CC BY
18УДК 66.071
Р.Ф. Мияссаров1-2, e-mail: m-rus_9090@mail.ru; А.А. Ишмурзин2; Р.А. Махмутов1
1 ООО «Газпром добыча Ямбург» (Новый Уренгой, Россия).
2 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (г. Уфа, Республика Башкортостан, Россия).
Метод извлечения этана в смеси с метаном в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка - Хилша и сопла Лаваля
Этан является самым эффективным сырьем для получения этилена, базового сырья для получения полиэтилена, так как при получении из него этилена не образуются побочные продукты. Как показывают проведенные исследования, наращивание производства этана - процесс энергозатратный. К примеру, в год Оренбургский гелиевый завод потребляет свыше 1 млрд кВт.ч электроэнергии. Поэтому, несомненно, особую актуальность приобретают процессы, основанные на ресурсо- и энергосбережении для достижения низких температур и относительно небольшой металлоемкости применяемого оборудования. В статье рассматривается метод разделения углеводородов (этана и метана) путем совмещения трубки Ранка - Хилша и сопла Лаваля. При этом обосновывается необходимость разделения углеводородов непосредственно в промысловых условиях.
Ключевые слова: эффект Джоуля - Томсона, снижение температуры, степень извлечения фракций, низкотемпературный сепаратор, трубка Ранка - Хилша, сопло Лаваля.
R.F. Miyassarov12, e-mail: m-rus_9090@mail.ru; A.A. Ishmurzin2; R.A. Makhmutov1
1 Gazprom dobycha Yamburg LLC (Novy Urengoy, Russia).
2 State Educational Institution of Higher Professional Education «Ufa State Petroleum Technological University» (Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
A Field Method of Ethane Recovery from Ethane-Methane Mixture by Combining Ranque-Hilsch Tube and Laval Nozzle
Ethane is the most efficient feedstock for ethylene, which is the main component for polyethylene production since no byproducts are produced from it. The research shows that ethane production increase is an energy consuming process. For instance, Orenburg helium factory annually consumes over 1 bln kWh of electricity. In this respect, special attention should be paid to the resource- and energy efficient processes in order to decrease operation temperatures and reduce metal content in the process equipment. The paper considers hydrocarbon separation method (methane and ethane) through combination of Ranque - Hilsch tube and Laval nozzle. The authors prove the necessity of hydrocarbon separation in field conditions.
Keywords: Joule - Thomson effect, temperature decrease, fraction recovery rate, low temperature separator, Ranque - Hilsch tube, Laval nozzle.
Попутный нефтяной газ (ПНГ) и природный газ (ПГ) представляют собой смесь углеводородов метанового ряда: этана, пропана, бутана и др. Все углеводородные газы по происхождению можно разделить на две большие группы: природные газы и газы нефтеперерабатывающих заводов [5]. Природные газы в зависимости от условий залегания имеют различный состав. Обычно с нарастанием глубины и, соответственно, пластового давле-
ния изменяется состав газа. Для так называемого сеноманского газа, например, на Уренгойском газоконден-сатном месторождении характерны глубины 1040-1230 м и содержание метана в природном газе более 98 %. Ачимовские залежи Уренгойского ГКМ расположены в диапазоне 3370-3800 м, содержание метана в пластовом газе ачимовских залежей составляет менее 80 %. Содержание этана этих месторождений колеблется от 4,5 до 6 %
для валанжинских залежей и свыше 8 % - для ачимовских. Газ большинства новых месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также Надым-Пур-Тазовского региона характеризуется высоким содержанием этана, который является ценным сырьем для газохимических производств, поэтому необходимо ориентироваться на получение продуктов глубокой переработки, что обусловливает необходимость развития и внедрения новых
FIELDS DEVELOPMENT AND OPERATION INSTALLATION
технологических процессов глубокого извлечения фракции С2+.
ПОСТАНОВКА ВОПРОСА
Многолетний мировой опыт показал высокую эффективность и экономичность производства химической продукции и синтетических полимеров из легких углеводородов газового сырья. Так, 1 т этана заменяет при получении этилена примерно 2 т бензина. Выход этилена из бензина составляет 27 % [4]. Поэтому более дешевый способ получения этилена как базового сырья для получения полиэтилена - это использование этана. На сегодняшний день 80 % российского этана производится на Оренбургском гелиевом заводе. Прежде всего перерабатываемый природный газ (15 млрд м3/год) необходимо превратить в жидкость с температурой ниже -100 °С, и затем полученная жидкость подвергается многостадийному разделению, в ходе которого выделяют ценные компоненты. Для сравнения: один газоконден-сатный промысел Ямбургского месторождения дает фактическую максимальную производительность 16,5 млрд м3/год газа, т. е. самый крупный газоперерабатывающий завод России просто не успеет подготовить такое количество газа. По этой причине в России перерабатывается всего 7,5 % добываемого ПГ, в то время как в США в 2005 г. переработано около 90 % ПГ. На этом Россия ежегодно теряет еще около 19-20 млн т широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) [5]. В связи с этим актуальной задачей является более полное выделение ценных компонентов на газовых месторождениях, поскольку существующие мощности не сумеют справиться с поставляемыми объемами. Разумеется, для достижения температуры -100 °С необходимы большие капиталовложения и огромное количество энергоресурсов. В настоящее время при извлечении этана предпочтение отдается технологическим схемам с детандерным холодильным циклом.
Рис. 1. Установка для извлечения этана в смеси с метаном:
1 - улитка; 2 - сопло Лаваля; 3 - сепарационная секция; 4 - диффузор; 5 - тарелка; 6 - форсунки; 7 - корпус; 8 - насос
Fig. 1. Apparatus for Ethane Recovery from Methane Mixture:
1 - scroll; 2 - Laval nozzle; 3 - separation section; 4 - diffuser; 5 - tray; 6 - nozzles; 7 - housing; 8 - pump
Часто технологические схемы с детандером для предварительного охлаждения газа включают пропановые холодильные циклы. Поэтому, по мнению авторов, «жирный» газ валанжинских и ачимовских отложений, содержащих большое количество тяжелых компонентов, необходимо подготавливать в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка - Хилша и сопла Лаваля. Суть технологии выделения ценных компонентов, главным образом этана, основывается на численном различии молекулярной массы метана и этана. Молекулы этана в два раза тяжелее молекул метана.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА ПУТЕМ СОВМЕЩЕНИЯ ТРУБКИ РАНКА -ХИЛША И СОПЛА ЛАВАЛЯ
Предлагаемое техническое решение направлено на извлечение целевого
компонента (этана) из смеси с метаном без превращения какого-либо компонента в жидкое состояние (рис. 1). Принцип действия основан на создании центробежной силы в аппарате при помощи улитки 1. Далее закрученный поток газа поступает в конфузорно-диф-фузорное сопло Лаваля 2, в котором при адиабатном расширении в дозвуковой части и прохождении критического участка падают его температура и давление и увеличивается скорость. За счет достижения низкой температуры в сепарационной секции 3 происходит ослабление межмолекулярных связей, и более тяжелые компоненты молекулы этана отбрасываются к периферии и отбираются посредством кольцевой щели, образованной диффузором 4 и сепарационной секцией 3. Далее молекулы этана поступают в межтрубное пространство, куда подается абсорбент через насос 8, форсунки 6 и тарелку 5,
Ссылка для цитирования (for citation):
Мияссаров Р.Ф., Ишмурзин А.А., Махмутов Р.А. Метод извлечения этана в смеси с метаном в промысловых условиях путем совмещения трубки Ранка -Хилша и сопла Лаваля // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 5. С. 44-47.
Miyassarov R.F., Ishmurzin A.A., Makhmutov R.A. A Field Method of Ethane Recovery from Ethane-Methane Mixture by Combining Ranque-Hilsch Tube and Laval Nozzle. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 5, P. 44-47. (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 5 May 2017
45
260
240
<о я
S" S.
= Е
ш /у
1— 1—
° & $ J? <# А о" О' О* О' ° d> Л <$> ¿р> л°> V? ? rf «у ¿г ¿у ¿9 0N & ¿у ¿S <У & & Ф of J? J? J? J? Ж Л # ^ O' O' O' O' O'
Длина сопла, м
Nozzle length ,m
Рис. 2. График изменения температуры по длине сопла Лаваля Fig. 2. Laval Nozzle Temperature Curve
О
ГО \
о и ° 4J ОПП
.о »1- 5
Q. П1
4? J* ^ J* J* J> л9 J1 J? Jp <& JS S* fe<? лУ ¿p л> $> & Длина сопла, м Nozzle length, m
Рис. 3. График изменения скорости по длине сопла Лаваля Рис. 3. Laval Nozzle Velocity Curve
Длина сопла, м Nozzle length, m
Рис. 4. График изменения давления по длине сопла Лаваля Fig. 4. Laval Nozzle Pressure Curve
для равномерного распределения абсорбента по пространству и выхода насыщенного абсорбента в этановую линию.
Как явствует из технологической схемы, в сопле Лаваля происходит охлаждение газа и одновременно температурное разделение на «холодный» и «горячий» потоки за счет высокоскоростного закручивания. При этом «холодный» поток, выработанный в сопле Лаваля, охлаждается за счет передачи своего тепла «горячему» потоку. К тому же за счет закручивания путь движения газа в сопле Лаваля удлиняется и, очевидно, процесс охлаждения газа становится более стабильным.
РЕЗУЛЬТАТЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗА ПО ДЛИНЕ СОПЛА ЛАВАЛЯ
Проведенные газодинамические расчеты снижения температуры по длине сопла, выполненные по известным формулам [7], дали результат, представленный на рис. 2-4.
Газодинамический расчет был произведен для природного газа применительно к газоконденсатному месторождению. Течение газа в сопле адиабатное, расширение газа происходит без совершения внешней работы и теплообмена с внешней средой.
Исходные данные: пропускная способность установки рассчитана на переработку 200 млн м3 газа в год, расчет проводился для Ямбургского газоконденсатного месторождения при следующем составе газа: СН4 = 93,3;
С2Н6 = 4,22;' С3Н8 = 1,22;' С4 Н10 = 0,72;'
С5Н12 = 0,15; С02 = 0,72; N = 0,54. Расчеты подтвердили: при длине сопла L = 903 мм, диаметре входного сечения d1 = 150 мм, критическом сечении ¿кр = 65 мм, выходном диаметре d2 = 118 мм и числе Маха М = 1,8 можно охладить природный газ до -52 °С. Изменение температуры по длине сопла связано с созданием перепада давления кратностью 2,7. При таком перепаде давления установлена степень извлечения этановой фракции 36 % (рис. 5).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье дано теоретическое обоснование увеличения выделения ценных
FIELDS DEVELOPMENT AND OPERATION INSTALLATION
1
P s
m s
CD s
i ï
CD oi
70 60 50 40 30 20 10 0
58
52 44
36
32 29 28
2,3
2,5
2,7
Перепад давления, МПа Pressure drop, M Pa
3,2
3,5
Рис. 5. Извлечение этановой фракции от перепада давления Fig. 5. Ethane Recovery by Pressure Drop Process
компонентов в промысловых условиях, главным образом этана, и эффективности применения высокоскоростных газодинамических процессов для подготовки природного газа газоконденсатных месторождений. Стоит отметить, что одним из целевых значений «Основных положений плана развития газо-и нефтехимии России на период до 2030 г.» [12] является отметка в 7,5 млн т производимого ежегодно этилена. Такое количество этилена может быть получено всего из 12,7 млн т этана. Поэтому необходимо максимально полно извлечь целевые компоненты, особенно этан,перед смешением «жирного» валанжинского и ачимовского газа с «бедным» сено-манским газом. Проведенные расчеты показали, что при высокоскоростном закручивании потока газа можно
добиться его охлаждения до температуры -52 °С, что свидетельствует о возможности извлечения до 36 %
этановой фракции без превращения какого-либо компонента в жидкое состояние.
References:
1. Abrosimov B.F., Artamonov N.A. The Study of Counterflow Interaction with the Peripheral Flow in a Vortex Tube with a Screw Torsional Device. Proc. of V All-Union Sci. and Tech. Conf. «Swirling Effect and its Application in Technology». Kuybyshev State Aerospace Institute named after S.V. Korolev, 1988. (In Russian)
2. Azarov A.I. Vortex Tubes: Energy Efficiency as a Factor of Innovation Process. Proc. «Economic Problems of Fuels and Energy Resources on Industrial Sites and Heat Power Plants». Saint Petersburg State Technological University of a Plant Polymer, 2006, P. 42-52. (In Russian)
3. Berlin M.A., Anoshina K.V. Inconvenient Fellow Traveler, but Equal Passenger. Sfera. Neft' i gaz = Sphere. Oil & Gas, 2013, No. 4, P 106-110. (In Russian)
4. Berlin M.A. An Inconvenient Fellow Passenger. Sfera. Neft' i gaz = Sphere. Oil & Gas, 2013, No. 4, P. 90-92. (In Russian)
5. Merkulov A.P. Swirling Effect and its Application in Engineering. Samara, Optima Publ., 1997, 348 pp. (In Russian)
6. Deych M.Ye. Technical Gas Dynamics. Moscow, Gosenergoizdat, 1961, 675 pp. (In Russian)
7. Ishmurzin A.A., Miyassarov R.F. Increasing Efficiency in Dividing Components of Natural and Oil-Dissolved Gas. Proceedings of the IV Intern. Scien. Conf. «Important Issues in Engineering Sciences». Krasnodar, Molodoy uchenyi, 2017, P. 48-51. (In Russian)
8. Ishmurzin A.A., Miyassarov R.F. Application of Gas-dynamic Separators for Natural and Oil-dissolved Gas Processing. Proccedings of IV Intern. Scien. And Pract. Conf. «Current Issues in Research». Omsk, Science Center «Orka», 2017, P. 98-101. (In Russian)
9. Semenyakin V.S., Shevyahova V.N. Calculation of Gas Condensate Adiabatic Lines by the Composition of Gas from the Astrakhan Gas-Condensate Field. Bulletin of Astrakhan State Technical University, 2005, No. 6, P. 200-203. (In Russian).
10. Khalatov A.A. Theory and Practice of Swirling Flows. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1989, 192 pp. (In Russian)
11. Kirillin V.A., Sheydellin A.Ye. Engineering Thermodynamics. Moscow. Moscow Power Engineering Institute, 2008, 496 pp. (In Russian)
12. General Provisions for the Plan Development in Oil & Gas Chemistry by 2030. Ministry of Energy of RF, 2012. (In Russian)
Литература:
1. Абросимов Б.Ф., Артамонов Н.А. Исследование взаимодействия противотока с периферийным потоком в вихревой трубе с винтовым закручивающим устройством // Вихревой эффект и его применение в технике: мат-лы V Всесоюзной науч.-техн. конф. Куйбышев: Куйбышевский авиационный ин-т им. С.В. Королева, 1988.
2. Азаров А.И. Вихревые трубы: энергосбережение как фактор инновационного процесса // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. трудов. СПб.: СПб ГТУРП, 2006. С. 42-52.
3. Берлин М.А., Аношина К.В. Не попутчик неудобный, а равноправный «пассажир» // Сфера. Нефть и газ. 2013. № 4. С. 106-110.
4. Берлин М.А. Неудобный попутчик // Сфера. Нефть и газ. 2013. № 1. С. 90-92.
5. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Самара: Оптима, 1997. 348 с.
6. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1961. 675 с.
7. Ишмурзин А.А., Мияссаров Р.Ф. Повышение эффективности разделения компонентов природного и попутного нефтяного газа // Мат-лы IV Междунар. науч. конф. «Актуальные вопросы технических наук». Краснодар: Молодой ученый, 2017. С. 48-51.
8. Ишмурзин А.А., Мияссаров Р.Ф. Применение газодинамических сепараторов при промысловой подготовке природного и нефтяного газа // Мат-лы IV Междунар. науч.-практ. конф. «Вопросы современных научных исследований». Омск: Научный центр «Орка», 2017. С. 98-101.
9. Семенякин В.С., Шевяхова В.Н. Расчет адиабаты газоконденсатных смесей по составу газа Астраханского газоконденсатного месторождения // Вестник АГТУ. 2005. № 6. С. 200-203.
10. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наукова думка, 1989. 192 с.
11. Кириллин В.А., Шейделлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: МЭИ, 2008. 496 с.
12. Основные положения плана развития газо- и нефтехимии России на период до 2030 г. М.: Минэнерго РФ, 2012.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 5 мау 2017
47
