Тема № 4. Подготовка газа

Вопрос № 1. Общие сведения.

Существует следующая классификация углеводородных газов:

1. природные;

2. попутные;

3. техногенные.

Природные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы из газовых месторождений;

2. газы из газоконденсатных месторождений;

3. газы из газогидратных месторождений.

Попутные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы начальных ступеней сепарации;

2. газы средних ступеней сепарации;

3. газы конечных ступеней сепарации.

Техногенные углеводородные газы в свою очередь подразделяются на:

1. газы нефтепереработки и нефтехимии;

2. газы углепереработки;

3. газы остальных технологических процессов.

Природные углеводородные газы из чисто газовых месторождений до 99 % об.состоят из метана и называются сухим (или тощим) газом, т.е. содержащим тяжелых углеводородов начиная с пропана < 150 г/м³ при ст.усл

Газы из газоконденсатных и газогидратных месторождений относятся либо к газам средней жирности (содержание С_3+высш от 150 300 г/м³ при ст.усл.), либо к жирным (богатым) газам (содержание С_3+высш > 300 г/м³ при ст.усл.).

Все попутные газы характеризуются повышенным (по сравнению с природными) содержанием тяжелых компонентов, относительная доля которых возрастает от начальных к конечным ступеням сепарации. И природные и попутные газы представлены только предельными (парафиновыми) компонентами.

Рассмотрение техногенных газов выходит за рамки нашего курса.

Помимо углеводородной составляющей (в том числе и жидко – капельной) и природные и попутные газы могут содержать азот, углекислый газ, сероводород, COS, CS₂, меркаптаны, тиофены, благородные газы, а также пары воды и механическую пыль (включая продукты коррозии и соли).

Существуют следующие пути утилизации углеводородных газов:

1. сжигание в факелах;

2. Использование для целей ППД, повышения конечного коэффициента нефтеизвлечения, доразработки нефтяных месторождений;

3. Создание подземных газовых хранилищ;

4. Откачка потребителям в качестве энергоносителя или технологического сырья.

Сжиганию в факелах в основном подвергается газ на начальных этапах разработки месторождений или при отсутствии потребителей, или, наконец, при отсутствии соответствующих трубопроводов и технологических мощностей по подготовке газа к транспортированию.

В настоящее время на долю попутного газа приходится примерно 30 % об.от его общего производства, причём, в факелах сжигается более 25 % от этого количества.

Использование углеводородов для технологических целей и создания подземных газовых хранилищ широкого распространения не получило.

Поэтому, основным путём утилизации газа является его откачка в качестве энергоносителя или технологического сырья потребителям среди которых первое место принадлежит газоперерабатывающим заводам (ГПЗ). При этом:

1. Если поставка газа осуществляется по магистральным газопроводам, то его качество регламентируется отраслевым стандартом ОСТ 51. 40 – 93 в соответствии с которым транспортируемый газ должен удовлетворять следующим требованиям, изложенным в табл.8.

Допускается поставка в отдельные трубопроводы газа с более высоким содержанием сероводорода и меркаптанов по согласованным в установленном порядке техническим условиям. Климатические районы определяются по ГОСТ 16350.

Для месторождений, введённых в эксплуатацию до 1983 г. показатели точки росы по влаге и углеводородам устанавливаются в технических условиях, разрабатываемых Генеральным Проектантом (ГП) и согласованных с РАО «Газпром».

Для газов, в которых содержание углеводородов С_5+высш  1 г/м³ ст.усл. точка росы по углеводородам не нормируется.

2. Если газ в незначительном количестве примешивается к уже существующему магистральному газопроводу, или поставляется конкретному потребителю по тупиковому трубопроводу, то требования к качеству газа устанавливаются в договорах между поставщиком и потребителем, исходя из конкретных условий.

3. Если газ поставляется непосредственно на ГПЗ без закачки в магистральные трубопроводы, то добывающая организация обычно подготавливает газ только исходя из условий обеспечения его доставки на завод. где

его качество и доводится до кондиции, соответствующей требованиям газотранспортных организаций.

Табл.8.

Требования к физико – химическим показателям углеводородных газов, предназначенных к

Магистральному транспорту.

№ п.п.	Наименование показателей	Значение для климатических районов						Метод испытания
		Умеренный		Холодный
		01.05-30.09	01.10-30.04		01.05-30.09	01.10-30.04
1. 2.	Точка росы газа по влаге, 0С, не выше Точка росы газа по углеводородам, 0С, не выше	-3 0	-5 0		-10 -5	-20 -10			по ГОСТ 20060 по ГОСТ 20061
3.	Температура газа, 0С	Температура газа на входе и в трубопр.устанавливается проектом
4. 5. 6. 7. 8.	Масса H2S, г/м3, ст.усл., не более Масса меркаптановой серы, г/м3, ст.усл., не более Объёмная доля кислорода, %, не более Теплота сгорания, низшая, МДж/м3 ст.усл., не менее Масса механических примесей и труднолетучих жидкостей.	0,007 0,016 0,5 32,5	0,007 0,016 0,5 32,5		0,007 0,016 1,0 32,5	0,007 0,016 1,0 32,5			по ГОСТ 223. 87.2 по ГОСТ 22387.2 по ГОСТ 23781 по ГОСТ 22667
		Условия оговариваются в соглашениях на поставку газа

3. Наконец, если газ подаётся непосредственно коммунально – бытовым потребителям, его качество регламентируется ГОСТ 5542 – 87 в соответствии с которым транспортируемый газ должен удовлетворять следующим требованиям (Табл.9.):

Табл.9.

Требования к физико – химическим показателям углеводородных газов, предназначенных для коммунально – бытовых потребителей

№ п.п.	Наименование показателей	Норма	Метод испытания
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.	Теплота сгорания низшая (число Воббе), МДж/м3, ст. усл., не менее Область значений число Воббе высшая, МДж/м3, ст. усл. Допустимое отклонение числа Воббе от номинального значения, %, не более Массовая концентрация H2S г/м3, не более, ст.усл. Массовая концентрация меркаптановой серы, г/м3, ст.усл., не более Объёмная доля кислорода, % не более Масса мех.примесей в 1 м3 газа ст.усл. (г), не более Интенсивность запаха газа при объёмной доле 1 % в воздухе, не менее	31,8 41,2 – 54,5 5 0,02 0,036 1,0 0,001 3	ГОСТ 27193 – 86 ГОСТ 22667 – 82 ГОСТ 10062 – 75 ГОСТ 22667 – 82 - ГОСТ 22387.2 – 83 ГОСТ 22387.2 – 83 ГОСТ 22387.3 – 77 ГОСТ 23781 – 83 ГОСТ 22387 – 77 ГОСТ 22387.5 – 77

По согласованию с потребителем допускается подача газа по отдельным газопроводам и с более высоким содержанием сероводорода и меркаптановой серы.

Точка росы по влаге в пункте сдачи должна быть ниже температуры газа.

Наличие в газе жидкой воды и углеводородов не допускается.

Поскольку ни один добываемый газ, как правило, не соответствует всем изложенным выше требованиям, добывающие организации вынуждены заниматься доведением газа до требуемых кондиций.

Подготовка углеводородного газа сводится к следующим нескольким процессам:

1. Очистка газа от механических примесей;

2. Осушка газа;

3. Очистка газа от агрессивных примесей;

4. Отбензинивание газа;

5. Одоризация газа;

6. Извлечение из газа особо ценных компонентов.

Вопрос № 2. Очистка газа от механических примесей.

Под механическими примесями в газе понимают аэрозольные системы с газовой дисперсионной средой и твёрдой дисперсной фазой.

Дисперсная фаза может быть охарактеризована концентрацией, дисперсностью, характером распределения частиц по радиусу и соответствующей плотностью.

Дисперсная среда описывается в основном плотностью и вязкостью.

Подобные системы не только способны перемещаться как единое целое, но и сохраняться в исходном состоянии достаточно долгое время.

В неподвижной газовой среде аэрозольные частицы поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собственному тепловому движению и в следствии обмена энергией с молекулами среды.

Энергия теплового движения для частиц любой массы, как известно, может быть оценена как:

(19)

где: - постоянная Больцмана;

- абсолютная температура.

При этом, если размеры частиц << , то для поддержания частиц во взвешенном состоянии достаточно одной энергии теплового движения; причём:

(20)

где: - масса частицы.

Если же , то для поддержания системы в равновесии необходима дополнительная энергия или извне, или получаемая за счёт соударения с молекулами среды.

Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта:

(21)

где: - концентрация газовых молекул;

- длина их свободного пробега.

Так вот, при < 10^-7 существенен лишь вклад теплового движения;

при > 10^-5 имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой;

при 10^-7 < < 10^-5 оба вклада соизмеримы.

В движущейся газовой среде частицам аэрозоля присущи 2 основные формы движения – увлечение дисперсионной средой и смещение относительно её. Поддержка частиц во взвешенном состоянии в этом случае определяется их инерционностью и характеризуется так называемым турбулентным числом Шмидта , равным отношению коэффициента диффузии частиц к коэффициенту турбулентной диффузии молекул среды .

Кроме энергии теплового движения частиц, обмена энергией между частицами и средой и энергии, поступающей извне, аэрозольные частицы могут поддерживаться во взвешенном состоянии за счёт градиентов температуры и концентрации. Возникающие при этом движения носят названия термо – и диффузио- фореза соответственно.

Однако, аэрозольные системы не могут существовать вечно. При прекращении поступления энергии извне, выравнивании температурных и концентрационных полей и установлении равновесия между тепловой энергией частиц и среды неизбежно начнется процесс самопроизвольного оседания частиц, не способных в силу своей массы удержаться во взвешенном состоянии за счет теплового движения при данных термобарических параметрах. Закон их седиментации описан ещё Стоксом в 1852 г и будет рассмотрен на практических занятиях. Например, в спокойном воздухе при стандартных условиях частицы песка размером 100 мкм оседают со скоростью 0,25 м/с; 10 мкм – 0,003 м/с; а 1 мкм – 0,00003 м/с.

П ри этом, принято различать 5 видов механизма осаждения взвешенных частиц:

1. Гравитационный: движущиеся частицы (обычно 40 – 550 мкм) выпадают из газа благодаря силе тяжести.

2. И нерционный: частицы при обтекании некого тела (возможно с газовым потоком) за счет инерции отклоняются от общего потока и осаждаются на фронтальной поверхности обтекаемого тела.

3. Зацепление: частицы (обычно 1 – 3 мкм) при перемещении вместе с газовым потоком в относительной близости от обтекаемого тела приходят в соприкосновение с ним и прилипают к нему.

4. Д иффузионный: частицы (обычно < 0,1 мкм) в результате броуновского движения попадают на поверхность обтекаемого тела и прилипают к нему.

5. Ц ентробежный: частицы выводятся из вращающегося газового потока под действием центробежных сил.

Но даже если аэрозольная система состоит из частиц способных удержаться при данных термобарических параметрах во взвешенном состоянии данная система будет саморазрушаться, т.к. частицы способны самоукрупняться. Данный процесс носит название коагуляции. Так частицы < 0,1 мкм коагулируют практически мгновенно. Различают несколько видов коагуляции:

1. Броуновская – вызывается случайным столкновением частиц в следствии их беспорядочного теплового движения.

2. Градиентная – обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке.

3. Кинематическая – обусловлена различием скоростей движения частиц относительно среды.

4. Турбулентная и акустическая – обусловлена тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды.

При этом, на скорость коагуляции влияет наличие электрического заряда на частицах и наличие внешнего электрического поля. Аэрозольные частицы способны приобретать электрический заряд многими способами, например, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы. Наконец, частицы приобретают заряд при освещении, облучении, прохождении коронного разряда и т.п.

Размеры частиц в аэрозольных системах образующихся в природных и попутных газах характеризуются широким разнообразием. Диапазон размеров частиц колеблется от 0.01 до 1000 мкм и более.

Подобные частицы способны в следствии эррозии и загрязнения вывести из строя не только КИП и компрессоры, но даже трубопроводы и запорную арматуру. Именно поэтому нормативными документами и вводятся соответствующие ограничения.

Различают механические и электрические методы очистки газа от механических частиц.

Механические методы в свою очередь подразделяются на способы отстоя и фильтрования.

Наконец, различают отстой в сухих и мокрых условиях.

Перейдём к рассмотрению этих методов:

В методах сухого отстоя наибольшее распространение получили устройства в которых осаждение частиц происходит в следствии резкого изменения направления или скорости газового потока. Это прежде всего различные газовые сепараторы и циклоны. В них при незначительном гидравлическом сопротивлении (порядка 0,5 – 1,5 кП) улавливаются сравнительно крупные частицы с размерами 5 мкм. Причём, эффективность циклонов выше и для частиц с размерами 5 мкм степень извлечения достигает 40 – 70 %, а для частиц 20 мкм – 97 – 99 %. При этом, газовые сепараторы используются преимущественно 4 видов:

а) гравитационные – они наиболее просты, но в то же время наиболее металлоёмки и габаритны.

б) инерционные – в них под действием сил инерции поток посредством металлических отбойников разделяется на очищенный газ и частицы. Они более эффективны и компактны.

в) жалюзийные – снабжены наборами профилированных пластин.

г) центробежные сепараторы.

Мокрые методы отстоя основаны на контакте газового потока с промывной жидкостью (обычно водой или маслом) в аппаратах получивших название скруббера или масляного фильтра (особо эффективен так называемый скруббер Вентури). Во всех этих аппаратах жидкость используется многократно и обеспечивает остаточное содержание механических примесей до 10 мг/ м³ газа при гидравлических потерях от 3 – 5 до 20 – 30 кПа. В нефтяной промышленности наибольшее распространение получили масляные пылеуловители (рис.46):

Р ис.46. Схема масляного пылеуловителя

Масляный пылеуловитель состоит из 3 секций: в нижней промывочной секции А в разделительную перегородку (5) вварены контактные трубки (6), на которых в нижней части имеется ряд продольных прорезей. Газ поступает в аппарат через патрубок 4, ударяется о козырёк (3), соприкасается с маслом и захватывая его, проходит с большой скоростью в контактные трубки. В средней (осадительной) секции Б скорость газа резко понижается, при этом, крупные капли масла с механическими частицами оседают и стекают по дренажным трубкам (10) вниз. Освобождённый от крупных механических примесей газ поступает в верхнюю каплеуловительную секцию В, где мелкие частицы пыли и масла (размером менее 0,25 мм) задерживаются специальной насадкой и тоже стекают вниз по дренажу (9). Очищенный газ уходит через патрубок (8). Загрязненное масло через патрубок (12) удаляют продувкой в отстойник, а затем по трубе (11) доливают очищенное масло. Продувку проводят по мере снижения уровня масла до контрольного уровня, но не реже 1 раза в месяц. Полностью удаляют масло через люк (1) 2 – 3 раза в год. Уровень масла контролируют по шкале 2. Расход масла не более 25 г на 1000 м³ газа. Масляные пылеуловители выпускают диаметром от 400 до 2400 мм; высотой от 5100 до 8800 мм на рабочее давление от 6 до 64 атм.

Лекция № 14

Очистка газа фильтрованием основана на прохождении газа через пористые перегородки, пропускающие газ, но задерживающие механические примеси. Метод высокоэффективен, т.к. способен уловить даже весьма тонкие фракции примесей с размерами частиц менее 1 мкм.

Различают следующие виды фильтров:

а) Рукавные. Они обеспечивают остаточное содержание примесей менее 10 мг/м³ газа при при гидравлическом сопротивлении до 1,3 кПа. Аппарат состоит из камеры и подвешенных в ней рукавов (с диаметром от 100 до 300 мм и длиной от 2 до 10 м) с заглушенным концом. Газ подаётся в рукова в которых и задерживается пыль. Пыль периодически удаляется либо обратной продувкой, либо встряхиванием. Фильтр состоит из нескольких секций, работающих попеременно. Рукава делают из тканевых и нетканных (войлок, фетр) материалов. Срок службы рукавов до 2 лет.

б) Зернистые. Различают так называемые насыпные и жесткие конструкции. Насыпные состоят из слоя песка, гальки, шлака или кокса с размерами зёрен 0,2 – 0,3 мм, толщиной слоя 0,1 – 0,15 м и сопротивлением 0,5 – 1,5 кПа. Они обеспечивают остаточное содержание механических примесей в газе порядка 20 мг/м³. Регенерируют их ворошением с вибровоздействием и обратной продувкой. Жесткие представляют собой патроны из керамики или металлокерамики. При гидравлическом сопротивлении от 0,1 до 6 кПа они способны обеспечить остаточное содержание механических примесей в газе менее 1 мг/м³. Регенерируются подобные конструкции обратной продувкой или с помощью промывных жидкостей.

в) Для улавливания высокодисперсных аэрозолей с суммарной концентрацией от 0,5 до 5 мг/м³ используют волокнистые фильтры с перегородками из тонких и ультратонких волокон, как правило, с диаметром волокон 1 – 2 мкм, нанесённых на марлевую подложку. И хотя подобные конструкции не подлежат регенерации, они способны обеспечить 100 % очистку газа при гидравлическом сопротивлении всего 0,8 – 1,5 кПа.

г) Для грубодисперсных систем, состоящих из капель и туманов, с диаметрами частиц свыше 10 мкм, применяют сетчатые фильтры – каплеуловители с пакетами из мелкоячеистых сеток. При скорости газового потока порядка 2 м/с пакет толщиной всего 0,1 м способен обеспечить 98 % -ую степень очистки газа с гидравлическими потерями всего 0,2 кПа. Для более дисперсных систем используют перегородки из стеклянных, синтетических или металлических волокон с диаметром 100 – 200 мкм для частиц крупнее 1 мкм, и диаметром 5 – 20 мкм для улавливания субмикронных частиц. В этом случае, степень очистки газа колеблется от 85 до 100 % при гидравлическом сопротивлении перегородок от 1 до 5 кПа. Все фильтры, улавливающие капли и туманы, работают в стационарном режиме саморегуляции благодаря самопроизвольному стеканию жидкости в результате коалесценции или её испарения.

Наконец, электрическая очистка газа основана на ионизации электрическим зарядом под действием постоянного тока напряжением до 90 кВ твёрдых и жидких частиц с последующим их осаждением на электродах в сухих или мокрых фильтрах, обеспечивающих остаточное содержание механических примесей 50 и 5 мг/м³ соответственно при гидравлических сопротивлениях не более 200 кПа.

Сравнительная характеристика всех рассмотренных выше методов представлена на рис.47.

Рис.47. Сравнительная характеристика методов очистки газа от механических примесей