Дипломная (вкр): Проектирование установки подготовки газа на месторождении Петропавловское

Каждый из потребителей предъявляет свои требования к качеству газа, которые определяются техническими условиями и могут включать:

а) необходимую степень осушки и отбензинивания газа;

б) допустимое содержание неуглеводородных компонентов (сероводорода, азота, углекислого газа, органических кислот);

в) допустимое содержание механических примесей;

г) допустимое содержание капельной жидкости.

Наиболее существенны требования к качеству газа, обеспечивающие его эффективный транспорт по магистральным газопроводам, безопасное использование в промышленных и бытовых топках, минимальный износ технологического оборудования.

Для выполнения этих требований на месторождении сооружаются технологические установки для подготовки газа (сепарации, отбензинивания, осушки, очистки газа от механических примесей) к дальнейшей его транспортировке. В основе промысловой переработки и подготовки газа лежат массо- и теплообменные процессы. При подготовке из газа извлекаются твердые, жидкие и газообразные примеси. Это не только улучшает условия транспорта, хранения и потребления, но и дает возможность получать важные продукты.

.1 Классификация и краткая характеристика основных процессов сбора и подготовки газа

Сбором газа называется производственный процесс подачи газа с соответствующей подготовкой от скважин до потребителя.

Естественный углеводородный газ используется для различных целей - как топливо, как сырье для химической промышленности, как рабочий агент при газлифтной эксплуатации и для закачки в пласт при поддержании пластового давления.

Если нефтяной газ подается с промысла непосредственно коммунально-бытовым потребителям, то его качество должно соответствовать требованиям ГОСТ 5542 - 78 «Газы природные топливные для коммунально-бытового назначения». Требования к качеству газа, подаваемого в магистральные газопроводы, установлены ГОСТ 51.40 - 83 «Газы горючие природные, подаваемые в магистральные газопроводы. Технические требования».

Основные показатели качества газа, регламентированные указанными стандартами, приведены в таблице Б 1 (Приложение Б).

К основным технологическим процессам подготовки газа можно отнести следующие:

очистка газа от механических примесей - проводится с целью предотвращения загрязнения и эрозии коммуникаций, оборудования, приборов и газопотребляющих устройств;

осушка газа - проводится для удаления из газа капельной влаги и уменьшения содержания в нем водяных паров с целью предотвращения образования кристаллогидратов и ледяных пробок в газопроводах при транспортировке газа;

очистка газа от сероводорода и двуокиси углерода - проводится с целью предотвращения корродирующего воздействия указанных компонентов на оборудование и трубопроводы и приведения содержания их в газе в соответствие с требованиями санитарных норм;

отбензинивание газа - проводится для удаления (полного или частичного) из газа пропан-бутановых и более тяжелых (бензиновых) углеводородных компонентов с целью предотвращения образования в газопроводах жидкостных пробок и получения сырья для нефтехимических и химических производств.

Указанные технологические процессы можно осуществлять различными методами:

а) компрессионный метод - использование свойства воды и углеводородов при увеличении давления переходить из парообразного и газообразного состоянии, в жидкое; образовавшуюся жидкость можно отделить от газа в сепараторах;

б) низкотемпературный метод - использование свойства воды и углеводородов при понижении температуры переходить из парообразного и газообразного, состояний в жидкое; образовавшуюся при этом жидкость также можно отделить от газа в сепараторах. Понижение температуры газа возможно вследствие использования энергии самого газа (дроссель - эффекта), применения искусственного охлаждения или естественного холода окружающей среды;

в) абсорбционный метод - это избирательное поглощение индивидуальных компонентов или их групп из газов (паров) жидкими поглотителями - абсорбентами. В этом процессе происходит переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

Процесс перехода вещества из жидкой фазы в паровую (газовую) называется десорбцией. Обычно эти два процесса объединяются в один производственный процесс. Примером абсорбционного процесса может служить гликолевая осушка природного газа. В процессе абсорбции гликоль (ДЭГ, ТЭГ) поглощает пары воды из природного газа. В процессе десорбции из раствора гликоля удаляются пары воды, поглощенные им из газа. Регенерированный раствор снова возвращается в абсорбер;

г) адсорбционный метод - избирательное поглощение индивидуальных компонентов или их групп из газов, паров или жидкостей твердым поглотителем - адсорбентом. В этом процессе при определенных термодинамических параметрах извлекаемые (целевые) компоненты переходят из газовой или жидкой фазы в твердую. При других параметрах процесса начинается обратный переход целевых компонентов из твердой фазы в газовую. Этот процесс называется десорбцией. Примером адсорбции может служить извлечение жидких углеводородов из тощих потоков газа активированным углем, удаление воды из газа силикагелем или алюмогелем, удаление меркаптанов молекулярными ситами и т. п.;

д) метод адгезии (прилипание) - использование сил поверхностного натяжения и прилипания с целью удаления из газа капельной жидкости и механических частиц;

е) метод фильтрации - пропуск газа через фильтры и насадки различных конструкций;

ж) механическими методами - использование сил тяжести и центробежных сил с целью удаления из газа механических частиц и капелек жидкости в сепараторах различных конструкций. Обычно адгезия, фильтрация и механические факторы, используемые при очистке газа, проявляются в комплексе;

з) метод экстракции - извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью. Примером экстракции может служить промывка газоконденсата от растворенного в нем метанола водой или промывка щелочью газоконденсата, содержащего меркаптаны. В этих процессах происходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

и) ректификационный метод - разделение жидкой, парожидкостной или паровой смеси на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легко- или тяжелолетучими компонентами. Процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости, формирующихся из вводимой в колонну смеси (питания). Формирование парового и жидкого потока основано на различии в температурах кипения разных компонентов и поддержании определенных температур вверху и внизу разделительной (ректификационной) колонны;

к) комбинированный метод - сочетание нескольких методов (например, применение низких температур и абсорбции).

Для всех перечисленных процессов общим является переход вещества из одной фазы в другую. Такой переход осуществляется вплоть до установления равновесия.

.2 Сущность метода осушки и низкотемпературной сепарации

Осушка газа

Вода, содержащаяся в продукции скважин, не является товарообразующим компонентом, но осложняет процессы переработки и транспортировки, снижает качество товарных продуктов и поэтому должна быть удалена. Извлечение влаги из природного газа и из углеводородных жидкостей называется осушкой.

Общие сведения

Нефтяные и природные газы, добываемые из недр, насыщенны водяными парами, содержание которых определяется давлением, температурой и химическим составом газа. Чем выше температура контакта газа с водой, тем больше количество паров воды переходит в газовую фазу. Давление оказывает обратное воздействие. Тяжелые углеводородные газы содержат меньшее количество воды, чем легкие. Наличие  и  увеличивает содержание воды, присутствие  уменьшает. Влагосодержание, соответствующее полному насыщению газа водяными парами, называется равновесным.

Различают абсолютную и относительную влажность газа. Абсолютная влажность газа - это масса водяных паров, находящихся в единице объема или в единице массы газа. Она выражается в г/м3 или г/кг газа. Относительная влажность газа - это отношение массы водяных паров, содержащихся в газовой смеси, к максимальной массе водяного пара, которая могла бы находиться в данном объеме газа при условиях насыщения. Она выражается в процентах или долях единицы. Если понизить температуру газа, содержащего максимальное возможное количество водяных паров, оставив давление неизменным, то часть водяных паров сконденсируется. Температура, при которой водяные пары, содержащиеся в газе, конденсируются, называется точкой росы газа по влаге при данном давлении.

Для определения равновесного влагосодержания природных газов широко используют графики. На рисунке Б 1 (Приложение Б) представлена зависимость равновесного влагосодержания природного газа от температуры, плотность которого по отношению к воздуху равна 0,6. При плотности газа более 0,6 и при наличии в воде солей величину влагосодержания, полученную с помощью этого графика, необходимо умножать на коэффициенты Сг или Сс, значение которых приведены на рисунке Б 1 (Приложение Б).

Содержание в нефтях и природных газах водяных паров регламентируется, так как они могут конденсироваться в технологических системах, в результате чего будут создаваться условия для образования гидратов (твердых кристаллических веществ), которые закупоривают рабочее пространство трубопроводов и аппаратов и нарушают нормальные условия эксплуатации объектов добычи, транспортировки и переработки газа. Кроме того, при наличии в газе паров воды и сернистых соединений могут создаваться условия для возникновения коррозии металлов, а, следовательно, наличие водяных паров может приводить к преждевременному износу и разрушению оборудования, трубопроводов и аппаратуры УПГ и других объектов.

Методы осушки газа

Как описывалось ранее, присутствие влаги в газе осложняет процессы транспортировки и переработки. Поэтому пары воды из газа рекомендуется извлекать на возможно ранних стадиях его переработки. Чем ниже температура, до которой охлаждается газ при транспортировке и переработке, тем более жесткие требования предъявляются к его точке росы. В зависимости от требуемой точки росы осушка газа может осуществляться следующими методами:

а) охлаждение;

б) абсорбция;

в) адсорбция;

г) комбинация методов.

Осушка природного газа охлаждением.

Как видно из графика влагосодержания природного газа, количество влаги зависит от давления и температуры. При контакте газа с водой повышение температуры или снижение давлении увеличивает влажность газа. Понижение температуры при постоянном давлении уменьшает влажность вследствие конденсации влаги. На этом и основана осушка газа охлаждением. Нижний предел температуры охлаждения газа ограничивается условиями гидратообразования. Этот метод используется в установках низкотемпературной сепарации (НТС) с впрыском ингибиторов гидратообразования и для предварительного удаления основного количества влаги при применении других методов осушки.

Абсорбционный способ осушки газа

Абсорбционный метод широко применяют для осушки газа на головных сооружениях магистральных газопроводов и газоперерабатывающих заводах. В качестве абсорбентов - осушителей используют концентрированные водные растворы моно-, ди- и три-этиленгликолей. Сведения о достоинствах и недостатках различных гликолевых осушителей приведены в таблице Б 2 (Приложение Б).

Осушка газа этими абсорбентами основана на разности парциальных давлений водяных паров в газе и абсорбенте. Значения равновесной точки росы газа, которые можно в принципе обеспечить водными растворами гликолей, определяются по рисункам Б 2, Б 3, Б 4 (Приложение Б).

Физико-химическая сущность процесса абсорбции

Извлечение компонентов происходит за счет несбалансированных сил, существующих на поверхности раздела фаз, поскольку на молекулы поверхностного слоя действуют разные силы межмолекулярного взаимодействия со стороны жидкой и газовой фаз. Процесс извлечения может основываться на одном или нескольких механизмах, таких, как: химическое растворение, сольватация или дисперсионный эффект.

Сольватация - взаимодействие абсорбента и растворяемого вещества с образованием ассоциированных групп частиц. Способность к сольватации объясняется дипольным характером строения молекул. Ярко выражен дипольный характер молекул воды: на атомах водорода имеются эффективные положительные заряды, а на атоме кислорода - эффективный отрицательный заряд. При сольватации заряженные частицы или полярные молекулы растворяемого вещества окружаются молекулами поглотителя, сориентированными в соответствии с их зарядами. Сольватация - дипольное взаимодействие молекул абсорбента и абсорбируемого вещества.

Дисперсионный эффект - это перемешивание молекул газа и абсорбента. Это объясняется тем, что молекулы газа связанны друг с другом настолько слабыми силами межмолекулярного взаимодействия, что они способны распределиться между молекулами подобных веществ. Например, парафин растворяется в бензоле потому, что силы межмолекулярного взаимодействия в парафине очень слабы и молекулы бензола, со своей стороны, не препятствуют молекулам парафина распределяться между ними, так как силы межмолекулярного взаимодействия в бензоле тоже не велики. Вместе с тем парафин практически не растворим в воде, потому что между молекулами воды действуют очень большие силы взаимодействия и беспорядочно движущиеся молекулы парафина не в состоянии преодолеть их и раздвинуть молекулы воды, чтобы распределиться среди них. Можно сформулировать общее правило: полярные вещества растворимы в полярных растворителях, неполярные вещества растворимы в неполярных растворителях. Дисперсионный эффект обусловлен вандерваальсовыми силами притяжения между молекулами газа и жидкости. Абсорбция, осуществляющаяся на основе вандерваальсовых сил, называется физической абсорбцией. При физической абсорбции растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению данного газа над поверхностью жидкости. Молекулы газа, растворенного в жидкости, способны постепенно выделяться из нее. Если скорость выделения газа из жидкости уравновешивается со скоростью его растворения, устанавливается равновесие, и при существующем давлении и температуре жидкость насыщается газом. Растворимость газа в жидкости растет с повышением давления и понижением температуры. Снижение давления и повышение температуры вызывают выделение газа из жидкости. Процесс выделения газа из жидкости называется десорбцией.

В связи с требованиями нормоконтроля принципиальная схема абсорбционно - десорбционного процесса и ее описание представлены в (Приложении Б рисунок Б 5).

Физико-химическая сущность процесса адсорбции.

Механизм адсорбции подобен механизму абсорбции, поскольку в их основе лежат проявления одних и тех же молекулярных сил. На поверхности твердых веществ имеются несбалансированные силы, обусловленные неполным насыщением валентных связей поверхностных атомов. Вполне естественно поэтому, что такие поверхности взаимодействуют с прилегающими к ним фазами. Это взаимодействие может проявляться либо как физическая адсорбция, либо как хемосорбция. Ненасыщенные валентные связи поверхностных атомов и наличие неровностей на поверхности обусловливают хемосорбцию. Энергия хемосорбции обычно составляет 170 - 420 кДж на моль адсорбированного вещества, т. е. хемосорбированный слой довольно устойчив. Поверхностная адсорбция обусловливает механизм действия многих катализаторов. При адсорбции на активных центрах поверхности катализатора в молекулах адсорбированного вещества происходит разрыв внутримолекулярных связей. Образовавшиеся при этом атомы легко взаимодействуют с другим адсорбированным на катализаторе веществом либо с веществом прилегающей фазы, образуя новое химическое соединение.