Способ получения концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа

Изобретение относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использовано для получения концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа.

Известен газогидратный способ разделения смеси газов [RU 2329092, C2, B01D 57/00, F25J 3/00 20.07.2008], включающий ступенчатый процесс гидратации компонентов-газов исходной газовой смеси, различающиеся термобарическими условиями образования газовых гидратов, с последующим ступенчатым процессом дегидратации с выделением отдельных компонентов-газов из газовой смеси, при этом исходную газовую смесь с компонентами-газами подают на первую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р1, равном давлению гидратообразования первого компонента газа, затем ее отправляют в реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии первого компонента-газа с водой, далее в первом циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию в первую емкость для выделения первого компонента-газа, непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из первого циклона подают на вторую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р2, затем ее отправляют во второй реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии второго компонента-газа с водой, далее во втором циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию во вторую емкость для выделения второго компонента-газа, непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из второго циклона подают на следующую ступень многоступенчатого компрессора, и цикл вновь повторяют, выделяя остальные компоненты-газы при условии, что давление на каждой последующей стадии выше давления на предыдущей ступени, при этом процесс разделения газовой смеси, у которой размер молекул не превышает , проводят непрерывно при постоянном ее поступлении в многоступенчатый компрессор.

Это техническое решение позволяет организовать непрерывный технологический процесс разделения газовой смеси и получать отдельные компоненты-газы с высокой степенью чистоты.

Однако известный способ отличается относительно высокой сложностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения концентрата инертных газов [RU 2466086, C2, C01B 23/00, B01D 53/00, 10.11.2012], предусматривающий получение концентрата инертных газов из сырья в виде газовой смеси, в качестве которой используют природные горючие смеси, добываемые на месторождениях из группы газовые, газоконденсатное, нефтегазоконденсатное, нефтегазовое, газонефтяное, нефтяное, угольное, газогидратное, причем получение концентрата инертных газов осуществляется на, по меньшей мере, одном этапе от извлечения на месторождении до завершения переработки, по меньшей мере, одним методом из группы: адсорбция, абсорбция, газовая диффузия, сопловой процесс, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация, вихревой процесс, дистилляция, криогенная ректификация.

В частном случае получение ксенонового концентрата осуществляют или из промыслового природного газа, или из промыслового попутного нефтяного газа, или из промыслового попутного угольного газа. Кроме того, получение ксенонового концентрата осуществляют из, по меньшей мере, одного продукта промысловой подготовки и переработки из группы: из магистрального (очищенного) углеводородного газа, из осушенного углеводородного газа, из сухого отбензиненного газа (СОГ), из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), из кислых газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из отходящих газов блока получения серы, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из очищенного от сероводорода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от азота, из очищенного от азота углеводородного газа, из газовой фракции после концентрирования углеводородных газов, из остаточных газов блока получения азота и гелия, из газовой фракции разделенной газоконденсатной жидкости, из газовой фракции углеводородного газа. При этом получение ксенонового концентрата осуществляют на газо- нефте- перерабатывающих мощностях, включая установки предварительной подготовки природного газа (УППГ), газоперерабатывающие заводы (ГПЗ), производства синтетических жидких углеводородов (включая технологии GTL), ожижительные газовые заводы (ОГЗ), на заводах по производству гелия из природного газа.

Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая эффективность, обусловленная относительно низким выходом целевого продукта.

Задача, которая решается в изобретении, направлена на повышение эффективности получения из природного или попутного нефтяного газа путем создания условий для более высокого выхода целевого продукта.

Требуемый технический результат заключается в повышении выхода целевого продукта - концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, основанном на подаче в реактор природного или попутного нефтяного газа, согласно изобретению одновременно с природным или попутным нефтяным газом в реактор подают диспергированную воду и создают термобарические условия по давлению в интервале 0,1…20 МПа и по температуре в интервале -50…+50°C для образования газовых гидратов этана, пропана, изобутана, ксенона и криптона, из которых выделяют газовые гидраты ксенона и криптона, которые используют в качестве концентратов ксенона и криптона.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - фазовая диаграмма для системы пропан - вода (избыток пропана), где указаны: I - газообразный пропан + вода, II - газообразный пропан + гидрат пропана, III - жидкий пропан + вода, IV - жидкий пропан + гидрат пропана, V - газообразный пропан + лед, VI - жидкий пропан + лед, зоны А, В, С, Д - области температур и давлений, где газовые гидраты пропана не образуются (эти области интересны тем что можно разделить воду и пропан при дальнейшем использовании пропана).

на фиг. 2 - термобарические условия образования газового гидрата ксенона, из которых следует, что давления, при которых образуются газовые гидраты пропана ксенона, близки по значениям, поскольку пропан в газе является макрокомпонентом

Сущность изобретения состоит в следующем.

Природный или попутный нефтяной газ (возможно использование и угольного газа) направляют в реактор, где создают термобарические условия образования газовых гидратов этана, пропана, изобутана, ксенона и криптона (см. фиг. 1). Одновременно в реактор подается диспергированная вода. В реакторе образуются газовые гидраты пропана, этана, ксенона и криптона. Образование газового гидрата метана не происходит и он остается в газообразном виде.

Далее газовый поток, содержащий твердофазные гидраты газов направляются в циклон, фильтр и т.п., где происходит выделение газовых гидратов. Газовые гидраты собираются в емкости внизу циклона, а основной газ направляется в трубопровод, из которого он поступил в реактор. Полученные газовые гидраты содержат криптон и ксенон в концентрация больших чем в исходном газе. Их концентрация рассчитывается из следующих соотношений.

Пусть (в удельных единицах):

М - масса метана в 1 кг природного газа;

Э - масса этана в 1 кг природного газа;

П - масса пропана и изобутана в 1 кг природного газа;

Ш - масса других газов в 1 кг природного газа;

И - масса криптона и ксенона в 1 кг природного газа;

М+Э+П+Ш+И=1.

Доля инертных газов в исходном природном газе составит:

,

После выделения этана, пропана, изобутана и криптона и ксенона в виде газовых гидратов и отделения от основного газового потока их доля в концентрате составит:

,

Разделив (2) на (1) определяем увеличение концентрации криптона и ксенона в концентрате.

М+Э+П+Ш+И/ Э+П+И.

Например, доля этана пропана и инертных газов в природном газе составляет 5%. Доля ксенона пусть будет 0,15%.

100/5=20 раз концентрирование пропана; концентрирование ксенона 100/0,15=667 раз.

Произошло увеличение концентрации инертных газов в 20 и 667 раз.

Примеры конкретного исполнения

1. В реактор подается природный нефтяной газ в составе масс. %: метан - 96, этан - 2, пропан - 1,5, углекислый газ – 0,3, ксенон 0,2.

При давлении в реакторе 0,5 МПа, температуре 5°C и подаче диспергированной воды образуются газовые гидраты пропана и ксенона.

В концентрате после разложения газовых гидратов находится 11,8% ксенона и 88,2% пропана. Отсюда следует, что, концентрация ксенона увеличилась в 11,8/0,2=59 раз

2. В реактор подается попутный нефтяной газ состава масс. %: метан - 76, этан - 5, пропан - 10, углекислый газ – 0,2, ксенон 0,12, криптон 0,23.

При давлении 1,5 МПа, температуре 2°C и подаче диспергированной воды образуются газовые гидраты, этана, пропана, ксенона и криптона.

В концентрате после разложения газовых гидратов находится 2,28% ксенона и криптона и 97,72% этана и пропана.

Концентрация ксенона и криптона увеличилась в 2,28/0,35=6,5 раз.

Если в этих условия выделять только ксенон, то получаются следующие показатели масс. %: метан - 76, этан - 5, пропан - 10, углекислый газ – 0,2, ксенон 0,12, криптон 0,23.

При давлении 0,5 МПа, температуре 5°C и подаче диспергированной воды образуются газовые гидраты, пропана и ксенона.

В концентрате после разложения газовых гидратов находится 1,28% ксенона и криптона и 98,72% этана и пропана.

Концентрация ксенона и криптона увеличилась в 1,28/0,12=10,67 раз.

Нетрудно видеть, что предложенный способ существенно увеличивает выход целевого продукта - концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа, чем и достигается требуемый технический результат.