Интегральная установка для утилизации попутного нефтяного газа

Изобретение относится к технике очистке газа от сероводорода и утилизации попутного нефтяного газа. Полезная модель направлена на получение товарных фракций углеводородов и серы и обеспечение энергетической независимости установок. Указанный технический результат достигается путем объединения в одной установке реактора каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа, реактора синтеза товарных углеводородов из синтез-газа и термоакустического холодильника для сжижения товарных углеводородов.

Изобретение относится к технике очистке газа от сероводорода и утилизации попутного нефтяного газа. Полезная модель направлена на получение товарных фракций углеводородов и обеспечение энергетической независимости установок.

Указанный технический результат достигается путем объединения в одной установке реактора каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа, реактора синтеза товарных углеводородов из синтез-газа и термоакустического холодильника для сжижения товарных углеводородов.

Российская Федерация обладает значительными запасами попутного нефтяного газа. Проблема утилизации попутного нефтяного газа весьма актуальна. Известны следующие способы утилизации попутного нефтяного газа:

- Адсорбционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Сепарация компонентов нефтяного попутного газа путем сжижения

- Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Мембранная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Переработка попутных нефтяных газов пиролизом

- Переработка попутного нефтяного газа в пропанобутановые кристаллогидраты

- Переработка попутного нефтяного газа в синтез-газ.

Существующие способы и устройства для утилизации попутного нефтяного газа представлены в следующих базовых патентах:

Адсорбционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- RU 2338734 - СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ С ИЗ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

- RU 2342980 - АДСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОСУШКИ ГАЗОВ

- US 4370156 - Process for separating relatively pure fractions of methane and carbon dioxide from gas mixtures

- US 4741745 - Process for separation of carbon dioxide from other gases

- US 2806552 - Absorption process

- US 5269833 - Process for cleaning a stream of crude gas or waste gas

- US 5861051 - Process for removing carbon dioxide from gas mixture

- US 6364933 - Apparatus for use with a natural gas dehydrator

- US 4498911 - Simultaneous removal of water and hydrogen sulfide from gaseous carbon dioxide

- US 4261716 - Apparatus for recovering hydrocarbons from air-hydrocarbon vapor mixtures

Недостатком данного способа является необходимость регенерации используемых дополнительных химических веществ.

Сепарация компонентов нефтяного попутного газа путем сжижения

- RU 2340841 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

- RU 2047061 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

- RU 1553018 - Способ разделения газового потока под высоким давлением

- RU 2324871 - СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

- RU 2318167 - СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ И СЕПАРАЦИИ НЕФТЯНОГО ПОПУТНОГО ГАЗА

- RU 2272972 - СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

- RU 2004102104 - СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

- RU 2297267 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

- RU 2225971 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА

- US 4356014 - Cryogenic recovery of liquids from refinery off-gases

- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process

- US 4878932 - Cryogenic rectification process for separating nitrogen and methane

- US 4654047 - Hybrid membrane/cryogenic process for hydrogen purification

- US 4923493 - Method and apparatus for cryogenic separation of carbon dioxide

- US 4012212 - Process and apparatus for liquefying natural gas

- US 4548618 - Process and apparatus for the separation of a mixture of gases

- US 4312652 - Process for fractionation of a gaseous mixture

- US 4272269 - Cryogenic expander recovery process

- US 5041149 - Separation of nitrogen and methane with residue turbo-expansion

_ US 7337631 - Use of cryogenic temperatures in processing gases

- US 4851020 - Ethane recovery system

- US 4061481 - Natural gas processing

- US 4596588 - Selected methods of reflux-hydrocarbon gas separation process

Недостатком данного способа являются большие энергетические затраты на сжижение.

Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- RU 2147916 - СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА

- RU 2277961 - СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

- US 4753666 - Distillative processing of CO.sub.2 and hydrocarbons for enhanced oil recovery

- US 4732598 - Dephlegmator process for nitrogen rejection from natural gas

- US 4230469 - Distillation of methane from a methane-containing crude gas

- US 4318723 - Cryogenic distillative separation of acid gases from methane

- US 4383842 - Distillative separation of methane and carbon dioxide

- US 3983711 - Plural stage distillation of a natural gas stream

- US 4936887 - Distillation plus membrane processing of gas streams

- US 4404008 - Combined cascade and multicomponent refrigeration

- US 4350511 - Distillative separation of carbon dioxide from light hydrocarbons

- US 4869740 - Hydrocarbon gas processing

- US 4278457 - Hydrocarbon gas processing

- US 4519824 - Hydrocarbon gas separation

- US 4687499 - Process for separating hydrocarbon gas constituents

- US 4545895 - Fractional distillation

- US 4657571 - Process for the recovery of heavy constituents from hydrocarbon gaseous mixtures

- US 5685170 - Propane recovery process

- US 4203741 - Separate feed entry to separator-contactor in gas separation

- US 4617039 - Separating hydrocarbon gases

- US 4846863 - Separation of hydrocarbon mixtures

- US 4056444 - Vacuum separation of mixtures with similar boiling points

- US 4312652 - Separation system

- US 4158556 - Nitrogen-methane separation process and system

- US 4747858 - Process for removal of carbon dioxide from mixtures

- US 4149864 - Separation of carbon dioxide and other acid gas components from hydrocarbon feeds

- US 5442924 - Liquid removal from natural gas

- US 4061481 - Natural gas processing

- US 4657571 - Process for the recovery of heavy constituents from hydrocarbon gaseous mixtures

- US 5566554 - Hydrocarbon gas separation process

- US 4666483 - Method and installation for recovering the heaviest hydrocarbons

Недостатком данного способа является необходимость использования высоких давлений, что увеличивает металлоемкость и понижает надежность изделия.

Мембранная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- RU 2144842 - АСИММЕТРИЧНАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

- RU 2121393 - МЕМБРАННЫЙ РУЛОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И ПАРОВ

- RU 2126290 - МЕМБРАННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ

- RU 2026725 - МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ

- RU 2077373 - СПОСОБ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

- US 4936887 - Distillation plus membrane processing of gas streams

- US 4645516 - Enhanced gas separation process

- US 4732583 - Gas separation

- US 5352272 - Gas separations utilizing glassy polymer membranes at sub-ambient temperatures

- US 4119417 - Gas separator

- US 4654047 - Hybrid membrane/cryogenic process for hydrogen purification

- US 5032148 - Membrane fractionation process

- US 5129921 - Membrane gas separation process and apparatus

- US 4264338 - Method for separating gases

- US 4701187 - Process for separating components of a gas stream

- US 6128919 - Process for separating natural gas and carbon dioxide

- US 4952219 - Membrane drying of gas feeds to low temperature units

- US 5240472 - Moisture removal from a wet gas

- US 5772733 - Natural gas liquids (NGL) stabilization process

- US 5089033 - Process for removing condensable components from gas streams

- US 6128919 - Process for separating natural gas and carbon dioxide from a raw feed stream

- US 5964923 - Natural gas treatment train

Недостатком данного способа является низкая производительность. Переработка попутных нефтяных газов пиролизом

- RU 2330058 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

- RU 2188846 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Недостатком данного способа является невозможность получения товарного моторного топлива.

Переработка попутного нефтяного газа в пропанобутановые кристаллогидраты

- RU 2319083 - СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗА ПРИ РАЗРАБОТКЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Недостатком данного способа является сложность и невозможность получения товарной продукции.

Переработка попутного нефтяного газа в синтез-газ

- US 7122170 - Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production

- US 4973453 - Apparatus for the production of heavier hydrocarbons from gaseous light hydrocarbons

- US 6402989 - Catalytic partial oxidation process and promoted nickel based catalysts supported on magnesium oxide

- US 5883138 - Rapid injection catalytic partial oxidation process and apparatus for producing synthesis gas

Недостатками данного способа является необходимость в сложных конденсаторах, реакторах для конверсии синтез-газа в товарные продукты и устройствах для разделения компонентов.

В патенте US 7122170 "Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production" (Катализатор для улучшения производства синтез-газа по технологии SPOC) от 2006 г.описан реактор и конденсатор серы для одновременного каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа и серы. Недостатком данного способа является использование традиционного кожухотрубного теплообменника в качестве конденсатора аэрозоля серы, который обладает известными недостатками всех подобных конструкций.

Прототипом изобретения является патент US 7122170 "Catalysts for SPOC enhanced synthesis gas production" (Катализатор для улучшения производства синтез-газа по технологии SPOC) от 2006 г. Как и в прототипе, в изобретении используется реактор и конденсатор серы для одновременного каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа и серы.

В отличие от прототипа, в настоящем изобретении используется аэродинамический охладитель на основе сопла Лаваля, в котором охлаждение достигается за счет адиабатического расширения потока газа в расширяющемся сопле. Завихритель потока обеспечивает отбрасывание капель серы к стенкам сопла, по которым расплавленная сера стекает а сборник.

Поток очищенного от серы синтез-газа поступает в реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа, а затем в термоакустический холодильник, где конденсируются товарные фракции углеводородов, а газообразные примеси к синтез-газу (азот и углекислый газ) отводятся из холодильника.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении полного использования всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа и их превращении в товарные фракции углеводородов.

Термоакустический узел разделения товарных фракций углеводородов и газообразных примесей (азота и углекислого газа) состоит из термоакустического холодильника, приводом которого является термоакустический двигатель, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа.

Принципиальная схема термоакустической установки для получения синтетического пропана путем конверсии всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных блоков:

1 - Дроссель

2 - Реактор каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа

3 - Подвод воздуха

4 - Тепловой экран

5 - Катализатор

6 - Тепловой экран

7 - Завихритель потока

8 - Аэродинамический охладитель

9 - Сборник жидкой серы

10 - Горелка термоакустического двигателя

11 - Реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа

12 - Термоакустический двигатель

13 - Волновод

14 - Воздушный теплообменник

15 - Подвод воздуха

16 - Термоакустический холодильник для сжижения товарных фракций углеводородов

Попутный нефтяной газ смешивается с потоком воздуха 3 и поступает в реактор 2 каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа, имеющий слой катализатора 5 с малым гидравлическое сопротивление, отделенный от объема реактора тепловыми экранами 4 и 6, которые задерживают тепловое излучение горячего катализатора 5. На катализаторе 5 происходит окисление сероводорода с получением частиц серы, а также образование синтез-газа. Поток синтез-газа с расплавленными частицами серы поступает в аэродинамический охладитель 8 на основе сопла Лаваля, в котором охлаждение достигается за счет адиабатического расширения потока в расширяющемся сопле. Завихритель потока 7 обеспечивает отбрасывание расплавленных капель серы к стенкам сопла, по которым расплавленная сера стекает в сборник 9. Из аэродинамического охладителя 8 очищенный поток синтез-газа поступает в реактор 11 синтеза товарных углеводородов из синтез-газа, а затем через воздушный теплообменник 14 - в термоакустический холодильник 16, где конденсируются товарные фракции углеводородов, а газообразные примеси к синтез-газу (азот и углекислый газ) отводятся из холодильника. Приводом термоакустического холодильника 16 является термоакустический двигатель 12, где в горелке 10 сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа, поток которого регулируется дросселем 1. Генерируемая термоакустическим двигателем 12 акустическая энергия поступает в термоакустический холодильник 16 через волновод 13.

Термоакустические установки для получения синтетического пропана из попутного нефтяного газа являются энергетически автономными. В отличие от традиционных установок для утилизации попутного нефтяного газа, они не требуют применения мощных механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов, подвода силового электроснабжения и строительства линий электропередач.

Отсутствие движущихся механических частей, т.е. исключительная простота и надежность, а также их энергетическая автономность позволяет размещать термоакустические установки для утилизации попутного нефтяного газа непосредственно на промыслах или узлах сбора.

Обозначения:

1 - Дроссель

2 - Реактор каталитического окисления сероводорода и получения синтез-газа

3 - Подвод воздуха

5 - Катализатор

6 - Тепловой экран

7 - Завихритель потока

8 - Аэродинамический охладитель

9 - Сборник жидкой серы

10 - Горелка термоакустического двигателя

11 - Реактор синтеза товарных углеводородов из синтез-газа

12 - Термоакустический двигатель

13 - Волновод

14 - Воздушный теплообменник

15 - Подвод воздуха

16 - Термоакустический холодильник для сжижения товарных углеводородов

1. Установка для утилизации попутного нефтяного газа путем получения синтез-газа, имеющая реактор каталитического окисления сероводорода с получением серы, которая конденсируется в охладителе, и реактор получения синтез-газа, отличающаяся тем, что реактор синтез-газа соединен с реактором синтеза товарных углеводородов из синтез-газа, а последний соединен с термоакустическим холодильником для сжижения товарных углеводородов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что охладитель для конденсации серы выполнен по аэродинамической схеме на основе сопла Лаваля, используется работающий за счет адиабатического расширения потока газа аэродинамический охладитель на основе сопла Лаваля с завихрителем потока, который обеспечивает отбрасывание капель серы к стенкам сопла, по которым расплавленная сера стекает а сборник.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что термоакустический холодильник через волновод приводится в действие термоакустическим двигателем с горелкой, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа.