CC BY
28
УДК 66.081.6-278
Юркин М.Е., Изюмов В.А., Аверина Ю.М.
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЛИДИРУЮЩИМИ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИМИ КОМПАНИЯМИ
Юркин Максим Евгеньевич - магистр 1 -го года обучения кафедры организация и управление цифровизированными наукоёмкими химическими производствами; Themaximka.ru@yandex.ru Изюмов В.А. - магистр 1-го года обучения;
Аверина Юлия Михайловна - к.т.н доцент каф. ИМиЗК, председатель СМУС РХТУ имени Д. И. Менделеева, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрена текущая ситуация использования попутного нефтяного газа в России. Описаны основы газоразделения методами мембранной технологии. Приведены способы применения и виды мембран, применяемых для переработки попутного нефтяного газа.
Ключевые слова: мембранная технология, мембраны, попутный нефтяной газ, полимеры.
ANALYSIS OF FINANCIAL AND TECHNOLOGICAL INDICATORS OF PJSC MMC NORILSK NICKEL
Yurkin M. E., Izyumov V.A., Averina J. M.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia.
The article considers the current situation of the use of associated petroleum gas in Russia. The basics of the membrane technology gas separation method are described. As well as methods of application and types of membranes for processing associated petroleum gas.
Keywords: membrane technology, membranes, associated petroleum gas, polymers.
Введение
Попутный нефтяной газ (ПНГ), на данный момент, является ценным источником углеводородов. Однако использовать его начали не так давно. Раньше использовался простейший способ утилизации - газ сжигался на факелах как побочный продукт при добыче нефти. Данный метод сопровождался не только потерей ценных углеводородов, но и нанесением ущерба окружающей среде из-за выделения в атмосферу огромного количества СО2 и различных примесей [1]. Благодаря развитию технологий разделения и очистки, стало возможным не только безопасно утилизировать побочные продукты нефтедобычи, но и выделять из газосмеси нужные углеводороды. Для этого наиболее интересными и перспективными являются методы мембранной технологии. В данной работе будут рассмотрены основные виды мембран и способы их применения для переработки попутного нефтяного газа.
Основная часть
Попутный нефтяной газ сжигался на факелах около 60 лет с момента открытия первой нефтяной скважины в России в Западной Сибири. Этот метод был прост и не требовал больших затрат, однако сейчас известно, что на тот момент Россия ежегодно теряла до 12 млн тонн ценного углеводородного сырья. После урегулирования правовой базы, касательно утилизации ПНГ, многие компании начали искать альтернативные способы применения и переработки этого побочного продукта. Сейчас коэффициент полезного использования ПНГ составляет 82,6% (рис. 1) [2]. По данным Министерства энергетики Российской Федерации за 2020 год, суммарная добыча попутного нефтяного газа составила 94,7 млрд куб. м, что превышает показатели за 2019 год на 0,7% (таблица 1). Также отмечается положительная
динамика роста производства ПНГ в последние годы, и это с учетом сожженного на факелах газа [3].
Гпд
Рис.1 Коэффициент полезного использования ПНГ, %
Основная доля производства ПНГ 73,7% приходится на вертикально интегрированные компании (ВИНК). Доля операторов соглашений о разделе продукции (СРП) составляет 12,9%, а независимых производителей 7,6%.
Некоторые предприятия, такие как Роснефть, Татнефть и ЛУКОЙЛ, снизили добычу попутного нефтяного газа в 2020 году. Это связано с общим увеличением добычи нефти и ПНГ, соответственно и с его переработкой или сжиганием. Однако у компании ПАО «Газпром нефть» увеличение объема добычи и % полезного использование обеспечено снижением сжигания ПНГ дочерними сообществами. Вместо этого компания поставляет газ на переработку или местным потребителям, а также увеличивает производство углеводородного сырья путем закачки попутного нефтяного газа обратно в нефтяной пласт [3].
Таблица 1. Добыча и полезное использование ПНГ в разрезе компаний
Добыча ПНГ в 2019, Добыча ПНГ в 2020, ±% к 2019 % полезного
млн куб. м млн куб. м использования в 2020
Нефтяные 71 679.0 69 777,60 -2,7 84
компании (ВИНК)
Роснефть 31 870.6 30 346,00 -4,8 75,5
ЛУКОЙЛ 11 492.0 11 249,90 -2,1 97,7
Газпром нефть 14 099.9 15 372,50 9 88,3
Сургутнефтегаз 9 506.3 9 026,10 -5,1 99,5
РуссНефть 2 094.1 1 847,40 -11,8 96,6
Татнефть 965.0 787,8 -18,4 94,8
Славнефть 956.7 565,3 -40,9 36,7
Башнефть 628.1 515,6 -17,9 92,1
Нефтегазхолдинг 66.4 66,9 0,9 94,8
Независимые 6 234.4 7 165,70 14,9 53,3
производители
НОВАТЭК 3 230.6 3 828,10 18,5 96,3
Газпром 1 661.7 1 757,10 5,7 98,9
Операторы СРП 11 330.2 12 175,40 8 98,4
Всего по России 94 135.9 94 703,80 0,7 82,6
На данный момент самым популярным и перспективным методом переработки попутного нефтяного газа являются методы мембранной технологии. Мембранная технология охватывает методы изготовления мембран, способы мембранного разделения, концентрирования и очистки жидких или газообразных систем через полупроницаемую перегородку. Интерес к данным методам возник с 60-х годов, именно тогда начался рост продаж полупроницаемых мембран. Причиной стали исследования и новые возможности разделения с использованием мембран, поиск новых материалов их производства, а также увеличение сфер использования
[4].
Газоразделение - один из основных процессов мембранной технологии. Разделение газовой смеси происходит за счет разницы между коэффициентами газопроницаемости компонентов, которые составляют исходную смесь. Движущей силой данного процесса является разница давлений между входом сырья и выходом продукта, а основными характеристиками самой мембраны - селективность и проницаемость [5]. На проницаемость влияет размер частиц, проходящих через мембрану. Чем крупнее молекулы газа, тем меньше коэффициент диффузии. Способность мембраны позволять диффундировать проникающему газу через материал мембраны из-за разницы давлений и есть проницаемость. Селективность мембраны — это мера коэффициента проницаемости соответствующих газов для мембраны. Она рассчитывается отношением проницаемости двух газов при бинарном разделении [6].
Для газоразделения применяют мембраны, изготовленные из органических и неорганических материалов, таких как: стекло, керамика, металл, полимеры.
Существует множество способов классификации мембран: по процессу разделения, по материалу, по внутренней структуре, по способу изготовления и внешней форме мембраны. При выборе пользователи обращают внимания на следующие требования [7]: 1. Селективность
2. Удельная производительность
3. Механическая прочность
4. Химическая стойкость
5. Биологическая стойкость
6. Тепловая стойкость
7. Срок эксплуатации мембраны
8. Санитарные требования
9. Хранение без эксплуатации
10. Стоимость
11. Возможность утилизации
Для газоразделения наиболее перспективными являются полимерные и композитные мембраны, в связи с тем, что их свойства определяются свойствами полимеров и матриц, которые их составляют, а также методами производства. Существует несколько технологий получения полимерных мембран [8]:
• Формование из раствора. Основана на переводе полимера из жидкого состояния в растворе в твердое.
• Формование из расплава. Для этого метода мембрану формуют экструзией через фильеру. Благодаря свойствам расплавов текучести под давлением и сохранению формы без давления, данный метод стал самым общеизвестным.
• Выщелачивание (растворение) части полимера. Первым этапом происходит облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами. Затем происходит травление дефектов, образовавшихся при облучении.
• Спекание порошков. Для этого метода используют полимер в виде порошка, он засыпается в заготовленную форму, после чего происходит спекание частиц. В зависимости от размеров частиц и зазоров между ними пористость изменяется.
Самым первым производителем половолоконных газоразделительных мембран в России стала компания АО «Грасис». Благодаря их уникальной мембране Carbo-PEEK (рис. 2), созданной из пористого полимерного волокна и нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем, им удалось разделить газы, которые быстро проникают через
мембрану (С02, Н2, пары воды и прочее) от медленных (СО, СШ,С2Н6ит.д).
Пермеат Подготовленный
Исходный газ
Исходный газ
Рис.2 Схематическое изображение газоразделительного модуля
С помощью мембранной установки, основанной на полимерной мембране, появилась возможность утилизировать попутный нефтяной газ на 95%. А также регулируя отдельные мембранные блоки, получать продукт с различным составом сырья: двуокись углерода, сероводород, азот и другие вещества.
Среди ВИНК некоторые компании также внедряют мембранные технологии для подготовки попутного нефтяного газа. Например, НК «Роснефть» совместно с МГУ имени М. В. Ломоносова разработала технологию на основе микропористых мембран [9]. Благодаря данной технологии они увеличили процент полезного использования ПНГ, за счет очистки от сероводорода, меркаптанов и углекислого газа. А за счет компактности мембранных установок снизили капитальные и операционные затраты.
Как было сказано выше, ПАО «Газпром нефть» уменьшило количество сжигаемого ПНГ, за счет иных способов переработки, отличных от мембранных технологий. Благодаря проведенному инжинирингу и изменению направления развития компании в сторону переработки и подготовки ПНГ «Газпром нефть» удалось, не теряя в объемах добычи, повысить эффективность использования газа и получить дополнительную прибыль от проведенных работ [10]. Однако тенденция отказа от сжигания попутного нефтяного газа и сохранение динамики роста процента полезного использования потребуют от компании современных методов подготовки ПНГ. Это позволит компании извлекать из попутного нефтяного газа различные необходимые компоненты, которые востребованы на рынке, или же подготавливать газ до требований СТО Газпром 089-2010 используя более качественные и эффективные технологии.
Заключение
Благодаря методам разделения мембранной технологии мировая промышленность открыла для себя новые способы фильтрации, которые используются как для концентрирования продуктов, так и для очистки
отходов жидких и газовых сред. В процессах газоразделения наибольший интерес вызывают полимерные непористые мембраны, благодаря своим разнообразным свойствам, зависящим от природы полимера и от способов изготовления. Именно из-за широкого спектра возможностей экспериментирования с производством полимерных мембран, можно находить решения для задач разной степени вариативности и сложности.
Многие лидирующие нефтедобывающие компании в России, такие как Роснефть, Газпромнефть, ЛУКОЙЛ и прочие, переходят к новым методам переработки: закачка попутного нефтяного газа в пласт, установка энергоблоков или переработка в сжиженный газ. Все эти способы постепенно устаревают и современные нефтяные компании вынуждены обратиться к перспективным и эффективным методам мембранной технологии, отказываясь тем самым от сжигания ПНГ на факелах, что позволит им повысить процент эффективного использования газа, не теряя в общих объемах добычи.
Список литературы
1. «Исследование воздействия сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках». Хетагурова Э. О., Борзыкина Е.А., МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2021
2. Итоги производственной деятельности отраслей ТЭК России // ТЭК России №1. 2021
3. Итоги производственной деятельности отраслей ТЭК России // ТЭК России №1. 2020
4. Ю. И. Дытнерский, В. П. Быков, Г. Г. Каграманов. Мембранное разделение газов. М.: «Химия», 1991. - 344 с
5. Дытнерскнй Ю.И., Каграманов Г.Г.Моделирование процесса фильтрации с помощью керамических мембран. Учеб. Пособие / РХТУ им. Д. И. Менделеева М., 2001, 52с.
6. Диффузионные мембранные процессы: учебное пособие. / Г.Г. Каграманов. - М. РХТУ им. Менделеева, 2009. - 73с.
7. Свитцов А.А. Введение в мембранную технологию// Учебн. Пособие, 2006, 170 с.
8. Научные и инженерные принципы разработки мембранных систем разделения газов / Каграманов Г.Г., Фарносова Е. Н. - Текст: непосредственный // Теоретические основы химической технологии. - 2017. -Т. 51, № 1. - С. 43-50.
9. «Роснефть» разработала технологию подготовки попутного нефтяного газа на основе микропористых мембран [Электронный ресурс]: - ЦКЬ: ЬЦрБ ://^^^го8пей.ш/рге88/пе-к^/йет/189913/
10. «Научные методы инжиниринга энергоресурсоэффективных интенсивных химико-технологических систем в условия цифровой экономики». Мешалкин В. П. Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Ленинский просп., 31, Москва. 2021
