Мембранная технология подготовки природного и попутного нефтяного газов
Мембранное разделение газовых смесей основано на использовании мембран, обладающих свойством селективной проницаемости компонентов газовой смеси, т. е. компоненты исходной смеси проникают через мембрану с различной скоростью. При подготовке газа в мембранном модуле исходный сырьевой поток разделяется на два потока – на проникший через мембрану поток низкого давления (пермеат) и остаточный поток (ретентат). Движущей силой процесса является разность парциальных давлений компонентов газа в полостях высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давления.
Поток высокого давления (ретентат) обогащается труднопроникающими компонентами (метан, этан) и в задачах подготовки газа, как правило, является целевым.
Образующийся пермеатный поток (поток низкого давления) обогащается водой, сероводородом, углекислым газом, тяжёлыми углеводородами и может быть использован в качестве топливного газа или дополнительно переработан (например, с помощью дополнительной, второй мембранной ступени с увеличением выхода подготовленного газа; или с помощью дополнительной установки GTL c получением жидких продуктов). Эффективность применения мембранной технологии зависит от решаемой задачи и условий площадки размещения и, как правило, достигает степени утилизации ПНГ более 95%, а в ряде задач осушки природного газа по воде - до 100% (без учета жидкой фазы).
В настоящее время на территории РФ находятся в эксплуатации несколько промышленных мембранных установок, реализующих различные схемы организации процесса мембранной подготовки углеводородных газовых смесей [1].
Принципиальная схема типовой мембранной установки комплексной подготовки попутного нефтяного газа показана на Рисунке 1 [2].
1 – вход сырьевого газа, 2 - сепаратор сырьевого газа, 3 – компрессор, 4- АВО, 5- газосепаратор, 6 - фильтр-коалесцер, 7, 15, 17, 19, 21, 23- трубопроводы, 8,10 - мембранные газоразделительные блоки МГБ-1 и МГБ-2, соответственно, 9, 11- полость высокого давления мембранных блоков (ПВД), 12 – регулятор давления, 13- выход подготовленного газа, 14, 16, 25- конденсат, 18, 22- полость низкого давления мембранных блоков (ПНД), 20, 24- дроссель
Рисунок 1 - Типовая установка двухстадийной мембранной подготовки попутного нефтяного газа
Установка работает следующим образом. Попутный нефтяной или природный газ последовательно очищается от капельной жидкости во входном сепараторе 2, сжимается до заданного давления в компрессоре 3, охлаждается до заданной температуры в АВО 4, очищается от капельной жидкости в концевом сепараторе 5 и фильтре-коалесцере 6, после чего с заданными параметрами по теплоизолированному обогреваемому трубопроводу поступает на вход мембранного газоразделительного блока МГБ-1 8. МГБ представляет собой, как правило, несколько параллельно расположенных модулей на основе половолоконной мембраны, имеющих общие линии ввода сырьевого газа, вывода подготовленного газа и пермеата. В ПВД 9 газовая смесь проходит через межволоконное пространство мембранного газоразделительного модуля. По мере продвижения вдоль волокон легкопроникающие компоненты газовой смеси (вода, сероводород, меркаптаны, диоксид углерода, этан и более тяжёлые углеводороды) селективно проникают во внутриволоконное пространство - ПНД 18, в результате чего соотношение легко и труднопроникающих компонентов газовой смеси в ПВД уменьшается. Предусмотрена возможность (в зависимости от необходимости) подачи части газовой смеси с выхода ПВД 9 подачи по трубопроводу 20 через дроссель 19 в ПНД 18; продувка ПНД 18 газовой смесью с выхода ПВД 9 позволяет увеличить движущую силу процесса газоразделения. Газовую смесь, а именно, смесь пермеата из ПНД 18 и ретентата из ПВД 9, с выхода ПНД 18 подают на патрубок подачи топливного газа газопоршневого компрессора 3 для использования в качестве топлива. Основную часть газовой смеси с выхода ПВД 9 подают на вход ПВД 11 МГБ-2 10, где, аналогично МГБ 8, соотношение легко и труднопроникающих компонентов в газовой смеси (ПВД) уменьшается с получением продукта, соответствующего предъявляемым к нему требованиям на выходе из ПВД 11. Часть продукта (в зависимости от необходимости) по трубопроводу 23 через дроссель 24 подают на вход ПНД 22 МГБ 10 для ее продувки, а смесь пермеата из ПНД 22 подают на вход сепаратора 2 по трубопроводу 21, тем самым обеспечивая возврат газа в цикл газоразделения (рециркуляцию). Давление в системе и расход подготовленного газа устанавливают посредством регулятора 12 на трубопроводе 13 отвода готового продукта.
Типовая схема мембранной промышленной установки (Рисунок 1) в зависимости от типа и качества исходного газа, целей подготовки газа и объема подготавливаемого газа легко адаптируется под конкретную решаемую задачу.
При давлении сырьевого газа, превышающем давление пермеата, для возврата пермеата на всас компрессора сырьевого газа использую дожимной компрессор [3].
Если целевым компонентом является легкопроникающий газ (например, в задаче извлечения и концентрирования гелия из природного газа), то применяют двухступенчатую схему, а дожимной компрессор пермеата используется для создания давления, достаточного для повторной подготовки пермеата на мембранном блоке второй ступени (Рисунок 2).
а)
б)
Рисунок 2 – Двухступенчатая схема концентрирования гелия из природного газа без рецикла [4] (а) и с рециркуляцией подготовленного газа 2-й ступени (б)
Двухступенчатые схемы с подготовкой пермеата первой ступени после сжатия с помощью дожимного компрессора на мембранных блоках второй ступени применяются в установках подготовки топливного газа из природного и попутного нефтяного газа [5], а также в установках осушки природного газа [6,7].
Для подготовки небольших расходов низконапорных попутных нефтяных газов более эффективна схема с заменой компрессора на жидкокольцевой (чаще всего водокольцевой) вакуумный насос на линии пермеата (Рисунок 3).
Рисунок 3– Вакуумная схема мембранной подготовки попутного нефтяного газа
При высоких температурах точек росы сырьевого газа по углеводородам и воде перед подачей на мембранный блок применяется дополнительный подогрев сырьевого газа перед подачей его в МГБ, который, в зависимости от возможностей площадки размещения установки, реализуется либо с помощью типового подогревателя газа, либо с помощью теплообменника.
Сама мембранная установка может быть выполнена в виде от одной до трех последовательно расположенных мембранных стадий, при этом, в свою очередь, каждая стадия может состоять из одного или нескольких параллельно расположенных мембранных блоков (Рисунок 4).
Рисунок 4 - Схемы компоновки мембранных блоков в составе мембранной установки: а) параллельная, б) последовательная, в) параллельно - последовательная
Одностадийные схемы (Рисунок 4а) наиболее простые, но характеризуются более низким извлечением целевого потока с фиксированными свойствами. Многостадийные схемы (Рисунок 4б) позволяют достигнуть высокой очистки целевого труднопроникающего компонента смеси, особенно когда требуется высокая концентрация. Применение параллельно-последовательной схемы подключения мембранных блоков позволяет достичь высокой степени извлечения и чистоты целевого продукта в широком интервале нагрузок (Рисунок 4в). Многостадийные схемы наиболее широко применяются при реализации схем с частичным рециклом газа.
Объем подготовленного газа, получаемого с единичного мембранного модуля (или МГБ), возрастает с повышением селективности применяемой мембраны по удаляемым компонентам, с увеличением перепада давлений на мембране (разности между давлением газа в ПВД и ПНД), с увеличением отношения давлений в ПВД и ПНД. Повышение температуры подготовки, как правило, ведет к увеличению удельной производительности по подготовленному газу (при сохранении величин давлении ПВД и ПНД), но одновременно увеличивается и требуемое количество исходного сырьевого газа.
Опыт промышленной эксплуатации мембранных установок на территории РФ показал, что, в зависимости от режима работы, обеспечиваются следующие показатели подготовки газа:
- снижение ТТР газа по воде на 15-40°С относительно начального значения; снижение ТТР по углеводородам на 8-30°С относительно начального значения; увеличение метанового числа подготовленного газа на 10-40 единиц в зависимости от требуемой степени снижения низшей теплотворной способности газа; при этом содержание в нем С4+ снижается в 2,5-6 раз, а содержание метана повышается на 8-25%; снижение содержания сернистых соединений (сероводород, меркаптаны) в 10-100 раз; снижение содержания СО2 до 15 раз.
Принципиальным преимуществом мембранных установок является поставка оборудования в блочном исполнении для любой климатической зоны и обеспечение качества подготавливаемого газа в соответствии со всеми требованиями СТО Газпром 089-2010 (за исключением требований по содержанию кислорода) и ГОСТ 5542-2014 (за исключением требований по содержанию кислорода и интенсивности запаха). При этом в рамках данной технологии одновременно решаются задачи осушки газа по воде и снижению в нем содержания тяжелых углеводородов (отбензинивание), сероводорода, меркаптанов (сероочистка), углекислого газа.
Другими, кроме комплексного решения задачи подготовки газа, преимуществами мембранных углеводородных установок по сравнению с альтернативными традиционными технологиями подготовки газа, являются: минимальные эксплуатационные затраты; возможность работы на давлении исходного газа в широком диапазоне значений; компактность и малый вес; простота монтажа и обслуживания; большой ресурс работы; возможность наращивания производительности установки; быстрый запуск и останов; простота в эксплуатации; легкость встраивания в другие технологические процессы. Например, применение мембранной установки позволяет вернуть в поток осушенного и подготовленного газа 70-90% объема отработанного газа регенерации адсорбционной установки осушки газа, а 10-30% - направить на вход сырьевого компрессора [8]. В результате, достигается увеличение выхода с установки адсорбционной осушки подготовленного газа и снижается количество газа регенерации, подаваемого на вход сырьевого компрессора, с 25-30% до 1-5% от общего сырьевого потока.
Библиография
1. Евразийский патент на изобретение 019623 Способ очистки углеводородной газовой смеси.
2. Патент RU 118564 Установка для подготовки попутного нефтяного газа к транспортировке трубопроводным транспортом.
3. Патент RU 110286 Установка многостадийной очистки газовой смеси до параметров ее потребления.
4. Патент RU 114423 Установка очистки природного газа высокого давления от гелия.
5. Патент RU 109007 Установка подготовки топливного газа из природного или попутного нефтяного газа.
6. Патент RU 109988 Установка для осушки природного газа.
7. Патент RU 109989 Установка для осушки природного газа.
8. Патент RU 2381822 Установка подготовки углеводородного газа.
