УДК. 66.048

Сравнение процессов дистилляции и ректификации для разделения газовых смесей в нефтегазовой отрасли

Великанова Александра Дмитриевна – студент Балтийского федерального университета имени И. Канта.

Аннотация: Нефтегазодобывающая промышленность включает непрерывный цикл работы со скважинными жидкостями, которые представляют собой смесь углеводородных соединений, воды и примесей. По мере того, как скважинный поток течет из пласта на поверхность, он испытывает изменения давления и температуры. В статье представлен обзор процессов дистилляции и ректификации для разделения газовых смесей. Рассмотрены основные этапы дистилляции и ректификации, а также показаны схематические изображения этих процессов. В том числе представлены основные отличия данных процессов и их совместное использование.

Ключевые слова: дистилляция, ректификация, газовая смесь, углеводородные газы, нефтегазовая промышленность, процессы разделения.

Поток скважинной газовой смеси, выходящий из устья скважины, в основном представляет собой смесь добытых пластовых флюидов сырой нефти, газа и воды с, возможно, некоторыми твердыми веществами, такими как ил/песок, попавшими в скважину.

В зависимости от характеристик пласта, свойств жидкости и условий течения существует другой тип смеси, состоящей в основном из нефти и воды, которую называют эмульсией. Некоторые эмульсии, особенно плотные, имеют сложный состав и не подлежат разделению сепараторами обычного типа.

Термин «сепарация» может применяться к процессу, используемого для разделения смеси на две или более фазы. Смеси, требующие разделения, могут состоять из газовой фазы и жидкой фазы, газовой фазы и твердой фазы, двух несмешивающихся жидких фаз (нефти и воды), газовой фазы и двух жидких фаз или любой комбинации вышеперечисленного [1].

Физический характер потока скважин меняется: более легкие углеводороды имеют тенденцию переходить из жидкой фазы в газовую фазу, а более тяжелые углеводороды имеют тенденцию выделяться из газовой фазы в жидкую фазу. Скорости потока в трубах вызывают турбулентность, в результате чего фазы постоянно перемешиваются. Благодаря перемешивающему действию газовая фаза содержит взвешенные капли жидкости, а жидкая фаза содержит пузырьки газа [2].

Далее необходимо подробно представить процесс дистилляции и ректификации, которые необходим для сепарационной технологии газовой смеси [3].

Дистилляция – операция, с помощью которой можно разделить однородные жидкие смеси. Процесс контролирует различную летучесть компонентов разделяемой смеси. Летучесть – это тенденция вещества переходить из жидкой фазы в газовую (рис.1).

Рисунок 1. Принципиальная схема дистилляции: 1 – кипящая жидкая смесь, 2 – восходящая паровая фаза, 3 – конденсатор, 4 – дистиллят.

Для достижения разделения жидкую смесь доводят до кипения. Образующаяся паровая фаза состоит из нескольких компонентов, в основном из наиболее летучих компонентов смеси. Паровая фаза отделяется от жидкой фазы и конденсируется (дистиллят). Менее летучие компоненты преимущественно остаются в жидкой фазе [4].

Дистилляция приводит не к полному разделению жидкой смеси, а к ее разделению на две смеси с различным содержанием летучих и менее летучих компонентов.

Принцип разделения основан на том, что содержание летучих компонентов в паровой фазе больше, чем в жидкой фазе.

Ректификация – это массообменный процесс разделения, используется для веществ, требующих чистого вида или большого количества вещества, например, для фракционирования сырой нефти [5].

Если дистиллят, полученный при перегонке, перегнать еще раз, то получится новый дистиллят с еще большей концентрацией летучих компонентов. При повторении процедуры концентрация летучих компонентов в дистилляте каждый раз увеличивается [6].

На практике этот многоступенчатый процесс перегонки осуществляется в ректификационной колонне (рис.2).

Рисунок 2. Упрощенное изображение ректификационной колонны: 1 – подача, 2 – нижняя часть колонны, 3 – нижняя ступень нагрева, 4 – кубовый остаток (нижний продукт), 5 – движущаяся вверх паровая фаза, 6 – верхняя часть колонны, 7 – конденсатор, 8 – дистиллят (верхний продукт), 9 – рециркуляция, 10 – движущаяся вниз жидкая фаза, 11 – лоток для сбора избыточных пузырьков.

Разделяемая жидкая смесь (сырье) подается в колонну и частично испаряется на пути к нижней части колонны, где нагревается до кипения. Образующийся пар движется вверх внутри колонны, выходит из нее вверху и конденсируется. Часть конденсата уносится в виде верхнего продукта. Остаток возвращается в колонну и движется вниз в виде жидкой фазы [7].

Из-за внутренних устройств колонны, таких как барботажные тарелки или случайные насадки, движущаяся вниз жидкая фаза подвергается интенсивному обмену тепла и материала с движущейся вверх паровой фазой. Менее летучие компоненты паровой фазы конденсируются и увеличивают концентрацию в жидкой фазе [8]. В то же время выделяющееся тепло конденсации испаряет более летучие компоненты жидкой фазы. Эти процессы в колонне увеличивают концентрацию в паровой фазе летучих компонентов, перемещающихся снизу вверх по колонне. Концентрация в жидкой фазе менее летучих компонентов увеличивается в противоположном направлении – от верха колонны к низу [9].

Процессы дистилляции с ректификацией являются самыми частыми процессами в нефтегазовой отрасли, которые относятся к массообменным процессам. В ректификационных колоннах происходит многократное противоточное контактирования паров и жидкости для выделения конкретной фракции нефтяной смеси.

Заключение

Инженеры сталкиваются с задачей выбора между дистилляцией и ректификацией на основе уникальных требований процесса разделения и экономических соображений. Оценка плюсов и минусов обоих методов критически важна для принятия взвешенных технических решений, что способствует улучшению эффективности в нефтегазовой отрасли.

Сравнивая процессы, можно сделать вывод, что их общность заключается в том, что оба процесса основаны на физическом разделении компонентов вещества. Дистилляция является базовым процессом, позволяющим разделить газовую и нефтяную смесь на пригодные рабочие фракции. Для процесса ректификации необходимо специализированное оборудование (ректификационные колонны с массообменными тарелками).

Список литературы

1. Абдуллин, И. И., & Шакиров, Р. Р. (2018). История развития процессов фракционирования углеводородных газов. Вестник Казанского технологического университета, 21(17), 129-134.
2. Матюха, Д. Е. Применение теста Дики-Фуллера при идентификации эмпирических параметров гидравлической модели ГТС / Д. Е. Матюха, А. В. Осташов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2022. – № 2(82). – С. 49-50. – EDN HYDIMU.
3. Андреев, В. В. (2019). Технологии фракционирования углеводородных газов. Москва: Нефть и газ.
4. Кравченко, В. И., & Шмаков, А. А. (2017). Разделение углеводородных смесей. Москва: Нефть и газ.
5. Бердник, А. Н. Повышение эффективности и надежности газотурбинной установки компрессорной станции магистрального газопровода / А. Н. Бердник // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2023. – № 4(86). – С. 17-22. – EDN OOUWML.
6. Опыт эксплуатации установки рекуперации паров конденсационного типа / В. В. Пшенин, Д. О. Нагорнов, В. С. Густов, А. В. Борисов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2023. – № 1(83). – С. 4-9. – EDN DXDMYP.
7. Кузнецова, Е. А. (2017). Современные технологии фракционирования углеводородных газов. Наука и образование сегодня, 10(8), 15-18.
8. Investigation of physical and chemical parameters of the raw hydrocarbon material base of the Kaliningrad region for the concept development of an oil refinery / P. Shcherban, Ya. Masyutin, A. Vatagina [et al.] // Chimica Techno Acta. – 2022. – Vol. 9, No. 4. – P. 20229413. – DOI 10.15826/chimtech.2022.9.4.13. – EDN YVNBST.
9. Белова, М. В. Разработка концепции и экономическое обоснование строительства нефтеперерабатывающего завода в Калининградской области / М. В. Белова, Я. А. Масютин, П. С. Щербань // Западно-Сибирский нефтегазовый конгресс : Материалы Международного научно-технического конгресса студенческого отделения общества инженеров нефтегазовой промышленности Society of Petroleum Engineers (SPE), Тюмень, 06–08 декабря 2023 года. – Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2024. – С. 121-124. – EDN GHDMXJ.