3.4.3. Применение систем улавливания легких фракций

Системой улавливания легких фракций (УЛФ) называется совокуп­ность технологического оборудования, обеспечивающего отбор и утилизацию легких фракций нефти и нефтепродуктов при повышении давления в газовом пространстве резервуаров до того, как произойдет их «выдох» в атмосферу. Под утилизацией в данном случае понимается либо накопление ПВС с целью последующего ее возврата в ГП резервуаров (поэтому простейшей системой УЛФ является ГУ С), либо отделение углеводородов от нее, либо реализация смеси потребителям.

Несмотря на многообразие применяемых и заявленных в качестве изоб­ретений конструкций систем УЛФ, их можно объединить в несколько групп, описание данных систем нами предельно упрощено, чтобы, с одной стороны, упростить восприятие, а с другой—уменьшить объем информации за счет объединения схем систем УЛФ, различающихся только второстепенными де­талями.

Адсорбционные и абсорбционные системы УЛФ

С 20-х годов известен углеадсорбционный метод улавливания углеводо­родов, нашедший применение для получения газового бензина из нефтяного газа. Процесс осуществляется по следующей схеме: 1) насыщение (адсорбция) угля углеводородами; 2) отгонка (десорбция) поглощенных фракций перегре­тым водяным паром; 3) сушка активированного угля нагретым до 120... 130 °С воздухом; 4) охлаждение холодным воздухом.

Как показали исследования, наибольший отбор пропан-бутановой фрак­ции из газовой смеси достигается при температуре угля 20...24 °С и его оста­точной влажности 1 ...7 % . Однако содержание воздуха в газе снижает эффек­тивность метода.

В адсорбционной системе фирмы «Dow Chemical» [125] роль адсорбен­та выполняет шариковая сополимерная насадка (рис. 3.48). Диаметр шари­ков около 2 мм, удельная площадь поверхности контакта 400 м²/г. Адсорбент обладает гидрофобными свойствами, и поэтому молекулы органических ве­ществ прочно удерживаются на нем под действием вандер-ваальсовых сил. Теплота адсорбции невелика, поэтому регенерация насадки (десорбция ор­ганических веществ) осуществляется при ее продувке воздухом, нагретым острым паром.

Для адсорбера характерны простота, надежность и безопасность работы. Предусмотрено регулирование температуры в двух точках в зависимости от режима работы аппарата. Средства автоматики размещены в отдельном герме­тизированном блоке и не зависят от сложной системы контроля и управления резервуаром.

Р ис. 3.48. Адсорбционная система УЛФ: 1 —резервуар с бензином; 2—дыхательный клапан; 3—газовая обвязка; 4 — адсорбер; 5 — регулятор давления типа «до себя»; 6 — холодильник; 7—конденсатосборник; 8—насос для откачки конденсата

Размеры адсорбера зависят от объема ГП резервуара. При точном объ­еме закачки, равном 190 м³, они составляют: диаметр —1,2 м, высота — 2,4 м. Масса адсорбера 907 кг, линейная скорость потока через насадку во вре­мя заполнения резервуара—0,35 м/мин, а во время опорожнения 0,17.

Однако из-за низкой пропускной способности и необходимости допол­нительных затрат на десорбцию адсорбционные системы улавливания паров нефтепродуктов не получили широкого применения ни практике.

Для извлечения паров бензина из смеси, вытесняемой в атмосферу при на­ливе цистерн, специалистами ВНИИУС [120] также предложен сорбционный метод с использованием в качестве адсорбента пористых полимеров. Установка сорбционной очистки рассчитана на улавливание углеводородов при расходе паровоздушной смеси, равном 1350 м³/ч. Ориентировочные характеристики сорбционной колонны таковы:

Диаметр, м	Высота, м	Масса сорбента, т	Продолжительность процесса, ч
			сорбции	регенерации	охлаждения
3,0	6,0	6,2	2,0	1,0	2,0

Десорбция поглощенных углеводородов производится паром при давле­нии 0,3 МПа. Пары бензина и воды при температуре не менее 105 °С выводятся из адсорбера в холодильник, где происходит конденсация основной части водя­ных паров. После отделения капельной влаги в сепараторе паровая фаза снова конденсируется в холодильнике и повторно сепарируется. Рекуперированный бензин насосом откачивается в цистерну или резервуар с товарным бензином.

138

139

По данным авторов, достигаемая степень очистки паровоздушной сме­си от углеводородов составляет 90 %. Однако для этого требуется достаточно сложное аппаратное оформление. Кроме того, необходимость периодического вывода колонны на регенерацию и охлаждение адсорбента обуславливает пот­ребность в увеличении их числа сверх расчетного, по крайней мере, в 1,5 раза.

Адсорбционная система УЛФ, разработанная фирмой «Hightron corporation» (США), отличается оригинальным способом регистрации ад­сорбента. Отключенный после насыщения адсорбента адсорбер подвергается вакуумированию с помощью вакуум-насоса. Отогнанная таким образом смесь газообразных углеводородов подается в адсорбер, где орошается бензином, отбираемым из резервуара. Фирма утверждает, что таким образом обеспечи­вается степень улавливания паров бензина равная 90...98 %, или около 2 л неф­тепродукта из 1м³ ПВС.

Наряду с адсорбционными получили распространение и абсорбционные системы УЛФ. Их принципиальная схема приведена на рис. 3.49. Она включает резервуар с бензином 1, снабженный дыхательным клапаном 2, который пос­редством газовой обвязки 3 связан с абсорбером 4. При повышении давления в ГП резервуара паровоздушная смесь поступает в нижнюю часть абсорбера и движется вверх по каналам, образованным в нем специальными насадками (кольца Ришига и т. п.). Навстречу ПВС, сверху вниз, движется абсорбент — низколетучий поглотитель (керосин, дизельное топливо и т. п.). Для этого аб­сорбент из емкости 5 забирается насосом 6 и распыляется через форсунки 7. На поверхности насадок образуется тонкая пленка абсорбента, которая пог­лощает углеводороды из ПВС. В абсорбере поддерживается противодавление с помощью регулятора давления 8 типа «до себя». Отработанный (насыщен­ный) абсорбент периодически сбрасывается в емкость 9 и проходит регенера­цию (на рисунке не показана).

Рис. 3.49. Абсорбционная система УЛФ: 1 —резервуар с бензином; 2—дыхательный клапан; 3— газовая обвязка; 4—абсорбер; 5—емкость для абсорбента; 6—насос; 7—форсунки; 8—регулятор давления типа «до себя»; 9—емкость для отработанного (насыщенного) абсорбента; 10—датчик давления

Дыхательный клапан 2 здесь и далее играет роль предохранительного. Степень отбора углеводородов абсорбентом из ПВС (степень улавливания) за­висит от соотношения расходов «жидкость-газ», а также линейной скорости фаз. При благоприятных условиях она составляет около 60%.

Вместе с тем, чтобы насос 6 не работал непрерывно, абсорбционная сис­тема УЛФ оснащается датчиком 10, который подает сигнал включения насоса при избыточном давлении в ГП около 1000 Па, а впоследствии отключает его. Достаточно сложной и энергоемкой является система регенерации абсорбента. Все это ведет к удорожанию рассматриваемой системы.

Конденсационные системы УЛФ

Принцип действия конденсационных систем основан на более высокой температуре конденсации паров углеводородов по сравнению с воздухом.

К конденсационным порой ошибочно относят системы, в которых предла­гается каким-либо образом охлаждать ПВС непосредственно в ГП резервуаров (например, в [85,87] предлагается впрыскивать в ГП сжиженные соответствен­но нейтральный газ или углекислоту). Но такие технические решения необхо­димо рассматривать как один из способов уменьшения температуры паровоз­душной смеси (и, соответственно, уменьшения концентрации углеводородов в ней), наряду с применением отражательно-тепловой изоляции или водяного орошения резервуаров.

Рис. 3.50. Конденсационные системы УЛФ:

а — одноступенчатая; б — двухступенчатая; 1 — резервуар с бензином; 2— дыхательный клапан; 3—газовая обвязка; 4,9—холодильники; 5—дат­чик давления; 6, 10—емкости; 7—насос; 8—ре­гулятор давления типа «до себя»

При одноступенчатой конденсации ПВС из резервуара 1 по газовой об­вязке 3 поступает в холодильник 4, который включается по сигналу датчика

В конденсационных системах УЛФ охлаждение ПВС осуществляется в одну или две ступени (рис. 3.50).

140

141

давления 5. Образующийся в результате охлаждения ПВС конденсат отделяет­ся в емкости 6 и насосом 7 закачивается обратно в резервуар, а воздух со следа­ми углеводородов сбрасывается в атмосферу через регулятор давления 8 типа «до себя».

ЦНИЛ Госкомнефтепродукта РСФСР была разработана и испытана [104] полупромышленная холодильная установка с поверхностным охладителем-конденсатором для конденсации паров бензина. Холодильная машина вклю­чает в себя аммиачный 2-цилиндровый компрессор, конденсатор, испаритель, насос для подачи хладагента, охладитель-конденсатор, емкость для сбора кон­денсата, насос для откачки конденсата.

В качестве хладагента используется раствор хлористого кальция с тем­пературой замерзания -35...-38 °С. Конденсация бензиновых паров из паро­воздушной смеси осуществляется в поверхностном охладителе-конденсаторе за счет охлаждения паровоздушной смеси хладагентом, протекающим по ореб-ренным трубкам. Выпадающий при охлаждении конденсат собирается в емкос­ти и по мере накопления откачивается насосом в резервуар. В его состав входят в основном гексаны и часть пентанов и бутанов. По составу и свойствам полу­чаемый конденсат соответствует газовому бензину с давлением насыщенных паров около 0,15 МПа.

В ряде изобретений, по-су-ществу, также предлагаются од­ноступенчатые конденсационные системы УЛФ, но конструктивно они оформлены иначе.

В [76] предлагается устанав­ливать теплообменное устройство непосредственно на кровле резер­вуара (рис. 3.51). Оно включает корпус 1, внутри которого имеет­ся система вертикальных каналов 2, форсунки 3 для распыливания воды, а также клапан давления 4. Работа устройства основана на том, что клапан 4 срабатывает при давлении, на 10... 15 % меньшем, чем дыхательный клапан резер­вуара. Паровоздушная смесь про­ходит через вертикальные каналы, „ ~_. _т ~

^{г L} Рис. 3.51. Теплообменное устройство: 1 —Kopnvc;

Охлаждаемые за счет естественно- ₂—вертикальные каналы; 3—форсунки; 4-клап'ан ГО перепада температуры между давления; 5—коллектор; 6—монтажный патрубок; Стенками корпуса И ОКружаЮЩИМ 7—кровля резервуара

воздухом. При температуре окружающей среды выше 20 °С используется сис­тема принудительного охлаждения ПВС. Для этого по коллектору 5 к форсун­кам 3 подается вода, которая распыляется в направлении стенок устройства. Выпадающий из ПВС конденсат стекает вниз.

Для повышения эффективности работы устройства автор конструкции предлагает разместить в нижней части некую насадку, материал которой при контакте с конденсатом набухает и образует развитую поглощающую поверх­ность.

Несмотря на очевидную простоту предложенного устройства, ясно, что оно не может обеспечить высокой степени улавливания углеводородов: пере­пад температур в нем весьма невелик, а время нахождения ПВС в устройстве при расходе 100 м³/ч не превышает 6 с.

В [88] предложено устанавливать на кровле резервуара устройство, в ка­мере которого смонтированы элементы для образования каналов, по которым проходит ПВС и хладагент. Причем эти элементы выполнены в виде наклон­ных и соединенных попарно пластин.

Авторами [90] предложена конструкция дыхательного клапана, состояще­го из двух установленных друг в друге корпусов, сообщенных с трубопрово­дами подвода паров и слива конденсата и образующих два независимо рабо­тающих контура конденсации. Во внутреннем корпусе расположена емкость с криогенным охладителем.

Согласно [93], конденсация паров бензина, вытесняемых из резервуа­ра, обеспечивается тем, что газоотводная система содержит впускной канал, образованный вертикально укрепленным на крыше резервуара П-образным трубопроводом для сообщения газового пространства с опускным каналом термоэлектрического охладителя-конденсатора. Обеспечению необходимого температурного режима способствует нанесение на устройство тепловой изо­ляции.

Резервуар для хранения нефтепродуктов в условиях жаркого клима­та, предложенный в [78], изображен на рис. 3.52. Он состоит из корпуса 1, на кровле которого установлены дыхательный 2 и предохранительный 3 кла­паны, а также огневой предохранитель 4 и теплообменное устройство 5, внут­ри которого находится испаритель холодильной установки. Вес дыхательного клапана, огневого предохранителя и теплообменного устройства воспринима­ет перфорированная в нижней части труба 6, которая одновременно служит для слива конденсата в хранящийся нефтепродукт. В нижней части резервуара расположена камера 7, в которую помещен конденсатор 8 холодильной уста­новки. С конденсатором соединены компрессор 9, снабженный фотодатчиком 10, переохладитель 11 и дроссель 12.

142

143

jjj/jj jjj мм in j/j мшШШШШМ WWJUniW

Рис. 3.52. Резервуар для хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов в условиях жарко­го климата: 1 —корпус резервуара; 2 — дыхательный клапан; 3—предохранительный клапан; 4—огневой предохранитель; 5—теплообменное устройство; 6—перфорированная в нижней час­ти труба; 7—камера; 8—конденсатор холодильной установки; 9—компрессор; 10—фотодатчик; 11—переохладитель; 12—дроссель

Система работает следующим образом. При попадании солнечных лучей на резервуар его корпус нагревается. При этом давление в ГП повышается, и в какой-то момент срабатывает дыхательный клапан 2. Одновременно в ре­зультате попадания солнечных лучей по сигналу фотодатчика 10 включается компрессор 9 холодильной установки.

Паровоздушная смесь, выходящая из-под кровли резервуара, охлаждает­ся испарителем в теплообменном устройстве 5, что приводит к конденсации паров нефтепродукта. Образовавшийся конденсат стекает по трубе 6 и через перфорацию поступает в донную часть резервуара. Обедненная ПВС после теплообменного устройства через огневой предохранитель 4 и дыхательный клапан 2 выходит в атмосферу.

Пары хладагента (фреона) из испарителя всасываются компрессором 9, сжимаются им и конденсируются в конденсаторе 8. Отсюда жидкий хладагент подается в переохладитель 11, где происходит рекуперация холода, и далее —

144

к дросселю 12, где при снижении давления происходит и понижение темпера­туры хладагента. Далее цикл повторяется.

Технико-экономические показатели рассмотренных конденсационных систем УЛФ их авторами не приводятся.

Одноступенчатое охлаждение ПВС не всегда обеспечивает необходимую степень улавливания углеводородов. Так, экспериментально установлено, что при охлаждении ПВС, насыщенной при 28 °С , до температуры -20 °С конден­сируется только 55...75 % содержащихся в ней углеводородов, а остальные 25...45 % проходят холодильную установку и теряются.

Поэтому наряду с одноступенчатым применяют двухступенчатое охлаж­дение паровоздушной смеси, вытесняемой из резервуаров. Принципиальная схема двухступенчатой конденсационной системы УЛФ (см. рис. 3.506), согласно заявке 37200259 ФРГ, отличается от одноступенчатой наличием до­полнительных холодильника 9 и емкости 10.

Двухступенчатым охлаждением решаются разные задачи. Так, в од­ном из патентов США на первой ступени ПВС охлаждается до температуры 0,5... 1,5 °С, что обеспечивает конденсацию имеющихся в ее составе водяных паров. Благодаря этому при более низких температурах, которые на второй сту­пени составляют -1 ...-7 °С, не происходит льдообразования. В то же время ука­занных умеренно низких температур, по мнению авторов патента, достаточно, чтобы сконденсировать основные углеводородные компоненты ПВС. Однако приведенные выше данные указывают на обратное.

В другом патенте США многоступенчатым охлаждением решают задачу фракционной конденсации паров нефтепродуктов.

Конденсационные системы УЛФ предложены также в работах [79-80,82,86].

Компрессионные системы УЛФ

Много публикаций в отечественной и зарубежной литературе посвяще­но компрессионным системам улавливания легких фракций. Сущность этих систем заключается в компримировании отобранной из емкостей парогазовой смеси с целью ее аккумулирования или реализации (в сжиженном или газооб­разном состоянии).

По способу компримирования эти системы делятся па эжекторные и ком­прессорные. Рабочей средой в эжекторах является жидкость (техническая вода, углеводороды и т. д.) или газ. Соответственно они называются жидкостно-га-зовыми (ЖГЭ) или газ-газовыми (ГГЭ) эжекторами. Компрессорные системы классифицируются по типу используемых компрессоров (поршневые, винто­вые, роторные, ротационные).

Принцип действия эжекторов заключается в частичной передаче кине­тической энергии от рабочего тела подсасываемому (эжектируемому) газу в камере смещения потоков и последующем восстановлении давления смеси

145

«рабочее тело—газ» в диффузоре. При использовании ГГЭ разделение смеси, как правило, не производят. Если же газ компремируется с помощью ЖГЭ, то полученная смесь разделяется в специальной емкости, а рабочая жидкость ис­пользуется вновь.

Сжатие паровоздушной смеси с помощью компрессоров опасно, т. к. это может привести к взрыву и пожару По этой причине на рис. 3.53,3.54 показаны принципиальные схемы компрессорных систем УЛФ, в которых исключается попадание воздуха в ГП резервуаров при снижении давления в нем.

Рис. 3.53. Компрессорная система УЛФ разомкнутого типа (с подпиткой углеводородным га­зом): 1—резервуар с нефтью (нефтепродуктом); 2—дыхательный клапан; 3—газовая обвязка; 4—датчик вакуума; 5—датчик давления; 6—регулятор давления типа «после себя»; 7, 9—отсеч­ные клапаны; 8—газопровод; 10—компрессор; 11 — емкость; 12—регулятор давления типа «до себя»; 13—насос

Рис. 3.54.Компрессорная система УЛФ института «Башнефтепроект»: 1 —резервуар; 2—газ­гольдер; 3—балансирный механизм; 4, 7—отсечные клапаны; 5—турбогазодувка; 6—подводя­щий газопровод промысловой компрессорной станции; 8—напорный газопровод

146

В первом случае (рис. 3.53) это достигается тем, что в ГП подается угле­водородный газ из специального газопровода 8. При создании в ГП вакуума около 100 Па по сигналу датчика вакуума 4 открывается клапан 7 и через ре­гулятор давления 6 типа «после себя» углеводородный газ поступает в резер­вуар 1. Подача газа прекращается при повышении давления до атмосферного по сигналу того же датчика закрытием клапана 7.

При повышении избыточного давления в ГП резервуара 1 до 1000 Па по сигналу датчика давления 5 открывается клапан 9 и включается компрес­сор 10. При сжатии часть углеводородов из газовой смеси конденсируется. Конденсат отделяется в емкости 11 и затем возвращается в резервуар 1 насо­сом 13. Несконденсировавшиеся углеводороды через регулятор давления 12 типа «до себя» подаются в газопровод 8.

По аналогичной схеме выполнена система улавливания легких фракций, предложенная фирмой «Philips petroleum» [125].

Подобные системы УЛФ применяются на нефтяных промыслах, где всегда имеются газопроводы для транспортировки попутного нефтяного газа. В связи с тем что углеводородный газ, откачиваемый из резервуара в газопровод, назад не возвращается, система, схема которой приведена на рис. 3.53, называется компрессорной системой УЛФ разомкнутого типа.

Примером подобной системы является автоматизированная система герметизации резервуарных парков промыслов, предложенная в институ­те «Башнефтепроект» [94], рассчитанная на использование турбогазодувок (рис. 3.54). В зависимости от давления в ГП легкие фракции нефти переходят из резервуара в резервуар или по трубопроводу газоуравнительной системы в «мягкий» газгольдер 2. При наполнении газгольдера поднимается его верхняя часть, шарнирно связанная с балансирным механизмом 3. При определенном положении балансирного механизма открывается клапан 4 отбора газа из газ­гольдера и газ поступает на прием турбогазодувки 5. Турбогазодувка компри-мирует газ и подает его в газовую сеть промысловой компрессорной станции по газопроводу 6. При создании расположения в ГП резервуаров в них под из­быточным давлением 200 Па поступает газ из «мягкого» газгольдера, верхняя часть газгольдера и связанный с ним балансириый механизм опускаются. Если запасов газа в газгольдере недостаточно, то открывается клапан 7 выпуска газа из напорного газопровода 8 или концевой сепарациошюй установки в «мяг­кий» газгольдер. Пуск турбогазодувки производится автоматически с одновре­менным открытием клапана 4 при помощи сигнального устройства, установ­ленного на балансирном механизме. Газгольдер рассчитан на максимальное избыточное давление 2000 Па.

По подобной схеме в настоящее время реализуются системы УЛФ, внед­ряемые на нефтепромыслах России (в Башкортостане, Татарстане и т. д.).

147

Принципиальная схема компрессорной системы УЛФ замкнутого типа приведена на рис. 3.55. Она менее сложна и включает меньшее число эле­ментов. В ней для заполнения ГП резервуара 1 при снижении давления в нем используется частично сжатый, частично сконденсированный углеводород­ный газ из емкости 10. Работает система так: датчик вакуума 4 подает сигнал на открытие отсечного клапана 7, и через регулятор давления 12 типа «после себя» в ГП резервуара 1 перепускается содержимое емкости 10.

Рис. 3.55. Компрессорная система УЛФ замкнутого типа: 1 —резервуар с бензином; 2 — ды­хательный клапан; 3 — газовая обвязка; 4—датчик вакуума; 5 — датчик давления; 6, 7 — отсеч­ные клапаны; 8—компрессор; 9—насос; 10—емкость; 11—регулятор давления типа «до себя»; 12—регулятор давления типа «после себя»

Данная схема лежит в основе изобретения, описанного в [73].

Применение компрессорных систем УЛФ целесообразно при больших расходах паровоздушной смеси. КПД компрессоров и развиваемое ими дав­ление достаточно высоки. Вместе с тем применение поршневых компрессоров требует значительных капитальных затрат, а винтовые компрессоры не всегда имеют достаточную эксплуатационную надежность. Кроме того, в компрессор­ных системах УЛФ компримироваиие паров приводит к повышению их темпе­ратуры, что требует обязательного охлаждения паров с целью обеспечения кон­денсации углеводородов. Для обеспечения безопасной работы компрессоров необходимо предотвратить попадание воздуха в ГП резервуаров. Охлаждение паров и создание их запасов для последующего заполнения ГП требуют допол­нительных затрат.

\ В силу перечисленных причин большое распространение получили эжек-торные системы УЛФ [75, 91, 108]. Достоинствами эжекторных установок являются простота, надежность, недефицитность комплектующих узлов. Их обслуживание не требует дополнительного персонала.

Принципиальные схемы предложенных эжекторных систем УЛФ приве­дены на рис. 3.56. На рис. 3.56а показана схема компримирования ПВС с ис­пользованием в качестве рабочей жидкости самого легкоиспаряющегося нефте-

148

продукта. При повышении избыточного давления в ГП резервуара 1 до 1000 Па по сигналу датчика давления 4 включается насос 5, который подает рабочую жидкость (бензин) в жидкостно-газовый эжектор 5. ЖГЭ отсасывает избыток ПВС из ГП резервуара 1, смешивает ее с рабочей жидкостью и компримирует. В результате часть углеводородов из ПВС растворяется в рабочей жидкости. Доля поглощенных углеводородов зависит от давления и температуры.

в)

Рис. 3.56. Эжекторные системы УЛФ: а—компримирование ПВС легкоиспаряющимся нефте­продуктом; б—компримирование ПВС низколетучим нефтепродуктом

Разделение полученной газожидкостной смеси производится в емкости 7. После этого воздух со следами углеводородов через регулятор давления 8 типа «до себя» сбрасывается в атмосферу, а жидкая фаза повторно используется в качестве рабочей жидкости, закачивается в резервуар 1 или в трубопровод (на схеме не показан).

149

В качестве примера подобной системы на рис. 3.57 приведена схема эжек-торной системы УЛФ, разработанной проф. А. А. Коршаком [109].

Рис. 3.57. Технологическая схема эжекторной системы УЛФ: 1-4—резервуары с бензином; 5—дыхательный клапан; 6—предохранительный клапан; 7—подводящий трубопровод; 8—отво­дящий трубопровод; 9—газовая обвязка; 10—газовый смеситель; 11—датчик давления; 12—под­водящий газопровод; 13 — отсечный клапан; 14—насос; 15—клапан-отсекатель; 16—жидкост-но-газовый эжектор; 17—трубопровод; 18—диспергатор; 19—секция укрупнения пузырьков; 20—трубный сепаратор; 21,22—регулятор давления типа «до себя»

Система работает следующим образом. При закачке бензина в резервуары и повышении избыточного давления в их газовом пространстве свыше 900 Па по сигналу датчика давления 11 открывается отсечный клапан 13 и включается насос 14. При прохождении бензина через эжектор 16 происходит отсасывание паровоздушной смеси из газового смесителя. Для обеспечения эмульсионной структуры газожидкостной смеси на трубопроводе 17 установлен диспергатор 18. Вследствие дробления пузырьков в нем, поверхность массообмена увели­чивается и создаются благоприятные условия для растворения углеводородных компонентов паровоздушной смеси в бензине. Эмульсионную структуру по­тока можно обеспечить и без диспергаторов, подбирая соответствующий диа­метр трубопровода 17. Длина данного трубопровода должна быть достаточной для абсорбции бензином углеводородов из смеси, вытесненной из резервуаров. Последовательно с трубопроводом 17 соединены секция укрупнения пузырь­ков 19 и трубный сепаратор 20. Секция 19 служит для гидродинамического укрупнения пузырьков воздуха, а сепаратор - для их отделения от бензина. Воздух из трубного сепаратора через регулятор давления типа «до себя» 21 по газопроводу подается на свечу рассеивания. А бензин проходит аналогич­ный регулятор 22 и далее, если магистральный нефтепродуктопровод простаи­вает, закачивается в подводящий трубопровод 7 и затем—в резервуары 1 ...4, Если магистральный нефтепродуктопровод работает, то насыщенный легкими фракциями бензин подается в отводящий трубопровод 8, по нему—на прием

150

подпорных насосов, а затем в основные насосы и далее — в магистральный нефтепродуктопровод. При создании вакуума в газовом пространстве резер­вуаров более 100 Па по сигналу датчика И насос 14 отключается и отсечный клапан 13 закрывается. Одновременно закрывается клапан-отсекатель 15, бла­годаря которому эжектор всегда заполнен бензином. При дальнейшем падении давления срабатывают дыхательные клапаны 5 и газовое пространство запол­няется атмосферным воздухом.

На рис. 3.566 показана эжекторная система УЛФ, в которой в качестве рабочей жидкости используется низколетучий нефтепродукт, хранящийся в емкости 9. Работа ее отличается от предыдущей тем, что давление на выходе из ЖГЭ близко к атмосферному, поскольку бензиновые пары хорошо растворя­ются в низколетучих нефтепродуктах. Соответственно, значительно меньши­ми являются энергозатраты.

По данным [124] при использовании в качестве рабочей жидкости кероси­на и дизельного топлива достигается степень улавливания бензиновых паров равная 96...98 %. На наш взгляд, эти цифры завышены, так как процесс погло­щения углеводородов из паровоздушной смеси достаточно продолжителен.

Низколетучий нефтепродукт, используемый в качестве рабочей жидкости, периодически должен подвергаться регенерации. Блок регенерации, который на рисунке не показан, требует достаточно больших капиталовложений и экс­плуатационных расходов.

На рис. 3.56в представлена схема эжекторной системы УЛФ, работаю­щей автоматически при каждом заполнении резервуара 1. Согласно ей ЖГЭ 6 устанавливается на подводящем трубопроводе 10 и соединяется с ГП резер­вуара посредством газовой обвязки 3. Поэтому при каждой закачке бензина в резервуар вытесняемая ПВС поступает в эжектор. В нем она диспергируется смешивается с закачиваемым бензином и компримируется, в результате чего часть бензиновых паров возвращается в жидкость. Нерастворившиися воздух с остатками паров (бедная ПВС) отделяется от бензина во встроенном сепара­торе 11 и через дополнительный дыхательный клапан 12 удаляется в атмосферу, а бензин через перфорацию в нижней части 11 поступает в придонную часть резервуара.

Примером реализации данной схемы является эжекторная система УЛФ, описанная в [77], схема которой представлена па рис. 3.58а. В нее входят резер­вуар 1 со встроенным сепаратором 2; газовая обвязка 3; трубопровод подачи нефтепродуктов 4; ЖГЭ 5, вход которого соединен с газовым трубопроводом 3, а выход—через байпасный трубопровод 6 с переходным устройством 7, уста­новленным на сепараторе 2; дыхательный клапан 8, предусмотренный для ава­рийных ситуаций. Для предотвращения попадания во встроенный сепаратор 2 атмосферных осадков на нем установлен козырек 9.

151

13

12

А-А

Б-Б

Рис. 3.58. Принципиальная схема эжекторной системы УЛФ со встроенным сепаратором:

1—резервуар; 2—встроенный сепаратор; 3—газовая обвязка; 4—подводящий трубопровод; 5 — жидкостно-газовый эжектор; 6—байпасный трубопровод; 7—переходное устройство; 8—дыха­тельный клапан; 9—козырек; 10—коллектор; 11—отверстия; 12 — обтекатель; 13—пластины; 14—конус; 15—цилиндрическая вставка

Установка работает следующим образом. При заполнении резервуара по трубопроводу 4 нефтепродуктом часть его проходит по байпасному трубопро­воду через эжектор, в результате чего в газовом трубопроводе создается раз-

ряжение и пары нефтепродукта вместе с воздухом из газового пространства резервуара отсасываются на вход эжектора. Давление в газовом пространстве резервуара падает, и тем самым исключается срабатывание дыхательного кла­пана 8, а следовательно, выброс углеводородов в атмосферу.

В эжекторе горючие пары и воздух смешиваются с поступающим холод­ным нефтепродуктом. При этом воздух частично растворяется в нефтепро­дукте, а основная часть паров конденсируется. Несконденсировавшиеся пары и нерастворившийся воздух образуют с нефтепродуктом газожидкостную смесь, которая поступает в переходное устройство 7 (рис. 3.586,3.58в), коллек­тор 10, установленный на встроенном сепараторе 2, в стенках которого выпол­нены отверстия 11, направленные по касательной и внутренней окружности трубы и обеспечивающие вращение газожидкостного потока. По оси трубы установлен обтекатель 12, крепящийся в ней пластинами 13, предотвращаю­щий проникновение газовой фазы в основную массу жидкости. Он состоит из конусов 14, вершины которых направлены в противоположные стороны (верх­няя расположена в плоскости расположения отверстий 11). Основания конусов соединяются цилиндрической вставкой 15.

Из коллектора переходного устройства смесь через отверстия 11 поступа­ет в вертикальную трубу. Центробежные силы направляют газовую фазу по оси вертикальной трубы, а массовые силы поднимают ее по этой трубе. Обтекатель предотвращает проникновение газов в нижнюю часть вертикальной трубы и их унос жидкостью в основную массу нефтепродукта. Несконденсировавшиеся пары, поднимаясь по вертикальной трубе, вступают в контакт с нефтепродук­том и из-за разности температур верхних и нижних слоев нефтепродукта, дохо­дящей до 15 °С, конденсируются. Кроме того, при вращении потока в газовую фазу выделяется воздух, который по вытяжной трубе удаляется в атмосферу. Недостаток системы—уменьшение полезного объема резервуара.

Комбинированные системы УЛФ

Описанные выше системы УЛФ не всегда обеспечивают необходимое со­кращение паров углеводородов в атмосферу. Поэтому во многих изобретениях предполагается совмещать сразу несколько способов улавливания паров.

На рис. 3.59 показана принципиальная схема коиденсационно-адсорб-ционной системы УЛФ, предложенной в [83, 103]. Согласно [103], ПВС, вы­тесняемая из резервуара, в холодильнике 4 подвергается охлаждению при температуре от -10 до -50 °С. При этом происходит конденсация части угле­водородов, которые отделяются в емкости 5 и насосом 6 возвращаются в ре­зервуар 1. Далее воздух с остатками несконденсировавшихся паров поступает в адсорбер 7, где проходит доочистку. Затем воздух со следами углеводородов через регулятор давления 8 типа «до себя» сбрасывается в атмосферу.

152

153

_ч

Рис. 3.59. Конденсационно-адсорбционная система УЛФ: 1—резервуар с бензином; 2—ды­хательный клапан; 3—газовая обвязка; 4—холодильник; 5 — емкость; 6—насос; 7 — адсорбер; 8—регулятор давления типа «до себя»

В [83] температура конденсации углеводородов в холодильнике 4 не ого­варивается, однако конкретизируется способ охлаждения ПВС: для этой цели предлагается использовать холодные спаи плоской батареи термоэлементов, соединенной с источником постоянного тока.

На рис. 3.60 приведена принципиальная схема конденсационно-абсорб-ционной системы УЛФ. Она отличается от обычной абсорбционной системы УЛФ тем, что в ней в качестве абсорбента используется бензин, для чего его предварительно охлаждают в холодильнике 8 (чтобы понизить упругость паров бензина).

А

Рис. 3.60. Конденсационно-абсор-бционная система УЛФ: 1—ре­зервуар с бензином; 2 — дыхатель­ный клапан; 3 — газовая обвязка; 4 — датчик давления; 5 — отсечные клапаны; 6 — абсорбер; 7, 10—на­сосы; 8—холодильник; 9—регуля­тор давления типа «до себя»

40

Примером реализации данной системы УЛФ является установка, испы­танная в ЦНИЛ Госкомнефтепродукта РСФСР [104]. Паровоздушная смесь из резервуара 1 поступала в абсорбер 6 с насадкой из керамических колец Рашига размером 50 х 50 х 25 мм. На насадке происходила сорбция бензиновых паров охлажденным бензином и их частичная конденсация.

Исследования проводились при начальных температурах абсорбента от -5 до -15 °С, давлениях от 0,12 до 0,2 МПа, соотношениях объемов ПВС и бензина от 4 до 80. Установлено, что наибольшая конденсация бензиновых паров (73...90 %) обеспечивается при температуре процесса -10 °С, избыточ-

154

ном давлении 0,17...0,18 МПа и соотношении фаз, равном 50...70. По данным авторов, срок окупаемости установки составляет 2...3 года.

' Система, предложенная в [84], хотя в основном и совпадает с изображен­ной на рис. 3.58, отличается от нее тем, что бензин, поступающий в холодиль­ник 8, отбирается непосредственно из приемной линии резервуара 1 в момент его заполнения. По этой причине необходимости в датчике давления 4 и насосе

7 нет. Недостатком системы является то, что она не сокращает выбросы паров бензина от «малых дыханий».

Варианты принципиальных схем конденсационно-компрессорных систем УЛФ, в которых совмещаются компримирование газовой смеси и ее охлажде­ние, приведены на рис. 3.61. В первом случае (рис. 3.61а) схема, изображен­ная на рис. 3.55, с целью интенсификации конденсатообразования дополнена теплообменником (встроенным в емкость 10), в который поступает хладагент из холодильника 12 [92]. Во втором случае (рис. 3.616) компримирование вы­полняется в две ступени с промежуточным отбором конденсата в емкости 10 и охлаждением газовой смеси после второй ступени сжатия в холодильнике 12.

8 результате подобной обработки большая часть газообразных углеводородов конденсируется. Для сбора конденсата служат емкости 10, 15. Чтобы обеспе­ чить возможность заполнения ГП резервуара при снижении давления в нем углеводородным газом, емкость 15 снабжена подогревателем, который обеспе­ чивает быстрое испарение конденсата.

Рис. 3.61. Конденсационно-компрессорные системы УЛФ: а—-с охлаждением сжатой газовой смеси; б—то же с двухступенчатым сжатием; 1 —резервуар с бензином; 2—дыхательный клапан; 3—газовая обвязка; 4—датчик вакуума; 5—датчик давления; 6, 7 — отсечные клапаны; 8—ком­прессор; 9—насос; 10, 15—емкость; 11—регулятор давления типа «до себя»; 12—холодильник; 13—регулятор давления типа «после себя»; 14—подогреватель; 15—емкость для конденсата

155

от паров бензина. По данным [127], эта система УЛФ обеспечивает просто фан­тастическую степень улавливания углеводородов, равную 99,98 %.

13

П ринципиальные схемы конденсационно-эжекторных систем УЛФ, в которых компримирование ПВС осуществляется эжектором, приведены на рис. 3.62. Их можно разделить на три группы: с холодильником на выходе ЖГЭ [81], с холодильником на входе в ЖГЭ [72] и с распылением легкоиспа-ряющегося нефтепродукта (бензина) в ГП резервуара. В двух первых схемах (рис. 3.62а, 3.606) охлаждение бензина, используемого в качестве рабочей жид­кости, позволяет увеличить количество растворившихся в нем углеводородных компонентов ПВС. Место расположения холодильника значения не имеет— результат одинаков.

в)

Рис. 3.62. Конденсационно-эжекторные системы УЛФ: а—с холодильником на выходе ЖГЭ; б — с холодильником на выходе ЖГЭ; в — с распылением легко-испаряющегося нефтепродукта в ГП ре­зервуара

Подобная система УЛФ предложена, в частности, в [74], где роль холо­дильника играет емкость, заглубленная в грунт.

Отличительной особенностью системы УЛФ (рис. 3.62в), является то, что часть бензина распыляется в ГП резервуара с целью уменьшения температуры в нем. Подобные конструкции описаны в работах [72, 89,109].

В заключение приведем принципиальную схему абсорбционно-адсорб-ционной системы УЛФ (рис. 3.63), описанной в [127]. Она предусматривает последовательное прохождение ПВС, вытесняемой из резервуара 1, через аб­сорберы 5, 8 и адсорбер 10. Система работает следующим образом. При дости­жении в ГП резервуара 1 расчетного давления по сигналу датчика 4 включается насос 6, который подает к форсункам абсорбера 5 бензин, охлажденный до тем­пературы 0 °С. В процессе противоточного движения с ПВС бензин частично отбирает пары углеводородов из нее и возвращается в емкость 7, а обедненная ПВС поступает в абсорбер 8. Здесь она промывается бензином, охлажденным до температуры -40 °С (что приближает упругость его паров к упругости па­ров керосина и дизтоплива при стандартных условиях). После второго этапа отделения паров бензина углеводородами ПВС поступает в адсорбер 10, запол­ненный, например, активированным углем, где она окончательно очищается

Рис. 3.63. Абсорбционно-адсорбционная система УЛФ: 1—резервуар с бензином; 2—дыхатель­ный клапан; 3—газовая обвязка; 4—датчик давления; 5—абсорбер первой ступени; 6,13—насос; 7,12—емкость; 8—абсорбер второй ступени; 9,11,14—холодильники; 10—адсорбер; 15—регу­лятор давления типа «до себя»

Классификация систем УЛФ

Выполненный краткий обзор существующих систем улавливания легких фракций позволил предложить следующую их классификацию [107]. Системы УЛФ, применяемые в нефтепродуктообеспечении, могут быть разделены (рис. 3.64):

• по характеру работы;

• по виду «защитного газа»;

• по методу отделения углеводородов;

• по методу аккумулирования или реализации парогазовой смеси.

По характеру работы системы УЛФ бывают разомкнутого и замкнуто­го типов. В первом случае парогазовая смесь, отобранная из ГП резервуаров, не возвращается в него при последующем создании разряжения. В системах же замкнутого типа уловленные углеводороды частично используются для исклю­чения подсасывания воздуха в резервуары.

По виду «защитного газа» системы УЛФ различаются тем, что в одних из них допускается подсасывание воздуха, в других же —не допускается. В компрессорных системах ГП заполняется метаном из газопровода (СУЛФ разомкнутого типа) или пропан-бутановой смесью сначала из баллонов, а за­тем из газгольдера высокого давления (СУЛФ замкнутого типа).

В компрессорных системах замкнутого типа для заполнения ГП резервуа­ров используются также инертные газы (азот, СО₂ и дымовые). Отсутствие кис­лорода в ГП позволяет при последующем повышении давления в нем безбояз­ненно компримировать газовую смесь.

156

157

к

i

e a

u

ащ

I I

. 1

3

₁

о

tfoaoduosBJ

Я BMhBMB£

В ЯИ1Ш0Х MBM

в иих ojoxXhmwocbj

K irtigdoogv

Ю ЭИНЭШКВНХО

щ <шнва

м эинва dMWHduw

KHtlB0H9tfHO}[

Q HhOldOJ

x Atfeog

вюэч.до

OJOHHKOJLOO|J[

н иснэд

B HtfQ

_i

a.

24

Для аккумулирования и реализации парогазовой смеси используют ее хранение в газосборниках постоянного или переменного объема, закачку в га­зопровод для подачи потребителям и сжигание в качестве топлива.

По методу отделения углеводородов от парогазовой смеси различают адсорбционные, абсорбционные, компрессионные, конденсационные и ком­ бинированные системы. В адсорбционных СУЛФ в качестве поглотителя уг­ леводородной части ПВС используются уголь, полимеры и другие адсорбенты. В абсорбционных системах УЛФ для поглощения углеводородов используются бензин (под давлением или охлажденный), а также низколетучие нефтепродук­ ты (керосин, дизтопливо и т. п.). В компрессионных СУЛФ сжатие газовой сме­ си производится компрессорами или жидкостно-газовыми эжекторами, а в кон­ денсационных—применяют одно- или двухступенчатое охлаждение. Наконец, имеется большое количество систем УЛФ, где используется сразу несколько методов отделения углеводородов. г И

Вопрос о выборе той или иной системы УЛФ должен решаться в каждом конкретном случае. Определенное представление о технических показате­лях альтернативных систем дает исследование, выполненное авторами [113]. Ими предложено одиннадцать вариантов функционально-структурных схем установок отбора и компримирования легких фракций из резервуаров на ос­нове отечественных компрессорных машин и насосно-эжекторных установок. Базовыми для них являются схемы (рис. 3.65).

В варианте (а) предусматривается отбор и компримирование газа винто­вым компрессором 7ВКГ 25/5 А до 9,5 МПа. Углеводородный газ из резервуара 1 через огневой предохранитель 19 по газопроводу поступает в конденсатосбор­ник 2, где происходит отделение образовавшихся жидких компонентов газа. Частично осушенный газ направляется через фильтр 9 на прием компрессора 4. Далее сжатый газ поступает в маслоотделитель 5, откуда отсепарированное от газа масло по маслопроводу через холодильник 6 возвращается обратно в сис­тему смазки компрессора. Очищенный же газ проходит через холодильник 16, сепаратор газа 7 (где отделяются сжижившиеся компоненты) и подается по на­порному газопроводу на ГПЗ. Жидкие углеводороды из конденсатосборника 2 и сепаратора 7 откачиваются насосами 8 потребителям. Система автомати­ческого регулирования предусматривает возможность перепуска газа с нагне­тательной линии компрессора во всасывающую при падении давления в ГП

ниже 400 Па.

В варианте (б) предусмотрен отбор и транспортирование уловленного газа газодувкой 10 марки 2ГД12/2, создающей давление до 0,25 МПа.

В варианте (в) предусмотрено компримирование газа с помощью ЖГЭ 11. Рабочая жидкость (например, техническая вода) подается в ЖГЭ насосом 13 из сепаратора 12 через холодильник. Газоводяная смесь в сепараторе 12 разде-

158

159

Рис. 3.65. Варианты функционально-структурных схем систем УЛФ для промысловых ре­зервуаров: 1—резервуар; 2—конденсатосборник; 3—сепаратор-газоразделитель; 4—компрес­сор 7 ВКГ 25/5А; 5 — маслоотделитель; 6, 16 — холодильник; 7, 12, 15 — сепаратор; 8 — насос для откачки конденсата; 9 — фильтр; 10—газодувка 2ГД12/2; 11 —жидкостно-газовый эжектор; 13—насос ЦНС300-400; 14—насос-компрессор 15ВК; 17—сигнализатор напора; 18—дыхатель­ный клапан; 19—огневой предохранитель; 20—регулятор давления типа «до себя»

насосом-компрессором направляется в сепаратор, откуда скомпримированный газ поступает в напорный газопровод, а нефть идет на охлаждение и смазку.

Поскольку аппаратурное оформление рассмотренных схем отличается не­значительно, авторы [113] предлагают оценивать их эффективность на основе сравнения характеристик компрессорных и эжекторных установок, приведен­ных в табл. 3.22.

Таблица 3.22—Технические характеристики установок для компримирования газа

Основные показатели	Компрессорные установки				Насосно-эжекторные установки
	винтовые		роторные	ротационные
	7ВКТ 25/5А	15ВК	2ГД 12/2	1Г32
Давление на всасывании, МГТа	0,08	0,07	0,08	0,05	0,07
Производительность, м3/мин	25	16	16	21	27
Масса установки, т	27,40	2,7	2,75	2,74	56,61
Удельная металлоемкость, кг/м3мин-МПа	2190	340	690	3820	4190
Удельная мощность, кВт ■ мин/м3 • МПа	37,0	12,5	13,7	34,0	46,0

Данные табл. 3.22 позволяют сделать вывод о том, что наилучшие технико-экономические показатели имеют компрессоры 15ВК и 2ГД12/2. Также мож­но отметить, что при наличии источников высоконапорного газа эффективной становится система УЛФ с использованием газ-газовых эжекторов.