СПОСОБ И УСТАНОВКА АБСОРБЦИОННОГО УЛАВЛИВАНИЯ ЛЕГКИХ ФРАКЦИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
METHOD AND PLANT FOR ABSORPTION EXTRACTION OF HYDROCARBON LIGHT FRACTIONS FROM OIL AND OIL PRODUCTS STORAGE AND TRANSPORTATION TANKS

Изобретение относится к охране окружающей природной среды и может быть использовано на установках подготовки нефти (УПН) для снижения выбросов в атмосферу легких фракций углеводородов (ЛФУ) из сырьевых и товарных резервуаров, а так же из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов. Значительное загрязнение атмосферного воздуха парами УЛФ происходит при заполнении («больших дыханиях») резервуаров.
С момента добычи до непосредственного использования нефтепродукты подвергаются более чем 20 перевалкам, при этом 75% потерь происходит при «больших дыханиях» и только 25% от аварий и утечек.
Основная масса «дышащих» резервуаров сосредоточена на нефтепромыслах, нефтеперекачивающих станциях и резервуарных парках нефтеперерабатывающих заводов. Среднегодовые потери ЛФУ от «больших дыханий» составляют около 0,14% от объема, хранимого в резервуарах нефти или нефтепродукта.
В настоящее время для снижения потерь ЛФУ при хранении нефти и нефтепродуктов применяются различные методы и устройства, газоуравнительные системы, азотное охлаждение, плавающие крыши и понтоны, абсорбционное улавливание паров УЛФ, например, с использованием установок «ЭРЕСТ» (Научно-технический журнал, «Технология ТЭК» №3, июнь, 2006 г.), где для адсорбционного улавливания и рекуперации паров УЛФ используют жидкостно-газовые эжекторы, а в качестве активной рабочей жидкости, находящейся в различных состояниях жидкости, (двухфазной газо-жидкостной смеси) применяют прямогонные фракции нефти: бензин, керосин или дизельное топливо.
Как показала практика, работа таких жидкостно-газовых эжекторов устойчива при значительных колебаниях параметров и фракционного состава отсасываемой из резервуаров паро-воздушной смеси.
Недостатком данного способа улавливания ЛФУ является большой расход рабочей жидкости (бензина, керосина или дизельного топлива) и затраты, связанные с необходимостью осуществлять постоянную десорбцию и подпитку рабочей жидкости.
Кроме того, эффективное повторное использование рабочей жидкости невозможно без применения специального оборудования, а именно десорбционных колонн. нагревательного и холодильного оборудования, сложной системы контроля и автоматики за осуществлением абсорбционных и десорбционных процессов, что сдерживает применение установок типа «ЭРЕСТ» на практике.
3
3
Отличительной особенностью предлагаемого способа улавливания легких фракций углеводородов ЛФУ из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов, включающего использование эжекторов и жидкого углеводородного абсорбента-поглотителя ЛФУ, является то, что в качестве рабочей жидкости используют воду, а в качестве абсорбента используют ловушечную нефть плотностью не менее 0,920 г/см, находящуюся в абсорбере на поверхности воды, при этом процесс растворения ЛФУ в абсорбенте ведут с использованием водоструйного эжектора до тех пор, пока плотность раствора не достигнет 0,800 г/см, после чего с поверхности воды данный раствор отбирают на отстаивание, а абсорбер заполняют свежей порцией абсорбента.
Для осуществления предлагаемого способа улавливания легких фракций углеводородов технологическая схема, включающая сепаратор-абсорбер, буферную емкость, дополнительно содержит водоструйный эжектор, выполненный с возможностью отсоса паровоздушной смеси из сырьевых или товарных резервуаров, сепаратор-абсорбер с абсорбентом, выполненный с возможностью поглощения легких углеводородов и с возможностью выделения из абсорбента паровоздушной смеси с пониженным содержанием ЛФУ, а буферная емкость выполнена с возможностью отделения образующегося раствора абсорбента и ЛФУ заданной плотности из сепаратора-абсорбера и, в виде легкой нефти, отстоявшегося раствора абсорбента и ЛФУ.
Предлагаемый способ и установка абсорбционного улавливания легких фракций углеводородов из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов, с использованием в качестве абсорбента тяжелой ловушечной нефти, наряду с улучшением экологической обстановки на объектах подготовки, хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов, за счет сокращения выбросов УЛФ из газового пространства резервуаров в атмосферу, открывает и новое направление в решении проблемы ликвидации на промыслах нефтесодержащих шламовых амбаров-накопителей ловушечных нефтей - другого опасного источника загрязнения окружающей природной среды.
Использование водо-струйных эжекторов для создания вакуума с применением водной фазы в качестве активной рабочей жидкости известно давно и нашло широкое применение на практике.
Из анализа научной и патентной литературы наиболее близким аналогом заявляемого способа и установки абсорбционного улавливания легких фракций углеводородов из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов является патент RU 2309787 С2, кл. B01D 53/14, опубл. 10.11.2007 (D1), где предложен способ и установка абсорбционного улавливания легких фракций углеводородов из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов, включающий жидкий углеродный абсорбент-поглотитель (дизельное топливо), абсорбер и буферную емкость.
3
3
Однако из анализа научной и патентной литературы не выявлена какая-либо информация о применении эжектора для отсоса паровоздушной смеси из сырьевых и товарных резервуаров, где в качестве рабочей жидкости используют воду, откачиваемую из сепаратора-абсорбера, на поверхности которой в качестве абсорбента используют ловушечную нефть с плотностью не менее 0,920 г/см, при этом сепаратор-абсорбер выполнен с возможностью поглощения-растворения легких углеводородов в абсорбенте и выделения из абсорбента паро-воздушной фазы с пониженным содержанием легких углеводородов, а буферная емкость выполнена с возможностью выделения из образующегося раствора абсорбента и легких углеводородов, с плотностью, равной 0,800 г/см, т.е. плотностью, соответствующей плотности легкой нефти от балласта (эмульгированной воды, частиц механических примесей и т.п.).
Эффективность применения предлагаемого способа абсорбционного улавливания ЛФУ из паро-воздушной смеси с применением в качестве жидкого абсорбента тяжелой уловленной нефти, в сравнении с такими известными абсорбентами, как керосин, дизельное топливо и товарная нефть, была установлена серией определений, проведенных на экспериментальной установке, принципиальная схема которой приведена на рис.1.
3
Экспериментальная установка состоит из двух герметичных емкостей: емкость 1, именуемая далее сепаратором-абсорбером, заполненным водой до заданного уровня (уровня отбора пробы), на поверхности которой находится заданный объем анализируемого абсорбента, и емкость 2, именуемая далее емкостью формирования паро-воздушной фазы, заполненной до заданного уровня легкокипящей фракцией углеводородов - ЛФУ (п. эфиром 40/70 плотностью 0,640 г/см), водоструйного эжектора 3, насоса 4 и газовых счетчиков 5, 6 и 7, при этом газовый счетчик 5 установлен на линии отсасывания эжектором 3 паро-воздушной смеси из емкости 2, газовый счетчик 7 установлен на выходе из сепаратора-абсорбера паро-воздушной смеси обедненной ЛФУ при создании в нем избыточного давления.
При открытых кранах 8 и 9 и включенном на заданную производительность насосе 4, за счет циркуляции потока воды из сепаратора-абсорбера - 1 через эжектор 3 в объем воды, находящейся в сепараторе-абсорбере, с давлением, превышающим пассивное давление паро-воздушной смеси в емкости 2, происходит через газовый счетчик 5 отсос паро-воздушной смеси из емкости 2 и создание в ней вакуума. Последнее способствует тому, что через газовый счетчик 6 в емкость 2 начнет поступать воздух под слой п. эфира 40/70 что, в свою очередь, интенсифицирует в емкости 2 испарение ЛФУ (паров п. эфира 40/70).
При установлении равновесного состояния объем и компонентный состав паро-воздушной смеси, отсасываемой эжектором 3 из емкости 2, постоянно восстанавливается; что позволяет подавать в сепаратор-абсорбер 1 данную смесь в виде водо-паро-воздушной смеси в водную фазу под слой абсорбента практически неограниченное время. При этом в сепараторе-абсорбере в водной фазе происходит выделение нерастворимых в воде пузырьков паро-воздушной смеси, при всплывании и контакте которых с абсорбентом происходит сокращение их объема в результате поглощения-растворения в абсорбенте ЛФУ, что фиксируется показаниями газового счетчика 7, через который из сепаратора-абсорбера 1 выделяется обедненная ЛФУ паро-воздушная смесь.
Таким образом, как следует из рис.1, объем паро-воздушной смеси, поступаемой в сепаратор-абсорбер 1, определяли по показанию газового счетчика 5, объем воздуха, содержащегося в паро-воздушной смеси, определяли по показанию газового счетчика 6, а содержание ЛФУ в паро-воздушной смеси рассчитывали по разности показаний счетчиков 5 и 6. Показания счетчика 7 указывали объем обедненной ЛФУ паро-воздушной смеси, выделяемой из сепаратора-абсорбера 1 в атмосферу, а содержание в данной смеси ЛФУ рассчитывали по разности показаний счетчиков 7 и 6. Объем паровой фазы ЛФУ уловленной-растворенной в абсорбенте расчитывали по разности показаний счетчиков 5 и 7.
3
Учитывая, что процесс абсорбционного поглощения-растворения ЛФУ жидким абсорбентом неразрывно связан с процессом десорбции, т.е. выделением поглощенных абсорбентом ЛФУ из раствора в паровую фазу, то для каждого анализируемого абсорбента с известной плотностью показателем завершения процесса поглощения-растворения ЛФУ в заданном объеме является снижение плотности получаемого раствора до задаваемой постоянной величины, равной 0,800 г/см, что соответствует средне-статистическому значению плотности легкой товарной нефти.
Последнее осуществляли путем отбора через определенные промежутки времени из сепаратора-абсорбера 1 через кран 10 в мерный цилиндр 11 пробы раствора и определения его плотности с помощью ареометра 12. При достижении заданного значения плотности раствора ЛФУ и абсорбента насос 4 отключали, емкость 1 освобождали от воды, раствора ЛФУ и абсорбента и загружали свежей порцией воды и следующим заданным объемом абсорбента. Одновременно с этим в емкости 2 проводили и замену заданного объема п.эфира 40/70.
В каждом опыте перед заполнением сепаратора-абсорбера 1 анализируемым абсорбентом экспериментальную установку настраивали на «холостой» режим работы, а именно на работу насоса 4, без присутствия в емкости 1 абсорбента, при этом уточняли состав паро-воздушной смеси, которая образуется в емкости 2 и которая, за счет вакуума, создаваемого эжектором 3 при открытом кране 9, проходит газовый счетчик 5 и подается в объем водной фазы в сепаратор-абсорбер 1.
3
Учитывая, что компоненты паро-воздушной смеси, образующейся в емкости 2, практически не растворяются в воде, то при установившемся режиме работы экспериментальной установки показания газовых счетчиков 5 и 7 должны быть идентичными. Далее, после установления такого равновесного состояния в сепаратор-абсорбер 1 загружали заданный объем другого анализируемого абсорбента, который для всех опытов был равен 1000 см.
3
В обобщенном виде в табл.1 представлены результаты экспериментов по определению способности проб ловушечной нефти различной плотности, отобранных с поверхности нефтешламовых амбаров, расположенных на объектах ОАО «Самара-нефтегаз», абсорбировать-растворять в себе ЛФУ, в сравнении с аналогичной способностью таких известных жидких абсорбентов, как керосин и товарная нефть плотностью 0,850 г/см.
3
3
3
3
Как следует из данных табл.1, способность абсорбировать-растворять пары ЛФУ  ловушечной нефти существенно (в 1,8 раз) возрастает при повышении их плотности от 0,900 г/см до 0,980 г/см. При этом абсорбционная способность ловушечной нефти, даже с плотностью 0,900 г/м, превышает абсорбционную способность керосина в 4 раза, а дизельное топливо и товарную нефть плотностью 0,850 г/см в два раза.
3
Если сопоставить данные по объемам паро-воздушной смеси , поступающей в сепаратор-абсорбер, и объемам паро-воздушной смеси  на выходе из сепаратора-абсорбера, то при использовании в качестве абсорбента керосина, дизельного топлива или товарной нефти плотностью 0,850 г/см, процесс десорбции - отдувки ЛФУ пузырьками паро-воздушной фазы будет преобладать над процессом абсорбции-растворения ЛФУ в данных абсорбентах, что подтверждается данными табл.1, по % содержанию ЛФУ в паро-воздушной смеси, которые с 70% на входе в сепаратор-абсорбер 1, снижались до 67,3-64,3% на выходе из сепаратора-абсорбера 1, в то время как для ловушечных нефтей, используемых в качестве абсорбентов, в зависимости от повышения их плотности, содержание ЛФУ в паро-воздушной фазе на выходе из сепаратора 1 снижалось до 54,7 до 19,9%.
Если принять молекулярную массу ЛФУ (п.эфира 40/70 - смесь нормальных углеводородов С5-С6) равным 75 г, а объем пара, образующегося при испарении одной грамм-молекулы, равным 22,4 л, то нетрудно подсчитать, что при использовании для улавливания ЛФУ в качестве абсорбента ловушечной нефти в объеме 1 л, масса которой может колебаться в пределах 900-980 г, то в предлагаемом способе масса улавливаемых ЛФУ будет колебаться в пределах 680-1030 г, что в среднем соответствует соотношению масс «абсорбент-ЛФУ» как 1:1.
3
3
При реализации предлагаемого способа улавливания ЛФУ на практике это означает, что для снижения в сепараторе-абсорбере в качестве абсорбента ловушечной нефти плотностью 0,920 г/см за счет абсорбции-растворения в ней ЛФУ до получения в абсорбере плотности раствора, равного 0,800 г/см, то каждым объемом, находящимся в сепараторе-абсорбенте ловушечной нефти, будет улавливаться и абсорбироваться примерно равный объем (в пересчете на жидкость) легких углеводородных нефтяных фракций.
На рис.2 представлена принципиальная технологическая схема абсорбционной установки, которая позволяет на практике реализовать предлагаемый способ улавливания ЛФУ из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов.
Данная установка, включающая сепаратор-абсорбер 1, буферную емкость 2, отличается тем, что дополнительно включает водоструйный эжектор 3, выполненный с возможностью с помощью циркулирующего водяного насоса 4, отсоса по линии 5 паро-воздушной смеси из сырьевых и товарных резервуаров, а сепаратор-абсорбер с адсорбентом, выполненный с возможностью поглощения ЛФУ и с возможностью постоянного выделения из абсорбента паро-воздушной фазы с пониженным содержанием ЛФУ и их вывод через свободное пространство буферной емкости 2 и емкости с исходным абсорбентом 8 на свечу рассеивания 10, а буферная емкость 2 выполнена с возможностью постоянного осаждения в ней из раствора абсорбента и ЛФУ, в виде осадка, эмульгированной воды и частиц механических примесей, и позволяющей производить через плавающий заборник 6 постоянный отбор из буферной емкости 2 в виде легкой нефти отстоявшийся раствор абсорбента и ЛФУ, в емкость приема легкой нефти 7.
Осевший в буферной емкости 2 осадок периодически сбрасывают в емкость приема осадка 11, который направляют на переработку, например, смешиванием с негашеной известью в порошкообразный гидрофобный продукт, используемый в дорожном строительстве.
Таким образом, применение предлагаемого способа и установки абсорбционного улавливания легких фракций углеводородов из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов, исключающих использование дорогостоящего нагревательного и холодильного оборудования и процесса рециркуляции абсорбента, позволяет при минимальных затратах существенно снижать выбросы в атмосферу легких углеводородов и открывает возможность рационального использования значительных объемов ловушечных нефтей, являющихся до сих пор на объектах нефтедобычи одним из серьезных источников загрязнения окружающей природной среды.