Лекция №15

Тема:

Оборудование и способы получения холода

Низкотемпературная сепарация.

План:

1. Разделение углеводородных газовых смесей

2. Холодильные циклы

3. Детандирование

3. Способы получения холода

Разделение углеводородных газовых смесей

• Низкотемпературная сепарация (НТС) - наиболее технологически простой – позволяет разделить на фракции С₁-С₄, С₅₊;
• Процессы для разделения на фракции С₁, С₂₊ (компрессионный; масляная абсорбция, в т.ч. низкотемпературная; низкотемпературная конденсация, и ректификация; адсорбция, в т.ч. низкотемпературная).

Умеренное охлаждение

Цикл хладагента R −134a (F₂НC-CHF2, тетрафторэтан)

Холодильные циклы

Виды холодильных циклов:

• внутренние холодильные циклы;
• внешние холодильные циклы;
• каскадные холодильные циклы;
• комбинированные холодильные циклы.

+ хладагент испаряется/подогревается.

Холодильные установки:

-парокомпрессионные холодильные машины, в которых сжатие хладагента осуществляется поршневым, турбинным или винтовым компрессором и сжатый газ подвергается конденсации;

-абсорбционные холодильные машины, в которых хладагент сжимается термокомпрессором и подвергается сжижению.

​

Физические основы парокомпрессионного цикла - сочетание:

• джоуль-томсоновского эффекта дросселирования газа;
• Изоэнтальпийного/изоэнтропийного расширения газа;
• Испарения хладагента;

​

Дросселирование – процесс снижения давления газа или жидкости при прохождении через суженное отверстие (клапан, вентиль) и отсутствии теплообмена с окружающей средой.

Умеренное охлаждение

Пары циркулирующего хладагента направляются на прием компрессора К и сжимаются в нем до рабочего давления. Сжатые пары хладагента поступают в холодильник-конденсатор ХК, где при охлаждении водой или воздухом конденсируются и поступают для доохлаждения в холодильник X. Переохлажденный жидкий хладагент затем дросселируется в Д, в результате чего его температура понижается. После дросселя Д хладагент направляется в испарители, где происходит его испарение за счет подвода тепла охлаждаемым потоком.

Парокомпрессионная холодильная машина

Умеренное охлаждение

Верхняя температура цикла - зависит от температуры охлаждаемой воды, и колеблется от 0 до 30^оС.

Нижняя температура цикла - в зависимости от назначения холодильной установки.

Выбор хладагента (этан, этилен, пропан, аммиак и т.д.) зависит от необходимого интервала температур в работе холодильной установки, т.е. от требуемого нижнего температурного предела (min – (-120)^оС - этилен). Желательно, чтобы ДНП хладагента при нижней температуре цикла было близко к атмосферному (min затрат на сжатие).

​

Например, аммиак:

- до (-34)^оС не требует вакуума на холодильных установках;

- имеет более высокую холодопроизводительность на 1 кг хладагента;

- токсичность и коррозионная активность.

​

Глубокое охлаждение

​

Внутренние холодильные циклы

• изоэнтальпийное расширение предварительно сжатого и охлажденного газа (дросселирование) - используется эффект Джоуля - Томсона. Эти циклы эффективны при больших перепадах давления на дросселе;
• изоэнтропийное расширение с отдачей внешней работы (детандеры) - в условиях небольших перепадов давления более эффективно.

​

​

Дросселирование

Эффект снижения давления струи газа или жидкости в процессе протекания через сужение называется дросселированием. Процесс расширения газа путем дросселирования является изоэнтальпийным и необратимым.

​

Дроссель - элемент трубопроводной арматуры, предназначенный для снижения (редуцирования) рабочего давления в системе за счёт увеличения гидравлического сопротивления в проточной части.

​

​

Дросселирование

При дросселировании происходит адиабатное расширение без совершения работы, то есть дросселирование — необратимый процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и объёма при постоянной энтальпии.

Газ с давлением р₁ и температурой Т₁, изотермически сжимается в компрессоре К до давления р₂. Сжатый газ, пройдя дроссельное устройство Д, расширяется до первоначального давления р₁, при этом его температура снижается до Т₂. Охлажденный газ нагревается в теплообменнике Т-О до первоначальной температуры, отнимая тепло от охлаждаемого потока.

Холодопроизводительность дроссельного цикла равна разности энтальпии газа до и после изотермического сжатия в компрессоре, т.е. работе сжатия в компрессоре.

​

​

Детандирование

Процесс расширения газа с отдачей внешней работы осуще­ствляется в специальных машинах - детандерах. Теоретически этот процесс может быть полно­стью обратимым, т.е. протекать при постоянной энтропии.

​

Газ засасывается компрессором К при давлении р₁ и температуре Т_инт, и изоэнтропийно сжимается до давления р₂. Сжатый газ охлаждается в теплообменнике до температуры Т_ос, расширяется в детандере до первоначального давления р₁. Теоретически расширение в детандере происходит при постоянной энтропии, и газ должен охладиться при этом до температуры Т₄. В действительности процесс в детандере несколько отклоняется от адиабатического.

​

Детандирование

Процесс расширения газа с отдачей внешней работы осуще­ствляется в специальных машинах - детандерах. Теоретически этот процесс может быть полно­стью обратимым, т.е. протекать при постоянной энтропии.

​

​

Детандирование

Расширительные машины:

- машины статического (объемного) действия, в которых расширение газа происходит в переменном объеме под воздействием поршней с возвратно-поступательным или вращательным движением;

​

​

​

- поточные машины динамического действия, в которых расширение газа происходит в результате его движения через системы неподвижных направляющих каналов и межлопаточных каналов (турбодетандеры). Работа в турбодетандерах создается в результате взаимодействия потока газа с кольцевыми лопаточными решетками, т.е. системами лопастей, расположенных вокруг оси вращения.

Разделение углеводородных газовых смесей

Важнейший показатель (технологический параметр) процессов разделения - давление насыщенных паров компонентов (ДНП).

​

Четкость разделения углеводородных газов определяется относительной летучестью компонентов:

​

​

​

где χ₁,χ₂ - коэффициенты активности разделяемых компонен­тов; р₁,р₂ - давление насыщенных паров компонентов; k₁,k₂ - константы фазового равновесия.

​

Чем выше разность значений летучести, тем ниже энергетические затраты на разделение смеси.

​

Относительная летучесть:

• Повышается с понижением T;
• Понижается с ростом P;

Разделение углеводородных газовых смесей

Как разделить газовую смесь по температурам кипения?

​

Очевидно, необходимо добиться конденсации тяжелых УВ:

• Постоянная T, повышение Р – но четкость разделения будет понижаться;
• Постоянное Р, понижение Т – четкость разделения будет повышаться;
• на практике – умеренное или глубокое охлаждение при сохранении повышенного Р газа;

​

Способы получения холода

Требуется температура ниже Т_окр.ср. – требуется холодильный цикл:

​

• с внешним холодильным циклом - применяются специальные вещества - хладагенты, совершающие круговой процесс в холодильном цикле;
• однокомпонентные хладагенты (пропан, этан, этилен, аммиак и т.д.),
• многокомпонентные, смешанные (например, смесь легких углеводородов);

для глубокого охлаждения используют каскадные холодильные циклы - использование соединенных последовательно нескольких холодильных циклов с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения;

​

• с внутренним холодильным циклом, когда используется непосредственное охлаждение технологических потоков путем их дроссельного (изоэнтальпийного) или детандерного (изоэнтропийного) расширения;

​

• с комбинированным холодильным циклом, например с использованием внешнего хладагента на начальном этапе с последующим дросселированием или детандированием потока.

Способы получения холода

Получение холода связано с передачей тепла от менее нагретого тела к более нагретому – такой процесс возможен только с затратой работы. В качестве переносчика тепла с низшего температурного уровня на более высокий используется рабочее вещество - хладагент, совершающее круговой процесс.

​

Виды охлаждения:

• умеренное, если хладагент - газ с критической температурой более высокой, чем температура окружающей среды – газы сжимаются и конденсируются, отдавая тепло окружающей среде;
• глубокое - если хладагент - газ с критической температурой более низкой, чем температура окружающей среды.

​

Умеренное охлаждение

Цикл хладагента R −134a (F₂НC-CHF2, тетрафторэтан)

Разделение углеводородных газовых смесей

Требования к газу перед низкотемпературным разделением:

• Содержание H₂S – менее 0,001 %;
• Содержание CO₂ – менее 0,02 %;
• Точка росы - не более минимальной температуры разделения (как правило, не ниже (-70 °С) – менее 1 ppm H₂O, 8000 ч бесперебойной работы установок);

​

Каскадные холодильные циклы

- последовательно соединенные парокомпрессионные машины с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения.

• принцип взаимодействия - хладагент, сжижающийся при более высокой температуре, служит для конденсации паров труднее конденсируемого хладагента.

​

В стандартном каскадном холодильном цикле, предназначенном для сжижения природного газа, обычно применяют три ступени. На первой ступени в качестве хладагента используют пропан, фреон или аммиак, на второй - этан или этилен, на третьей - метан или природный газ.

Каскадные холодильные циклы

Пары хладагента первой ступени, например пропана, конденсируются водой или воздухом и после расширения в дроссельном устройстве поступают в испаритель И-1 для конденсации паров хладагента второй ступени, например этана. Сконденсированный хладагент второй ступени после дросселирования поступает в И-2 на конденсацию хладагента третьей ступени, например природного газа.

Схема каскадного холодильного цикла:

К-1, К-2, К-3 - компрессоры первой, второй и третьей ступеней соответст­венно; Х-1 - холодильник-конденсатор; Т-1, Т-2 - теплообменники; И-1, И-2 - испарители; Д-1, Д-2, Д-3 - дроссели; С-1 – сепаратор.

-100 °С

-40 °С

Низкотемпературная сепарация

Низкотемпературной сепарацией называют процесс из­влечения жидких углеводородов из газов путем однократной конденсации при пониженных температурах от -10 до –25^оС с газогидромеханическим разделением равновесных газовой и жидкой фаз.

​

Природный газ выносит из скважин:

• взвешенную капельную жидкость (газовый конденсат, воду);
• мелкие частицы горной породы.

​

Основное условие применения НТС - избыточное давле­ние газа по сравнению с давлением, необходимым для подачи в магистральные трубопроводы (как правило, на начальных этапах эксплуатации месторождения).

​

Процесс отделения жидких дисперсных фаз от газа происходит при понижении температуры газожидкостной смеси, вызванном снижением давления смеси.

Низкотемпературная сепарация

По мере сепарации изменяются размеры капель взвешенной влаги (их дисперсность):

• на входном участке диаметр капель в потоке газа колеблется 100-1000 мкм (в среднем 700-800 мкм, может присутствовать пленочная жидкость);
• после первой ступени сепарации - капли диаметром от 30 до 150 мкм (суммарное содержание жидкой фазы ≤ 350 мг/м³ газа);
• после второй ступени - самые мелкие капли – от 1 до 30-50 мкм.

​

Избыточное давление газа позволяет за счет расширения газа получать низкие температуры, т.е. охлаждать газ:

• изоэнтальпийное расши­рение газа - с использованием дроссельных ус­тройств;
• изоэнтропийное - с применением турбодетандеров.

​

Сегодня, установка НТС, как правило, включает следующие элементы:

• системы предварительного впрыска и регенерации ингибитора гидратообразования;
• рекуперационный теплообменник;
• непосредственно, сам сепаратор (или несколько);
• холодильные машины;
• систему стабилизации конденсата

​

​

Низкотемпературная сепарация

Принципиальная технологическая схема установки низкотемпературной сепарации газа

1, 5, 6 – сепараторы; 2,3 - рекуперативные теплообменники; 4 – дроссель.

Умеренное охлаждение

Цикл хладагента R −134a (F₂НC-CHF2, тетрафторэтан)

Факторы процесса низкотемпературной сепарации

Состав сырьевого газа.

Чем тяжелее состав исходной смеси (чем больше средняя молекулярная масса газа), тем выше сте­пень извлечения жидких углеводородов.

Для тощих смесей для повышения степени из­влечения жидких углеводородов иногда используют метод сорбции в потоке, т.е. осуществляют впрыск стабильного конденсата или других углеводородных жидкостей на некотором расстоянии от сепаратора происходит утяжеление смеси - по­вышается степень извлечения компонентов С₃ и выше.

​

Влияние температуры.

Температуру выбирают:

• необходимая точка росы, обеспечивающая транспор­тировку газа в однофазном состоянии;
• из необходимости увеличения степени конденсации пропана и бутанов.

Для легких газов (ММ < 22, Т_кип минус 156-133^оС) снижение Т сепарации от 0 до -40 ^ОС обеспе­чивает рост степени извлечения конд-та;

Для жирных газов - влияние температуры на степень извлечения жидких углеводородов мало.

Чем легче состав исходной смеси, тем более низкая Т требуется для выделения жидких углево­дородов на установках НТС для достижения заданной точки росы.

Факторы процесса низкотемпературной сепарации

Влияние давления.

Давление сепарации определяется дав­лением в магистральном трубопроводе и в пределах обычно ис­пользуемых давлений (5-7,5 МПа) мало влияет на степень извлечения компонентов С₃ и выше.

Важен свободный перепад давления, позволяющий достигать низких Т_сеп.

В период снижения пластового давления эффективность работы установок НТС поддерживается на прежнем уровне путем ввода дожимного компрессора и внешнего холодильного цикла.

​

Эффективность оборудования.

В про­цессе длительной эксплуатации скважин и при снижении пластового давления замена изоэнтальпийного расширения на изоэнтропийное позволяет эффективнее использовать свободный перепад давления и при одном и том же перепаде давления при детандировании потока достигать более низких температур сепара­ции.

На более поздних стадиях эксплуатации скважин, когда свободный перепад давления практически отсутствует, на эффективность работы установок НТС оказывает влияние выбранный хладагент, его расход в испарителе и поверхность теплообмена.

Факторы процесса низкотемпературной сепарации

Число ступеней сепарации.

На ГКМ при подготовке к транспортировке используют 2х- и 3х-ступенчатые схемы НТС.

При одинаковых параметрах (Р и Т последней ступени охлаждения) - чем меньше число ступеней се­парации, тем больше выход жидкой фазы и тем меньше со­держание углеводородов С₅₊ в товарном газе.

Но при односту­пенчатой сепарации высоки потери компонентов газа с УВ-конденсатом. Увеличение ступеней сепарации повышает четкость разделения газовой и жидкой фаз.

Гидратообразование.

Снижение температуры газа приводит к конденсации водяных паров и к образованию гидратов углеводородов. Для предотвращения гидратообразования в поток газа подают ингибиторы, в качестве которых используются водные растворы гликолей и метанола.

Низкотемпературная сепарация

По мере длительной эксплуатации скважин эффективность работы установок НТС снижается по двум причинам:

-уменьшение свободного перепада давления вследствие сни­жения пластового давления;

-облегчение состава газа.

​

При длительной эксплуатации месторожде­ний сепарация газа должна осуществляться при более низких температурах.

Преимущества НТС

-низкие капитальные вложения и эксплуатационные расходы при наличии свободного перепада давления;

-имеет место осушка газа до точек росы, необходимых для транспортировки газа по магистральным газопроводам.

​

Установки НТС оправдывают себя на начальных стадиях эксплуатации скважин или на небольших месторождениях, где нецелесообразно строительство дорогих установок.

​

За­рубежный опыт: целесообразно заменять установок НТС на крупных месторождениях на установки, основанные на процессах низкотемпературной конденсации (минус 90 - 120 °С) с разделением углеводородных смесей на узкие фракции или индивидуальные углеводороды.

Недостатки НТС

-зависимость извлечения целевых компонентов при Р и Т дросселирования от состава исходной смеси, и, вследствие этого, снижение эффективности процесса по мере облегчения состава газа и повышения температуры НТС;

-необходимость реконструкции установки с заменой источника холода после исчерпания свободного перепада давления;

-необходимость применения ингибитора гидратообразования, что усложняет и удорожает схему процесса по причине введе­ния в схему блока отделения и регенерации ингибитора;

-высокие потери целевых компонентов с товарным газом;

-относительно низкие степени извлечения газового конденсата, особенно для тощих газов.

Газожидкостные сепараторы

Газожидкостные сепарационные устройства разные по конструкции и эффективности разделения в связи с:

• с меняющимся дисперсным составом газа (влаги, тяжелых углеводородов и примесей ингиби­торов);
• требованиями к его качеству.

​

Классификация (по принципу действия):

• грави­тационные;
• инерционные (насадочные);
• центробежные;
• фильтрующие.

​

Газожидкостные сепараторы

Механические сепараторы:

а - жалюзийные, б - инерционные отбойные, в - прямоточные центробежные, г - сетчатые, д - фильтрационно-сетчатые, 1 - входной патрубок, 2 -жалюзийный отбойник вертикальный, 3 - патрубок для выхода газа, 4 -патрубок для выхода жидкости, 5 - инерционный отбойник, 6 - регулируемый завихритель, 7 - сборная емкость, 8 - сетчатый отбойник, 9 - гравитационная секция, 10 - фильтрующая ступень.

Гравитационные сепараторы

Гравитационные сепарационные устройства первые по ходу продвижения газа:

• Вертикальные;
• Горизонтальные;
• Шарообразные.

​

​

​

Конкретная конструкция выбирается в зависимости:

• от производительности по газу;
• Давления;
• наличия в газе механических примесей
• требуемой степени очистки и др.

Гравитационные сепараторы

В вертикальном сепараторе: тяжелая фаза оседает по направлению, противоположному потоку газа.

В горизонтальных сепараторах: тяжелая фаза - сверху вниз, перпендикулярно к потоку.

​

Время ре­лаксации - длительность перехода движения газа от неравномерного к равномер­ному.

Зона выравнивания потока: в вертикальных С. - высота не менее 0,6 м; в горизонтальных - длина не менее 3 м.

​

Гравитационные С. на ГПЗ практически не используют вследствие их высокой металлоем­кости и крупных габаритов.

​

Инерционные сепараторы

Инерционные сепараторы насадочного типа

• аппараты, заполненные насадками с развитой удельной поверхностью контакта (от 10 до 500 м²/м³);
• Насадка - кольца Рашига, многослойные жалюзи из пластин или уголков, сетчатые пакеты из рукавной, вязанной чулочной вязкой сетки из проволоки диаметром 0,25 мм;
• Степень улавливания капель – до 99%.

​

Жалюзийные сепараторы

Инерционные сепараторы жалюзийного типа

• снабжены жалюзийными насад­ками, представляющими собой пакет криволинейных листов;
• может улавливать капли жидкости размером >20 мкм;
• обеспечивает пропускную способность по газу до 6,0 млн м³ в сут.;

​

Инерционные сепараторы более эффективны и компактны, чем гравитационные, но уступают по эффективности центробежным и сетчатым сепараторам.

​

Жалюзийные сепараторы

Инерционные сепараторы жалюзийного типа

• снабжены жалюзийными насад­ками, представляющими собой пакет криволинейных листов;
• может улавливать капли жидкости размером >20 мкм;
• обеспечивает пропускную способность по газу до 6,0 млн м³ в сут.;

​

Инерционные сепараторы более эффективны и компактны, чем гравитационные, но уступают по эффективности центробежным и сетчатым сепараторам.

​

Фильтрующие сепараторы

Фильтрующие сепараторы:

• самые эффективные;
• применяют в процессах двух- или многоступенчатой сепарации.
• в волокнистых фильтрую­щих материалах происходит диффузионное или инерционное слияние капельной, тонкодисперсной туманообразной жидкости (после отделения пленочной и крупнодисперсной жидкости в С. других типов) - улавливают частицы жидкости 0,5-10 мкм;

​

Фильтрующие элементы - перфорированный патрубок-каркас, на котором уложен фильтрующий слой – тонкое стекловолокно, при прохождении через слой которого капли сливаются, укрупняются и стекают в сборник.

​

Диаметр ФЭ - 50-100 мм, отношение длины к диаметру – 12-15, число - 30-50 шт.

​

Основной недостаток - диаметр волокон и плотность упаковки существенно влияют на характеристики фильтра + гидравлическое сопротивление.

Недостатки НТС