Низкотемпературная конденсация

Процесснизкотемпературной конденсации начал развиваться в 1960-е годы, когда повысился спрос на этан – важное сырье для ряда нефтехимических процессов. Это потребовало перейти на низкие температуры охлаждения газа для увеличения степени извлечения из него этана (и соответственно - более тяжелых углеводородов). Это, в свою очередь, позволило наряду с эффектом дросселирования применять искусственное охлаж­дение с использованием пропанового холода (для охлаждения до -70°С) или каскадного холодильного пропан-этанового цик­ла, с помощью которого стало возможным извлечь из газа 85 -87% этана, почти полностью (99%) - пропан и 100% всех остальных углеводородов.

В процессе низкотемпературной конденсации охлаждение продолжают до заданной степени конденсации газовой фазы, которая определяется необходимой глубиной извлечения целевых компонентов. Для этого задают конечную температуру процесса охлаждения. Эта температура достигается путем подвода расчетного количества холода.

Для того, чтобы задаться конечной температурой охлаждения газового потока, необходимо определить температуры фазовых переходов при выбранных значениях давления. Для индивидуального вещества существует критическая точка, которой соответствуют критические температура Ткр и давление Ркр. Это максимальные значения температуры и давления, при ко­торых еще возможно существование двух фаз. При температуре выше критической существует только одно фазовое состоя­ние, и никакими сочетаниями других параметров перевести его в двухфазное состояние невозможно. Следовательно, процессы частичного или полного сжижения однокомпонентного газа можно осуществить только после предварительного охлаждения газа до температуры ниже критической.

На практике чаще приходится иметь дело с многокомпонентными газовыми смесями, в которых критические области наблюдаются в широком диапазоне параметров в зависимости от состава.

Если процесс конденсации осуществляется при давлении и температуре ниже критических значений компонентов, кото­рые подлежат конденсации, то одновременно с конденсацией этих компонентов имеет место частичная конденсация даже тех компонентов, у которых критическая температура ниже, чем температура смеси. Это обусловлено тем, что углеводородные газы способны растворяться в углеводородных жидкостях. На­пример, смесь, состоящая из метана (молярная доля 10 %) и пропана (молярная доля 90 %), может быть полностью сконденсирована при охлаждении газовой смеси до 10ºС при давлении 2,0 МПа. Таким образом, метан, критическая температура которого Ткр = -82ºС, в присутствии пропана превра­щается в жидкость при температуре существенно выше критической.

Растворение газа в жидкости, так же как и конденсация, сопровождается выделением тепла. Значение тепла растворения незначительно отличается от значения тепла конденсации. По мере снижения температуры увеличивается количество образовавшейся жидкости и изменяется ее состав: жидкость обогащается легколетучими компонентами. Одновременно легколетучими компонентами обогащается и паровая фаза по мере конденсации тяжелых компонентов. При дальней­шем охлаждении смеси этот процесс будет продолжаться до полной конденсации паровой фазы. Поэтому в процессах разделения углеводородных газов задаются конечной температурой охлаждения, позволяющей получать заданную степень конденсации.

Одной и той же степени конденсации исходного газа можно достигать различными комбинациями значений температуры и давления. С повышением давления в системе степень конденсации при постоянной температуре увеличивается, а избирательность процесса снижается. Интенсивность изменения степени конденсации не прямо пропорциональна изменению давления и температуры. В области низких давлений степень конденсации быстро меняется с изменением давления. При дальнейшем увеличении давления интенсивность конденсации снижается. Аналогичное влияние оказывает изменение температуры: наиболее интенсивно степень конденсации увеличивается с понижением температуры до определенного значения (в зависимости от состава газа), ниже которого скорость конденсации замедляется.

Таким образом, степень конденсации углеводородов можно увеличивать двумя способами: повышением давления при постоянной температуре или понижением температуры при постоянном давлении. Однако процесс конденсации в этих слу­чаях имеет свои особенности. При росте давления при постоянной температуре повышение степени конденсации происходит одновременно с ухудшением четкости разделения углево­дородов, так как в жидкую фазу вместе с тяжелыми компонентами переходит значительное количество легких компонентов. В случае понижения температуры при постоянном давлении увеличение степени конденсации сопровождается повышением четкости разделения легких и тяжелых компонентов, что объ­ясняется большей разностью значений летучести компонентов смеси в области низких температур. Поэтому для получения чистых индивидуальных компонентов газа, или узких фракций углеводородов, целесообразно проводить процесс при умеренном давлении и низких температурах, а также использовать сочетание низкотемпературной конденсации с последующей деметанизацией или деэтанизацией образовавшейся жидкой фазы в ректификационных колоннах для удаления растворенных в ней легких компонентов.

Таким образом, современные схемы установок НТК включают следующие узлы: компримирование газа (при необходимости) до заданного давления; осушка газа; охлаждение газа для образования двухфазной системы; сепарация двухфазной системы; деэтанизация (деметанизация) образовавшейся жидкой фазы.

Схемы НТК классифицируют по числу ступеней конденса­ции и источников холода.

По числу ступеней конденсации схемы НТК подразделяют на одно-, двух- и трехступенчатые. После каждого процесса однократной конденсации осуществляется сепарация образо­вавшейся двухфазной смеси с выводом жидкой фазы.

Принципиальная схема типичной установки НТК с турбодетандером показана на рис. 37.

Предварительно осушенный газ I захолаживается в рекуперативных теплообменниках 8 и после отделения от него в сепараторе 2 сконденсированных углеводородов через турбодетандер 3 поступает в разделительную колонну 4.

В нее же после одного из теплообменников поступает смесь сконденсированных углеводородов из сепаратора 2. Снизу колонны отбирают смесь всех сконден­сированных углеводородов от этана и выше, а деэтанизированный газ сверху колонны, пройдя теплообменники 8, сжимается в турбодетандере энергией расширяющегося газа из сепаратора 2 и затем подается потребителю. Смесь углеводородов III (ШФЛУ) направляется на газофракционирующую установку, где от нее отбираются этановая фракция [содержание этана 87-90% (мольн.)] и фракции остальных, более тяжелых углеводородов.