СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ПРИРОДНОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА, ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЯЩИЕ ГАЗЫ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING XENON CONCENTRATE FROM NATURAL COMBUSTIBLE GAS, PRODUCTS OF ITS TREATMENT INCLUDING MAN-CAUSED OFF GASES AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Заявляемая группа изобретений относится к экономически эффективному способу и к вариантам устройства для производства ксенона из продуктов, обогащенных инертными компонентами:
- природного горючего газа, извлекаемого (добываемого) на месторождениях из группы газовые, газоконденсатное, нефтегазоконденсатное, нефтегазовое, газонефтяное, нефтяное, угольное, газогидратное.
- продуктов переработки природного горючего газа [сухой отбензиненный газ (СОГ), широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ) и др.]
- техногенных (отходящих) газообразных сред, используемых и/или образованных в технологических процессах подготовки природного горючего газа к транспорту и/или его переработки.
Заявляемая группа изобретений относится, в частности, к комплексной переработке природного горючего газа и техногенных газообразных сред, к производству первичного ксенонового концентрата с содержанием ксенона не менее 50% и, что тоже, технического ксенона, с доведением в дальнейшем до чистоты, пригодной для использования в различных областях науки и техники, в том числе:
- В физике элементарных частиц при спектрометрии и калориметрии ядерных излучений;
- В космической технике (электрореактивные двигатели малой тяги для корректировки орбиты спутников, в качестве рабочего тела ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ);
- В электронике и электротехнике для преобразование электрической энергии в световую (ксенонозаполненные лампы);
- Для обеспечения пожаробезопасности в замкнутых объемах: на взрывоопасных производствах; на воздушных и космических судах; на подводных и надводных кораблях; (замена средств пожаротушения, вызывающих токсикологическое отравление организма);
- В строительстве при производстве стеклопакетов оконных конструкций и световой рекламы;
- В лазерах с ядерной накачкой и эксимерных лазерах;
- В пищевой промышленности в качестве газофикатора жидкости (минеральная вода), в качестве добавки в жиры (большая растворимость в жирах) кефир, биодобавки;
- В качестве лечебного газонаркотического, анестезирующего средства;
- В косметической промышленности;
- В фармацевтической промышленности:
- Для производства смесей кислорода и ксенона для индивидуальных средств дыхания, в частности для индивидуальных ксенонокислородных ингаляторов;
- Для производства капсул (таблеток) с содержанием ксенона (например, в адсорбированном виде на обечайке).
В последние годы появились новые области применения ксенона - плазменные телевизионные экраны и производство микрочипов нового поколения. Растет применение ксенона в медицине. Многочисленные экспериментальные и клинические исследования подтверждают наличие у ксенона более сильных наркотических свойств, чем у закиси азота. Ксенон в организме, растворяясь в липидах, являющихся компонентом нервной системы, не подвергается биотрансформации в силу своей химической природы. Эффективность его использования в большой степени определяется высокой скоростью диффузии через слизистые оболочки и возможностью эффективного взаимодействия с нервными окончаниями, находящимися в дыхательной системе человека. В результате он не токсичен, лишен побочных эффектов, не вызывает канцерогенного, аллергического и кардиодепрессивного воздействия, не оказывает влияния на состав и систему свертывания крови, иммунитет, экологически чист и безопасен для больного и окружающего персонала и не имеет противопоказаний в медицинской практике.
Рост производства новой продукции вызвал в 2006-2008 годах значительное увеличение спроса на мировом рынке ксенона.
-5
В тоже время ограничением для использования ксенона в технике и в медицине являются небольшие объемы производства и относительно высокая стоимость, так как содержание ксенона в воздухе не превышает 0,86×10 об.%. Процесс получения ксенона из воздуха технически сложен, учитывая, что ксенон является наиболее тяжелым компонентом в составе воздуха. Все это диктует необходимость поиска новых доступных сырьевых ресурсов и создания технологических процессов, позволяющих получать ксенон приемлемой себестоимости, не нарушая при этом существующих операций первичной подготовки и переработки, в качестве одного из продуктов, извлекаемых из природных газовых смесей.
Предшествующий уровень техники
3
3
При производстве криптоноксеноновой смеси из воздуха непосредственно получают низкообогащенный криптоноксеноновый концентрат, в котором только 5-7% ксенона. В случае получения ксенонового концентрата их воздуха, стоимость ксенона выше, потому что для производства 1 м ксенона из воздуха необходимо переработать ~15 млн. м воздуха. Это влечет за собой крупнотоннажное и крупногабаритное (следовательно, дорогостоящее) оборудование. При производстве ксенона из воздуха существует строгая последовательность технологических переделов, не допускающая оптимального размещения производств.
3
Мировое производство ксенона из воздуха ограничено (~10000 м ксенона в год) и тенденций к увеличению не может быть, в связи с тем, что производство экологически «проблемное» и мировая тенденция заключается в том, что все металлургические производства переходят с кислородного на воздушное дутье при производстве металла. Криптоноксеноновая смесь является побочным продуктом именно сокращающегося кислородного производства металлургических и химических комбинатов. С сокращением потребности в кислороде производство ксенона соответственно сокращается или, если оно становится основным для получения ксенона как главного целевого продукта, то его себестоимость увеличивается настолько, что производство становится экономически не рациональным.
Известен способ получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата, включающий получение первичного криптонового концентрата, который при температуре выше температуры, равновесной парциальному давлению в ней ксенона, вводят в вымораживатель, где его охлаждают до температуры ниже равновесной парциальному давлению ксенона в вымораживателе, при этом общее давление всех остальных компонентов первичного концентрата в вымораживателе поддерживают ниже их равновесных давлений при минимальном значении температуры в вымораживателе (RU №2149033).
Недостатки данного способа связаны с тем, что основным источником исходного сырья для него являются экологически «грязные» кислородные производства металлургических комбинатов, при этом способ описывает предпоследнюю стадию получения ксенона - ксенона технического по ГОСТ 10219-77 «Ксенон. Технические условия», который выделяют из криптоноксеноновой смеси по ГОСТ 10218-77 «Криптон и Криптоноксеноновая смесь. Технические условия». Данный способ имеет высокую стоимость, ограниченную ресурсную базу, не исключены технологические потери ксенона в атмосферу, сложно дистанционное управление процессом собственно очистки, требующее привлечения специалистов высокой квалификации для контроля и настройки параметров, что препятствует его широкому применению.
Известен способ производства продуктов из природного углеводородного газа, представляющего собой газовую смесь, включающий охлаждение сжатого сырьевого природного газа, содержащего гелий в количестве менее чем 0,5 об.%, и метан, с получением из, по меньшей мере, части природного газа сжиженной первой текучей среды, содержащей гелий и метан; снижение давления, по меньшей мере, части первой текучей среды с получением первой текучей среды при пониженном давлении и разделение первой текучей среды при пониженном давлении на первый пар, содержащий гелий и метан, и первую жидкость, содержащую метан, в молярном соотношении первого пара к первой жидкости от 0,0001 до 0,04; отведение, по меньшей мере, части сырого гелия из, по меньшей мере, части первого пара; снижение давления по меньшей мере части первой жидкости с получением текучей среды при пониженном давлении и разделение указанной среды с получением пара, содержащего метан, и жидкости, содержащей метан; реакцию, по меньшей мере, части метана из пара, содержащего метан, с получением, по меньшей мере, части синтез-газа; и отведение, по меньшей мере, части продукта сжиженного природного газа из, по меньшей мере, части жидкости, содержащей метан. Там же известно устройство для производства продуктов из природного газа, содержащее первый теплообменник для по меньшей мере частичного сжижения сжатого природного газа, содержащего гелий в количестве менее чем 0,5 об.% и метан, причем указанный первый теплообменник имеет входное отверстие и выходное отверстие; первое устройство снижения давления, имеющее вход для текучей среды, связанный с выходом первого теплообменника, и выход; первое устройство для разделения, имеющее входное отверстие для текучей среды, связанное с выходным отверстием первого устройства снижения давления, выходное отверстие для пара для выпуска первого пара, содержащего гелий, и выходное отверстие для жидкости для выпуска первой жидкости, содержащей метан; второе устройство снижения давления, имеющее вход для текучей среды, связанный с выходом для жидкости первого устройства для разделения и выход; второе устройство для разделения, имеющее входное отверстие для текучей среды, связанное с выходным отверстием для жидкости второго устройства снижения давления, выходное отверстие для пара для выпуска второго пара, содержащего метан, и выходное отверстие для жидкости для выпуска второй жидкости, содержащей метан; резервуар для хранения сжиженного природного газа, имеющий первое входное отверстие для текучей среды, связанное с выходным отверстием для жидкости второго устройства для разделения; второй теплообменник для образования первой многофазной текучей среды, имеющий входное отверстие для текучей среды, связанное с выходным отверстием для пара первого устройства для разделения, и выходное отверстие; третье устройство для разделения, имеющее входное отверстие для текучей среды, связанное с выходным отверстием второго теплообменника, выходное отверстие для пара для выпуска пара сырого гелия и выходное отверстие для жидкости для выпуска третьей жидкости; и генератор синтез-газа, имеющий входное отверстие для текучей среды, связанное с метаном из, по меньшей мере, одного выходного отверстия для пара второго устройства для разделения (RU №2350553).
Недостатками данного технического решения являются большие потери и высокая себестоимость получаемого инертного газа, отсутствие возможности получения ксенона (ксенонового концентрата).
Известен способ получения ксенонового концентрата, включающий разделение потоков воздуха на потоки, подачу основного потока жидкого кислорода из верхней колонны в группу последовательно соединенных основных конденсаторов, испарение части потока жидкого кислорода в группе конденсаторов, вывод части потока жидкого кислорода из группы основных конденсаторов в виде циркуляционного потока жидкого кислорода, частичное испарение в испарителе-конденсаторе потока с образованием двух потоков - потока очищенного газообразного кислорода и потока жидкого кислорода, обогащенного ксеноном и криптоном, извлечение из потока жидкого кислорода, обогащенного ксеноном и криптоном, ксенонового концентрата.
Там же известно устройство получения ксенонового концентрата, содержащее соединенные между собой верхнюю и нижнюю колонны, группу конденсаторов, подогреватель кислорода, испаритель жидкого кислорода и блок извлечения ксенонового концентрата, выход газообразного кислорода из испарителя-конденсатора соединен трубопроводом с входом в верхнюю колонну газообразного кислорода, а патрубок выхода из устройства жидкого кислорода соединен трубопроводом с выходом из верхней колонны жидкого кислорода. (RU №2174041, прототип)
Данные известные способ и установка обладают следующими недостатками: высокая себестоимость продукции, низкая степень конверсии исходного сырья, ограниченность ассортимента продукции из природных газов, неполное получение продуктов, имеющих высокую добавочную стоимость.
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей данной группы изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является создание эффективного способа получения (выделения) ксенонового концентра или технического ксенона, как процесса осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств, включая наличие совокупности действий, порядка выполнения действий во времени, условия осуществления действий и использование веществ (исходного сырья), а также вариантов устройства для получения ксенонового концентра или технического ксенона в качестве первичного продукта, подлежащего, как правило, дальнейшей очистке в соответствии с областью применения (назначением), из:
- добываемого на месторождениях природного и попутного углеводородного газа;
- продуктов первичной подготовки углеводородного газа к транспорту и последующих процессов его переработки;
- техногенных газообразных сред (как правило, утилизируемых), используемых и/или образованных в технологических процессах подготовки углеводородного газа к транспорту и/или его переработки,
обеспечивающих достаточно высокое содержание ксенона в ксеноновом концентрате или техническом ксеноне, простой в обслуживании, а также расширение арсенала способов и средств получения ксенонового концентра или технического ксенона для последующей переработки с целью получения ксенона требуемой чистоты.
3
3
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, основан на использовании в способе доступного и оптимального по своим характеристикам и содержанию ксенона сырья с одновременным расширением сырьевой базы производства ксенона без выполнения специальных геологоразведочных работ для поиска содержащих ксенон пород, обустройства новых месторождений, а также в расширении ассортимента продукции, производимой из добываемых на месторождениях газов, где объемная доля ксенона существенно выше, чем в воздухе, в получении из природного углеводородного газа и/или продуктов его переработки и техногенных газовых смесей продуктов, имеющих высокую добавочную стоимость, минимизации потерь ксенона в атмосферу, снижении себестоимости технического и медицинского ксенона, получаемого в дальнейшем из концентрата, что открывает возможность для его более широкого применения в медицине как более экологически чистого и безопасного из известных анестетиков. При этом заявляемый способ является универсальным, так как пригоден для природных газовых смесей, состав которых существенно отличается от одного месторождения к другому, и реализуется с использованием существующих сетей энергоснабжения, транспортных сетей и обслуживающего персонала на подготовленных к освоению производственных площадях. Так как содержание ксенона в природном углеводородном газе 0,15 об.% (и, возможно, более), т.е. практически на 4 порядка (~ в 10000 раз) больше, чем в воздухе, для производства 1 м ксенона в соответствии с настоящей группой изобретений нужно переработать сырья в 10000 меньше, чем при производстве из воздуха, следовательно, количество технологических переделов для получения ксенонового концентрата из углеводородного сырья будет меньше, габаритные размеры оборудования будут меньше, производительность и ресурс оборудования будут больше, надежность выше. При выделении ксенонового концентрата, как более высококипящего и более легкого компонента по сравнению с составом широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) во всех, предусмотренных настоящей группой изобретений, видах природного горючего газа, что позволяет получать физическими способами непосредственно концентрат с содержанием ксенона не менее 50%. В результате имеется практическая возможность производить ксенон в необходимых (неограниченных) количествах и обеспечить рынок различных отраслей, в том числе, мировой медицины, достаточно недорогим ксеноном (на уровне 6 млн. м в год, и больше).
При этом для реализации производства ксенона из природного горючего газа, т.е. из углеводородного сырья, могут быть использованы современные (приведенные на чертежах) устройства и технологии, которые позволяют расширить номенклатуру используемых технологических процессов, в том числе:
- молекулярно-кинетические методы разделения газовых смесей (газодиффузионный процесс, центробежный процесс, аэродинамическую сепарацию);
- вихревой эффект разделения газа;
- сопловый процесс;
- разделение газовых фракций в высокоскоростной струе.
Перечисленные выше методы применимы при получении (или, что тоже, выделении) ксенонового концентрата из указанного углеводородного сырья благодаря тому, что в составе природного горючего газа ксенон является более высококипящим и более легким компонентом по сравнению с составом широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) во всех, предусмотренных настоящей группой изобретений, видах природного горючего газа, а в воздухе ксенон является одним из сравнительно тяжелых низкокипящих компонентов.
Таким образом, при производстве ксенонового концентрата из углеводородного сырья и техногенных отходов его переработки могут рационально использоваться физические процессы извлечения ксенона, не используемые ранее ни в нефтегазопереработке, ни в производстве ксенонового концентрата из воздуха, что расширяет возможности по организации комплексного и/или самостоятельного производства в оптимальным местах транспортирования горючего газа и продуктов его переработки. Применение множества методов разделения газовых смесей может осуществляться в различной последовательности.
Сущность изобретения в части способа заключается в том, что способ получения ксенонового концентрата предусматривает получение ксенонового концентрата из сырья в виде газовой смеси, в качестве которой используют природные горючие смеси, добываемые на месторождениях из группы: газовые, газоконденсатное, нефтегазоконденсатное, нефтегазовое, газонефтяное, нефтяное, угольное, газогидратное, причем получение ксенонового концентрата осуществляется на, по меньшей мере, одном этапе от извлечения на месторождении до завершения переработки, по меньшей мере, одним методом из группы: адсорбция, абсорбция, газовая диффузия, сопловой процесс, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация, вихревой процесс, дистилляция, криогенная ректификация.
В частных случаях реализации способа получение ксенонового концентрата осуществляют из промыслового природного газа, из промыслового попутного нефтяного газа, из промыслового попутного угольного газа.
В частных случаях реализации способа получение ксенонового концентрата осуществляют из, по меньшей мере, одного продукта промысловой подготовки и переработки из группы: из магистрального (очищенного) углеводородного газа, из осушенного углеводородного газа, из сухого отбензиненного газа (СОГ), из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), из кислых газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из отходящих газов блока получения серы, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из очищенного от сероводорода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от азота, из очищенного от азота углеводородного газа, из газовой фракции после концентрирования углеводородных газов, из остаточных газов блока получения азота и гелия, из газовой фракции разделенной газоконденсатной жидкости, из газовой фракции углеводородного газа.
Предпочтительно получение ксенонового концентрата осуществляют на газонефтеперерабатывающих мощностях, включая установки предварительной подготовки природного газа (УППГ), газоперерабатывающие заводы (ГПЗ), производства синтетических жидких углеводородов (включая технологии GTL), ожижительные газовые заводы (ОГЗ), на заводах по производству гелия из природного газа.
Сущность изобретения в части первого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из промыслового и попутного углеводородного газа содержит трубопровод промыслового углеводородного газа, блок сепарации нефти, блок получения ксенонового концентрата из промыслового природного газа, блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного нефтяного газа, блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного угольного газа, трубопровод ксенонового концентрата
Сущность изобретения в части второго варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из магистрального углеводородного газа содержит трубопровод промыслового углеводородного газа, блок очистки от механических примесей, блок сепарации сконденсировавшейся жидкости (воды и тяжелых углеводородов) от природного газа, трубопровод магистрального углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из магистрального углеводородного газа, трубопровод ксенонового концентрата, трубопровод жидкого конденсата.
Сущность изобретения в части третьего варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из получения ксенонового концентрата при разделении магистрального углеводородного газа на фракции содержит трубопровод магистрального углеводородного газа, блок разделения магистрального углеводородного газа на фракции (газовую - сухой отбензиненный газ, жидкую - широкую фракцию легких углеводородов), трубопровод газовой фракции магистрального углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из газовой фракции магистрального углеводородного газа, трубопровод жидкой фракции магистрального углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из жидкой фракции магистрального углеводородного газа, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части четвертого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из осушенного при первичной переработке углеводородного газа содержит трубопровод магистрального углеводородного газа, блок осушки магистрального углеводородного газа при первичной переработке, трубопровод осушенного магистрального углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из осушенного магистрального углеводородного газа, трубопровод отходящих влажных газов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих влажных газов, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части пятого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата в процессе сероочистки магистрального углеводородного газа содержит трубопровод магистрального углеводородного газа, блок получения кислых газов из магистрального углеводородного газа, трубопровод кислых газов, блок получения ксенонового концентрата из кислых газов, блок получения серы, трубопровод отходящих газов процесса получения серы, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса получения серы, трубопровод ксенонового концентрата, трубопровод отходящих газов из блока получения кислых газов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса отделения кислых газов из магистрального углеводородного газа, трубопровод очищенного от сероводорода углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из очищенного от сероводорода углеводородного газа.
Сущность изобретения в части шестого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от диоксида и оксида углерода содержит трубопровод углеводородного газа, блок очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, трубопровод очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, трубопровод отходящих газов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части седьмого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода содержит трубопровод углеводородного газа, блок очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, трубопровод очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, трубопровод отходящих газов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части восьмого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от азота содержит трубопровод углеводородного газа, блок очистки углеводородного газа от азота, трубопровод очищенного от азота углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из очищенного от азота углеводородного газа, трубопровод отходящих газов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части девятого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата в процессе сжижения углеводородного газа и получения гелиевого концентрата содержит трубопровод углеводородного газа после предварительной очистки (от механических примесей, влаги, сероводорода, диоксида и оксида углерода, меркаптанов, сероуглерода, сероокиси углерода), блок концентрирования углеводородного газа и получения газоконденсатной жидкости, трубопровод гелийсодержащего углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из гелийсодержащего углеводородного газа, трубопровод газоконденсатной жидкости, блок разделения газоконденсатной жидкости, блок концентрирования стабильного конденсата, блок концентрирования широкой фракции легких углеводородов, блок концентрирования этана, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса разделения газоконденсатной жидкости, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования широкой фракции легких углеводородов, блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования этана, трубопровод отходящих газов процесса разделения газоконденсатной жидкости, трубопровод отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, трубопровод отходящих газов процесса концентрирования широкой фракции легких углеводородов, трубопровод отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, трубопровод ксенонового концентрата, блок получения гелиевого и азотного концентратов, блок получения ксенонового концентрата из остаточного газа (остаточного газового конденсата), трубопровод остаточного газа, трубопровод гелиевого концентрата, трубопровод азотного концентрата.
Сущность изобретения в части десятого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из природных углеводородных газов из каменного угля содержит систему транспортировки каменного угля, блок получения газовых примесей из каменного угля, трубопровод отвода газовых примесей, блок получения ксенонового концентрата из газовых примесей, трубопровод ксенонового концентрата
Сущность изобретения в части одиннадцатого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата при очистке углеводородного газа от диоксида углерода содержит трубопровод углеводородного газа, блок очистки углеводородного газа от диоксида углерода, блок получения ксенонового концентрата из очищенного углеводородного газа, блок получения ксенонового концентрата из диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, образовавшихся в процессе очистки, трубопровод диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, трубопровод ксенонового концентрата.
Сущность изобретения в части двенадцатого варианта устройства состоит в том, что устройство для получения ксенонового концентрата из продуктов горения углеводородного газа содержит трубопровод углеводородного газа, блок сжигания (горения) углеводородного газа, трубопровод газообразных продуктов горения углеводородного газа, блок концентрации газообразных продуктов горения, трубопровод концентрированных продуктов горения, блок получения ксенонового концентрата из концентрированных продуктов горения углеводородного газа, трубопровод ксенонового концентрата, трубопровод остаточных продуктов горения.
На фиг.1 изображена схема комплексного получения ксенонового концентрата из углеводородного газа на этапах его промысловой подготовки и первичной переработки, на фиг.2 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата из промыслового углеводородного газа, на фиг.3 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата из магистрального углеводородного газа, на фиг.4 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата при разделении магистрального углеводородного газа на фракции, на фиг.5 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата из осушенного при первичной переработке углеводородного газа, на фиг.6 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата в процессе сероочистки магистрального углеводородного газа, на фиг.7 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, на фиг.8 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, на фиг.9 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата в процессе очистки магистрального углеводородного газа от азота, на фиг.10 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата в процессе сжижения углеводородного газа и получения гелиевого концентрата, на фиг.11 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата из каменного угля, на фиг.12 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата при совмещенной очистке углеводородного газа от сероводорода и диоксида углерода, на фиг.13 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата при очистке углеводородного газа от диоксида углерода, на фиг.14 - принципиальная схема устройства получения ксенонового концентрата из продуктов горения углеводородного газа на факелах и в газогенераторах на выхлопе.
На комплексной схеме фиг.1 обозначены: 1 - трубопровод промыслового углеводородного газа, 2 - блок сепарации нефти, 3 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового природного газа, 4 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного нефтяного газа, 5 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного угольного газа, 6 - блок очистки от механических примесей, 7 - блок сепарации сконденсировавшейся жидкости (воды и тяжелых углеводородов), 8 - блок получения ксенонового концентрата из магистрального углеводородного газа, 9 - блок осушки углеводородного газа, 10 - блок получения ксенонового концентрата из осушенного углеводородного газа, 11 - блок получения кислых газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, 12 - блок получения ксенонового концентрата из кислых газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, 13 - блок получения серы, 14 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов блока получения серы, 15 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, 16 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от сероводорода углеводородного газа, 17 - блок очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, 18 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, 19 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, 20 - блок очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, 21 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, 22 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, 23 - блок очистки углеводородного газа от азота, 24 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от азота, 25 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от азота углеводородного газа, 26 - блок концентрирования углеводородных газов (получения газоконденсатной жидкости), 27 - блок получения ксенонового концентрата из газовой фракции после концентрирования углеводородных газов, 28 - блок получения азота и гелия, 29 - блок получения ксенонового концентрата из остаточных газов блока получения азота и гелия, 30 - блок разделения газоконденсатной жидкости, 31 - блок получения ксенонового концентрата из газовой фракции разделенной газоконденсатной жидкости, 32 - блок разделения углеводородного газа на фракции, 33 - блок получения ксенонового концентрата из газовой фракции углеводородного газа.
На схеме фиг.2 обозначены: 34 - трубопровод промыслового углеводородного газа, 35 - блок сепарации нефти, 36 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового природного газа, 37 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного нефтяного газа, 38 - блок получения ксенонового концентрата из промыслового попутного угольного газа, 39 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.3 обозначены: 40 - трубопровод промыслового углеводородного газа, 41 - блок очистки от механических примесей, 42 - блок сепарации сконденсировавшейся жидкости (воды и тяжелых углеводородов) от природного газа, 43 - блок получения ксенонового концентрата из магистрального углеводородного газа с трубопроводом магистрального углеводородного газа на выходе, 44 - трубопровод ксенонового концентрата, 45 - трубопровод жидкого конденсата.
На фиг.4 обозначены: 46 - трубопровод магистрального углеводородного газа, 47 - блок разделения магистрального углеводородного газа на фракции (газовую - сухой отбензиненный газ, жидкую - широкую фракцию легких углеводородов), 48 - трубопровод газовой фракции магистрального углеводородного газа, 49 - блок получения ксенонового концентрата из газовой фракции магистрального углеводородного газа, 50 - трубопровод жидкой фракции магистрального углеводородного газа, 51 - блок получения ксенонового концентрата из жидкой фракции магистрального углеводородного газа, 52 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.5 обозначены: 53 - трубопровод магистрального углеводородного газа, 54 - блок осушки магистрального углеводородного газа при первичной переработке, 55 - трубопровод осушенного магистрального углеводородного газа, 56 - блок получения ксенонового концентрата из осушенного магистрального углеводородного газа, 57 - трубопровод отходящих влажных газов, 58 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих влажных газов, 59 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.6 обозначены: 60 - трубопровод магистрального углеводородного газа, 61 - блок получения кислых газов из магистрального углеводородного газа, 62 - трубопровод кислых газов, 63 - блок получения ксенонового концентрата из кислых газов, 64 - блок получения серы, 65 - трубопровод отходящих газов процесса получения серы, 66 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса получения серы, 67 - трубопровод ксенонового концентрата, 68 - трубопровод отходящих газов из блока получения кислых газов, 69 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса отделения кислых газов из магистрального углеводородного газа, 70 - трубопровод очищенного от сероводорода углеводородного газа, 71 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от сероводорода углеводородного газа.
На фиг.7 обозначены: 72 - трубопровод углеводородного газа, 73 - блок очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, 74 - трубопровод очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, 75 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, 76 - трубопровод отходящих газов, 77 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов, 78 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.8 обозначены: 79 - трубопровод углеводородного газа, 80 - блок очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, 81 - трубопровод очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углерода углеводородного газа, 82 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, 83 - трубопровод отходящих газов, 84 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов, 85 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.9 обозначены: 86 - трубопровод природного газа, 87 - блок очистки природного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, 88 - трубопровод очищенного природного газа, 89 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного природного газа, 90 - трубопровод, выводимой из блока очистки смеси и вторичных продуктов, 91 - блок получения ксенонового концентрата из выводимой из блока очистки смеси и вторичных продуктов, образовавшихся в процессе очистки, 92 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.10 обозначены: 93 - трубопровод углеводородного газа после предварительной очистки (от механических примесей, влаги, сероводорода, диоксида и оксида углерода, меркаптанов, сероуглерода, сероокиси углерода), 94 - блок концентрирования углеводородного газа и получения газоконденсатной жидкости, 95 - трубопровод гелийсодержащего углеводородного газа, 96 - блок получения ксенонового концентрата из гелийсодержащего углеводородного газа, 97 - трубопровод газоконденсатной жидкости, 98 - блок разделения газоконденсатной жидкости, 99 - блок концентрирования стабильного конденсата, 100 - блок концентрирования широкой фракции легких углеводородов (например, пропан - бутан), 101 - блок концентрирования этана, 102 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса разделения газоконденсатной жидкости, 103 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, 104 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования широкой фракции легких углеводородов, 105 - блок получения ксенонового концентрата из отходящих газов процесса концентрирования этана, 106 - трубопровод отходящих газов процесса разделения газоконденсатной жидкости, 107 - трубопровод отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, 108 - трубопровод отходящих газов процесса концентрирования широкой фракции легких углеводородов, 109 - трубопровод отходящих газов процесса концентрирования стабильного конденсата, 110 - трубопровод ксенонового концентрата, 111 - блок получения гелиевого и азотного концентратов, 112 - блок получения ксенонового концентрата из остаточного газа (остаточного газового конденсата), 113 - трубопровод остаточного газа, 114 - трубопровод гелиевого концентрата, 115 - трубопровод азотного концентрата.
Приведенные на фиг.1-фиг.10 принципиальные схемы функциональны и при применении Технологии GTL - при переработке попутного нефтяного газа в синтетическую нефть.
На фиг.11 (устройство для получения ксенонового концентрата из природных углеводородных газов при переработке природного газа на газоперерабатывающем заводе) обозначены: 116 - система транспортировки каменного угля, 117 - блок получения газовых примесей из каменного угля, 118 - трубопровод отвода газовых примесей, 119 - блок получения ксенонового концентрата из газовых примесей, 120 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.12 обозначены: 121 - трубопровод углеводородного газа, 122 - блок очистки углеводородного газа от сероводорода и диоксида углерода, 123 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного углеводородного газа, 124 - блок получения ксенонового концентрата из сероводородной и диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, образовавшихся в процессе очистки, 125 - трубопровод сероводородной и диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, 126 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.13 обозначены: 127 - трубопровод углеводородного газа, 128 - блок очистки углеводородного газа от диоксида углерода, 129 - блок получения ксенонового концентрата из очищенного углеводородного газа, 130 - блок получения ксенонового концентрата из диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, образовавшихся в процессе очистки, 131 - трубопровод диоксидоуглеродной смеси и вторичных продуктов, 132 - трубопровод ксенонового концентрата.
На фиг.14 обозначены: 133 - трубопровод углеводородного газа, 134 - блок сжигания (горения) углеводородного газа, 135 - трубопровод газообразных продуктов горения углеводородного газа, 136 - блок концентрации газообразных продуктов горения, 137 - трубопровод концентрированных продуктов горения, 138 - блок получения ксенонового концентрата из концентрированных продуктов горения углеводородного газа, 139 - трубопровод ксенонового концентрата, 140 - трубопровод остаточных продуктов горения.
Производство ксенона из природного газа предусматривает этапы:
Первый этап: Извлечение ксенонового концентрата из природного (в том числе, попутного нефтяного, газоконденсата, …) газа с содержанием ксенона на уровне нескольких десятков об.%;
Второй этап: Очистка ксенонового концентрата от примесей, получение технического ксенона с чистотой не менее 99 об.%;
Третий этап: Очистка технического ксенона, получение ксенона особой чистоты (содержание ксенона 99,999 об.% и выше) и получение медицинского ксенона.
Назначение данного изобретения - реализация первого этапа и (возможно) частично второго этапа на магистральных трубопроводах, газоперерабатывающих заводах, заводах по производству сжиженного природного газа.
Кроме того, ксеноновый концентрат может извлекаться на заводах по переработке природного газа с извлечением гелия.
2
Обычно природный газ на эти заводы поступает из трубопроводов и богатый ксеноновый концентрат мог быть извлечен из магистрального газа в технологическом процессе первичной (предварительной) очистки от влаги, серы, углеводородных аэрозолей, механических примесей (которые могли быть сорбентами), СО и CO, азотных газов.
Однако не исключено, что значимая доля ксенона могла остаться в магистральном трубопроводе и поступить на завод по извлечению гелия.
В этом случае целесообразно обеспечить отбор ксенонового концентрата на заводе по переработке природного (попутного) газа с извлечением гелия.
При этом на различных этапах и стадиях транспортировки и переработки на магистральных трубопроводах и заводах получение ксенонового концентрата производится из разных газообразных и жидких сред, различными способами на разном оборудовании и получаемый ксеноновый концентрат может различаться по содержанию и/или составу остаточных примесей, количеству радиоактивных изотопов ксенона. Таким образом, блоки, обозначенные позициями 3, 4, 5, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 19, 21, 22, 24, 25, 26, 29, 31, 33 получения ксеннового концентрата, как остальные блоки получения ксеннового концентрата, изображенные на фиг.1-14 и обозначенные разными позициями, расположены в различных местах (иногда на большом расстоянии друг от друга), имеют, как правило, различные принцип действия и конструкцию (см. ниже характеристики процессов), а получаемые на них ксеноновые концентраты имеют различное качество и назначение и, как правило, не смешиваются.
Поскольку трубопроводы, на которых производится получение (отбор) ксенонового концентрата, в отношении основного перекачиваемого для потребителей целевого продукта (углеводородного газа) идентичны с точки зрения его нормируемого состава, на участках предшествующих (до) и последующих (после) получения этого концентрата, они могут обозначаться одинаковой позицией, например, поз.34 на фиг.2, которая до и после блоков 36, 37, 38 получения ксенонового концентрата обозначает трубопровод 34 (магистраль) одного и того же целевого промыслового углеводородного газа. Тоже относится, соответственно, к остальным трубопроводам, обозначенным на фиг.1-14.
Добыча и переработка горючих газов, пригодных для получения ксенонового концентрата, основана на следующих положениях.
Газовые месторождения классифицируются по наличию или отсутствию конденсата в пластовом газе, т.е. по составу пластовых флюидов:
4
а) газовые месторождения - содержат легкие углеводороды парафинового ряда, не конденсирующиеся при снижении давления в пласте. Содержание метана (СН) составляет 94-98% по объему;
5
12
б) газоконденсатные месторождения - содержат углеводороды парафинового ряда с большим содержанием тяжелых углеводородов от пентана (CH) и тяжелее, которые конденсируются в пласте при снижении давления. Содержание метана в пластовом газе 70-90% по объему;
в) газонефтяные месторождения - нефтяные месторождения, которые имеют газовую шапку больших объемов и нефтяную оторочку. Содержание метана ограничено 30-50%, остальное - тяжелые углеводороды и попутные нефтяные газы;
г) газоконденсатнонефтяные - это газоконденсатные месторождения, имеющие нефтяную оторочку;
д) газогидратные месторождения - содержат газ в продуктивных отложениях в твердом гидратном состоянии;
е) нефтяные месторождения, содержащие попутный газ;
ж) угольные месторождения, содержащие летучие вещества - углеводородные газы.
2
2
Под рациональной разработкой месторождения понимается управление процессами движения газа и конденсата к скважинам с целью добычи газа и конденсата и дальнейшей переработки с максимальным получением всех возможных продуктов, имеющих коммерческую ценность. До того, как природный газ попадет к потребителю, он подвергается различным физическим, химическим и физико-химическим воздействиям с целью достижения соответствующих параметров кондиции как топлива и как химического сырья. Для этих воздействий на газ применяются системы обустройства газового промысла. Система обустройства включает в себя подземное и поверхностное оборудование для сбора газа и конденсата, отделения конденсата, очистки газа от механических и других вредных примесей (CO, N, HS), осушки газа, компримирования и подачи газа потребителю в магистральный газопровод. Система обустройства и поддержания оптимального режима работы оборудования относится к предмету эксплуатации газового и газоконденсатного месторождений.
n
2n+2
2
2
2
Природные газы, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений, состоят из предельных углеводородов с общей формулой CH и неуглеводородных компонентов: азота (N), углекислого газа (СО), сероводорода (HS), инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона). Кроме того, природные газы насыщены парами воды, содержание которых зависит от давления, температуры, состава газа и воды. Число углеродных атомов в молекуле углеводородов n может достигать 17-40.
4
2
6
2
4
ат
ст
3
8
4
10
5
12
17
36
Метан (СН), этан (СН), этилен (СН) при нормальных условиях (Р = 0,1 МПа и Т = 273 К) являются реальными газами. Пропан (СН), бутан (СН) в нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, при повышенных давлениях - в жидком состоянии, входят в состав сжиженных углеводородных газов. Углеводороды от (CH) до (СН) при нормальных условиях находятся в жидком состоянии. Все компоненты, входящие в состав природного газа, характеризуются строго индивидуальными свойствами.
Природный газ в пластовых условиях до предела возможного насыщен парами воды, поскольку в пласте имеется идеальный контакт газа с водой.
Влагосодержание природного газа является важнейшим параметром, который определяет в значительной мере технологические режимы эксплуатации скважин и газопромысловых сооружений. Содержание водяных паров в газе характеризуется: абсолютной влажностью - W, относительной влажностью - .
3
3
Абсолютная влажность W показывает массу водяных паров в единице объема газовой смеси, приведенной к нормальным условиям (+20°C и 760 мм рт.ст.) и измеряется в г/м или кг/1000 м.
Относительная влажность  - это отношение фактического содержания паров воды в единице объема газа при данных P и T к его влагоемкости, т.е. к количеству водяных паров в том же объеме и при тех же P и T при полном насыщении.
Относительная влажность измеряется в долях единицы или в процентах. Полное насыщение оценивается как 100%.
Влагосодержание природного газа зависит от давления; температуры; состава газа; минерализации воды. В процессе эксплуатации месторождений значения температур и давлений во всей цепочке технологического оборудования изменяются.
пл
Снижение температуры вызывает уменьшение водяных паров в газовой фазе. В самом пласте происходит увеличение влагосодержания газа, так как пластовое давление P (t) падает. Следовательно, объем добываемой конденсатной влаги по мере разработки и эксплуатации залежи возрастает.
Большинство компонентов природного газа (метан, этан, пропан, углекислый газ, сероводород, азот) в соединении (в контакте) с водой образуют кристаллогидраты, существующие при определенных давлениях и температурах.
3
3
3
Кристаллогидраты - это физическое соединение молекул газа и воды. Вода образует объемную кристаллическую решетку-каркас, внутри которой располагаются молекулы газа. Внешне похожи на рыхлый желтоватый лед. В одном объеме (1 м) гидратов содержится до 0,8 м воды и до 180 м природного газа, приведенного к стандартным условиям. Процесс гидратообразования определяется давлением, температурой, составом газа, составом воды.
По содержанию стабильного конденсата газоконденсатные месторождения подразделяются на группы:
3
3
- с незначительным содержанием стабильного конденсата: до 10 см/м;
3
3
- с малым содержанием стабильного конденсата: от 10 до 150 см/м;
3
3
- со средним содержанием стабильного конденсата: от 150 до 300 см/м;
3
3
- с высоким содержанием конденсата: от 300 до 600 см/м;
3
3
- с очень высоким содержанием стабильного конденсата: свыше 6000 см/м.
Пластовая смесь газоконденсатных месторождений состоит в общем случае из большого числа углеводородных соединений, каждое из которых имеет свою физико-химическую характеристику. В смесь входят в разных соотношениях соединения (в пласте первоначально все они находятся в растворенном газовом состоянии):
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6
14
7
16
8
18
9
20
10
22
18
38
газообразные углеводороды: метан - CH, этан - CH, сжиженные газы: пропан - CH, бутан - CH, жидкие тяжелые углеводороды, пентан - CH, гексан - CH, гептан - CH, октан - CH, нонан - CH, декан - CH…и далее до - CH.
В начальных пластовых условиях такая газоконденсатная смесь, как правило, находится в термодинамическом равновесии. После начала разработки месторождения при снижении пластового давления термодинамическое равновесие нарушается и начинают происходить фазовые превращения - выпадение отдельных углеводородов из растворенного газового состояния в жидкую фазу, т.е. конденсация тяжелых углеводородов. Эта конденсация и выпадение в пласте углеводородов приводят к значительному изменению состава добываемой на поверхность пластовой углеводородной смеси. Поэтому на таких месторождениях проводят специальные достаточно сложные и трудоемкие газоконденсатные исследования скважин.
На открытие и разведку газовых и газоконденсатных месторождений затрачиваются большие средства, запасы природных газов представляют всенародное достояние. Поэтому системы разработки и обустройства должны обеспечивать максимальный экономический эффект с одновременным соблюдением условий охраны недр и окружающей среды.
Заданная величина добычи газа и газового конденсата определяется решением общей проблемы развития газодобывающей отрасли с учетом геолого-технических возможностей газовых залежей и достижений научно-технического прогресса в области проектирования, разработки и эксплуатации месторождений, в области транспорта и использования природного газа. Получение инертных газов резко повышает экономическую эффективность эксплуатации месторождений.
Газовая залежь вместе со всеми ее скважинами и окружающей ее водонапорной системой представляет единую газогидродинамическую систему. Если к одному и тому же водоносному бассейну приурочен ряд месторождений, то в результате разработки происходит их взаимодействие. Снижение давления в одном месторождении вызывает снижение пластового давления в других месторождениях, даже если они находятся друг от друга на значительных расстояниях.
На каждом газовом месторождении имеется определенное количество эксплуатационных скважин, расположенных по всей площади и предназначенных для добычи газа и конденсата. Для получения товарного газа продукцию всех скважин необходимо собрать, провести сепарацию по разделению газа, воды, конденсата, сырой нефти, очистить от механических примесей, т.е. газ нужно собрать и подготовить к дальнему транспорту. Весь названный комплекс работ выполняет система сбора, подготовки и транспорта газа.
Система включает в себя: межпромысловые и внутрипромысловые газопроводы различного назначения (шлейфы эксплуатационных скважин, газосборные коллекторы, ингибиторопроводы); пункты промыслового сбора и подготовки газа и конденсата, называемые УКПГ - установки комплексной подготовки газа.
При разработке газовых месторождений с незначительным содержанием конденсата в пластовом газе применяют следующие схемы внутрипромыслового сбора газа: линейную, кольцевую, лучевую, групповую. Названные схемы сбора газа обусловлены: формой площади месторождения, числом и размещением эксплуатационных скважин, числом объектов эксплуатации, составом газа, методами промысловой обработки газа:
- промысловое оборудование расположено на значительной территории месторождения;
- требуется большое число квалифицированного персонала для обслуживания промысловых сооружений;
- значительная длина промысловых дорог, металлоемкость коммуникаций водоснабжения, теплоснабжения, доставки реагентов;
- сложность внедрения автоматизации производства.
В последнее время на месторождениях газа в Западной Сибири широкое распространение получила групповая схема сбора газа и конденсата.
При такой схеме газ от группы скважин без дросселирования на устье по шлейфам высокого давления поступает на УКПГ, где осуществляется его сепарация, осушка, очистка от механических примесей, предупреждение гидратообразования, делаются замеры дебитов.
Каждая УКПГ подключается к промысловому газосборному коллектору, по которому подготовленный газ попадает в магистральный газопровод. Количество УКПГ на месторождении зависит от размера газоносной площади и ее формы, от дебитов, давлений и температур газа на устьях скважин.
Природные газы, добываемые на месторождениях России, транспортируются на большие расстояния до потребителей по магистральным газопроводам, пересекающим различные природно-климатические зоны. В связи с этим особое значение приобретают вопросы качественной подготовки добываемого углеводородного сырья к транспортировке. Природные газы должны отвечать требованиям, определяющим их транспортную кондиционность. Эти требования установлены отраслевым стандартом ОСТ 51.40-83.
2
1. Точка росы по воде и тяжелым углеводородам при давлении 55 кгс/см должна быть: зимой (I.X-30.IV) - 20°C; летом (I.Y-30.IX) - 10°C.
3
2. Содержание механических примесей в 1000 м газа должно быть не более 1,0 г.
3
3. Содержание сероводорода в 1000 м газа должно быть не более 2,0 г.
5+выс.
4
2
6
3
8
4
10
5+выс.
4. Содержание кислорода по весу газа должно быть не более 1,0%. Кроме газа продукцией газоконденсатного месторождения является сырой конденсат. Под сырым конденсатом подразумевают углеводороды в жидком состоянии C с растворенными в них газообразными компонентами (CH, CH, CH, CH) при P=0,1 МПа и t=20°C. Стабильный конденсат состоит только из жидких углеводородов C Из конденсата получают бензин, дизельное топливо, растворители,  поэтому он подлежит отделению при подготовке газа как ценнейшее сырье.
В зависимости от состава и объема добываемой продукции, термодинамических условий поступления ее на установки подготовки газа, требований потребителя к качеству газа и конденсата на месторождениях применяют в основном три способа обработки газа:
- низкотемпературную сепарацию (НТС);
- абсорбцию (жидкостная осушка);
- адсорбцию (осушка твердым сорбентом).
Могут осуществляться также комбинированные способы разделения газов путем сочетания сорбционных методов с предварительным охлаждением газа и сорбента.
При подготовке газа к дальнему транспорту применяются несколько разновидностей технологических установок, основными из которых являются:
- установки низкотемпературной сепарации, работающие на холоде, получаемом за счет редуцирования газа высокого давления и предварительного охлаждения газа в теплообменниках;
- установки низкотемпературной сепарации, работающие на холоде, получаемом в специальных холодильных машинах;
- установки абсорбционной (гликолевой) осушки газа;
- установки адсорбционной осушки газа твердым сорбентом;
- установки с рециркуляцией обезжиренного газа, применяемые для максимального извлечения конденсата (сайклинг-процесс).
3
3
На чисто газовых месторождениях применяются абсорбционные и адсорбционные установки. Они дают точку росы до минус 25°C и ниже. На газоконденсатных месторождениях с содержанием конденсата 100 г/м применяются НТС с собственным холодом. На газоконденсатных месторождениях с содержанием конденсата более 100 г/м применяют НТД - низкотемпературную абсорбцию. Сорбентом используют углеводородные жидкости. Окончательный выбор способа подготовки газа осуществляется на основании технико-экономических расчетов.
Природный газ, поступающий из скважин, представляет собой многокомпонентную двух-, а иногда и трехфазную систему, состоящую из смеси газов, насыщенных парами воды и тяжелых углеводородов, которые при изменении давления и температуры конденсируются. Иногда вместе с газовым потоком из пласта выносится жидкая вода, конденсат тяжелых углеводородов, твердые частицы породы и др. Перед подачей газа в газопроводы газ проходит процесс сепарации. Сепарацией называется процесс разделения (отделения, разъединения) твердой, жидкой и паровой фаз в газовом потоке.
Аппараты, в которых происходит отделение твердой или жидкой фазы от газовой, называются сепараторами. Сепараторы по различным признакам можно классифицировать:
а) по назначению на рабочие, замерные;
б) по геометрической форме на цилиндрические, шаровые;
в) по положению в пространстве на вертикальные, горизонтальные, наклонные;
г) по способу разделения фаз на механические, жидкостные, электрические.
Сепараторы с механическим способом разделения фаз подразделяются по характеру сил, используемых для разделения, на:
гравитационные, центробежные, инерционные, фильтрационные (с фильтроэлементами).
Наиболее распространенными в газодобывающей промышленности рабочими сепараторами являются следующие:
- вертикальные (горизонтальные) гравитационные;
- вертикальные центробежные;
- вертикальные (горизонтальные) жалюзийные.
При большом содержании жидкости широко применяют гравитационные (вертикальные, горизонтальные) сепараторы. Циклонные (каплеотделители) используют в качестве сепараторов первой ступени. Для более полной очистки газа от жидкости применяют горизонтальные жалюзийно-пленочные сепараторы с вертикально расположенными жалюзями. Гравитационные сепараторы имеют высокие показатели по степени отделения жидкости и твердой фазы, но являются металлоемкими. Циклонные - имеют невысокий коэффициент разделения, но небольшую металлоемкость.
Коэффициентом сепарации (разделения, степень отделения) называется отношение массы уловленной в сепараторе твердой или жидкой фазы к массе этой же фазы, поступившей в сепаратор.
с
где η - коэффициент уноса =
o
3
G - массовое содержание твердой или жидкой фазы во входящем в сепаратор потоке, г/м;
y
3
G - массовое содержание твердой или жидкой фазы в выходящем из сепаратора потоке, г/м.
Коэффициент сепарации зависит от многих факторов: содержания твердой или жидкой фазы во входящем потоке; физических свойств разделяющихся фаз; скорости движения газа в разделительной и отбойной секциях сепаратора; от времени пребывания разделяющихся фаз в разделительной и осадительной секциях; от конструктивных особенностей и характера действующих сил в сепараторе. Опыт эксплуатации сепараторов различного типа показывает, что коэффициент сепарации может меняться от 0,75 до 0,98. Считается, что жидкие капли с диаметром 0,002 мм и меньше в сепараторах не улавливаются.
Эксплуатационные качества сепараторов зависят от пропускной способности, коэффициента сепарации, расхода металла на единицу пропускной способности, удельных затрат пластового давления на единицу обрабатываемого газа или отдельного конденсата.
Все применяемые сепараторы должны работать на безгидратном режиме. Степень очистки повышается применением 2-3-4 ступеней сепараторов.
Низкотемпературная сепарация
3
Одним из основных методов подготовки природного газа является низкотемпературная сепарация (НТС), сущность которой состоит в получении низких температур при расширении газа. Применяется на месторождениях с высоким пластовым давление (16-20 и более МПа), при содержании конденсата в газе до 100 г/м. Допускается содержание сероводорода. НТС с впрыском в поток газа гликоля обеспечивает получение точки росы газа по воде от -25°C до -60°C.
В простейшей схеме НТС в качестве редукционного органа используют насадки постоянного сечения - штуцеры. В процессе дросселирования газа в штуцере (снижение давления газа при постоянной энтальпии) температура газа снижается на 2-4°C на 1 МПа снижения давления. В расчетах принимают среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона, равное 3°C на 1 МПа.
Охлаждают продукцию скважин для того, чтобы сконденсировались тяжелые углеводороды (конденсат), пары воды. После перехода конденсата и воды в жидкое состояние газожидкостную смесь сепарируют, отделяя жидкость от газа. При сепарации от газа отделяются также механические (твердые) примеси и вводимые в поток ингибиторы коррозии и гидратообразования.
Таким образом, назначение НТС - извлечение конденсата, осушка и очистка газа от механических примесей. НТС обеспечивает подачу кондиционного газа в магистральный газопровод и добычу нестабильного конденсата.
Абсорбционная осушка газа
Применяется для извлечения из газа водяных паров и тяжелых углеводородов. Для осушки газа в качестве абсорбента используются гликоли, а для извлечения тяжелых углеводородов - углеводородные жидкости. Абсорбенты, применяемые для осушки газа, должны обладать высокой взаиморастворимостью с водой, простотой и стабильностью при регенерации, низкой вязкостью, низкой коррозионной способностью, не образовывать пен или эмульсий. На современных промыслах чаще применяют диэтиленгликоль (ДЭГ), триэтиленгликоль (ТЭГ).
2
2
2
2
3
ДЭГ имеет формулу CHOH-CH-O-CH-CHOH, представляет собой эфир этиленгликоля с молекулярной массой 106,12 и плотностью ρ=1117 кг/м. Его температура кипения при атмосферном давлении равна 244,5°C. Он смешивается с водой в любых соотношениях.
Преимущество ДЭГа перед ТЭГом - меньшая склонность к ценообразованию при содержании в газе конденсата. Кроме того, ДЭГ обеспечивает лучшее разделение системы вода - углеводороды. Однако ТЭГ обеспечивает высокую степень осушки, что приводит к большому снижению "точки росы". ТЭГ имеет более высокую температуру разложения. Следовательно, ТЭГ можно нагревать до более высокой температуры и регенерацию (восстановление) его проводить без вакуума.
Чем выше концентрация подаваемого гликоля, тем глубже степень осушки. Концентрация гликоля зависит от эффективности его регенерации. При атмосферном давлении ДЭГ можно регенерировать до 96,7%, а ТЭГ - до 98,1%. Гликоли в чистом виде не вызывают коррозии углеродистых сталей.
p
Процесс абсорбции осуществляется в вертикальном цилиндрическом сосуде-абсорбере. Газ и абсорбент контактируют на тарелках, смонтированных внутри аппарата, перемещаясь противотоком: газ поднимается снизу вверх, а абсорбент стекает сверху вниз. Абсорбент по мере своего движения насыщается поглощаемыми им компонентами или влагой и через низ колонны подается на регенерацию. С верха колонны уходит осушенный газ. Эффективность абсорбции зависит от температуры и давления, числа тарелок в абсорбере, количества и качества абсорбента. Увеличение числа тарелок (а их устанавливают в абсорбере 14-18 шт.) оказывает такое же влияние, как и увеличение количества циркулирующего абсорбента. Верхний и нижний температурные пределы процесса определяются соответственно потерями гликоля от испарения и возрастанием его вязкости и равны 35-10C.
3
При осушке газа с помощью ДЭГа влажный газ поступает в нижнюю скрубберную секцию абсорбера, где отделяется от капельной жидкости и жидких углеводородов, после чего поступает под нижнюю тарелку абсорбера. Затем газ, двигаясь снизу вверх навстречу абсорбенту, осушается и проходит в верхнюю скрубберную секцию, где отделяется от уносимых с потоком капель абсорбента. Осушенный газ подается в магистральный газопровод. Насыщенный раствор абсорбента из абсорбера сначала проходит теплообменник, выветриватель, фильтр. Затем раствор поступает в десорбер. В нижней части десорбера происходит нагрев абсорбента паровым нагревателем до установленной температуры (100-130°C). Водяной пар из десорбера поступает в сборник конденсата. Отсюда часть воды направляется обратно в верхнюю часть колонны для понижения температуры и концентрации поднимающихся паров абсорбента, что сокращает его расход. Регенерированный абсорбент охлаждается насыщенным раствором в теплообменнике, после чего поступает в абсорбер. Абсорбер диаметром 1,2 м имеет высоту 15 м, массу 25 тонн, пропускную способность 3-5 млн.м/сут, давление в абсорбере до 8 МПа. Опыт эксплуатации абсорберов показал, что в нем должно циркулировать не менее 25 литров на 1 кг абсорбируемой воды.
Адсорбционная осушка газа
Адсорбционная осушка газа применяется для получения низкой "точки росы" (-20-30°C), которая необходима при транспорте газа в северных районах страны. Одним из важных преимуществ адсорбции является то, что не требуется предварительной осушки газа, так как твердые адсорбенты, наряду с жидкими углеводородами, хорошо адсорбируют и влагу. В качестве адсорбента используют твердые пористые вещества, обладающие большой удельной поверхностью.
уд
уд
2
К ним относятся активированные угли (S=600-1700 м/г); силикагели - продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты (S-320-770 М/г); цеолиты - минералы, являющиеся водными алюмосиликатами натрия и кальция, а также искусственные цеолиты.
14
Сущность адсорбции состоит в концентрировании вещества на поверхности или в объеме микропор твердого тела. Эффективные радиусы микропор составляют (5-10)10' мкм. Максимальная активность, достигаемая к моменту равновесия при данных температуре и концентрации поглощаемого вещества в газовой фазе, называется равновесной статической активностью. Активность при поглощении до появления поглощаемого компонента за слоем поглотителя называется динамической активностью.
Динамическая активность адсорбента характеризует вес улавливаемой жидкости в процентах от веса адсорбента. Обычно она равна 4-7%.
Промышленные адсорбенты должны обладать достаточно высокой активностью, обратимостью адсорбции и простотой регенерации, малым сопротивлением потоку газа и высокой механической прочностью.
Десорбция основана на том, что при повышении температуры увеличивается энергия адсорбированных молекул и они могут освобождаться от адсорбента. Наиболее благоприятны для этого температуры 200-300°C.
В момент насыщения адсорбента влагой в одном из адсорберов в другом происходит десорбция и охлаждение. Процесс протекает последовательно по мере насыщения влагой адсорбента. Размеры адсорберов в 2-3 раза меньше абсорберов. Внутри аппарата размещено от 4 до 8 полок, на которые насыпают необходимое количество адсорбента. Работает адсорбер без замены силикагеля до 2 лет. Рабочая температура в адсорбере 10-14°C, средняя скорость движения газа через адсорбер 0,15-0,5 м/с, давление газа 7-8 МПа.
Продолжительность циклов насыщения, регенерации и охлаждения адсорбента определяется временем, необходимым для его регенерации. Обычно цикл насыщения длится 10-20 ч, а цикл регенерации 4-8 ч.
Для подтверждения содержания ксенона в природном газе произведен, в частности, забор проб взяли непосредственно в устье нескольких газовых скважин в Тюменской области. Результаты превзошли самые смелые предположения - содержание ксенона в природном газе составляло в некоторых пробах более 2000 ppm, что на несколько порядков выше его содержания в воздухе.
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6
14
7
16
8
18
Способ предусматривает предварительную очистку и центробежное разделение природного (нефтяного попутного газа) с извлечением ксенонового концентрата, отбираемого и возвращаемого в систему трубопроводного транспортирования природного (нефтяного попутного газа), причем потери Метана (CH), Этана (CH), Пропана (CH), н-Бутана и и-Бутана (CH), н-Пентана и и-Пентана (CH), н-Гексана (CH) и н-Гептана (CH) отсутствуют, а потери н-Октана (n-CH) составят не более 0,01% от его суммарного объемного содержания в потоке природного газа, а также поток продукционного ксенонового концентрата дополнительно очищают от радионуклидов ректификационным, и/или фильтрационным, и/или адсорбционным, и/или абсорбционным, и/или химическим, и/или физико-химическим методами в дополнительных устройствах с дополнительной сертификацией потоков и баллонов перед и после их заполнения продукционным ксеноновым газовым концентратом на содержание и/или активность по радионуклидам.
Для большего объема извлечения ксенонового концентрата каменный уголь возможно предварительно измельчать.
Получение ксенонового концентрата осуществляется на, по меньшей мере, одном этапе от извлечения на месторождении до завершения переработки согласно схемам фиг.1-14, по меньшей мере, одним физическим способом из следующих:
Адсорбция - поглощение вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела.
Абсорбция - поглощение веществ из газовой смеси жидкостями.
Газодиффузионный процесс - процесс переноса массы и процесс перемешивания соприкасающихся газов, происходящий в результате их теплового движения и сопровождающийся выравниванием парциального давления и плотности во всем объеме. Другими словами, газовая диффузия основана на различии скоростей диффузии легких и тяжелых молекул через пористые перегородки. Если диаметры пор малы по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул в газе, то скорость диффузии пропорциональна квадратному корню из молекулярного веса, и следовательно, за перегородкой будет идти обогащение более легким изотопом. Газодиффузионный метод относится к молекулярно-кинетическим методам разделения изотопов. Одним из видов газовой диффузии является масс-диффузия - диффузия в потоке пара и в основном применяется для лабораторного разделения газов. Еще одним из видов газовой диффузии является термодиффузия. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.
Центробежный процесс - процесс разделения смеси газов за счет действия гравитационных или центробежных сил, действующих на атомы и молекулы. Центробежный метод относится к молекулярно-кинетическим методам разделения изотопов. При центрифугировании коэффициент обогащения зависит не от отношения масс атомов разделяемых изотопов, а от их разницы. Процесс реализуется в центрифугах и основан на использовании силовых полей, создаваемых вращающимся ротором. В центрифуге, вращающейся с большой окружной скоростью, более тяжелые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а легкие - у ротора центрифуги. У стенок ротора создается осевая циркуляция за счет газодинамического возбуждения и осевого температурного перепада. Отбор газов производится: с внешней части с тяжелыми изотопами, с внутренней части с легкими изотопами. Соединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов.
1
3
4+
Аэродинамическая сепарация - этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подается под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте, использовалась ЮАР и Германией. Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Вихревой эффект представляет собой эффект энергетического разделения сжимаемых сред в их закрученном потоке. Под средой подразумеваются газы, пары, парогазовые, парожидкостные и другие сжимаемые смеси. Вихревая труба - устройство, предназначенное для реализации вихревого эффекта. В ней реализуется эффект разделения потока газа на холодный и горячий. Разделение потока происходит в цилиндрической или конической камере, газ входит с давлением под определенным углом. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. В настоящее время внедряются вихревые аппараты для подготовки (осушки) попутного нефтяного газа и природного газа. Продуктами разделения являются сухой отбензиненный газ - СОГ (C-C) и широкая фракция легких углеводородов - ШФЛУ (C). Максимальная концентрация ксенона после разделения находится в СОГ, минимальная в ШФЛУ.
Сопловой процесс (процесс Беккера) - процесс, в котором поток газа инжектируется с высокой скоростью в сопло, имеющее большую кривизну. Процесс включает адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, перед подачей газового потока в сопло его закручивают до достижения необходимого центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла. Выходная труба на выходе сепарирует обогащенную фракцию.
Разделение газовых фракций в высокоскоростной струе.
Способ разделения основан на том, что газовая смесь расширяется при низком давлении через сопло, причем на близком расстоянии от выходного отверстия сопла в результате диффузии происходит концентрированно легких компонентов смеси на периферии газовой струи, а тяжелых компонентов - в осевой части потока. На некотором расстоянии от выходного отверстия сопла установлена коническая перегородка с отверстием, ось которого совпадает с осью сопла; перегородка разделяет поток газа на две части: периферийную, обогащенную легким компонентом, и осевую, обогащенную тяжелым компонентом. Достигаемое разделение зависит от ряда факторов: давления газа на входе в сопло, за соплом и за перегородкой; конструкции сопла и перегородки; расстояния между ними. Конфигурация сопла может быть различной; в оптимальных условиях достигаемое разделение мало зависит от устройства сопла. Давление на входе газа обычно лежит в пределах 5-50 мм рт.ст., а отношение давлений перед соплом и за ним порядка 40:1 и более в зависимости от геометрических характеристик сопла. Профиль концентраций в струе слабо изменяется в зависимости от давления за перегородкой, так как процесс разделения в основном завершается на участке между входным отверстием сопла и перегородкой. Фактор разделения в этом процессе пропорционален относительной разности масс разделяемых изотопов, что, как известно, характерно и для других диффузионных процессов разделения.
Производство ксенонового концентрата из природного (попутного) газа (ПГ) при производстве сжиженного природного газа (СПГ).
При производстве СПГ требуется охладить ПГ до низких температур, очевидна целесообразность комбинирования производства СПГ и получением других инертных газов и их концентратов, включая ксеноновый концентрат. Так как установки сжижения природного газа характеризуются значительным потреблением электрической энергии на собственные нужды, также эффективно комбинирование в одной электротехнологической установке (ЭТУ) процессов производства СПГ и электроэнергии.
Представленные схемы и устройства могут быть реализованы как на проектируемых газонефтеперерабатывающих мощностях, включая извлечение углеводородов из газовых гидратов, так и на действующих установках предварительной подготовки природного газа (УППГ), на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ), на производствах синтетических жидких углеводородов (включая технологии GTL), на ожижительных газовых заводах (ОГЗ), на заводах по производству гелия из природного газа.
Таким образом, созданы эффективные способ и высокопроизводительные установки для получения ксенонового концентрата из природного газа, обеспечивающие высокую степень получения ксенона, простой в обслуживании, а также расширение арсенала способов и средств получения ксенона.
При этом в способе и в каждом варианте установки, связанных между собой единым изобретательским замыслом, достигается повышение степени конверсии исходного сырья до 95%, расширение ассортимента продукции из природных газов, получение из природного газа продуктов, имеющих высокую добавочную стоимость, сведены к минимуму потери ксенона в атмосферу, расширена сырьевая база производства ксенона без дополнительного отрицательного влияния на окружающую природную среду, снижена себестоимость ксенона, что открывает возможность для его более широкого применения в технике, а также в медицине как более экологически чистого и безопасного из известных анестетиков.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального легкодоступного современного оборудования, с применением веществ, широко распространенных в промышленности.