СПОСОБ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD FOR FRACTIONATING OF NATURAL GAS

Изобретение относится к способам фракционирования природного газа путем предварительной осушки и очистки от сернистых соединений с последующей низкотемпературной конденсацией и ректификацией газа с выделением этановой фракции, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), гелиевого концентрата и метановой фракции и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей промышленности.
Известен способ фракционирования природного газа, представленный в описании работы установки низкотемпературного разделения углеводородных газов, включающий предварительную адсорбционную осушку и очистку от сернистых соединений, последующую низкотемпературную конденсацию и ректификацию осушенного и очищенного газа с выделением из него этановой фракции, ШФЛУ, гелиевого концентрата, метановых фракций среднего и низкого давления. При этом метановая фракция среднего давления (МФСД) направляется на компримирование до требуемого давления и далее подается в магистральный трубопровод, а метановая фракция низкого давления (МФНД) подлежит утилизации, например сжигается на факеле [патент РФ №32583, опубл. 20.09.2003].
Недостатком известного способа являются значительные потери ценного компонента природного газа - метановой фракции при сжигании ее на факеле.
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является применяемый на гелиевом заводе ООО «Оренбурггазпром» способ фракционирования природного газа, включающий адсорбционную осушку природного газа и очистку его от сернистых соединений, последующую низкотемпературную конденсацию и ректификацию осушенного и очищенного газа с целью получения этановой фракции, ШФЛУ, гелиевого концентрата и метановых фракций среднего и низкого давления [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. Москва, «Недра», 1998, с.164-167]. Природный газ поступает на очистку от сероводорода и углекислого газа растворами аминов, а затем на очистку от меркаптанов и осушку его на цеолитах. Очищенный и осушенный газ поступает в гелиевый блок на низкотемпературную конденсацию и ректификацию с получением товарного газа (метановой фракции среднего давления), этановой фракции, широкой фракции легких углеводородов и гелиевого концентрата. В процессе выделения гелиевого концентрата в качестве побочного продукта получают метановую фракцию низкого давления (МФНД), подлежащую последующей утилизации. Утилизация метановой фракции низкого давления может производиться путем использования ее в качестве топлива для производства электрической и тепловой энергии, либо сжиганием ее на факеле, либо компримированием в метановую фракцию среднего давления для направления в магистральный газопровод.
3
Недостатком известного способа является сложность утилизации метановой фракции низкого давления, заключающаяся в том, что тепловые характеристики полученной метановой фракции низкого давления недостаточны для использования ее в качестве топливного газа для выработки тепловой и электрической энергии на расположенной рядом с Гелиевым заводом ТЭЦ вследствие ее низкой теплоты сгорания (в среднем 26,8 МДж/м). Сжигание МФНД на факеле приводит к неоправданным потерям ценного компонента природного газа (метана) и загрязнению окружающей среды, а компримирование МФНД в товарный газ перед подачей в магистральный газопровод требует значительных затрат электроэнергии для дожатия фракции с 0,27 МПа до давления в магистральном газопроводе - 5,5 МПа.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности утилизации получаемой метановой фракции низкого давления путем применения ее в качестве топливного газа.
3
Поставленная задача в способе фракционирования природного газа, включающем адсорбционную осушку и очистку газа, последующую низкотемпературную конденсацию и ректификацию осушенного и очищенного газа с выделением этановой фракции, широкой фракции легких углеводородов, гелиевого концентрата, метановых фракций среднего и низкого давления, решается за счет того, что часть осушенного и очищенного газа перед его низкотемпературной конденсацией и ректификацией отводят и смешивают с потоком метановой фракции низкого давления в соотношении 2,3-2,5:1, обеспечивающем теплоту сгорания полученной смеси при стандартных условиях не менее 32,5 МДж/м.
При проведении поиска патентной и другой научно-технической информации не были выявлены источники, в которых приведены сведения о технических решениях, содержащих отличительные признаки заявляемого способа. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
2+высшие
3
Технический результат, получаемый от смешивания части осушенного и очищенного газа с метановой фракцией низкого давления в соотношении 2,3-2,5:1, состоит в обеспечении возможности изменения содержания компонентов смеси в сторону увеличения доли насыщенных углеводородов С, обладающих более высокой теплотворной способностью, и получении смеси, обладающей более высокой калорийностью за счет увеличения ее низшей теплоты сгорания при стандартных условиях (температура - 20°С, давление - 0,1 МПа) до 32,5 МДж/м и более. Данная теплотворная способность является минимально необходимой для реализации газа в качестве топливного согласно требованиям ГОСТ 5542-87 "Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения". Таким образом, обеспечение необходимой теплотворной способности смеси метановой фракции низкого давления с осушенным и очищенным газом позволяет реализовать МФНД, получаемую как побочный продукт при осуществлении процесса низкотемпературной конденсации и ректификации, в качестве топлива для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ без применения дополнительного специального оборудования.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа фракционирования природного газа критерию «изобретательский уровень».
На чертеже приведена блок-схема установки, иллюстрирующая предлагаемый способ фракционирования природного газа.
Способ осуществляют следующим образом.
Сырьевой газ по линии 1 поступает в отделение 2 адсорбционной осушки и очистки природного газа, где происходит адсорбция цеолитом NaX паров воды, сернистых соединений и углекислого газа. Основная часть осушенного и очищенного газа направляется по линии 3 на блок 4 низкотемпературной конденсации и ректификации, где газ конденсируют за счет дроссельного эффекта и снижения температуры и последовательно выделяют метановую фракцию среднего давления (товарный газ), этановую фракцию, ШФЛУ, гелиевый концентрат и метановую фракцию низкого давления, как отход конечной стадии получения гелиевого концентрата. Этановая фракция по линии 5, ШФЛУ по линии 6 и гелиевый концентрат по линии 7 направляются на дальнейшую переработку. Метановая фракция среднего давления направляется по линии 8 в магистраль товарного газа. Метановая фракция низкого давления по линии 9 отводится с блока 4. По линии 10 в метановую фракцию низкого давления подается часть осушенного и очищенного природного газа, отбираемого с линии 3. Происходит их смешивание и полученная смесь по линии 11 подается в линию подачи газа 12 потребителю 13 в качестве топлива.
Пример. Проводили исследования предлагаемого способа с целью определения оптимальных соотношений полученной газовой смеси для достижения минимально необходимой теплотворной способности в соответствии требованиям НТД к топливному газу. В таблице представлены компонентные составы:
- осушенного и очищенного от сернистых соединений газа перед его низкотемпературной конденсацией и ректификацией (гр.3),
- МФНД - побочного продукта при получении гелиевого концентрата, выделяемого путем низкотемпературной конденсации и ректификации из природного газа (гр.4),
- смеси МФНД с осушенным и очищенным газом, полученные для использования в качестве топливного газа, при различных соотношениях (гр.5-7).
Кроме того, в таблице на основании проведенных расчетов приведены значения теплотворной способности представленных составов.
Таблица
Компонентный состав, показатели
Един. измер.
Осушенный и очищенный газ
МФНД
Смесь осушенного и очищенного газа с МФНД при объемном соотношении:
2:1
2,3:1
2,5:1
1
2
3
4
5
6
7
Азот
% об.
4,418
20,078
9,636
9,162
8,891
Метан
% об.
88,142
79,507
85,250
85,512
85,662
Этан
% об.
4,554
0,384
3,163
3,290
3,362
Пропан
% об.
1,860
0,031
1,250
1,306
1,337
Изобутан
% об.
0,279
<0,005
0,188
0,196
0,201
Норм. бутан
% об.
0,499
<0,005
0,334
0,349
0,358
Изопентан
% об.
0,139
<0,005
0,094
0,098
0,101
Норм. пентан
% об.
0,108
<0,005
0,074
0,077
0,079
Σ гексанов
% об.
<0,005
<0,005
<0,005
<0,005
<0,005
кислород
% об.
<0,005
<0,005
<0,005
<0,005
<0,005
Теплота сгорания (при 20°С и 0,1 МПа)
МДж/м<sup>3</sup>
35,03
26,85
32,30
32,55
32,69
2+высшие
3
3
Как видно из таблицы, смесь осушенного и очищенного газа с МФНД отличается более высоким содержанием углеводородов С (с 5,114% об. в гр.5 до 5,447% об. в гр.7) по сравнению с МФНД (0,415% об. в гр.4). Однако при соотношении 2:1 (гр.5) смесь обладает недостаточно высокой теплотой сгорания (32,3 МДж/м) относительно минимально необходимой для реализации газа в качестве топливного (32,5 МДж/м). Таким образом, оптимальным соотношением осушенного и очищенного газа и МФНД в их смеси является соотношение 2,3-2,5:1, при котором достигается необходимая теплотворная способность полученной смеси, требующаяся для утилизации МФНД в качестве топливного газа (гр.6-7). Дальнейшее увеличение содержания в смеси осушенного и очищенного газа экономически нецелесообразно.
Использование предлагаемого способа фракционирования природного газа обеспечивает не только более полную утилизацию МФНД в составе полученной смеси, но и получение дополнительного полезного продукта - топливного газа для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. При этом исключаются значительные затраты электроэнергии на дожатие МФНД в случае ее компримирования в МФСД или неоправданные потери ценного компонента природного газа (метана) при сжигании МФНД на факеле, загрязняющие окружающую среду.