ИНТЕГРАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА

Изобретение относится к технике очистке газа от сероводорода и утилизации попутного нефтяного газа. Полезная модель направлена на получение товарных фракций углеводородов и обеспечение энергетической независимости установок.
Указанный технический результат достигается путем объединения в одной установке реактора каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа, реактора синтеза товарных углеводородов из синтез-газа и термоакустического холодильника для сжижения товарных углеводородов.
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
- Переработка попутного нефтяного газа в синтез-газ.
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.
Переработка попутного нефтяного газа в синтез-газ
- US 7122170 - Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production
- US 4973453 - Apparatus for the production of heavier hydrocarbons from gaseous light hydrocarbons
- US 6402989 - Catalytic partial oxidation process and promoted nickel based catalysts supported on magnesium oxide
- US 5883138 - Rapid injection catalytic partial oxidation process and apparatus for producing synthesis gas
Недостатками данного способа является необходимость в сложных конденсаторах, реакторах для конверсии синтез-газа в товарные продукты и устройствах для разделения компонентов.
В патенте US 7122170 "Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production" (Катализатор для улучшения производства синтез-газа по технологии SPOC) от 2006 г.описан реактор и конденсатор серы для одновременного каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа и серы. Недостатком данного способа является использование традиционного кожухотрубного теплообменника в качестве конденсатора аэрозоля серы, который обладает известными недостатками всех подобных конструкций.
Прототипом изобретения является патент US 7122170 "Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production" (Катализатор для улучшения производства синтез-газа по технологии SPOC) от 2006 г. Как и в прототипе, в изобретении используется реактор и конденсатор серы для одновременного каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа и серы.
В отличие от прототипа, в настоящем изобретении используется аэродинамический охладитель на основе сопла Лаваля, в котором охлаждение достигается за счет адиабатического расширения потока газа в расширяющемся сопле. Завихритель потока обеспечивает отбрасывание капель серы к стенкам сопла, по которым расплавленная сера стекает а сборник.
Поток очищенного от серы синтез-газа поступает в реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа, а затем в термоакустический холодильник, где конденсируются товарные фракции углеводородов, а газообразные примеси к синтез-газу (азот и углекислый газ) отводятся из холодильника.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении полного использования всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа и их превращении в товарные фракции углеводородов.
Термоакустический узел разделения товарных фракций углеводородов и газообразных примесей (азота и углекислого газа) состоит из термоакустического холодильника, приводом которого является термоакустический двигатель, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа.
Принципиальная схема термоакустической установки для получения синтетического пропана путем конверсии всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных блоков:
1 - Дроссель
2 - Реактор каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа
3 - Подвод воздуха
4 - Тепловой экран
5 - Катализатор
6 - Тепловой экран
7 - Завихритель потока
8 - Аэродинамический охладитель
9 - Сборник жидкой серы
10 - Горелка термоакустического двигателя
11 - Реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа
12 - Термоакустический двигатель
13 - Волновод
14 - Воздушный теплообменник
15 - Подвод воздуха
16 - Термоакустический холодильник для сжижения товарных фракций углеводородов
Попутный нефтяной газ смешивается с потоком воздуха 3 и поступает в реактор 2 каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа, имеющий слой катализатора 5 с малым гидравлическое сопротивление, отделенный от объема реактора тепловыми экранами 4 и 6, которые задерживают тепловое излучение горячего катализатора 5. На катализаторе 5 происходит окисление сероводорода с получением частиц серы, а также образование синтез-газа. Поток синтез-газа с расплавленными частицами серы поступает в аэродинамический охладитель 8 на основе сопла Лаваля, в котором охлаждение достигается за счет адиабатического расширения потока в расширяющемся сопле. Завихритель потока 7 обеспечивает отбрасывание расплавленных капель серы к стенкам сопла, по которым расплавленная сера стекает в сборник 9. Из аэродинамического охладителя 8 очищенный поток синтез-газа поступает в реактор 11 синтеза товарных углеводородов из синтез-газа, а затем через воздушный теплообменник 14 - в термоакустический холодильник 16, где конденсируются товарные фракции углеводородов, а газообразные примеси к синтез-газу (азот и углекислый газ) отводятся из холодильника. Приводом термоакустического холодильника 16 является термоакустический двигатель 12, где в горелке 10 сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа, поток которого регулируется дросселем 1. Генерируемая термоакустическим двигателем 12 акустическая энергия поступает в термоакустический холодильник 16 через волновод 13.
Термоакустические установки для получения синтетического пропана из попутного нефтяного газа являются энергетически автономными. В отличие от традиционных установок для утилизации попутного нефтяного газа, 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 утилизации попутного нефтяного газа непосредственно на промыслах или узлах сбора.
Обозначения:
1 - Дроссель
2 - Реактор каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа
3 - Подвод воздуха
5 - Катализатор
6 - Тепловой экран
7 - Завихритель потока
8 - Аэродинамический охладитель
9 - Сборник жидкой серы
10 - Горелка термоакустического двигателя
11 - Реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа
12 - Термоакустический двигатель
13 - Волновод
14 - Воздушный теплообменник
15 - Подвод воздуха
16 - Термоакустический холодильник для сжижения товарных углеводородов