Структурная схема промысловой переработки попутных нефтяных газов Газовые перспективы Казахстана

      Особенно эффективно применение  двухфазного эжекторного сжатия  для «жирных» газов последних  ступеней сепарации. При достаточно  высокой молекулярной массе газов  использование газовых компрессоров  затруднено из-за возникновения  конденсации газов в тракте компрессора, что уменьшает кпд компрессора и выводит его из строя. Как раз в этой области, при наличии конденсации, эффективность работы двухфазного эжектора, напротив, возрастает. Двухфазный эжектор выполняет одновременно несколько функций:

     - повышает давление газа за  счет взаимодействия с высоконапорной  струей;

     - термостабилизирует процесс сжатия, что облегчает последующие стадии  газоразделения;

     - обеспечивает абсорбцию наиболее  тяжелой части газа в потоке  жидкой фракции с последующим  разделением в десорбере.

      При этом снижаются требования  с холодильному потенциалу системы  газоразделения, что снижает стоимость  холодильной установки - наиболее  дорогой части системы газоразделения.

      Разрабатываемые эжекторные установки  имеют значительные преимущества по сравнению с серийно выпускаемыми. На установках применяется диффузорное торможение в сверхзвуковой части двухфазного потока, что приводит к уменьшению числа Маха и значительному уменьшению потерь полного давления на скачках уплотнения. В отличие от существующих установок, в которых нагрев газа уменьшает эффективность эжектора (его адиабатический кпд), в наших установках при наличии сверхзвукового диффузора нагрев газа приводит к увеличению кпд за счет преобразования части тепловой энергии в потенциальную энергию сжатия газа.

      На рис.1 приведена проектная зависимость  для разрабатываемых в промышленности  эжекторных установок, взятая из [3], и данные испытаний установок ЗАО "Национальная газовая компания". Относительный перепад давления равен отношению перепада давления рабочей и эжектируемой среды к перепаду давления, создаваемого эжектором. Видно, что для большинства испытаний, особенно для эжекторов со сверхзвуковыми диффузорами, перепады давлений, создаваемые нашими эжекторами значительно превосходят серийные показатели. 

Рис.1. Проектная  зависимость из [1] – ряд 1, данные испытаний на эжекторах со сверхзвуковым  диффузором – ряд 2. 
 
 
 

2. Термо-химические методы.

      Методы прямого термического  воздействия являются основой  для получения из сырьевых газов природных нефтяных и газовых месторождений основного количества полупродуктов нефтехимии – непредельных углеводородов (этилен, пропилен, дивинил и др.), дающих начало всему многообразию продуктов основного органического синтеза. На существующих производствах ведется пиролиз газовых фракций С2 – С4 или жидких фракций С5+. Процесс осуществляется при температурах до 1100⁰ С и при давлениях несколько атмосфер. В продуктах пиролиза кроме непредельных углеводородов содержится метан, ароматические и полициклические углеводороды [3].

      В компании ЗАО "Национальная газовая компания" впервые применен термический пиролиз для получения этилена из метана. Это стало возможным за счет особого сочетания высокой температуры, высокого давления и малой длительности процесса. Сам процесс проходит в две стадии – стадию нагрева до максимальной температуры и адиабатическую стадию. Особенности нашей технологии запатентованы в отечественных и международных патентах [2,3]. Достигнутые параметры процесса на установке с производительностью 50 м3/час показывают высокую эффективность данной технологии: 35-40% конверсии метана за проход, до 30% выхода этилена на исходное сырье при селективности по этилену 75-80%. Достижение таких результатов стало возможным за счет применения новых материалов для пиролизных труб. Используются такие высокотемпературные материалы, как молибден, карборунд (SiC), импортные материалы типа Hexaloy. Разработанная в нашей компании технология сварки трубных участков, калачей и других элементов оборудования из этих материалов позволяет изготавливать трубные пучки промышленных пиролизных печей для переработки сотен миллионов м3 газа в год.

      Высокая энергетика процесса  пиролиза метана накладывает  жесткие ограничения как на  применяемые материалы, так и  на способ подвода тепловой мощности к стенкам пиролизных труб. Необходимая плотность теплового потока (200-300 кВт/м2) в несколько раз превышает достигаемые плотности в существующих промышленных печах пиролиза. К настоящему времени в нашей компании освоена технология пиролиза метана за счет применения электронагрева. Электронагрев позволяет достигать значительно более высоких плотностей тепловых потоков по сравнению с печным нагревом. Однако применение электронагрева на предприятиях химической промышленности газо-переработки встречает затруднения в связи с высокой стоимостью электроэнергии.

      Другая ситуация складывается  при применении данного метода  в условиях переработки газов  непосредственно на месторождениях. Практически бесплатная тепловая  энергия от сжигания части нефтяных газов за счет преобразования в газовых турбоэлектрогенераторах переходит в энергию электрического поля. При этом для целей нагрева пиролизных установок генерация электрического поля может быть максимально упрощена по сравнению с генерацией сетевой электроэнергии. За счет согласования нагрузки и электрогенератора не требуется применения преобразователей частоты, стабилизаторов и трансформаторов напряжения. Стоимость электрогенерирующей части таких газотурбинных электростанций значительно меньше, чем у серийно выпускаемых установок.

      Основным недостатком существующих  пиролизных установок является  их высокая стоимость, а также  необходимость в сложной системе  газоразделения. Применение электронагрева  резко сокращает габариты и  расходы на создание собственно пиролизных печей, сводя конструкции печей к набору трубных пучков с теплозащитой. С учетом высокой селективности процесса выделение этилена из продуктов пиролиза значительно облегчено по сравнению с существующими производствами. Особенно важным является практическое отсутствие ацетилена и компонентов более тяжелых, чем С3. Для дальнейшей переработки необходимо отделить лишь непрореагировавший метан и образовавшийся водород, что делается на одноколонном аппарате.

      Для пиролиза более тяжелых,  чем метан, углеводородов можно использовать традиционный печной пиролиз. Более эффективно проводить высокотемпературный пиролиз компонентов С2+ с такой температурой процесса, которая обеспечивает отсутствие в продуктах пиролиза как самих этих компонентов (100%-ая конверсия), так и компонентов более тяжелых, чем С3. Последнее выполняется так же, как и при высокотемпературном пиролизе метана. При этом задача разделения продуктов можно проводить по общей схеме для объединенного потока продуктов со всех установок.

      Таким образом, в результате пиролиза метана, метан-этановой фракции или фракции С1-С4 получается этилен. Дальнейшая технологическая цепочка по комплексной переработке ПНГ на месторождении зависит от особенностей расположения месторождения, наличия (близости) транспортной инфраструктуры, наличия продуктопроводов. В наиболее крайнем случае, когда отсутствуют другие возможности транспортировки продуктов переработки газа, кроме основного нефтепровода, встает задача получения наиболее дешевым способом нефтяные компоненты для закачивания их в нефтепровод.

      Для этой цели применяется  вторичный пиролиз полученного  этилена. В результате получается  жидкая фракция (пироконденсат)

    Незначительное  содержание непредельных углеводородов  может быть снижено введением  дополнительного процесса «легкого» гидрирования с использованием получаемой при пиролизе метан-водородной фракции. 

3. Химико-каталитические методы

      В настоящее время основным  способом прямой конверсии метана  является его окисление в синтез-газ.  Последний, в свою очередь, является сырьем для химико-каталитических процессов. Синтез-газ получают тремя разными способами [4]:

      а) паровая конверсия: CH4 + H2O - CO + 3 H2, ?H= 226 КДж/моль;

      б) углекислотная конверсия: CH4 + CO2 - 2 CO + 2 H2, ?H= 264 КДж/моль;

      в) парциальное окисление: CH4 + 1/2O2 - CO + 2 H2, ?H= -44 КДж/моль.

      Новым направлением в этой  области является совмещение  экзотермического процесса в  с эндотермическими процессами. Синтез-газ используется в последующих  процессах без дальнейшего разделения.

    Паровая и углекислотная конверсия метана являются каталитическими процессами. В качестве катализатора используется, как правило, металлический никель, нанесенный на оксидный носитель. В случае углекислотной конверсии, никелевый катализатор промотируют благородными металлами. Процесс ведут при температуре 750-800 °С, давлении 20-40 атм.  

      В настоящее время предпочтение  отдается последнему способу  (парциальное окисление метана  в недостатке кислорода).

      Основными достоинствами этого  метода являются:

     1) экзотермичность реакции, что позволяет проводить процесс в автотермическом режиме;

     2) более высокая скорость реакции,  что позволяет уменьшить размеры  аппаратуры и снизить тепловые  нагрузки;

     3) возможно проведение реакции  в отсутствие катализатора.

      К недостаткам метода можно  отнести: 

     1) высокую стоимость чистого кислорода  или многократное увеличение  размеров аппаратуры при использовании  воздуха; 

     2) взрывоопасность производства.

     3) В целом, стоимость 

      Из примеров реализации стоит  отметить процесс автотермического реформинга, предложенный компанией Haldor Topsoe. Процесс является двухстадийным, но обе стадии осуществлены в одном аппарате. На первой стадии протекает гомогенное некаталитическое парциальное окисление при температуре, достигающей 1900 °С. Затем, во второй секции проводят паровую конверсию метана на никелевом катализаторе при 900 °С. Тепло, необходимое для осуществления реакции, поступает посредством теплообмена из первой секции реактора. Еще одним интересным вариантом конверсии метана является его парциальное окисление, осуществляемое при помощи модифицированных дизельных двигателей. Процесс отличается простотой оформления, основной аппарат – модифицированный серийный дизельный двигатель – позволяет одновременно получать синтез-газ и механическую энергию [3,4].

      Из синтез-газа получают «искусственную  нефть» по методу Фишера-Тропша  и метанол. Оба процесса имеют  свои преимущества и недостатки.

      Методом Фишера-Тропша из синтез-газа  получают смесь предельных и  непредельных линейных углеводородов. Ароматические соединения в продуктах содержатся в незначительных количествах и могут отсутствовать. Выход бензиновой фракции (С5 – С11) не превышает 48%, выход тяжелой фракции (С12 – С18) – 30%. С высокой селективностью может быть получен синтетический церезин (смесь нормальных парафинов C19+). Этот процесс хорошо освоен и широко применяется (действующие производства компаний Sasol, Shell, Mobil). Тем не менее, он не лишен серьезных недостатков. К числу этих недостатков относятся дороговизна и малая удельная производительность катализатора (кобальт на оксиде алюминия или железо) – 75-150 кг жидких углеводородов с 1 м3 катализатора в час. Учитывая, что срок службы такого катализатора составляет 12 месяцев, получаем среднюю производительность равной 800-1000 кг продукта с 1 кг катализатора. «Искусственная нефть», полученная таким способом, не является товарным продуктом и нуждается в дальнейшей многоступенчатой квалифицированной переработке и «облагораживании» на полноценном НПЗ – крекинге, изомеризации, алкилировании. Это накладывает ограничения на экономически обоснованную минимальную мощность единичной установки. Также стоит отметить высокую зависимость рентабильности производства от конъюнктуры на нефтяном рынке. Исходя из вышеперечисленного, можно заключить, что процесс Фишера-Тропша мало подходит для переработки ПНГ непосредственно на месторождениях.