بخشی از مقاله
بهینه سازی فرآیند نم زدایی گاز در واحدهای نم زدایی از گاز شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران توسط نرم افزار Hysys
چکیده
در حال حاضر در واحدهای گلایکول ایستگاههای تقویت فشار گاز و مجتمع های گاز و گاز مایع شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران به دلایل نامعلوم، هدر روی و اتلاف گلایکول بسیار زیاد می باشد که این مسئله باعث بالا رفتن هزینه های گلایکول مصرفی و همچنین راندمان پایین این واحدها در آب زدایی از گاز می گردد. در این تحقیق یکی از واحدهای نم زدایی گاز و بازیافت گلایکول این شرکت را با استفاده از نرم افزار شبیه ساز مهندسی Hysys و بر اساس داده های عملیاتی، شبیه سازی کرده ایم و با استفاده از فایل شبیه سازی شده و تغییر پارامتر های مورد نظر، به نتایج مطلوبی رسیده ایم به طوری که راهکارهای مناسبی از جمله شرایط بهینه جریان ها و مواد ورودی ، جهت بهینه سازی واحد ارائه داده ایم.
واژههای کلیدی: گلایکول، Hysys، بهینه سازی، گچساران
1
- 1 مقدمه
در سال 1810 میلادی همفری دیویٌ کشف کرد که وقتی محلول آبی کلر زیر 9 درجه سلسیوس سرد می شود ماده جامدی به دست می آید.فارادی در سال 1823 وجود چنین ماده ای را تأیید کرد و عنوان کرد که این ماده جامد از یک قسمت کلر و 10 قسمت آب تشکیل شده است.اکنون حدود 100 ماده وجود دارند که در اثر مخلوط شدن با آب می توانند ترکیبات جامد غیر استوکیومتری تشکیل دهند.به این مواد هیدرات گازی می گویند.هیدارت گازی ترکیبی کریستالی است که از محبوس شدن مولکول های گاز در حفره های حاصل از پیوند هیدروژنی آب به دست می آید.در غیاب مولکول های مهمان(گاز محبوس )حفره از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است.اما اگر مولکول گاز مهمان در داخل این حفرها قرار گیرد پیوند غیرقطبی به وجود آمده بین گاز و مولکول آب باعث پایداری ساختار می گردد که باعث می شود هیدرات در دمای بالاتر از دمای انجماد آب تشکیل شود.در سال 1934 هامر اشمیت دریافت که مسدود شدن لوله های انتقال گاز به دلیل تشکیل هیدارت است.از آن زمان بود که محققان بیشتری علاقه مند به کار بر روی هیدارت های گازی شدند و درصدد برآمدند که باروش های مختلف از تشکیل هیدرات جلوگیری کنند.[3] با افزایش میزان تولید، انتقال، توزیع و مصرف گاز طبیعی، اهمیت تولید کردن گازی عاری از انواع ناخالصیها افزایش می
یابد. گاز طبیعی تولید شده از منابع مستقل گازی و یا از چاههای نفتی (گازهای همراه نفت) در حقیقت گاز طبیعی اشباع شده از آب و هیدروکربورهای سنگین می باشد.
هر چه دمای گاز استحصالی از چاه بیشتر باشد به همان نسبت مقدار بخار آب موجود درگازها بیشتر است. انتقال گازهای غنی، به علت اشباع بودن آن با بخار آب در سیستم های فرآورشی، در مسیر شیرهای کنترل در ایستگاههای تقلیل فشار گاز و در شبکه های توزیع گاز و در فصل سرما با خطر بروز مشکلات زیادی همراه است، علاوه بر این، تقطیر آب در طول خطوط انتقال گاز، علاوه بر ایجاد افت فشار زیاد، باعث بروز ساییدگی مکانیکی و همچنین خوردگی شیمیایی داخلی در آنها می شود. [2] میزان آب همراه گاز در گاز خروجی از چاههای گچساران بالا می باشد که این میزان آب، در واحد های نم زدایی گاز
ایستگاههای تقویت فشار گاز و مجتمع های گاز و گاز مایع تا حد قابل قبولی کاهش می یابد.ولی مسأله این است که در این واحدها که از گلایکول های نوع منواتیلن گلایکول و تری اتیلن گلایکول جهت نم زدایی از گاز( هیدرات زدایی ) ، استفاده می شود، میزان اتلاف گلایکول که حلالی گران قیمت می باشد زیاد است. در حال حاضر این مشکل فقط به صورت مختصر و در حد واحد های عملیاتی مورد بررسی قرار گرفته و راهکارهای ارائه شده چندان رضایت بخش نبوده است که دلیل عمده آن عدم استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی و تجربیات ارائه شده در مقالات علمی می باشد . [1] در این تحقیق ابتدا لزوم جداسازی آب از گاز بیان می شود، سپس روش های نم زدایی ( آب زدایی یا هیدرات زدایی) از
گاز از جمله روش جذب آب توسط حلال های مایع که در شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران مورد استفاده قرار می گیرد بررسی می شوند. در نهایت پروسس نم زدایی گاز در شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران و مشکلات عملیلاتی واحدهای گلایکول اجمالا" بیان و فرآیند نم زدایی گاز در واحد شماره 1 ایستگاه تقویت فشار گاز گچساران با استفاده از نرم افزار شبیه ساز Hysys طراحی می شود و به بررسی نتایج حاصل از تغییر متغیرهای دما، فشار، دبی گاز ورودی و گاز عریان ساز و غیره می پردازیم.
2
-2 روش تحقیق
1-2 لزوم جداسازی آب از نفت و گاز طبییعی آب و هیدروکربونهای مایع از ناخالصیهای ناخواسته و مشترک در انواع گازهای طبیعی (ترش و شیرین) می باشندمعمولاً. بخار
آب به تنهائی مشکلات چندانی را ایجاد نمی نماید، بلکه این ماده به صورت مایع ویا جامد در حالت تراکم و یا خنک شدن گاز، از آن جدا شده و ایجاد مشکل می نماید .آب به صورتمایع معمولاً خورندگی را در محیط شدت می بخشد و آب به صورت هیدرات باعث گرفتگی شیرها ، اتصالات وحتی لوله های گاز می شود .برای جلوگیری از چنین مشکلاتی، تمامی گاز مصرفی که از طریق خطوط لوله به محل های مصرف منتقل می شود، می بایست نم زدائی شود. [3]
2-2 انواع روش های نم زدایی از گاز طبیعی ( هیدرات زدایی ) عملیات نم زدائی به سه روش اساسی انجام می شود که به اختصارتوضیح داده می شود.
-1 روش جذب به وسیله جامدات جاذب الرطوبه (Adsorption)
در این روش رطوبت گاز توسط یک جامد فعال از گاز جدا می شود، سیلیکاژل ، موبیل سوربید، اکسید آلومینیم و غربال مولکولی از مهمترین جامداتی هستند که در این روش بکار می روند .
-2 روش میعان نمودن آب، به وسیله فشردن و یا سرد کردن گاز (Refrigeration)
در این روش، گاز توسط کمپرسور فشرده شده و با توجه به اینکه دمای آن زیاد می شود، توسط یک سیستم خنک کننده سرد شده و بخارات آب که مایع شده است، از گاز جدا می گردد. در این روش، گاز مرطوب در اثر تبادل حرارت با یک ماده مبرد سرد می گردد و بخارات آب و هیدروکربونهای سنگین آن کندانس شده و به صورت مایع از گاز جدا می شود. این عمل ممکن است در چند مرحله انجام شود.
-3 روش جذب در مایع به وسیله مایعات جاذب الرطوبه (Absorption)
در این روش رطوبت گاز توسط یک حلال مایع از گاز جدا می شود . انواع مختلف گلایکول از مهمترین موادی است که در این روش مورد استفاده قرار می گیرد . [4]
3-2 شرح سیستم نم زدایی با گلیکول ایستگاه های تقویت فشار گاز گچساران سیستم نم زدایی گاز با گلیکول ایستگاه های تقویت فشار گاز گچساران، متشکل از برج تماس گاز با گلیکول و واحد تغلیظ و
بازیافت گلیکول است که بر روی شاسی نصب می باشد .به علت شباهت و یکسان بودن سیستم های نم زدایی ایستگاه های فوق به طور کلی فقط یکی از آنها یعنی واحد تقویت فشار شماره 1 گچساران، شرح داده می شود :
گاز مرطوب ورودی به پایین برج وارد قسمت مایع گیر شده و پس از برخورد با صفحه منحرف کننده (Inlet Baffle) از لایه سیمی قطره گیر (پایین برج) عبور کرده و از درون لوله 14 اینچ سینی دود کش دار وارد قسمت دوم برج (قسمت جذب) می شود ، جریان گاز رو به بالا ضمن عبور از میان شیرهای کشویی سینی ها آنها را بازکرده و با محلول گلیکول که از بالا بر روی سینی اول ریخته می شود و تا سینی پنجم جریان دارد تماس پیدا می کند .
3
گاز پس از عبور از میان شیرهای پنج سینی، بخارات آب خود را از دست می دهد (رطوبت گاز جذب گلیکول روی سینی ها می شود) گاز خشک سپس از لایه سیمی قطره گیر بالای برج عبور کرده و از برج خارج می شود. گلیکول احیاء خنک شده پس از عبور از پوسته مبدل حرارتی، بر روی سینی اول برج می ریزد و پس از پر کردن سینی اول از روی دیواره سینی سر ریز کرده و از طریق ناودان سینی بر روی سینی دوم ریخته و این عمل تا سینی پنجم ادامه می یابد.
گلیکول خروجی از برج نم زدا (Rich Glycol) جهت از دست دادن آب جذب کرده و بالا بردن غلظت مجدد گلیکول به سیستم بازیابی وتغلیظ وارد می شود . [1]
گلیکول برگشتی ابتدا وارد قسمت لوله مارپیچی خنک کننده (Reflux Coil) بالای برجک تقطیر (Still Column) می شود، کویل خنک کننده علاوه بر خنک کردن قسمت بالایی ستون تقطیر که باعث جلوگیری از هدر رفتن گلیکول به صورت بخار به همراه بخارات آب را می نماید باعث گرم شدن گلیکول برگشتی در کویل نیز می گردد که به کم شدن بار حرارتی جوش آور نیز کمک می کند.
گلیکول رقیق برگشتی از حلقه مارپیچی خنک کننده جهت گرم شدن بعدی وارد لوله های میانی مبدل حرارتی اول می شود و پس از دو گذر گرم شدن با گلیکول گرمی که از پوسته مبدل می گذرد باعث خنک کردن گلیکول احیاء در پوسته مبدل نیز می شود ، گلیکول رقیق سپس وارد مخزن تبخیر آنی ( ( Flash Drum یا جداکننده هیدروکربن های همراه با گلیکول می شود .
مخزن تبخیز آنی به صورت ظرفی عمودی است که مایع ورودی به آن (گلیکول و هیدروکربور) به صورت سه فاز جدا می شوند . گلیکول رقیق خروجی از مخزن تبخیر آنی از یکی از فیلترهای جورابی می گذرد و اجسام همراه با گلیکول در آن گرفته می شود، حد مجاز عبور اجسام جامد از المنت فیلترهای گلیکول اشباع حدود 10 میکرون است . مقداری از جریان گلیکول نیز با تنظیم شیر گلوب خروجی فیلترهای جورابی ، از فیلتر ذغالی جهت جذب هیدروکربورهای سنگین می گذرد .گلیکول رقیق پس از خروج از فیلترها (اشباع و ذغالی) به ظرف باز جوش آور((Reboiler می ریزد .
در انتهای جوش آور، دیواره ای قرار دارد که گلیکول از روی آن سر ریز کرده و به درون قسمت انتهایی جوش آور که قسمت ذخیره یا مخزن نوسان گیر (Surge Drum) را تشکیل می دهد می ریزد .
قسمت بالای جوش آور برجک یا ستون تقطیر ( ( Still Column قرار گرفته که در اثر گرم شدن محلول گلیکول رقیق، آب جوشیده شده به صورت بخار از آن خارج می شود.
گلیکول تغلیظ شده در انتهای مخزن جوش آور از روی دیواره ای به قسمت مخزن ذخیره (مخزن نوسان گیر) می ریزد .در این مخزن، گلیکول احیاءجمع آوری شده و از طریق پوسته مبدل حرارتی که به طور سری قرار دارند می گذرد و پس از آنکه دمای آن به گلیکول رقیق در لوله های میانی مبدل های حرارتی داده شد، خنک شده وارد یکی از فیلتر های جورابی گلیکول احیاء می شود، ذرات ریز جامد و مواد نفتی واکس مانند (پلیمرهای سنگین که در اثر گرم شدن نرم شده اند) در این صافی ها گرفته می شوند، اندازه المنت فیلترهای احیاء 5 میکرون است . فیلترهای گلیکول احیاء به طور موازی قرار دارند و در شرایط عملیاتی یکی از فیلترها در سرویس و دومی به صورت یدک باقی می ماند . گلیکول احیاء پس از خروج از فیلتر وارد تلمبه های تزریق گلیکول می شود و به طرف برج تماس، تلمبه می شود . [1]
4-2 شبیه سازی سیستم نم زدایی با گلیکول ایستگاه تقویت فشار گاز شماره 1 گچساران
واحد نم زدایی گاز و بازیافت گلایکول ایستگاه تقویت فشار گچساران 1 را به صورت شکل 1 با نرم افزار شبیه ساز Hysys شبیه سازی کرده ایم.لازم به ذکر است که از معادله حالت Peng Robinson به عنوان Fluid Package در شبیه سازی واحد استفاده
4
کرده ایم و نوع گلایکول مورد استفاده تری اتیلن گلاکول میباشد.در ضمن دمای گاز ورودی 60 درجه سانتی گراد، فشار آن K pa 4617 و دبی مولی آن 5316Kg.mole/hr است. همانطور که در شماتیک شبیه سازی شده می بینیم یک جریان به نام Stripping Gas به ریبویلر وارد شده است که در واحدهای مختلف نم زدایی گچسارن، این جریان استفاده نمی شود و ما با بررسی نتایج آن بر اساس نرم افزار به نتایج مطلوب استفاده از آن پی می بریم . پس از بررسی PFD شبیه سازی شده و کنترل پارامترهای مختلف به نتایج زیر رسیده ایم:
الف) تأثیر دمای Operation گاز ورودی
یکی از مواردی که در بهینه سازی فرآیند آب زدایی مطرح است,عمل جذب در دمای پایین تر است تا جذب آب را در حلال بهبود بخشد.برای حلال های فیزیکی، این کار تعادل را نزدیک می کند و عملکرد برج جذب را بهبود می بخشد.
