УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, конкретно, к технике утилизации попутного нефтяного газа путем разделения его компонент в дистилляционных колоннах. Полезная модель направлена на обеспечение энергетической независимости установок, улучшения качества разделения и снижения затрат на изготовление и эксплуатацию установок.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве холодильника для охлаждения конденсаторов дистилляционных колонн используют термоакустический тепловой насос. Отличительной особенностью изобретения является использование нетоварных фракций попутного нефтяного газа в качестве топлива для термоакустического двигателя, входящего в состав теплового насоса, а также тепловых выбросов термоакустического двигателя для нагревания испарителей дистилляционных колонн.
Российская Федерация обладает значительными запасами попутного нефтяного газа. Проблема утилизации попутного нефтяного газа весьма актуальна. Известны следующие способы утилизации попутного нефтяного газа:
- Адсорбционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- Сепарация компонентов нефтяного попутного газа путем сжижения
- Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- Мембранная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- Переработка попутных нефтяных газов пиролизом
- Переработка попутного нефтяного газа в пропанобутановые кристаллогидраты
Существующие способы и устройства для утилизации попутного нефтяного газа представлены в следующих базовых патентах:
Адсорбционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- RU 2338734 - СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ С ИЗ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
- RU 2342980 - АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОСУШКИ ГАЗОВ
- US 4370156 - Process for separating relatively pure fractions of methane and carbon dioxide from gas mixtures
- US 4741745 - Process for separation of carbon dioxide from other gases
- US 2806552 - Absorption process
- US 5269833 - Process for cleaning a stream of crude gas or waste gas
- US 5861051 - Process for removing carbon dioxide from gas mixture
- US 6364933 - Apparatus for use with a natural gas dehydrator
- US 4498911 - Simultaneous removal of water and hydrogen sulfide from gaseous carbon dioxide
- US 4261716 - Apparatus for recovering hydrocarbons from air-hydrocarbon vapor mixtures
Недостатком данного способа является необходимость регенерации используемых дополнительных химических веществ.
Сепарация компонентов нефтяного попутного газа путем сжижения
- RU 2340841 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
- RU 2047061 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
- RU 1553018 - Способ разделения газового потока под высоким давлением
- RU 2324871 - СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
- RU 2318167 - СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ И СЕПАРАЦИИ НЕФТЯНОГО ПОПУТНОГО ГАЗА
- RU 2272972 - СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
- RU 2004102104 - СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
- RU 2297267 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
- RU 2225971 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
- US 4356014 - Cryogenic recovery of liquids from refinery off-gases
- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process
- US 4878932 - Cryogenic rectification process for separating nitrogen and methane
- US 4654047 - Hybrid membrane/cryogenic process for hydrogen purification
- US 4923493 - Method and apparatus for cryogenic separation of carbon dioxide
- US 4012212 - Process and apparatus for liquefying natural gas
- US 4548618 - Process and apparatus for the separation of a mixture of gases
- US 4312652 - Process for fractionation of a gaseous mixture
- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process
- US 5041149 - Separation of nitrogen and methane with residue turbo-expansion
- US 7337631 - Use of cryogenic temperatures in processing gases
- US 4851020 - Ethane recovery system
- US 4061481 - Natural gas processing
- US 4596588 - Selected methods of reflux-hydrocarbon gas separation process
Недостатком данного способа являются большие энергетические затраты на сжижение.
Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- RU 2147916 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА
- RU 2277961 - СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
- US 4753666 - Distillative processing of CO.sub.2 and hydrocarbons for enhanced oil recovery
- US 4732598 - Dephlegmator process for nitrogen rejection from natural gas
- US 4230469 - Distillation of methane from a methane-containing crude gas
- US 4318723 - Cryogenic distillative separation of acid gases from methane
- US 4383842 - Distillative separation of methane and carbon dioxide
- US 3983711 - Plural stage distillation of a natural gas stream
- US 4936887 - Distillation plus membrane processing of gas streams
- US 4404008 - Combined cascade and multicomponent refrigeration
- US 4350511 - Distillative separation of carbon dioxide from light hydrocarbons
- US 4869740 - Hydrocarbon gas processing
- US 4278457 - Hydrocarbon gas processing
- US 4519824 - Hydrocarbon gas separation
- US 4687499 - Process for separating hydrocarbon gas constituents
- US 4545895 - Fractional distillation
- US 4657571 - Process for the recovery of heavy constituents from hydrocarbon gaseous mixtures
- US 5685170 - Propane recovery process
- US 4203741 - Separate feed entry to separator-contactor in gas separation
- US 4617039 - Separating hydrocarbon gases
- US 4846863 - Separation of hydrocarbon mixtures
- US 4056444 - Vacuum separation of mixtures with similar boiling points
- US 4312652 - Separation system
- US 4158556 - Nitrogen-methane separation process and system
- US 4747858 - Process for removal of carbon dioxide from mixtures
- US 4149864 - Separation of carbon dioxide and other acid gas components from hydrocarbon feeds
- US 5442924 - Liquid removal from natural gas
- US 4061481 - Natural gas processing
- US 4657571 - Process for the recovery of heavy constituents from hydrocarbon gaseous mixtures
- US 5566554 - Hydrocarbon gas separation process
- US 4666483 - Method and installation for recovering the heaviest hydrocarbons
Недостатком данного способа является необходимость использования высоких давлений, что увеличивает металлоемкость и понижает надежность изделия.
Мембранная сепарация компонентов нефтяного попутного газа
- RU 2144842 - АСИММЕТРИЧНАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
- RU 2121393 - МЕМБРАННЫЙ РУЛОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И ПАРОВ
- RU 2126290 - МЕМБРАННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ
- RU 2026725 - МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ
- RU 2077373 - СПОСОБ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
- US 4936887 - Distillation plus membrane processing of gas streams
- US 4645516 - Enhanced gas separation process
- US 4732583 - Gas separation
- US 5352272 - Gas separations utilizing glassy polymer membranes at sub-ambient temperatures
- US 4119417 - Gas separator
- US 4654047 - Hybrid membrane/cryogenic process for hydrogen purification
- US 5032148 - Membrane fractionation process
- US 5129921 - Membrane gas separation process and apparatus
- US 4264338 - Method for separating gases
- US 4701187 - Process for separating components of a gas stream
- US 6128919 - Process for separating natural gas and carbon dioxide
- US 4952219 - Membrane drying of gas feeds to low temperature units
- US 5240472 - Moisture removal from a wet gas
- US 5772733 - Natural gas liquids (NGL) stabilization process
- US 5089033 - Process for removing condensable components from gas streams
- US 6128919 - Process for separating natural gas and carbon dioxide from a raw feed stream
- US 5964923 - Natural gas treatment train
Недостатком данного способа является низкая производительность. Переработка попутных нефтяных газов пиролизом
- RU 2330058 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
- RU 2188846 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
Недостатком данного способа является невозможность получения товарного моторного топлива.
Переработка попутного нефтяного газа в пропанобутановые кристаллогидраты
- RU 2319083 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗА ПРИ РАЗРАБОТКЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Недостатком данного способа является сложность и невозможность получения товарной продукции.
Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа в колоннах разделения обладает наилучшим сочетанием производительности и качества разделения компонент, однако требует подвода внешней энергии для привода холодильников для охлаждения конденсаторов дистилляционных колонн и нагревания испарителей дистилляционных колонн. Настоящее изобретение имеет целью создание энергетически автономных установок для разделения компонентов попутного нефтяного газа.
Прототипом изобретения является патент RU 2147916 - «Способ разделения компонентов природного газа». Как и в прототипе, в изобретении используется техника разделения компонентов попутного нефтяного газа в дистилляционных колоннах. Прототип использует традиционную технология дистилляции при высоком давлении, когда температура конденсаторов дистилляционных колонн существенно превосходит температуру окружающей среды. В изобретении используется новая технология дистилляции при низком давлении, когда температура конденсаторов дистилляционных колонн отрицательна. В качестве холодильника для охлаждения конденсаторов дистилляционных колонн используют термоакустический тепловой насос [1] в качестве холодильника для охлаждения конденсаторов дистилляционных колонн.
На первый взгляд кажется, что добавление нового элемента - холодильника усложняет конструкцию установок и делает их неэффективными. Однако, при использовании в изобретении термоакустической технологии обеспечивается энергетическая независимость установок, улучшается качество разделения и снижаются затраты на изготовление и эксплуатацию установок, что создает преимущества над прототипом. Радикальное снижение давления в дистилляционных колоннах позволяет существенно уменьшить металлоемкость изделия и значительно повышает надежность. Использование термоакустических технологий позволяет избежать движущихся механических частей.
Таким образом, технический результат изобретения состоит в обеспечении энергетической независимости установок, улучшения качества продуктов, снижения затраты на изготовление и эксплуатацию установок, уменьшения металлоемкости и значительного повышения надежности.
Товарная продукция установок включает:
- Сжиженный пропан
- Сжиженный бутан
- Сжиженный сероводород
- Жидкая углекислота
- Пропанобутановую смесь (летняя)
- Пропанобутановую смесь (зимняя)
Принципиальная схема термоакустической установки для разделения компонентов попутного нефтяного газа представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных узлов:
1 - Воздухозабор
2 - Воздушный фильтр
3 - Воздуходувка
4 - Дымовая труба
5 - Радиатор водяного охлаждения
6 - Экономайзер
7 - Привод вспомогательного вентилятора
8 - Горелка
9 - Трубопроводы подачи воды
10 - Трубопровод для дымовых газов
11 - Термоакустический двигатель
12 - Линейный электрогенератор
13 - Волновод
14 - Колонны разделения
15 - Теплоизолированный холодный блок
16 - Ввод газа
17 - Осушитель и блок регулировки давления
18 - Термоакустический холодильник
19 - Трубопровод подачи сжигаемого газа
20 - Накопители продуктов разделения
21 - Блок коммутации
22 - Выходной терминал
23 - Аварийный факел
Термоакустический тепловой насос состоит из следующих элементов:
8 - Горелка
11 - Термоакустический двигатель
13 - Волновод
18 - Термоакустический холодильник
Тепловой поток от сжигания нетоварных фракций газа благодаря прямому термоакустическому эффекту преобразуется в термоакустическом двигателе в акустические колебания рабочего газа (сжатого гелия) в волноводе. Колебания рабочего газа в волноводе благодаря обратному термоакустическому эффекту создают в термоакустическом холодильнике тепловой поток обратного знака, охлаждающий попутный нефтяной газ, приводя к сжижению его товарных фракций. Теплообменники конденсаторов колонн разделения охлаждаются с помощью термоакустического холодильника. Температуры конденсаторов и испарителей дистилляционных колонн блока разделения газовых фракций регулируются с целью обеспечения точного разделения компонент газа.
Для нагревания испарителей дистилляционных колонн используют тепловые выбросы термоакустического двигателя, входящего в состав теплового насоса.
Попутный нефтяной газ из осушителя и блока регулировки давления 17 поступает в блок коммутации 21 и далее в колонны разделения, товарные фракции из которых через накопители и блок коммутации поступают на выходной терминал 22. Воздух через воздухозабор 1, воздушный фильтр 2 и воздуходувку 3 поступает в экономайзер 6 и далее в горелку 8 термоакустического двигателя 11. Дымовые газы из горелки 8 термоакустического двигателя 11 поступает в экономайзер 6 и далее в дымовую трубу 4. Дымовая труба 4 оборудована радиатором 5 для отбора тепла у жидкости, служащей для охлаждения термоакустического теплового насоса и терморегулирования испарителей колонн разделения. Колебания рабочего газа в волноводе 13 используются для привода линейного электрогенератора 12, который питает электронную систему управления, вспомогательный вентилятор 7 дымовой трубы и воздуходувку 3. В аварийной ситуации поступающий газ сбрасывается на аварийный факел 23.
Термоакустические установки для разделения компонентов попутного нефтяного газа являются энергетически автономными. В отличие от традиционных установок, они не требуют применения мощных механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов, подвода силового электроснабжения и строительства линий электропередач.
Отсутствие движущихся механических частей, т.е. исключительная простота и надежность, а также их энергетическая автономность позволяет размещать термоакустические установки для сжижения попутного нефтяного газа непосредственно на промыслах.
Простота термоакустических установок обусловлена еще и тем, что в них используется только один вид энергии - энергия сжатого газа и отсутствуют многоступенчатые преобразования одних видов энергии в другие. Энергетическая автономность и простота термоакустических установок для сжижения газа позволяет оптимизировать их расположение в технологической цепочке добычи и переработки нефти и газа.
Список литературы
1. R.Radebaugh, К.М.McDermott, G.W.Swift and R.A.Martin. Development of a thermoacoustically driven orifice pulse tube refrigerator. In Proceedings of the Interagency Meeting on Cryocoolers, page 205. October 24, 1990, Plymouth, MA, David Taylor Research Center, publication 91/003, Bethesda, MD, 1990.