СПОСОБ ПРЕДОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК B01D53/14 F25J3/00 B01D53/52 

Изобретение относится к способу предобработки природного газа под давлением, в частности очень кислого природного газа, содержащего значительное количество сероводорода (H₂S), с которым может быть скомбинирован диоксид углерода (CO₂).

Этот тип природного газа уже является предметом европейской заявки на патент B-0362023, поданной заявителем.

Когда газоразработчик при обработке очень кислого природного газа, содержащего, например, более 20 мол.% сероводорода, проводит сопоставление преимущественно в том отношении, что мощность добычи газа выше 2 млн.м³ в день и что производство серы экономически неоправдано, то этот газоразработчик стоит перед дилеммой: Как удалить значительное количество сероводорода, не нарушая норм безопасности и окружающей среды? Как уменьшить относительный расход энергии на отделение и удаление сероводорода?
Иногда удаление сероводорода и диоксида углерода, происходящих из природного газа, может быть достигнуто путем повторного нагнетания рекуперированной смеси в резервуар в процессе истощения, что позволяет избегать устройства ниже установок для рекуперации серы, которые дорогостоящие и расход энергии которых повышенный.

Для того, чтобы иметь возможность продавать газ, содержащий менее 3 объемн. м. д. сероводорода, нужно применять способы отделения, которые должны быть селективными по отношению к этому яду, поскольку одновременное удаление диоксида углерода и сероводорода не требует одних и тех же усилий в отношении чистоты. В самом деле, в предназначенном для продажи газе могут содержаться 2 - 4 об.% CO₂. Этой цели можно достигать с помощью способа, осуществляемого в две стадии: стадии частичного уменьшения содержания кислых компонентов по способу отделения с помощью мембран, затем стадии промывки таким образом частично очищенного газа селективным растворителем или амином. В самом деле, известно, что селективные мембраны могут более легко пропускать H₂S и CO₂, чем углеводороды (особенно метан), содержащиеся в природном газе. Этот способ априори простой, однако имеет серьезные недостатки, особенно когда обогащенный сероводородом кислый газ нужно снова нагнетать в резервуар при высоком давлении.

Основной недостаток предобработки путем пропускания через мембрану состоит в том, что обогащенный H₂S и CO₂ пермеат нужно рекуперировать ниже мембраны при очень незначительном давлении, чтобы способ стал эффективным. Отсюда следует, что если газ ни не сжигают в виде факела, ни не направляют в установку рекуперации серы, его необходимо снова сжимать до давления резервуара, что имеет следствием повышенный расход на сжатие и значительный расход энергии.

Второй недостаток способа пропускания через мембрану возникает вследствие того, что эта мембрана неполностью селективна для кислых газов, так как она позволяет осуществляться значительной диффузии метана в пермеат. Потеря выпускаемого в продажу метана может составлять 10 - 15% вводимой загрузки.

Одним из предметов изобретения, следовательно, является избежание вышеуказанных недостатков.

Другим предметом является предобработка природного газа, очень обогащенного сероводородом и диоксидом углерода, чтобы сделать его пригодным для эксплуатации и продажи, не нанося вреда окружающей среде.

Следующим предметом изобретения является дегидратация этого газа и удаление большей части кислых компонентов в жидкой форме в резервуаре в процессе истощения.

Вообще, изобретение относится к способу предобработки природного газа под давлением, происходящего, по крайней мере, из эксплуатационной скважины, насыщенного водой и содержащего большую часть углеводородов и значительное количество сероводорода, отличающемуся тем, что:
а) по крайней мере в одной зоне контактирования (5) и выпаривания, в соответствующих условиях контакта, по крайней мере часть природного газа вводят в контакт по крайней мере с частью рециркулированного жидкого конденсата, происходящего из стадии (d) ниже, и из головной части вышеуказанной зоны рекуперируют паровую фазу, содержащую сероводород и углеводороды, а из нижней части указанной зоны рекуперируют жидкий эфлюент, содержащий большую часть сероводорода, воду и минимальную долю углеводородов;
б) по крайней мере частично паровую фазу охлаждают и конденсируют путем стадии охлаждения или снижения давления в адекватных условиях в зоне охлаждения или снижения давления;
в) полученный конденсат отделяют в зоне отделения и рекуперируют газ, обогащенный углеводородами и обедненный сероводородом, и жидкий конденсат, обогащенный сероводородом и содержащий углеводороды;
г) вышеуказанный конденсат рециркулируют в зону контактирования и
д) жидкий эфлюент снова вводят в вышеуказанную эксплуатационную скважину или в другую скважину.

Под углеводородами понимают по существу метан и незначительные количества этана, пропана и бутана. Кислый природный газ может иметь парциальное давление сероводорода по крайней мере 5 бар и предпочтительно по крайней мере 10 бар (1 бар = 10⁵ Па). Он может также содержать диоксид углерода.

Для того, чтобы реализовать хорошее разгазирование в зоне контактирования (стрипперирование) между жидким конденсатом и очень кислым природным газом, выходящим из скважины, этот конденсат можно подогревать, по крайней мере, частично с помощью теплообменника для испарения, по крайней мере части углеводородов, которые в нем содержатся в слишком большом количестве.

Согласно другому варианту способа конденсат можно подогревать с помощью по крайней мере части паровой фазы, покидающей зону контактирования, в соответствующей зоне теплообмена. Может быть предпочтительным комбинирование этих двух способов подогрева, чтобы лучше испарять углеводороды, которые должны быть рекуперированы, и повышать растворимость воды в жидком потоке, содержащем H₂S.

Выпаривание метана и легких углеводородов, растворенных в смеси, может прямо охлаждать газообразную загрузку, происходящую из скважины, например, до 5 - 10^oC, что может иметь следствием осаждение гидратов, образующихся в присутствии свободной воды и H₂S. Их рекуперируют в жидкой фазе, которую снова нагнетают в резервуар в процессе истощения. Камера для осуществления контакта жидкого и газообразного потоков, предпочтительно циклон, может быть, с этой точки зрения, приспособлена для рекуперации этих гидратов в своей нижней части.

Растворимость воды в жидкой фазе H₂S увеличивается скорее (например, более 1 мол.% в экспериментальных условиях: 25^oC, 85 абс. бар) таким образом, что в значительной степени вся вода кислого газа, входящего в камеру, может быть перемешена путем солюбилизации в жидкую фазу, обогащенную H₂S, образующую вышеуказанный жидкий эфлюент, который снова вводят в резервуар. В действительности речь идет о стадии экстракции воды, которая сводит к минимуму или полностью удаляет конденсацию воды и образование свободной воды в стадии охлаждения и конденсации.

Однако, если паровая фаза, выходящая из головной части этой камеры, содержит еще значительное количество воды, то выше зоны охлаждения можно вводить соответствующее количество метанола в вышеуказанную паровую фазу, чтобы предотвратить образование гидрата в зоне охлаждения.

Вода и спирт, отделенные после конденсации из едкого конденсата в сепараторе, могут быть рециркулированы согласно первому варианту вместе с конденсатом в зону контактирования. Одну часть этого метанола можно испарять вместе с газовой фазой, другую часть в виде жидкой фазы снова нагнетать в скважину.

Согласно другому варианту отделенные после конденсации воду и метанол из конденсата можно направлять в многоэтажную зону стрипперирования, функционирующую противотоком и использующую по крайней мере часть паровой фазы. Тогда из головной части зоны стрипперирования рекуперируют парообразный эфлюент, обогащенный метанолом, который рециркулируют выше зоны охлаждения, а из нижней части - воду, которую можно снова вводить в резервуар. Эта зона стрипперирования предпочтительно мажет быть интегрирована в зоне контактирования жидкого конденсата с природным газом.

Согласно другой предпочтительной характеристике способа жидкий конденсат, обогащенный сероводородом, можно смешивать с природным газом выше камеры контактирования с помощью статического смесителя, эжектора, пульверизатора или просто при использовании достаточной длины трубы.

Рабочие условия способа обычно следующие:
а) Камера контактирования:
T^o = 0 - 100^oC, предпочтительно 20 - 60^oC
P > 10 абс. бар, предпочтительно 40 - 100 бар
б) Зона охлаждения и конденсации:
T^oC = -80^oC - +30^oC, предпочтительно от -40^oC до 0^oC;
P > 10 абс. бар, предпочтительно 40 - 100 бар
в) Температура подогрева:
T^oC = -10^oC - +90^oC, предпочтительно 10 - 50^oC.

Также может быть предпочтительным сжатие природного газа при выходе из эксплуатационной скважины, особенно когда резервуаром является таковой в процессе истощения.

Изобретение, следовательно, имеет то преимущество, что концентрируют природный газ в виде метана и одновременно дегидратируют его. Кроме того, оно позволяет обогащенный сероводородом эфлюент снова вводить в эксплуатационную скважину в жидкой форме и, следовательно, с меньшей стоимостью, если оказывается необходимым использовать нагнетающее устройство.

Изобретение поясняется подробнее, руководствуясь чертежом и примером, которые иллюстрируют способ, не ограничивая его объема охраны.

Очень кислый природный газ, происходящий из эксплуатационной скважины, под давлением 83 бара и при температуре 50^oC, насыщенный водой (1940 мол. м. д.) и содержащий 34 мол.% H₂S, 11 мол.% CO₂ и 55 мол.% метана (менее 1 вес.% C₂+), тангенциально по трубопроводу (1) вводят в камеру контактирования типа циклона (5). Весь газ можно не направлять в циклон (5). Часть газа, в самом деле, можно вводить по трубопроводу (1б) (обозначен пунктирной линией) в устройство для предобработки после циклона (5). До циклона (5) трубопровод (2) и пульверизатор (4) рециркулируют в трубопровод (1) жидкий конденсат, обогащенный сероводородом и диоксидом углерода, содержащий, кроме того, значительное количество метана и который происходит из камеры разделения (3). Этот конденсат подогревают до 30^oC с помощью наружного теплообменника (2а) и теплообменника (15), который отдает непосредственно тепло, происходящее из части паровой фазы (трубопровод 6а), который в свою очередь происходит из камеры (5).

Контактирование реализуют в значительной степени при давлении ввода кислого газа (например, 82 бара) и при температуре 38^oC. Мгновенное разгазирование и стрипперирование осуществляются в циклоне (5). Жидкую и паровую фазы разделяют и охлаждают до 25^oC (температуры ниже таковой образования гидратов) и рекуперируют по трубопроводу (7) из нижней части циклона, предпочтительно конической, под давлением 82 бара жидкий эфлюент, обогащенный сероводородом, диоксидом углерода, водой (гидраты и свободная, растворимая вода) и свободной серой. Этот эфлюент, следовательно, содержит в значительной степени всю воду и только 8,5% метана. Центрифужный насос 9, приспособленный для нагнетания H₂S, (неразъемного типа) используют, если необходимо, для нагнетания обогащенного H₂S и CO₂ жидкого эфлюента снова в нагнетательную скважину (10), которая может быть той же скважиной, откуда происходит природный газ, или другой скважиной. Теплоты нагнетания недостаточно для разрушения (расплавления) транспортируемых гидратов.

Из головной части циклона (5) по трубопроводу (6) рекуперируют газовую фазу, содержащую только 540 м.д. воды, сероводород, CO₂ и метан. Ее пропускают через устройства для охлаждения и конденсации, например через обычный теплообменник (12) типа газ-газ, затем через холодильник (20) с пропаном, где газовую фазу охлаждают и конденсируют по крайней мере частично, например, при температуре -18^oC. Кроме того, чтобы избежать образования гидратов и льда, в трубопровод (6) по трубопроводу (11) можно вводить метанол выше обменника (12). Несолюбилизированную в газовой фазе воду также можно ингибировать, например, за счет добавки 55 вес.% метанола.

Обогащенный метаном газ и полученный конденсат, также как, в случае необходимости, смесь воды с метанолам, разделяют в сепараторе (3) под давлением 81 бар и при температуре -18^oC. Смесь воды с метанолом, рекуперируемую из нижней части сепаратора (3), по трубопроводу (13) можно вводить в трубопровод (8) для рециркуляции конденсата, один раз отделенного.

Согласно другому варианту метанол и вода, рекуперируемые из днища (нижней части) конденсатора (3), направляются по трубопроводу (21) в головную часть многоэтажной зоны стрипперирования (22), работающей противотоком, в которой в качестве стрипперирующего газа используют часть паровой фазы, происходящей из циклона (5). Ее вводят по трубопроводу (23) в основание зоны стрипперирования. Большую часть метанола рекуперируют из головной части по трубопроводу (24) и рециркулируют в трубопровод (6) выше холодильника. Воду рекуперируют из основания зоны стрипперирования по трубопроводу (25).

Конденсат, обогащенный H₂S и CO₂ и содержащий еще метан и вышеуказанную смесь воды с метанолом, рециркулируют по трубопроводам (8) и (2) и с помощью насоса (14), подобного насосу (9), в камеру (5) контактирования обеих жидкой и газовой фаз после подогрева в теплообменнике (15), как указано выше.

Из головной части сепаратора (3), кроме того, рекуперируют газ, обогащенный метаном и содержащий около 15% H₂S и 11% CO₂, причем эти содержания позволяют уменьшить размер (габариты) и расход энергии нижерасположенных установок (установки, где используются амины, или установки для других способов, описанные в европейском патенте 442767 и патенте США 5127231 заявителя) для полного удаления H₂S.

Материальный баланс приводится в таблице.

Изобретение относится к способу предобработки природного газа под давлением, содержащего сероводород, с которым может быть скомбинирован диоксид углерода. По способу по крайней мере часть природного газа, насыщенного водой и содержащего большую часть углеводородов и значительное количество сероводорода, вводят в контакт в одной зоне контактирования и испарения при температуре 0-100°С и давлении более 10 бар с по крайней мере частью рециркулируемого жидкого конденсата. Из головной части вышеуказанной зоны рекуперируют паровую фазу, содержащую сероводород и углеводороды. Из нижней части зоны рекуперируют жидкий эфлюент, содержащий большую часть сероводорода, воду и минимальное количество углеводородов. По крайней мере частично паровую фазу охлаждают и конденсируют при температуре (-80) - (30)^oC в зоне охлаждения или снижения давления. Полученный конденсат отделяют в зоне разделения и рекуперируют газ, обогащенный углеводородами и обедненный сероводородом. Жидкий конденсат, обогащенный сероводородом и содержащий углеводороды, рециркулируют в зону контактирования. Жидкий эфлюент вводят в вышеуказанную эксплуатационную или другую скважину. Данное изобретение позволяет повысить эффективность процесса. 9 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ предобработки природного газа под давлением, происходящего по крайней мере из эксплуатационной скважины, насыщенного водой и содержащего большую часть углеводородов и значительное количество сероводорода, отличающийся тем, что по крайней мере в одной зоне контактирования и испарения при температуре 0-100^oC и давлении более 10 бар вводят в контакт по крайней мере часть природного газа с по крайней мере частью рециркулируемого жидкого конденсата, из головной части вышеуказанной зоны рекуперируют паровую фазу, содержащую сероводород и углеводороды, а из нижней части зоны рекуперируют жидкий эфлюент, содержащий большую часть сероводорода, воду и минимальное количество углеводородов, по крайней мере частично паровую фазу охлаждают и конденсируют при температуре (-80) - (+30)^oC в зоне охлаждения или снижения давления, полученный конденсат отделяют в зоне разделения и рекуперируют газ, обогащенный углеводородами и обедненный сероводородом, и жидкий конденсат, обогащенный сероводородом и содержащий углеводороды, конденсат рециркулируют в зону контактирования, жидкий эфлюент вводят в вышеуказанную эксплуатационную или другую скважину. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конденсат подогревают по крайней мере частично, с помощью наружного теплообменника. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что конденсат подогревают по крайней мере с помощью части паровой фазы в зоне теплообмена. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что конденсат рециркулируют выше зоны контактирования. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что паровая фаза содержит значительное количество воды и выше зоны охлаждения в паровую фазу вводят соответствующее количество метанола. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что воду и метанол отделяют после конденсации от конденсата и рециркулируют с конденсатом. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что воду и метанол отделяют после конденсации от конденсата и направляют в многоэтажную зону стрипперирования, где используют по крайней мере часть паровой фазы, и из головной части зоны стрипперирования рекуперируют паровой эффлюент, обогащенный метанолом, который рециркулируют выше зоны охлаждения, а из нижней части зоны стрипперирования рекуперируют воду. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что в зоне контактирования температура составляет 20 - 60^oC, давление 40-100 бар, в зоне охлаждения и конденсации температура составляет (-40)-(0)^oC, давление более 10 бар, предпочтительно 40-100 бар, температура подогрева конденсата составляет (-10)-(90)^oC, предпочтительно 10 - 50^oC. 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что зона контактирования представляет собой циклон. 10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что природный газ под давлением имеет парциальное давление сероводорода по крайней мере 5 бар, предпочтительно по крайней мере 10 бар.