Результат интеллектуальной деятельности: Газоперерабатывающий и газохимический комплекс

Газоперерабатывающий и газохимический комплекс относится к области переработки природных углеводородных газов с повышенным содержанием азота и может быть использован в газовой промышленности в условиях ее интенсивного развития.

Природный газ содержит в себе ряд примесей: воду, азот, сероводород, диоксид углерода, гелий, меркаптаны, которые, с одной стороны, являются нежелательными примесями, ухудшающими качество товарного топливного газа, а с другой – ценными компонентами сырья газохимической промышленности. Из примесей природного углеводородного газа интересен, в частности, азот, находящий широкое применение в качестве сырья химической промышленности.

Известен способ комплексной переработки природного углеводородного газа с повышенным содержанием азота, осуществляемый в трех блоках: в блоке выделения этана и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) из углеводородного газа, где очищенный и осушенный природный газ разделяется на метановую фракцию высокого и среднего давления, этановую фракцию, ШФЛУ и метан-азотную смесь; в блоке удаления азота и выделения гелиевого концентрата из метан-азотной смеси, где метан-азотная смесь разделяется на метановую фракцию низкого давления, азот низкого и среднего давления, сбрасываемые в атмосферу, жидкий азот, используемый в блоке тонкой очистки и сжижения гелия, и гелиевый концентрат, перерабатываемый с выделением гелия или отводимый в качестве товарного продукта; в блоке тонкой очистки и сжижения гелия, где из гелиевого концентрата выделяется чистый гелий (патент RU 2576428 С1, МПК B01D 3/14, C07C 7/00, F25J 3/00, заявлен 12.01.2015 г., опубликован 10.03.2016 г.). Главным недостатком данного изобретения является нерациональный сброс азота низкого и среднего давления в атмосферу, приводящий к увеличению себестоимости товарной продукции, которая включает в себя затраты на извлечение азота из природного углеводородного газа.

Известен также способ комплексного извлечения ценных примесей из природного гелийсодержащего углеводородного газа с повышенным содержанием азота, включающий стадии: первого уровня очистки сырьевого потока природного углеводородного газа от механических примесей и капельной жидкости; второго уровня очистки первого потока очищенного углеводородного газа от примесей сероводорода, диоксида углерода и метанола, регенерации потока насыщенного абсорбента, отпарки кислой воды от метанола, сероводорода и диоксида углерода, компримирования и осушки низконапорных кислых газов; третьего уровня осушки, очистки от соединений ртути второго потока очищенного углеводородного газа, низкотемпературного разделения третьего потока осушенного и очищенного углеводородного газа, расширения и охлаждения деэтанизированного газа с частичной его конденсацией в «холодном боксе», криогенного деазотирования, удаления водорода из азотно-гелиевой смеси, криогенной доочистки полупродукта жидкого гелия от примесей азота, кислорода, аргона и неона, криогенного выделения гелия, адсорбционной очистки ШФЛУ, газофракционирования очищенной ШФЛУ, подготовки товарного топливного газа, хранения жидких азота и гелия в сосудах Дьюара в товарном парке (патент RU 2597081 С1, МПК B01D 53/00, заявлен 29.12.2014 г., опубликован 20.07.2016 г.). Недостатками данного изобретения являются:

- потери газообразного азота низкого давления, направляемого на стадии компримирования и осушки низконапорных кислых газов, третьего уровня осушки и очистки от соединений ртути второго потока очищенного углеводородного газа и криогенной доочистки полупродукта жидкого гелия для регенерации адсорбентов в адсорберах периодического действия с их последующим охлаждением после регенерации, из-за сброса на факел после регенерации и охлаждения адсорбентов;

- потери газообразного азота на стадии криогенного деазотирования частично конденсированного деэтанизированного газа при опорожнении адсорберов и продувке слоя адсорбента перед его регенерацией;

- снижение ресурса вырабатываемого жидкого азота по сравнению с его потенциальным содержанием в исходном природном углеводородном газе из-за использования газообразного азота низкого давления для регенерации и охлаждения адсорбентов с последующим сжиганием на факеле.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является газоперерабатывающий и газохимический комплекс, включающий газоперерабатывающий сектор, состоящий из звена подготовки сырья, звена низкотемпературного фракционирования сырья, звена получения элементарной серы, звена получения товарной метановой фракции (товарного газа), звена получения товарного гелия, звена получения суммы сжиженных углеводородных газов и пентан-гексановой фракции; сектор по сжижению природных газов, состоящий из звена сжижения товарной метановой фракции (товарного газа) и звена сжижения этановой фракции; газохимический сектор, состоящий из звена получения этилена, звена получения пропилена, звена получения синтез-газа, метанола и высших спиртов, аммиака, звена получения полимеров, сополимеров и звена получения этиленгликолей; сектор подготовки конденсата, состоящий из звена стабилизации конденсата и звена получения моторных топлив, при этом перемещение технологических потоков между смежными секторами обеспечивается дополнительными перекачивающими станциями (патент RU 2570795 C1, МПК C10G 5/00, B01D 53/00, B01D 61/00, C07C 7/00, F25J 3/00, заявлен 15.07.2014 г., опубликован 10.12.2015 г.). Недостатками изобретения являются:

- потери азота при его наличии в исходном природном углеводородном газе из-за совместного извлечения с гелием в ходе деазотирования метановой фракции и последующего выделения гелия, сопровождающегося сбросом азота в атмосферу;

- реализация дорогостоящего многоступенчатого синтеза аммиака с использованием в качестве сырья товарного газа, кислого газа и водорода для получения метанола и аммиака.

При создании изобретения была поставлена задача разработки высокоэффективного комплекса газоперерабатывающих и газохимических заводов, обеспечивающего переработку практически всех компонентов природного углеводородного газа с получением широкого ассортимента товарных продуктов при одновременном снижении загрязнения окружающей среды путем сокращения сбросов в атмосферу.

Поставленная задача решается за счет того, что газоперерабатывающий и газохимический комплекс включает газоперерабатывающий завод, газохимический завод, завод по производству аммиака и минеральных удобрений, а также объединяющую заводы друг с другом газотранспортную сеть, на газоперерабатывающий завод подают природный углеводородный газ, последовательно подвергающийся при наличии соответствующих компонентов очистке от нежелательных примесей в виде ртути и метанола, очистке от кислых примесей в виде H₂S и СО₂, осушке и низкотемпературному фракционированию с получением метана, этана и ШФЛУ, при этом метан после компримирования направляют в виде товарного топливного газа потребителям, на собственные нужды и/или на завод по сжижению природного газа, этан используют в качестве сырья установки пиролиза газохимического завода с получением этилена, направляемого на выработку товарной продукции газохимического завода, включая получение полиэтилена, и/или другим потребителям, и метан-водородной фракции, разделяемой на метан и водород: метан направляют в виде товарного топливного газа потребителям и/или на собственные нужды, часть водорода направляют на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений, а другую часть – после предварительной подготовки на выработку товарной продукции газохимического завода, в частности на установку сырья полимеризации, ШФЛУ разделяют с получением сжиженных углеводородных газов в виде пропана, бутана и/или их смеси и углеводородов С5 и выше, причем в состав газоперерабатывающего завода дополнительно включают блок выделения азота и блок получения гелия, выделяемый азот направляют в качестве сырья на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений.

Целесообразно при недостатке азота, выделяемого из природного углеводородного газа на газоперерабатывающем заводе, на установке синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений в качестве сырья использовать азот, выделяемый из воздуха с помощью соответствующего оборудования. При недостатке водорода, выделяемого из метан-водородной фракции на газохимическом заводе, на установке синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений можно использовать метан, направляемый с газоперерабатывающего завода, в качестве сырья для получения водорода.

Целесообразно на газоперерабатывающем заводе очистку природного углеводородного газа от кислых примесей в виде H₂S и СО₂ при их наличии в количестве, превыщающем допустимое содержание, осуществлять с помощью аминового абсорбента. Выделенные примеси можно использовать следующим образом: H₂S – в качестве сырья для установки Клауса газоперерабатывающего завода, а CO₂ – в качестве сырья для установки синтеза карбамида завода по производству аммиака и минеральных удобрений. Причем CO₂ можно получить при очистке не только природного углеводородного газа, но и дымовых газов печей пиролиза и газовых турбин газоперерабатывающего и газохимического заводов.

Полезно в состав газоперерабатывающего завода после осушки природного углеводородного газа включить установку очистки от меркаптанов при их наличии в природном углеводородном газе.

На газоперерабатывающем заводе возможна реализация двух способов переработки ШФЛУ: с предварительной очисткой перед разделением на пропан, бутан и/или их смесь и углеводороды С₅ и выше, а также с последовательными стадиями разделения на пропан, бутан и/или их смесь и углеводороды С₅ и выше и раздельной очистки товарных продуктов.

Целесообразно получаемые на газоперерабатывающем заводе пропан, и/или бутан, и/или углеводороды С₅ и выше использовать в качестве сырья установки пиролиза газохимического завода вместе с этаном или в качестве сырья дополнительной установки пиролиза газохимического завода, при этом полученные мономеры направляют на выработку товарной продукции газохимического завода и/или другим потребителям, а метан-водородную фракцию разделяют на метан, который в виде товарного топливного газа направляют потребителям и/или на собственные нужды, и водород, который направляют на выработку товарной продукции газохимического завода и/или на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений.

Также получаемый на газоперерабатывающем заводе пропан может быть использован в качестве сырья дополнительной установки дегидрирования пропана газохимического завода, при этом полученный пропилен направляют на выработку товарной продукции газохимического завода и/или другим потребителям, а метан-водородную фракцию разделяют на метан, который в виде товарного топливного газа направляют потребителям и/или на собственные нужды, и водород, направляемый на выработку товарной продукции газохимического завода и/или на установку синтеза аммиака завода по производству аммиака и минеральных удобрений.

Полученные на газоперерабатывающем заводе бутан и углеводороды С₅ и выше можно направлять на выработку товарной продукции газохимического завода в качестве сырья для получения изобутилена, изопрена и бутадиенов, используемых при производстве каучуков на газохимическом заводе.

Целесообразно разделение метан-водородной фракции после установки пиролиза газохимического завода осуществлять с помощью короткоцикловой адсорбции.

Целесообразно в состав газохимического завода включить установку получения линейных альфа-олефинов, используемых для производства высокомаржинальных марок полиэтилена, и/или установку по переработке полимеров в товары народного потребления.

Целесообразно в состав завода по производству аммиака и минеральных удобрений включить установку синтеза метанола с использованием в качестве сырья СО₂, выделенного при очистке природного углеводородного газа от кислых примесей на газоперерабатывающем заводе и/или извлекаемого из дымовых газов газоперерабатывающего и газохимического заводов, и водорода, выделенного из метан-водородной фракции на газохимическом заводе. Метанол, выделенный при очистке природного углеводородного газа на газоперерабатывающем заводе, также можно направить на установку выделения и очистки метанола завода по производству аммиака и минеральных удобрений.

На фигуре представлена принципиальная схема одного из возможных вариантов реализации заявляемого газоперерабатывающего и газохимического комплекса с использованием следующих обозначений:

1 – газоперерабатывающий завод;

2 – завод по сжижению природного газа;

3 – газохимический завод;

4 – завод по производству аммиака и минеральных удобрений;

1.1 – установка очистки природного углеводородного газа от ртути и метанола;

1.2 – установка аминовой очистки природного углеводородного газа от кислых примесей;

1.3 – установка осушки природного углеводородного газа;

1.4 – установка низкотемпературного фракционирования природного углеводородного газа;

1.5 – установка очистки ШФЛУ;

1.6 – газофракционирующая установка (далее ГФУ);

1.7 – дожимная компрессорная станция;

1.8 – блок выделения азота;

1.9 – блок получения гелия;

2.1 – установка сжижения природного газа;

3.1 – установка пиролиза;

3.2 – установка получения линейных альфа-олефинов;

3.3 – установка короткоцикловой адсорбции (далее КЦА);

3.4 – установка подготовки сырья полимеризации;

3.5 – установка получения полиэтилена (далее ПЭ);

4.1 – установка кондиционирования CO₂ и H₂;

4.2 – установка синтеза аммиака;

4.3 – установка синтеза карбамида;

4.4 – установка гранулирования, хранения и отгрузки;

5 – 40 – трубопроводы.

Заявляемый газоперерабатывающий и газохимический комплекс согласно представленной схеме функционирует следующим образом.

Природный углеводородный газ одного или нескольких месторождений газодобывающего региона подают на газоперерабатывающий завод 1 с последовательным прохождением при наличии соответствующих компонентов по трубопроводу 5 – установки очистки природного углеводородного газа от ртути и метанола 1.1, по трубопроводу 6 – установки аминовой очистки природного углеводородного газа от кислых примесей 1.2 с удалением H₂S и СО₂ при помощи аминового абсорбента и по трубопроводу 7 – установки осушки природного углеводородного газа 1.3. Далее очищенный от нежелательных примесей и осушенный природный углеводородный газ по трубопроводу 8 подают на установку низкотемпературного фракционирования природного углеводородного газа 1.4, где его разделяют на метан-азотную смесь, отводимую по трубопроводу 9 в блок выделения азота 1.8; этан, отводимый по трубопроводу 11 на газохимический завод 3 для последующего передела; ШФЛУ, направляемую по трубопроводу 10 на установку очистки ШФЛУ 1.5.

В блоке выделения азота 1.8 из метан–азотной смеси выделяют метан, который сначала по трубопроводу 12 подают на установку низкотемпературного фракционирования природного углеводородного газа 1.4 для использования в качестве теплоносителя, а затем по трубопроводу 15 – на дожимную компрессорную станцию 1.7 для дальнейшего направления в виде товарного топливного газа потребителям по трубопроводу 16. Азотно–гелиевую смесь по трубопроводу 13 подают на разделение в блок получения гелия 1.9. Чистый жидкий гелий по трубопроводу 22 отправляют на хранение и отгрузку потребителям, а азот по трубопроводу 23 поступает в качестве сырья на установку синтеза аммиака 4.2 завода по производству аммиака и минеральных удобрений 4, избыток азота по трубопроводу 24 поступает другим потребителям.

Часть товарного топливного газа, направляемого с газоперерабатывающего завода 1 потребителям по трубопроводу 16, поступает по трубопроводу 17 на завод по сжижению природного газа 2, включающий установку сжижения природного газа 2.1 и резервуары для хранения сжиженного природного газа (на схеме не указаны), откуда по трубопроводу 18 сжиженный природный газ направляется потребителям.

Выделенный на установке низкотемпературного фракционирования природного углеводородного газа 1.4 газоперерабатывающего завода 1 этан поступает в качестве сырья по трубопроводу 11 на установку пиролиза 3.1 газохимического завода 3 с получением этилена и метан-водородной фракции. Этилен по трубопроводу 25 поступает на установку подготовки сырья полимеризации 3.4, при этом часть этилена может быть направлена по трубопроводу 26 на установку получения линейных альфа-олефинов 3.2, где посредством олигомеризации этилена получают линейные альфа-олефины с разными длинами цепочек непредельных углеводородов: С₄, С₆ и C₈, которые по трубопроводам 27, 28 и 29, соответственно, подаются на установку подготовки сырья полимеризации 3.4. После концентрирования сырья полимеризации с добавлением инициаторов, стабилизаторов и других реагентов на установке подготовки сырья полимеризации 3.4 подготовленная реакционная смесь по трубопроводам 32, 33 и 34 поступает на установку получения ПЭ 3.5, при этом полученные сорта ПЭ далее подвергаются обработке и грануляции для производства товарной продукции, направляемой потребителям.

Метан-водородную фракцию после установки пиролиза 3.1 по трубопроводу 30 подают на установку КЦА 3.3. Разделенные на установке КЦА 3.3 метан и водород используют следующим образом: метан по трубопроводу 31 отправляют на смешение с метаном, поступающим по трубопроводу 15 на дожимную компрессорную станцию 1.7, для дальнейшего направления в виде товарного топливного газа потребителям по трубопроводу 16, часть водорода по трубопроводу 36 подают на установку подготовки сырья полимеризации 3.4, а другую по трубопроводу 35 – на установку кондиционирования CO₂ и H₂ 4.1 завода по производству аммиака и минеральных удобрений 4.

Очищенная ШФЛУ после установки очистки ШФЛУ 1.5 по трубопроводу 14 поступает на ГФУ 1.6 для разделения на пропан, бутан и товарные углеводороды С₅ и выше, направляемые потребителям по трубопроводам 19, 20 и 21, соответственно.

Выделенный на установке аминовой очистки природного углеводородного газа от кислых примесей 1.2 СО₂ по трубопроводу 37 поступает на установку кондиционирования CO₂ и H₂ 4.1 завода по производству аммиака и минеральных удобрений 4 для предарительной очистки от каталитических ядов. Очищенный СО₂ направляют по трубопроводу 41 на установку синтеза карбамида 4.3, а подготовленный водород по трубопроводу 38 поступает на установку синтеза аммиака 4.2. Полученный на установке синтеза аммиака 4.2 аммиак используют далее в качестве компонента сырья, подаваемого по трубопроводу 39, на установке синтеза карбамида 4.3, избыток аммиака по трубопроводу 40 подают другим потребителям. Образовавшийся карбамид по трубопроводу 42 отводят на установку гранулирования хранения и отгрузки 4.4 для производства товарного продукта.

Для представленной на фигуре принципиальной схемы одного из возможных вариантов реализации заявляемого газоперерабатывающего и газохимического комплекса было проведено математическое моделирование.

В таблице 1 представлены сырьевой и продуктовые потоки газоперерабатывающего завода 1 с указанием компонентного состава потоков в трубопроводах, позволяющего определить потенциал выделяемых примесей. В таблице 2 представлены сырьевой и продуктовые потоки газохимического завода 3. В таблице 3 представлены сырьевые и продуктовые потоки завода по производству аммиака и минеральных удобрений 4 с использованием в качестве сырья выделяемых на газоперерабатывающем заводе 1 азота и CO₂, а также части отделенного на установке КЦА 3.3. газохимического завода 3 водорода.

Таким образом, заявленное изобретение решает задачу разработки высокоэффективного комплекса газоперерабатывающих и газохимических заводов, обеспечивающих в ходе переработки природного углеводородного газа использование практически всех его компонентов с получением широкого ассортимента товарных продуктов при одновременном снижении загрязнения окружающей среды путем сокращения сбросов газов в атмосферу.