Расчёт колонны деэтанизации установки УПГ-1 Белозерного ГПЗ

Выбор способа и технологии переработки  сырья зависит от давления, температуры и состава газа, климатических и почвенных условий районов добычи и транспортирования газа, требований потребителя к качеству [4].

В газах могут содержаться следующие  характерные загрязнения:

1. капельная влага и конденсат тяжелых углеводородов, поступающие вместе с газом или выделившиеся из него в подводящих трубопроводах в результате теплоотдачи и понижения температуры;
2. продукты коррозии внутренних стенок подводящих трубопроводов;
3. жидкость, в основном вода, и твердые загрязнения, попавшие в газопроводы при монтаже, ремонте или их гидравлическом испытании и полностью не удаленные до ввода в эксплуатацию.

Физические методы разделения газов

В зависимости от количества газа, содержания в нем тяжелых углеводородов, направлений использования газа после отбензинивания, заданной глубины отбора различных компонентов, а также в зависимости от местных промысловых условий и других факторов применяются четыре способа отбензинивания [8]:

- абсорбционный;

- адсорбционный;

- компрессионный;

- низкотемпературная ректификация.

Абсорбционный метод основан на различной растворимости содержащихся в исходном газе углеводородов в жидких нефтепродуктах, применяемых в качестве абсорбентов. Находящиеся в газовой смеси углеводороды относительно высокого молекулярного веса - пропан, бутаны, углеводороды бензиновых фракций - растворяются в абсорбенте лучше, чем более низкомолекулярные - метан и этан.

Процесс отбензинивания проводят в  цилиндрической колонне, называемой абсорбером. Абсорбент подается в верхнюю  часть колонны, стекает по тарелкам вниз и многократно соприкасается с идущим снизу вверх потоком газа. Обогащенный углеводородами абсорбент отводится снизу колонны на следующую стадию процесса - десорбцию, при которой из абсорбента отпаривают извлеченные им из газа углеводороды. Конденсируясь, они образуют нестабильный бензин. Регенерированный абсорбент охлаждают и используют повторно.

Применение абсорбционного способа  наиболее рационально для отбензинивания газов, содержащих в 1м³ более 100 г углеводородов С₃ + высшие.

Поглощающая способность абсорбентов тем выше, чем ниже температура процесса абсорбции. В последние годы все большее распространение получает абсорбция при низких (ниже 0°С) температурах. При сохранении современных тенденций большая часть суммарной мощности и в дальнейшем будет приходиться на низкотемпературные абсорбционные газоперерабатывающие заводы.

При переработке тощих газов (до 50 г/м³ С₃  + высшие) применяется метод адсорбции, основанный на способности твердых пористых материалов (адсорбентов) поглощать пары и газы. В качестве адсорбента обычно используют активированный уголь, который поглощает из газа преимущественно тяжелые углеводороды и постепенно насыщается ими. Для извлечения поглощенных углеводородов и восстановления адсорбционной способности насыщенный уголь обрабатывают водяным паром. Смесь водяных и углеводородных паров, отогнанная из адсорбера, охлаждается и конденсируется. Полученный нестабильный бензин легко отделяется от воды при отстое. Для отбензинивания газов газоконденсатных месторождений применяют силикагель.

Компрессионный способ отбензинивания основан на сжатии и последующем охлаждении газа; при этом значительная часть тяжелых углеводородов, входящих в его состав, конденсируется и затем отделяется в сепараторах. Компрессионный способ применяют для отбензинивания жирных газов с высоким содержанием пропана, бутана и более тяжелых углеводородов. Этот способ не обеспечивает достаточной глубины отбора тяжелых фракций и, являясь вспомогательным, обычно сочетается с другими способами отбензинивания.

Для более полного извлечения из газа углеводородов С₃ + высшие в сочетании с компримированием применяют низкотемпературную ректификацию или низкотемпературную конденсацию. Отбензинивание методом низкотемпературной ректификации экономически целесообразно при содержании в газах тяжелых углеводородов (С_{3 +} высшие) более 300 г/м³ и при необходимости обеспечить максимальное извлечение из газа индивидуальных углеводородов - этана и пропана, а также при выделении гелия [9], [15].

Из сжатого газа после глубокого охлаждения выделяется конденсат. Смесь газа и конденсата или отсепарированный конденсат подается в ректификационную колонну [10], верхняя часть которой охлаждается, а нижняя подогревается. В результате теплообмена между стекающей вниз флегмой и поднимающимися вверх парами легкие углеводороды переходят в паровую фазу, а тяжелые конденсируются, и таким образом происходит их разделение. Тяжелые углеводороды отводятся снизу колонны, а легкие (метан, этан) - сверху.

Низкотемпературные абсорбция  и ректификация сочетаются с осушкой отбензиниваемого газа, которая необходима для предотвращения образования гидратов.

Выбор способа отбензинивания и  технологической схемы газоперерабатывающего  завода основывается на тщательном технико-экономическом  анализе. Сопоставляя различные варианты, находят оптимальный.

 

Промышленные установки фракционирования газов

 

Нестабильный бензин, получаемый на газоотбензинивающих установках методом  компрессии, абсорбции или низкотемпературной ректификации или адсорбции, содержит углеводороды от этана до гептана и высшие. В зависимости от состава отбензиниваемых газов и глубины извлечения целевых углеводородов, состав нестабильных бензинов колеблется в широких пределах. Как товарный продукт нестабильный бензин не находит применения. В народном хозяйстве используются его компоненты: пропан, изобутан, н-бутан, изопентан.

Основное требование к качеству каждого выделяемого  углеводорода - это чистота, т. е. высокая  концентрация целевого компонента в  получаемой фракции. Выделить совершенно чистые (не имеющие примесей) углеводороды в промышленных условиях практически невозможно. Вместе с целевым компонентом в продукте содержатся другие углеводороды, имеющие близкие температуры кипения. Такая смесь носит название фракции того или иного компонента (пропановая фракция, бутановая фракция и т. д.).

Четкое разделение жидких углеводородных смесей достигается в колоннах с  большим числом ректификационных тарелок [11], служащих для контактирования паров, поднимающихся снизу колонны, и флегмы, стекающей сверху. Основными факторами, определяющими работу ректификационных колонн, являются: давление, температура, число тарелок, кратность орошения, или флегмовое число [12], [16].

Газофракционирующие установки предназначены  для получения из нестабильного  газового бензина стабильного бензина и сжиженного газа (пропан - бутановой смеси) или стабильного бензина и фракций индивидуальных углеводородов [8]. Установки такого типа называются стабилизационными. Разделение проводится в одной колонне (стабилизаторе). Принципиальная схема стабилизационной установки приведена на рис. 1.

Нестабильный бензин насосом 1 через  систему теплообменников 2 закачивается в среднюю часть колонны (стабилизатора) 4. Верхний продукт, представляющий собой пары пропан-бутановой смеси с некоторым содержанием этана, отводится через конденсатор-холодильник 5 в емкость орошения 6. Часть образовавшегося конденсата верхнего продукта насосом 7 подается на верх колонны в качестве орошения, а избыточная его часть тем же насосом откачивается в товарные емкости сжиженных газов.

 

Рис. 1. Технологическая схема стабилизационной установки:

1,7 - насосы; 2 - система теплообменников; 3 - кипятильник; 4 - колонна (стабилизатор);  
5, 8 - конденсаторы-холодильники; 6 - емкость орошения.

Потоки: I - нестабильный бензин; II - несконденсировавшиеся газы; III - сжиженный газ;

IV — стабильный бензин.

 

Несконденсировавшиеся газы (незначительное количество), состоящие в основном из этана и пропана с некоторой  примесью бутана, отводятся через  регуляторы противодавления на повторное отбензинивание или используются на заводе как котельное топливо. Нижний продукт колонны - стабильный газовый бензин из кипятильника 3 через теплообменник 2 и холодильник 8 отводится в товарные емкости [13].

Режим работы стабилизатора при  постоянном составе сырья зависит главным образом от требований, предъявляемых к качеству получаемых продуктов - бензина или сжиженного газа [14].

Если требуется получить бензин с низким давлением насыщенных паров, то проводят более глубокую отпарку  н-бутана. Это достигается некоторым снижением давления в колонне или небольшим повышением температуры вверху или внизу колонны. Если необходимо получить сжиженный газ с минимальным содержанием неиспарившегося остатка, т. е. пентанов, а в зимнее время – даже бутанов, то необходимо повысить давление в колонне, а температуру вверху и внизу ее несколько снизить. Полученный снизу колонны бензин в этом случае закачивают в нефть или направляют на нефтеперерабатывающие или нефтехимические предприятия.

В табл. 3 приведены состав сырья и продуктов ГФУ одного из газоперерабатывающих заводов, а в табл. 4 основные размеры колонн и их технологический режим работы.

Таблица 3

Состав сырья и продуктов  ГФУ (в вес. %)

Компоненты	Пропановая колонна			Бутановая колонна			Изобутановая колонна
	сырье – нестабильный бензин	верхний  продукт - пропан	нижний продукт –  бутан – бензиновая смесь	сырье - бутан – бензиновая смесь	верхний продукт –  смесь бутанов	нижний продукт –  стабильный газовый бензин	сырье – смесь бутанов	верхний продукт - изобутан	нижний продукт – н-бутан
Этан	0,46	1,90	-	-	-	-	-	-	-
Пропан	39,34	96,50	0,70	0,70	1,60	-	1,60	5,5	-
Изобутан	10,70	1,60	16,80	16,80	29,40	-	29,40	92,5	4,0
н-Бутан	27,20	-	44,79	44,79	68,50	1,2	68,50	2,0	95,3
Пентан + высшие	22,30	-	37,71	37,71	0,50	-	0,50	-	0,7
Итого	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

 

На этой установке сырьем пропановой колонны служит нестабильный бензин с абсорбционной отбензинивающей  установки, а сырьем бутановой колонны  - смесь нижнего продукта пропановой колонны и бутан - бензиновой фракции, получаемой в результате отгонки пропана из нестабильного бензина, поступающего с нефтестабилизационной установки.

Таблица 4

Конструктивные размеры и режим  работы основных колонн ГФУ

Показатели	Колонны
	пропановая	бутановая	изобутановая
Размеры, м
диаметр	1,6	1,6	2,6
высота	20,0	20,0	55,0
Число тарелок	30	30	80
Расстояние между тарелками, м	0,6	0,6	0,6
Рабочее давление, кгс/см2	13	5	5,6
Температура, оС
внизу	41	48	47
вверху	96	96	60
Расход, кг/ч
сырья	20 000	21 000	9 000
холодного орошения	16 500	13 000	31 000
Кратность орошения	2,5:1	1,45:1	12:1

 

 

4. Основная аппаратура газоперерабатывающих заводов

Основная аппаратура газоперерабатывающих заводов может быть условно разделена  на шесть групп [8]:

1. аппараты колонного типа, в которых поглощаются из газа или выделяются из насыщенного абсорбента компоненты газового бензина и легкие углеводороды (абсорберы, абсорбционно-отпарные колонны, десорберы) или проводится разделение нестабильного бензина на фракции (ректификационные колонны газофракционирующей установки);
2. теплообменные аппараты, в которых проводится нагрев, охлаждение или конденсация газов, паров углеводородов и абсорбента (теплообменники, паровые подогреватели, кипятильники, холодильники, конденсаторы);
3. трубчатые печи или огневые подогреватели, в которых нагревается тощий абсорбент или циркулирующий теплоноситель;
4. аппараты для отделения газов от жидкостей и взвешенных капель и разделения двух видов нерастворимых одна в другой жидкостей (сепараторы, водоотделители, маслоотделители);
5. емкости для хранения жидких, продуктов и реагентов;
6. машины и механизмы для перемещения (перекачки) жидкостей и газов (насосы,  компрессоры, газодувки) .