СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК C10L3/00 C10L3/10 B01D53/00 F25J3/06 

Изобретение относится к способу получения горючего газа для газовых двигателей из образующегося при добыче нефти попутного газа, который содержит метан, этан, пропан, углеводороды с более чем тремя атомами углерода и по обстоятельствам пропен, причем газообразная фракция и жидкостная фракция получаются частичной конденсацией попутного газа.

При добыче нефти из нефтяных месторождений с использованием нефтедобывающего оборудования получается попутный газ, который почти исключительно состоит из углеводородов. При этом речь идет о смеси различных газообразных углеводородов, главным образом алканов и алкенов. Этот попутный газ часто называется «попутным нефтяным газом» APG, ранее также «газом, сжигаемым в факеле».

Правда, для подачи по газопроводу этот попутный газ непригоден, поскольку он по сравнению с природным газом, который в качестве основного компонента содержит метан, представляет собой сложную смесь из разнообразных углеводородов. Потребители, приспособленные к определенным составам газа и качественным характеристикам газа, не могут оптимально работать с такими смесями. Поэтому использование этого попутного газа для получения энергии в течение длительного времени было малозначительным. На протяжении многих лет он бесполезно сжигался, от чего произошел также ранний термин «сжигаемый в факеле газ». Этот способ не только вреден для окружающей среды, но и представляет собой расточительную трату ценных ресурсов.

Возможность использовать попутный газ состоит в сжигании в водогрейных котлах с использованием газовых горелок. Правда, потребность в тепловой энергии на многих нефтепромыслах по большей части не столь велика, сколько имеется в наличии попутного газа. Прямая утилизация газа, при которой он сжигается в газовых двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси, чтобы впоследствии получать электрический ток с помощью генераторов, оказалась неудачной вследствие низкого метанового числа попутного газа. Метановое число представляет собой меру антидетонационных характеристик, и слишком низкое метановое число означает, что детонационная стойкость попутного газа является слишком низкой, чтобы преобразовывать его в электрический ток и тепло в теплоэлектроцентралях.

Чтобы сделать попутный газ применимым для сжигания в газовом двигателе с принудительным воспламенением рабочей смеси, газовый двигатель, как правило, должен быть подсоединен к газоперерабатывающей установке. Для этого известны различные технологии, среди прочих мембранная технология или охлаждение газа до предельно низких температур. При этом обычно достигается качество почти природного газа, то есть содержание метана повышается до уровня свыше 85%. Отделенные многоатомные углеводороды могут быть использованы дополнительно как ценный вторичный материал в крекинге или другом способе прямой термической утилизации.

Мембранная технология для переработки попутных газов представляет собой относительно трудоемкий и экономически высокозатратный способ. В альтернативном варианте охлаждение газа с целью сконденсировать многоатомные углеводороды тоже является очень дорогостоящим, поскольку он все же требует создания очень низких по порядку величины температур. Например, пропан (С₃Н₈) становится жидким при -42°C, этан (С₂Н₆) даже только при -89°C. Подобные температуры могут быть получены, например, с использованием турбодетандеров. Но для этого должны быть привлечены очень большие технические и финансовые средства.

В патентном документе WO 2007/070198 А2 представлен способ переработки попутного газа при добыче нефти. В этом способе речь в основном идет о том, чтобы получать обогащенную метаном газообразную фазу и обедненную метаном жидкостную фазу. При этом названы различные соотношения параметров давления и температуры, причем основной упор сделан на очень низкие температуры и очень высокие давления, так что образуется газообразная фаза, которая содержит почти исключительно метан и незначительные следы этана. Правда, образующаяся при этом жидкостная фаза всегда имеет высокое содержание метана и этана, что можно заключить по описанным технологическим условиям и примерам. Но это также является понятным, так как в патентном документе WO 2007/070198 А2 на передний план выдвинуто получение жидкостной фазы с высокой энергетической ценностью.

Применяемый до сих пор способ, в котором попутный газ охлаждался до столь низких температур и давлений, что получался почти чистый газообразный метан и конденсат с остальными углеводородами, является энергетически чрезвычайно затратным, поскольку требуется охлаждение до температуры кипения этана и, соответственно, этилена, чтобы обеспечить обогащение газовой фазы метаном. Патентный документ WO 2007/070198 А2 допускает присутствие определенных остаточных количеств углеводородных соединений с двумя атомами углерода в газе. Правда, выбор технологических условий предусматривает, что жидкостная фаза имеет очень высокое содержание метана, что, естественно, является платой за качество полученной газовой фазы. Поэтому полученная газовая фаза пригодна для реализации в газовом двигателе в плане метанового числа, однако дорогостоящие технологические условия делают эксплуатацию газового двигателя неэкономичной. Кроме того, должна быть еще вывезена полученная высококачественная жидкостная фаза.

Задача настоящего изобретения состоит в улучшении способа названного вначале типа таким образом, чтобы полученные продукты были лучше применимы для последующей утилизации. В частности, должно быть достигнуто то, чтобы полученная газообразная фракция могла быть использована для сгорания в газовом двигателе с принудительным воспламенением рабочей смеси, чтобы производить электрический ток и тепло в теплоэлектроцентрали. При этом получение газообразной фракции должно достигаться по возможности экономичным с хозяйственной точки зрения путем в результате использования преобладающих условий температуры и давления при переработке образующегося при добыче нефти попутного газа.

Эта задача решена с помощью способа названного вначале типа тем, что проводится процесс конденсации при таких соотношениях давления и температуры, что полученная жидкостная фаза по существу не содержит метана, этана, пропана и по обстоятельствам пропена и что в полученной газообразной фазе содержится по существу весь метан, этан, пропан и по обстоятельствам пропен.

Основная идея изобретения состоит в том, что при переработке попутного газа углеводороды с высоким метановым числом переводятся в газовую фазу и углеводороды с более низким метановым числом конденсируются. При этом получается газообразная смесь, которая по существу содержит весь метан, этан, пропан и по обстоятельствам пропен. Этим путем могут быть повышены метановое число газообразной фазы и тем самым также детонационная стойкость газа. При этом особенный научный вывод состоит в том, что углеводороды с более чем тремя атомами углерода чрезвычайно снижают детонационную стойкость, тогда как углеводороды с числом атомов углерода менее трех могут быть использованы в газовом двигателе с замечательным успехом. В частности, н-бутан и изобутан ответственны за то, что снижается детонационная стойкость, тогда как газ с метаном, этаном и пропаном (по обстоятельствам также пропеном) в качестве основных компонентов имеет метановое число, которое является превосходно пригодным для использования в газовых двигателях, в частности, также присоединенных выше по потоку компрессорных установках. Таким образом, цель состоит в отделении н-бутана и изобутана.

В отличие от прототипа так может быть получена также особенно высококачественная газообразная фаза с ценными компонентами метана, этана и пропана, тогда как жидкостная фаза содержит многоатомные углеводороды, причем эта фаза всегда превосходно пригодна еще и для возможной дальнейшей переработки. С этой точки зрения жидкостная фаза с высоким метановым числом, как она получается согласно патентному документу WO 2007/070198 А2, представляет собой расточительство по энергетическим соображениям, поскольку газовые двигатели являются отчетливо более чувствительными, чем установки для сжигания полученной жидкостной фазы. Также полученный согласно патентному документу WO 2007/070198 А2 газ не является оптимальным в отношении его энергетического выхода, так как большая доля метана теряется.

В рамках изобретения предпочтительно предусматривается, что процесс конденсации проводится при температуре от -5°C до -14°C. В особенности предпочтительно температурный диапазон составляет между -7°C и -14°C. Поскольку температура кипения изобутана составляет -11,7°C, также благоприятно, когда температура составляет ниже -11,7°C. Во многих географических областях применения способа доминируют температуры окружающей среды в диапазоне этих значений, так что благодаря этому дорогостоящее охлаждение либо может быть совершенно исключено, либо проведено соответственно экономично, чем обеспечивается возможность особенно экономически выгодного получения газообразной фракции.

Предпочтительно предусматривается, что процесс конденсации проводится в несколько стадий, причем в первой стадии с охлаждением до температуры от -5 до -8°C и во второй стадии до температуры от -8 до -14 или соответственно -12°C. Этим путем низкокипящие углеводороды могут быть собраны в первой фракции и более высококипящие углеводороды во второй жидкостной фракции. Но этим способом и путем также возможно в первой стадии сконденсировать вероятную воду, которая содержится в попутном газе.

При выбранных выше температурных условиях предпочтительно, когда одновременно настраиваются определенные условия давления, так как температура и давление ответственны за параметры конденсации газов. При этом предпочтительно предусматривается, что давление в процессе конденсации составляет между 1 бар и 16 бар (0,1-1,6 МПа), предпочтительно от 10 бар до 16 бар (1,0-1,6 МПа), особенно предпочтительно от 14 бар до 16 бар (1,4-1,6 МПа). Образующийся при добыче нефти попутный газ во многих случаях вытекает с давлением в области этих значений, так что выбором этой области может быть достигнуто особенно экономически выгодное получение газообразной фракции. Кроме того, стоимость компрессорных устройств для получения давлений до 16 бар (1,6 МПа) является относительно низкой сравнительно с компрессорными установками более высокого класса напорного оборудования.

Кроме того, предпочтительно предусматривается, что газообразная фракция имеет метановое число по меньшей мере 40, предпочтительно по меньшей мере 45. Метановое число как мера антидетонационных характеристик двигателя является важным для целей последующего применения. В данном случае полученная газообразная фракция должна быть непременно использована в газовом двигателе, так что должно быть задано метановое число по меньшей мере 40, предпочтительно по меньшей мере 45.

Кроме того, в одном варианте исполнения может быть предусмотрено, что газообразная фаза по существу не содержит н-бутана и изобутана.

В дополнительном варианте исполнения может быть предусмотрено, что по обстоятельствам удаляется имеющаяся в попутном газе вода. При этом могут быть использованы, например, абсорбенты и молекулярные сита как цеолиты или известные осушители как неорганические соли. В нижеследующей Таблице 1 на одном примере описан состав возможного попутного газа с одного нефтяного месторождения:

Таблица 1 Состав одного попутного газа (пример): Соединение мол. % CO₂ 0,05 N₂ 3,78 Метан CH₄ 36,67 Этан 15,29 Пропан 23,17 Изобутан 6,16 н-Бутан 9,73 Изопентан 2,08 н-Пентан 1,88 Гексан 0,76 Циклогексан 0,06 Гептан 0,18 Октан 0,14 Нонан 0,04 Декан и более тяжелые углеводороды 0,01 Всего 100

Описанная в Таблице смесь имеет метановое число 32,7 и непригодна для сжигания в газовом двигателе с принудительным воспламенением рабочей смеси. После охлаждения до температуры около -14°C получалась газообразная смесь, которая почти исключительно состояла из метана, этана и пропана и имела метановое число 45. Дополнительно газ содержал следы диоксида углерода, а также азота. Остальные компоненты почти полностью содержатся в конденсате. Кроме того, нижеследующие Таблицы 2 и 3 показывают еще раз различие между осуществленным изобретением и прототипом.

Таблица 2 Переработка газа охлаждением до температуры -12°C   Соединение Температура кипения (ºC) H₂ Водород -253 N₂ Азот -196 CO Монооксид углерода -192 O₂ Кислород -183 CH₄ Метан -162 C₂H₄ Этилен -104 C₂H₆ Этан -89 CO₂ Диоксид углерода -79 C₃H₆ Пропен -48 C₃H₈ Пропан -42 C₄H₁₀ Изобутан -12 C₄H₁₀ н-Бутан -1 C₅H₁₂ Изопентан 28 C₅H₁₂ Пентан 36 C₅H₁₂ н-Пентан 36 C₆H₁₄ Гексан 69 С₆Р₆ Бензол 80 C₇H₁₆ Гептан 98

Таблица 3 Переработка газа охлаждением до температуры -48°C   Соединение Температура кипения (ºC) H₂ Водород -253 N₂ Азот -196 CO Монооксид углерода -192 O₂ Кислород -183 CH₄ Метан -162 C₂H₄ Этилен -104 C₂H₆ Этан -89 CO₂ Диоксид углерода -79 C₃H₆ Пропен -48 C₃H₈ Пропан -42 C₄H₁₀ Изобутан -12 C₄H₁₀ н-Бутан -1 C₅H₁₂ Изопентан 28 C₅H₁₂ Пентан 36 C₅H₁₂ н-Пентан 36 C₆H₁₄ Гексан 69 С₆Р₆ Бензол 80 C₇H₁₆ Гептан 98

Как очевидно из Таблиц 2 и 3, при осуществлении изобретения (Таблица 2) все газообразные компоненты с температурами кипения ниже изобутана собрались в газовой фазе и с температурой кипения выше этой - в конденсате. Согласно прототипу (Таблица 3), где предусмотрено охлаждение до температуры -48°C, происходит обогащение газовой фазы исключительно теми соединениями, которые имеют температуру кипения СО₂ и ниже, в конденсате же имеет место концентрирование остальных компонентов. Согласно патентному документу WO 2007/070198 А2, в общем наблюдалось бы только обогащение газовой фазы метаном СН₄, чистое разделение не происходит.

Расчеты заявителя показали, что для типичного попутного газа, который образуется на нефтепромыслах, необходимо отделять только немногие многоатомные углеводороды, чтобы могли эксплуатироваться современные двигатели внутреннего сгорания, которые специально сконструированы или, соответственно, приспособлены для детонационно-стойкого газа. Сюда входят гептан (С₇Н₁₆), бензол (С₆Н₆), н-пентан и изопентан (С₅Н₁₂), а также н-бутан и изобутан (С₄Н₁₀). Все эти компоненты конденсируются уже при температуре -12°C, так что достаточно охлаждать газ до этой температуры. Это можно экономично осуществить при незначительных затратах с использованием стандартных холодильных установок, как, например, водоохладительные агрегаты, а также имеющихся в продаже на рынке теплообменников и сборников конденсата холодильных камер.

Преимущество способа состоит в том, газ не требуется охлаждать до очень низких температур, как это было принято, а только до температуры от около -5 до -14°C, предпочтительно -12°C, чтобы сделать газ пригодным специально для двигателей внутреннего сгорания в отношении антидетонационных характеристик. Тем самым достигается явное снижение расходов.

Изобретение относится к способу получения горючего газа для газовых двигателей из образующегося при добыче нефти попутного газа, который содержит метан, этан, пропан, углеводороды с более чем тремя атомами углерода и по обстоятельствам пропен, причем получаются газообразная фракция и жидкостная фракция путем частичной конденсации попутного газа, причем процесс конденсации проводится при таких соотношениях давления и температуры, что жидкостная фаза по существу не содержит метана, этана, пропана и по обстоятельствам пропена и что газообразная фаза по существу свободна от н-бутана и изобутана. Технический результат - расширение арсенала средств способа. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения горючего газа для газовых двигателей из образующегося при добыче нефти попутного газа, который содержит метан, этан, пропан, углеводороды с более чем тремя атомами углерода и, возможно, пропен, причем получаются газообразная фракция и жидкостная фракция путем частичной конденсации попутного газа, отличающийся тем, что процесс конденсации проводится при таких соотношениях давления и температуры, что жидкостная фаза по существу не содержит метана, этана, пропана и, возможно, пропена и что в газообразной фазе содержится по существу весь метан, этан, пропан и, возможно, пропен, и газообразная фаза по существу свободна от н-бутана и изобутана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс конденсации проводится при температуре от -5°С до -14°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что процесс конденсации проводится при температуре от -7°С до -12°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс конденсации проводится в несколько стадий, причем в первой стадии с охлаждением до температуры от -5 до -8°С и в дополнительной стадии до температуры от -8 до -12°С.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что давление в процессе конденсации составляет между 1 бар и 16 бар (0,1-1,6 МПа), предпочтительно от 10 бар до 16 бар (1,0-1,6 МПа), особенно предпочтительно от 14 бар до 16 бар (1,4-1,6 МПа).

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразная фракция имеет метановое число по меньшей мере 40, предпочтительно по меньшей мере 45.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что из попутного газа, возможно, удаляют имеющийся водяной пар.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что водяной пар удаляется конденсацией, абсорбцией или их комбинациями.