Абсорбционные и низкотемпературные методы разделения газов на ГПЗ

Принципы и применение абсорбционного метода

Абсорбционный метод является ключевой технологией на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ) для выделения ценных углеводородов из природных и нефтяных газов. Его суть заключается в избирательном поглощении компонентов газовой смеси специальной жидкостью — абсорбентом. Этот процесс, особенно в комбинации с конденсацией и ректификацией, эффективен для извлечения легких углеводородов (C3 и выше) и газового бензина. Метод показывает высокую эффективность: позволяет извлекать до 60% этана и до 95% пропана от их потенциального содержания в исходном сырье.

В результате работы абсорбционных установок получают несколько продуктов:

• Сухой газ (метан-этановая фракция) с низкой точкой росы.
• Топливный газ.
• Нестабильный бензин, состав которого (C3+ или C2+) зависит от того, извлекается ли этан как целевой продукт.

Современные схемы, ориентированные на высокое извлечение пропана, включают последовательность процессов: абсорбция, деэтанизация и десорбция насыщенного абсорбента. Если же целью является этан, технологическая цепочка усложняется добавлением стадии деметанизации. Абсорбция обычно проводится при низких температурах (от -20 до -40 °C) и высоком давлении (4-7 МПа), хотя существуют и более экстремальные низкотемпературные варианты, работающие при -80...-100 °C.

Технологическая схема извлечения пропана

Рассмотрим типичный процесс разделения, где целевым продуктом является пропан. Подготовка сырого газа начинается с его охлаждения. Сначала газ отдает холод уходящему сухому газу в теплообменниках, а затем охлаждается до -23 °C в испарителе-холодильнике с жидким пропаном в качестве хладагента. Для предотвращения образования гидратов в газ заранее вводят ингибитор, например, диэтиленгликоль (ДЭГ). При охлаждении часть углеводородов конденсируется, и в сепараторе происходит разделение на газ, конденсат и насыщенный гликоль.

Очищенный газ поступает в нижнюю часть абсорбера, где встречается с потоком абсорбента. Интересной особенностью схемы является предварительное насыщение «тощего» (регенерированного) абсорбента легкими углеводородами в отдельном смесителе перед подачей его на верх абсорбера. Это повышает эффективность основного процесса. Насыщенный абсорбент с низа абсорбера направляется в абсорбционно-отпарную колонну (АОК, или деэтанизатор). В АОК происходит ключевое разделение: в верхней абсорбционной секции из поднимающегося газа улавливаются пропан и более тяжелые фракции, а этан остается в газовом потоке, уходящем с верха колонны.

Далее деэтанизированный абсорбент, пройдя через гидротурбины (которые приводят в действие насосы), поступает в десорбер. Здесь, в условиях нагрева (до 230 °C в нижней части), происходит регенерация абсорбента: тяжелые углеводороды (C3+) отгоняются и после конденсации выводятся как товарная фракция, а «тощий» абсорбент возвращается в цикл.

Повышение эффективности и низкотемпературные методы

Современные технологические решения постоянно развиваются для увеличения эффективности разделения. Среди них можно выделить:

• Предварительное удаление тяжелых углеводородов (отбензинивание).
• Предварительное насыщение абсорбента легкими газами.
• Многоступенчатую абсорбцию с разными абсорбентами.
• Сложные схемы ректификации с несколькими точками ввода сырья и орошения.
• Применение схем «теплового насоса».

Когда требуется достичь особенно высоких степеней извлечения этана и пропана (более 85-95%), технология существенно усложняется. На помощь приходят низкотемпературные методы, требующие глубокого охлаждения сырья до -60...-120 °C.

Широкое распространение на промыслах и ГПЗ получили установки низкотемпературной сепарации (УНТС) или конденсации (НТК). Их эффективность напрямую зависит от достигаемой температуры:

• НТК с пропановым охлаждением (-40 °C): извлечение этана 35-40%, пропана — 90%.
• НТК с пропан-этановым циклом (-80 °C): извлечение этана до 60-80%, пропана — до 95%.
• Комбинация низкотемпературной абсорбции (НТА) с турбодетандерным процессом (-120 °C): позволяет извлечь более 85% этана и 95% пропана.

Роль турбодетандеров в глубоком охлаждении

Для достижения сверхнизких температур на ГПЗ активно используются турбодетандерные агрегаты. Это высокоточные машины, принцип работы которых основан на эффекте Джоуля-Томсона: при резком адиабатическом расширении газа в турбине (детандере) его температура значительно падает. Механическая энергия вращения вала турбины используется для привода компрессора, сжимающего другой поток газа. Таким образом, турбодетандер выполняет роль высокоэффективной холодильной машины.

Конструктивно это компактные агрегаты с частотой вращения вала до 25 000 об/мин и выше. Их изготовление требует высочайшей точности — зазоры между лопатками измеряются долями миллиметра. Корпуса выполняются из нержавеющей стали, а рабочие колеса — из алюминиевых сплавов. Надежность работы обеспечивается сложными системами смазки, герметизации, контроля и диагностики.

На практике расширение газа в турбодетандере с 6.1 до 3.1 МПа может снизить его температуру с -34 °C до -64 °C. На некоторых зарубежных ГПЗ используется схема, где газ после расширения и сепарации сжимается обратно до транспортного давления другим компрессором. Производительность современных турбодетандерных установок варьируется в огромном диапазоне — от 0.14 до 14 млрд м³/год, что делает их универсальным инструментом для газопереработки.