2. Конспект лекционных занятий

Модуль 1:

Лекция №1

Введение

Объективной основой для дальнейшего развития газопере­работки служат, с одной стороны, наличие прочной сырьевой базы — крупнейших месторождений, содержащих этан, пропан, бутаны, сероводород, гелий, тиолы и т. д., а с другой — потреб­ность в указанных компонентах других отраслей народного хозяйства, в первую очередь нефтехимической.

Использование этана, пропана и бутанов в качестве сырья для получения мономеров имеет значительное преимущество над продуктами нефтепереработки, используемыми для той же цели. Так, выход этилена при пиролизе этана составляет 70%, а при пиролизе бензина и газойля 27 и 15% соответственно.

Ценным сырьем для химической промышленности являются также сернистые соединения природных газов, в первую оче­редь сероводород. В настоящее время около половины серы, производимой в СССР, получается из сероводорода, извлекае­мого из природных газов. Сера используется в производстве серной кислоты, тиолы, выделяемые из природных газов, в про­изводстве ядохимикатов и для одорирования газов.

Газовый конденсат является хорошим сырьем для производ­ства моторных топлив. Выделение этана, пропана, бутанов, се­роводорода, диоксида серы, тиолов и т. д. из природных газов осуществляется на промысловых установках комплексной подго­товки газа (УКПГ) и газоперерабатывающих заводах (ГПЗ) с применением различных процессов.

Процессы переработки газов можно разделить на две груп­пы: первичные и вторичные. К первичным отнесены процессы выделения из природных и нефтяных газов отдельных компо­нентов и фракций. К вторичным отнесены процессы глубокой переработки отдельных компонентов или фракций, выделяемых из газовых смесей (пиролиз индивидуальных углеводородов, производства моторных топлив из конденсата, производства газовой серы и т. д.).

Лекция 1 Выбор режима работы установок переработки природных газов Показатели качества продукции газопереработки

Разделение пластовой продукции газоконденсатных месторож­дений на фракции производится на газоперерабатывающих за­водах (ГПЗ) и промысловых установках с применением абсорб­ционных, адсорбционных, хемосорбционных, конденсационных и других процессов.

Согласно классификации, про­дукция ГПЗ и промысловых установок подразделяется на 5 групп.

В первую группу входят газовые смеси, используемые как топливо. Их основным компонентом является метан. Эти газы» содержат также несколько процентов других углеводородов, диоксид углерода, азот и незначительные количества сернистых соединений. Содержание последних регламентируется отрасле­вым стандартом ОСТ.51.40—83 и техническими условиями. Одним из основных отличий продукции этой группы является то, что концентрация отдельных углеводородов в них не регла­ментируется.

Следует отметить, что незначительное количество продукции этой группы используется как сырье для производства метано­ла, аммиака и т. д.

Вторая группа включает в себя газообразные технически чистые углеводороды и гелий, а также газовые смеси с задан­ным составом. Эти продукты, как правило, используются для специальных целей.

Третья группа объединяет жидкие углеводороды, в том чис­ле широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ), смеси сжиженного пропана, сжиженные изо- и н-бутаны, жидкий ге­лий и т. д. Общим признаком этой группы является то, что в жидком состоянии при 20 ^оС эти углеводороды находятся при определенном избыточном давлении.

В четвертую группу входят продукты, находящиеся в нор­мальных условиях в жидком состоянии, такие как газовый кон­денсат и продукты его переработки.

К пятой группе относятся твердые продукты: канальная са­жа, технический углерод и газовая сера.

Все продукты, входящие в состав вышеперечисленных групп, отличаются углеводородным составом, содержанием в них воды, механических примесей, диоксида углерода и сернистых соединений, температурами кипения и застывания и т. д.

Параметры, влияющие на потребительские свойства продук­тов, включая способы их доставки к потребителям, принято называть показателями качества. Практически на все виды продукции установлены показатели качества, которые зафикси­рованы в государственных общесоюзных стандартах (ГОСТ), отраслевых стандартах (ОСТ) и технических условиях (ТУ).

Общими принципами установления показателей качества продукции газоперерабатывающих заводов являются:

-обеспечение бесперебойной подачи к потребителям;

-рациональное использование ресурсов сырья;

-возможность контроля в условиях производства и потреби­теля;

Установленные на те или иные продукты показатели каче­ства наряду с потребительскими свойствами в косвенной фор­ме отражают также уровень развития техники и технологии в данной отрасли.

Так, при проектировании ныне действующих ГПЗ концентра­ция H₂S в товарном газе по ОСТ 51.40—83 установлена не бо­лее 20 мг/м³. Это связано с тем, что в настоящее время более глубокая очистка газа от H₂S сопряжена со значительными до­полнительными затратами. В настоящее время на крупнейших ГПЗ (Мубарекский и Оренбургский) достигается очистка газа от H₂S до его остаточного содержания в газе 5—10 мг/м³ .практически при тех же эксплуатационных затратах, что и при очистке по требованиям отраслевого стандарта. Следовательно, при разработке новой редакции ОСТ возможно установление новых норм по содержанию H₂S в товарном газе.

Однако в этом случае ряд старых установок по очистке газа от сероводорода не мог бы обеспечить очистку газа в со­ответствии с новыми требованиями. Для достижения на них более тонкой очистки газа от H₂S потребовалась бы их рекон­струкция, что связано с большими капитальными вложениями. Поэтому установление более жестких требований на качество газа может быть отражено в технологическом регламенте со­ответствующей установки.

Одной из особенностей ГПЗ является изменение состава перерабатываемого в них сырья в зависимости от пластовых параметров нефтяного или газоконденсатного месторождений. Ввиду этого для ряда основных видов продукции не регламен­тируется компонентный состав как показатель качества. К та­ковым можно отнести в первую очередь товарный газ и газо­вый конденсат, а также моторные топлива, получаемые при переработке конденсата или нефтей. Кроме того, отдельные по­казатели этих продуктов устанавливаются в широком диапа­зоне.

Благодаря этому при относительно низких эксплуатацион­ных затратах удается произвести переработку газожидкостных смесей с получением товарной продукции.

Следует отметить, что изменение состава добываемой про­дукции в первую очередь отражается на показателях сырья, поставляемого из нефтяных, газоконденсатных или газовых месторождений на ГПЗ. К примеру, из газоконденсатного ме­сторождения (ГКМ) на ГПЗ в качестве сырья подаются неста­бильный конденсат и отсепарированный газ. Со снижением пла­стового давления, а также при изменении режима промысловых установок изменяются составы нестабильного конденсата и га­за. Практически эти изменения происходят беспрерывно. По­этому установление в ТУ таких показателей, как температура начала и конца кипения, плотность, давление насыщенных па­ров, компонентный состав и т. д., сделали бы соблюдение тре­бований ТУ невозможным.

Учитывая изложенное, в ТУ на сырье, поставляемое из ГКМ на ГПЗ, должны устанавливаться такие показатели, как содер­жание в сырье механических примесей, различных ингибиторов, воды и т. д. Перечисленные показатели отражают эффектив­ность работы промыслового оборудования, и, воздействуя на ряд режимных показателей, возможно поддерживать их на оп­ределенном уровне.

Требования к качеству товарных газов. Основной продукци­ей промысловых и заводских установок по переработке газа является товарный газ, используемый в основном в качестве топлива. Как правило, потребители товарного газа находятся на большем расстоянии от районов расположения ГПЗ. Поэто­му обеспечение бесперебойной подачи газа к потребителям является определяющим при разработке документов, регламенти­рующих его качественные показатели.

Наряду с этим от показателей качества газа в значительной степени зависят также капиталовложения на установки про­мысловой и заводской обработки газа и эксплуатационные рас­ходы на них.

В настоящее время газы, подаваемые в магистральные газо­проводы, отвечают требованиям ОСТ 51.40—83.

При установлении показателей качества газов за основу взяты следующие условия:

газ при транспортировании не должен вызывать коррозию трубопроводов, арматуры, приборов и т. д.; качество газа должно обеспечить его транспортирование в однофазном состоянии, т. е. в газопроводе не должны обра­зовываться углеводородная жидкость, водяной конденсат и га­зовые гидраты; товарный газ не должен вызывать осложнений у потреби­теля при его использовании.

Показатели качества газов, подаваемых в магистральные газопроводы, приведены в таблице 1.

Точка росы газа по воде и углеводородам обеспечивает на­дежность бесперебойной подачи газа к потребителям в одно­фазном состоянии. Точка росы по углеводородам, кроме того, обусловливает извлечение из газа части тяжелых углеводоро­дов, что способствует квалифицированному использованию ре­сурсов природных и нефтяных газов.

Таблица 1. Требования к качеству природного газа, подаваемого в газопроводы с 01.05 по 30.09 (I) и с 01.10 по 30.04 (II) (ОСТ 51-40—83) в различных климатических районах по ГОСТ 16350—80 (допускается поставка в отдельные газопроводы газа с более высоким содержанием сероводорода и по согласованным в установленном порядке техническим условиям)

Таблица 2. Технические требования на ШФЛУ (ТУ 38-101-524—75)

Из сернистых соединений в ОСТ указаны только H₂S и мер­каптаны (тиолы). Поскольку в природных газах ряда место­рождений наряду с H₂S и тиолами содержатся также другие сернистые соединения (COS, CS₂ и др.), рекомендуется - при разработке новой редакции ОСТ установить общее количество всех серосодержащих компонентов в газе. Важным показателем газа, влияющим на надежность рабо­ты газоперекачивающих агрегатов и износ трубопроводов, яв­ляется содержание механических примесей. Исходя из опыта эксплуатации газотранспортных систем оно должно составлять не более 3 мг на 1 м³ газа.

До середины 70-х годов в отрасли отсутствовал стандарт» регламентирующий показатели транспортируемого газа. В ре­зультате этого в ряде случаев для одних и тех же условий при подготовке газа применялись разные технологические схемы и процессы, что приводило к удлинению сроков проектирования и строительства объектов промысловой и заводской обработки газа.

Разработка отраслевого стандарта на качество газа, пода­ваемого в МГ — ОСТ 51.40—74, позволила унифицировать ряд технологических схем и оборудования установок промысловой и заводской обработки газа и осуществить переход на индуст­риальные методы строительства объектов газовой промышлен­ности.

Показатели качества ШФЛУ—широкой фракции легких углеводородов. ШФЛУ является сырьем для производства сжи­женного газа. При переработке ШФЛУ получают также ста­бильный газовый конденсат или газовый бензин и газ низкого давления. (Последний, как правило, используют на собственные нужды.

Технические требования к качеству ШФЛУ разных марок, получаемых при переработке продуктов попутного нефтяного газа, приведены в таблице 2.

ШФЛУ, получаемая из продуктов переработки природного газа, может несколько отличаться по показателям качества в зависимости от состава сырья. К примеру, природный газ и газовый конденсат Оренбургского месторождения содержат значительное количество сернистых соединений. В ШФЛУ, по­лучаемой из указанного сырья, содержание H₂S допускается 0,03% (масс.), что в 10 раз больше, чем в ШФЛУ по ТУ 38-101-524—75 (см. таблицу 2). Одновременно в ШФЛУ Оренбургского ГПЗ допускается также до 1,05% тиоловой серы.

Содержание легких углеводородов — метана и этана — в первую очередь устанавливают исходя из необходимости ог­раничить давление насыщенных паров ШФЛУ, что связано с условиями ее транспортирования и хранения. Этот показа­тель влияет также на потери ШФЛУ. Содержание пентана или же гексана и высших углеводоро­дов регламентируется с учетом цели переработки ШФЛУ.

Показатели качества сжиженных газов. Газы углеводород­ные сжиженные топливные для коммунально-бытового потреб­ления согласно ГОСТ 20448—80 имеют следующие марки: СПБТЗ— смесь зимняя техническая пропана и бутана; СЛБТЛ — смесь летняя техническая пропана и бутана; БТ — бутан технический. Ранее сжиженные газы выпускались по ГОСТ 10196—62, со­гласно которому содержание пропана и пропилена в сжижен­ных газах должно было составлять не менее 93% (масс.). Та­кое топливо по эксплуатационным свойствам намного лучше сжиженных газов, выпускаемых по ГОСТ 20448—75. Однако ГОСТ 10196—62 не стимулировал использование бутанов и бутиленов в составе сжиженных газов. В виду этого на многих газо- и нефтеперерабатывающих заводах имеющиеся ресурсы бу­танов и бутиленов использовались нерационально. Внедрение нового ГОСТ на сжиженный газ позволило повысить эффектив­ность использования ресурсов углеводородов С₄ и увеличить выпуск товарной продукции.

В качестве товарного продукта производится также фракция пропан-бутан-пентановая (ПБП) по ТУ 51-725—76. Концентрацию компонентов в ПБП устанавливают исклю­чительно исходя из требований пиролизного производства. В со­ответствии с ТУ суммарное содержание пропана и бутанов в ПБП должно составить не менее 90% (масс.), в том числе изобутана не менее 17%, а содержание этана и C₅H₁₂+ состав­ляет соответственно не более 3 и 7% (масс.).

Концентрация этана в ШФЛУ и сжиженных газах устанав­ливается таким образом, чтобы обеспечить их товарную харак­теристику и свести к минимуму потери при хранении и транс­порте. Последнее прямо связано с содержанием в них этана. Следовательно, продукт, не содержащий этан, имел бы наилуч­шую товарную характеристику. Однако производство ШФЛУ и сжиженных газов, не содержащих этана, связано с больши­ми энергетическими затратами. С учетом этого обстоятельства установлены оптимальные нормы на содержание этана в ука­занных продуктах. Содержание пентана и высших углеводородов в сжиженных газах устанавливается таким образом, чтобы они могли испаряться при использовании сжиженных газов как топливо. Уве­личение их количества в СГ приводит к росту остатка С₅₊ и высших в бытовых баллонах, снижая надежность и эффективность использования топлива.

Показатели качества стабильного конденсата. Согласно ОСТ 51.65—80 для товарных конденсатов устанавливают две группы: 1—для установок стабилизации конденсата; II —для промыслов. Основным показателем качества стабильного конденсата является давление насыщенных паров, которое характеризует на­личие в нем легких углеводородов. Этот показатель для I груп­пы продукции составляет для зимнего и летнего периодов года 93325 и 66661 Па соответственно, для II груп­пы — 93 325 Па.

Нормы на содержание воды и механических примесей в кон­денсате устанавливают исходя из требований нормального хра­нения и перекачки продукта, а также с учетом его дальнейшей переработки.Для полной оценки товарных качеств конденсатов необхо­димо также определить такие показатели, как фракционный состав, содержание сернистых соединений, ароматических угле­водородов и высококипящих парафинов, температура застыва­ния и т. д.

Показатели качества одоранта. Как было указало выше, тиолы используют также для одорирования газа. До 1984 года в качестве одоранта использовали этантиол концент­рации не менее 99,5% (масс.). Этот продукт получали синте­тическим путем. Получение этантиола такой концентрации из смесей, выделяемых из газов и конденсатов, связано с большими эксплуатационными затратами. Кроме того, этантиол взаи­модействует с оксидами железа, что ведет к снижению его кон­центрации в газе и большому удельному расходу при транспор­тировании газа на большие расстояния. Наличие в составе газов и конденсатов ряда месторожде­ний тиолов сделало актуальным их выделение и производство на их основе одоранта. Использование указанной смеси в качестве одоранта по сравнению с чистым этантиолом имеет следующие преиму­щества: повышается степень использования ресурсов тиолов в сырье;

ввиду низкой относительной активности других тиолов (кро­ме C₂H₅SH), входящих в состав одоранта, его действие сохра­няется длительное время.

На практике имеют место отдельные случаи, когда эконо­мически целесообразно производить часть продукции с показа­телями качества, превышающими требования ТУ или стандар­тов. При дальнейшем смешивании этой части продукции с не­кондиционной получаемая продукция в целом отвечает всем требованиям регламентирующего документа.

Другим примером комплексного подхода к установлению показателей качества может служить транспортирование газов двух различных месторождений по одному газопроводу. При наличии в составе газа одного месторождения тиолов и отсут­ствии таковых в продукции другого месторождения степень очистки газа от тиолов не обязательно должна соответствовать требованиям ОСТ 51.40—83. Остаточное содержание тиолов в газе устанавливают с учетом того, что газы, подаваемые в ма­гистральные газопроводы, подвергают одорированию. В качест­ве одоранта используют смесь тиолов. Поэтому степень очист­ки газа от тиолов устанавливают таким образом, чтобы кон­центрация тиолов в транспортируемом газе соответствовала нормам одорирования.

Следует отметить, что разработка и внедрение ГОСТ, ОСТ и ТУ способствовали усовершенствованию технологических схем и процессов переработки углеводородных смесей, в ряде слу­чаев был осуществлен переход на типовые схемы обработки сырья. Это, в свою очередь, создало возможность изготовления оборудования в блочно-комплектном исполнении.

В настоящее время единых международных норм на допус­тимое содержание сероводорода, диоксида углерода, сераорганических соединений, азота, воды, механических примесей и т. д. не существует. Величина допустимых концентраций этих веществ в разных странах устанавливается в зависимости от уровня развития техники и технологии обработки газа и от объектов его использования.