Мембранные установки для разделения углеводородов, включая  подготовку попутного нефтяного газа

Е.Г.Крашенинников, Н.Л.Докучаев, А.А.Котенко, М.А. Гулянский, С.В.Потехин
ЗАО «Грасис»

Одной из актуальных экономических и экологических проблем нефтедобывающей отрасли является утилизация попутного нефтяного газа (ПНГ). В России в 2010 году на факельных установках было сожжено 15,7 млрд. куб.м. попутного газа (по данным Росстата), что соответствует примерно 25% всего добытого объема, хотя по данным других источников эта величина существенно больше и составила не менее 35,2 млрд. куб.м. Сжигание ПНГ в факелах приводит к потерям ценного сырья и существенным выбросам в атмосферу парниковых газов (в первую очередь, углекислого газа). В качестве сырья ПНГ может быть использован в различных отраслях промышленности и, прежде всего, в нефтехимии. Так, в результате переработки ПНГ возможно получение целого ряда ценных продуктов – сухого отбензиненного газа (СОГ), этана (сырье для производства этилена), смеси пропана и бутанов (СПБТ), широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), являющейся сырьём для пиролиза и дальнейшего производства различных мономеров, и стабильного газового бензина (СГБ).

Однако, переработка ПНГ далеко не всегда возможна, если рядом нет соответствующего газоперерабатывающего завода (ГПЗ) или затраты на транспортировку (например, в случае удаленных месторождений) до ближайшего ГПЗ превышает возможный экономический эффект.  Можно также отметить, что даже при полной загрузке всех существующих в России ГПЗ может быть переработано только около половины всего объема добываемого ПНГ. При этом с ежегодным увеличением добычи нефти растут и объемы добычи ПНГ, что усугубляет сложившуюся ситуацию.

Все это приводит к тому, что попутный нефтяной газ на удалённых и небольших нефтяных месторождениях обычно сжигается в факелах из-за нерентабельности или невозможности его транспортировки на переработку и отсутствия возможности утилизации его на месте. Отсутствие возможности утилизации ПНГ на месте добычи связано с нестабильностью состава и объема подлежащего переработке газа, высоким содержанием в нём тяжелых углеводородов, воды, сероводорода и других вредных примесей, требующих существенную предварительную подготовку, нерентабельностью переработки относительно небольших количеств такого газа традиционными классическими методами.

В последние годы проводятся работы и предпринимаются усилия по решению проблемы утилизации ПНГ. Так, постановлением Правительства РФ № 7 от 8 января 2009 г. «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках» установлен целевой показатель утилизации ПНГ на уровне 95%. Достижение этого уровня является приоритетной задачей нефтедобывающих компаний.

Наибольшее распространение среди способов утилизации ПНГ в мировой практике нашла закачка его в пласт. В России помимо закачки в пласт используются еще три основных направления утилизации ПНГ: подача в газотранспортную систему (ГТС) ОАО «Газпром», использование в качестве топливного газа и транспортировка к месту переработки. Следует отметить, что даже без учета экономических показателей, все вышеприведенные способы утилизации имеют определённые технологические ограничения. В первую очередь они связаны с составом ПНГ и, в частности, наличием в нём значительных количеств С₄₊, воды, а также сернистых соединений. Кроме того, ПНГ обычно характеризуется низким давлением и даже на первой ступени сепарации его давление, как правило, не превышает 0,5-0,6 МПа. Всё это обуславливает необходимость предварительной подготовки ПНГ перед его дальнейшей утилизацией.

Существует несколько традиционных технологий подготовки ПНГ, в которых используются сепарационные, сорбционные, газодинамические, низкотемпературные методы, гликолевая осушка, аминовая отмывка и т.п. Однако ни один из этих методов не позволяет решить проблему комплексной подготовки ПНГ для дальнейшей утилизации. Даже одновременная осушка по воде и углеводородам в одном процессе, как правило, невозможна. Поэтому одной из основных технологических проблем утилизации ПНГ является разработка методов и оборудования для подготовки ПНГ, позволяющих в одном процессе достичь требуемых параметров. Кроме того, как отмечалось выше, с учетом изменяющегося во времени состава и объема переработки ПНГ, целесообразна конфигурация оборудования, позволяющая без особых дополнительных затрат менять мощность по объему перерабатываемого газа.

Одним из сравнительно новых методов разделения газовых смесей является мембранная технология, получившая в последнее время существенное развитие. Мембранная технология разделения газов широко применяется в процессах получения азота, выделения водорода из водородсодержащих газовых смесей, выделения гелия и CO₂ из природного газа, но не использовалась для решения задач утилизации ПНГ. Это было обусловлено рядом причин, к основным из которых относятся присутствие в ПНГ соединений, разрушающих или пластифицирующих классические мембраны, а также характерными селективными свойствами традиционных мембран, обуславливающими концентрирование тяжёлых углеводородов в остаточном потоке, что может приводить к их конденсации на мембране, и получение целевого подготовленного продукта в проникшем потоке, т.е. при низком давлении, что требовало его компримирования для дальнейшего использования. Поэтому классические мембраны использовались лишь для концентрирования CO₂ с целью его повторного использования для закачки в пласт при повышенной нефтедобыче.

В ходе выполнения комплекса научно-исследовательских работ в ЗАО «Грасис»  была создана принципиально новая половолоконная мембрана CarboPEEK^TM для подготовки ПНГ, содержащего большое количество тяжелых углеводородов, воды и серосодержащих примесей. Следует отметить, что мембрана CarboPEEK^TM лишена вышеназванных недостатков, присущих существующим классическим мембранам. Её характерными особенностями являются не классическая последовательность скоростей проникания основных компонентов ПНГ (рис.1) и высокая устойчивость.

 

Относительные скорости проникания газов через традиционную классическую мембрану и мембрану CarboPEEK^TM.

 

Половолоконная конфигурация мембраны обеспечивает высокую плотность упаковки поверхности мембраны в аппарате, что позволяет иметь минимальные весо- габаритные характеристики оборудования. Главным же достоинством мембран CarboPEEK^TM является то, что селективные свойства разделительного слоя мембран позволяют получать целевой, подготовленный продукт, основным компонентом которого является метан, под давлением, близким к давлению перерабатываемого газа, при этом тяжелые углеводороды концентрируются в проникшем потоке низкого давления. Благодаря этому не требуется дополнительное компримирование подготовленного ПНГ для его дальнейшего использования и исключается конденсация тяжелых углеводородов в подготовленном потоке. Еще одним достоинством при этом является то, что в подготовленном газе одновременно со снижением содержания тяжелых углеводородов снижается и содержание влаги, меркаптанов, сернистых соединений, двуокиси углерода.

Мембрана CarboPEEK^TM представляет собой композитную мембрану с пористой основой из полиэфирэфиркетона и газоразделительным слоем на основе блок сополимера силоксанового типа. На основе мембраны CarboPEEK^TM изготавливаются мембранные модули, входящие в состав установок, способных решать весь спектр задач подготовки ПНГ. Они позволяют:

• Снизить температуру точки росы (ТТР) по воде на 15-60°С относительно начального значения;
• Снизить ТТР по углеводородам на 10-40°С относительно начального значения. При этом в нем достигается снижение молярного содержания фракции С₄₊ до 10 раз с возможным повышением метанового числа газа на 10-40 единиц и значимым снижением низшей теплотворной способности газа;
• Снизить содержание сернистых соединений (сероводород, меркаптаны) в 10-40 раз, а при реализации схем с рециклом до 100-150 раз.
• Снизить содержание СО₂ в 2-5 раз.

При этом важным достоинством по сравнению с другими технологиями является то, что всё вышеперечисленное реализуется в мембранном модуле одновременно, т.е. мембранные установки на базе мембраны CarboPEEK^TM позволяют одновременно решить все задачи подготовки ПНГ для дальнейшего использования.

 

Мембранная установка для подготовки ПНГ.

 

За последние годы на различных промышленных площадках проведены испытания опытных установок на основе мембраны CarboPEEK^TM для подготовки ПНГ в различных целях, подтвердившие высокую эффективность процесса. На Новоукраинской компрессорной станции ООО «РН-Краснодарнефтегаз», входящей в ОАО «НК Роснефть», более 1,5 лет успешно эксплуатируется промышленная мембранная газоразделительная установка на базе мембраны CarboPEEKTM, позволившая решить проблему подготовки серосодержащего (сероводород, меркаптаны) ПНГ для сдачи в ГТС ОАО «Газпром». Результаты испытаний и эксплуатации вышеназванных установок указывают на успешное решение задачи утилизации ПНГ мембранным методом.

 

Внешний вид мембранной установки для подготовки ПНГ.

 

Применительно к основным конкретным направлениям использования подготовки ПНГ мембранными установками с мембраной CarboPEEK^TM можно отметить следующие возможности:

1. При подготовке топливного газа для газопоршневых электростанций (ГПЭС) мембранные установки обеспечивают:

• увеличение метанового числа на 15-40 единиц;
• доведение низшей теплотворной способности до требуемой величины;
• снижение содержания тяжелых углеводородов до требуемой величины;
• снижение содержания сероводорода до требуемой величины.

2. При подготовке топливного газа для газотурбинных электростанций (ГТЭС) мембранные установки обеспечивают:

• получение требуемой ТТР по воде и углеводородам;
• снижение содержания тяжелых углеводородов до требуемой величины;
• снижение содержания сероводорода до требуемой величины.

3. При подготовке газа для закачки в газотранспортную систему (ГТС) ОАО «Газпром» мембранные установки обеспечивают:

• получение требуемой ТТР по воде и углеводородам, в том числе до требований СТО ОАО «Газпром» 089-2010 или ОСТ 51.40-93 для холодных климатических районов;

• снижение содержания СО₂ до требуемой величины;
• снижение содержания сероводорода и меркаптанов в 10-50 раз, в том числе до требований СТО ОАО «Газпром» 089-2010 или ОСТ 51.40-93.

В целом еще раз можно отметить, что углеводородные установки ЗАО «Грасис» на основе мембранной технологии позволяют решать комплекс задач, связанных с подготовкой попутного нефтяного газа (ПНГ), регулированием состава газов, содержащих углеводороды, двуокись углерода, сероводород, азот и другие компоненты, а также задачи, связанные с утилизацией ПНГ. Установки обладают малой массой и очень компактны по сравнению с традиционными технологиями, в сочетании с невысокими капитальными затратами. Кроме этого, они отличаются высокой энергоэффективностью, низкой металлоемкостью и небольшими эксплуатационными затратам, по сравнению с другими альтернативными технологиями.

 

Литература по теме:

1. «Проблемы и перспективы использования попутного нефтяного газа в России», Ежегодный обзор 2011, WWF&KPMG.

2. Булавинов С.Л. CarboPEEK – мембранная технология ГРАСИС для переработки и утилизации попутного нефтяного газа, Химическая технология, №8, 2008, с. 34 - 35.

3. Булавинов С.Л. Мембранная технология для переработки и утилизации ПНГ, Экологический вестник, №12, 2009, с. 11 - 14.

4. Бочков Ф.А. и др. Применение мембранной технологии разделения газов для подготовки газа в ООО «РН-Краснодарнефтегаз», Нефтяное хозяйство, №8, 2010, с. 66 - 68.