СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ПОПУТНОГО ГАЗА БЕНЗИНОВ И СЖИЖЕННОГО ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК F25J3/00 F25B9/04 

Изобретение относится к технологии подготовки и переработки попутного газа в товарную продукцию, в частности, с выделением бензиновых и нефтяных фракций, а также газообразного и сжиженного газов. Проблема переработки попутного нефтяного газа является очень важной, поскольку этот вид сырья может быть дополнительным источником для пополнения ресурсов углеводородного сырья для использования в газовой и нефтехимической промышленности.

Сегодня в России на нефтяных промыслах сжигается до 20 млрд. м³ попутного газа в год (Путин В.В. Послание Федеральному собранию РФ от 26.04.2007 г.). Транспортировка неразделенной смеси затруднена, поэтому значительная часть попутного газа просто сжигается на факелах. «Сегодня выгодно сжигать, а перерабатывать - не выгодно, вот и сжигают» - Путин В.В. Совещание по вопросам развития нефтегазовой отрасли от 06.08.2007 г.

Это наносит вред экологии, поэтому решение данной проблемы очень актуально еще и потому, что позволит удовлетворить растущую потребность в дешевых, экологически чистых энергоресурсах - углеводородном сырье.

Однако из скважин выходит сложная смесь, состоящая из нефтяной эмульсии, представляющей смесь нефти, воды и попутного нефтяного газа. Поэтому требуется предварительная подготовка для разделения смеси и, непосредственно, разделение на составляющие компоненты, включая конденсат, представляющий смесь нефти и бензиновых фракций и легких углеводородов С₁-С₃.

Предлагаемая технология включает сочетание высокоэффективной центробежной сепарации, компремирования и вихревого сжижения легких углеводородных фракций, путем дросселирования их в вихревой трубе, с использованием рекуперативного теплообмена холодного и горячего потоков вихревой трубы.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ, включающий глубокую подготовку попутного нефтяного газа для переработки в товарную продукцию (См. Кисин В.А., Тюрина Л.А. Глубокая подготовка попутного нефтяного газа для переработки в товарную продукцию. Научно-технический журнал. Наука и техника в газовой промышленности. 2008. №1 (33), с.4-10. - [1]).

Согласно этого способа попутный нефтяной газ из промыслового сепаратора поступает в блок подготовки газа - высокоскоростную низкотемпературную сепарацию фракций попутного нефтяного газа, с использованием аппарата вихревого низконапорного фракционирования газа (АВНФ) - представляющего многосекционную конструкцию, которая кроме использования эффекта Ранка-Хилша, реализует технологию абсорбционной сепарации собственным конденсатом (эффект соконденсации Линда), с учетом направленного формируемого ультразвукового воздействия и совмещения в одной установке функций двух теплообменников - для нагрева газа и рекуперации выделяемого тепла.

Использование упомянутых технологических приемов позволяет, при сохранении всех преимуществ вихревой трубы осуществить более глубокую сепарацию фракций попутного нефтяного газа при низком давлении (от 0,3-0,4 МПа). АВНФ способен работать автономно, а также в составе блочной установки глубокой подготовки газа (УГПГ). Блок сепарации (рабочее давление 0,25 МПа) обеспечивает очистку от воды и механических примесей, а также выделение фракций: метан-этан, пропан-бутан, фракция легкого бензина (фр. C₅ +).

В рассматриваемом изобретении, несмотря на достижение эффективной подготовки по очистке и фракционированию попутного газа на сухой отбензиненный газ, пропан-бутановую смесь и бензин, ему присущи недостатки:

- поступающий на очистку и фракционирование аппарат АВНФ работает при звуковых скоростях, что недопустимо при давлении 0,3-0,4 МПа, так как в основе заложено проявление эффекта Ранка, поэтому возможна неустойчивая работа, а следовательно, возможны срывы в режимах работы (известно, что эффективно вихревая труба работает при достижении перепада давления до и после вихревой трубы P₁/P₂≤4-5);

- так как попутные газы на выходе из промыслового сепаратора имеют низкое начальное давление (0,1-0,3 МПа) и оно нестабильно по значениям, что неудовлетворительно скажется на работе вихревого аппарата;

- приведенные доводы неустойчивого режима работы вихревого аппарата скажутся и на подаче абсорбента (конденсата), так как он связан с направленным формированием ультразвукового воздействия в вихревом аппарате.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ-установка вихревого сжижения попутного газа по патенту РФ: RLJ 2395763 от 27.07.2010 г., F25J 1/00, F25B 9/00 - [2], в котором исходный поток попутного газа предварительно отделяется от воды, охлаждается в регенеративных теплообменниках и поступает в турбодетандер, а затем - в вихревую трубу.

Охлаждение осушенного попутного газа осуществляется «горячей» метановой фракцией газа за счет горячего потока вихревой трубы, затем охлажденный газ расширяется в турбодетандере с понижением давления и температуры и подается в вихревую трубу, в которой образуются два потока - осевой холодный с температурой ниже температуры конденсации пропан-бутановых фракций и периферийный - горячий.

Холодный поток расширившегося газа с температурой минус 65°С, представляющий метановую фракцию с мельчайшими капельками сконденсировавшихся пропан-бутановых фракций, затем сепарируется на составляющие: жидкий пропан-бутан и метан.

Холодный поток метановой фракции после регенеративного теплообменника, в котором охлаждается исходный поток попутного газа, поступает в эжектор на смешение с осушенным горячим потоком вихревой трубы, который подается с помощью турбокомпрессора, а затем выводится в качестве товарной метановой фракции.

Отсепарарированная из холодного потока вихревой трубы жидкая фаза, а также влага, отсепарированная из горячего потока вихревой трубы, представляющие собой жидкую пропан-бутановую смесь, выводятся с установки, как товарный продукт.

Данный способ позволяет осуществить разделение попутного газа, содержащего значительное количество (около 80%) легких метановых и незначительное количество (около 10%) тяжелых пропан-бутановых фракций, однако ему присущи недостатки, к ним можно отнести:

- обычно поступающий попутный газ содержит значительное количество различных примесей, включая как механические, так и примеси углеводородного характера, например, нефтяные эмульсии, воду и др., поэтому требуется более эффективная очистка от указанных примесей. Это особенно важно, если в схеме предусмотрены такие аппараты, как вихревая труба, турбодетандер, турбокомпрессор, эжектор (из-за возможности забивки сопла в вихревой трубе или гидроудара в компрессорах и т.д.);

- в схеме предусмотрен дополнительный сеапаратор-водоотделитель, но после него последовательно установлены два рекуперативных теплообменника, в которых осуществляется охлаждение горячим и холодным потоками вихревой трубы, что естественно вызовет конденсацию жидкой фазы из газового потока, однако, образовавшийся двухфазный поток поступает на вход турбодетандера и вихревой трубы, что недопустимо;

- аналогично, горячий поток, после относительного захолаживания в первом рекуперативном теплообменнике исходного потока газа, направляют в турбокомпрессор, а затем в эжектор. Несмотря на то, что горячий поток был отсе-парирован от жидкой фазы, после теплообменника возможно вторичное образование влаги, которую необходимо выделить до направления газа в турбокомпрессор.

Для устранения изложенных недостатков предлагаемый способ предусматривает следующее:

- предварительную подготовку поступающего попутного нефтяного газа, включающую двухступенчатую сепарацию (так называя, грубую и тонкую), позволяющую на первой стадии выделить сконденсированную жидкость, состоящую в основном из нефтяных и бензиновых фракций, и легкие газообразные фракции (Блок А - подготовки);

- разделение водно-углеводородного конденсата, включающего в составе нефтяные эмульсии, водный конденсат и бензиновые фракции, с применением отпарной ректификационной колонны, с необходимым дополнительным оборудованием, для получения товарных: нефти и бензина (Блок В - блок ректификации);

- компрессия и сжижение легких углеводородных фракций, с использованием дроссельного рекуперативного сжижения и энергетического разделения в трехпоточной вихревой трубе, причем для нормальной работы вихревой трубы (требуемое минимальное давление на входе) компримированный поток газа отбирается после первой ступени компрессора (1,5-2,0 МПа) и подают на вход вихревой трубы.

Наличие достаточного давления позволяет в технологический процесс включить вихревую трубу (нижняя граница работы вихревых труб равна значениям давлений 1,2-2,0 МПа), что позволяет использовать холодильные циклы с использованием энергии горячего и холодного потоков вихревой трубы для осуществления рекуперативного обмена и эффективной сепарации разделяемых товарных газообразного и сжиженного газов (Блок С - компрессии и сжижения).

На фиг.1 изображена принципиальная технологическая схема для реализации заявляемого способа. На схеме представлены: блок А - подготовки попутного газа к разделению, блок В - блок ректификации, блок С - блок компрессии и сжижения газа, а также потоки: I - исходный поток попутного газа; II - конденсат нефтяных и бензиновых фракций; III - легкие газообразные фракции; IV - отсепарированные газообразные фракции; V - конденсат нефтебензиновых фракций; VI - нефть; VII - бензин; VIII - часть компримированного газа после первой ступени компрессора (первый поток); IX - холодный поток вихревой трубы; Х - горячий поток вихревой трубы; XI - отсепарированная жидкость горячего потока; XII - часть компримированного газа после первой ступени компрессора (второй поток); XIII - отсепарированный газ; XIV - сконденсированный газовый бензин; XV - газовый бензин; XVI - компремированная после второй ступени компрессора легкая углеводородная фракция; XVII - метановая газообразная фракция; XVIII - сжиженные газы (фракция С₃-С₄).

На схеме по фиг.1 также представлены аппараты и арматура: 1 - первичный сепаратор, в котором сепарируются легкие фракции газа от конденсата нефтебензиновой смеси; 2 - рекуперативный теплообменник, служащий для охлаждения легких фракций газа (поток III) холодным потоком IX; 3 - многоступенчатый центробежный сепаратор для разделения газа (поток III); 4 - емкость для нефтебензиновой смеси; 5 - первая ступень компрессора для компремирования потока газа (поток IV); 6 - вторая ступень компрессора для компремирования потока газа (поток XIII); 7 - вихревая труба, служащая для энергетического сжижения и разделения легких углеводородных фракций (фр. С₁-С₅₊); 8 - рекуперативный теплообменник, служащий для охлаждения компремированного (второго потока) - (поток XII) холодным потоком вихревой трубы; 9 - сепаратор, служащий для разделения компремированного (второго потока XII) на газ XIII и жидкость (поток XIV); 10 - емкость для сбора отсепарированной жидкости - конденсата газового бензина (+поток XV); 11 - рекуперативный теплообменник для охлаждения компремированного потока XVI - отсепарированной жидкостью (поток XI); 12 - расходный сепаратор для разделения газообразной метановой фракции (поток XVII) и сжиженных газов фракции - С₃-С₄ (поток XVIII); 13 - ректификационная отпарная колонна для ректификации (разделения) нефтяных фракций (поток VI) от бензиновых фракций (поток VII); 14 - кипятильник для разогрева кубовой части ректификационной колонны 13; 15 - холодильник для охлаждения и конденсации паров, выходящих с верха ректификационной колонны 13; 16 - емкость для сбора конденсата бензиновых фракций; 17 - насос для подачи орошения (флегмы) на верх ректификационной колонны 13; 18…37 - запорно-регулирующие вентили.

При этом вентиль 18 размещен на линии выхода отсепарированных легких газообразных фракций (поток III) поступающих в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 2; вентиль 19 - на линии выходного конденсата нефтяных и бензиновых фракций (поток II), выходящих из аппаратов 1 и 4 в ректификационную отпарную колонну 13; вентиль 20 - на линии отсепарированных газообразных фракций (поток IV), выходящих из многоступенчатого центробежного сепаратора 3 и поступающие на вход первой ступени компрессора 5; вентиль 21 - на линии вывода (поток V) из многоступенчатого центробежного сепаратора 3 конденсата нефтебензиновых фракций в емкость 4; вентиль 22 - на линии отвода второго потока (XII) компримированного газа после первой ступени компрессора 5, поступающего в трубное пространство рекуперативного теплообменника 8; вентиль 23 - на линии сконденсированного газового бензина (потока (XIV), поступающего из сепаратора 9 в емкость 10; вентиль 24 - на линии первого потока компримируемо газа (поток VIII) после первой ступени компрессора 5, поступающего на вход вихревой трубы 7; вентиль 25 - на линии холодного потока, выходящего их холодного конца вихревой трубы до входа в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 8; вентиль 26 - на линии (поток XI) выхода отсепарированной жидкости из горячего потока вихревой трубы; вентиль 27 - на линии, соединяющей трубное пространство рекуперативного теплообменника 11 со входом в расходных сепаратор 12; вентиль 28 - на линии, соединяющей горячий конец вихревой трубы 7 со входом в многоступенчатый центробежный сепаратор 3; вентиль 29 - на линии, соединяющей верхнюю часть сепаратора 9 со входом на вторую ступень компрессора 6; вентиль 30 - на линии, соединяющей верхнюю часть расходного сепаратора 12 с магистральным трубопроводом (поток XVII); вентиль 31 - на линии выхода из нижней части расходного сепаратора 12 товарной сжиженной фракции газа (фр. Сз-С4) - поток XVIII; вентиль 32 - на линии вывода из нижней части емкости 10 газового бензина (поток XV); вентиль 33 - на линии вывода конденсата нефтяных и бензиновых фракций из емкости 4 (поток II); вентиль 34 - на лини выхода паровой фазы бензиновых фракций на дефлегмацию (охлаждение) в холодильник 15; вентиль 35 - на линии отвода нефтяной фракции из кубовой части ректификационной колонны 13 (поток VI); 36 - на линии подачи орошения (бензиновых фракций) из нижней части емкости 16 насосом 17 в верхнюю часть ректификационной колонны 13; 37 - на линии отвода бензиновых фракций (поток VII) из нижней части емкости 16.

Исходный поток попутного газа I из промыслового газосепаратора поступает в предварительный сепаратор для сепарации легких фракций газа от конденсата II, представляющего собой нефтебензиновую смесь. Входные параметры газа обычно составляют: давление Р=0,2-0,4 МПа, температура 20-30°С. Легкая фракция газа, выходящая из верха сепаратора 1, охлаждается в рекуперативном теплообменнике 2 холодным потоком вихревой трубы 7 и подвергается высокоэффективной сепарации в многоступенчатом центробежном сепараторе 3 для отделения газа (поток IV) от остаточного конденсата и мелкодиспергированной взвеси и поступает в (Блок С) на всас первой ступени 5 двухступенчатого компрессора, где сжимается до давления 1,5-2,0 МПа.

Сжатый газ V однородного состава после первой ступени компрессора, представляющий собой газообразную фракцию, состоящую из углеводородов C₁-С₃ (метан-этан-пропан) разделяется на два потока, в соотношении (в объемных процентах): первый поток от 10 до 30 и второй поток от 70 до 90. Например, первый поток VIII - 20% об. и второй поток XII - 80% об.

Первый поток газа VIII поступает на вход трехпоточной вихревой трубы 7, в которой образуются холодный IX, горячий Х газообразные и жидкий XI потоки. Второй поток газа XII после первой ступени компрессора 5 и рекуперативного теплообменника 8 разделяется в сепараторе 9 на газ XIII и жидкость XIV. Газ поступает на вторую ступень компремирования, где сжимается до давления Р=5,0-5,5 МПа., а жидкость, представляющая собой газовый бензин, поступает в емкость 10, откуда выводится для дальнейшей переработки в конечную продукцию.

Сжатый газ XVI охлаждается в теплообменнике 11, дросселируемой посредством вентиля 26 жидкой фазой, выделенной из горячего потока вихревой трубы, которая смешивается с газовым бензином XIV в емкости 10, а поток XVI поступает на разделение в сепаратор 12, с верхней части которого выводится сухой метановый газ XVII, а с нижней части сепаратора сжиженная фракция С₃-С₄ (поток XVIII), в качестве товарных продуктов.

Нефтебензиновая смесь (поток II) разделяется в блоке ректификации (блок А), в состав которого включены: ректификационная отпарная колонна 13, теплообменник 15, емкость 16, насос 17.

Поступающая в ректификационную колонну смесь II разделяется в процессе ректификации, включающей нагрев водяным паром в теплообменнике 14 кубовой части колонны и охлаждение (дефлегмация) выходящих паров сверху колонны в холодильнике 15, сбор конденсата в емкости 16 и подачу, в качестве орошения верхней части ректификационной колонны 13, конденсата насосом 17 в верхнюю часть колонны. В результате ректификации происходит разделение смеси (поток II) на нефть VI и бензин VII, отводимых в качестве конечных продуктов.

Способ получения из попутного газа бензинов и сжиженного газа, включающий поступающий из газопровода сырой попутный газ, представляющий смесь, состоящую из нефтяных остатков, бензиновых фракций и попутного газа, разделяют на сконденсированный бензин и нефтяные остатки ректификацией, а попутный газ, состоящий из легких фракций C₁-С₃ компримируют и сепарируют на сухой и сжиженный газы, отличающийся тем, что попутный газ, после отделения от него конденсата (нефтяных и бензиновых фракций), представляющий легкие фракции газа, охлаждают в теплообменнике, подвергают высокоэффективной сепарации в центробежном сепараторе, в результате которой выделенный конденсат вместе с конденсатом после первичной сепарации поступает на разделение ректификацией на нефть и бензин, а легкие фракции подвергают двухступенчатому компремированию, при этом после первой ступени газ разделяют на два потока, первый поток направляют в трехпоточную вихревую трубу для энергетического разделения с образованием холодного, горячего газообразных и жидкого потоков, второй поток охлаждают в рекуперативном теплообменнике холодным потоком вихревой трубы и разделяют сепарацией на газ и жидкость, газ поступает на вторую ступень компрмирования, а жидкость, представляющая собой газовый бензин, затем поступает на дальнейшую переработку, компремированный во второй ступени газ охлаждается в рекуперативном теплообменнике дросселируемой жидкой фазой, отсепарированной из горячего потока вихревой трубы, и поступает в расходный сепаратор для разделения на сухой и сжиженный газ, которые выводятся с установки в качестве товарных.

Способ, отличающийся тем, что легкие фракции, после первой ступени компремирования, газ разделяют на два потока, в соотношении (в объемных процентах): первый поток от 10 до 30 и второй поток от 70 до 90.

Таким образом, в предлагаемом способе переработки попутного газа, поступающего на переработку в качестве сырого углеводородной смеси, имеющего сравнительно низкое давление, даны технические и технологические решения по стабилизации состава газа, а рациональное использование компрессии позволяет применить вихревую трубу, с помощью которой получить энергетические потоки для использования в процессах газоразделения холодильные циклы.

Это позволяет применить рекуперативные теплообменники для осуществления процессов конденсации и газоразделения низкомолекулярных углеводородных смесей фракций С₁-С₄ с получением индивидуальных углеводородных фракций (фракций CH₄ и фракций С₃-С₄), а также бензиновых фракций С₅₊ с отделением нефтяных фракций.

Выполнение способа получения из попутного газа бензинов и сжиженного газа в совокупности с вышеизложенными признаками (признаками формулы изобретения) является новым для технологии выделения ценного углеводородного сырья из попутного газа, для различных отраслей промышленности, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил проектирования технологических установок газоразделения по получению низкомолекулярного углеводородного сырья из попутных нефтяных газов, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. Кисин В.А., Тюрина Л.А. Глубокая подготовка попутного нефтяною газа для переработки в товарную продукцию. Научно-технический журнал. Наука и техника в газовой промышленности. 2008. №1(33), с.4-10.

2. Патент РФ: RU 2395763 от 27.07.2010 г., F25J 1/00, F25B 9/00 - прототип.

Изобретение относится к технологии подготовки и переработки попутного газа в товарную продукцию. Попутный газ, после отделения от него конденсата (нефтяных и бензиновых фракций), представляющий легкие фракции газа, охлаждают в теплообменнике, подвергают сепарации в центробежном сепараторе, в результате которой выделенный конденсат вместе с конденсатом после первичной сепарации поступает на разделение ректификацией на нефть и бензин, а легкие фракции подвергают двухступенчатому компремированию. После первой ступени газ разделяют на два потока. Первый поток направляют в трехпоточную вихревую трубу для энергетического разделения с образованием холодного, горячего газообразных и жидкого потоков. Второй поток охлаждают в рекуперативном теплообменнике холодным потоком вихревой трубы и разделяют сепарацией на газ и жидкость. Газ поступает на вторую ступень компремирования, а жидкость, представляющая собой газовый бензин, затем поступает на дальнейшую переработку. Компремированный во второй ступени газ охлаждается в рекуперативном теплообменнике дросселируемой жидкой фазой, отсепарированной из горячего потока вихревой трубы, и поступает в расходный сепаратор для разделения на сухой и сжиженный газ, которые выводятся с установки в качестве товарных. Использование изобретения позволит повысить эффективность сепарации газовой смеси. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения из попутного газа бензинов и сжиженного газа, в котором поступающий из газопровода сырой попутный газ, представляющий смесь, состоящую из нефтяных остатков, бензиновых фракций и попутного газа, разделяют на сконденсированный бензин и нефтяные остатки ректификацией, а попутный газ, состоящий из легких фракций С₁-С₃ компримируют и сепарируют на сухой и сжиженный газы, отличающийся тем, что попутный газ после отделения от него конденсата (нефтяных и бензиновых фракций), представляющий легкие фракции газа, охлаждают в теплообменнике, подвергают сепарации в центробежном сепараторе, в результате которой выделенный конденсат вместе с конденсатом после первичной сепарации поступает на разделение ректификацией на нефть и бензин, а легкие фракции подвергают двухступенчатому компремированию, при этом после первой ступени газ разделяют на два потока, первый поток направляют в трехпоточную вихревую трубу для энергетического разделения, с образованием холодного, горячего газообразных и жидкого потоков, второй поток охлаждают в рекуперативном теплообменнике холодным потоком вихревой трубы и разделяют сепарацией на газ и жидкость, газ поступает на вторую ступень компрмирования, а жидкость, представляющая собой газовый бензин, затем поступает на дальнейшую переработку, компремированный во второй ступени газ охлаждается в рекуперативном теплообменнике дросселируемой жидкой фазой, отсепарированной из горячего потока вихревой трубы, и поступает в расходный сепаратор для разделения на сухой и сжиженный газ, которые выводятся с установки в качестве товарных.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что легкие фракции, после первой ступени компремирования, газ разделяют на два потока, в соотношении (в объемных процентах): первый поток от 10 до 30 и второй поток от 70 до 90.