Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ ОЧИСТКЕ ПОПУТНОГО ГАЗА НА НЕФТЕПРОМЫСЛЕ

Голубев В.Г. 1 Садырбаева А.С. 1 Туребекова А.М. 1 Касимова Ж.Ж. 1 Сартай Ж.С. 1
1 Южно-Казахстанский университет им. М.Ауэзова
В представленном материале рассматривается вопрос аппаратурного оформления процессов очистки переработки попутных нефтяных газов, добываемых на месторождениях нефти. На основе сопоставления имеющегося оборудования в качестве перспективного обращается внимание на процесс абсорбции, осуществляемого в абсорберах барботажного или тарельчатого типа. Сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов мокрой очистки газов и предлагаются абсорбционно-десорбционные системы очистки, использующие абсорберы, снабженные контактными массообменными тарелками. Попутный нефтяной газ характеризуется относительно невысокими объемами его производства при сепарации сернистой нефти (100–1000 нм³/ч), низким избыточным давлением сепарации и высоким (до 6–7 % мас.) содержанием сероводорода. Все эти факторы в совокупности с недостаточно развитой системой газотранспорта и отсутствием мощностей по переработке являются препятствием для использования этого ценнейшего углеводородного ресурса в качестве сырья нефтепереработки и нефтехимии. Многочисленные технологии переработки природного и попутного газа, направленные на производство сжиженных газов и жидких моторных топлив, рентабельны только при наличии достаточных ресурсов газового сырья, нуждаются в предварительном удалении сернистых примесей.
попутные газы
абсорберы
контактные тарелки
массообмен
газожидкостной поток
эффективность
процесса
очистка
1. Рамм В. М., Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976. - 656 с.
2. Кафаров В.В., Основы массопередачи. - М: Высш.школа, 1979. - 439 с.
3. Касаткин А.Г., Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 784 с.
4. Плановский А.Н., П.И. Николаев П.И., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987.
5. Холин Б.Г. Центробежные и вибрационные грануляторы плавов и распылители жидкости // М.: Машиностроение, 1977. - 182 с.
7. Склабинский В.И. Радиальное течение газового потока в вихревой камере ВРПМА // Вісник Сум ДУ. - 1998. - №2. – С.163-168.
8. Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Технология переработки природного газа и газового конденсата. – Оренбург: ИПК «Газпромпечать» ОО «Оренбурггазпромсервис», 2022. – 432с.
9. Шервуд Т., Массопередача. – М.: Химия,1982.
10. Борисов И.И., Халатов А.А., Центробежные контакторы: основные типы и практичечкое применение. Обзор // Промышленная теплотехника. - 2007.-29, №2., 29-31 с.
11. Борисов И.И., Халатов А.А., Варганов И.С., Вихревой барботажный тепломассообменный аппарат. // Пат. № 73872. - Украина. -2015. - Бюл. №9.
12. Варганов И.С., Халатов А.А., Борисов И.И., Гелетуха Г.Г., Вихревой барботажный тепломассообменный аппарат. // Пат. № 23520А. - Украина. - 1998.
13. Бусаев Е.А., Алексеев В.В., Поникаров И.И. Исследование гидравлического сопротивления аппарата вихревого типа комплексной очистки газов. Казанский государственный технологический университет. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2014. т 5. № 2.
14.Ковалев И.А., Склабинский В.И. О движении вихрового капельного потока в рабочей камере ВРПМА // Вісник ІАН. – 2008. - № 3-4. – С. 65-71.

Введение. Газ, подаваемый в магистральный газопровод, готовят в соответствии с требованиями ОСТ 51.40‑93 «Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия», а при местном использовании, он должен соответствовать требованиям ГОСТ 5542‑99 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия». Обзор литературных источников показал эффективность процесса абсорбции при очистке попутных газов - ПНГ. При данном процессе осуществляется передача массы через поверхность раздела взаимодействующих фаз. Таким образом, интенсификация данного процесса возможна в абсорберах, у которых имеется развитая поверхность контакта между жидкостью и газом, т.е. между абсорбентом и носителем газа [1-4].

Актуальность. Для создания такой поверхности и диспергации абсорбента, известны 4 главные группы: а) пленочные, б) насадочные, в) барботажные или тарельчатые, г) распыливающие (распылительные) [1-4]. Абсорберы пленочного типа в качестве поверхности контактирующих фаз используют жидкостную пленочную поверхность, стекающей по стенке, расположенной вертикально. Таким оборудованием являются абсорберы трубчатого типа, абсорберы с насадкой в виде листа или плоско-параллельных листов, абсорберы с движущейся вверх пленкой жидкости. Абсорберы с насадкой выглядят в виде колонн, внутри которых уложены различные тела в виде колец, решеток и прочего материала [3,4]. Основное предназначение колонн с насадкой для проведения процесса тех продуктов, которые относятся к вязким и высокой агрессивности, а также, если нужен малый перепад давления, либо запас жидкой фазы в данной колонне. Использование данного оборудования сдерживается их относительно малым диаметром (0,8-1м), поскольку его увеличение приведет к снижению эффективности процесса. К основным минусам такого оборудования относится сложность организации отводимого тепла при реализации процесса. При наиболее применяемом циркуляционном отвод с применением холодильников выносного типа. Аппараты, в которых выполняется внутреннее теплоудаление, не нашли применения [2]. Барботажные колонны относятся к массообменному оборудованию, с установленными вертикально по высоте тарелками или поперечно перегородками, обеспечивающих многоходовое взаимодействие жидкой и газовой фаз [1,4]. Направление движение фазовых потоков на массообменных тарелках организовывают: прямым, противоточным и смешанным, обычно жидкость движется, стекая вниз, а газовый или паровой поток поднимается вверх, что и определяет эффективность процесса и конструкции. При этом тарелки функционируют в гидродинамических режимах, называемых барботажными и струйными, причем, в первом случае обеспечивается жидкостной слой на поверхности тарелки, который пропускает через себя путем барботажа газовую фазу в виде пузырьков. При возрастании газового потока жидкость принимает форму стекания струями и каплями, что характеризует струйный режим. Тарелки конструкций колпачковых, клапанных, ситчатых и провальные функционируют в режиме барботажа, причем на первых 3-х типах фазы работают в перекрестном токе, что обеспечивается конструктивными элементами тарелок: отверстиями, колпачками или клапанами, а также устройствами для перелива после достижения определенной высоты жидкостного слоя. При этом площадь свободного сечения для прохода газового потока достигает от 1 до 30%, а площадь устройств для перелива составляет порядка 20% от всей площади, составляющей поперечное сечение аппарата. В отличие от описанных ранее, тарелки провального типа работают в режиме противотока контактирующих фаз, в них отсутствуют устройства для перелива, а на поверхности имеют отверстия различной формы, диаметр которых составляет от 20 до 100мм, служащих для прохождения газовой и жидкой фаз. В режиме противотока фаз осуществляется сохранение слоя жидкой фазы для создания благоприятного режима работы. Провальные тарелки уступают тарелкам, имеющими перелив как движущей силе, так и по диапазону нагрузок. В последние годы начали разрабатывать тарелки струйного и струйно-барботажного типа, позволяющих функционировать при больших нагрузках газового потока, в которых фазы контактируют в прямоточном или перекрестно-прямоточном направлениях за счет применения различных конструктивных элементов, позволяющих осуществлять регулирование фазовых потоков. Помимо этого, используют секционирование тарелок на продольно-поперечное и продольное, причем первые обладают такими зонами контакта, как барботажная и пленочная, являющаяся дополнительной [1,2,4]. Газ, пройдя зону барботажа, переходит в контакт с жидкой фазой в зоне пленки, которая его сепарирует и позволяет активизировать перенос массы и увеличить газовую нагрузку. Имея большую длину перегородок для перелива, такие тарелки могут выдерживать значительные жидкостные нагрузки, а используя перегородки, расположенные поперек в секциях, появляется возможность перераспределять фазовые потоки. Таким образом, за счет секционирования удается создать равномерное контактирование взаимодействующих фаз и увеличить производительность оборудования.

Обсуждение. Рассмотрим тарелки, имеющие продольное секционирование, достигаемое при помощи элементов в виде лотков, по которым создается возможность распределения фаз. Имеющиеся на наружной поверхности тарелок устройства в виде чешуек, так называемых клапанов, позволяет создавать направление потоков жидкости и газа как крест- накрест, так и противоположно. Тарелки такой конструкции осуществляют струйное и направленное контактирование фазовых потоков с контактом струй, имеющих обратное направление в струйном и в барботажном режимах. В абсорберах распыливающего типа, фазы контактируют между собой как в распыленном состоянии, так и в состоянии разбрызгивания жидкой фазы в газовой. Известно разделение абсорберов по группам: а) форсуночные (за счет распыливающих устройств); б) скоростные прямоточные (за счет газа); в) механические (за счет элементов конструкции). Название группы характеризует способ распыливания жидкости в абсорберах. Массообмен в абсорбере обеспечивают способами контакта фаз- непрерывным и ступенчатым. Первых представляют колонны с насадкой и аппараты распыливающего типа, и также конструкции барботажа и пенные с 1-й полкой, а к вторым- колонны, снабженные тарелками и барботажные и пенные конструкции, имеющие несколько полок.

В табл.1 представлен сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов "мокрого" типа, где наиболее результативными являются высокоскоростные трубы Вентури, пенные аппараты, аппараты с псевдоожиженным слоем и пленочные трубчатые аппараты[1,2,4].

Особо отличаются аппараты пленочного типа, в которых организован дисперсно-кольцевой режим, позволяющий осуществлять очистку одновременно от газообразных компонентов и дисперсных частиц, функционирующих в широком спектре нагрузок по газовой и жидкой фазам, малым габаритам, простоте конструкции, масштабному переходу, возможности без усилий организации и поддержании оптимальных температурных параметров в зоне контакта без существенных энергетических затрат и т.п.

Поскольку, процессы абсорбции в различных производствах имеют существенное различие, то не существует и единственного аппарата одной конструкции для реализации этих процессов. В качестве рекомендации можно рекомендовать такой объективный технико-экономический показатель, когда стоимость переработки 1 м3 газа или расходы на 1 т продукции будут наименьшими [1,2,4]. Это можно определить и сопоставить ряд аппаратов.

Таблица 1 - Сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов мокрой очистки газов [1,2,4]

Основные показатели аппаратов мокрой очистки газов

Показатель

Труба Вентури

Полый Скруббер типа СП

Пенный аппарат

Скруббер с шаровой насадкой

Пленочный трубчатый (нисходящий прямоток)

1

2

3

4

5

6

Габариты:
высота, м;
диаметр, м;
масса, т

4,99;
2,81,9;
1,26

17,4;
0,9;
6,8

8,8;
1,6;
2,5

8,3;
1,2;
2,3

4,8;
1,7;
1,5

Потери напора в линии подачи жидкости, мм вод ст

80 000

80 000

8 000

8 000

3 000

Гидравлическое сопротивление, мм вод.ст.

300 - 3000

100 - 220

100 - 350

100 - 500

10 - 350

Удельные энергозатраты, кВтЧч/тыс.м3

2 - 4

0,99 – 1,7

0,6 – 2,8

0,6 – 2,82

0,23 – 2,12

Коэффициент массоотдачи в жидкости, м/с

(1-2,5)х10-4

10-5-104

(0,6-5,5)х102

(0,5-5)х102

(0,2-1)х10-1

Скорость газа по сечению, м/с

1,4 -7,7

5 - 9

0,9 - 4

6 - 15

1 - 30

Концентрация взвеси, г/л

< 0.5

-

-

< 10

-

Минимальный диаметр улавливаемых частиц, мкм

1-3

5-10

2

1-6

1-3

Время пребывания в зоне контакта, сек.

0,01

1,5-4

0,03

0,05

016-5

Эффективность %:
- по SO2
- по NO2
- дисперсных частиц

 

 

50 - 86
-
90 -100

 

 

50
-
99

 

 

76 (фтор)
-
90

 

 

73
69
95

 

 

90
89
95-100

Основные направления совершенствования конструкций аппаратов очистки. В настоящее время очистку попутных газов наиболее продуктивно осуществлять, используя абсорбционно-десорбционные системы очистки на современном оборудовании [5,6,7]. Необходимым направлением будущего является разработка оборудования, обладающего большой производительностью, малым гидравлическим сопротивлением и развитой поверхностью массообмена [6]. Для этого необходима разработка теории массообмена, базирующаяся на фундаментальных законах классической механики, механики жидкости и газа, физической химии и термодинамики, позволяющих осуществлять процессы обмена массы с использованием поля центробежных сил, закрученных потоков газовой и жидкой фазы, воздействие вихревых и кавитационных эффектов [9,10,11]. Использование закрученных потоков позволяет осуществлять их турбулизацию, увеличивая коэффициент массоотдачи и качество перемешивания, а также создавая развитые поверхности контакта фаз и обеспечивая высокое качество распыливания потоков [1]. В вихревом потоке противоположно направленных фаз появляется возможность регулировать концентрацию при помощи 1-й распыляемой ступени, соответствующей нескольким теоретическим ступеням, что связано с эффектом турбулизации процессов в самих каплях [11]. Данный эффект возможен только при определенных условиях организации процесса движения вихревых потоков газа и капель жидкости [12]. Подобные рассуждения были высказаны Холиным Б.Г. из Украины [5], для развития этой теории необходимы осевые и тангенциальные завихрители [6,7,8,9]. Авторами работы [13]была разработана тарелка провальной конструкции, обладающая достоинствами по сравнению с тарелками, работающими по принципу перелива: увеличенной производительностью, низким гидравлическим сопротивлением и металлоемкостью, а также способностью продолжительной работы в средах с увеличенной загрязненностью [14]. С этой целью были сопоставлены данные по удельной межфазной поверхности газа для различных типов контактных аппаратов, показавших их существенное достоинство, что и послужило целью дальнейших исследований в этом направлении.

Выводы

1. На основе проведенного анализа установлен метод абсорбции, как наиболее результативный, с использованием абсорберов и десорберов колонного типа с насадкой или тарелками. При этом применяются этаноламины, используемыми в процессах очистки газа от Н2S и СО2.

2. В качестве известных контактных устройств в данных аппаратах являются массообменные тарелки, имеющие узкий диапазон эффективности, низкая поверхность массообмена, большое сопротивление и материалоемкость.

3. В качестве перспективы реализации процесса абсорбции вызывает интерес создания закрученного потока, турбулизирующего среду и увеличивающего коэффициенты массоотдачи.

8. Задачей в данной работе является - разработка и исследование аппарата для очистки попутного газа при добыче нефти на месторождении, требующей решения следующих задач:

а) Дать анализ состояния подготовки попутного газа и перспективы, на основании которого выбрать наиболее приемлемый;

б) На основе оценки массообменных конструкций и массообменных показателей, установить пути интенсификации процессов массоотдачи и газоочистки и осуществить разработку контактного устройства для абсорбционного процесса очистки попутных газов от опасных примесей;


Библиографическая ссылка

Голубев В.Г., Садырбаева А.С., Туребекова А.М., Касимова Ж.Ж., Сартай Ж.С. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ ОЧИСТКЕ ПОПУТНОГО ГАЗА НА НЕФТЕПРОМЫСЛЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2022. – № 3. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20984 (дата обращения: 25.02.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674