ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ГАЗА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ С3+
THERMODYNAMIC SEPARATOR AND METHOD OF HIGH-C3+-CONTENT-GAS PREPARATION

Данное предложение относится к одним из технических решений в области газовой промышленности, а именно к подготовке газа до товарных качеств, соответствующих ОСТ 51.40-93.
При освоении всех типов месторождений углеводородов есть свои трудности и проблемы, как экономического, так и технического характера. Если взять северные районы России, то это труднодоступность, суровый климат, доставка и монтаж технологического оборудования и сопутствующих разработке месторождения необходимых материалов. В центральных и южных районах, несмотря на развитую инфраструктуру, наличие перерабатывающей промышленности и возможность сбыта продукции, разработка малых месторождений зачастую также нерентабельна из-за большой металлоемкости технологического оборудования подготовки газа до товарного качества. Поэтому для освоения малых и средних месторождений необходимо создание блочно-модульных установок заводской готовности с возможностью поставки товарного газа местным потребителям.
На сегодняшний день существует стандартная схема подготовки газа с высоким содержанием углеводородов С3+ (см. фиг.1).
В основу подготовки конденсатосодержащего природного газа заложена низкотемпературная сепарация - Фиг.1. Газ 1 сначала подается во входной сепаратор 8, как правило, совмещенный с пробкоуловителем для отбивки капельной жидкости и улавливания залповых выбросов. Затем производится предварительное охлаждение сырого газа (теплообменник 10 сырой газ - подготовленный газ) для получения более низкой температуры в низкотемпературном блоке подготовки газа. В зависимости от технологии и глубины извлечения жидких углеводородов допускается использование дополнительно еще одной ступени сепарации, после которой газ направляется в блок низкотемпературной сепарации, который состоит из блока эжекторов 11 (или детандеров) и низкотемпературного сепаратора 12 - при охлаждении газа в блоке эжекторов (или детандеров) происходит выпадение углеводородов С3+, которые затем отбиваются в сепараторе 12. Газ подается потребителю 2, а отсепарированные жидкие углеводороды 4 проходят дополнительную подготовку 9. В разделительных емкостях 13 происходит отделение конденсата, водометанольного раствора 3, 5 и частичная дегазация. В зависимости от особенности технологического процесса может использоваться несколько ступеней разделителей. В дальнейшем конденсат может подвергаться частичной (деэтанизации) или полной стабилизации. При деэтанизации за счет нагрева конденсата извлекаются в газообразном виде метан, этан 7. Затем деэтанизированный конденсат поступает на переработку.
Отрицательные стороны данной технологии:
- для подготовки больших объемов газа используются крупногабаритные аппараты с большой пропускной способностью и соответственной эффективной степенью сепарации и разделения фаз, что в свою очередь приводит к большим капитальным вложениям;
- для соблюдения температурных параметров и регулирования степени извлечения жидких углеводородов используются крупногабаритные блоки теплообменников.
Достаточно много предлагается и существует конструкций сепараторов для очистки природного (попутного нефтяного) газа от капельной жидкости и механических примесей (А.И.Скобло, Ю.К.Молоканов, А.И.Владимиров, В.А.Щелкунов «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ И НЕФТЕХИМИИ». - М.: НЕДРА, 2000 [1]). Конструкции данных аппаратов представляют собой, как правило, корпус цилиндрический (вертикальный или горизонтальный), вход газа, выход газа, выход жидкости, внутренние элементы (центробежные, инерционные, фильтрационные и т.д.).
Признаки известных устройств, совпадающих с признаками данного технического решения, заключаются в наличии входного, выходных и сливных патрубков, использовании центробежных сил для улавливания жидкой фазы и осаждении жидкой фазы и механических примесей за счет силы тяготения, с последующим отводом из устройств.
Основным недостатком всех этих устройств является низкая эффективность очистки газа и габариты. Чем больший объем газа необходимо очистить, тем больше габариты сепаратора. При резком увеличении входящего потока газа возможен подхват и унос жидкой фазы, не успевшей осесть в отстойную (накопительную) зону.
Близким вариантом является устройство для разделения газожидкостных смесей (патент РФ на изобретение №2260467, МПК B01D 19/00, 2004 [2]), состоящее из цилиндрического корпуса с коаксиально установленными внутри корпуса входной и выходной трубами, завихрителя, диспергатора жидкостных пробок. Патрубок ввода смеси переходит в камеру расширения и конфузором, начало и конец трубы выполнены коноидальными, а начало трубы размещено в конфузоре камеры расширения. Между входной и выходной трубами установлена промежуточная труба, в стенке которой выполнены последовательно расположенные тангенциальные, продольные и кольцевая щели. Вокруг этих щелей размещены стабилизаторы в виде коаксиальных труб. Патрубки отвода жидкости установлены в камере расширения и за камерой расширения.
Причина, препятствующая получению технического результата, который обеспечивается заявленным техническим решением, заключается в том, что достаточно мелкодисперсные капли жидкости, а также тяжелые углеводороды (С5+) выделить из газа невозможно из-за несовершенства конструкции и уноса их потоком газа. Данное устройство применимо только в виде первичного (входного) сепаратора.
Близким по аналогии является устройство, содержащее сопло с форкамерой с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, на выходе сопла сверхзвуковой или дозвуковой диффузор с средством для отбора жидкой фазы. В диффузоре расположено средство для спрямления закрученного газового потока (патент РФ на изобретение №2167374, МПК F25J 3/06, 2005 [3]).
Недостатком указанного устройства является конструктивное решение по отбору жидкости из диффузора, а также расположение диффузора непосредственно после сопла. В первом случае в связи с высокой скоростью потока отбор жидкости через перфорированные отверстие будет затруднителен и появляется большая вероятность проскока газа. Во втором - при прохождении газового потока сужающего устройства произойдет резкое снижение температуры и увеличение скорости потока, а сразу же после расширения будет наблюдаться обратный процесс, т.е. выделение из газа тяжелых углеводородов С5+ в начальном этапе, а затем сразу же будет наблюдаться обратный процесс.
Задача изобретения - максимально увеличить качество сепарации (подготовка газа до ОСТ 51.40-93) и извлечение из газа углеводородов С3+.
В результате применения термодинамического сепаратора повышается эффективность подготовки газа до требований ОСТ 51.40-93.
Данный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в термодинамическом сепараторе (фиг.2), состоящем из корпуса 31, входного 22 и выходного 21 патрубков, патрубка для слива жидкости 23, патрубка входа низконапорных газов 24, средства для закрутки газа (завихрителя) 25, сопла 26, приемной камеры 20, калиброванного зазора между соплом и камерой смешения 27, камеры смешения 28, диффузора 30, имеющий с камерой смешения калиброванный зазор 29 для отвода жидкости, за счет термодинамических свойств газа и особенности конструкции достигается максимальное извлечение из газа компонентов С3+ с попутной утилизацией низконапорных газов.
Работа сепаратора заключаются в следующем:
На вход аппарата 22 подается газовая смесь, поступающая с давлением 7,5-13 МПа. Рабочая среда (природный газ) перед контактом с эжектируемым потоком (газ из разделительной емкости) разгоняется до скорости, превышающей звуковую, предварительно получая вращение в завихрителе 25 перед соплом 26. Закрученный поток активного газа поступает в приемную камеру 20, куда подается пассивная среда через патрубок 24. В результате наличия вязкостного трения на границе рабочей струи образуется струйный турбулентный пограничный слой (результат захвата - эжекции пассивной среды). Через этот слой происходит обмен энергиями между активным и пассивным потоками. Струя рабочей среды, окруженная струйным турбулентным пограничным слоем, нарастающим вниз по течению и сопровождающим ее, не захваченный еще пограничным слоем поток пассивной среды из приемной камеры 20 поступают в камеру смешения 28. В камере смешения 28 продолжается интенсивный обмен энергиями между активным и пассивным потоками, выравнивание профиля скоростей с некоторым повышением статического давления потока по течению. Также происходит интенсивное снижение температуры потока газа за счет увеличения его скорости до величин, близких к скорости звука. Требуемая скорость газа и величина перепада давлений в сопле 26 активного газа зависят от заданной глубины осушки товарного газа и определяются расчетом по известным соотношениям газовой динамики. Снижение температуры движущегося с высокой скоростью потока газа сопровождается конденсацией жидкости из газовой фазы. По мере движения вдоль камеры смешения 28 активный поток замедляется, а пассивный разгоняется. Смешанный поток из камеры смешения 28 поступает в диффузор 30, где происходит его торможение, сопровождающееся дальнейшим возрастанием статического давления до величины, определяемой сопротивлением оборудования, в которое нагнетается смешанная среда. За счет придания активному потоку вращательного движения жидкость благодаря центробежным силам отбрасывается к стенкам камеры смешения. Перед началом конической части диффузора 30 производится отвод сконденсировавшейся жидкой части через калиброванный зазор 29 между камерой смешения 28 и диффузором 30 в накопительную емкость. Снижение давления в емкости обеспечивается эжектированием части газов дегазации на вход камеры смешения 9 термодинамического сепаратора. По мере движения потока газа вдоль диффузора 30 происходит повышение как давления, так и температуры газа. При этом температура газа на выходе 21 из аппарата превышает температуру гидратообразования, что обеспечивает значительную экономию метанола по сравнению, например, с обычными схемами подготовки газа.
Габаритные размеры аппарата зависят от требуемого расхода и состава газа. Все элементы могут изготовляться промышленно.
Нами предлагается два варианта способа подготовки газа с высоким содержанием С3+ до товарного качества с использованием термодинамического сепаратора (фиг.3, 4).
Вариант 1. Согласно схеме (фиг.3) природный газ 40 с температурой - 10°С+30°С и давлением 7,5-13 МПа поступает сначала на вход рекуперативного теплообменника 41, где происходит его частичное охлаждение жидкой фазой 45, выделившейся в результате использования термодинамических свойств газа в сепараторе 49. После сепаратора 49 подготовленный газ до ОСТ 51.40-93 подается потребителю 42. Выделившиеся жидкая фаза 45 поступает в теплообменник 41 и направляется 43 в разделительную емкость 50, где за счет разности плотностей происходит разделение на конденсат 47 и водометанольный раствор 48. В процессе разделения жидких фаз происходит дегазация конденсата. Выделившийся газ 44 за счет процесса эжектирования в термодинамическом аппарате утилизируется 46.
Вариант 2. Согласно схеме (фиг.4) природный газ 40 с температурой -10°С+30°С и давлением 7,5-13 МПа поступает в термодинамический сепаратор 49. После сепаратора 49 подготовленный газ до ОСТ 51.40-93 подается потребителю 42. Выделившаяся жидкая фаза 45 поступает в разделительную емкость 50, где за счет разности плотностей происходит разделение на конденсат 47 и водометанольный раствор 486. В процессе разделения жидких фаз происходит дегазация конденсата. Выделившийся газ 44 за счет процесса эжектирования в термодинамическом сепараторе утилизируется. Для исключения образования газовых гидратов разделительная емкость выполняется с обогревом, где для обогрева используется теплоноситель 51, 52.