ВВЕДЕНИЕ Казахстан обладает огромными запасами природных ... энергетических ресурсов. На территории нашей страны есть месторождения
advertisement
ВВЕДЕНИЕ Казахстан обладает огромными запасами природных и особенно энергетических ресурсов. На территории нашей страны есть месторождения нефти и газа которые выводят нас в первую десятку нефтяных стран. Большинство из нефтегазовых месторождений открыты в западном регионе Казахстана и Прикаспийского бассейна – Тенгиз, Кашаган, Карачаганак и другие. Открытое в 1979 г., Тенгизское месторождение находится на юге обширного Прикаспийского бассейна. Тенгизское месторождение – одно из крупнейших и глубоких из открытых в мире за последние 15 лет. По расчетам на данный момент оно содержит более 3 млрд. тонн (23,6 млрд. бареллей) нефти в пласте. Кроме того, 1800 м 3 (64 трилл. куб. футов) попутного газа, что позволяет называть Тенгиз «жемчужиной» Казахстана. В отличие от многих стран Казахстан для развития многих отраслей нефтехимической промышленности располагает собственной сырьевой базой, включая природные и попутные газы, газообразные и жидкие углеводороды, получаемые при разгонке, крекинге нефти и т.д. Отечественная газопереработка реализована, в основном, в извлечении углеводородов С1-С4 и элементарной серы. Однако углеводородный газ требует особого внимания как огромный источник углеводородного сырья, способный качественно повысить эффективность народно-хозяйственного комплекса. Высокая эффективность применения нефтяного газа в процессах, нефтехимического и органического синтеза активно направляет работы по совершенствованию техники промысловой и заводской переработки минерального сырья. Нефтяные газы, безусловно, представляют интерес как дополнительный источник энергии для обеспечения возрастающей потребности народного хозяйства Республики в топливах и нефтехимическом сырье. В процессах нефтедобычи, нефтяной газ используется для повышения нефтеотдачи. Для этого, очищенный нефтяной газ закачивается в пласт при повышенном давлении. Но закачиваемый газ должен соответствовать требуемым характеристикам, что предоставляет собой трудноразрешимую задачу. Содержание водяного пара в нефтяном газе должно быть предельно низким. Настоящий дипломный проект посвящается возможности решения данной проблемы путем рассмотрения различных способов удаления водяного пара из газа и улучшению функционирования и увеличения производительности выбранной установки, что позволит увеличить нефтедобычу в нашей стране. 1 Литературный обзор 1.1 История процесса Нефтяная отрасль Казахстана - одна из основных отраслей экономики Казахстана. Добыча нефти в Казахстане в 1992 году составила 25,8 млн тонн, а в 2012 году составила 80 млн тонн. В Казахстане открыто более 200 нефтяных, газовых и конденсатных месторождений. 2/5 из них находятся в Кашагане. Другие главные месторождения находятся на Тенгизе и Жанажоле. Тенгизшевройл унаследовал установку сепарации нефти и газа, когда перенял управление на Тенгизе в 1993. Этот завод первого поколения на Тенгизе называется КТЛ. ТШО инвестировал в развитие и расширение КТЛ за период его работы. Сейчас, КТЛ состоит из 5 технологических линий для нефти и газа и сейчас является намного эффективным и безопасным для экологии. В 2009 году ТШО избавился от практики сжигания газа на факеле на заводе КТЛ. Тенгиз – нефтегазовое месторождение в Атырауской области, оно было открыто в 1979 году. Тенгизская нефть пользуется высоким спросом на мировом рынке, благодаря своему высокому качеству. Товарная нефть Тенгиза является очень «легкой», т.е нефть состоит из легких молекул углеводорода, таким образом облегчая задачи переработки нефти в бензин, дизельное топливо и другие продукты для перерабатывающих заводов. Первые 29 лет Тенгиз работал в режиме первичной добычи, т.е нефть и газ поступали из скважины сами под давлением, изначально имеющемся в пласте, без необходимости применения насосов. Это дает возможность достичь высокого уровня нефтеотдачи, однако, естественное давление в пласте имеет тенденцию к уменьшению. Начальное давление в резервуаре сотавляло 800 бар, в 2007 году оно упал до 400 бар. Поэтому увеличения нефтеотдачи можно добиться при успешном применении методов вторичной добычи, таких как закачка сырого газа для частичного восстановления давления в пласте. Закачка сырого газа позволит с одной стороны повысить нефтеотдачу, с другой стороны отпадает необходимость утилизации попутного газа ( переработки, хранения и реализации побочных продуктов, производства серы из сероводорода). При этом существенно снижается отрицательное влияние производства на окружающую среду, а также сохраняются ресурсы газа, который при необходимости может быть извлечен из пласта и использован в будущем. Установка закачки сырого газа был введен в производство во второй половине 2008 года. Производительная мощность ТШО выросла с момента ввода в эксплуатацию его последнего проекта – развитие второго поколениякоторый включает завод второго поколения и установка закачки сырого газа. Это развитие удвоило производительную мощность Тенгиза и помогло Казахстану достичь целив усиленном увеличении производства. ТШО закончило развитие в третьей четверти 2008 года который приносил в день продукцию эквивалентную 75000 метрических тонн (600,000 баррелей) сырой нефти и 22 миллиона кубических метров (750 миллион стандартных кубических футов) газа. Это развитие стало также большим успехом для Казахстана. Мы упорно работали чтобы Казахстанские компании важную роли в реализации проектов. ТШО потратил всего 2 миллиарда в развитие Казахстана. Установки завода второго поколения стабилизируют и обессеривают сырую нефть ,также выделяют из природного газа продукты и простую серу. Завод второго поколения является самым большим заводом для обессеривания сырой нефти. Мы не только увеличили производство, но и расширение помогло уменьшить влияние на окружающую среду и максимизировать энергетическую эффективность путем использования передовых технологий. ЗВП закачивает 1/3 полученного сырого газа обратно в резервуары Тенгиза при очень высоком давлении, чтобы помочь сохранить давление в резервуаре. Компрессор для закачки является уникальным аппаратом и может даже называться объектом искусства в области закачки газа. Тенгизшевройл воспользовался возможностью и добавил несколько экологических инноваций в дизайн нового завода, чтобы минимизировать операционные воздействия на экологии и улучшить энергетическую эффективность. В сравнении с существующими установкам, завод второго поколения использует половину энергии, использовавшейся предыдущей технологией для процесса разработки нефти; снижая количество выбросов на половину и увеличивая количество топливного газа на продажу и использование внутри страны. ТШО использует технологию малых выбросов и высокой энергетической эффективности и одни из самых больших генераторов пара в мире, чтобы обеспечить достаточно энергии для больших установок. Ключевым фактором в экологическом дизайне проекта расширения Тенгиза было сохранение, переработка и уменьшение использования воды. Тенгизшевройл снизил использование воды с 1,3 кубических метров на одну тонну полученной нефти в 1994 году до 0,2 кубических метров сегодня. С новейшими технологиями наш процесс производит собственную техническую воду для процесса, генерирует пар. Одним из способов получения деминерализованной воды является разделение воды от остальной нефти, которая содержит газ, соль, воду и сероводород. Сперва, сырая нефть отделяется от сероводорода и отправляется на транспортировку. Сырой газ обрабатывается, чтобы получить газ на продажу, пропан, бутан и серу. В процессе образования пара кислота и соленая вода отделяются от сероводорода и после, вода поступает в выпарной аппарат, в котором испаряется соленая вода и остается дистиллят. После дистиллят отправляется на установку очистки воды и после возвращается в систему как деминерализованная вода для производственных целей и получения пара. Коэффициент возврата воды более 96%. Вода так же выступает в качестве основной части процесса восстановления серы когда сероводород конвертируется в элементарную серу. К тому ж, на заводе второго поколения, системы открытого дренажа собирают стекающую воду, дождевую воду и тающий снег по всей установке. Эта вода используется для удаления твердых и органических загрязнителей и также используется как техническая вода. 1.2 Описание процесса дегидратации Все природные и нефтяные газы, добываемые из недр Земли, насыщены водяными парами, так как содержащие газ или нефть горные породы снизу подстилает пластовая вода. Содержание водяных паров в газе зависит от температуры и давления. При заданных значениях температуры и давления количество водяных паров в единице объема газа не может быть больше предельной (максимальной) величины. Если снизить температуру газа, содержащего максимальное количество водяных паров, то часть их конденсируется. Температура, при которой происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газе или воздухе, называется точкой росы. Таким образом, точка росы соответствует максимальному содержанию водяных паров в газе при данном давлении. Если газ, насыщенный при данных условиях водяными парами, охладить или изотермически сжать, то из него будет выделяться вода. При определенных сочетаниях температур и давлений выделившаяся вода, контактируя с газом, способна образовывать гидраты – белые кристаллические вещества, похожие, в зависимости от условий образования, на лед или спрессованный снег. Плотность их колеблется в пределах 880-900 кг/м3. Основной каркас (решетка) гидрата состоит из молекул воды, а межмолекулярные промежутки в форме клеток, каналов, слоев заняты молекулами углеводородных газов. Образование гидратов в трубопроводах или аппаратах, по которым движется влажный газ, возможно лишь при определенном сочетании температур и давлений и наличии свободной воды. Гидраты растут подобно кристаллам и образуют пробки в трубопроводах, в прорезях тарелок и вентилях, если кристаллики гидрата не уносятся с газом. Подогрев газа предотвращает образование гидратов, но он может быть эффективен только в пределах промысла, так как газ при течении по газопроводам быстро охлаждается. Введение в газосборную систему ПАВ, образующих на кристаллах гидратов пленки, предотвращает прилипание (адгезию) их к стенкам труб. Кристаллогидраты с ПАВ на поверхности не коалесцируют и легко могут транспортироваться потоком газа, не отлагаясь на стенках труб. Однако самым эффективным методом для предупреждения и ликвидации уже образовавшихся гидратов является подача в газопроводы различных ингибиторов гидратообразования – спиртов и гликолей. Таким образом, осушка газа предупреждает гидратообразование, уменьшает гидравлические потери в трубопроводе и пропускная способность его сохраняется на высоком уровне, замедляет процесс коррозии и удлиняет срок службы трубопроводов и аппаратуры. Для газа и сжиженных углеводородов в промышленности наиболее распространены способы осушки: - охлаждение газа и последующий отстой воды; жидкими поглотителями – гликолями (моно-, ди-, триэтиленгликолями); - твердыми поглотителями (активированной окисью алюминия, силикагелем, бокситом) и синтетическими цеолитами (молекулярными ситами), неорганическими солями и т. д. 1.3 Теоретическая основа процесса адсорбции Адсорбцией называется самопроизвольно протекающий диффузионный процесс взаимодействия двух фаз – твердого тела – адсорбента и газа, пара или растворенного вещества – адсорбтива, происходящий поглощением газа, пара или растворенного вещества поверхностью твердого тела. Поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами обычно сопровождается процессами проникновения поглощаемого вещества в твердое тело (абсорбцией), капиллярной конденсацией и химическими реакциями (хемосорбцией), что весьма затрудняет изучение собственно адсорбции. Поэтому поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами обычно рассматривается как общий процесс сорбции. Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. В большинстве случаев тепловой эффект адсорбции по своей величине приближается к теплоте конденсации поглощаемого газа или пара. Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата. При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений. Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы. Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента. Наиболее рационально применять адсорбцию для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ. Основной характеристикой адсорбента является его активность, определяемая весовым количеством вещества, поглощенного единицей объема или веса поглотителя. Различают активность статическую и динамическую. Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбированного к моменту достижения равновесия весовой или объемной единицей адсорбента при данной температуре и концентрации адсорбируемого вещества в газо-воздушной смеси. Динамическая активность является характеристикой адсорбента при протекании паровоздушной смеси через слой адсорбента до момента проскока адсорбируемого газа. Если газовая смесь проходит через слой адсорбента, то в начальный период процесса адсорбции полностью извлекается из газовой смеси. По истечении определенного промежутка времени в газовой смеси, уходящей из поглотителя, начинают появляться заметные, все возрастающие количества адсорбтива (проскок), и к концу процесса концентрация уходящего газа становится равной начальной концентрации паровоздушной смеси. В адсорберах промышленного типа с активированным углем динамическая активность составляет 85-95% от статической, а в случае применения силикагеля динамическая активность оказывается меньше статической на 60-70%. В процессах адсорбции, так же как и в процессах абсорбции, поглощающие вещества (адсорбенты обладают селективными свойствами по отношению к поглощаемым газам и парам. Иными словами, применение адсорбционных процессов в качестве метода разделения газовых смесей основано на том, что газовая смесь, приведенная в соприкосновение с адсорбентом, освобождается лишь от одного компонента, в то время как другие оказываются непоглощенными. Если в процессах абсорбции селективные качества процесса определялись растворимостью или нерастворимостью газа в поглощающей жидкости, то в процессах адсорбции критерием селективных качеств является статическая активность адсорбента. Из смеси газов, приведенных в соприкосновение с адсорбентом, в первую очередь и в значительно большем количестве поглощается газ или пар того вещества, которое имеет более высокую температуру кипения. В большинстве случаев температура кипения поглощаемого газа (например, паров бензола) сильно отличается от температуры кипения инертного газа (например, воздуха) и присутствие инертного газа почти не оказывает влияния на ход процесса. В данном случае поглощение бензола из паровоздушной смеси с парциальной упругостью паров бензола р протекает точно так же, как и поглощение чистых паров бензола, имеющих то же давление. Разделение адсорбционным методом смеси газов, компоненты которой имеют близко лежащие температуры кипения, предоставляет большие трудности или практически невозможно. 1.3.1 Основные промышленные адсорбенты и их свойства Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой. В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 109 м). Роль переходных пор (10-9 < r < 10-7 м) и макропор (r < 10-7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью. По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели, цеолиты и глинистые породы. Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.). После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850900о С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.) Качество активированных углей зависит от свойств исходных углеродсодержащих материалов и от условий активации. Характеристикой степени активации активированного угля является обгар, т. е. сгоревшая часть угля, выраженная в процентах от количества исходного материала. Активированный уголь применяется при адсорбции либо в виде зерен величиной от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Зерна и порошок получают путем измельчения и классификации. Удельная активная поверхность активных углей выражается величиной от 600 до 1700 м2 на один грамм. Применяются активированные угли главным образом для поглощения паров органических жидкостей, находящихся в газовых смесях, и для очистки различных растворов от примесей. Серьезным недостатком этих углей является горючесть, и применять их можно при температурах не выше 200°. Для уменьшения горючести к ним подмешивают силикагель, однако такая добавка приводит к понижению активности адсорбента, поэтому активированные угли с добавкой к ним силикагеля практически применяют сравнительно редко. Силикагелем называют продукт обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемого действием серной или соляной кислот или растворов кислых солей на раствор силиката натрия. Выпавший гель кремневой кислоты после промывки высушивается при температуре 115-130° до влажности 5-7%. Силикагель отличается однородностью пор как по величине, так и распределению. Применяется силикагель в виде зерен диаметром от 0,2 до 7 мм главным образом для поглощения паров воды, т. е. для сушки газов. Удельная активная поверхность силикагеля выражается величиной порядка 600 м2 на один грамм. К достоинствам силикагелей относятся их негорючесть и большая механическая прочность. Недостатком относится резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги. По сорбционным свойствам к силикагелю близко примыкают алюмагели, получаемые термической обработкой гидроксида алюминия при температурах 600-1000оС. Поры полученного сорбента имеют диаметр 1-3 нм, удельную поверхность 2·10 5 – 4·10 5 м2/кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 кг/м3. Алюмагели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел. Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами. Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка. Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве в качестве катализаторов и их носителей. Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0 ÷1,5)·105 м2/кг. В качестве адсорбентов применяют следующие пористые вещества со значительной внутренней поверхностью пор: силикагель, алюмогель, боксит, синтетические цеолиты (молекулярные сита). Эти адсорбенты изготавливают в виде гранул и шариков для уменьшения гидравлического сопротивления в слое, через который пропускается осушаемый газ. Для отбензинивания газов применяют также активированный уголь. Силикагели по своей химической природе представляют собой гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2*nН2О), являющиеся реакционноспособными соединениями переменного состава, превращения которых происходят по механизму поликонденсации: nSi(ОН)4 → nSiO2n-m +(2n-m)Н2O. Поликонденсация ведет к формированию структурной сетки сфероподобных частиц коллоидных размеров (2*10-9-2*10-8м), сохраняющейся при высушивании гидрогеля кремневой кислоты и образующей жесткий кремнекислородный каркас. Зазоры между частицами образуют пористую структуру силикагеля. Для получения силикагелей в промышленности обычно используют метод осаждения аморфного кремнезема из силикатов щелочных металлов минеральными кислотами. Выпускают силикагель в виде шариков, таблеток или кусочков неправильной формы. Размеры их зерен составляют от 0,1 до 7,0 мм. Адсорбционные и химические свойства силикагелей существенно зависят от наличия на их поверхности групп ≡ Si—ОН. По характеру пористой структуры силикагеля классифицируют на крупно-, средне- и мелкопористые, к которым относят кусковые и гранулированные материалы, характеризующиеся средним радиусом пор, составляющим соответственно ≈5*10-9, (5-1,5)*10-9 и (1,5-1,0)* 10-9 м. По размеру зерен кусковые силикагели широкого использования делят на 4 марки (7,0- 2,7; 3,5-1,5; 2,0-0,25; 0,5-0,2 мм), а гранулированные — на 2 марки (7,0- 2,7 и 3,5-1,0 мм). Для их обозначения используют буквенные сочетания: - КСК — крупный силикагель крупнопористый; - КСС — крупный силикагель среднепористый; - МСМ — мелкий силикагель мелкопористый и т. п. Средние фракции силикагелей называют шихтой и обозначают соответственно как ШСК, ШСС и ШСМ. Гранулированный мелкопористый силикагель содержит 4—10% Аl2O3 в качестве добавки, предупреждающей растрескивание его гранул. Объем пор силикагелей составляет 0,3-1,2 см3/г, их удельная поверхность находится в пределах 300-750 м3/г, а гравиметрическая плотность заключена в интервале 0,4-0,9 г/см3. Последний показатель может служить косвенной характеристикой пористой структуры силикагелей: для мелкопористых силикагелей он составляет 0,7-0,8 г/см3, а для крупнопористых - 0,4 - 0,5 г/см3. Теплоемкость силикагелей — 0,92 кДж/(кгК), теплопроводность при 30 °С равна 0,11 кДж/(м*ч*К). Силикагели служат для поглощения полярных веществ. Мелкопористые силикагели используют для адсорбции легкоконденсируемых паров и газов, крупнопористые и частично среднепористые силикагели служат эффективными поглотителями паров органических соединений. Высокое сродство поверхности силикагелей к парам воды обусловливает широкое их использование, а качестве агентов осушки разнообразных газовых сред. Силикагели негорючие и характеризуются низкой температурой регенерации (110—200 °С) и достаточно высокой механической прочностью. В то же время они разрушаются под действием капельной влаги, что необходимо учитывать при их использовании в системах газоочистки. Алюмогель (активный оксид алюминия Аl2О3*nН2О, где 0<n<0,6) получают прокаливанием различных гидроксидов алюминия. При этом в зависимости от типа исходного гидроксида, наличия в нем оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, условий термической обработки и остаточного содержания влаги получают различные по структуре типы алюмогеля. Его промышленные сорта обычно содержат γ-Al2O3 и реже χА12O3 и другие модификации Al2O3. Их щелевидные или бутылкообразные поры образованы первичными кристаллическими частицами размером (3-8) *10-9 м. Основные марки выпускаемого отечественной промышленностью активного оксида алюминия представляют собой цилиндрические гранулы диаметром 2,5-5,0 мм и длиной 3-7 мм, а также шариковые гранулы со средним диаметром 3-4 мм. Удельная поверхность алюмогелей составляет 170-220 м2/г, суммарный объем пор находится в пределах 0,6-1,0 см3/г, средний радиус пор и гравиметрическая плотность гранул цилиндрической и шариковой формы составляют соответственно (6-10)*10-9 и (3-4)*10-9 м и 500-700 и 600-900 кг/м3. В отличие от силикагелей алюмогели стойки к воздействию капельной влаги. Их используют для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.
