جداسازی NGL از گاز طبیعی چگونه انجام میشود؟
جداسازی NGL از گاز طبیعی یکی از فرآیندهای مهم در واحدهای فرآورش گاز است که با هدف استخراج هیدروکربنهای سنگینتر از متان انجام میشود. NGL مخفف Natural Gas Liquids به معنی «مایعات گاز طبیعی» است و معمولاً شامل هیدروکربنهایی مانند اتان، پروپان، بوتان و پنتان به همراه ترکیبات سنگینتر است.
گاز طبیعی خامی که از چاههای گاز یا نفت و گاز تولید میشود، علاوه بر متان میتواند حاوی آب، گازهای اسیدی مانند H₂S و CO₂، نیتروژن و هیدروکربنهای سنگین باشد. برای رسیدن به مشخصات مورد نیاز خطوط انتقال و همچنین تولید محصولات با ارزش، این ترکیبات باید در واحدهای فرآورش از یکدیگر جدا شوند.
در فرآیند NGL Recovery، هیدروکربنهای قابل مایعشدن از جریان گاز جدا شده و سپس میتوانند برای تولید LPG، اتان، پروپان، بوتان و سایر محصولات هیدروکربنی مورد استفاده قرار گیرند.
NGL چیست؟
NGL یا Natural Gas Liquids به مجموعهای از هیدروکربنهای موجود در گاز طبیعی گفته میشود که در شرایط مناسب فشار و دما میتوان آنها را به صورت مایع از جریان گاز جدا کرد.
مهمترین اجزای NGL عبارتاند از:
- اتان (Ethane)
- پروپان (Propane)
- بوتان (Butane)
- ایزوبوتان (Isobutane)
- پنتان و هیدروکربنهای سنگینتر (Pentanes+)
متان معمولاً محصول اصلی گاز طبیعی است و در فرآیند بازیابی NGL تلاش میشود هیدروکربنهای سنگینتر از متان به شکل مناسبی از جریان گاز جدا شوند.
چرا NGL از گاز طبیعی جدا میشود؟
بازیابی NGL تنها با هدف حذف ترکیبات اضافی انجام نمیشود، بلکه این فرآیند از نظر اقتصادی و عملیاتی اهمیت زیادی دارد.
۱. افزایش ارزش اقتصادی گاز
پروپان، بوتان و سایر مایعات گاز طبیعی ارزش تجاری قابل توجهی دارند و میتوانند به عنوان خوراک پتروشیمی یا سوخت مورد استفاده قرار گیرند.
۲. رسیدن گاز به مشخصات انتقال
وجود مقادیر زیاد هیدروکربنهای سنگین در گاز میتواند باعث ایجاد مشکلاتی مانند تشکیل مایعات در خطوط لوله و تغییر مشخصات نقطه شبنم هیدروکربنی شود.
۳. تولید محصولات با ارزش
NGL بازیابیشده میتواند در واحدهای پاییندستی به محصولات مختلفی مانند اتان، پروپان، بوتان و محصولات سنگینتر تفکیک شود.
۴. جلوگیری از مشکلات عملیاتی
حذف هیدروکربنهای سنگین میتواند احتمال تشکیل مایع در خطوط انتقال و تجهیزات فرآیندی را کاهش دهد.
جداسازی NGL از گاز طبیعی چگونه انجام میشود؟
روش جداسازی NGL به ترکیب گاز، فشار، دما، میزان بازیابی مورد نیاز و مشخصات محصولات بستگی دارد. بهطور کلی، فرآیند شامل چند مرحله اصلی است:
گاز طبیعی خام → جداسازی اولیه → شیرینسازی و نمزدایی → سردسازی → بازیابی NGL → تراکم گاز → تفکیک NGL
در برخی واحدها، همه این مراحل با همین ترتیب انجام نمیشوند و آرایش فرآیندی بر اساس طراحی کارخانه تغییر میکند.
مراحل اصلی فرآیند بازیابی NGL
۱. جداسازی اولیه گاز
گاز خام ورودی معمولاً ابتدا وارد جداکننده ورودی (Inlet Separator) یا تجهیزات مشابه میشود.
در این بخش، مایعات آزاد، آب و هیدروکربنهای مایع موجود در جریان گاز از گاز جدا میشوند.
این مرحله برای محافظت از تجهیزات پاییندستی اهمیت زیادی دارد.
۲. حذف گازهای اسیدی
اگر گاز حاوی مقدار قابل توجهی H₂S و CO₂ باشد، باید پیش از برخی مراحل پاییندستی تحت فرآیند شیرینسازی قرار گیرد.
یکی از روشهای رایج، استفاده از واحد آمین برای جذب گازهای اسیدی است.
محلول آمین پس از جذب H₂S و CO₂ به بخش احیا منتقل شده و برای استفاده مجدد آماده میشود.
۳. نمزدایی گاز
آب موجود در گاز میتواند در دماهای پایین باعث تشکیل هیدرات شود و عملکرد تجهیزات برودتی را مختل کند.
به همین دلیل، گاز پیش از ورود به بخشهای سردکننده و بازیابی NGL معمولاً تحت فرآیند نمزدایی قرار میگیرد.
یکی از روشهای متداول، استفاده از TEG Dehydration است.
در این روش، تریاتیلن گلایکول آب موجود در گاز را جذب میکند و گاز خشک برای مراحل بعدی آماده میشود.
۴. سردسازی گاز
پس از آمادهسازی گاز، دمای آن کاهش داده میشود.
هدف از سردسازی، کاهش دمای هیدروکربنهای سنگین و ایجاد شرایطی است که بخشی از آنها از فاز گاز خارج شده و به صورت مایع بازیابی شوند.
برای این کار میتوان از تجهیزات و روشهای مختلفی استفاده کرد، از جمله:
- مبدلهای حرارتی
- کولرها
- Turboexpander
- Joule-Thomson Valve
- Refrigeration System
- Expander-Compressor
انتخاب روش مناسب به مشخصات گاز و میزان بازیابی مورد نیاز بستگی دارد.
نقش Turboexpander در بازیابی NGL
یکی از فناوریهای مهم برای دستیابی به بازیابی بالاتر NGL، استفاده از Turboexpander است.
در این تجهیز، گاز با انبساط از فشار بالاتر به فشار پایینتر، انرژی خود را از دست داده و دمای آن به شدت کاهش مییابد.
کاهش دما باعث میشود هیدروکربنهای سنگینتر راحتتر از فاز گاز خارج شوند.
یک سیستم متداول Turboexpander میتواند شامل موارد زیر باشد:
گاز پرفشار → مبدل حرارتی → Turboexpander → دمای پایین → جداکننده → گاز خشک و NGL
انبساط گاز همچنین میتواند برای تولید کار مکانیکی مورد استفاده قرار گیرد و در برخی طراحیها، اکسپندر با کمپرسور کوپل میشود.
نقش JT Valve در جداسازی NGL
یکی دیگر از روشهای ایجاد سرمایش، استفاده از Joule-Thomson Valve یا JT Valve است.
در این روش، گاز از یک شیر فشارشکن عبور میکند و در اثر افت فشار و اثر ژول-تامسون، دمای آن کاهش مییابد.
پس از سرد شدن گاز، جریان وارد جداکننده میشود و بخشی از هیدروکربنهای سنگین به صورت مایع جدا میشوند.
این روش از نظر ساختار نسبت به سیستم Turboexpander سادهتر است، اما میزان بازیابی NGL آن به شرایط گاز و طراحی فرآیند بستگی دارد.
۵. جداسازی مایع و گاز
پس از سردسازی، جریان وارد یک جداکننده دما پایین (Low Temperature Separator یا LTS) میشود.
در این تجهیز، جریان چندفازی به دو یا چند بخش تقسیم میشود:
- گاز
- مایع هیدروکربنی
- در صورت وجود، آب
گاز سبکتر از قسمت بالای جداکننده خارج میشود و مایع غنی از هیدروکربنهای سنگینتر از قسمت پایین خارج میشود.
مایع حاصل میتواند به واحدهای بعدی برای تفکیک و تثبیت ارسال شود.
۶. تفکیک NGL به محصولات مختلف
مایع NGL خروجی از واحد بازیابی، معمولاً مخلوطی از چند هیدروکربن است و هنوز یک محصول نهایی واحد محسوب نمیشود.
برای جداسازی اجزای مختلف NGL از برجهای تفکیک یا Fractionation Towers استفاده میشود.
مهمترین برجهای این بخش عبارتاند از:
Demethanizer
وظیفه Demethanizer، جدا کردن متان و اجزای سبک از جریان NGL است.
Deethanizer
در این برج، اتان از اجزای سنگینتر جدا میشود.
Depropanizer
پروپان از جریان هیدروکربنی جدا میشود.
Debutanizer
بوتانها از ترکیبات سنگینتر مانند C5+ جدا میشوند.
در نتیجه، میتوان محصولات مختلفی مانند اتان، پروپان، بوتان و جریان C5+ تولید کرد.
تفاوت NGL و LPG چیست؟
NGL و LPG اصطلاحات یکسانی نیستند.
NGL اصطلاحی کلی برای مجموعهای از مایعات گاز طبیعی است و میتواند شامل اتان، پروپان، بوتان و پنتانهای سنگینتر باشد.
اما LPG یا Liquefied Petroleum Gas عمدتاً شامل پروپان و بوتان است.
بنابراین:
NGL → مجموعهای از مایعات گاز طبیعی
LPG → عمدتاً پروپان و بوتان
در یک مجتمع فرآورش گاز، NGL میتواند به واحد تفکیک ارسال شود و از آن محصولات مختلفی از جمله جریانهای مناسب برای تولید LPG به دست آید.
تجهیزات اصلی واحد NGL Recovery
یک واحد بازیابی NGL بسته به نوع فرآیند میتواند تجهیزات متعددی داشته باشد. مهمترین آنها عبارتاند از:
- Inlet Separator
- Filter Separator
- Amine Unit
- TEG Dehydration Unit
- Heat Exchangers
- Chillers
- Turboexpander
- JT Valve
- Low Temperature Separator
- Reboiler
- Condenser
- NGL Fractionation Towers
- Pumps
- Compressors
- Storage Tanks
نوع و تعداد تجهیزات به طراحی فرآیند و مشخصات خوراک بستگی دارد.
روشهای اصلی بازیابی NGL
روشهای مختلفی برای بازیابی NGL وجود دارد و انتخاب آنها بر اساس شرایط خوراک و هدف فرآیند انجام میشود.
روش تبریدی
در فرآیندهای تبریدی، دمای گاز کاهش داده میشود تا هیدروکربنهای سنگینتر به شکل مایع از جریان گاز جدا شوند.
روش Turboexpander
در این روش از انبساط گاز برای ایجاد سرمایش شدید استفاده میشود و معمولاً برای بازیابی بالاتر اتان و سایر NGLها مناسب است.
روش Joule-Thomson
در این روش افت فشار در یک شیر باعث کاهش دما شده و شرایط لازم برای تشکیل فاز مایع فراهم میشود.
روش جذب با حلال
در برخی فرآیندها از حلالهای مناسب برای جذب هیدروکربنهای قابل بازیابی استفاده میشود. انتخاب این روش به شرایط فرآیندی و اهداف طراحی بستگی دارد.
روشهای ترکیبی
در واحدهای بزرگ ممکن است چند فناوری به صورت همزمان مورد استفاده قرار گیرند تا ضمن رسیدن به میزان بازیابی مطلوب، مصرف انرژی نیز کنترل شود.
عوامل مؤثر بر میزان بازیابی NGL
میزان NGL قابل بازیابی به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:
- ترکیب گاز طبیعی
- فشار خوراک
- دمای خوراک
- میزان اتان و هیدروکربنهای سنگین
- فشار عملیاتی واحد
- دمای سردسازی
- نوع فرآیند بازیابی
- میزان بازیابی مورد نیاز
- مشخصات گاز فروش
- مصرف انرژی
به عنوان مثال، گاز دارای مقدار بالاتر C2+ معمولاً پتانسیل بیشتری برای بازیابی مایعات گاز طبیعی دارد.
اهمیت فشار و دما در فرآیند NGL Recovery
فشار و دما دو پارامتر بسیار مهم در بازیابی NGL هستند.
با کاهش دمای گاز، احتمال میعان هیدروکربنهای سنگین افزایش پیدا میکند. از طرف دیگر، تغییر فشار نیز میتواند تعادل فازی بین گاز و مایع را تغییر دهد.
طراحان فرآیند با انتخاب مناسب فشار و دما تلاش میکنند بین موارد زیر تعادل برقرار کنند:
- میزان بازیابی NGL
- کیفیت گاز خروجی
- مصرف انرژی
- هزینه تجهیزات
- ایمنی و پایداری عملیاتی
مزایای بازیابی NGL
جداسازی NGL از گاز طبیعی مزایای مهمی دارد:
- افزایش ارزش اقتصادی خوراک گاز
- تولید محصولات با ارزش هیدروکربنی
- بهبود کیفیت گاز فروش
- کنترل نقطه شبنم هیدروکربنی
- کاهش احتمال تشکیل مایعات در خطوط انتقال
- تأمین خوراک صنایع پتروشیمی
- تولید محصولات مناسب برای LPG
- استفاده بهتر از منابع هیدروکربنی
مشکلات و چالشهای واحد NGL
واحدهای بازیابی NGL به دلیل کار در شرایط دمای پایین و فشار بالا با چالشهای خاصی روبهرو هستند.
تشکیل هیدرات
وجود آب در گاز در دماهای پایین میتواند باعث تشکیل هیدرات شود. به همین دلیل، نمزدایی مناسب پیش از ورود به بخش برودتی اهمیت زیادی دارد.
تشکیل مایعات ناخواسته
در صورت کنترل نامناسب دما و فشار، ممکن است مایع در بخشهایی از تجهیزات تشکیل شود و عملکرد فرآیند را تحت تأثیر قرار دهد.
مصرف انرژی
کمپرسورها، سیستمهای تبرید و تجهیزات برودتی میتوانند مصرف انرژی قابل توجهی داشته باشند. بهینهسازی فرآیند برای کاهش مصرف انرژی یکی از موضوعات مهم در طراحی واحدهای NGL است.
خوردگی
وجود آب و گازهای اسیدی میتواند باعث خوردگی تجهیزات شود. بنابراین حذف آب و در صورت نیاز شیرینسازی گاز باید به شکل مناسب انجام شود.
جمعبندی
جداسازی NGL از گاز طبیعی یکی از فرآیندهای مهم در صنعت نفت و گاز است که با هدف بازیابی هیدروکربنهای با ارزش مانند اتان، پروپان، بوتان و ترکیبات سنگینتر انجام میشود.
در یک فرآیند معمول، گاز طبیعی ابتدا از مایعات و ناخالصیهای اولیه جدا شده، سپس در صورت نیاز شیرین و نمزدایی میشود. در ادامه با استفاده از سردسازی، Turboexpander، JT Valve یا سایر روشهای فرآیندی دمای گاز کاهش پیدا میکند و هیدروکربنهای سنگینتر به شکل مایع از جریان گاز جدا میشوند.
پس از بازیابی، مایع NGL میتواند وارد واحد Fractionation شود و به محصولات مختلفی مانند اتان، پروپان، بوتان و C5+ تفکیک شود.
بهطور خلاصه، مسیر کلی فرآیند را میتوان اینگونه نشان داد:
گاز طبیعی خام → جداسازی اولیه → شیرینسازی → نمزدایی → سردسازی و انبساط → جداکننده → NGL → تفکیک جزءبهجزء
در نهایت، بازیابی NGL علاوه بر بهبود کیفیت گاز طبیعی، باعث افزایش ارزش اقتصادی خوراک و تولید محصولات مهم مورد استفاده در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی میشود.
