Основные способы разделения природного газа

Природный газ: свойства, способы добычи и производства

Природный газ представляет собой газообразную смесь углеводородов естественного происхождения, находящую широкое применение в качестве горючего.

Способы добычи

Так как природный газ (очень часто его также называют голубым топливом) залегает на достаточно большой глубине под землёй: 1-6 км, то для его добычи требуется выполнение целого ряда инженерно-технических мероприятий.

Под естественным давлением

В земных недрах, газ располагается в пустотах, соединённых между собой трещинам. Причём находится он там под очень высоким давлением, значительно превышающим давление атмосферы на поверхности земли.

В результате бурения скважины (для выравнивания давления и увеличения потока, обычно бурят несколько равномерно расположенных скважин на территории месторождения), выкладываемой затем обсадными трубами, залитыми снаружи цементом, возникает естественная тяга. Тем самым ценнейшее природное топливо выходит наружу, где подвергается очистке и дальнейшей поставке потребителям.

Из угледобывающих шахт

С развитием прогресса, специалисты ищут возможности не только нейтрализовать некоторые опасные вредные производственные факторы, но и употреблять их для практической пользы.

Одним из таких достижений стала утилизация метана, выделяющегося в угольных шахтах. С углублением выработки, количество этого газа резко возрастает, создавая опасность взрывов и удушения персонала. Длительное время метан просто удаляли, вместо того чтобы использовать.

Однако столь ценное топливо гораздо лучше утилизировать и применять по прямому назначению, что и было осуществлено двумя следующими способами:

• Активной откачкой вакуумными насосами с дальнейшим накоплением в ёмкостях.
• Пассивным методом с помощью изоляции мест газовых выделений. Из них потом метан или выводят наружу, или доводят до безопасной концентрации путём разбавления.

Метод добычи метана из угольных шахт нашёл широкое применение в США.

Гидроразрыв

Способ, с помощью которого добытчики голубого топлива пытаются в значительной степени увеличить производительность скважин. Путём открытия доступа к неосвоенным или недостаточно освоенным участкам залежей в месте уже организованной добычи. Внутрь существующей скважины под высоким давлением поступает вода, песок, химикалии. Это приводит к гидравлическому разрыву пласта, сопровождающемуся бурным выходом природного газа.

Несмотря на свою высокую эффективность, данный метод вызывает сейсмическую активность, сильнейшее загрязнение почвенных вод, выход из-под земли вредных газов, повышение радиоактивности. Неудивительно, поэтому его запрещение на территории ряда государств мира.

Под водой

Огромные запасы голубого топлива расположены в прибрежных зонах морей и океанов. Хотя данный метод и требует строительства очень дорогих гравитационных платформ с развитой инфраструктурой, тем не менее, способ находит всё более широкое распространение.

Более того, осваивается добыча газа вообще без строительства надводных сооружений: напрямую от подводных установок к береговому комплексу. Примером может служить Киринское месторождение на шельфе острова Сахалин, запущенное несколько лет назад в эксплуатацию. Столь удачная уникальная разработка даёт возможность освоения подводных месторождений находящихся под толщей льда.

Если же залежи природного газа располагаются вблизи берегов, то уместным становится наклонное бурение, начатое на суше.

Газ, получаемый промышленными методами

Помимо естественных способов получения газообразного топлива, существуют и искусственные. В основе газов, получаемых промышленными методами, лежат природные углеводороды. Не удивительно, что свои названия они получили от исходных материалов, представляющих собой жидкое или твёрдое топливо:

• Нефтяные газы – продукты перегонки нефти или результат стабилизации газового бензина (газолина). В процессе нефтедобычи также выделяется значительное количество попутного газа. Хотя по своему химическому составу те и другие мало чем отличаются друг от друга (пропан, бутан, изобутан), природа их возникновения несколько различна.
• Коксовый газ – побочный продукт получения кокса путём высокотемпературной дегазации. При более низких температурах аналогичного процесса вырабатывается городской газ.
• Сланцевый газ также получается высокотемпературным воздействием на сланец без доступа воздуха.
• Генераторный газ получил своё название от газогенераторов, перерабатывающих древесину, каменный уголь или торф в газы под воздействием пара или воздуха при температуре в 1000 0 C.

Процессы переработки

Вспомогательные

Сепарация

Первоначальное нахождение природного газа в естественной природной среде приводит к загрязнению его разнообразными жидкостями и твёрдыми механическими образованиями. Понятно, что в таком виде он не пригоден для транспортировки и дальнейшего использования.

Для очистки голубого топлива используется сепарация, то есть разделение исходной массы на газообразную, жидкую и твёрдую составляющие с последующим удалением жидкости и твёрдых частиц. В основе физики этого процесса лежит силовое воздействие гравитации или инерции на движущиеся среды, обладающие различным удельным весом.

Абсорбционная сушка

Суть абсорбционной осушки природного газа заключается в использовании некоторых жидкостей (сорбентов) для поглощения находящейся в нём влаги. В качестве таких поглотителей используют гликоли (в России наибольшее распространение получил диэтиленгликоль – ДЭГ). Как правило, гликоли не токсичны, стабильны в своём использовании, не отказывают какого-либо вредного воздействия на само очищаемое вещество и обладают возможностью достаточного простой технологической схемы восстановления.

Внутри сосуда-абсорбера происходит противоток газа (движется вверх) и абсорбента (стекает вниз), в результате которого голубое топливо осушается, а впитавший в себя влагу абсорбент выходит из цилиндра и отправляется на регенерацию.

Основные

Выделения кислых компонентов

Находящийся в естественном состоянии природный газ подвержен всякого рода загрязнениям. В их числе: углекислый газ, сероводород, угарный газ, сернистый газ. Эти примеси провоцируют коррозию, а также снижают энергетические качества углеводородного топлива.

Для выделения кислых компонентов применяют сухие и мокрые способы. В первом способе используются:

• активированный уголь,
• гидрат окиси железа,
• марганцевые руды.

Во втором случае применяются:

Принцип очистки основывается на различной степени растворимости веществ в составе природного газа.

Разделение углеводородных газов на фракции

Разделение газов производится с целью получения целого набора компонентов: редких газов, лёгких углеводородов, топливных газов, сырья для изготовления продукции химической отрасли. Осуществляют данный процесс в местах добычи или на промышленных предприятиях. В основу технологии разделения положены следующие физико-химические процессы:

• Абсорбция.
• Адсорбция.
• Хемосорбция.
• Компрессия.
• Конденсация.
• Низкотемпературная ректификация.
• Комбинированные методы.

Современные газофракционирующие установки позволяют полностью автоматизировать процессы разделения с целью получения точного сырья должной степени концентрации.

Хранение и транспортировка

Хранение природного газа производится:

• В мокрых газгольдерах или газгольдерах высокого давления.Первые имеют стабильное давление при переменном объёме хранения. Вторые – наоборот. Так как, и те и другие требуют значительных капитальных затрат и не обеспечивают сезонные колебания уровня потребления, то в настоящее время строительство новых газгольдеров приостановлено.
• На концевых участках магистральных газопроводов, выступающих в качестве своеобразных временных накопителей в ночное время суток.
• В надземных и подземных хранилищах. Достаточно часто в качестве их используют пустые полости бывших месторождений, а также искусственно сооружённые пустоты на месте водоносных пластов.
• Кроме того, газ хранят в изотермических резервуарах и ёмкостях шарообразной или цилиндрической формы, которые изготавливают из материалов, обладающих малой степенью температурного расширения.

Транспортировку газа осуществляют в основном газопроводами, а также автотранспортом в цистернах или баллонах. В случае наличия удобных водных путей – пользуются танкерами.

Сфера применения

В основе всемирного глобального использования природного газа лежат две уникальные особенности этого набора углеводородов: выделение значительного количества тепла при сгорании – голубое топливо, возможность транспортировки на значительные расстояния гигантских объёмов при незначительных текущих затратах. Он также применяется в качестве сырья для получения целого набора веществ, употребляемых в химической отрасли.

Месторождения в России и мире

Пятёрку «супергигантских» мировых месторождений возглавляют:

• Южный парс/Северное, расположенное на территории Ирана и Катара – 28 трлн. м 3 .
• Галканыш (ЮжныйИолотань) – Туркмения. Запасы: 21,4 трлн. м 3 .
• Уренгойское – Россия. 10,2 трлн. м 3 .
• Хейнсвиль – США. 7 трлн. м 3 .
• Ямбургское – Россия. 5,2 трлн. м 3 .

Также крупнейшие месторождения (до 5 трлн. м 3 ) имеются на территориях Алжира, Нидерландов, Казахстана и Азербайджана.

Мировые запасы

Общий объём голубого топлива в мире на 2020 год оценивается в 196,8 трлн. м 3 . Значительная часть его расположена в странах Ближнего и Среднего Востока, на территории СНГ, а также в Африке. Не удивительно поэтому, что доказанные запасы России составляют по одним источникам 47,8 трлн. м 3 , по другим – 38,0 трлн. м 3 . Учитывая сложность оценки и большую погрешность, это нормально, и лишь доказывает, что наша страна располагает пятой частью мировых запасов голубого топлива.

Страны, добывающие газ

Крупнейшими странами по добыче природного газа на начало 2020 года являлись:

• США – 920,9 млрд. м 3 .
• Россия – 679 млрд. м 3 .
• Иран – 244,2 млрд. м 3 .
• Катар – 178,1 млрд. м 3 .
• Китай – 177,6 млрд. м 3 .

Выход в последние годы на первое место Соединённых Штатов можно объяснить политической конъюнктурой современности и сланцевой революцией. Однако сколь долго продлится такое соотношение объёмов газодобычи, покажет самое ближайшее будущее.

Источник

Очистка и разделение газовых смесей

Газообразное сырьё бывает природного и промышленного происхождения. Природное сырьё представлено углеводородными газа ми (природный газ) и воздухом. В качестве газообразного сырья промышленного происхождения используются газы коксохимического производства (коксовый газ), газы нефтепереработки (попутный газ), газы металлургических производств, газы переработки твёрдого топлива (генераторный газ).

Методы обогащения газообразных многокомпонентных систем (или очистка и разделение газовых смесей) основаны на различии свойств компонентов смеси (например, на различии температур кипения, растворимости в каком-либо растворителе, сорбционной способности).

Приведём примеры очистки и разделения газовых смесей, имеющих место в неорганических производствах.

– разделяют воздух на азот и кислород; азот используется в производстве аммиака, а кислород – как окислитель в химической промышленности и в металлургии. Кроме того, из воздуха выделяют аргон;

– из коксового газа выделяют аммиак в виде сульфата аммония; водород, используемый далее для получения азотоводородной смеси; и сероводород, который используется для получения серной кислоты.

– природный газ, применяемый в производстве аммиака, очищают от серосодержащих соединений;

– конвертированный газ производства аммиака очищают от диоксида углерода;

– перед колонной синтеза аммиака азотоводородную смесь очищают от следов кислород содержащих соединений (СО и СО₂).

Существуют следующие основные методы разделения газовых смесей: конденсация, сорбционные методы, мембранное разделение.

Суть метода конденсации заключается в том, что при охлаждении газовой смеси более высококипящие компоненты конденсируются первыми и отделяются в сепараторах. В производстве синтетического аммиака методом конденсации отделяют аммиак от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Из коксового газа фракционным охлаждением выделяется водород.

Сорбционные методы основаны на различной сорбционной способности компонентов каким-либо поглотителем. Процесс, обратный сорбции, называется десорбцией. Сорбция и десорбция – два взаимосвязанных процесса. Когда скорость сорбции равна скорости десорбции, устанавливается динамическое равновесие. Благоприятными условиями для сорбции, то есть для поглощения газа, являются низкая температура и высокое давление. Благоприятными условиями для десорбции являются повышенная температура и пониженное давление.

В сорбционных процессах выделяют: адсорбцию и абсорбцию.

Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компонентов газовой смеси твёрдой поверхностью адсорбента. Процесс поглощения (очистки) осуществляют в аппаратах, называемых адсорберами. Адсорберы бывают: с неподвижным слоем адсорбента, с движущимся слоем, а также с кипящим слоем. Адсорбер работает в режиме «адсорбция ↔ десорбция».

В ходе очистки газа адсорбент сначала насыщается газообразным компонентом-примесью (его называют адсорбат), затем при соответствующем изменении условий процесса следует десорбция, в результате адсорбент восстанавливается. В качестве адсорбента используют: активированный уголь, цеолиты, пористые стёкла.

Абсорбция – это избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Производственный цикл включает абсорбцию (при низких температурах и повышенных давлениях) и десорбцию поглощённого вещества (при нагревании и снижении давления). В качестве абсорбентов обычно используются органические и неорганические растворители. Как правило, процессы абсорбции и десорбции пространственно разделены. Очистка и разделение газовой смеси проходит в двух аппаратах. В одном (абсорбере) протекает абсорбция какого-либо компонента охлаждённым абсорбентом, в другом (регенераторе) – десорбция, при этом выделяется поглощённое вещество из раствора и регенерируется абсорбент. В регенераторе – повышенная температура и пониженное давление.

В сорбционных методах, особенно при абсорбции, имеет место не только физико-химическое поглощение одного вещества другим, но и химическое взаимодействие. В этом случае интенсификация процесса во многом зависит от скорости химической реакции. А скорость химической реакции, как известно, зависит от следующих факторов: концентрации, температуры, давления.

Следует отметить, что поглощение на твёрдом поглотителе называется сухой очисткой, поглощение раствором – мокрой.

Мембранный метод очистки газовых смесей основан на разделении с помощью микропористых перегородок (или мембран), проницаемых для молекул одного вида и непроницаемых для молекул другого вида. Мембранный метод разделения наиболее совершенный, так как исключены высокие давления и низкие температуры. В мембранных аппаратах разделяют воздух на азот и кислород, метан и водород, метан и гелий.

Следует отметить, что газы очищают также от пыли, например: в сернокислотном производстве очищают печной газ, полученный при обжиге колчедана; очищают воздух, подаваемый на окисление, в производстве серной и азотной кислот.

Особо следует отметить, что в технологии неорганических веществ необходимо очищать газовые смеси от влаги, например: воздух, подаваемый на окисление, подвергается осушке.

Метод конденсации основан на различии температур кипения компонентов.

При разделении газов методом глубокого охлаждения газовую смесь охлаждают до очень низких температур, при этом происходит последовательное сжижение составляющих компонентов, каждая фракция переходит в жидкое состояние при своей температуре. Таким способом можно разделить газовую смесь на отдельные компоненты или фракции.

Область низких температур делят:

– на умеренный холод (интервал температур от – 70 до – 100 0 С);

– глубокий холод (температуры ниже – 100 0 С).

Для охлаждения до умеренного холода в качестве хладагентов обычно используются сжиженные газы: аммиак (t_кип = – 33,35 0 С),

диоксид серы (t_кип = – 10,0 0 С), пропан (t_кип = – 42,1 0 С),

бутан (t_кип = – 0,5 0 С),то есть вещества с низкими температурами кипения. Охлаждение газа происходит вследствие того, что хладагент поглощает тепло при испарении.

Умеренное охлаждение применяется в различных отраслях химической и пищевой промышленности, а также при горных работах.

Глубоким холодом пользуются для сжижения воздуха

(t_кип = – 192,0 0 С), и последующего выделения из него азота

(t_кип = – 195,8 0 С), кислорода (t_кип = – 182,0 0 С), и аргона (t_кип = – 185,9 0 С).

Глубокое охлаждение применяют также для выделения водорода (t_кип = – 252,8 0 С) из коксового газа, этилена (t_кип = – 103,7 0 С) из газов крекинга углеводородов

Для получения глубокого холода применяют холодильные машины. Работа холодильных машин основана на свойстве реальных газов охлаждаться при расширении в определённых условиях.

Расширение газа при переходе от высокого давления к низкому без совершения работы называется дросселированием.

При расширении (дросселировании) реального газа без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой происходит охлаждение газа, так как совершается работа по преодолению сил притяжения между молекулами, в результате чего температура газа понижается. Это явление называется эффектом Джоуля – Томсона. Его используют для достижения низких температур.

Источник