Концентрування водометанольного розчину методом газогідратної кристалізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концентрування водометанольного розчину методом газогідратної кристалізації

Педченко Лариса Олексіївна

Педченко Михайло Михайлович

Єльченко-Лобовська Анжела Сергіївна

Лаврик Іван Олександрович

Анотація

Природний газ є основою енергетики нашої країни. Але технологія його видобутку тісно пов'язана із використанням інгібіторів гідратоутворення. Здатність до регенерації та можливість повторного використання, висока ефективність застосування метанолу зробили його найбільш уживаним інгібітором. Відновлення і вилучення метанолу, з відпрацьованої водометанольної суміші, здійснюється шляхом концентрування розчину. Найбільшого поширення набув метод ректифікації водометанольного розчину, проте така технологія має низку істотних недоліків. Основний пов'язаний з наявністю у відпрацьованому розчині метанолу іонів солей пластової води. Результатом є відкладення солей і корозія обладнання. Це ускладнює процес і знижує його ефективність. Такі обставини змушують підприємства нафтогазової галузі України закачувати значну частину відпрацьованого водометанольного розчину в пласт. Отже, галузь потребує розроблення ресурсозберігаючих технологічних рішень здійснення регенерації водометанольних розчинів. Тому розроблення і обґрунтування ефективної технології регенерації метанолу є досить актуальним.

У статті виконано аналіз технологічних особливостей і ефективності регенерації метанолу за газогідратною технологією - способом газогідратного концентрування. Проведено експериментальні дослідження процесу газогідратного концентрування розчину, а саме утворення і сепарації газогідратної маси від концентрату метанолу. В якості газу- гідратоутворювача використано пропан-бутанову суміш. У ході дослідження встановлено принципову можливість ефективної сепарації газогідратної маси з допомогою фільтрувального елементу, вмонтованого у рухомий поршень сепараційного блоку лабораторної установки. Сепарація - основний процес технології газогідратного фракціонування водних розчинів речовин на газовий гідрат і їх концентрат.

Авторами розроблено принципову схему установки регенерації суміші пластової води і метанолу способом газогідратного концентрування. Для підтвердження перспективності пропонованої технології виконано порівняльний аналіз економічної ефективності технологій регенерації метанолу способом газогідратного концентрування та ректифікації. Такий аналіз показав переваги методу газогідратного концентрування водометанольного розчину.

Ключові слова: метанол, водометанольний розчин, газові гідрати, регенерація метанолу, газогідратне концентрування, сепарація

Вступ

установка газогідратного концентрування пластова вода

Однією з суттєвих проблем, що супроводжують процеси видобутку, підготовки і транспортування природного газу, є утворення техногенних газових гідратів. Відомо ряд способів попередження гідратоутворення, проте основним і найбільш дієвим залишається використання антигідратних реагентів - інгібіторів процесу. Найбільш ефективним і вживаним інгібітором є метиловий спирт. Його основними перевагами є спроможність швидко розкладати вже наявні гідратні відкладення (пробки), суттєве зміщення рівноважних параметрів гідратоутворення пластових систем у бік нижчої температури чи вищого тиску, низька температура замерзання водних розчинів, низька в'язкість, низька собівартість [1].

Основна частина. Відносно висока норма витрати метанолу для попередження гідратоутворення суттєво впливає на собівартість видобутого газу і призводить до утворення значних об'ємів відпрацьованого водометанольного розчину. Це диктує необхідність здійснення його регенерації для повернення до технологічного процесу. Для відновлення початкових властивостей метанолу необхідне його концентрування. Значного поширення у галузі набули методи вилучення метанолу з водометанольної суміші шляхом віддувки та ректифікації. Технологія віддувки метанолу в технологічному процесі передбачає значну проектну потужність газового промислу, а метод ректифікації позбавлений цього недоліку [2].

Концентрований метанол під час застосування насичується водою. Разом з нею в розчин потрапляють іони солей. Тому водометанольний розчин містить у собі карбонати, гіпси, силікати, сполуки заліза. При нагріванні вони здатні утворювати важкорозчинні відкладення [3-4]. Отже, наявність іонів солей пластової води у відпрацьованому розчині, сприяє появі накипу на теплообмінних поверхнях або викликає досить активні корозійні процеси. У результаті цього ефективність регенерації значно знижується чи взагалі стає неможливою. Як результат - на значній частині об'єктів нафтогазовидобутку України, замість регенерації, відпрацьований метанольний розчин, після розведення до низької концентрації пластовою водою, утилізується шляхом закачування через відповідну нагнітальну свердловину в пласт.

На сьогодні в Україні значна кількість газоконденсатних родовищ перебуває на стадії спадаючого видобутку, що супроводжується зростанням вологоумісту газу та зниженням температури його потоку. Такі фактори сприяють появі та росту техногенних газових гідратів, і, відповідно, зростанню об'ємів метилового спирту для подачі в свердловини, шлейфи та установки підготовки газу.

Попри низку недоліків, які роблять процес ректифікації непривабливим, регенерація метанолу є доцільною, оскільки дає можливість багатократного використання інгібітору в технологічному процесі, дозволяє мінімізувати екологічні ризики, пов'язані з транспортуванням хімічно активного продукту, усунути проблеми, пов'язані із зберіганням метанолу. Собівартість регенерації метанолу суттєво нижча за собівартість його виробництва. У зв'язку з цим, галузь потребує розроблення ресурсозберігаючих технологічних рішень здійснення регенерації водометанольних розчинів безпосередньо на промислових об'єктах. При цьому, як вирішення проблеми, доцільно розглядати варіант впровадження інноваційних технологій в області регенерації метанолу.

В основу такої технології регенерації відпрацьованого метанолу може бути покладено спосіб гідратного концентрування водних розчинів різноманітних речовин. В основу даної технології покладена властивість газів при певних Р-Т умовах утворювати гідрати таких газів із молекулами води. При цьому розчинені у водному розчині речовини не входять до складу гідратної структури (вони виштовхуються з кристалічної структури гідрату). Завдяки такій властивості газових гідратів з водних розчинів (суспензій) можуть бути виділені будь-які речовини.

Дана газогідратна технологія концентрування по суті є модифікацією технології опріснення на основі газових гідратів. Суть процесу полягає в наступному: до розчину чи суспензії з нерозчинних речовин і води за відповідних термобаричних умов вводять газ-гідратоутворювач. Після утворення твердої фази гідрату її відділяють шляхом сепарації від рідкої фази, що не увійшла до складу гідрату. Після промивки кристалів гідрату у випадку технології опріснення вони і є цільовим продуктом технології (їх дисоціюють на газ і прісну воду). У варіанті регенерації шляхом концентрування цільовим продуктом технології є рідка фаза - водометанольний концентрат, яка відділяється в процесі сепарації суміші.

Виділений при плавленні газогідрату газ після компримування повертається до процесу. Особливістю даної технології регенерації метанолу, як речовини, яка сама по собі інгібує процес гідратоутворення, є необхідність використання газу чи суміші газів з максимально низькою межею гідратної стабільності (наприклад на основі пропану).

Володіючи всіма перевагами контактного виморожування, газогідратний метод вигідно відрізняється більш високою температурою проведення процесу, що дозволяє зменшити енергетичні витрати на виробництво холоду.

У патенті [5] дано опис дослідних лабораторних установок, в основу яких покладено загальний принцип газогідратного концентрування. Газові гідрати, у процесі утворення, з суміші поглинають лише молекули води для побудови кристалічної структури, а солі та інші речовини залишаються у розчині. При цьому його залишкова концентрація зростає.

Для обґрунтування перспектив застосування технології газогідратного концентрування водометанольного розчину було виконано експериментальне дослідження. Процес газогідратного концентрування досліджувався за допомогою лабораторної установки оснащеної реактором у вигляді прозорого (демонстраційного) циліндра (рис. 1). Досліджувалась принципова можливість організації процесу сепарації суміші рідкої фази і газогідрату. Для дослідження використовували газ пропан.

Реактор має об'єм 7 л, розрахований на проведення експериментів при тиску до 2,8 МПа та дослідження процесів утворення, накопичення і сепарації газогідрату. Реактор виготовлено у вигляді товстостінного прозорого циліндра 4, торці якого закрито фланцями 6. У верхній фланець вмонтовано форсунку, а у нижній - пристрій для барботування 3 і лубрикатор 8. У циліндричному корпусі розміщено поршень 2 із вмонтованим у нього фільтрувальним елементом. Поршень переміщується за допомогою штока 1, який вводиться через лубрикатор 8. За допомогою поршня із водогазогідратної суміші відтискається основна частина води.

Процес напрацювання газогідрату в реакторі реалізується в процесі подаці (циркуляції) води і газу через струминний пристрій. Збурення поверхні рідини в реакторі струменем здійснює активне контактування фаз і як наслідок - інтенсивне гідратоутворення. Відокремлення (сепарація) концентрату від газогідратної маси відбувається через фільтрувальний елемент, який вмонтовано в поршень 2. Періодично гідратна маса поршнем через шток ущільнюється за допомогою гідравлічного преса (рис. 2). Рідка фаза (цільовий концентрат) накопичується під поршнем.

Рис. 1. Лабораторна газогідратна установка з прозорим циліндричним реактором: а - (фото; б - схема: 1 - што к; 2 - п о р ш е н ь із фільтруючим елементом; 3 - нижній циліндр; 4 - корпус; 5 - газогідрат; 6 - верхній флянець;

7 - ущільнення; 8 - лубрикатор; 9 - шток; потоки: І - водогазогідратна суміш; ІІ - газ; ІІІ - вода

За результатами досліджень запропоновано принципову схему дослідно - промислової установки концентрування водометанольного розчину за газогідратною технологією (рис. 3). Концентрування відбувається наступним чином. Водометанольний розчин надходить до реактора для утворення газового гідрата. Процес гідратоутворення відбувається безперервно. У якості газу-гідратоутворювача пропонується суміш на основі пропану. Згідно попередніх розрахунків, технічно і економічно прийнятним є концентрування водометанольного розчину до 75 %.

Рис. 2. Етапи процесу сепарації газогідратної маси

Рис. 3. Принципова схема дослідно-промислової газогідратної установки концентрування водометанольної суміші: 1 - реактор; 2 - датчики температури; 3, 5, 13 - фланці; 4 - струминний апарат; 6 - штуцер виведення водогазогідратної суміші; 7 - система датчиків КВП; 8 - барботажний пристрій; 9 - опора; 10 - шток гідравлічного преса; 11 - поршень з фільтрувальним елементом; 12 - корпус сепаратора; 14, 18 - теплообмінники; 15 - джерело газу; 16 - холодильний агрегат; 17 - насос; 19 - мішалка; 20 - перепускний вентиль; потоки: І - водометанольна суміш під тиском; ІІ - гідратоутворюючий газ; ІІІ - рідинно-гідратна суміш

На рисунку 4 наведено рівноважну криву гідратоутворення пропану і водометанольного розчину концентрацією 70%. Згідно неї температуру в реакторі для здійснення процесу необхідно підтримувати не вище - 30 ^оС.

Після досягнення максимальної концентрації розчину, що не увійшов до складу газогідрату, процес зупиняється і починається сепарація (і більш глибоке механічне відділення концентрату, захопленого між кристалами гідрату, наприклад центрифугування чи пресування). Відібраний із сепаратора фільтрат - цільовий продукт технології - відкачується з реактора у ємність метанольного господарства промислу і може використовуватися повторно. Причому іони солей, які концентруватимуться у цільовій суміші, створюватимуть додатковий інгібуючий ефект.

Рис. 4. Рівноважні криві гідратоутворення для пропану з дистильованою водою (крива чорного кольору) та водометанольним розчином (крива червоного кольору)

Насосом до сепаратора, з утвореним газовим гідратом, подається теплоносій, температурою 60-95 ^оС. Відбувається дисоціація газогідрату у замкнутому об'ємі на газ і воду. Причому газ в замкнутому об'ємі стискатиметься до початкового тиску (газогідратне компримування). Отримана у результаті вода міститиме мінімальну кількість метанолу і розчинних солей, а газ виводитиметься із сепаратора через регулюючий клапан, охолоджуватиметься і зріджуватиметься.

Розрахунок економічної ефективності регенерації метанолу способом газогідратної кристалізації для установки по воднометанольному розчину продуктивністю 2 т/год показав, що енергетичні витрати у перерахунку на природний газ для здійснення технологічного процесу складуть 28 м³/год. За аналогічних умов енергетичні витрати у перерахунку на природний газ для установки регенерації метанолу способом ректифікації досягають 120 м ³/год.

Висновки

1. Технологія концентрування водометанольних розчинів для потреб нафтогазовидобувного комплексу на основі газогідратної технологія має перспективи широкого впровадження.

2. Розроблено принципову схему установки регенерації водометанольної суміші способом газогідратного концентрування для дослідно-промислового відпрацювання технології.

З.Попередній аналіз економічної ефективності запропонованої технології регенерації метанолу показав її переваги порівняно із ректифікацією.

Список використаних джерел

[1] Taylor, C.E.& Kwan, J.T. (2004). Advances in the Study of Gas Hydrates. New York, NY, USA.

[2] Ming, Wu, Shumiao, Wang & Hongbo Liu, A. (2007). Study on Inhibitors for the Prevention of Hydrate Formation in Gas Transmission Pipeline. Natural Gas Chemistry, (16), 81-85.

[3] Younos, Tamim, & Kimberly, E. Tulou. (2005). Overview of desalination techniques. Contemporary Water Research & Education, 132, (1), 3-10.

[4] Teixeira, Alexandre Mendonqa (2019). Recovery of thermodynamic hydrate inhibitors methanol, ethanol, and meg in offshore natural gas production: Exergy, Economic, and Environmental Analyses. Universitate Federal Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, Brazil.

[5] Педченко, Л.О. & Педченко, M.M. (2014). Застосування рідинно-газового струминного апарата з подовженою камерою змішування як контактного пристрою для утворення газових гідратів (Патент України на винахід №105208). Бюл. № 8, Україна. Вилучено з: http://uapatents.com/5-105208-zastosuvannya- ridinno-gazovogo-struminnogo-aparata-z-podovzhenoyu-kameroyu-zmishuvannya-yak-kontaktnogo-pristroyu-dlya-utvorennya-gazovikh-gidrativ.html

Размещено на Allbest.ru