способ осушки газа

Формула изобретения

1. Способ осушки газа, включающий очистку потока газа от механических примесей и капельной жидкости, конденсацию водного и (или) углеводородных компонентов, отделение и удаление их от газа, отличающийся тем, что компоненты подвергают капиллярной конденсации из потока газа в анизотропной пористо-капиллярной структуре, выполненной из смачиваемого конденсируемыми компонентами твердого материала, размеры пор и капилляров которой уменьшаются в одну сторону, сконденсировавшиеся компоненты удаляют по порам и капиллярам в сторону убывания их размеров.

2. Способ осушки газа по п.1, отличающийся тем, что потоку газа в структуре придают направление в сторону увеличения размеров ее пор и капилляров.

3. Способ осушки газа по п.1, отличающийся тем, что поток газа подают по нормали к направлению движения удаляемого компонента.

4. Способ осушки газа по п.1, отличающийся тем, что при удалении в сконденсировавшиеся компоненты подают вещества, повышающие смачиваемость твердого материала.

5. Способ осушки газа по п.1, отличающийся тем, что часть удаляемых сконденсировавшихся компонентов рециркулируют на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров.

6. Способ осушки газа по п.1, отличающийся тем, что капиллярную конденсацию и удаление сконденсировавшихся компонентов производят многократно в несколько ступеней.

7. Способ осушки газа по любому из пп.1 и 6, отличающийся тем, что при многократной конденсации удаление сконденсировавшихся компонентов производят с последующей ступени на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров предшествующей ступени осушки газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промысловой обработке многокомпонентных углеводородных газов, главным образом их осушке, и может быть применено для подготовки природных и нефтяных газов к транспорту и переработке.

Известен способ промысловой подготовки многокомпонентного углеводородного газа (Гриценко А.И., Истомин В.А., Кульков А.Н., Сулейманов Р.С. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России - М.: Недра - 1999 - С.372-373), включающий очистку газа от механических примесей и капельной жидкости, конденсацию водного и (или) углеводородных компонентов путем охлаждения газа при его изоэнтальпийном расширении (в дросселе) и отделение от газа сконденсировавшихся компонентов.

Однако при таком способе подготовки газа происходит безвозвратная потеря давления газа. При этом, чем сильнее охлаждение газа и, как следствие, глубже его осушка от жидкости (уменьшение температуры точки росы конденсируемых компонентов), тем большая потеря давления. Потери давления природного газа составляют 1·10⁵ Па при снижении его температуры на 0,466°С.

Более эффективным является способ подготовки многокомпонентного углеводородного газа (Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата - М.: Недра - 1999 - С.314-315), включающий очистку газа от механических примесей и капельной жидкости, конденсацию водного и (или) углеводородных компонентов путем охлаждения газа изоэнтропийным расширением (в турбодетандере), и отделение от газа сконденсировавшихся компонентов.

В этом способе потери давления газа составляют 1·10⁵ Па при снижении его температуры на 0,611°С.

Однако и в первом, и во втором аналогах при конденсации теряется довольно много энергии газа в виде его давления.

Цель изобретения - снижение потерь давления газа при его осушке и повышение эффективности последней.

Общим для аналогов и заявляемого способа подготовки многокомпонентного углеводородного газа являются: очистка потока газа от механических примесей и капельной жидкости, конденсация водного и (или) углеводородных компонентов, отделение и удаление их от газа.

Отличием предлагаемого способа от аналогов является то, что компоненты подвергают капиллярной конденсации из потока газа в анизотропной пористо-капиллярной структуре, выполненной из смачиваемого конденсируемыми компонентами твердого материала, размеры пор и капилляров которой уменьшаются в одну сторону, сконденсировавшиеся компоненты удаляют по порам и капиллярам в сторону убывания их размеров.

Отличием является и то, что потоку газа в структуре придают направление в сторону увеличения размеров ее пор и капилляров.

Отличием, кроме того, является то, что поток газа подают по нормали к направлению движения удаляемого компонента.

Отличием является также то, что при удалении в сконденсировавшиеся компоненты подают вещества, повышающие смачиваемость твердого материала.

Отличием является еще и то, что, часть удаляемых сконденсировавшихся компонентов рециркулируют на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров.

Отличием является также то, что капиллярную конденсацию и удаление сконденсировавшихся компонентов производят многократно - в несколько ступеней.

Отличием является также то, что при многократной конденсации удаление сконденсировавшихся компонентов производят с последующей ступени на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров предшествующей ступени осушки газа.

Капиллярная конденсация (¹Физика. Большой энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М.Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия - 1999 - С.242-243) водного и (или) углеводородных компонентов из потока газа в анизотропной пористо-капиллярной структуре смачиваемого конденсируемыми компонентами твердого материала, размеры пор и капилляров которой уменьшаются в одну сторону (фиг.1), существенно отличается от традиционной конденсации в свободном пространстве или на плоской поверхности. При конденсации на анизотропной пористо-капиллярной структуре смачиваемого твердого материала главную роль играют капиллярные явления.

В порах и капиллярах 1 (фиг.2) осаждающая жидкость образует вогнутые мениски 2. Искривленная поверхность мениска инициирует капиллярную конденсацию паров компонентов из потока газа при давлении P_GM, более низком, чем давление насыщенного пара P₀ компонента в газе при одной и той же температуре Т газа. Величина давления P_GM тем меньше, чем более изогнута поверхность мениска, т.е. чем меньше радиус r его кривизны. Так, при температуре Т=313 К (40°С), радиусе мениска r=1·10^-5 м давление капиллярной конденсации воды P_GM=2170 Па, а в свободном пространстве давление конденсации воды Р₀=7370 Па. В связи с тем, что давление капиллярной конденсации P_GM меньше, чем давление насыщенного пара Р₀ (в рассматриваемом случае в 3,4 раза), то капиллярная конденсация происходит интенсивнее и раньше, что приводит, как следствие, к более глубокой осушке газа. Экспериментальными исследованиями зафиксировано уменьшение точки росы по водному компоненту на 1,5-2°С при капиллярной конденсации по сравнению с обычной конденсацией в открытом пространстве и (или) на плоской поверхности. Снижение точки росы на 2°С при капиллярной конденсации происходит без затрат энергии на охлаждение газа. Этот технический прием позволяет сберечь энергию, расходуемую на охлаждение газа, в частности, сберегает давление газа на 3,27·10⁵ Па. При этом из газа дополнительно конденсируются водный и (или) углеводородные компоненты, что повышает эффективность осушки газа.

Удаление сконденсировавшихся компонентов по порам и капиллярам в сторону убывания их размеров основывается на том, что в сужающихся капиллярах жидкость движется от большей площади 3 поперечного сечения пор и капилляров к меньшей 4 (фиг.3) под действием разности внутрикапиллярных давлений. Чем больше радиус мениска, тем больше давление под его поверхностью, и чем меньше радиус мениска, тем меньше давление под его поверхностью. Экспериментально подтверждено, что разность давлений, создаваемая в сужающихся капиллярах, достигает (1,5-2)·10⁵ Па. Эта разность капиллярных давлений под менисками с радиусами r₁>r₂>r₃>r₄ >r₅ обеспечивает движение жидкости по порам и капиллярам от больших менисков к меньшим (фиг.3, 4). Таким образом, движение по сужающимся капиллярам и удаление из них жидкости происходит за счет действия капиллярных сил и в связи с этим не затрачивается энергия (давление) подготавливаемого газа на удаление жидкости, что в конечном итоге снижает его потери давления и повышает в конечном итоге эффективность осушки.

Придание потоку газа 5 (фиг.4) в структуре направления в сторону увеличения размеров ее пор и капилляров позволяет не смешивать осушенный газ с отделившимися сконденсированными компонентами 6 и тем самым повысить эффективность осушки.

Подача потока газа 5 по нормали к направлению движения удаляемого компонента 7 (фиг.5) позволяет не противодействовать потоку удаляемой жидкости 8, уменьшить гидравлическое сопротивление и, в конечном итоге, повысить эффективность осушки газа.

Подача веществ 9 (фиг.6) в сконденсировавшиеся компоненты 6 при их удалении повышает смачиваемость твердого материала 10 и тем самым уменьшает радиусы менисков в капиллярах и порах, что интенсифицирует капиллярную конденсацию и движущую силу, перемещающую жидкость по порам и капиллярам и удаляющую ее из них. Как следствие, это приводит к повышению эффективности осушки газа.

Рециркуляция (например, эжектором 11 (фиг.7)) части удаляемых сконденсировавшихся компонентов 12 на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров позволяет при малом содержании конденсирующихся компонентов в газе произвести смачивание поверхностей структуры, обеспечить образование менисков в порах и капиллярах и тем самым интенсифицировать процесс капиллярной конденсации и капиллярного удаления и повысить эффективность осушки газа.

Производство многократной капиллярной конденсации (фиг.8) и удаления сконденсировавшихся компонентов позволяет более глубоко осушить газ от компонентов.

Удаление сконденсировавшихся компонентов 8 (фиг.8) с последующей ступени 13 на сторону с увеличенными размерами пор и капилляров предшествующей ступени 14 осушки газа при многократной конденсации позволяет произвести смачивание поверхностей предшествующих структур, обеспечить образование менисков в порах и капиллярах, тем самым интенсифицировать процесс капиллярной конденсации и капиллярного удаления на каждой ступени осушки и, как следствие, повысить эффективность осушки газа.

Заявителю и авторам не известны из существующего уровня техники снижение потерь давления газа при его осушке и повышение эффективности последней подобным образом.

Способ осуществляется в аппаратах, схематично представленных на фиг.9-13.

Заявителю и авторам не известны из существующего уровня техники, в которых снижение потерь давления газа при его осушке и повышение эффективности последней достигалось бы указанным выше образом.

Осушка газа производится в аппарате (фиг.9) следующим образом.

Природный многокомпонентный газ, содержащий твердые примеси, капельную жидкость и пары воды, поступает по патрубку 15 в нижнюю часть корпуса 16. Здесь за счет гравитационной силы производится отделение от газа крупнодисперсных твердых частиц и капельной жидкости. Предварительно очищенный газ поступает в сепарационное устройство 17, где производится очистка его от тонкодисперсных твердых частиц и капельной жидкости.

Затем газ, содержащий пары воды и частицы жидкости, размер которых сопоставим с длиной пробега молекул, поступает на фильтр-патроны 18. Каждый из фильтр-патронов 18 (фиг.10) сделан из смачиваемого конденсируемыми компонентами [водой и (или) жидкими углеводородами] твердого материала. В этот материал входят никель, титан, нержавеющая сталь и окись алюминия. Фильтр-патрон 18 имеет анизотропную пористо-капиллярную структуру, такую какая показана на фиг.1. Размеры пор и капилляров этой структуры уменьшаются в сторону периферии (фиг.10). На периферии расположен слой 19 (фиг.10), имеющий мелкие размеры пор и капилляров. Внутренний слой 20 содержит крупные поры и капилляры.

Поток осушаемого газа 21 проходит в направлении стороны увеличения размеров пор и капилляров.

В анизотропной пористо-капиллярной структуре фильтр-патрона происходят капиллярная конденсация водного и углеводородных компонентов и отделение их от газа. Осушенный от паров воды и углеводородных компонентов газ 22 (фиг.10) удаляется из фильтр-патрона 18 и затем из аппарата через патрубок 23 (фиг.9).

За счет действия капиллярных сил сконденсированные компоненты движутся к периферии фильтр-патрона. Они скапливаются на наружной его поверхности и под действием силы тяжести стекают вниз 24 (фиг.10).

Стекающий жидкий конденсат смывает с сепарирующих поверхностей устройства 17 (фиг.9) осевшие твердые примеси. Последние осаждаются и скапливаются в полусферическом съемном днище 25 (фиг.10) аппарата. Периодически днище 25 очищается от твердого осадка.

С целью интенсификации удаления в сконденсировавшиеся компоненты подают по патрубку 26 (фиг.9) на тарелку 27 и затем на периферию фильтр-патронов 18 вещества, повышающие смачиваемость твердого материала. Например, для интенсификации удаления воды подают метанол, гликоли. Для удаления углеводородных конденсатов - керосин.

При малом содержании конденсирующихся компонентов в газе с целью интенсификации капиллярной конденсации часть удаляемых сконденсировавшихся компонентов рециркулируют насосом 26 через патрубок 27 и распределительное устройство 28 в фильтр-патроны 18. Причем сконденсировавшиеся компоненты поступают на внутреннюю сторону 20 (фиг.9 и 10) с увеличенными размерами пор и капилляров.

С целью повышения эффективности осушки газа в аппарате, представленном на фиг.11, поток газа 5 подают по нормали к направлению движения удаляемого компонента 7. Осушаемый газ не контактирует с удаляемой сконденсированной жидкостью и не уносит ее с собой. Это позволяет, в конечном итоге, повысить эффективность осушки газа.

Для достижения углубленной осушки газа в колонных аппаратах на фиг.12 и 13 капиллярную конденсацию и удаление сконденсировавшихся компонентов производят многократно - в несколько ступеней.

В колонных аппаратах (фиг.12 и 13) сделаны плоские тарельчатые фильтр-элементы 28 и 29. Они выполнены из материала, аналогичного тому, из которого выполнены фильтр-патроны 18 (фиг.9, 10). Фильтр-элементы расположены в аппаратах один над другим. Причем сторона 30 с крупными порами и капиллярами каждого фильтр-элемента 28 и 29 расположена сверху, а снизу - сторона 31 с мелкими порами и капиллярами. Фильтр-элементы 28 отличаются от фильтр-элементов 29. Каждый фильтр-элемент 28 снабжен поддоном 32 для сбора сконденсировавшейся жидкости и патрубком 33 для ее отвода.

В аппарате на фиг.12 сконденсировавшаяся жидкость отводится по сливным трубам 34 на поверхность сепарационного устройства 17, аналогичного устройству на фиг.9, и в нижнюю часть 35 корпуса. Сепарационным устройством 17 снабжен и аппарат на фиг.13.

В колонном аппарате (фиг.12) исходный газ подается по патрубку 36 в нижнюю часть 35 корпуса. Исходный газ предварительно очищается от капельной жидкости и твердых примесей в нижней части 35 корпуса и сепарационном устройстве 17. Затем он осушается, последовательно проходя снизу вверх фильтр-элементы 28. Направление движения газа в фильтр-элементах 28 осуществляется по нормали к направлению движения отводимой жидкости (аналогично, как показано на фиг.7 и 11). Отводимая жидкость собирается в поддонах 32 и удаляется по патрубкам 33 и сливным трубам 34. Осушенный газ 37 удаляется из аппарата через патрубок

С целью интенсификации процессов капиллярной конденсации в фильтр-элементах 29 и капиллярного удаления из них жидкости при низком содержании конденсируемых компонентов в газе в аппарате на фиг.13 удаление сконденсировавшихся компонентов производят с последующей ступени 39 на сторону 30 с увеличенными размерами пор и капилляров предшествующей ступени 40 осушки газа. Этот технический прием при многократной конденсации позволяет произвести смачивание поверхностей предшествующих структур, обеспечить тем самым образование менисков в порах и капиллярах на каждой ступени осушки и, как следствие, повысить эффективность осушки газа.

ПРИМЕР

Природный влажный газ, имеющий:

- температуру 40°С;

- давление 5,0 МПа;

осушается предлагаемым способом и при этом точка росы снижается:

в аппарате (фиг.9) на 2°С;

в аппарате на фиг.11 на 2,3°С;

в аппаратах на фиг.12 и 13 на 3-5°С.

При этом перепад давления составляет при скорости натекания 0,12 м/с газа на анизотропную пористо-капиллярную поверхность:

в аппарате на фиг.9 - 2·10⁴ Па;

в аппарате на фиг.11 - 1,7·10⁴ Па;

в 7-ступенчатом аппарате (фиг 11) - 1,2·10 Па;

в 7-ступенчатом аппарате (фиг.13) - 1,4·10⁵ Па.