Добытый попутный нефтяной газ (ПНГ) Кенлыкского месторождения Кызылординской области после предварительной подготовки в сепарационных установках, которая включает в себя процесс отделения газа от нефти, поступает на Установку подготовки газа (УПГ) [4].
Наиболее эффективными процессами осушки газа сложного химического состава являются адсорбционные процессы. Процесс адсорбции известен и широко применяется в нефтегазовой промышленности. Можно рассчитать скорость адсорбции, время насыщения, однако в случае, когда газ, такой как ПНГ, имеет сложный химический состав, который меняется во времени и в зависимости от температуры окружающей среды, достоверными могут быть лишь данные, полученные непосредственно в ходе эксперимента в натурных условиях. Молекулярные сита представляют собой кристаллические алюмосиликаты, известные как цеолиты. Их уникальная структура позволяет легко удалять кристаллизационную воду, сохраняя при этом пористую кристаллическую структуру вещества. Эти поры или «ячейки» обладают высокой способностью повторно адсорбировать воду или другие полярные молекулы. Другим свойством молекулярных сит является их способность разделять газы или жидкости в зависимости от размера и полярности молекул. Степень раскрытости пор или «ячеек» соответствует размеру различных молекул. Так например, в случае парафинов, обычные молекулы с прямой цепью могут проникать в поры и адсорбироваться, в то время как молекулы с разветвлённой цепью не могут войти в поры, и, следовательно, проходят через слой молекулярных сит без адсорбции [2].
Рис. 1. Молекулярно-ситовой осушитель газа
Несмотря на многолетнюю эксплуатацию адсорбционных установок, следует отметить её «минусы» — неэффективная глубина осушки газа, «чувствительность» к примесям, небольшой срок службы адсорбента, что вызывает необходимость его частой замены. Постепенное необратимое снижение адсорбционной ёмкости цеолита с каждым циклом «адсорбция-регенерация» вызвано образованием в нем нерегенерируемых отложений, образующихся за счет деструкции различных примесей осушаемого газа. Неравномерное распределение потока газа приводит к неодинаковой выработке адсорбента и избыточной нагрузке определенных зон в адсорбере.
Были рассмотрены объекты исследования: Молекулярно-ситовой осушитель газа установки утилизации попутного нефтяного газа на месторождении Кенлык. Для оценки состояния адсорбента и определения факторов, влияющих на равномерную работу цеолита по высоте и поперечному сечению адсорбера, пробы отработанного цеолита отбирали во время планового ремонта с разных слоёв и глубины. Физико-химические и механические характеристики цеолита исследованы стандартными методиками, пробы газов технологического процесса анализировали на хроматографе.
Изучение эффективности адсорбционного процесса проводили на пилотной установке, моделирующей условия процесса осушки газа в промышленности, позволяющая оценивать влияние примесей на свойства адсорбентов и равномерность распределения газового потока. Распределительные устройства для пилотной установки изготовили в соответствии с критериями подобия промышленного устройства и согласно расчётам по делению потока для достижения его равномерности.
Для оценки равномерности распределения потока газа применяли показатель интенсивности окраски гранул, зависящий от количества окрашивающего реагента, адсорбирующегося на гранулах цеолита в соответствии с интенсивностью прохождения газовой смеси. По траектории движения окраски адсорбента судили о распределении газового потока. Критерием оценки равномерности распределения газового потока служило количество сильноокрашенных, средне-окрашенных и неокрашенных гранул адсорбента.
Было проведено изучение состояния адсорбента по высоте и поперечному сечению адсорбера.
Большое содержание крошки и пыли в среднем слое объясняется следующем: так как в верхнем слое создается наибольшая гидродинамическая нагрузка и он в большей степени подвержен разрушению, то количество крошки и пыли в цикле адсорбции уносится потоком газа в низшие слои. А затем газ регенерации поднимает её вверх, а именно в средний слой цеолита.
Анализируя характеристики выработки цеолита можно отметить наличие взаимосвязи между показателями, то есть прирост насыпной плотности может быть вызван увеличением массовой доли крошки и пыли, а снижение адсорбционной способности — уменьшением объёма пор, измельчение гранул к росту показателей ППП (потери при прокаливании). Анализы адсорбционной способности и ППП показали, что пробы, отобранные по осевой части адсорбера в среднем и нижнем слое имеют настолько низкие значения, что практически на момент отбора не способные адсорбировать влагу.
Результаты характеристик отработанного цеолита выявили неравномерность распределения газового потока и свидетельствуют о наибольшей загруженности в процессе работы центральной части слоя. Поток газа в среднем и нижнем сечении проходит ассиметрично по отношению к оси адсорбера и близко к его стенкам. На основании показателей характеристик цеолита нами был рассчитан остаточный ресурс выработки адсорбента. В результате, примерно третья часть цеолита имеет высокий остаточный ресурс выработки (менее 50 %) по адсорбционной ёмкости, около 30 % цеолита с остаточным ресурсом 50- 60 %. Около 40 % загрузки цеолита характеризуется достаточно низким ресурсом — выработка до 80 %.
Таким образом, исследования показали, что используемое на промышленной установке распределительное устройство способствует образованию вихревого движения потока, что приводит к неравномерному распределению газового потока и неэффективному использованию цеолита [1].
В лабораторных условиях сравнительные эксперименты проводили с распределительным устройством, используемом на промышленной установке и с усовершенствованным кольцевым распределительным устройством.
Кольцевое устройство имеет два соосных металлических кольца разных диаметров и поперечную по отношению к потоку газа круглую перегородку, расположенных в адсорбере последовательно по ходу движения газа, а диаметры колец и перегородки рассчитаны так, что обеспечивают разделение потока газа на три равные части.
Рис. 2. Кольцевое распределительное устройство: 1 — верхнее кольцо, 2 — внутреннее кольцо, 3 — круглая перегородка, 4 — постоянные магниты с креплениями, установленными на нижней стороне колец и круглой перегородки, 5 — радиальная крепёжная опора, 6 — адсорбер, 7 — входной патрубок для газа
При использовании усовершенствованного кольцевого распределительного устройства движение фронта газа выравнивается на всем протяжении цикла.
Таким образом, применение усовершенствованного распределительного кольцевого устройства позволяет практически исключить «мёртвые» зоны в слое цеолита и, тем самым увеличить срок службы цеолита, продлить межремонтный пробег оборудования и межрегенерационный период адсорбента на блоке осушки.
Усовершенствование технологии адсорбционной осушки газа позволяет получить экономический эффект за счет экономии, получаемой от снижения затрат на приобретение цеолита за счет увеличения ресурса его работы, а также за счет увеличения продолжительности межремонтного периода. Это достигается модернизацией адсорбера (внедрение распределительного устройства), что позволяет более полно использовать адсорбент и даёт возможность повысить непрерывный ресурс работы цеолита с 4 до лет.
Литература:
1. Искалиева С. К., Пивоварова Н. А. Усовершенствование технологии процесса адсорбционной осушки обессеренного газа. — Технологии нефти и газа, 2010, № 3. Стр. 13–18.
2. С. А. Ахметов. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа — СПб, Недра 2006, Стр. 531;
3. С. Ф. Гудков. Переработка углеводородных попутных и природных газов. — М.: Гостоптехиздат, 2000, Стр. 236;
4. Технологический регламент УПГ месторождений «Кенлык», ТОО «KazFrac».
