор ДЭГ на утилизацию- 13 — воздух или метан- 14 — очищенная вода- 15,16- раствор метанола- 17 — воздух или метан на утилизацию- 18-отожженный шлам.

Рисунок 5.2 — Блок-схема опытно-промышленной установки (доочистка от метанола отдувкой).

Массообменный модуль установки очистки водных метанолсодержащих растворов (регенерация метанола) мощностью по перерабатываемому сырью 8 м3/ч имеет энергопотребление при оптимальном ректификационном варианте 5,82 МВт, при оптимальном ректификационно-десорбционном варианте 5,47 МВт. Однако, ректификационно-десорбционный вариант требует больших расходов природного газа на десорбцию (отдувку) остаточного метанола. Оба процесса достаточно устойчивы в широком интервале изменения составов питания. Выбор варианта для практической реализации требует экономической проработки и учета условий конкретной площадки.

Безусловной утилизации требует только 4 — 6% раствор ДЭГ в воде. Количество этого раствора зависит от концентрации ДЭГ в исходном сырье и в среднем составляет 470 кг/ч. Этот поток может быть подвергнут огневому обезвреживанию, либо утилизирован по другой схеме (например совместно с хозяйственно-бытовыми стоками).

Таким образом, разработана гибкая схема усовершенствованного процесса регенерации метанола, которая позволяет повысить эффективность процесса регенерации, организовать замкнутый цикл водопотребления и значительно сократить объем жидких промстоков, направляемых на утилизацию.