• 15.1 Питання 1. Відбензинення газів
• 15.2 Питання 2. Низькотемпературні методи переробки газів

Основними технологічними процесами ГПЗ є процеси відбензинення з наступним розділенням нестабільного бензину на газовий бензин і індивідуальні технічно чисті вуглеводні.

15.1                                Питання 1. Відбензинення газів

Основними технологічними процесами ГПЗ є процеси відбензинення з наступним розділенням нестабільного бензину на газовий бензин і індивідуальні технічно чисті вуглеводні.

Відбензинення - процес добування з газу нестабільного газового бензину, що включає в себе висококиплячі вуглеводні (С₃Н₈ та інші), тобто процес відбензинення включає відділення метан-етанових вуглеводнів у вигляді газової суміші та виділення широкої фракції легких вуглеводнів (ШФЛВ). Потім нестабільний бензин розділяють на стабільний газовий бензин і індивідуальні технічно чисті вуглеводні або їх суміші - збагачені фракції (пропан-бутанова, пропан-пентанова та інші).

Залежно від обсягів переробки, тиску, вмісту в газі цільових компонентів і глибини їх добування застосовують наступні способи відбензинення:

• компресійні, засновані на стисканні газу і наступному його охолодженні з метою конденсації групи висококиплячих компонентів, відокремлюваних у сепараторах;
• сорбційні (абсорбційно-десорбційні та адсорбційно-десорбційні), що здійснюються під тиском і при звичайних, низьких і середніх температурах;
• низькотемпературної конденсації і сепарації (НТК і НТС), в основі яких лежать процеси однократної конденсації при температурах «мінус» 10…25°С з наступним відділенням виділеного конденсату в сепараторах гідромеханічними методами;
• низькотемпературні з використанням процесів дроселювання, конденсації та ректифікації.

Кожний з компонентів газової суміші має індивідуальні критичні параметри, при досягненні яких стають можливими фазові переходи. Це максимальні значення температури і тиску, при яких ще можливе існування двох фаз. При температурі вище за критичну існує тільки один фазовий стан, і ніякими поєднаннями інших параметрів перевести його в двофазний стан неможливо. Отже, процеси часткового або повного зрідження однокомпонентного газу можна здійснити тільки після попереднього охолодження газу до температури нижче критичної.

На практиці частіше доводиться мати справу з багатокомпонентними газовими сумішами, в яких критичні області спостерігаються в широкому діапазоні параметрів залежно від складу.

При створенні в газовій системі параметрів, які будуть відповідати параметрам фазового переходу будь-якого компонента газової суміші, цей компонент почне конденсуватися.

З урахуванням здатності компонентів газової суміші до розчинення у вуглеводневих рідинах з початком процесу конденсації навіть одного компонента в системі збільшується кількість утвореної рідини за рахунок наявності в ній інших розчинених компонентів.

Видобування легких вуглеводнів та збагачення газової (парової) фази ними відбувається в міру пониження температури і конденсації високомолекулярних складових газової суміші. Глибина видобування цільових компонентів, які переводяться до рідкої фази, визначається відповідним значенням температури охолодження суміші визначеного складу при заданому тиску.

Зважаючи на те, що ступінь конденсації важких вуглеводнів збільшуватиметься при підвищенні тиску та пониженні температури до повного переходу в рідку фазу, а при цьому в рідину переходять і легкі компоненти, чіткість розділення газової суміші знижується.

Підвищення ефективності розділення газових сумішей стає можливим завдяки використанню низькотемпературних методів обробки, які базуються на фізичних законах фазових переходів індивідуальних компонентів при зміні тиску і температури. Низькотемпературні процеси завдяки своїм особливостям можуть комплексно використовуватися на різних стадіях переробки газу, особливо в тих випадках, коли переробка здійснюється з отриманням широкого асортименту продуктів.

Всі низькотемпературні процеси підрозділяються на чотири групи: низькотемпературна конденсація, низькотемпературна ректифікація, низькотемпературна абсорбція і низькотемпературна адсорбція.

Абсорбційний спосіб відбензинення застосовують для розділення газів, які в своєму складі мають від 200 до 300 г/м³ вуглеводнів С_3+вищі.

Продукцією абсорбційних установок є сухий газ, паливний газ та нестабільний газовий бензин.

Рисунок 15.1 - Принципова схема маслоабсорбційної установки (МАУ): 1 - сирий газ; 2 - товарний газ; 3 - паливний газ; 4 - нестабільний газовий бензин (широка фракція легких вуглеводнів); 5 - конденсат.

Найпоширенішим з абсорбційних способів відбензинення газів на вітчизняних ГПЗ є використання маслоабсорбційних установок (МАУ). Принципова схема маслоабсорбційної установки типового ГПЗ представлена рисунку 15.1.

Осушений і очищений газ, який пройшов вхідний сепаратор С-1, поступає в абсорбер К-1, який зрошується абсорбентом - маслом, що являє собою близькі за будовою і молекулярною масою до вуглеводневих газів рідкі вуглеводні (бензинові фракції або дизельне паливо), при цьому абсорбент поглинає фракції С_3+вище, насичується ними і стікає вниз колони. Відбензинений (товарний) сухий газ, що містить метан-етанову фракцію, відводиться з верху колони К-1 і відправляється споживачу. Насичене бензином масло подається в середню частину абсорбційно-відпарної колони (АВК) К-2, в якій в нижній частині відбувається відпарювання легких вуглеводнів. У верхній частині абсорбційно-відпарної колони К-2 відбувається зміцнення пари легкокиплячими вуглеводнями. Пари, які відводяться, конденсу­ються в пропановому випарнику і розділяються в сепараторі С-2, відокремлені метан-етанові залишкові гази використовують як паливний газ.

Кубовий залишок з абсорбційно-відпарної ко­лони К-2 підігрівається і відводиться в середню частину десорбційної колони К-3, в якій в нижній частині відбу­вається регене­рація масла. Регенерований абсорбент від­бирається знизу десорбера, охо­лоджується і подається на зрошення колон К-1 та К-2. Пари, які відводяться з десорбера К-3, конденсуються і розділяються в сепараторі С-3, звідки частину рідини вико­ристовують в якості флегми, а іншу частину відводять як готовий продукт у вигляді не­стабільного газового бензину або широкої фракції легких вуглеводнів.

Процес абсорбції-десорбції в МАУ протікає при таких технологічних параметрах: абсорбція - тиск 2,5…7 МПа, температура 10…30 ºС; відпарювання паливного газу - тиск 1…3,5 МПа, температура 70…100 ºС; десорбція (регенерація абсорбенту) - тиск 0,7…1,7 МПа, температура 120…150 ºС.

Оскільки нестабільний газовий бензин не знаходить безпосереднього застосування в народному господарстві, з нього отримують стабільний газовий бензин та технічно чисті індивідуальні вуглеводні (пропан, бутани, пентани, гексан). Тому, після МАУ широка фракція легких вуглеводнів (ШФЛВ) направляється на переробку методом газофракціонування.

15.2                                Питання 2. Низькотемпературні методи переробки газів

Низькотемпературна конденсація (НТК) - процес ізобарного охолодження газу до температур, за яких при даному тиску з'являється рідка фаза. Розділення вуглеводневих газів методом НТК здійснюється шляхом охолодження їх лише до заданої кінцевої температури при постійному тиску і складі початкового газу та супроводжується конденсацією цільових компонентів газової суміші з подальшим розділенням в сепараторах газової і рідкої фаз. Задану температуру в системі отримують при введенні розрахункової кількості холоду.

Один і той же ступінь конденсації вихідного газу може відповідати різним комбінаціям температури і тиску процесу. З підвищенням тиску в системі ступінь конденсації при постійній температурі збільшується, а вибірковість поглинання цільових компонентів знижується. Зміна ступеня конденсації газової суміші в залежності від зміни тиску і температури носить непостійний характер. В області низького тиску ступінь конденсації швидко змінюється із зміною величини тиску. При збільшенні тиску інтенсивність конденсації знижується. Що стосується впливу температури, то ступінь конденсації компонентів збільшується з пониженням температури найінтенсивніше лише до певного значення (залежно від складу початкового газу), нижче за яке швидкість конденсації починає сповільнюватись.

Таким чином, ступінь конденсації вуглеводнів можна збільшувати двома способами: підвищенням тиску при постійній температурі або пониженням температури при постійному тиску. Але процес конденсації при кожному зі способів зміни технологічних параметрів має свої особливості. При зростанні тиску при постійній температурі підвищення ступеня конденсації в рідку фазу разом з важкими компонентами переходить значна кількість легких компонентів, що погіршує чіткість розділення вуглеводнів. При пониженні температури при постійному тиску збільшення ступеня конденсації супроводжується підвищенням чіткості розділення легких і важких компонентів, що пояснюється більшою різницею значень летючості компонентів суміші у області низьких температур.

Для отримання майже чистих індивідуальних компонентів газу або вузьких фракцій вуглеводнів доцільним є проведення процесу при помірному тиску і низьких температурах. При цьому високої чіткості розділення вуглеводневих газів шляхом одноразової конденсації і подальшої сепарації добитися практично неможливо. Тому сучасні установки НТК поєднують низькотемпературну конденсацію з виділенням залишкових кількостей розчинених газів з рідкої фази, зокрема, етану з пропан-бутанової фракції (процес деетанізації) або метану з фракції С₂₊ (процес деметанізації).

Сучасні схеми установок НТК включають наступні стадії: стиснення (компримування) газу до тиску 3,0…7,0 МПа; осушення газу; охолодження газу в системі холодильників із зовнішнім і внутрішнім холодильним циклом до низьких температур в інтервалі до «мінус» 30…70 ºС (залежно від повноти розділення) для утворення двофазної системи; сепарація двофазної системи; розділення газорідинної суміші вуглеводнів на рідку фазу (деетанізація, деметанізация) і паливний газ, який не сконденсувався.

Блок деетанізації є необхідним елементом установок НТК, оскільки підвищений вміст пропану в сухому газі приводить до втрати товарної продукції, а підвищений вміст етану в нижньому продукті - до виробництва некондиційного пропану або пропан-бутанової фракції.

Схеми НТК класифікують по числу ступенів конденсації, по типу джерел холоду, по типу і складу цільових продуктів, що виділяються, по числу ступенів сепарації.

По числу ступенів конден­сації схеми НТК підрозділяють на одно-, двох- і триступінчаті. Після кожного процесу одно­разової конденсації здійснюєть­ся сепарація утвореної дво­фазної суміші з відводом рідкої фази.

По типу джерел холоду схеми НТК підрозділяють на схеми із зовнішнім холодильним циклом; з внутрішнім холодиль­ним циклом; з комбінованим холодильним циклом. Для отримання глибокого холоду використовують каскадні холодильні цикли.

Принципова схема установки низькотемпературної конденса­ції (НТК) з зовнішнім холодильним циклом пред­ставлена на рис. 15.2.

Рисунок 15.2 -  Принципова схема установки низькотемпературної конденсації (НТК) з зовнішнім холодильним циклом: 1 - сирий газ; 2 - відбензинений газ; 3 - паливний газ; 4 - деетанізований бензин.

Компримований та осушений газ охолоджується і після розділення в сепараторі С-1 холодний відбензинений газ поступає в газопровід.

Холодний вуглеводневий конденсат після підігріву поступає в колону-деетанізатор К-1, де при зниженому тиску відбувається його розділення. Легка вуглеводнева фракція відділяється у верхній частині колони та охолоджується для більш повного її відділення. Верхня частина колони зрошується флегмою (охолодженою і збагаченою пропан-бутановою фракцією рідиною). Гази, які збагачені етановою фракцією, відводяться з ємності в якості паливного газу або технологічного газу для видобування етану. З нижньої частини колони відводиться деетанізованний нестабільний бензин (С_3+вищі) і прямує на установку розділення вуглеводнів. Низ колони обігрівається за допомогою пари. Режим роботи колони К-1 регулюється залежно від складу початкової сировини, тиску, температури і складу цільового продукту.

Низькотемпературна абсорбція (НТА) - процес, який засновано на відмінності в розчинності компонентів газу в рідкій фазі при низьких температурах і подальшому виділенні видобутих компонентів в десорберах, які працюють за повною схемою ректифікації.

Технологічні схеми низькотемпературної абсорбції являють собою вдосконалені маслоабсорбційні установки (МАУ), що отримали розвиток по мірі збільшення потреби у вуглеводневій сировині, в яких для охолодження технологічних потоків разом з водяними (повітряними) холодильниками стали застосовувати спеціальні холодильні системи.

Ефективність роботи установки НТА в цілому та її окремих елементів залежить від набору та комбінації багатьох технологічних і конструктивних параметрів. Основними факторами, від яких залежить повнота видобування ключових елементів, є температура і тиск процесу, склад початкової сировини і вимоги до якості готової продукції, число теоретичних тарілок в абсорбері та десорбері, фізико-хімічні властивості абсорбенту та інші.

Комбінування технологічних і конструктивних параметрів установки НТА робить її досить універсальною - вона може бути використана для видобування етану і важких вуглеводнів з газів різних складу. Застосування схеми НТА дозволяє забезпечити видобування при порівняно помірному холоді етану до 40…50%, пропану до 90…95%, газового бензину - 100%.

При виборі значення робочого тиску в абсорбері НТА приймається до уваги тиск газу, який поступає на завод по магістральним газопроводам, тиск, при якому досягається оптимальне видобування товарної продукції, а також робочий тиск в магістральному газопроводі для транспортування очищеного газу споживачам.

Тиск в абсорбері на установках НТА можливо підтримувати в межах тиску магістрального газопроводу, по якому газ надходить до установки.

Підвищення тиску в абсорбері призводить до збільшення видобування легких небажаних вуглеводнів (якщо процес видобування, наприклад, етану, не зумовлено необхідністю), внаслідок чого кількість газу в абсорбційно-відпарній колоні (АВК) зростає і призводить до збільшення втрат пропану і важчих вуглеводнів з сухим газом АВК.

Тиск в абсорбері на установках НТА для розділення природних газів підтримується до 5,5 МПа, для розділення нафтових газів - до 4 МПа. В окремих випадках робочий тиск в абсорберах установки НТА може складати 5,5…7,0 МПа і більше. Це пояснюється особливістю переробки високонапірного природного газу і транзитного газу, якщо переробний завод розташовано поблизу магістральних трубопроводів. Тиск в АВК підтримується в межах 1,5…1,8 МПа, в десорбері - 1,1…1,4 МПа.

Пониження температури призводить до підвищення ступеня конденсації всіх вуглеводнів, але швидкість збільшення ступеня конденсації для важких компонентів газу вища, ніж для легких. Таким чином, використовуючи низькі температури з варіацією інших параметрів процесу, можна досягти більшої чіткості розділення компонентів газової суміші. Температура в абсорбері складає «мінус» 15 ºС вверху колони, «мінус» 23 ºС внизу колони.

АВК працює в такому режимі: тиск у колоні 1,5..1,8 МПа, температура верху колони підтримується в межах 0…5 ºС, низу колони – 115…130 ºС.

Параметри режиму роботи десорбера наступні: тиск  1,1…1,4 МПа, температура верху колони складає 80…85 ºС, низу колони – 225…228 ºС.

Зниження температури і підвищення тиску в абсорберах установок НТА дозволяє використати низькомолекулярні абсорбенти (молекулярна маса М=80…120) і забезпечити реалізацію процесу при нижчій питомій витраті абсорбенту. Це сприяє підвищенню ефективності процесу і збільшенню одиничної потужності технологічних ліній газопереробних заводів.

Оскільки процес абсорбції є екзотермічним, на установках НТА має місце проблема відведення теплоти по висоті абсорбера.

Для нормалізації теплового режиму і підвищення ефективності процесу використовуються такі технічні рішення:

• відведення тепла по висоті абсорбера за рахунок проміжного охолодження насиченого абсорбенту в теплообмінниках, розташованих біля абсорбера;
• охолодження насиченого абсорбенту в теплообмінниках, розташованих всередині абсорбера;
• насичення регенерованого абсорбенту легкими вуглеводнями за межами абсорбера із відводом тепла абсорбції перед подачею абсорбенту в абсорбер.

За результатами аналізу впливу конструктивних і технологічних параметрів на процес НТА визначено такі основні напрями вдосконалення процесу: зниження температури потоків, що поступають в абсорбер; підвищення тиску в системі абсорбції газу; насичення регенерованого абсорбенту етаном і (або) метаном за рахунок змішування абсорбенту з сухим газом абсорбера і (або) АВК; використання низькомолекулярних абсорбентів; організація процесу абсорбції і десорбції в умовах регульованого по висоті апарату відведення тепла; попереднє відбензинення сирого газу за межами абсорбера та інші. Реалізація цих заходів дозволить значно підвищити техніко-економічні показники процесу НТА.

Технологічні схеми установок НТА складаються з:

• блоку попереднього відбензинення початкового газу, що є блоком низькотемпературної конденсації (НТК);
• блоку НТА, де відбувається додаткове видобування вуглеводнів з газу, що пройшов блок НТК.

Принципова схема установки низькотемпературної абсорбції (НТА) представлена на рисунку 15.3.

Осушений газ поступає на установку і послідовно охолоджується зворотними потоками газу. Для попередження гідратоутворення в потік охолоджуваного газу перед холодильниками вводять розчин ДЕГа, потім газ доохолоджується пропаном; конденсат, що при цьому виділився, і насичений розчин ДЕГа розділяється в трифазному роздільнику С-1, з якого насичений розчин ДЕГа відправляють на регенерацію, а гази, що відділилися, поступають в нижню частину абсорбера К-1. Абсорбер зверху зрошується охолодженим абсорбентом. В якості абсорбенту використовують фракцію вуглеводнів з молекулярною масою М=140 і температурою википання 105…205 ºС. Відбензинений газ відводиться зверху абсорбера, додатково охолоджується, поступає в сепаратор С-2, а потім в теплообмінник.

Таким чином, процес низькотемпературної абсорбції в даній схемі забезпечується холодом, який одержується при випаровуванні пропану в холодильниках-випарниках, а також рекуперацією холоду зворотних потоків газу в теплообмінниках.

Насичений абсорбент відводиться знизу колони К-1 і поступає в збірник, а з нього в середню частину абсорбційно-відпарної колони (АВК) К-2. Верхня частина колони зрошується регенерованим охолодженим абсорбентом.  Холодні гази вивітрювання, що складаються практично з метану і етану, поступають в теплообмінник на охолодження початкового газу. У нижній частині АВК з абсорбенту відділяються розчинені в ньому легкі гази метан і етан, а насичений розчин ДЕГа знизу колони через теплообмінник відводиться в десорбер К-3. Для нормалізації теплового режиму нижньої частини АВК передбачено проміжне відведення з напівглухої тарілки частини абсорбенту і його підігрів гарячим регенерованим абсорбентом.

Рисунок 15.3 -  Принципова технологічна схема установки низькотемпературної абсорбції (НТА) для відбензинення  газу: 1 - сирий газ; 2 - холодні гази вивітрювання на факел; 3 - відбензинений газ; 4 - розчин ДЕГа; 5 - насичений  розчин ДЕГа на регенерацію; 6 - широка фракція легких вуглеводнів (ШФЛВ).

Процес десорбції протікає аналогічно раніше описаному, пари широкої фракції вуглеводнів конденсуються, частина конденсату подається на зрошення верху десорбера К-3, а частина відводиться як готовий продукт (ШФЛВ) - нестабільний бензин, який направляють на установку стабілізації конденсату з подальшим газофракціонуванням.

Регенерований абсорбент після проходження системи теплообмінників подається на зрошування колон К-1 та К-2.

Тепловий режим десорбера К-3 забезпечується відбором з напівглухої тарілки і нагрівом частини регенерованого абсорбенту в трубчастій печі П-1 і поверненням нагрітого абсорбенту в десорбер К-3.

Низькотемпературна ректифікація (НТР) - процес розділення газових сумішей при низьких температурах, який засновано на охолодженні газової сировини до температури, при якій система переходить в двофазний стан, і подальшому розділенні утвореної газорідинної суміші в ректифікаційних колонах.

Процеси НТР є різновидом і удосконаленням процесів НТК. Перехід газів в рідину здійснюється при охолодженні їх до температур нижче за температуру кипіння.

Особливістю установок з використанням процесів НТР, на відміну від установок НТК, є відсутність проміжної сепарації охолодженого газу і подача його разом з конденсатом, що утворився, безпосередньо в колону ректифікації.

Процеси НТР дозволяють провести розділення з меншою витратою роботи, ніж при других способах, розділити нестабільний бензин (ШФЛВ) на технічно чисті індивідуальні вуглеводні і одержувати одночасно стабільний газовий бензин, пропан-бутанову суміш, а також пропан, ізобутан, н-бутан, ізопентан, н-пентан та інші вуглеводні.

Вибір необхідного тиску і пониження температури газової суміші перед її розділенням сприяють повнішому переходу в рідку фазу вуглеводнів С_3+вище.

Процеси НТР проводять у області низьких температур (від «мінус» 50 ºС до «мінус» 80 ºС), їх застосовують для відбензинення жирних газів; вони дозволяють більш повно видобувати вуглеводневі фракції (в межах 85…90% від їх вмісту в початковому газі).

У технологічній схемі процесу низькотемпературної ректифікації спочатку відбувається низькотемпературна конденсація без відділення газової фази з подачею сировини в колону ректифікації в двофазному стані.

Конструктивне оформлення установок НТР має ряд особливостей:

• у схемах низькотемпературної ректифікації використовуються зовнішні або внутрішні холодильні цикли;
• для підведення тепла в куб колони використовуються кип’ятильники, розташовані безпосередньо під колоною, в яких теплоносієм служить сировина, що подається на розділення, або ребойлери, в змійовик яких подається потік сировини, а тепло в колону поступає з паровою фазою, виділеною в ребойлері з кубового продукту колони.

Залежно від принципової схеми установки НТР ректифікаційні колони підрозділяють на ректіфікаційно-відпарні і конденсаційно-відпарні.

У ректіфікаційно-відпарних колонах газовий потік охолоджується послідовно в теплообміннику зворотним потоком сухого газу і в холодильнику, внаслідок чого він переходить в двофазний стан (частково конденсується) і без попередньої сепарації подається в середню частину колони. Верхній продукт колони проходить через конденсатор-холодильник і поступає і рефлюксну ємність, де відділяється газова фаза, а вуглеводні, що сконденсувалися, повертаються у якості зрошування на верх колони.

У схемах розділення вуглеводневого газу з використанням конденсаційно-відпарних колон сирий газ охолоджується послідовно зворотним потоком сухого газу (або змішується з ним), доохолоджується в холодильниках із зовнішнім хладагентом і поступає на розділення в сепаратор, звідки відбензиненний газ виводиться з установки, а вуглеводні, що сконденсувались, поступають на верхню тарілку колони. В цьому випадку знижується навантаження на колону за рахунок відділення основної кількості сухого газу в сепараторі і є можливість використання менш дорогого обладнання з меншою продуктивністю. Перевагою ж схеми з ректифікаційно-відпарною колоною є підвищення чіткості розділення за рахунок присутності великої кількості низькокиплячих компонентів, які підвищують парціальний тиск видобутих компонентів в рідкій фазі і тим самим прискорюють процеси масообміну.

Залежно від способів створення охолодження і досягнення низьких температур застосовують одно- або двохколонну ректифікацію, одно- або двохпотокову схему переробки газу.

Термодинамічно більш вигідна схема відбензинення природного газу методом НТР з введенням сировини двома потоками. Ця схема дозволяє зменшити енергетичні витрати приблизно на 10% і здійснювати процес при вищих температурах.

Для здійснення процесу охолодження сировинного газового потоку в схемі НТР може бути застосований холодильник із зовнішнім хладагентом (пропан, етан та інші) або дроселі та турбодетандери з метою отримання холоду за рахунок розширення технологічних потоків. У разі використання дроселювання з детандуванням газовий потік після охолодження з частковою конденсацією зворотнім потоком сухого газу в теплообміннику поступає в сепаратор на розділення. Газова фаза з сепаратора поступає в турбодетандер, де за рахунок розширення охолоджується, а рідка фаза проходить через дросель. Потім газова і рідка фази об’єднуються і поступають в середину колони у якості живлення.

У схемах з двохпотоковою подачею сировини одна частина сировини (60%) поступає без охолодження в середню частину колони, а друга частина (40%) охолоджується в рекуперативному теплообміннику зворотним потоком сухого газу, що відводиться з верху ректифікаційної колони.

Для процесів ректифікації природного газу з виділенням етанової і метанової фракцій використовується глибоке охолодження з циклом дроселювання і детандування технологічних потоків.

Застосування низькотемпературних установок з детандуванням газу дозволяє помітно знизити температуру газів перед їх розділенням і частково провести рекуперацію енергії розширення для роботи компресора, встановленого на одному валу з турбодетандером.

Принципова схема установки низькотемпературної ректифікації (НТР) з турбодетандером представлена на рисунку 15.4

Рисунок 15.4 -  Принципова схема установки низько­температурної ректифікації (НТР) з турбодетандером: 1 - сирий газ; 2 - відбензиненний газ; 3 - нестабільний бензин.

Очищений і осушений до низької температури точки роси («мінус» 50…80 ºС) сировинний газ ділиться на два потоки: перший основний потік послідовно охолоджується в теплообмінниках зворотним потоком відбензиненого за­лишкового газу, а в холодильнику - пропаном, який випаровується.

Після охолод­ження в тепло­обмінниках до «мінус» 50 ºС газ поступає в сепаратор С-1, в якому відділяється конденсат і далі перетікає в роздільник С-2. Відокремлена газова фаза з сепаратора С-1 поступає на розширення в детандер, де тиск знижується майже в 2 рази, при цьому в результаті дросель-ефекту температура газу знижується до «мінус» 70 ºС. Охолоджена газорідинна суміш поступає в колону-деметанізатор К-1, де під тиском 2,4 МПа відбувається відділення незріджених залишкових газів (метану і домішок неконденсованих газів). У середню частину колони К-1 поступає конденсат з сепаратора С-2. В результаті процесів розділення з ниж­ньої частини колони К-1 відводиться рідка фаза, що подається в середню частину колони-деетанізатора К-2, при цьому конденсат підігрівається другим потоком сировинного газу. Низ колони-деметанізатора К-1 обігрівається парами, що утворилися у кип’ятильнику.

Гази, що відділилися в колоні, додатково охолоджуються. Конденсат, що виділився в збірнику-сепараторі С-3, подається у якості флегми на зрошення колони. Гази, що не сконденсувалися, змішуються з газами після колони-деметанізатора К-1, суміш відбензинених газів дотискається в компресорі і після охолодження направляється споживачам або на подальшу переробку. Низ колони-деетанізатора К-2 обігрівається парами, отриманими в кип’ятильнику-випарнику.

Виділений в колоні-деетанізаторі К-2 нестабільний бензин (ШФЛВ) після охолодження прямує на установку стабілізації конденсату або на подальше газофракціонування.

Низькотемпературна адсорбція (НТ-адсорбція) - процес, який заснований на різній здатності компонентів газу поглинатись на твердих поглиначах.

Низькотемпературна адсорбція знайшла застосування в тих випадках, коли компоненти газової суміші мають дуже низький парціальний тиск, внаслідок чого процес видобування їх із газової суміші іншими методами є досить складним.

Процес низькотемпературної адсорбції відрізняється від всіх низькотемпературних процесів розділення газів високою селективністю, але вимагає відведення тепла (при виділенні тепла адсорбції кінетична енергія молекул збільшується, відбувається зменшення інтенсивності процесу низькотемпературної адсорбції), чіткого контролю за процесом, і є досить дорогим та використовується обмежено лише для отримання продуктів високого ступеня чистоти.

Низькотемпературна адсорбція здійснюється в апаратах із стаціонарним шаром адсорбенту - активованого гранульованого вугілля, цеоліту, гранульованого силікагелю та інших.

Поглинальна здатність активованого вугілля залежить від марки вугілля, температури і тиску газу, а також від його вологовмісту. У виробничих умовах поглинальна здатність 1 кг активованого вугілля складає до 100 г вуглеводнів. Активоване вугілля різних марок проявляє вибірковість до окремих компонентів газової суміші, при цьому в початковий період процесу активніше поглинаються компоненти з меншою молекулярною масою, а по мірі насичення низькомолекулярні вуглеводні витісняються високомолекулярними. Для видобування легких вуглеводнів (пропану і бутану) перевагу віддають активованому вугіллю, для адсорбції водяної пари і важких вуглеводнів частіше використовують гранульований силікагель.

Процес низькотемпературної адсорбції газу включає в основному три стадії: адсорбцію, десорбцію і регенерацію (сушку і охолодження) адсорбенту.

У останні десятиліття в світовій практиці застосовують установки з коротким циклом роботи, в яких в роботі знаходяться два адсорбери. Тоді як один адсорбер працює в режимі низькотемпературної адсорбції газу, інший адсорбер знаходиться в режимі регенерації, при цьому цикли відрегульовані таким чином, що тривалість стадій адсорбції і регенерації однакова.

Для переробки газів з високим вмістом пропану і бутанів використовують установки із закритою системою регенерації адсорбенту, для адсорбції газів з високим вмістом пентанів і вищих вуглеводнів використовують установки з відкритою системою регенерації.

Установки з відкритою системою регенерації компактні, прості в обслуговуванні і надійні в роботі, недоліком їх є періодичність (циклічність) роботи адсорбера, а також те, що за рахунок відведення частини сирого газу (до 25% основного потоку) в систему регенерації, знижується продуктивність установки і ступінь видобування цільових продуктів.

На установках із закритою системою регенерації досягається вищий вихід цільових продуктів, але така установка вимагає застосування додаткового компресора і складніша в експлуатації.

Принципова схема установки низько­температурної адсорбції (НТ-адсорбції) з відкритою системою регенерації адсорбенту представлена на рисунку 15.5

Рисунок 15.5 -  Принципова схема установки низькотемпературної адсорбції (НТ-адсорбції)  з відкритою системою регенерації адсорбенту: 1 - сирий газ; 2 - відбензинений газ; 3 - паливний газ; 4 - бензиновий конденсат; 5 - конденсат.

Підготовлений газ поступає в приймального сепаратора С-1, де відділяється конденсат, а потім в адсорбер А-1, що знаходиться в режимі адсорбції.

Відбензинений газ охолоджується до температури, близької до температури навколишнього середовища, і відправляється споживачу.

Одночасно адсорбер А-2 знаходиться в режимі регенерації адсорбенту, для чого частина потоку газу, що надходить, підігрівається і проходить зверху вниз шар адсорбенту, при цьому витісняються поглинені в попередньому режимі пари вологи і вуглеводні.

Гарячий газ охолоджується і охолоджена парогазова суміш проходить сепаратора регенерації С-2, в якому виділяється конденсат. Одержаний конденсат змішується з конденсатом вхідного сепаратора і подається в стабілізаційну колону К-1, з якої зверху відводиться паливний газ, а знизу - стабільний бензин. Гази з сепаратора С-2 повертаються в потік сирого газу.

Внаслідок значних експлуатаційних витрат процеси низькотемпературної адсорбції використовуються в процесах переробки газу обмежено.

Область застосування того чи іншого процесу низькотемпературної обробки газу обумовлюється початковим складом газу, чіткістю розділення, термодинамічними умовами фазового переходу компонентів газової суміші, а також вимогами до товарної продукції.

Не дивлячись на широке розповсюдження двох основних процесів переробки газу - НТК і НТА, до теперішнього часу у вітчизняній практиці немає чіткого розмежування областей застосування вказаних процесів для переробки газу залежно від його складу.

Процеси НТР є різновидом та удосконаленням процесів НТК і в енергетичному значенні більш вигідні, ніж процеси НТА і НТК.

НТР в порівнянні з НТК дозволяє проводити розділення вуглеводневих сумішей з отриманням чистіших індивідуальних вуглеводнів або вузьких фракцій.

Перевага НТА перед НТР полягає у тому, що розділення вуглеводневих газів можна здійснювати при помірних температурах, використовуючи як джерело холоду, наприклад пропанові випарники, застосування яких в НТР стає недостатнім, але чіткість розділення компонентів газу в цьому процесі нижча, ніж в НТР.

В порівнянні з процесами НТК і НТР процес НТА характеризується нижчим ступенем видобування етану при достатньо високому ступені видобування  пропану, але дозволяє проводити процес при значно нижчих температурах (біля «мінус» 30 ºС).

Установки із застосуванням схем і процесів НТК економічно вигідніші при видобуванні пропану в межах до 50% від початкового вмісту в газі, установки із застосуванням процесів НТР економічно вигідніші при видобуванні пропану понад 70%, а при пониженні температури дозволяють витягувати 90% пропану і 100% вуглеводнів С_4+вище.

Схеми НТА і НТК є рівноекономічними в досить широкому діапазоні «жирності» газу - від 250 до 350…500 г/м³.

При переробці газу з вмістом С_3+вище більше 350…400 г/м³ більш економічною стає  схема НТК. При цьому оптимальна температура переробки вказаного газу близько «мінус» 30 ºС, яка може бути одержана шляхом застосування пропанового холодильного циклу.

При переробці газу з вмістом С_3+вище нижче 250 г/м³ суттєво економічною також виявилась схема НТК; проте при цьому температура процесу повинна знаходитись на рівні «мінус» 60 °С.

При умові застосування пропанового холодильного циклу і необхідності максимального видобування пропану і важчих вуглеводнів єдино можливим способом переробки газу є процес НТА, за допомогою якого можна видобувати більше 90% пропану, переробляючи газ будь-якого складу. В той же час, у разі видобування в якості цільового продукту вуглеводнів С_3+вище НТК практично є єдиним способом видобування до 80…85% етану при відповідному режимі.

Головна перевага процесів НТ-адсорбції полягає в можливості видобувати компоненти, частка яких в газовій сировині дуже мала, тобто в здатності видобувати  компоненти, що мають низький парціальний тиск. Це важливо в тих випадках, коли вимагається одержання продуктів високого ступеня чистоти.