بخشی از مقاله
مقایسه فنی- اقتصادی روش غشایی و ترکیب غشا با جذب آمین در شیرین سازی گاز همراه
چکیده
یافتن تکنیکهایی برای حذف گازهای اسیدی از گاز طبیعی اهمیت فراوانی دارد. این ترکیبات از جریانهای گاز به دلایل عملیاتی، اقتصادی و زیست محیطی باید حذف شوند. بنابراین وجود تکنولوژیهای کارآمد و انعطافپذیر برای حذف گازهای اسیدی در محدوده وسیعی از غلظت و شدت جریان گاز، کاملا ضرروی است. در این پژوهش، ارزیابی اقتصادی و مطالعه فرایندی بر روش غشایی و هیبرید غشا-آمین در شیرینسازی گاز طبیعی انجام گرفته است. خوراک مورد استفاده گاز همراه نفت است که برخلاف آنچه که در اکثر پالایشگا ها اتفاق افتاده و سوزانده میشود میتواند با انتخاب فرایندی با صرفه اقتصادی پس از شیرینسازی، جهت تولید برق در ژنراتورهای گازی مورد استفاده قرار گیرد. پس از انجام شبیهسازی دو فرایند غشایی و ترکیبی، خوراک گازی در محدوده مشخص از شدت جریان و درصد گاز اسیدی مورد بررسی قرار گرفته و محاسبات اقتصادی با کمک روابط موجود در منابع معتبر انجام شده است. برای شبیهسازی فرایند غشایی از نرمافزار Pro II و در بخش آمین مربوط به فرایند هیبرید از نرمافزار Aspen Hysys استفاده شدهاست. در ادامه، تاثیر تعدادی از پارامترهای فرایندی بر هزینه جداسازی مطالعه شده است. پارامترهای تحت بررسی شامل: شدت جریان خوراک گازی، غلظت HR2RS در گاز ترش و اتلاف متان است. در نهایت این نتیجه بدست آمد که در شدت جریانهای کم خوراک، فرایند غشایی هزینههای کمتری نسبت به فرایند هیبریدی داشته و حتی در غلظتهای بالای گاز اسیدی نیز از لحاظ اقتصادی مناسبتر است. اما در شدت جریانهای بیشتر گاز، سطح مورد نیاز غشا برای شیرین سازی گاز در حد مطلوب، تغییرات شدیدی داشته و با شیب تندی افزایش مییابد و هزینههای غشا افزایش داشته و ترکیب غشا-آمین به شکل بهینه عمل می کند.
واژههای کلیدی: گاز همراه، شیرینسازی، بررسی فنی و اقتصادی، فرایند غشایی، هیبرید غشا با آمین، شبیهسازی
-1 مقدمه
جداسازی گازها، یک واحد عملیاتی مهم در صنایع شیمیایی به ویژه صنایع گاز، پتروشیمی و پالایش است. گاز طبیعی خام که از چاههای مستقل گازی استخراج میگردد و هنوز فرایندهای پالایشی را طی نکرده است دارای مقداری ناخالصیهای غیر هیدروکربنی شامل بخار آب، دی اکسیدکربن، منواکسیدکربن، نیتروژن، سولفید هیدروژن و هلیوم است که درصد هر کدام بستگی به نوع مخزن دارد. برخی از این ناخالصیها خورنده بوده و در برخی موارد (از جمله سولفید هیدروژن) بسیار سمیاند. به همین علت قبل از ورود گاز به سیستم خطوط انتقال این ناخالصیها باید جدا شده و مقدار آنها به حد مجاز خطوط لوله برسد. استفاده از فرایندهای غشایی، تکنولوژی امیدبخشی است که بر مشکلات و معایب تجهیزات جذب گازی سنتی غلبه میکند و هزینههای عملیاتی کمتری دارد. در حال حاضر، کاربرد تجاری غشاها در جداسازی گازی، به دلیل پایین بودن فاکتورهای جداسازی و نفوذپذیری محدود است. برای غلبه بر این مشکلات، غشاهایی نازکتر با گزینشپذیری بالاتر و تحمل دمایی بیشتر، توسعه داده شدهاند . همچنین به دلیل کاستیهایی که در جداسازی غشایی وجود دارد، گاه از ترکیب این روش به همراه سایر روشهای کارامدتر مانند جذب آمین استفاده میشود. بنابراین در فرایند شیرینسازی گازی، انتخاب روشی که از لحاظ فرایندی کارایی خوبی داشته و توجیه اقتصادی داشته باشد امری مهم تلقی میشود.
یکی از آلودگیهای مهم در بخش نفت و گاز، آلودگیهای ناشی از سوزاندن گازهای همراه نفت است. این درحالی است که طرح جمعآوری گازهای همراه میتواند با بهرهبرداری صحیح صرفه اقتصادی داشته باشد. از جمله اهداف این پژوهش، شیرینسازی گاز همراه نفت و به کار بردن آن در توربینهای گازی و تولید برق است . در بسیاری از نیروگاهها جهت تامین برق در زمان اوج مصرف از توربینهای گازی استفاده میشود. توربینهای گازی میتوانند به سطوح کارایی بسیار بالایی دست یابند و اکسید نیتروژن بسیار ناچیزی (کمتر از (25 ppm آزاد سازند. بعلاوه، آلایندههای تولیدی دیگر آنها نیز بسیار کم است.
در این راستا واحد شیرین سازی غشایی و همچنین هیبرید غشا-آمین برای فراینـدی کـه خـوراک آنگـاز همـراه اسـت شبیه سازی شدهاند. جهت دسـتیابی بـه نتـایج قابـل بسـط در شـرایط جـامع، خـوراک مـورد اسـتفاده در محـدوده ی 0/1تـا 10 MMSCFD (میلیون فوت مکعب در روز) و با غلظـت HR2RS از %0/3تـا %3 متغیـر اسـت . بـه منظـور بررسـی فراینـدی و اقتصادی این دو روش، هزینه های جداسازی در هر حالت محاسبه شده و پارامترهای موثر بر هزینه ها مـورد تحلیـل و بررسـی قرار گرفته است.
-2 شبیه سازی فرایند غشایی
نرمافزار PROII از معدود نرمافزارهای شبیهسازی است که در میان تجهیزات خود دارای مدول غشایی است. بنابراین جهت شبیهسازی واحد شیرینسازی گاز توسط غشا از این نرمافزار استفاده شده است. برای انتخاب نوع پیکربندی واحد غشایی، با توجه به کارهای استرن و همکارانش 2]،[1 انتخاب سیستم غشایی تک مرحلهای در شرایط خوراک گازی مورد مطالعه، از لحاظ اقتصادی فرایندی بهینه است. بر اساس مطالعه اطلاعات گازهای همراه در مخازن نفتی ایران، گاز همراه در مقایسه با مقادیر بالای شیرین سازی گاز طبیعی، فشار و شدت جریان کمی دارد. بنابراین در اینجا شدت جرریان خوراک مورد بررسی در بازه 0/1 تا 10 MMSCFD قرار دارد. همچنین درصد HR2RS در خوراک به عنوان یکی از متغیرهای اصلی مورد بررسی در محدوده %0/3 تا %3 و غلظت مولی COR2R مقدار ثابت %2 فرض شده است. در شکل1 شمای کلی واحد شبیهسازی شده غشایی نشان داده شده است. غشای مورد استفاده در این بخش بر مبنای غشای ساخته شده توسط استرن و همکارانش[3] نوع خاصی از غشای پلی اتر اورتان (PU) و به صورت پلیاتر اورتان اوره است که با داشتن سلکتیویته بالا برای HR2RS نسبت به سایر غشاهای پلیمری و همچنین سلکتیویته نسبتا خوب برای COR2R، کارایی خوبی در جداسازی گازی دارد. سلکتیویته بالای این غشا برای HR2RS میتواند به برهمکنش خاص مولکولهای سولفید هیدروژن و زنجیره پلیمر مربوط باشد. در غشاهای پلی اورتانی، مولکول قطبی HR2RS ، اثرات متقابل شدیدی با گروه کربنیل (─C═O) مربوط به بخش سخت این
غشا (شامل حلقههای خطی و منظم پلی آمیدی) دارد بنابراین حلالیت HR2RS نسبت به CHR4R افزایش مییابد. بعلاوه فراوانی بیشتر گروه (─NH─) در پلی اتر اورتان اوره در مقایسه با ترکیبات دیگری از پلی اتر اورتان، سبب شده است که این غشا سلکتیویته HR2RS/CHR4R بالاتر از بقیه داشته باشد.
شکل :1 شمای کلی شبیهسازی شده از واحد شیرینسازی غشایی
گاز همراه شیرین شده که به عنوان خوراک توربین گازی استفاده میگردد باید دارای درصد قابل قبول گازهای اسیدی در توربینهای گازی باشد که با توجه به شرکتهای سازنده توربینهای گازی، متفاوت است. در این پژوهش، با توجه به مدارک مربوط به شرکت مپنا درصد مولی هیدروژن سولفید در گاز ورودی به توربین باید ≥ 150 ppm باشد. برای داشتن حداقل سطح غشا، درصد خروجی مطلوب برابر با 150 ppm در نظر گرفته شده و با کمک نرمافزار، سطح غشا محاسبه میگردد . برای این کار از یک کنترلر استفاده شده و با تعیین درصد HR2RS در محصول به عنوان یک مقدار ثابت، سطح غشا به عنوان متغیر محاسبه شده است. دیگر خصوصیات مربوط به خوراک ورودی و غشا به ترتیب در جداول 1 و 2 آورده شده است. برای دقت محاسبات، بر اساس دادههای موجود تراوشپذیری غشا به صورت تابعی از غلظت HR2RS محاسبه شده است و در هر مرحله با توجه به درصد گاز ترش در خوراک ورودی، تراوشپذیری غشا محاسبه میشود .[ 3 ]
-3 شبیهسازی هیبرید غشا - آمین
در واحد ترکیبی غشا-آمین، شیرینسازی بطور کامل در واحد غشایی انجام نمیگیرد و فـرض شـده اسـت کـه نیمـی از جداسازی توسط واحد غشایی و باقی توسط واحد آمین انجام میشود. بدین ترتیب خروجی واحد غشایی بـه عنـوان ورودی بـه واحد آمین فرستاده میشود تا در نهایت گاز به مشخصات مطلوب برای ورود به ژنراتور برسد. برای شبیه سـازی بخـش آمـین از نرم افزار ASPEN HYSYS استفاده شده است. تجهیزات به کار گرفته شده شامل دستگاههای اصلی مورد نیاز بوده و بر اسـاس یک واحد واقعی طراحی شده است. در طراحی مبدلها از نرمافزار Aspen- Exchanger Design & Rating بهره برده شده است . در شکل 2 شمای کلی از بخش آمین مربوط به واحد هیبرید نشان داده شده است. از MDEA به عنوان حلال جـاذب در ایـن واحد استفاده شده است، این حلال قابلیت بالا در جذب HR2RS دارد . حلال متیل دی اتـانول آمـین (MDEA)بـه دلیـل هزینـه سرمایه گذاری پایین ناشی از به کارگیری سینی های کمتر در برج تماس، پایین تر بودن میزان آمین در گردش و کوچکتر بودن اندازه تجهیزات سالهاست که در فرآیند شیرین سازی و جذب انتخابی مورد استفاده قرار میگیرد.
شکل :2 تصویر کلی از واحد آمین مربوط به هیبرید غشا-آمین
-4 محاسبات اقتصادی
هزینه ثابت در جداسازی با غشا تنها شامل قیمت خود مدول غشایی است چرا که در این پژوهش، غشای مورد استفاده یک مرحله ای بوده و هیچ گونه جریان برگشتی در آن وجود ندارد در نتیجه هزینههای مربوط به کمپرسور و مصرف برق در این قسمت حذف شده است . از دست رفتن متان، بخش قابل توجهی از هزینهها را تشکیل میدهد. هنگام جداسازی گازهای ترش در غشا و افزایش غلظت آن در جریان تراوش یافته، مقداری متان نیز به همراه آنها در غشا نفوذ کرده و در جریان تراوش یافته موجود است که هزینه آن محاسبه شده است. در جدول 3 نشان داده شده است که پارامترهای مهم در جداسازی غشایی در کدام بخش از هزینهها اثر دارد.
جدول :3 پارامترهای مهم در هزینه جداسازی غشایی
هزینههای عملیاتی سرمایهگذاری اولیه
المنت غشا تعویض غشا خرید ماجول اولیه
) stage cut نسبت جریان تراوشی ) اتلاف متان روش یک مرحلهای یا دو مرحلهای
تعداد مراحل جداسازی سوخت کمپرسور خرید کمپرسور
روابط مورد استفاده در محاسبات اقتصادی برای فرایند غشایی به طور خلاصه در جدول 4 آمده است.
برای بخش غشایی فرایند ترکیبی نیز از روابط بالا استفاده میشود. برای بخش آمین از روابط به کار رفته در جدول 5 استفاده میشود. فرایندهای جذب گاز در حال حاضر در حدود %70 روشهای به کار رفته در تصفیه گاز را تشکیل میدهند. عوامل تعیین کننده هزینه سرمایهگذاری اولیه برای فرایند جذب گاز علاوه بر حلال، خرید تجهیزات است که برجهای جذب و دفع از گرانترین آنها هستند. همچنین مقدار بخار مورد نیاز برای احیاء حلال و در مواقعی، تزریق حلال اضافی تاثیر فراوانی بر افزایش هزینههای عملیاتی دارند. علیرغم پیشرفتهای انجام گرفته در زمینه توسعه حلالهای بهتر برای دفع گازهای اسیدی، طراحی فرایند و ادغام حرارتی، فرایندهای جذب گاز از محدودیتهایی برخوردار بوده و از نظر انرژی بسیار پرمصرف هستند. بویژه هنگامی که جریان گاز دارای مقادیر COR2R و HR2RS زیادی باشند.
-5 بررسی و تفسیر نتایج
با وارد کردن اطلاعات ورودی به مدل شبیهسازی شده و استفاده از روابط جدول 4، هزینه جداسازی سالیانه گازهای اسیدی توسط غشای پلیاتر اورتان اوره در شدت جریان های متفاوت محاسبه گردید. نمودار شکل 3 نتایج این بررسی را نشان میدهد.
