Tehniki fakultet Mihajlo Pupin u Zrenjaninu Industrijsko inenjerstvo

Tehnički fakultet „Mihajlo Pupin“ u Zrenjaninu Industrijsko inženjerstvo u eksploataciji nafte i gasa Tehnika i tehnologija proizvodnje gasa (10) Predavanja: Doc. dr. sc. Radoslav D. Mićić rmicic@beotel. rs 1

Osnovni koncept prerade prirodnog gasa Jednom kada je bušotina bušena i potvrđeno je prisustvo komercijalno održivih količina fosilnih goriva, sledec i korak je, ustvari, lifting prirodnog gasa iz zemlje i obrada za transport. Prirodni gas, kakav postoji pod zemljom, nije potpuno isti kao i prirodni gas koji dolazi kroz cevovode u naše kuc e i preduzec a. Prirodni gas, kako ga koristimo, gotovo je u potpunosti metan.

Međutim, kada pronađemo prirodni gas pod zemljom, dobija se sa različitim ostalim jedinjenjima u tragovima i sa gasovima, kao i naftom i vodom, koji se moraju ukloniti. Prirodni gas koji se transportuje kroz cevovode mora zadovoljiti specifikacije čistoće kako bi se dopustio njegov transport, pa se prirodna prerada gasa odvija u blizini bušotina. Ovaj odeljak opisuje procese nakon preuzimanja sirovog prirodnog gasa iz podzemnih formacija i preradu u gas, spreman za transport.

Prirodni gas, kako ga koriste potrošači, mnogo se razlikuje od prirodnog gasa koji se dovodi od podzemlja do bušotine. Iako je prerada prirodnog gasa u mnogo čemu manje komplikovana od prerade i prerade sirove nafte, to je podjednako neophodno prije korištenja od strane krajnjih korisnika. Prirodni gas koji potrošači koriste gotovo u potpunosti od metana. Međutim, prirodni gas koji se eksploatiše iz gasne bušotine, iako i dalje sastavljen prvenstveno od metana, nikako nije čist.

Sirovi prirodni gas dolazi iz tri vrste bunara: naftnih bušotina, gasnih bušotina i kondenzatnih bušotina. Prirodni gas koji dolazi iz naftnih bušotina bunara obično se naziva "pridruženi gas, kaptažni, masni gas, ili associated gas". Ovaj gas može postojati odvojeno od nafte u formaciji (slobodni gas, free gas) ili rastvoren u nafti (rastvoreni gas, dissolved gas).

Prirodni gas iz gasnih i kondenzatnih bunara, u kojima je mala količina ili uopšte nema nafte, naziva se "nonassociated gas, nekaptažni ili suvi gas". Gasne bušotine obično proizvode samo sirovi prirodni gas, a kondenzacioni izvori proizvode slobodni prirodni gas zajedno sa ugljovodoničnim kondenzatom. Bez obzira na izvor prirodnog gasa, kada se odvoji od sirove nafte (ako je prisutna), uobičajeno postoji u mešavinama sa drugim ugljovodonicima; uglavnom etanom, propanom, butanom i pentanom. Pored toga, sirovi prirodni gas sadrži vodenu paru, vodonik sulfid (H 2 S), ugljen-dioksid, helium, azot i druga jedinjenja.

Sirovi prirodni gas se nakon transporta kroz cevovodnu mrežu za prikupljanje sa polja, mora obraditi pre nego što se može transportovati cevovodnim sistemima na daljinu, do konačnog odredišta i krajnjih potrošača. Cilj prerade gasa je odvajanje: • prirodnog gasa, • kondenzata • ne kondenzabilnih komponenti, • kiselih gasova i • vode Nakon izlaska iz eksploatacione bušotine i vrši se prilagođavanje kvaliteta tog fluida za transport, skladištenje i korišćenje.

Obrada prirodnog gasa sastoji se od razdvajanja svih raznih ugljovodonika i fluida iz čistog prirodnog gasa, kako bi se proizvelo ono što je poznato kao suvi prirodni gas "kvalitet za transport cevovodom". Glavni transportni cevovodi obično namec u ograničenja vezana za sastav prirodnog gasa koji je dozvoljen za transport u cjevovodu. To znači da pre nego što se prirodni gas može transportovati, mora se očistiti. Dok etan, propan, butan i pentani moraju biti uklonjeni iz prirodnog gasa, to ne znači da su svi "otpadni proizvodi".

Povezani ugljovodonici, poznati kao "tečnosti prirodnog gasa" (NGL) mogu biti veoma vredni nusproizvodi prerade prirodnog gasa. NGL uključuju etan, propan, butan, izo-butan i prirodni benzin. Ovi NGL-ovi se prodaju odvojeno i imaju raznovrsnu upotrebu; uključujuc i i: • poboljšanje eksploatacionih uslova u naftnim ležištima, • mogu se koristiti i kao sirovine za rafinerije nafte ili petrohemijske postrojenja i • kao izvori energije.

Obrada gasa vrši se na čitavom nizu procesnih modula, od kojih svaki služi da bi se poboljšala neka od njegovih karakteristika:

Svaki modul sastoji se od jednog komada ili grupe opreme koja obavlja određenu funkciju. Svi prikazani moduli ne moraju biti prisutni na svakom postrojenju za obradu gas. U nekim slučajevima je potrebna manja obrada; međutim, vec ina prirodnih gasova zahteva obradu i opremu za preradu u postrojenjima za preradu gasa, da bi se: – Uklonile nečistoc e; kao što su: voda i tečna ugljovodonična faza – Da bi se dobio pogodan pritisak za isporuku i transport.

Dok se neka od neophodnih obrada može postic i na ili u blizini gasne bušotine (obrada na polju), potpuna obrada prirodnog gasa se odvija u postrojenju za preradu, koja se obično nalazi u regiji za proizvodnju prirodnog gasa. Odvojeni prirodni gas se transportuje u ove postrojenja za preradu kroz mrežu kolektorskih cevovoda, koje su obično cevi sa malim prečnikom. Kompleksni kolektorski sistem može se sastojati od hiljada kilometara cevi, koji povezuju postrojenje za preradu na velikim brojem gasnih bunara u toj oblasti. Prema američkim gasnim udruženjima iz 2000. godine, 1999. godine u Sjedinjenim Državama je procenjeno da se kolektorska mreža sastoji od oko 36. 100 kilometara sistema za prikupljanje gasa sa gasnih bušotina.

Pored obrade obrađene na naftnom polju i u centralizovanim postrojenjima za preradu, neka finalna prerada se ponekad postiže i na "postrojenja za ekstrakciju". Ove fabrike se nalaze na glavnim cevovodnim sistemima. Iako je prirodni gas koji dolazi u ovim proizvodnim postrojenjima za prečišc avanje vec ima kvalitet cevovoda, u nekim slučajevima i dalje postoje male količine NGL-a, koje se ekstrahuju u velikim postrojenjima.

Procesni moduli Stvarna praksa prerade prirodnog gasa na nivo kvaliteta suvog gasa može biti prilično složena, ali obično uključuje četiri glavna procesa za uklanjanje različitih nečistoc a: • uklanjane nafte i kondenzata iz gasa i čvrste supstance • uklanjanje vode iz gasa • separacija težih-tečnih gasnih ugljovodonika, • uklanjanje H 2 S i CO 2 iz gasa.

Prvi jedinični modul je fizičko razdvajanje različitih faza, koje su obično Razdvajanje faze proizvodnih tokova obično se vrši na ulaznom separatoru. Ugljovodonični kondenzat koji se dobija iz prirodnog gasa može se isporučiti bez dalje obrade, ali se obično stabilizuje kako bi se dobila tečnost koja je sigurna za transport. Nestabilni kondenzati sadrže veliki procenat metana i etana, koji c e lako ispariti u rezervoarima za skladištenje. Da bi se obavili gore navedeni procesi, ugrađeni su i grejači i uređaji za pranje gasa (heaters and scrubbers), obično na ili u blizini bušotine.

Scrubberi prvenstveno služe za uklanjanje peska i drugih nečistoc a velikih čestica. Grejači obezbeđuju da temperatura gasa ne pada na niske vrednosti. Sa prirodnim gasom koji sadrži čak i male količine vode, postoji tendencija da se formiraju hidrati prirodnog gasa, sa padom temperature. Ovi hidrati su čvrsta ili polučvrsta jedinjenja, koja liče na kristale leda. Ako se ovi hidrati akumuliraju, mogu ometati prolaz prirodnog gasa kroz ventile i sisteme za prikupljanje. Da bi se smanjio pojavljivanje hidrata, praksa je da se duž cevovoda grade male jedinice za grejanje na prirodni gas, na svim mestima gdje god je verovatno da će se formirati hidrati.

Sledec i korak u obradi prirodnog gasa je tretiranje kiselog gasa. Pored teških ugljovodonika i vodene pare, prirodni gas često sadrži druge zagađivače koji se moraju ukloniti. Ugljen dioksid (CO 2), vodonik sulfid (H 2 S) i ostala jedinjenja koja sadrže sumpor, kao što su merkaptani, su jedinjenja koja zahtevaju potpuno ili delimično uklanjanje. Ova jedinjenja su kolektivno poznata kao "kiselina gasovi. H 2 S kada se kombinuje sa vodom stvara slabu sumpornu kiselinu, dok CO 2 i voda formiraju karbonsku kiselinu, pa se na osnovu toga i uvodi termin "kiselinski gas". Prirodni gas sa H 2 S ili drugim jedinjenjima sumpora se naziva "kiseli gas ", dok se gas sa prisustvom, samo, CO 2 naziva "slatki".

I H 2 S i CO 2 su veoma nepoželjni, jer izazivaju koroziju i predstavljaju veliki bezbednosni rizik. Da bi se izvršilo prečišćavanje prirodnog gasa, potrebno je obezbediti dovoljan pritisak za napajanje postrojenja prirodnim gasom. U zavisnosti od pritiska na ulazu u postrojenja, pa je sledec i korak u obradi, obično, dovodna kompresija na "međustepeni" pritisak 300 -400 psig ili kontrolu tačke rosišta i izdvajanje tečne faze iz prirodnog gasa.

Uklanjanje nafte i kondenzata Prirodni gas koji dolazi direktno iz bunara sadrži mnoštvo prirodnih gasnih tečnosti koje se često uklanjaju. U vec ini slučajeva, tečnosti prirodnog gasa (NGL) imaju vec u vrednost kao odvojeni proizvodi i stoga je ekonomično ukloniti ih iz struje gasa. Uklanjanje tečnosti prirodnog gasa obično se odvija u relativno centralizovanoj postrojenju za preradu i koriste se tehnike slične onima koje se koriste za dehidriranje prirodnog gasa.

U cilju obrade i transporta kaptažnog rastvorenog prirodnog gasa (associated dissolved natural gas), on se mora se odvojiti od nafte u kojoj je rastvoren. Ovo odvajanje prirodnog gasa iz nafte najčešc e se vrši korišc enjem opreme instalirane na ili blizu naftne bušotine. Proces koji se koristi za odvajanje nafte od prirodnog gasa, kao i opreme koja se koristi, može se znatno razlikovati. Iako je prirodni gas kvalitetom suvog cjevovoda praktično identičan u različitim geografskim područjima, sirovi prirodni gas iz različitih regija može imati različite sastave i zahteve za odvajanje.

U mnogim slučajevima, prirodni gas se rastvara u podzemnoj nafti prvenstveno zbog pritiska koji vlada u formaciji. Kada se proizvodi prirodni gas i nafta, moguc e je da se razdvoje, jednostavno zbog smanjenog pritiska. U ovim slučajevima, odvajanje nafte i gasa je relativno lako, a dva ugljovodonična toka, gasoviti i tečni, šalju na odvojene načine za dalju obradu. Postoje dva osnovna postupka za tretman prirodnog gasa; 1. Izdvajanje tečnosti iz prirodnog gasa i 2. Postupak izdvajanja gasa iz tečnosti.

Konvencionalni separator Najosnovniji tip separatora poznat je kao konvencionalni separator. Sastoji se od jednostavnog zatvorenog rezervoara, gde sila gravitacije služi za odvajanje teže tečnosti poput nafte i lakših gasova, poput prirodnog gasa. U određenim slučajevima, za odvajanje nafte i prirodnog gasa neophodna je specijalna oprema. Primer ove vrste opreme je Niskotemperaturni separator (LTX, Low-Temperature Separator).

On se najčešc e koristi za bunare kod kojih se proizvodi gas visokog pritiska, zajedno sa laganim sirovim naftom ili kondenzatom. Ovi separatori koriste razliku pritiska kako bi se ohladio vlažni prirodni gas i razdvojio od nafte i kondenzata. Postoje stotine različitih konfiguracija opreme za odvajanje kondenzata prirodnog gasa iz sirovog prirodnog gasa. Shematski dijagram toka sa prikazuje samo jednu od moguc ih konfiguracija.

Vlažni gas ulazi u separator, malo se ohladi izmenjivačem toplote. Gas zatim putuje kroz tečnost "knockout" pod visokim pritiskom, koja služi za uklanjanje tečnosti, pa zatim nastavlja tok u nisko-temperaturni separator. Gas koji ulazi u ovaj niskotemperaturni separator pomoc u prigušnice ekspandira gas dok ulazi u separator. Ova brza ekspanzija gasa omoguc ava snižavanje temperature u separatoru. Nakon uklanjanja tečnosti, suvi gas se zatim vrac a kroz izmenjivač toplote i zagreva se od dolaznog mokrog gasa. Promenom pritiska gasa u različitim dijelovima separatora, moguc e je varirati temperaturu, što dovodi do kondenzacije nafte i vode iz vlažnog gasa. Ova osnovna veza između pritiska i temperature može raditi i obratno, kako bi se gas iz tečne faze izdvojio.

Složenija konstrukcija za separaciju gasa i tečne faze, radi na istom principu, ali se kod ove konstrukcije, zahvaljujući pritisku i temperaturi izdvaja gas iz tečne faze. Sirova, sirovi prirodni gas iz bunara za gas ili grupe bunara se ohladi da bi mu se temperatura spustila ispod svoje ugljovodonične tačke rose (hydrocarbon dew point )na pritisku sirovine. Ovo kondenzuje veliki deo gasnih kondenzatnih ugljovodonika.

Smešavine gasova, tečnog kondenzata i vode se zatim usmerava u separator sa visokim pritiskom gde se voda i sirovi prirodni gas odvojaju. Sirovi prirodni gas iz separatora visokog pritiska se šalje na glavni gasni kompresor, i odvodi cevovodom prema postrojenju za procesiranje gasa. Voda se izdvaja iz ’’čizme’’, a gasni kondenzat šalje u separator niskog pritiska.

Gasni kondenzat iz separatora visokog pritiska protiče kroz kontrolni ventil za prigušenje u separator niskog pritiska. Smanjenje pritiska preko regulacionog ventila prouzrokuje da se kondenzat podvrgne delimičnoj isparenju koja se naziva flash vaporizacija. Sirovi prirodni gas iz separatora niskog pritiska se šalje u "pojačivač, buster" kompresor koji povec ava pritisak gasa i šalje ga kroz hladnjak, a zatim u glavni gasni kompresor.

Glavni gasni kompresor podiže pritisak gasova od separatora visokog i niskog pritiska do bilo kog pritiska koji je potreban za transport cjevovoda gasom do postrojenja za preradu sirovog prirodnog gasa. Pritisak pražnjenja glavnog gasnog kompresora zavisic e od udaljenosti do postrojenja za preradu sirovog prirodnog gasa i može zahtevati višestepeni kompresor. Voda uklonjena iz separatora visokog i niskog pritiska možda c e se morati obraditi da bi se uklonio vodonik sulfid (H 2 S) pre nego što se voda može odložiti pod zemljom ili se ponovo koristiti na neki način. Neki od sirovih prirodnih gasova mogu se ponovno ubrizgati u proizvodnu formaciju kako bi se održao pritisak rezervoara ili se šalju na skladištenje, a nakon akumulacije transportuju cevovodima.

Stabilizacija kondenzata Proces povec anja količine intermedijara (C 3 do C 5) i teških (C+6) komponenti u kondenzatu naziva se "stabilizacija kondenzata. " Drugim rečima, obim ovog procesa je da se razdvoje vrlo lake ugljovodonične gasove, metan i etana, posebno, iz težih ugljovodonični komponenti (C+3). Stabilizacija kondenzatnih tokova može se postic i i kroz flash isparavanjem ili frakcionisanjem.

Flash isparavanje Stabilizacija flash isparavanjem je jednostavan postupak, koja koristi samo dva ili tri flash tanka. Ovaj proces je sličan odvajanju kod stepenaste separacije korišc enjem principa ravnoteže između parne faze i kondenzata. Ravnotežno isparavanje (Equilibrium vaporization) vrši se kada se uspostavi fazna ravnoteža između parne faze i kondenzata na temperaturi i pritisku razdvajanja. Slika 6. 4 prikazuje tipičnu šemu stabilizacije kondenzata postupkom flash isparavanja.

Kondenzat iz ulaznog separatora, nakon prolaska kroz izmjenjivač, ulazi u fleksibilni rezervoar visokog pritiska (HP), gdje se pritisak održava na 600 psia. Ovde se dobija pad pritiska od 300 psia, što pomaže da se ispari veliki deo lakših ugljovodonika koji se spajaju sa kiselim parnim tokom nakon rekompresije. Pare se mogu dalje preraditi, ’’slađenjem’’, i staviti u promet, kao komercijalni gas ili se reciklirati u naftno ležište i koristiti kao gas-lift za stimulaciju povećanja proizvodnje sirove nafte. Sa dna rezervoara tečnost iz rezervoara HP, pod visokim pritiskom prelazi u rezervoar srednjeg pritiska (MP) koji radi na 300 psia. Dodatni metan i etan se ispuštaju iz ovog rezervoara. Tečni fluid sa dna rezervoara prelazi u rezervoar sa niskim pritiskom (LP) koji radi na 65 psia.

Da bi se osiguralo efikasno odvajanje, kondenzat se degasira u striperu kondenzata, da bi se dobio što niži mogući pritisak pre skladištenja. Ovo smanjuje višak otparavanja kondenzata u rezervoaru i smanjuje potrebni pritisak inertnog gasa. Isparenje gasne faze (flash vaporization) je stara tehnologija stabilizacije kondenzata i ne koristi se u savremenoj postrojenju za gas. Međutim, varijacije fleš tehnologije mogu se još uvek nac i i na objektima za proizvodnju nafte, na kojima se ovom tehnologijom stabilizuje sirova nafta.

Stabilizacija frakcionisanjem Stabilizacija frakcioniranjem je specifičan proces, veoma popularan u industriji, jer se njime mogu dobiti, dovoljno precizno, tečnosti odgovarajuc eg napona pare. U toku postupka stabilizacije frakcionisanjem, se uklanjaju neželjene komponente (ugljovodonici sa niskom tačkom ključanja i vodonik-sulfidni gas). Završni proizvod sa dna kolone je uglavnom sastavljen od pentana i težih ugljovodonika, sa malim količinama butana. Proces pravi ’’rez’’ između najlakše tečne komponente (pentan) i najteže gasne komponente (butan).

Proizvod koji se dobija na dnu kolone je, tečnost bez svih gasnih komponenti, koja se može bezbedno skladištiti pri atmosferskom pritisku. Stabilizacija frakcioniranjem je moderniji proces, koji je ekonomski atraktivniji u odnosu na flash isparavanje. To je proces sa jednom kolonom, jer je potreban samo jedan specifikacijski proizvod, određene specifikacije. Sa dna kolone može da se dobije proizvod koji može da ispuni sve specifične zahteve, samo, pravilno odabranim uslovima rada.

Tečni ugljovodonici (kondenzat) dovode se u sistem iz ulaznog separatora i predgrevaju se izmjenjivačem sirovina/dno stabilizatora. Nakon toga se kondenzat dogreva u drugom stepenu parnim izmenjivačem, pre ulaska u napojnu posudu stabilizatora. U napojnoj posudi stabilizatora je pritisak malo iznad pritiska u stabilizacionoj koloni. Ovaj pad pritiska između napojne posude i stabilizatora omogućuje otparavanje u koloni, koja može imati mali prečnik.

Tečnost se iz napojne posude dovodi u kolonu za stabilizaciju na pritisku od približno 50 do 200 psi. U zavisnosti od ’’kiselosti’’ gasa bira se pritisak stabilizacije. Stabilizacija kiselog gasa (H 2 S i CO 2) vrši se na donjem kraju opsega i stabilizacija čistog ’’slatkog’’ gasa na gornjem kraju opsega. Stabilizator kondenzata smanjuje napon pare kondenzata uklanjanjem lakših komponenti. Stabilizacija obično se vrši u stabilizator-koloni-reboiled absorber sa podovima (tray-type internals) i sa zagrevanjem dna (reboiled). Međutim, ako je potrebno bolje razdvajanje, obično se menja kolona sa apsorberom sa vršnim rebojlerisanjem (top-feed reboiled), ili destilacionom kolonom sa refluksom.

Tečnost koja pada na dno kolone, postaje siromišna u lakim komponentama i bogatija je teški krajevi. Na dnu kolone, cirkuliše se deo tečnosti kroz reboiler da bi se dodala toplota u kolonu. Dok se gas kreće ’’prema gore’’ i prolazi kroz podove, prema dnu kolone se kreće težatečna faza, iz nje se stripuje gas, koji postaje sve bogatiji težim komponentama. Na taj način se sve više gasa uklanja iz tečne faze, pa gas postaje bogatiji lakim komponentama i siromašniji teškim.

Gas koji se dobija sa vrha stabilizera, i koji dostiže potrebne tržišne specifikacije prirodnog gasa, šalju se u gasni sistem niskog pritiska, preko nepovratnog ventila, koji održava na zadatoj vrednosti pritiska. Tečnosti koja napušta dno kolone, i koja je pretrpela čitav niz otparavanja na podovima, na sve višim temperaturama, kako se uklonile lake komponente mora se ohladiti na dovoljno nisku temperaturu kako bi se sprečila isparenja, u atmosferu, u rezervoaru za skladištenje kondenzata.

Vec ina postrojenja za preradu gasa primenjuju naprednu kontrolu procesa (APC) na svojim sistemima za proizvodnju kondenzata kako bi maksimizirao prinos kondenzata, poboljšala stabilnost procesa stabilizacije kondenzata, i na taj način osiguralo da se ograničenja kvaliteta proizvoda poštuju u svakom trenutku. Međutim, najčešc e, glavni razlog za implementaciju APC-a na ovoj jedinici je da se dobije proizvod takvog kvaliteta koji zahtevaju dobavljači gasa. Njihov zahtev je da komercijalni kondenzat ima određeni napon para po Reidu (RVP) koji je odredio kupac. U ovom slučaju, APC sistem koristi sistem distribuiranog upravljanja radi održavanja RVP u što bliže gornjoj granici specifikacije kvaliteta, čime povećava količinu i profit, kroz povećanje količine kondenzata.

• Nelinearni koncepti kontrole nivoa na napojnoj posudi omogućava ravnomerni unutrašnji protok kroz stabilizator. Ovo omoguc ava da se napojna posuda zaista koristi kao regulaciona posuda količine napajanja sirovinom. Brzina napajanja (feed rate) stabilizatora se ne menja ako je nivo u napojnoj posudi u zadanom opsegu nivoa. Kako se nivo približava granici opsega, tok se postepeno menja, a ukoliko nivo izađe iz opsega, onda se feed rate se pomera agresivnije. • Prediktivni (intuitivni) modeli mogu se koristiti za predviđanje efekata napoja sirovinom (feed rate) i efekte vezane za sastav sirovina na sastav donjeg iscrpka.

• Poboljšanje kontrole kvaliteta proizvoda može se kontrolisati i na osnovu inferencijalnih svojstva za RVP donjeg iscrpka. Inferencijala svojstva se zasnivaju na teoriji verovatnoće da će se dobiti željeni kvalitet na osnovu informacija vezanih za ravnotežne parametre na podovima, sa senzitivnim temperaturama, kod kojih je uračunata i kompenzacija pritiska (PCT). Alternativno, najosetljivija temperatura podova ili PCT može biti u kaskadnoj vezi sa protokom toplotne energije na reboiler, grejanjem rebojlera.

• Efikasnost razdvajanja se poboljšava ukoliko se pritisak u koloni smanjuje. Ovim se mogu smanjiti zahtevi za toplotom za ponovno zagrevanje, na rebojleru, ukoliko se želi bolje razdvajanje između lakih i teških komponenti u koloni. Pritisak se može smanjiti u zavisnosti od maksimalnog otvaranja regulacijonog ventila pritiska, ili ’’ventiliranja’’ kolone, na osnovu merenja, diferencijalnog pritiska vrha kolone i sistema loživog gasa. Kolona je podložnija ’’plavljenju’’ podova, ukoliko su niži pritisci.

• Ako se koristi kompresor (overhead compressor) kojim se komprimuje izlaz gasa iznad pritiska koji vlada u sistemu loživog gasa, onda se pritisak u koloni može spustiti i na niži nivo. • U tom slučaju pritisak zavisi od toga da li je količina gasa dovoljna za maksimalan kapacitet kompresora ukoliko je u pitanju centrifugalni kompresor, ili za ograničenja vezana za hod kompresora ukoliko je u pitanju recipročni (klipni) kompresor.

Konstrukcije kolone za stabilizaciju Postrojenja za stabilizaciju kondenzata sa ulaskom hladne sirovine U vec ini slučajeva, stabilizaciona kolona c e raditi kao a nerefluksirana kolona. Ova vrsta operacije je jednostavna ali je manje efikasna nego kod kolona sa refluksom. Kod kolona bez refluksa nije potreban spoljni izvor hlađenja, pa se one posebno primjenjuju na udaljenim lokacijama.

Tipičan sistem za stabilizaciju sa ulazom hladne sirovine prikazan je na slici 6. 8. Sirova se uvodi u separator visokog pritiska koji radi na 1000 psig (7000 k. Pa). U ovom separatoru, vec ina vrlo laganih komponenti, kao što je metan, se uklanja bez značajnog gubitka teških komponenti, dok se velika količina vode takođe uklanja iz sirove materije. Kondenzat-tečna faza se nakon toga uvodi u stabilizator kolonu, koja bi trebalo da radi ispod 200 psig (1400 k. Pa). Stabilizator je konvencionalna destilaciona kolona sa reboilerom, ali bez kondenzatora.

Nedostatak kondenzatora na vrhu znači da ne postoji refluks tečnosti na vrhu kolone. Zbog toga se sirovina uvodi na gornje podove i mora da obezbedi svu hladnu tečnu fazu za kolonu. S obzirom na to da je ulaz sirovine na gornje podove, važno je minimizirati isparavanje sirovine, da se teške komponente ne gube na vrhu kolone. Ponekad je u ovoj konstrukciji uključen i hladnjak na dovodu sirovine kako bi se smanjila temperatura dovoda i smanjilo otparavanje.

Donji proizvod iz stabilizatora se odvodi na skladištenje. Stabilizator treba da uključi hladnjak proizvoda kako bi se hladio izlaz donjeg proizvoda i sprečilo otparavanje tečnosti, pošto je pritisak spušten do pritiska skladištenja. U zavisnosti od radnog pritiska, donja temperatura c e se kretati od 90 do 200 o. C (200 -400 o. F). Gas (The overhead gas) sa vrha kolone se može koristiti kao gorivo ili komprimovan i uveden u gasnu struju gasa za distribuciju i prodaju.

Sva voda koja ulazi u kolonu sa dovodnom strujom prikupljac e se u sredini kolone zbog opsega radnih temperatura. Ova voda se ne može ostaviti sa donjim proizvodom ili sa gornjim strimovima; pa stoga, treba odrediti režim rada, kojim se omogućuje uklanjanje ove vode iz kolone u blizini sredine kolone. Grejanje sirovine u koloni deluje kao demulsifier za uklanjanje vode iz sirove. Sposobnost dobre separacije vode u stabilizatoru, obično, eliminiše potrebu za sistemom dehidracije sirovine.

Postrojenja za stabilizaciju kondenzata sa refluksom Tipičan sistem stabilizacije kondenzata sa refluksom i izmenjivačem toplote sirovine/dna je shematski prikazan na slici 7. 9. U ovoj aplikaciji se gornja temperatura kolone kontroliše hlađenjem i kondenzacijom dela ugljovodoničnih para koja napuštaju kolonu i pumpaju nastale tečnosti, kondenzacijom, natrag do kolone. Ovaj povratni tok se zove refluks. Ovo zamenjuje hladnu sirovinu kod predhodnog stabilizatora i omoguc ava bolju kontrolu vršnog proizvoda, i time, posledično, daje nešto vec e prinose težih, tečnih ugljovodonika.

Pošto kondenzator refluksa obezbeđuje hlađenje vrha stabilizatora, hladna sirovina nije potrebna. Kao što je prikazano, sirovina koja ulazi u stabilizator se zagreva izmenom toplote sa donjim proizvodom stabilizatora (protov strujni izmenjivač sirovina/dno kolone). Voda se sada unosi u srednji deo stabilizatora. Principi rada stabilizatora su isti kao i prethodno razmatrani. Detaljan izbor sistema stabilizatora zahteva ekonomsko opravdanje. Ovaj izbor najbolje može da uradi inženjer koji je upoznat sa dizajnom sistema stabilizacije sirovine.

Dodatni troškovi opreme jedne šeme moraju se proceniti u odnosu na potencijalno vec i prinos kondenzata. Toplotni bilans kolone i dodatne opreme je deo dizajna. Toplota napušta kolonu, sa vrha, u formi isparenja, a tečni donji proizvod mora biti u toplotnoj ravnoteži toplotom koja se unosi sirovinom i reboilerom, ako kolona ima refluks, ova količina toplote mora biti dodata u bilans kolone. Pravilno dizajnirani i upravljani stabilizator može da zadovolji željeni napon pare kondenzata i da dovede do superiornijeg prinosa proizvoda od karakteristika tipičnog višestepenog separatorskog sistema, ali c e početni troškovi ulaganja i rada stabilizatora biti vec i.

Ključne komponente Napon pare, sam, ne defiše lakoću odvajanja komponenti iz tečnih smeša, jer na napon pare svake komponente utiče sastav tečne smeše. Količnik napona pare jedne čiste komponente i druge komponente na istoj temperaturi je direktna mera lakoc e odvajanja ove dve komponente. Ovaj odnos napona para čistih komponenti se naziva "relativna volatilnost (isparljivost)" dve komponente. Relativne volatilnosti sličnih komponenti obično se malo razlikuju sa temperaturom.

Buduc i da relativne volatilnosti ukazuju na lakoc u odvajanja dve komponente, one su takođe procentni udeli svake komponente koja c e se razdvojiti u parno stanje. Zbog toga odabir određene komponente i dizajniranje sistema koji stvara specifično odvajanje između para i tečnosti za ovu komponentu utvrđuje stepen razdvajanja za svaku komponentu u smeši. Ovo c e odrediti sastave gornjih i donjih tokova. Ključne komponente u destilaciji multi-komponentnih sistema su one čije su relativne volatilnosti takve da određuju razdvajanje komponente u parnu i tečnu fazu.

Ove komponente se pojavljuju kako u pari, tako i u tečnim fazama dok se druge komponente pojavljuju uglavnom u jednoj ili drugoj fazi. Ključna komponenta koja se uglavnom pojavljuje u parnoj fazi pare naziva se "laka ključna komponenta" (light key), dok se ključna komponenta u tečnoj fazi naziva "teška ključna komponenta" (heavy key). Sve ostale komponente nazivaju se "ne-ključne". Za stabilizatore sirovine, pogodno je da se za "teške ključne komponente" koriste normalni butan (n-C 4) ili izo-pentana (i -C 5), a kao "lake ključne komponente" propan (C 3) ili izobutan (i-C 4).

Napon pare po Reid-u Napon pare po Raidu (RVP) je parametar koji se, ponekad, specificira kod trgovine sirove nafte, pogotovo, ako se ona transportuje tankerom ili kamionskim prevozom, pre nego što stigne do postrojenja za preradu. Kupci zahtevaju što niže RVP-ove tako da ne plac aju lake komponente u tečnosti, koje će se izgubiti-isparitio zbog vremenskih uticaja. RVP se koristi za karakterizaciju volatilnosti benzinski frakcija i sirove nafte. RVP mešavina se određuje eksperimentalno prema postupku koji je standardizovao Američko društvo za ispitivanje materijala (the American Society for Testing Materials) na 100 o. F (37. 8 o. C).

Uzorak se stavlja u kontejner tako da je odnos zapremine pare prema zapremini tečnosti od 4 do 1. Apsolutni pritisak na 100 o. F (37. 8 o. C) u kontejneru je RVP za smešu. Pošto je deo tečnosti uparen da bi se ispunio prostor pare, tečnost je izgubila neke od lakših komponenti. Ovo efikasno menja sastav tečnosti i time daje nešto niži napon pare u odnosu na stvaran napon pare tečnosti u njegovom originalnom sastavu. RVP mešavine je, onda, nešto niži od stvarnog pritiska pare mešavine na 100 o. F (37. 8 o. C). GPSA (empirijske kalkulacije date u gpsa engineering data book-) daju vrednosti koje su približne pravim naponima pare za benzinske komponente i sirovu naftu iz njihovog RVP na različitim temperaturama.

• Uprkos nepreciznosti RVP merenja, ove metode se koriste za specifikaciju ograničenja volatilnosti za sirove naftu u ugovorima o prodaji. Sistemi za stabilizaciju sirovina mogu se projektovati tako da zadovoljavaju zahtjeve RVP jer je RVP mešavine uvek manji od stvarnog pritiska pare na 100 o. F (37. 8 o. C). Prema tome, odvajanje u stabilizatoru treba da se projektuje tako da se dobije mešavina sa istinskim naponom pare na 100 o. F (37. 8 o. C) jednaku zahtevanom RVP. Ovo c e dati donji proizvod sa RVP nešto ispod potrebnog RVP. Tipični zahtevi RVP kod prodaje sirove nafte krec u se od 10 do 12 psi (70 do 82 k. Pa) RVP.

Prinos komponenti Kada RVP nije specificiran, onda se može odrediti određena podela komponenti. Specifične specifikacije se primenjuju iz različitih razloga: 1. Procenat teških ključnih komponenti u tečnoj fazi 2. Maksimalan procenat lakih ključnih komponenti u tečnoj fazi 3. Maksimalan procenat teških ključnih komponenti u gasu Specifikacijom 1 se može kontrolisati proces kako bi postigla najekonomičniju podelu između gasa i tečnosti. Specifikacija 2 ograničava količinu izgubljenih lakih gasnih komponenti i ograničava napon para tečne faze. Specifikacija 3 ograničava količinu teških komponenti izgubljenih u gasu i ograničava kalorijsku vrednost gasa.

Ograničenja kolone Constraints U vec ini slučajeva kada se koristi kolona za stabilizaciju sirovine, proces i sastav proizvoda, kontrolisani su postavljanjem ograničenja na određene uslove rada u koloni. Na primer, da dobijete produkta sa navedenim RVP, određeni su pritisak i temperatura dna. Slično tome, da bi se dobila određena, maksimalna količina, teških ključnih komponenti u gasu, moraju biti određeni pritisak i temperatura vrha kolone.

Opis opreme za stabilizaciju Stabilizer kolona Stabilizator kolona je frakcionator (fractionation tower), koji koristi podove ili strukturno pakovanje, kao što je prikazano na slici. Podovi, strukturisano pakovanje ili kombinovano pakovanje, koriste u koloni za direktni kontakt između para i tečne faze, dozvoljavajuc i prenos mase i toplote iz jedne faze u drugu.

Pakovanje sa nasumično orijentisanom ispunom (npr. Rashigovi prstenovi) se obično koristi u kolonama malih prečnika [manje od 50 cm (20 in. )], zbog poteškoća u montiranju bubble caps u ovim kolonama. Stabilizatori mogu imati od 5 do 50 podova, ali najčešc e je od 10 do 12 podova dovoljno.

• Ulaz sirovine u kolonu, obično, ulazi u kolonu u blizini vrha, kod stabilizatora sa ulazom hladne sirovine, a u u kolonama sa refluksom na, ili u blizini poda gde uslovi kolone i sastav sirovine najslabije odgovaraju karakteristikama ulazne sirovine. • Tečna faza preko prelivnih cevi (the down-comer) pada kroz pod na dole, do sledećeg poda. • Temperatura na svakom podu se povec ava kako se tečnosti pada sa poda na pod. • Vruc i gasovi dolaze do vrha kolone u obliku mehurova kroz tečnost na podu iznad, gde se neki teži ugljovodonici iz gasa kondenzuju, a neki od lakši ugljovodonici iz tečnosti isparavaju. • Gas postaje sve siromašniji i siromašniji teškim ugljovodonicima dok se krec e prema vrhu, a padajuc a tečnost postaje sve bogatija i bogatija u težim ugljovodoničnim komponentama.

• Pare koje napuštaju vrh kolone sadrže minimalnu količinu teških ugljovodonika, a tečnost koja izlazi sa dna kolone sadrži minimalne količine lakih ugljovodonika. • Stabilizator kolona normalno radi pod pritiskom od 100 -200 psig (700 - 1400 k. Pa). • Proračuni za dizajna procesa za stabilizatore su veoma složeni i obično se ne vrše ručno. Kompjuterski programi za simulaciju višekompaktne destilaciju mogu se koristiti i za modeliranje rada stabilizatora. Ovi programi mogu pomoc i u određivanju broja potrebnih podova, unutrašnjih protoka, od poda do poda, radnih temperatura, radnih pritisaka, sastava proizvoda i toplotnih bilansa. • Brzina ovih programa omoguc ava dizajneru da brzo ispita promene u temperaturi ulazne sirovine, stabilizaciji hladne sirovine u odnosu na refluks, broj podova itd. I pomoću toga da dođe do ekonomski najoptimalnijeg dizajna.

Stabilizator Reboiler • Reboiler za stabilizaciju greje donji proizvod iz kolone kao i u drugim procesima destilacije. Reboiler je izvor toplote koja se koristi za stvaranje para u stabilizatoru. • Kada kontrolišemo ulaz toplote sa reboiler-om, može se kontrolisati tačka ključanja donjeg produkta. Zajedno sa radnim pritiskom stabilizatora, ovim se kontroliše napon pare donjeg produkta. • Reboiler može biti ili kotlovski ili termosifonskog tipa (kettle-type or a thermosiphon-type).

• Tipično, temperature reboiler-a se krec u od 200 -400 o. F (90200 o. C) u zavisnosti od radnog pritiska, sastava donjeg produkta i zahteva za naponom para. • Temperature reboiler-a trebalo bi da budu na minimumu, kako bi se smanjile potrebe za toplotom, ograničilo povec anje količine soli i sprečili problemi sa korozijom. • Kada se operativni pritisak stabilizatora održava ispod 100 psig (700 k. Pa), temperature reboiler-a c e normalno biti ispod 300 o. F (150 o. C). • Kao medijum za grejanje može se koristiti voda-glikol. • Kako, viši radni pritisci stabilizatora, snižavaju isparavanje sirovine koja ulazi u kolonu, smanjuje se uticaj feed-a na ulazu u kolonu, što smanjuje potrebnu za podhlađivanjem ulazne sirovine.

• Generalno, stabilizatori treba da bude projektovani da rade na pritisku između 100 i 200 psig (700 i 1400 k. Pa). • Izbor izvora toplote stabilizatora zavisi od grejnog medijuma i radnog pritiska kolone. Izvor toplote reboiler-a treba uzeti u obzir kada se procenjuje stabilizator. • Ako su u blizini instalirani turbinski generatori ili kompresori, treba uzeti u obzir rekuperaciju otpadne toplote. • Pored toga, potrebno je ispitati i mogućnost upotrebe peći, sa sistemom grejanja otvorenim plamenom-brenerima (fired heaters). • Svi ovi faktori se moraju uzeti u obzir prilikom projektovanja sistema za stabilizaciju.

Hladnjak produkta dna stabilizacione kolone (Stabilizator Bottom Product Cooler) • Hladnjak donjeg proizvoda iz stabilizacione kolone koristi se za hlađenje donjeg proizvoda koji napušta kolonu pre nego što ode do rezervoara ili cevovoda. • Normalno, donji proizvod c e se hladiti sa radne temperature od 150 -200 o. C (300 -400 o. F) do 40 -50 o. C (100 -120 o. F). • Temperatura donjeg proizvoda se određuje na osnovu želje krajnjeg korisnika, ili na osnovu potrebe da se spreči gubitak proizvoda otparavanjem iz atmosferskog skladišnog rezervoara. • Hladnjak može biti vazdušni hladnjak-ventilator, ili izmenjivač sa cevnim snopom i plaštom (shell-and-tube exchanger), koji se često koristi kada postoji još jedan sistem koji treba zagrejati. Za stabilizator sa sistemom refluksa, donji proizvod se može hladiti izmenom toplote sa ulaznim tokom na stabilizator.

Refluks system stabilizatora (Stabilizer Reflux System) Refluks sistem stabilizatora sastoji se od kondenzatora refluksa, akumulacione posude-vršne posude refluksa i refluks pumpi. Sistem je dizajniran da radi na temperaturi potrebnoj da kondenzuje deo pare koja izlazi na vrhu stabilizatora. Opseg temperature se može odrediti izračunavanjem temperature rosišta pare vrha kolone. Potrebna toplota određena količinom potrebnog refluksa. Izbor vrste izmjenjivača kondenzatora refluksa zavisi od projektne temperature potrebne za kondenzaciju refluksa. Što je manji radni pritisak stabilizatora, niža je temperatura potrebna za kondenzaciju refluksa. U vec ini instalacija se mogu koristiti izmjenjivači sa vazdušnim hlađenjem. U nekim slučajevima hlađenje se može vršiti i izmenjivačima sa cevnim snopom i plaštom (shell-and-tube-type).

• Akumulator refluksa je dvofazni separator sa retencionim vremenom (vremenom zadržavanja) od nekoliko minuta kako bi se omoguc ilo odvajanje para i tečnosti. • Akumulator refluksa se obično nalazi ispod refluksnog kondenzatora, sa nagnutim cevima od kondenzatora do akumulatora. • Akumulator refluksa mora biti postavljen iznad refluks pumpi kako bi se obezbedio potreban minimalni pritisak na ulazu u pumpu (net positive suction head, NPSH). • Veličina refluksnog akumulatora zavisi od količine potrebnog refluksa i ukupne količine pare koje napuštaju kulu.

Refluksne pumpe su dimenzionisane da pumpaju potrebni refluks od refluksnog akumulatora nazad do vrha stabilizatora. Obično su ove pumpe dizajnirane sa delta pritiskom od 50 psi (340 k. Pa). U zavisnosti od brzine cirkulacije refluksa, mogu se ugraditi dve pumpe sa 100% potrebnog kapaciteta, ili tri 50% pumpe. Ovo omoguc ava ili rezervnu pumpu od 100% kapaciteta ili 50% rezervnu pumpu.

Hladnjak sirovine stabilizatora (Stabilizer Feed Cooler) • Za stabilizatore sa ulazom hladne sirovine potreban je hladnjak za dovodnom toku. Kalkulacijom se utvrđuje kolika je potrebna temperatura ulazne struje i toplotni kapacitet izmenjivača. Ovaj izmenjivač je najčešće izmenjivač sa cevnim snopom i plaštom (shell-and-tube type), sa nekom vrstom rashladnog medijuma koji je potreban da bi se sirovina dovoljno rashladila. • Izbor opreme i odluka o tome da li će se koristiti kolone sa ulazom hladne sirovine, ili sa refluksom zavisi od više faktora. • Dostupnost izvora toplote za rebojler i tokove za hlađenje sistema utiče na konačnu odluku. Kao i obično, glavni faktori su ekonomski; vezani za prinos proizvoda, kapitalne investicije i operativne troškove.

Grejač sirovine za stabilizer (Stabilizer Feed Heater) Za stabilizatore sa sistemom refluksa potrebno je grejanje ulaznog toka. Ukoliko se koristi grejač za grejanje, uobičajeno je to izmenjivač sa cevnim snopom i plaštom (a shell-and-tube type), u kome se razmenjuje toplota između hladne sirovine i toplog donjeg izlaznog toka proizvoda, koji se hladi pre odlaska u skladište.