Абсорбционный метод разделения газов путем избирательного растворения разных компонентов многокомпонентных газовых смесей жидким абсорбентом (поглотителем) в сочетании с другими процессами конденсации и ректификации многокомпонентных смесей широко применяется для выделения легких углеводородов и газового бензина из природных и нефтяных газов с содержанием в них компонентов С3 и выше до 250 г/м3 и при извлечении этана до 60 % и пропана до 95 % от потенциального содержания их в сырьевом газе. Продуктами абсорбционных установок могут быть сухой газ (Cj-C2) с точкой росы по влаге и углеводородам не ниже минус 25 “С; топливный газ (С,-С2 и примеси С3); деэтанизированный нестабильный бензин (С3 и выше) или нестабильный бензин (С2 и выше) при извлечении этана в качестве целевого компонента. Современные установки с извлечением пропана около 95 % включают в себя последовательно применяемые процессы абсорбция газа - деэтанизация насыщенного абсорбента - десорбция деэтанизиро-ванного насыщенного абсорбента, а схемы с высоким извлечением этана из газа содержат процессы абсорбции, деметанизации насыщенного абсорбента, деэтанизации насыщенного абсорбента, десорбции насыщенного абсорбента. Абсорбция газа осуществляется при температуре минус 20-40 °С и при давлении 4-7 МПа, хотя эксплуатируются низкотемпературные абсорберы при температурах минус 80-100 °С и более.
Разделение газов по абсорбционной схеме при извлечении пропана в качестве целевого продукта происходит следующим образом (рис. 2.5). Сырой газ температурой 30-40 °С и давлением 4 МПа поступает в сырьевые теплообменники для охлаждения уходящим с установки холодным сухим газом, потом направляется для дальнейшего охлаждения до температуры минус 23 °С в пропановый испаритель-холодильник. В испарителе-холодильнике хладо-агентом служит испаряющийся при температуре минус 37 °С жидкий пропан холодильного компрессорного цикла. В сырой газ до входа в теплообменники подают ингибитор гидратообразования для связывания влаги (раствор диэти-ленгликоля - ДЭГ) концентрацией около 80 %. При охлаждении сырого газа из него выделяются сконденсированные углеводороды - конденсат. В трехфазном разделителе-сепараторе происходит отделение от газа конденсата и насыщенного гликоля, уходящего на регенерацию. Газ поступает под нижнюю первую контактную тарелку абсорбера, а конденсат направляется в деэтанизатор.
Сухой газ после абсорбера контактирует в емкости-смесителе с охлажденным до минус 23 °С в пропановом испарителе-холодильнике регенерированным (тощим) абсорбентом с молекулярной массой 80-140, который в результате этого предварительно насыщается главным образом легкими углеводородами Cj-C,. Предварительно насыщенный абсорбент подается на верхнюю контактную тарелку абсорбера. Насыщенный абсорбент температурой минус 15 °С с низа абсорбера направляется через теплообменники для нагрева до температуры 125 °С в среднюю часть абсорбционно-отпарной колонны (АОК), или деэтаиизатора насыщенного абсорбента. В нижнюю ректификационную секцию АОК подводится на два уровня (верх и низ) теплота за счет двух циркулирующих жидких потоков, которые, в свою очередь, нагреваются в теплообменниках потоком регенерированного абсорбента, нагретого до температуры 230 °С в трубчатой печи. На верх АОК поступает предварительно насыщенный абсорбент температурой минус 23 °С. Верхняя абсорбционная секция АОК служит для абсорбционного улавливания из поднимающегося по колонне газового потока только пропана и более тяжелых углеводородов, в то время как этан должен остаться в газовом потоке, уходящем с верха АОК. Давление в АОК около 4 МПа, температуры сырья 125 °С, низа колонны 177 °С, верха колонны 50 °С. Деэтанизированный насыщенный абсорбент с низа АОК температурой 177 °С проходит гидротурбины, где давление абсорбента с 4 МПа уменьшается до 1,8 МПа.
Гидротурбины используются для привода центробежных насосов, подающих регенерированный абсорбент в абсорбер и АОК. Деэтанизированный насыщенный абсорбент нагревается в теплообменниках до температуры 200 °С и поступает в среднюю часть десорбера. В нижней и верхней секциях десорбера осуществляется процесс ректификации. Низ десорбера подогревается потоком, циркулирующим через трубчатую печь, до температуры 230 °С, с низа десорбера уходит регенерированный (тощий) абсорбент, а с верха десорбера отбираются пары температурой 97 °С, при конденсации которых получается жидкая широкая фракция углеводородов (С3 плюс высшие), часть этой фракции используется в виде рефлюкса (флегмы) для жидкого орошения верха десорбера.
В новых технологических схемах используются различные решения, повышающие общую эффективность разделения газов, такие как предварительное удаление (отбензинивание) тяжелых углеводородов из газа, предварительное насыщение тощего абсорбента метаном и/или этаном, двухступенчатая абсорбция с применением более тяжелого и более легкого абсорбентов, охлаждение абсорбента на двух-трех уровнях по высоте абсорбера или абсорбционной секции, создание парового орошения на двух уровнях по высоте десорбера или отпарной ректификационной колонны, подвод сырья на два уровня в ректификационную колонну, применение разрезных и сложных ректификационных колонн, рециркуляция сухого газа, использование схемы «теплового насоса» на верхнем продукте ректификационной колонны и др.
При высоких извлечениях этана и пропана из газа технологическая схема установок усложняется. Для низкотемпературной абсорбции (НТА) приходится охлаждать газ и абсорбент до температуры минус 60-80 °С с помощью каскадных холодильных циклов и турбодетандерных агрегатов. Широко используется также низкотемпературная ректификация (НТР) на установках разделения газов (рис. 2.6).
На промыслах и ГПЗ часто применяются установки низкотемпературной сепарации (УНТС) газа. При этом реализуется многоступенчатая в дветри стадии низкотемпературная конденсация газа, поэтому такие установки также называют НТК. К примеру, НТК с пропановым холодильным циклом при температуре минус 40 °С позволяет достичь степени извлечения этана 35-40 % и пропана 90 %, НТК с пропан-этановым холодильным циклом при температуре минус 80 °С извлекает этан до 60-80 % и пропан до 95 %. НТА с турбодетандерным процессом с пропан-этановым холодильным циклом при температуре минус 120 °С позволяет получить 85 % этана и более 95 % пропана. При целевом извлечении этана насыщенный абсорбент из абсорбера проходит деметанизацию (удаление метана).
Например, технологический режим в деметанизаторе может быть таким: давление 3,8 МПа, температура тощего абсорбента на входе на верх аппарата минус 78 °С, верха аппарата минус 48, низа аппарата 44, сырья на входе в аппарат 20 °С.
Турбодетандерныи агрегат состоит из турбины и компрессора, установленных на одном валу. На турбине при снижении давления газа происходит его расширение, при этом кинетическая энергия быстро движущегося газа превращается в механическую энергию вращения вала, который приводит в движение центробежный компрессор, сжимающий другой газовый поток. На ГПЗ используют турбодетандеры с большим числом оборотов в минуту (25 000 и более). Турбодетандер (детандер, или расширительная машина, производящая внешнюю работу) является холодильной машиной, позволяющей охлаждать газ. Кстати, турбодетандер с высоким коэффициентом полезного действия (больше 80 %) создан академиком П.Л.Капицей (Нобелевская премия 1978 г.) для ожижения газов, в том числе и гелия (цикл Капицы). Первый ГПЗ с применением турбодетандеров пущен в США в г. Сан-Антонио. Можно продемонстрировать понижение температуры углеводородного газа в турбодетандере; например, давление газа снижается в турбодетандере от 3,7 на входе до 1,8 МПа на выходе и за счет этого температура газа уменьшается от минус 51 до минус 78 °С, в другом случае снижение давления газа от 5,9 до 2.0 МПа снижает температуру газа от минус 62 до минус 98 °С.
Турбодетандеры - уникальные машины высокой точности изготовления и большой надежности работы - имеют сравнительно небольшие габариты. Корпуса их обычно изготавливают из нержавеющей высокопрочной стали, а рабочие колеса турбины и компрессора - из алюминиевых сплавов. В качестве примера приведем некоторые характеристики турбодетандера, в котором сырой газ температурой минус 34 °С понижает свое давление от 6,1 до 3.1 МПа, за счет чего его температура уменьшается до минус 64 °С. Скорость вращения вала - 23 тыс. об/мин, на нем установлены колесо турбины на одном конце и колесо центробежного компрессора на другом конце. Турбина и компрессор имеют отдельные корпуса. Компрессор в этом случае сжимает другой газовый поток от давления 2,8 МПа до давления нагнетания 3,5 МПа, развиваемая мощность на валу - 1,6 МВт. Масса колеса турбины диаметром 208 мм - 2,323 кг, колеса компрессора диаметром 280 мм - 4,838 кг, вал длиной 585 мм с максимальным диаметром посередине 50 мм имеет массу 12,996 кг. Зазоры между лопатками рабочего колеса турбины и лопатками соплового устройством корпуса - 0,508 мм, зазоры между лопатками рабочего колеса ротора компрессора и лопатками направляющего устройства корпуса - 0,635 мм (высокая точность изготовления).
Турбодетандеры с быстро вращающимся валом имеют надежные системы смазки опор вращения вала и герметизации уплотнительных узлов, особые требования предъявляются также к чистоте газов. Турбодетандерные установки снабжены средствами эффективной технической диагностики, они имеют надежные автоматические системы контроля и управления их работой.
На некоторых зарубежных ГПЗ природный газ после расширения в турбодетандере вновь сжимается другим турбокомпрессором до первоначального давления. Например, на ГПЗ производительностью 1,5 млрд м3/год, смонтированном на морской платформе в болотистом районе (штат Луизиана, США), давление газа в турбодетандере снижается с 6,9 до 1,4 МПа. Затем этот же газ вновь сжимается до рабочего давления 6,9 МПа в магистральном газопроводе другим турбокомпрессором с приводом от газовой турбины. Таким образом, турбодетандер применяется для охлаждения природного газа с целью выделения из него частично сконденсированных углеводородов. Применяемые за рубежом на ГПЗ турбодетандеры характеризуются следующими показателями: производительность по исходному газу - 0,14-14 млрд м3/год; температура после детандера - минус 18 - минус 118 °С; степень извлечения этана - до 86 %.
Турбодетандерный привод широко используется в центробежных компрессорах для углеводородных газов в широком интервале мощности (от 0,004 до 7,4 МВт). В табл. 2.26 приведены показатели некоторых зарубежных турбодетандеров.
