Ngl

[faridbensaeed]

مقدمه

بازيافت NGL از گاز طبيعي يك فرايند مشترك در فرايندهاي گاز طبيعي است كه اهميت اقتصادي زيادي دارد. حجم زيادي از گازهاي محلولهاي در نفت خام پس از جدايش سوزانده مي‌شوند. با جداسازي فازي اين مواد مي‌توان به مقدار زيادي NGL دست يافت. ممكن است با انجام فرايندهاي ديگر مايعات حاصله را جدا كرد و آنها رابه اجزاي مختلف LPG نظير اتان، ‌پروپان، ايزوبوتان و نرمال بوتان تقسيم كرد. LPG با فشار بخار خود و برخي از معيارها كه در شكل 1-2 مرجع GPSA آمده است مشخص مي‌شود. اجزاي جدا نشده مايعات گاز طبيعي كه اكثراً C₅⁺ هستند به وسيله خواصشان كه در شكل 2-2 آمده است مشخص مي‌شوند. NGL حاوي هيدروكربنهاي سنگين است كه در بالاي ºF375 مي‌جوشند. وجود فرايند بازيافت NGL براي اغلب واحدهاي گاز لازم است چرا كه استحصال و فروش آن از نظر اقتصادي، حتي اگر ارزش حرارتي پايين‌تري از گاز داشته باشد، مناسب است.
علت ديگر بازيافت مايع، كم كردن ارزش حرارتي گاز و رساندن آن به حداكثر ارزش حرارتي قابل قبول است. اگر گاز از هيدروكربنهاي سنگين غني باشد براي مشعل‌هايي كه براي مقادير كمتر ارزش حرارتي طراحي شده‌اند مناسب نمي‌باشد. معمولاً حد بالاي ارزش حرارتي برابر Btu/scf 1000 است.بازيافت مايع از گاز طبيعي سه هدف عمده را دنبال مي‌كند:

1. توليد گاز قابل انتقال
2. رسيدن به مشخصات گاز قابل فروش
3. بازيافت حداكثر مايع

ارزش اجزاي NGL

ارزش افزوده افزايش حجم مايعات استحصالي قابل فروش نسبت به كاهش حجم گاز فروشي، كه همراه با كاهش ارزش حرارتي گاز است، ‌بيشتر مي‌باشد.
به منظور بررسي اقتصادي ميزان جداسازي مايع از گاز، لازم است ميزان كاهش گاز بعد از جداسازي مايع مشخص شود. با دانستن ارزش حرارتي اجزاي جدا شده و چگالي مايع بدست آمده مي‌توان مقادير هيدروكربنهاي مختلفي كه قابل جدا كردن هستند را تعيين كرد.
براي چهار جزء اصلي، اين مقادير به شرح ذيل است:

گاز	LHV(Btu/scf)	scf/gal	Equivalent valves ($300/μm Btu gas price)
اتان	1618	5/37	1820/0
پروپان	2316	4/36	2529/0=3×2316×4/36
بوتان	3010	8/31	2872/0
پنتان	3708	7/27	3081/0

اين مقادير حداقل مقاديري هستند كه در بيشتر از آنها، گاز داراي ارزش حرارتي بالاتر از استاندارد مي‌شود.
اختلاف بين ارزش واقعي فروش گاز و مايع استحصالي , شرايط براي پرداخت سرمايه‌، هزينه سوخت و ديگر هزينه‌هاي عملياتي و نگهداري را فراهم مي‌كند كه اين مسئله موجب مي‌شود بازيافت گاز از لحاظ اقتصادي جذاب باشد. هر چقدر ارزش گاز به ازاي هر MMBtu زياد ‌شود انگيزه براي گرفتن هيدروكربنهاي ارزشمند كم مي‌گردد. پروپان و اجزاي ديگر NGL را مي‌توان به نفت خام افزود تا كيفيت آن (درجه API) بهبود يابد.
اتان نيز جزء مهم ديگري از گاز طبيعي است. اين ماده گاهي از NGL نيز ارزشمندتر است و نيز گاهي اوقات ارزش آن از گاز فروشي نيز بيشتر است. بنابراين واحد بازيافت NGL بايد اين توانايي و قابليت را داشته باشد كه مايع اتان را توليد يا جدا كند.
6-3- فرايندهاي بازيافت NGL شكل (6-1) نشان‌دهنده نمودار فازي يك گاز طبيعي است. هرگونه سردسازي موجب ميعان و توليد NGL مي‌شود. حال اگر فشار را نيز افزايش دهيم مي‌توان انتظار ميعان بيشتري را داشت لذا استفاده از فرايندهاي سرمايشي براي جدا كردن تركيبات مايع بسيار مناسب مي‌باشند. در فرايندهاي سرمايشي نظيرسرمايش[1] يا تبريد[2] (ºF35-<),تكنيكهاي مورداستفاده عبارتنداز سرماسازي خارجي بااستفاده از سيكلهاي سرمايشي نظير سيكل سرمايشي پروپان يا استفاده از اثر ترموديناميكي ژول- تامپسون كه با انبساط توسط شير يا توربين موجب سرمايش مي‌شود. در اين
روشهاي سرماسازي از جزء خارجي استفاده نمي‌شود و بازيافت مايع از طريق فرايندهاي انتقال حرارت صورت مي‌گيرد.
طريقه ديگر بازيافت NGL استفاده از عامل انتقال جرم (MGA) مي‌باشد. در اين طريق از حلالهاي جاذب مايع يا مواد جاذب جامد استفاده مي‌شود.

ملاحظاتي در طراحي واحد بازيافت NGL

براي داشتن شرايط ايمن, اقتصادي و واقعي موارد ذيل بايد حين طراحي سيستمهاي سرمايشي مورد توجه قرار گيرد:
الف) زدودن روغن

زدون روغن از تبخير كننده بستگي به نوع عامل سرمايش, روان كننده, تبخير كننده و كمپرسور مورد استفاده در چرخه سرمايش دارد. شكل (6-25) صورت كلي كاربرد يك ريكلايمر در سيكل سرمايشي پروپان را نشان مي‌دهد. به منظور زدودن روغن از عامل سرمايش, جريان كوچكي از آن كه از انتهاي سرد كننده خارج مي‌شود وارد ريكلايمر مي‌شود كه در آن پروپان گرم, كه از كمپرسور خارج شده, براي تبخير عامل سرمايش و فرستادن آن به ورودي كمپرسور مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
روغن از انتهاي ريكلايمر خارج مي‌شود. چنين طراحي را مي‌توان براي آمونياك و هيدروكربنها نيز مورد استفاده قرار داد. اين عمليات مي‌تواند دستي يا اتوماتيك انجام شود. درجايي كه از عامل سرمايش هالوكربن و يا روان‌كننده‌هاي سنتزي استفاده مي‌شود بهتر است كه سيستم ريكلايمر روغن مورد تاييد سازنده كمپرسور قرار گيرد.
ب) ذخيره‌سازي و دفع تلاطم مايع

همه سيستمهاي سرمايشي بايد از مخازني كه تلاطم مايع را مي‌گيرند و آن را ذخيره مي‌كنند استفاده كنند كه به اين مخازن, دريافت كننده نيز گفته مي‌شود. اين دريافت كننده‌ها در تمام سيستمهايي كه ميزان ورودي به تبخير كننده‌ها و ميعان كننده‌ها متغير است لازم مي‌باشد.
در سيستمهايي كه از اين مخازن استفاده نمي‌كنند مشكلاتي نظير از بين رفتن آب‌بندي پديد مي‌آيد. اين مخازن گران‌قيمت نيستند و بايد به نحوي طراحي شوند كه در بدترين حالت حداكثر 80 درصد آن پر شود و امكان اضافه كردن مايع سرمايشي را به سيستم بدهد.
ج) سيستمهاي خلاء

سيستماي سرمايشي از فشارمكشي كه پايين فشار اتمسفر است استفاده مي‌كنند. اين سيستمهاي خلاء نيازمند توجه ويژه مي‌باشند. هنگامي كه از كمپرسور رفت وبرگشتي استفاده مي‌شود امكان ورود هوا به كمپرسور وجود دارد كه مي‌تواند مخلوط خطرناكي را بوجود آورد كه نيازمند مراقبت ويژه است. اين سيستمها را مي‌تواند به صورت دستي يا اتوماتيك تميز و عاري از هوا كرد و يا مي‌توان از هر دوحالت استفاده كند. هنگامي كه از هالوكربن‌هايي نظير R-114, R-11, R-113 و يا از مواد ديگري كه فشار پايين و حجم زياد دارند استفاده شود درصورت استفاده از كمپرسورهاي گريز از مركز, خلاء زيادي ايجاد شده و هوا و رطوبت ازطريق فلنج‌ها و .... وارد سيستم مي‌شوند. تركيب آب- اكسيژن در حضور هالوكربنها توليد اسيد كرده و موجب خوردگي سيستم مي‌شود. لذا بايد از يك سيستم تامين فشار مثبت استفاده شود و ميزان رطوبت موجود در سيستم به صورت مرتب چك شود.
هالوكربنهاي R-11, R-12 و .... در فشار بالا, در سيستمهاي خلاء با كمپرسورهاي رفت و برگشتي, گريز از مركز و ماردوني مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين سيستمها نيز مثل حالت قبل ازمسئله خوردگي, البته در مقياس كمتر, رنج مي‌برند. از آنجايي كه هالوكربنها در دماي پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرند آب ممكن است در شيرهاي كنترلي و در تبخير كننده منجمد شود لذا در اين سيستمها خشك‌كن عامل سرمايش مورد نياز است. همچنين يك سيستم پاك كننده و تخليه كننده از هوا نيز موردنياز مي‌باشد. آمونياك نيز با كمپرسورهاي رفت و برگشتي, گريز از مركز و ماردوني مورد استفاده قرار مي‌گيرد. آب در حضور آمونياك منجمد نمي‌شود و تنها مخلوط آب و آمونياك شكل مي‌گيرد كه خورندگي كمي دارد و بطور كلي اين سيستم مشكلات كمتري همراه خود دارد. در اينجا نيز استفاده از يك سيستم پاك كننده و تخليه كننده هوا توصيه مي‌شود.
د) ملاحظاتي در سيستمهاي خلاء سرمايشي

1 -حذف همه فلنج‌ها تا حد ممكن

1. جوشكاري همه لوله‌ها
2. استفاده از جوشكاري براي نصب شيرها
3. استفاده از شيرهاي مخصوص سيكل سرمايشي همراه با و نيز استفاده ازكلاهك آب بند به جاي دسته شير . همه خطوط مربوط به مكش بايد از شيرهاي زاويه اي استفاده كنند تا افت فشار كاهش يابد.
4. نصب خشك‌كن خوب براي سيستمهاي هيدروكربن و هالوكربن
5. نصب يك سيستم تخليه كننده هوا
6. اگر فشار داخلي كمتر از فشار اتمسفر باشد همه شيرهاي كنترلي بايد بجاي واشر از آب بند آكاردئوني استفاده كنند.
7. يك آناليز كننده اكسيژن براي تشخيص وجود هوا مورد نياز مي‌باشد.

هـ ) مواد سازنده

مواد سازنده تجهيزات سيستم سرمايشي ارتباط مستقيمي به عامل سرمايشي مورد استفاده دارد. برخي موارد كه در انتخاب اين مواد مهم هستند به شرح ذيل است:

1. درصورت استفاده از آمونياك, استفاده از مس يا آلياژهاي مسي ممنوع است.
2. درصورت وجود H₂S, SO₂ يا ديگر مواد شيميايي خورنده در فرايند يا حتي محيط واحد, استفاده از مس يا آلياژهاي مسي مناسب مي‌باشد.
3. بطور كلي مس و آلياژهاي مسي با عوامل سرمايشي هالوكربن و هيدروكربن استفاده مي‌شوند كه در اين موارد استفاده از فولاد نيز توصيه شده است.
4. باتوجه به فشار بخار اغلب عوامل سرمايشي در دماي محيط, سيستمهاي سرمايشي براي فشارهاي psig250 (kPa 1725) يا بيشتر طراحي مي‌شود. بطور كلي تا دماي (ºC29-) ºF20- از فولاد كربني استفاده مي‌شود. براي انتخاب فولاد در زير دماي ºF20- مي‌توان به استاندارد ASMEVIII مراجعه كرد كه در اينجا نحوه تست ضربه نيز براي اين سيستمها آمده است. كدهاي لوله موجود در ANSI B31.3 براي طراحي خطوط لوله مربوط به واحدهاي فراورش گاز كه در آنها از سيستم سرمايشي استفاده مي‌شود مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه محدوده دمايي تا (ºC45-) ºF49- را پوشش مي‌دهد.
5. آلياژهاي مختلف و آلومينيوم نيز براي قرارگيري در دماهاي پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

و ) تميزي‌ عامل‌ سرمايش

موارد مختلفي موجب آلودگي عامل سرمايش مي‌شوند كه بشرح ذيل مي‌باشند:

1. روغن روان كننده كه تمايل دارد در سرد كننده جمع شود. اين آلودگي با كنترل ميزان روغن‌كاري كمپرسور, استفاده از روان‌كننده سنتزي, استفاده از جداكننده بخار در خروجي كمپرسور براي حذف روغنهاي آزاد و طراحي و استفاده از يك ريكلايمر برطرف مي‌شود.
2. تركيبات سبك‌تر از عامل سرمايش نظير اتان در سيستم پروپان, كه تمايل دارد در مخزن دريافت كننده عامل سرمايش جمع شود. اين تركيبات موجب افزايش فشار ميعان مي‌شوند. اين مشكل با دقت در خريد عامل سرمايش قابل كنترل مي‌باشد. همچنين با تميزكردن دوره‌اي مخزن مي‌توان اين مسئله را كمتر كرد. اگر در واحد, فشار ورودي به اندازه كافي پايين باشد مي‌توان به منظور بازيافت هيدروكربنها, جمع كننده[3] را تميز كرده و خروجي آن را به ورودي واحد وصل كرد.
3. وجود بوتان و تركيبات سنگين‌تر در سيستم سرمايشي پروپان كه تمايل دارند در سردكننده جمع شوند. وجود اين مواد مشكل مهمي نيست و مي‌توان آنها را از انتهاي سردكننده‌اي كه در پايين‌ترين دما عمل مي‌كند خارج كرد.
4. سيال موجود در فرايند ممكن است از طريق سردكننده به عامل سرمايش نشت پيدا كند.
5. اگر فشار سيلندرها كمتر از فشار اتمسفر باشد هوا مي‌تواند از طريق كمپرسور وارد سيستم شود.
6. اگر رطوبت به سيستم نفوذ كند در شيرهاي كنترلي يا سردكننده يخ مي‌زند و سيستم مسدود مي‌شود. رطوبت مي‌تواند هنگام شارژ عامل سرمايش وارد سيستم شود كه منشاء بسياري از مشكلات مي‌باشد. در برخي از سيستمهاي سرمايشي از خشك كن پيوسته استفاده مي‌شود و در برخي تنها از مشخص كننده رطوبت استفاده مي‌شود. با تزريق متانول به سيستم و خارج كردن آن از طريق سردكننده مي‌توان مشكل را حل كرد. همچنين لازم است قبل از شروع به كار سيستم آن را با نيتروژن يا گاز خشك, تزريق متانول يا تركيبي از اينها در برابر رطوبت ايمن نمود.

كمپرسورهاي مورد استفاده در سيستمهاي سرمايشانواع مختلفي از كمپرسورها براي استفاده در سيستمهاي سرمايشي وجود دارند كه عمده‌ترين آنها كمپرسورهاي گريز از مركز, رفت و برگشتي و ماردوني مي‌باشد. نوع عامل سرمايش تأثير زيادي روي انتخاب كمپرسور دارد. سيستمهاي سرمايشي كوچكي كه ازهالوكربنها استفاده مي‌كنند ومصرفشان تا(kW150) HP200 است, از كمپرسورهاي رفت و برگشتي استفاده مي‌كنند.
اين نوع كمپرسور براي مواقعي كه از سيستم پروپان استفاده مي‌شود نيز كاربرد دارند ولي به دليل حلاليت پروپان در روغن در دماهاي بالا, لازم است از روان كننده‌هاي خاص و يك گرمكن ميل‌لنگي[4] استفاده كند.
همچنين ميزان سرماي ايجاد شده در انتخاب نوع كمپرسور موثر است. اگر توان لازم براي كمپرسوري كه از موتور استفاده مي‌كند كمتر از (kW400) HP540 باشد استفاده از كمپرسور گريز از مركز اقتصادي نيست و اگر از توربين استفاده مي‌كند توان نبايد كمتر از (kW600) HP800 باشد. هنگامي كه توان مصرفي بالاي
(kW750) HP1000 باشد استفاده از كمپرسورهاي گريز از مركز اقتصادي خواهد بود. براي توانهاي پايين‌تر استفاده از ديگر كمپرسورها پيشنهاد مي‌شود.

6-14-1- كمپرسورهاي گريز از مركز

در فرايندهاي گاز و در دماي طبيعي و در سرويسهاي سرمايشي معمولاً از كمپرسورهاي گريز از مركز سه يا چهار گرداننده استفاده مي‌شود. كه اين مسئله اجازه مي‌دهد از چند سطح دما براي سردكن استفاده شود كه در كاهش بيشتر توان موثر است. ظرفيت كمپرسور گريز از مركز با تغييرات سرعت يا تغيير فشار در قسمت مكش يا خروجي كنترل مي‌شود.
اختلال در فشار خروجي موجب تلاطم مي‌شود. براي حل مشكل تلاطم, هنگامي كه ميزان بار كم است, مي‌توان بخار خروجي از كمپرسور را به ورودي آن برگرداند كه البته اين مسئله باعث اتلاف توان كمپرسور مي‌شود.
كمپرسورهاي گريز ازمركز در قسمت محور توسط درزگيرهاي مارپيچي نشت‌گيري مي‌شوند. براي جلوگيري از احتمال ورود روغن به داخل سيستم, درزبندها را طوري طراحي مي‌كنند كه از آنها گاز در مقدار بسيار كم به خارج جريان داشته باشد. گاز مذكور به صورت تزريقي به قسمت مياني كمپرسور تزريق مي‌شود و در فشاري بالاتر از فشار پشت كمپرسور و با شدتي كه اندكي بيشتر از گاز خروجي است عمل مي‌كند اين گاز قبل از ورود به كمپرسور, فيلتر مي‌شود كه اين فيلتر نيز در فاصله‌هاي زماني مشخص تعويض مي‌شود. شدت جريان خروجي گاز توسط كارخانه سازنده تنظيم مي‌شود.
6-14-2- كمپرسورهاي رفت و برگشتي

در ماشينهاي رفت و برگشتي, باتوجه به شرايط دمايي, دو مرحله فشردگي خواهيم داشت. اين مسئله موجب ايجاد فرصت براي بهينه‌سازي در بين دو مرحله و نيز ايجاد سطح سرمايشي اضافي مي‌گردد. در سيستمهاي سرمايشي مناسب, به دليل فشار مكش پايين, سيلندرها معمولاً بزرگ مي‌باشند. در اثر استفاده از مخزن بهينه ساز , حجم مرحله اول و قطر سيلندر كوچك خواهد شد و در نتيجه بار وارده بر ميل لنگ كاهش خواهد يافت. تنظيم ظرفيت توسط تغييرات سرعت,سوپاپها ,محدوده حركت پيستون و گردش مجدد بخار عامل سرمايش به ورودي كمپرسور انجام مي‌گردد.
به منظور كاهش ظرفيت سيلندر مي‌توان فشار مكش عامل سرمايش مبدل سردكننده كمپرسور را كاهش داد. بايد توجه داشت كه كنترل فشار مكش موجب اتلاف توان شده و ممكن است آن را به زير فشار مكش اتمسفري كاهش دهد كه بايد از آن اجتناب كرد.
6-14-3- كمپرسورهاي ماردوني

اين كمپرسورها براي همه انواع عوامل سرمايشي كاربرد دارند. فشار مكش در اين نوع كمپرسور حداقل (kPa 21) psi3 و فشار خروجي آن حداكثر
(kPa 2400) psi350 مي‌باشد هر چند كه مي‌توان با آن به فشار بالاي (kPa 5000) psi725 نيز دست يافت. اين نوع كمپرسور بدون هرگونه تغيير مي‌تواند در محدوده وسيعي كار كند. براي اين كمپرسور عملاً محدوديتي براي نسبت فشردگي وجود ندارد ولي براي نسبتهاي 2 الي 7 بازدهي بيشتري دارد و در اين محدوده با كمپرسورهاي رفت و برگشتي قابل مقايسه است. با تغيير توان مصرفي آن مي‌توان ظرفيت آن را به صورت اتوماتيك كنترل كرد.
كمپرسورهاي ماردوني كه با موتور كار مي‌كنند در دور rpm 3600 عمل مي‌كنند و اين سرعت بين rpm4500-1500 قابل تغيير است. موتور, توربين گازي و اكسپندر مي‌تواند به عنوان عامل نيروي محركه براي اين نوع كمپرسور استفاده شود.
6-14-4- كمپرسورهاي دوراني

براي استفاده از اين نوع كمپرسور برخي محدوديتها وجود دارد. از اين كمپرسور در دماهاي پايين و براي حجم زياد يا به عنوان كمپرسور كمكي استفاده مي‌شود.
اين كمپرسورهاي كمكي در شرايط مكشي حالت اشباع, در محدوده دمايي
(ºC21-_87-) ºF6-_124- و براي R-22, R-12, آمونياك و پروپان به كار
مي‌روند. توان مصرفي بين HP600-10 است كه در يك واحد توانايي جابجايي ft³/min3600-60 را دارا مي‌باشد.
سردكننده‌هاي مورد استفاده در واحدهاي بازيافت NGL[5]6-15-1- سردكننده از نوع كتري[6]

اغلب سردكننده‌هايي كه در فرايندهاي گاز استفاده مي‌شوند از نوع كتري مي‌باشند. عامل سرمايش در پوسته كتري قرار مي‌گيرد و به سطحي مي‌رسد كه لوله‌ها را در خود غوطه‌ور داشته باشد. اين مسئله توسط يك كنترل كننده سطح تنظيم مي‌شود. در طراحي اين نوع سردكن بايد فضاي لازم در بالاي سطح مايع براي بخار درنظر گرفته شود. درصورت طراحي نامناسب و عملكرد بد اين سردكننده امكان ايجاد اشكال در كمپرسور, به دليل حضور مايع, وجود دارد.
اشكال 28-14 و 29-14 مرجع GPSA اطلاعات طراحي براي تعيين ميزان فضاي لازم مربوط به بخار را در اين نوع سردكننده ارائه مي‌دهد. ميزان عامل سرمايش از رابطه ذيل محاسبه مي‌شود:
(6-14) ميزان عامل سرمايشي (lb/hr) به ازاي
(ft³) فضـــاي خالـي مربوط به بخـار

S.F. : ضريب ايمني (0.5)
: چگالي بخار و مايع (lb/ft³)

6-15-2- سردكننده از نوع صفحه اي پره دار

واحدهاي سرمايشي جديد در فرايندهاي گاز از اين نوع سردكننده استفاده مي‌كنند. هنگامي كه در طراحي لازم مي‌شود از سه مبدل گاز- گاز گرم, سردكننده و گاز- گاز سرد استفاده شود بهتر است از اين نوع سردكننده استفاده شود. هنگامي كه لازم باشد از فولاد ضدزنگ براي لوله و پوسته مبدل استفاده شود استفاده از اين نوع مبدل براي دماهاي پايين بسيار اقتصادي است. همچنين استفاده از اين نوع سردكننده افت فشار كمي را بوجود مي‌آورد.

---

1-Refrigeration

2-Cryogenic

1- Accumulator

1- Crankcase heater

1- Chiller

2- Kettle