Дипломная работа: Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения)

Высокие уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух отмечались до 1993 года. В дальнейшем валовые выбросы вредных веществ уменьшились в 3,5 раза, что обусловило снижение загрязнения атмосферы по сероводороду в 31,0 раз, диоксиду азота – в 32,4 раза, диоксиду серы – в 27,7 раз.

В результате выбросов в атмосферу серосодержащих соединений происходит закисление поверхностных водоемов региона. По суммарному показателю загрязненность воды рек и балок и природных осадков сульфатами, хлоридами, фенолами, нефтепродуктами, марганцем, хромом, свинцом, медью, стронцием, распространяются по господствующей розе ветров на расстоянии 2,0 км и характеризуются очень высокой степенью загрязненности. С увеличением расстояния от месторождения (до 15 км) степень загрязнения водоемов и придонных отложений химическими веществами уменьшается до умеренной и допустимой, где концентрации фенолов, нефтепродуктов, марганца, хрома, стронция, снижается до 1,0-2,0 ПДК, что говорит об уменьшении влияния выбросов КНГКМ.

Исследования качества питьевой воды населенных пунктов КНГКМ показали, что по суммарному показателю загрязненности питьевой воды (хлориды, сульфаты, железо, фтор, кальций, магний) характеризуются от слабой степени – п. Алга, Жарсуат, Успеновка, Александровка, до умеренной – г. Ажай, п. Приуралье, Жанаталап, Бестау, Березовка, Карачаганак.

В большинстве населенных пунктов население использует питьевую воду с высокой жесткостью (до 14,6-32,4 мг-экв/л при норме 7,0). В ряде населенных пунктов (г. Аксай, п. Приуральное) отмечена высокая сульфатная нагрузка через кожу на организм (до 2,7-3,4 ПДК), хлоридная – 2,3-4,0 ПДК (п. Дмитриево, Карачаганак, Тунгум). В этой связи потребление воды по сульфатам магния и кальция, хлоридам превышает пороговые концентрации, рекомендованные ВОЗ (Всемирной Организацией Здравоохранения), соответственно в 2,0-6,0 и 1,5-2,8 раза.

Проведенные ранее исследования (У.И.Кенесарцев, 1991-1992 годы) показали, что в пользу формирования биогеохимической провинции свидетельствуют данные о повышенном содержании металлов в почве и растительности населенных пунктов региона КНГКМ, по мере удаления от месторождения, концентрации которых снижались /39/.

Аналогичные данные о накоплениях металлов в почве и растительности, в зависимости от месторождения получены и в 1995 году.

Динамичные исследования (1990, 1991, 1995 гг.) почв показали, что наибольшая степень загрязнения металлами (медь, цинк, кадмий, кобальт, никель, свинец) отмечается по господствующей розе ветров на расстоянии 12,0-13,0 км от месторождения, наименьшая – на расстоянии 1,0-6,5 км и контрольной точке – п.Александровка – 50,0 км (по негосподствующей розе ветров).

Изменения в окружающей среде, вызванные антропогенным воздействием и природным содержанием химических веществ, являются причиной накопления в организме населения тяжелых металлов.

Изучение содержания металлов в цельной крови жителей некоторых населенных пунктов региона КНГКМ показало, что наибольшие концентрации металлов обнаружены в крови населения, проживающего по господствующей розе ветров.

Несмотря на то, что в большинстве населенных пунктов (по господствующей розе ветров) отмечено повышенное содержание железа в ряде пищевых продуктов, содержание железа в крови жителей было значительно ниже.

Низкое содержание железа в крови населения КНГКМ, возможно, связано с повышенным содержанием в организме таких металлов, как цинк, медь, кадмий, ухудшающих усвоение железа.

В регионе КНГКМ, при всей серьезности экологических проблем, население больше волнуют социальные проблемы, как высокая стоимость жизни, безработица, нерегулярные выплаты зарплаты, пенсий, пособий.

Исследования, приведенные Казахским государственным медицинским университетом им. С.Д. Асфендиярова, свидетельствуют о необходимости проведения углубленных исследований окружающей природной и производственной среды региона КНГКМ.

1.3.3 Характеристика вредных газообразных выбросов в атмосферу

К основным источникам поступления вредных веществ в атмосферу на Карачаганакском месторождении относятся: установка комплексной подготовки газа (УКПГ), газовые скважины при их разгерметизации и продувках, газоконденсатопроводы и другие. Удельный вклад каждого источника в общий баланс загрязнений неоднозначен по объему, составу, структуре, свойствам, экологической и санитарно-гигиенической значимости.

Основные источники на площади месторождения расположены весьма неравномерно.

Обстоятельное изучение каждого отдельного производственного объекта, основных источников выбросов, состава, количества и свойства загрязнителей позволило подразделить все производственные объекты по степени экологической опасности их для загрязнения атмосферы в соответствии с рисунком 6. Из рисунка видно, что уровень загрязнения воздушного бассейна в пределах Карачаганакского месторождения определяется выбросами вредных веществ производственными объектами УКПГ, УБР и Трансгаза.

В структуре объектов более 25 типов загрязняющих источников, характеризующихся неодинаковой интенсивностью, температурой, составом, структурой и свойствами веществ-загрязнителей. Более сложные по составу загрязнения поступают в атмосферу от технологических установок по осушке и подготовке газа (УКПГ); при продувке скважин, при выпуске и сжиганий газа на свечах (при ремонтных работах на трубопроводах); из факелов и амбаров. Все опасные загрязнители образуются, в большинстве случаев, при сжигании газа и конденсата. При этом в больших объемах в воздух на КНГКМ (Карачаганакское месторождение) выбрасываются, в основном, токсичные газовые смеси продуктов неполного сгорания, состоящие в основном из девяти компонентов (CnH2n+2, H2S, SO2, SO3, СOx, CO, CO2, RSH, CH3OH). Известно, что разный состав выбросов от источников загрязнений означает их неодинаковое воздействие на основные экологические объекты (воздух, почву и человека), условия труда, работоспособность человека, состояние объемно-производственной среды. При прочих равных условиях смесь токсичных газов опаснее большинства ее отдельных компонентов; чем сложнее состав, тем опаснее загрязнение, его токсикологическое, инженерно-психологическое и другое воздействие на человека, состояние его здоровья, поведение и т.д.

Источники, расположенные на разных участках месторождения, оказывают неодинаковое воздействие на условия труда, локальную экологическую обстановку. Влияние одних ограничивается пределами рабочего места (утечка через неплотности запорной арматуры); других рабочей зоной и территорией производственного объекта; третьих – окружающей предприятие территорией (факелы, резервуарные парки); четвертые – действуют периодически; пятые – постоянно; шестые – вынужденные, из-за несовершенства технологии; седьмые – обусловлены аварийным состоянием оборудования и т.д. Теоретически бесконечно большое количество факторов, характеризующих сложноорганизованные производственные объекты, исключает точную оценку их экологической значимости.

Рисунок 3. Структура и состав источников газовыделения на объектах УБР, УКПГ и трансгаза Карачаганакского газоконденсатного месторождения природного газа

Все вредные вещества, выделяющиеся в атмосферу на объектах газовой промышленности, существенно различаются по физическим, химическим и токсичным свойствам. При "растворении" в атмосфере они оказывают неодинаковое действие на окружающую среду и человека (таблица 4).

Таблица 4

Токсичные свойства веществ, выделяемых в атмосферу

По показателям опасности для человека типичные токсины были проранжированы с учетом экологической значимости каждого свойства. Веществу, которое по рассматриваемому свойству более опасно, присваивается балл 1, следующему за ним по значимости – балл 2 и т.д. (таблица 5).

По токсичности же вредные вещества, используемые в современном газовом производстве в порядке убывания их опасности для человека, можно расположить в такой последовательности: сероводород, окислы азота, серный ангидрид, сернистый ангидрид, меркаптаны, аммиак, метанол, углеводороды, окись и двуокись углерода.

Таблица 5

Матрица ранжирования веществ по их опасности

В связи с тем, что не все токсичные свойства поддаются количественной оценке, оценить их вред и опасность пока что не представляется возможным. Комплексная оценка этих свойств выполнена при помощи ранжирования их по двухбалльной системе. Экологически наиболее опасными являются сероводород, сернистый и серный ангидрид, за ними идут окислы азота и меркаптаны, затем – окись углерода, аммиак и двуокись углерода.

Наиболее токсичные вещества являются преобладающими в составе многих характерных для современного газового производства источников газовыделения. Это означает, что большинство технологических процессов и установок производственных объектов газовой промышленности остаются весьма опасными для загрязнения воздушного бассейна, окружающей среды и здоровья человека.

По степени опасного воздействия на окружающую среду, условия труда, здоровье и работоспособность человека, токсичные вещества, выбрасываемые в воздух производственными объектами Карачаганакского комплекса, можно расположить в такой последовательности: Н2S, CnH2n+2, SO2, SO3, NOx, Ox, RSH, CO, CH3OH, CO2, NH3. Причем сероводород как по токсичности, так и по числу возможных выделяющих его источников стоит на первом месте и является по этой причине наиболее характерным и опасным загрязняющим веществом для условий всех производственных объектов, окружающей среды Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения в целом.

2. ОЧИСТКА ПРИРОДНОГО ГАЗА ОТ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ

2.1 Классификация способов очистки газа

В практике методы очистки газов от сероводорода разделяются на три большие группы: абсорбционные, адсорбционные, окислительные.

Абсорбционные методы очистки подразделяются на: химическую абсорбцию, при которой сероводород реагирует с поглотителем с образованием химических соединений, но без изменения валентности серы; физико-химическую абсорбцию, при которой сероводород растворяется в абсорбенте без образования устойчивых химических соединений.

Пример химической абсорбции – процесс очистки газов от сероводорода с помощью водных растворов аминов (МЭА, ДЭА, ТЭА), поташа, щелочей и др.

Примером физико-химической абсорбции может служить процесс ректизол, а также другие процессы, в которых сероводород растворяется в поглотителе при пониженных температурах и повышенном давлении.

Адсорбционные методы очистки основаны на способности сероводорода сорбироваться на твердых поверхностях различных веществ. В качестве адсорбентов применяют искусственные и естественные цеолиты, активированный уголь и другие.

Окислительные методы очистки газа от сероводорода основаны на том, что сероводород является восстановителем и легко может быть окислен до элементарной серы, сульфитов и сульфатов различными веществами.

Окисление сероводорода можно проводить в газовой фазе (процесс Клауса), в растворе окислителя (мышьяково-содовый процесс) и на поверхности твердого окислителя. Основой принятого разделения являются агрегатное состояние применяемого поглотителя и его химические и физико-химические свойства.

Принятая классификация достаточно условна, так как разработаны технологические процессы, в которых основные методы (абсорбция, адсорбция и окисление) применяют в различных сочетаниях. Например: процесс очистки газа от сероводорода растворами на основе гидроокиси железа, это комбинация абсорбционного процесса, поскольку сероводород из газовой фазы переходит в жидкость.

При обработке значительных объемов газа и извлечении больших количеств сероводорода технологические процессы обязательно должны обеспечивать непрерывную или периодическую регенерацию применяемого поглотителя. Без регенерации поглотителя технология очистки газов от сероводорода становится неэкономичной.

В практике поглотители регенерируют различными методами, среди которых чаще всего применяют тепловую обработку, отдувку инертными газами и водяным паром, снижением давления в системе регенерации, проведения процесса под вакуумом, окисление сульфидов до элементарной серы и др.

Практика показывает, что в технологических схемах очистки газов от сероводорода основные затраты на эксплуатацию установок приходятся на проведение процесса регенерации. Капитальные затраты в сооружении установок очистки газов от сероводорода резко увеличиваются за счет строительства узлов регенерации сорбентов, что вызвано необходимостью сооружения многочисленных вспомогательных сооружений (котельные, теплообменное оборудование, компрессорные и насосные станции и т.д.).

Таким образом, классификация процессов очистки газов от сероводорода только по свойствам применяемого поглотителя без учета процесса регенерации не дает полной характеристики применяемой технологии. Иногда такая классификация затрудняет анализ и сравнение различных технологических процессов. Проиллюстрируем это на примере очистки углеводородных природных газов от сероводорода с помощью цеолитов (адсорбция). Процесс очистки газов от сероводорода сводится к операции контакта газа со слоем цеолита в адсорберах. Выходящий из адсорбера газ практически не содержит сероводорода. На стадии очистки не применяют какое-либо вспомогательное оборудование. Технологическая схема проста, не требует существенных эксплуатационных затрат, поскольку в ней отсутствуют насосы, теплообменники, не используется вода, пар, электроэнергия и т.д. Однако все отмеченные преимущества технологии в значительной степени теряют свое значение при рассмотрении процесса регенерации абсорбента. Цеолиты регенерируют нагретым до 300-350оС углеводородным газом, расход которого составляет 10-18% от объема очищаемого газа. В процессе регенерации необходимо использовать теплообменное оборудование, специальные печи для подогрева газов регенерации, компрессорное оборудование для компримирования газов регенерации, что значительно усложняет технологическую схему и увеличивает капитальные вложения и эксплуатационные расходы.

Весь сероводород, который был извлечен из газа на стадии очистки, концентрируется в значительно меньшем объеме газов регенерации, причем концентрация сероводорода в них значительно выше, чем в газе, поступающем на очистку.

Неизбежно возникает необходимость в очистке газов регенерации от сероводорода, то есть повторно весь сероводород нужно извлекать из этих газов, что требует сооружения еще одной специальной установки, затрат на ее строительство и эксплуатацию.

Нужно отметить, что проводить классификацию технологических схем обработки газов, содержащих сероводород, по применяемому поглотителю и способу регенерации также нерационально. Объясняется это тем, что технология должна обеспечивать не только необходимую степень очистки газов от сероводорода и регенерацию поглотителя, но и не допускать загрязнения окружающей среды токсичными сернистыми соединениями. Большинство промышленных установок, которые находятся в эксплуатации, в большей или меньшей степени выбрасывают токсичные сернистые соединения в виде сероводорода, а чаще всего, диокиси серы в атмосферу.

Классификация способов очистки газов от сероводорода по конечному продукту, в который превращается сероводород, извлекаемый из газа, характеризует всю технологическую схему. Все процессы очистки можно разделить на следующие группы по получению: концентрированного сероводорода, сульфатных соединений, элементарной серы, сернистых соединений и тиосульфидов, серной кислоты и сульфатов (Таблица 6).

Таблица 6

Характеристика различных методов очистки газа от сероводорода

Примечание: Знак "+" – процесс обеспечивает получение перечисленных продуктов, знак "-" – процесс не позволяет получить перечисленные продукты.

Из приведенных данных видно, что методы адсорбции и физической абсорбции позволяют только концентрировать сероводород, извлеченный из очищенного газа для получения какого-либо товарного продукта. Из таблицы 6 видно, что решить эту задачу можно только в сочетании установок адсорбции или физической абсорбции с процессами окисления сероводорода.

Методы химической абсорбции, при которых извлекаемая из газа сера не изменяет своей валентности, позволяет сконцентрировать сероводород и получать различные сульфидные соединения, как самостоятельные товарные продукты.

К таким соединениям относятся малорастворимые в воде сульфиды железа, цинка, меди, кадмия, марганца или водорастворимые сульфиды и бисульфиды щелочных и щелочно-земельных металлов.

Данные таблицы 6 показывают, что только при окислительных методах обработки сероводорода можно сразу получать товарные продукты, содержащие серу.

При абсорбционной очистке газа с последующей тепловой регенерацией можно получить в качестве конечного продукта только сконцентрированный сероводород, а при использовании на стадии регенерации окисления можно получить элементарную серу, двуокись серы, сульфиты и тиосульфиты, сульфаты и серную кислоту.

Общая классификация технологических схем очистки газов от сероводорода включает следующие показатели:

- название конечного продукта, получаемого из извлеченного сероводорода;

- название поглотителя;

- метод регенерации поглотителя;

- способ окисления сульфидной серы;

- способ регенерации окислителя.

2.2 Схема очистки газа от Н2S, предлагаемая фирмой Юнион Карбайд Кемикалз

Для очистки газа от серы существуют два достаточно независимых требования. В начальный период необходимо обеспечивать топливный газ для собственных нужд и для потребителей в Бурлинском районе. Давление газа для этих потребителей будет в диапазоне 2,5-4,0 МПа. Для этих целей будет использоваться часть газового потока из газовой ловушки СД (среднего давления). Для стадий предварительного проектирования производительность этой линии установлена на уровне 2 млрд. м3 газа в год.

В более долгосрочной перспективе газ будет отгружаться при давлении 7,5 МПа и в объемах, которые сделают выгодным строительство газопровода (5 млрд. м3 газа в год). Для этой долгосрочной перспективы газ должен иметь следующие характеристики:

Точка росы (абс.) углеводородов – 10оС при давлении от 0,1 до 8,0 МПа.

Точка росы для воды – 20оС при давлении 8 МПа.

Таким образом, предварительный проект, который основан на очистке газа от серы, осушки и установки точки росы для углеводородов методом Джоуль-Томпсоновского расширения, также согласуется с этой долгосрочной потребностью. Недостаток такого процесса имеет две стороны. Во-первых, при установке точки росы методом расширения получается сжиженный нефтяной газ – нежелательный продукт на ранней стадии эксплуатации, его производство увеличивается пропорционально объемам отгруженной продукции. Во-вторых, при этом падает давление газа и, таким образом, в долгосрочной перспективе появляется необходимость капиталовложений в компрессоры отгружаемого газа.

Привлекательной альтернативой для данной схемы является процесс абсорбции на силикагеле для одновременного осушения и установки точки росы для углеводородов. Газ из ловушки СД может очищаться без необходимости установки компрессоров для отгрузки готовой продукции. При такой технологии сжиженный нефтяной газ не производится. В настоящее время рассматривается возможность замены существующей схемы контроля точки росы на такую технологию, как на более предпочтительный вариант для будущего проекта отгрузки газа.

Установка очистки газа от серы (как от меркаптанов, так и сероводорода) основана на абсорбции с использованием селективного растворителя на основе метилдиэтиламина (LE 701фирмы Юнион Карбайд Кемикалз (Union Carbide Chemicals)). Данная технология уменьшит объемную концентрацию Н2S до 4 р.р.т. (по техническим условиям она должна быть 13 р.р.т.), а объемную концентрацию меркаптановой серы – до величины меньше, чем 25 р.р.т. Дополнительная установка окончательной адсорбции не требуется. Избирательность процесса уменьшает требуемый размер установки по производству серы и минимизирует эксплуатационные затраты, поскольку одновременная абсорбция СО2 минимизируется.

Содержание кислого газа в серосодержащем газе сырья минимизируется тем, что очистке подвергается только газ с месторождения. Рециркуляция газа из верха аппарата стабилизации неприемлема, так как уровень содержания серы в таком потоке относительно высокий. Возможность отложить монтаж установки производства серы и оборудования по ее транспортировке и хранению также находится в процессе рассмотрения. Эта цель может быть достигнута путем рециркуляции серосодержащего газа из верха аппарата регенерации в компрессоры испарившегося газа на установке стабилизации конденсата. Такое решение увеличит абсорбцию сероводорода в сжиженном нефтяном газе, производимом в газовом холодильнике низкого давления (НД), и увеличит нагрузку на установку ректификации сжиженного природного газа. Другим решением было бы сжатие газа верхней части аппарата регенерации 4,5 МПа и объединение его с серосодержащим газом для закачки в пласт. Это потребовало бы установки дополнительного технологического аппарата дегидратации серосодержащего газа.

Для удаления конденсата отфильтрованный газ с ловушки газовых пробок СД подается на входной сепаратор. Пары из этого сепаратора поступают на нижний лоток установки абсорбции, а вся отделившаяся жидкость поступает в подающуюся емкость линии стабилизации конденсата.

Бедный метилдиэтиламин подается на третий лоток установки абсорбции. Поток метилдиэтиламина под действием силы тяжести проходит через колонку и абсорбирует почти весь Н2S и меркаптаны из газового потока. Два лотка с барботажными колпачками вверху абсорбционной колонны используются для долива воды и служат для промывки очищенного от серы газа, выходящего из верха колонны. Очищенный от серы газ охлаждается, а вся жидкость, присутствующая в выходном сепараторе метилдиэтиламина сбрасывается в емкость мгновенного испарения установки регенерации метилдиэтиламина.

Обогащенный метилдиэтаноламин из аппарата абсорбции выходит через клапан контроля уровня и поступает в емкость мгновенного испарения, где абсорбированный метан удаляется методом испарения. Испарившийся газ для абсорбции всего оставшегося газа Н2S контактирует с попутным потоком обедненного метилдиэтаноламина в насадочной колонне в верхней части аппарата. Жидкие углеводороды формируют в емкости мгновенного испарения слой, расположенный сверху раствора метилдиэтаноламина и могут быть удалены путем пропускания над водосливом для углеводородов. Жидкие углеводороды утилизируются через систему некондиционной нефти.

Обогащенный метилэтаноламин затем нагревается обедненным амином, выходящим из установки регенерации, и вводится в колонну на пятый лоток. Н2S удаляется из потока обогащенного метилдиэтаноламина горячими парами, полученными в ребойлере путем нагревания паром НД.

Обедненный метилдиэтаноламин выходит из ребойлера после охлаждения потоком обогащенного метилдиэтаноламина попадает в расширительный резервуар. Перед тем, как обедненный метилдиэтаноламин возвращается в аппарат абсорбции, он закачивается в охладитель воздуха. Для работы в летний период может потребоваться балансированное водяное охлаждение. Для непрерывной очистки циркулирующего потока метилдиэтаноламина попутный поток обедненного метилдиэтаноламина поступает на патронный фильтр и на угольный фильтр. Чистый попутный поток обеспечивает поток промывочного раствора в насадочную колонну аппарата мгновенного испарения.

Газ из верхней части колонны установки регенерации метилдиэтаноламина подается на линию отделения серы. Можно рассмотреть рецикуляцию этого потока.

Испарившийся газ предназначен для использования в качестве топлива. Однако, уровень содержания в нем меркаптана может оказаться слишком высоким. Если это окажется так, то давление в аппарате мгновенного испарения может быть установленного на уровне 1 МПа, и тогда этот газ будет направляться на вход компрессоров испарившегося газа установки стабилизации конденсата.

2.2.1 Производство и хранение серы

Кислый газ, полученный на установке регенерации метилдиэтаноламина линии очистки газа от серы, очищается для получения чистой серы и для обеспечения соблюдения нормативов Республики Казахстан по выбросам в атмосферу. Основными компонентами этой системы являются следующие установки:

- установка производства серы;

- установка очистки хвостовых газов;

- установка дегазации жидкой серы;

- установка формирования серы;

- оборудование отгрузки и хранения серы.

Кислый газ обрабатывается на установках производства серы и обработке хвостового газа. Установка серы представляет из себя установку Клауса (Claus) с тремя каталитическими ступенями. Примерно одна треть поступающего в сырье Н2S окисляется до образования SO2 и воды. После этого SO2 с оставшимся Н2S образует элементарную серу и водяные пары.

Хвостовой газ с установки Клауса поступает на очистку для окончательного отделения серы на 99,5% (гарантированный минимум 99,4%). При расчете производства серы учитывались потери серосодержащего пара на последней стадии обработки при сжигании в печи перед дымовой трубой.

Полученная жидкая сера дегазируется на установке производства серы и затем, чтобы обеспечить удобство при отгрузке и транспортировании, гранулируется на установке формирования серы.

2.3 Разработка технологии очистки природного газа КНГКМ

В последнее десятилетие, после приобретение Казахстаном суверенитета, нефтегазовая отрасль промышленности очень бурно развивается. Правительством Республики Казахстан ведется постоянная работа по привлечению в эту отрасль новых инвестиций. Привлечение инвестиций в разведку, добычу и транспортировку конденсата приведет к увеличению объема добычи нефти, газа и конденсата.

Известно, что все крупные залежи нефти, газа и конденсата (Тенгиз, Карачаганак и др.) наряду с основным компонентом содержат повышенное количество кислых компонентов, в частности, сероводород.

Наличие кислых компонентов в составе добываемой продукции создает определенные сложности в их транспортировании и переработке, вызывая коррозию трубопроводов и оборудования. Наряду с этим при транспортировке сырой продукции покупателям (перерабатывающим заводам за пределами Республики Казахстан) достается ценнейшее сырье для получения товарной серы.

Хотя Карачаганакское месторождение газа и конденсата находится на территории Бурлинского района Западно-Казахстанской области, потребители газа этого региона получают газ из Российской Федерации, что приводит к увеличению цены на газ. Карачаганак, при развитии собственной инфраструктуры и создании собственных очистных и перерабатывающих мощностей, может обеспечивать регион собственным газом.

Создание очистной установки газа от сероводорода позволило бы снизить объем вредных выбросов в локальном характере (выброс SO2 при сжигании Н2S на факеле) и уменьшить риск попадания Н2S в окружающую природную среду во время аварийных ситуаций при транспортировке газа и конденсата по трубопроводам.

Также при извлечении сероводорода казахстанские нефтяники и газовики получили бы еще одно ценное сырье для производства и получения готовых продукций для нужд промышленности (Н2SO4, элементарная сера и др.). Получение еще одной готовой продукции дало бы новый источник увеличения прибыли отечественных производителей.

2.3.1 Выбор метода очистки

При выборе метода очистки окончательным критерием является величина приведенных затрат, зависящих в основном от энергетических и капитальных затрат. Однако такой выбор во многих случаях труден, что объясняется влиянием на экономические показатели трех групп факторов:

1) внешние технологические параметры процесса /8/ - состав, давление и температура очищаемого газа, требуемая степень очистки, параметры энергоресурсов (давление пара, наличие отбросного тепла), возможность использования вторичных энергоресурсов и т.д., то есть факторы, независящие от аппаратурно-технологического оформления процесса очистки;

2) внутренние параметры процесса – расход тепла, электроэнергии, растворителя, отходы, тип и вес аппаратуры, а также их зависимость от параметров исходного газа и степени очистки, то есть параметры, на которые влияет аппаратурно-технологическое оформление процесса очистки.

3) экономические факторы цены на энергоресурсы, сырье, отходы, аппаратуру, а также дефицитность каких-либо видов сырья (растворителей и др.) и энергии.

Таким образом, выбор процесса должен осуществляться только после детального технологического, термодинамического и технико-экономического анализа.

Особенности газоочистных и газоперерабатывающих установок выдвигают ряд требований к их проектированию:

большой диапазон устойчивой работы (отношение максимально и минимально допустимых нагрузок по газу и жидкости) оборудования;

получение кондиционной товарной продукции при изменении параметров сырья в широком интервале;

возможность использования оборудования в широком интервале давления и температуры. Это важно как ввиду влияния температуры окружающей среды на параметры процесса, так и из-за необходимости компенсации влияния изменения одного параметра (Р или t) на показатели процесса, за счет повышения или понижения значения другого параметра.

При определении области предположительного использования различных способов очистки для газов, в которых соотношение СО : Н2S более 3-3,5, следует использовать методы, основанные на физической абсорбции Н2S. При выборе того или иного поглотителя необходимо учитывать не только способность растворять углеводородные газы, летучесть, дефицитность, селективность по отношению к Н2S, емкость по нему, упругость паров сернистых соединений в конкретном поглотителе. При минимальных теплотах растворения можно достичь максимальных соотношений Н2S : СО2, при которых энергетически целесообразно проводить процесс очистки физическими поглотителями. Согласно физико-химической природе поглотителей, с уменьшением теплоты растворения увеличивается упругость паров увлекаемого компонента над раствором, что видно из следующей термодинамической зависимости:

                                          (2.1)

где К – константа Генри газа в растворителе;

А – коэффициент, зависящий от давления и температуры;

∆Н – теплота растворения газа;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура растворения.

Уравнение (2.1) показывает, что с увеличением теплоты растворения уменьшается константа Генри (растет растворимость), а это в конечном итоге приводит к повышению степени очистки или понижению расхода абсорбента. В связи с этим не во всех случаях целесообразно стремиться к выбору абсорбента с минимальной теплотой растворения сернистых соединений.

Необходимо учитывать селективность поглотителя. Это связано с тем, что соотношение СО2 : Н2S в исходном газе характеризует кислые газы регенерации. Поэтому чем выше селективность, тем большую область охватывают методы очистки физической абсорбцией. Следовательно, при выборе физического поглотителя необходимо решать оптимизационную задачу с учетом перечисленных показателей.

Результаты опытных работ показали, что такие нежелательные компоненты, как Н2S и СО2, органические соединения, присутствующие в составе природного газа Карачаганакского месторождения, хорошо поглощаются метанолом, особенно при низких температурах /8, 9, 10/.

Предлагаемая в данной работе технология очистки газа основана на процессе одновременного удаления кислых компонентов. Как сказано выше, эти вещества хорошо абсорбируются метанолом, особенно при низких температурах и повышенных давлениях, а при понижении давления легко удаляются из насыщенного раствора.

Зависимость растворения СО2 и Н2S в метаноле от температуры при различных давлениях приведена на рисунках 4 и 5, из которых видно, что растворимость Н2S в метаноле выше растворимости СО2 в нем. Это позволяет осуществлять селективное их разделение. Наличие в метаноле СО2 снижает растворимость Н2S на 10-15%. Растворимость органических сернистых соединений в метаноле также велика. Расход тепла на процесс весьма невелик, так как поглотительный растворитель охлаждается вследствие снижения давления на ступени регенерации, а поступающий газ охлаждается с широким использованием теплообмена с отходящими потоками очищенного газа и извлекаемых компонентов газа.

К основным преимуществами этого процесса следует отнести:

а) значительное снижение расхода энергии по сравнению с другими методами очистки (например, абсорбция этаноламинами);

б) высокая степень очистки от сернистых соединений в присутствии СО2;

1 – РН2S = 53 кПа; 2 - РН2S = 40 кПа; 3 - РН2S = 26,7 кПа

4 - РН2S = 17,3 кПа; 6 - РН2S = 6,67 кПа

Рисунок 4. Влияние температуры растворимость Н2S в метаноле

1 – при минус 26оС; 2 – при минус 36 оС;

3 – при минус 45 оС; 4 – при мину 60 оС.

Рисунок 5. Изотермы растворимости СО2 в метаноле

в) одновременная осушка от влаги и очистка от тяжелых углеводородов.

Наряду с положительными качествами предлагаемому процессу присущи недостатки:

а) сложность технологической схемы;

б) сравнительно большие потери метанола с очищаемым газом;

в) нежелательно высокая растворимость углеводородов в метаноле, особенно при низких температурах.

2.3.2 Предлагаемая технологическая схема очистки природных газов КНГКМ от кислых газов

Природный газ КНГКМ с высоким содержанием кислых газов после предварительной переработки на установке промысловой подготовки газа, в соответствии с рисунком 9, со скоростью 15,85 м3/сек и давлением 2,3-2,45 МПа и концентрацией 914 ∙ 10-3 кг/м3 направляется на первую стадию охлаждения, где газ охлаждается до температуры плюс 3оС. На этой стадии конденсируется основная часть тяжелых газов и водяных паров, далее газ проходит вторую стадию охлаждения, здесь газ охлаждается до минус 20оС, после чего газ направляется на первую ступень очистки. Очистку производят абсорбцией газа метанолом, охлажденным до температуры минус 70-75оС. При этом из газа удаляется основная часть Н2S и часть СО2, остаточная часть тяжелых углеводородов и основная часть органических соединений серы. Далее газ поступает на вторую ступень абсорбции. На этой ступени для абсорбции газа подают небольшой поток тщательно отрегенерированного метанола при температуре минус 60-65оС. На этой стадии из газа удаляется основная часть остаточного СО2 и практически все остаточное количество органических сернистых соединений. После второй ступени очистки очищенный газ отвечает требованиям ГОСТ и направляется потребителям.

Страницы: 1, 2, 3, 4