2 Τεχνολογία ανάκτησης πετρελαίου και αερίου
2.1
Ενιαία τεχνολογία ανάκτησης πετρελαίου και αερίου Η τεχνολογία ανάκτησης πετρελαίου και αερίου χωρίζεται κυρίως σε τέσσερις κατηγορίες με βάση την αρχή: μέθοδος συμπύκνωσης, μέθοδος προσρόφησης, μέθοδος απορρόφησης και μέθοδος διαχωρισμού μεμβράνης. Κάθε μία από αυτές τις τεχνολογίες έχει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και περιορισμούς. Πολυάριθμοι μελετητές τόσο σε εγχώριο όσο και σε διεθνές επίπεδο έχουν διεξαγάγει-σε βάθος έρευνα και ανάλυση σχετικά με αυτές τις τεχνολογίες, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης ανάκτησης πετρελαίου και φυσικού αερίου, τη μείωση της περιβαλλοντικής ρύπανσης και την προώθηση της αειφόρου χρήσης της ενέργειας.
2.1.1
Μέθοδος συμπύκνωσης
Η μέθοδος συμπύκνωσης είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη και εξαιρετικά αποδοτική τεχνολογία ανάκτησης πετρελαίου και αερίου. Χρησιμοποιεί το χαρακτηριστικό ότι η τάση ατμών των πτητικών συστατικών στο πετρέλαιο και το αέριο αλλάζει με τη θερμοκρασία για να επιτευχθεί ανάκτηση. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα πρωτεύοντα πτητικά συστατικά στους τελικούς υδρογονάνθρακες βενζίνης-C4 έως C8-έχουν σχετικά υψηλές πιέσεις ατμών, υποδεικνύοντας ότι τείνουν να εξατμίζονται από την υγρή φάση στην αέρια φάση και να εξατμίζονται στην ατμόσφαιρα. Μέσω της μεθόδου συμπύκνωσης, όταν η θερμοκρασία του πετρελαίου και του αερίου πέσει κάτω από τους 0°C, η τάση ατμών των υδρογονανθράκων μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η μείωση της τάσης ατμών αναγκάζει ορισμένους υδρογονάνθρακες να υπερβούν την πίεση κορεσμένων ατμών τους σε αυτή τη θερμοκρασία, συμπυκνώνοντας από την αέρια κατάσταση στην υγρή κατάσταση, επιτυγχάνοντας έτσι διαχωρισμό λαδιού και αερίου.
Η μέθοδος συμπύκνωσης είναι απλή στη λειτουργία, εξαιρετικά αποδοτική και δεν προκαλεί δευτερογενή ρύπανση, καθιστώντας την κατάλληλη για την ανάκτηση πετρελαίου και φυσικού αερίου υψηλής-συγκέντρωσης [12]. Ως εκ τούτου, είναι κατάλληλο για χρήση στο μπροστινό μέρος των ολοκληρωμένων διεργασιών με άλλες τεχνολογίες ανάκτησης πετρελαίου και αερίου, αλλά το κόστος εξοπλισμού και τα λειτουργικά έξοδα είναι σχετικά υψηλά. Οι μέθοδοι συμπύκνωσης χωρίζονται κυρίως σε μηχανική συμπύκνωση και συμπύκνωση υγρού αζώτου. Η απόδοση ανάκτησης, η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος και η συγκέντρωση πετρελαίου και αερίου μετά την επεξεργασία σε μεθόδους συμπύκνωσης επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες, με κύριους παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμοκρασία συμπύκνωσης, την πίεση συμπύκνωσης, την αρχική συγκέντρωση και τη διαδικασία συμπύκνωσης.
Πολυάριθμες μελέτες έχουν δείξει ότι η θερμοκρασία συμπύκνωσης του πετρελαίου και του φυσικού αερίου είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τα ποσοστά ανάκτησης. Για να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση ανάκτησης, απαιτούνται συχνά χαμηλότερες θερμοκρασίες συμπύκνωσης, με ορισμένα εξαρτήματα να πρέπει να φτάσουν τους -110°C για να συμπυκνωθούν [15]. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες συμπύκνωσης συνεπάγονται υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας ανά μονάδα ψυκτικής ικανότητας. Η τρέχουσα έρευνα γενικά συμφωνεί ότι μια διαδικασία συμπύκνωσης τριών σταδίων εξισορροπεί αποτελεσματικά την ενεργειακή απόδοση και το ποσοστό ανάκτησης. Διαφορετικοί μελετητές έχουν καθορίσει τους βέλτιστους συνδυασμούς θερμοκρασίας συμπύκνωσης μέσω προσομοίωσης και πειραματισμού.
. Οι Huang Weiqiu et al. διαπιστώθηκε μέσω της προσομοίωσης λογισμικού Aspen ότι χρησιμοποιώντας μια διαδικασία συμπύκνωσης τριών- σταδίων με θερμοκρασίες 2, −30 και −80 °C επιτυγχάνεται ποσοστό ανάκτησης πετρελαίου και αερίου που υπερβαίνει το 95% με τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Εάν οι θερμοκρασίες συμπύκνωσης ρυθμιστούν στους 2, −30 και −120 °C, το ποσοστό ανάκτησης μπορεί να φτάσει το 99,62% χωρίς σημαντική αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας. Αυτός ο συνδυασμός παραμέτρων έχει υιοθετηθεί από τους περισσότερους μελετητές ως ο σχεδιασμός αναφοράς. SHI et al. σχεδίασε μια-τρια σκηνή
διαδικασία συμπύκνωσης με θερμοκρασίες συμπύκνωσης 1, -40 και -110°C, επιτυγχάνοντας ποσοστά ανάκτησης 99,73%, 99,79%, 99,82% και 99,19% για τέσσερα διαφορετικά συστατικά ατμών βενζίνης, αντίστοιχα. Όταν η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι εντός της περιοχής από 20 έως -110°C, το συνολικό φορτίο ψύξης της διαδικασίας συμπύκνωσης τριών σταδίων μειώνεται κατά 12,23%, 15,68%, 13,96% και 15,65% σε σύγκριση με μια διαδικασία ενός σταδίου.
Οι Zhao Zhiwei et al. διαπίστωσε ότι η ρύθμιση της θερμοκρασίας συμπύκνωσης στους 4, –50 και –110°C έχει ως αποτέλεσμα τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και τη σταθερή λειτουργία του συστήματος ψύξης. Οι Bi Jinbin et al. προσομοίωσε και ανέλυσε τη διαδικασία ανάκτησης πετρελαίου και αερίου σε τρία στάδια συμπύκνωσης χρησιμοποιώντας το μοντέλο PR (μια εξίσωση πραγματικής κατάστασης αερίου γνωστή ως εξίσωση PR), εξισορροπώντας την απόδοση ανάκτησης πετρελαίου και αερίου με τη συνολική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Η βέλτιστη θερμοκρασία προ{8}}ψύξης και οι δευτερογενείς και τριτογενείς θερμοκρασίες συμπύκνωσης προσδιορίστηκαν σε 5, -35 και -75 °C, αντίστοιχα.
Η μέτρια αύξηση της πίεσης συμπύκνωσης βοηθά στη ρύθμιση της θερμοκρασίας συμπύκνωσης, στην επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας και ταυτόχρονα στην ενίσχυση των ρυθμών ανάκτησης πετρελαίου και αερίου, ένα σημείο που έχει επίσης αναγνωριστεί ευρέως από την ακαδημαϊκή κοινότητα. Οι Lu Jieming et al. ανέλυσε τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας και της πίεσης ψύξης στην απόδοση συμπύκνωσης χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο εξίσωσης ισορροπίας φάσης και πρότεινε μια διαδικασία ανάκτησης συμπύκνωσης πολλαπλών- σταδίων. Η έρευνα διαπίστωσε ότι η συγκέντρωση των εκπομπών πετρελαίου και αερίου επιβάλλει αυστηρότερες απαιτήσεις στη θερμοκρασία ψύξης από τα ποσοστά ανάκτησης. Σε ατμοσφαιρική πίεση, απαιτείται ψύξη κάτω των -100°C για να πληρούνται τα πρότυπα, ενώ η πίεση στα 0,5–0,7 MPa μπορεί να αυξήσει την απαιτούμενη θερμοκρασία ψύξης κατά 20°C. Οι Wang Dan et al. χρησιμοποίησε την προσομοίωση Aspen Plus για να διαπιστώσει ότι η πίεση μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τους ρυθμούς ανάκτησης αργού πετρελαίου και αερίου και να μειώσει τις συγκεντρώσεις εξόδου. Αντιμετωπίζοντας την υψηλή κατανάλωση ενέργειας των συμβατικών διαδικασιών ανάκτησης συμπύκνωσης, αρκετοί μελετητές έχουν πραγματοποιήσει μελέτες βελτιστοποίησης για τις διαδικασίες συμπύκνωσης. Ye Chao et al. χρησιμοποίησε το λογισμικό HYSYS για να δημιουργήσει μια απλοποιημένη διαδικασία προσομοίωσης, μελετώντας τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας και της πίεσης συμπύκνωσης στα χαρακτηριστικά συμπύκνωσης. Η μελέτη διαπίστωσε ότι η πίεση έχει πιο σημαντικό αντίκτυπο στα εύρη{16}}υψηλών θερμοκρασιών παρά στα εύρη{23}}χαμηλών θερμοκρασιών. Μέσω της βελτιστοποίησης της διαδικασίας ανάκτησης πετρελαίου και αερίου, επιτεύχθηκε η ανάκτηση υπολειπόμενης θερμότητας των καυσαερίων, με αποτέλεσμα τη μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας κατά 9,73%, τη μείωση της ψυκτικής ικανότητας κατά 8,11% και την αύξηση του συντελεστή ψύξης από 1,04 σε 1,08. Ο Zhang Shanzhe [25] χρησιμοποίησε πειράματα ενός-παράγοντα για να προσδιορίσει τις βασικές παραμέτρους της διαδικασίας που επηρεάζουν την κατανάλωση ενέργειας και την ποιότητα του προϊόντος. Μέσω προσομοίωσης και επαλήθευσης πεδίου χρησιμοποιώντας το λογισμικό ASPEN HYSYS, η συνολική κατανάλωση ενέργειας μειώθηκε από 1.329 kW σε 1.253–1.255 kW, επιτυγχάνοντας εξοικονόμηση ενέργειας 5,57%–5,72%. LI et al. σχεδίασε ένα νέο σύστημα ανάκτησης βαθιάς συμπύκνωσης VOCs (VOCs-DCR), με προσομοίωση σταθερής-κατάστασης που δείχνει ρυθμό ανάκτησης VOC 99,97%, κατανάλωση ενέργειας ελεγχόμενη στα 35,67 kW και συγκέντρωση μάζας εκπομπής VOC 45,17 mg/Nm³. Οι SHRAM et al. σχεδίασε μια μονάδα ανάκτησης ατμού χαμηλής-θερμοκρασίας αποτελούμενη από ένα διπλό-κιβώτιο θαλάμου με εσωτερικά χωρίσματα, επιτρέποντας την εναλλασσόμενη παροχή μιγμάτων ατμού-αέρα σε διάφορα μέρη της μονάδας, γεγονός που μπορεί να μειώσει τις εκπομπές πετρελαίου και αερίου πάνω από 80%, μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις βελτιώνοντας παράλληλα την οικονομική απόδοση. GAO et al. ανέπτυξε ένα νέο σύστημα ανάκτησης πτητικών οργανικών ενώσεων χαμηλής-θερμοκρασίας που ενσωματώνει τεχνολογία ψύξης επέκτασης στροβίλου και τεχνολογία αποθήκευσης ψυχρής ενέργειας. Για διαλείπουσες εκπομπές πετρελαίου και αερίου, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις σταθερής-προσομοίωσης και δυναμικής κατάστασης του νέου συστήματος χρησιμοποιώντας το λογισμικό HYSYS. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συγκέντρωση μάζας ολικών εκπομπών υδρογονανθράκων χωρίς μεθάνιο μετά την επεξεργασία ήταν 57,54 mg/Nm³ και ο συνολικός ρυθμός ανάκτησης πετρελαίου και φυσικού αερίου έφτασε το 99,99%, πληρώντας τα τρέχοντα πρότυπα εκπομπών.
Η μηχανική συμπύκνωση περιορίζεται από τον μηχανισμό ψύξης, με αποτέλεσμα υψηλότερες θερμοκρασίες ψύξης. Αντίθετα, η συμπύκνωση υγρού αζώτου μπορεί να επιτύχει θερμοκρασίες ψύξης τόσο χαμηλές όσο -120°C ή ακόμη και -180°C, πληρώντας αυστηρότερα πρότυπα εκπομπών. Σε σύγκριση με τη μηχανική συμπύκνωση, η συμπύκνωση υγρού αζώτου προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως γρήγορη εκκίνηση, χαμηλότερες θερμοκρασίες σε βάθος-, υψηλότερους ρυθμούς ανάκτησης και χαμηλότερο κόστος συντήρησης εξοπλισμού. Ο Xu Hao διαπίστωσε κατά τη διάρκεια της έρευνας και της ανάλυσης της διαδικασίας και του εξοπλισμού ενός συστήματος ανάκτησης πτητικών οργανικών ενώσεων με συμπύκνωση υγρού αζώτου τριών σταδίων ότι η σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας του συστήματος δεν σχετίζεται σημαντικά με τον όγκο του επεξεργασμένου αερίου, αλλά σχετίζεται στενά με τη συγκέντρωση όγκου και τον τύπο των καυσαερίων. Όταν η συγκέντρωση όγκου των καυσαερίων αυξήθηκε από 3,8% σε 19,0%, ο λόγος οικονομικού οφέλους αυξήθηκε από 0,38 σε 0,59. Ο Xing Chuan Sheng ανέφερε ότι η χρήση ψύξης με υγρό άζωτο μπορεί να βελτιώσει την απόδοση ανάκτησης πετρελαίου και αερίου και να μειώσει το κόστος κατανάλωσης ενέργειας, με τις θερμοκρασίες ψύξης να φτάνουν τους -180°C έως -160°C. Οι Chen Song et al. συνέκρινε την εφαρμογή της μηχανικής ψύξης και της ψύξης υγρού αζώτου στην ανάκτηση ατμών βενζίνης. Η μηχανική ψύξη ψύχει τους ατμούς από 30°C σε -75°C, με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από την ψύξη υγρού αζώτου, αλλά απαιτούνται πρόσθετες εγκαταστάσεις επεξεργασίας για να πληρούνται τα πρότυπα εκπομπών. Η ψύξη με υγρό άζωτο μπορεί να ψύξει απευθείας τη θερμοκρασία των ατμών στους -120°C, πληρώντας τα πρότυπα εκπομπών. Η συνδυασμένη διαδικασία συμπύκνωσης της μηχανικής ψύξης και της ψύξης υγρού αζώτου βελτιώνει την απόδοση ανάκτησης ενώ αυξάνει τα οικονομικά οφέλη κατά πάνω από 10% σε σύγκριση με την ψύξη με υγρό άζωτο μόνο.
