Термоакустическая установка для получения синтетического природного газа из попутного нефтяного газа

Изобретение относится к технике утилизации попутного нефтяного газа. Полезная модель направлена на получение синтетического природного газа путем конверсии всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа. Указанный технический результат достигается тем, что используется конверсия фракций попутного нефтяного газа в синтез - газ и метанирование полученной смеси, которая затем в термоакустическом узле разделения разделяется на азот, углекислый газ и синтетический природный газ (метан). Термоакустический узел разделения состоит из двух последовательно соединенных сборок противоточных теплообменников и термоакустических холодильников, где сжижаются углекислый газ и метан с выбросом азота в атмосферу из второй сборки. Приводом термоакустических холодильников является один или несколько термоакустических двигателей, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа. Отличительной особенностью изобретения является использование термоакустических двигателей и термоакустических холодильников для выделения синтетического природного газа из реакционной смеси.

Изобретение относится к технике утилизации попутного нефтяного газа. Полезная модель направлена на получение синтетического природного газа путем конверсии всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа.

Указанный технический результат достигается тем, что используется конверсия фракций попутного нефтяного газа в синтез - газ и метанирование полученной смеси, которая затем в термоакустическом узле разделения разделяется на азот, углекислый газ и товарный продукт - синтетический природный газ (метан).

Отличительной особенностью изобретения является использование термоакустических двигателей и термоакустических холодильников для выделения синтетического природного газа из реакционной смеси.

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

- Дистилляционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Адсорбционная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Мембранная сепарация компонентов нефтяного попутного газа

- Переработка попутных нефтяных газов пиролизом

- Переработка попутного нефтяного газа в пропанобутановые кристаллогидраты

- Сепарация компонентов нефтяного попутного газа путем сжижения

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

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.

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.

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.

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 сепарацию путем сжижения компонентов.

Настоящее изобретение имеет целью снижение энергетических затрат на утилизацию попутного нефтяного газа и получение синтетического природного газа.

Прототипом изобретения является патент US 4923493 «Method and apparatus for cryogenic separation of carbon dioxide» (Способ и устройство для криогенного отделения углекислого газа). Недостатком прототипа является недостаточное использование всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа, поскольку в прототипе нет узла конверсии.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении полного использования всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа и их превращении в товарный продукт - синтетический природный газ (метан).

Указанный технический результат достигается тем, что используется конверсия фракций попутного нефтяного газа в синтез - газ и метанирование полученной смеси, которая затем в термоакустическом узле разделения разделяется на азот, углекислый газ и синтетический природный газ (метан).

Термоакустический узел разделения состоит из двух последовательно соединенных сборок противоточных теплообменников и термоакустических холодильников, где в первой сборке сжижается и удаляется углекислый газ, а во второй сборке сжижается метан с выбросом азота в атмосферу.

Приводом термоакустических холодильников является один или несколько термоакустических двигателей, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа.

Снижение энергетических затрат на утилизацию попутного нефтяного газа достигается применением противоточных теплообменников, в которых обеспечивается рекуперация тепловой энергии.

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

1 - Блок осушки

2 - Блок сероочистки

3 - Реактор конверсии

4 - Реактор метанирования

5 - Воздушный теплообменник

6 - Противоточный теплообменник

7 - Термоакустический холодильник для сжижения СO2

8 - Противоточный теплообменник

9 - Термоакустический холодильник для сжижения СН4

10 - Горелка термоакустического двигателя

11 - Термоакустический двигатель

12 - Дроссель

Попутный нефтяной газ через узел подготовки газа, состоящий из блоков осушки 1 и сероочистки 2, поступает в узел конверсии, состоящий из реактора конверсии в синтез - газ 3 и реактор метанирования 4 полученной смеси азота, CO2 и СН4.

Охлаждение этой смеси происходит в воздушном теплообменнике 5, откуда она поступает в первый противоточный теплообменник 6, выход которого соединен с первым термоакустическим холодильником 7 для сжижения углекислого газа. Выход первого термоакустического холодильника 7 через второй противоточный теплообменник 8 соединен со вторым термоакустическим холодильником 9 для сжижения метана с выбросом азота в атмосферу. Выход второго термоакустического холодильника 9 соединен со вторым потоком второго противоточного теплообменника 8, который соединен со вторым потоком первого противоточного теплообменника 6, выходом которого является товарный продукт - синтетический природный газ.

Приводом термоакустических холодильников является один или несколько термоакустических двигателей 11, где в горелке 10 сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа, поток которого регулируется дросселем 12.

Термоакустические установки для получения синтетического природного газа 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 получения синтетического природного газа из попутного нефтяного газа непосредственно на промыслах или узлах сбора.

Обозначения

1 - Блок осушки

2 - Блок сероочистки

3 - Реактор конверсии

4 - Реактор метанирования

5 - Воздушный теплообменник

6 - Противоточный теплообменник

7 - Термоакустический холодильник для сжижения СO2

8 - Противоточный теплообменник

9 - Термоакустический холодильник для сжижения СН4

10 - Горелка термоакустического двигателя

11 - Термоакустический двигатель

12 - Дроссель

Установка для утилизации попутного нефтяного газа, имеющая узел подготовки газа, холодильники, теплообменники и узлы сжижения фракций газа, отличающаяся тем, что для более полного использования всех углеводородных фракций попутного нефтяного газа узел подготовки газа соединен с реактором конверсии фракций попутного нефтяного газа в синтез-газ; реактор конверсии соединен с реактором метанирования, превращающим синтез-газ в метан; реактор метанирования через воздушный теплообменник соединен с первым противоточным теплообменником, выход которого соединен с первым термоакустическим холодильником для сжижения углекислого газа; выход первого термоакустического холодильника через второй противоточный теплообменник соединен со вторым термоакустическим холодильником для сжижения метана с выбросом азота в атмосферу; выход второго термоакустического холодильника соединен со вторым потоком второго противоточного теплообменника, который соединен со вторым потоком первого противоточного теплообменника, выходом которого является синтетический природный газ; приводом термоакустических холодильников является один или несколько термоакустических двигателей, где сжигается часть поступающего в установку попутного нефтяного газа.