Natural Gas Dehydration – Part.1

تجفيف الغاز الطبيعي – الجزء الأول

 Natural Gas Dehydration 

   المهندس رائد العبيدي


يحتوي الغاز الطبيعي الأتي من حقول الإنتاج إضافة إلى الغازات الحامضية كغاز H2S و CO2 على شوائب أخرى كبخار الماء أو الماء الحر في بعض الأحيان وتختلف كمية الماء في الغازات الهيدروكاربونية تبعا للضغط ودرجة الحرارة والماء إما أن يكون على شكل قطرات سائلة أو بخار ماء. ان الغاز الطبيعي تنخفض حرارته اثناء مروره خلال انبوب البئر الى السطح بسبب إنخفاض الضغط وفقدان الحرارة الى المنطقة المحيطة بالأنبوب Formation والتي تكون أبرد .

ويكون الماء أكثر الشوائب غير المرغوب فيها في الغاز الطبيعي ، ويتم إزالة قسم من الماء (الماء الحر) من النفط والغاز عن طريق العازلات Separators .

 إن الغاز الطبيعي المطلوب نقله إلى الأسواق بالأنابيب يجب أن تتوفر فيه شروط معينة من حيث احتوائه على الماء أو بخار الماء بحدود 6-8 باوند من الماء لكل مليون قدم مكعب قياسي من الغاز الطبيعي والغاية من وحدة تجفيف الغاز هي لتخليص الغاز من الماء وتخفيض نقطة الندى قبل إرساله بواسطة خطوط الأنابيب إلى LPG plant وذلك لتلافي الانجماد نتيجة لتَكون سوائل تسمى (الهيدرات Hydrates) وهي عبارة عن مواد صلبة تشبه الثلج أو بلورات ناتجة عن إتحاد الغاز الطبيعي مع الماء في درجة حرارة أعلى من درجة انجماد الماء النقي .أن السبب الرئيسي لإزالة بخار الماء من الغاز الطبيعي هو أنه يتكثف عند أنخفاض الحرارة  و/ أو زيادة ضغط الغاز.

ومن العوامل التي تساعد على تكون هذه السوائل وانجمادها هي هبوط الضغط الفجائي وانخفاض درجة الحرارة ووجود الماء ضمن مكونات الغاز.

س: ما هو تجفيف الغاز الطبيعي؟

  – إزالة الماء من الغاز الطبيعي من خلال تخفيض درجة الندى.

س: ما هي أضرار وجود الماء في الغاز الطبيعي؟

  – لمنع تكوين الهيدرات حيث أنها تُسبب حدوث أنسدادات في الصمامات والتضيّقات.

  – لزيادة سعة الأنابيب حيث أن الماء يقلل من سعتها.

  – لمنع تآكل الأنابيب حيث تسبب الأملاح الموجودة في الماء تآكل الأنابيب ونسبة التآكل يزداد بزيادة الضغط ودرجة الحرارة عند ظروف الإشباع.

  – القيمة الحرارية للغاز الجاف أعلى من القيمة الحرارية للغاز الرطب.

  – كبس الغاز الجاف يحتاج إلى قوة أقل من الغاز الرطب.

س: كيف يمكن التعبير عن وجود الماء في الغاز الطبيعي؟

 – كمية (كتلة) محتوى الماء وتُقاس بوحدة(Ib/MMscf).

 – درجة حرارة الندى Dew Point.

 – التركيز الحجمي Volume Concentration ويُقاس بوحدة ppmv.

 – التركيز الوزني Volume Concentration ويُقاس بوحدة ppmm.

حيث تستخدم القيم الثلاث الاولى مع الغازات ، في حين تستخدم القيمتان الثانية والرابعة مع السوائل ، ولكن الأكثر شيوعاً هو نقطة الندى 

س: ما هي أشكال الماء في الغاز الطبيعي؟

  – على شكل سائل (ماء حر).

  – على شكل بخار (مذاب).

 

 علماً أن محتوى الماء هو دالة الضغط والحرارة والخواص الفيزياوية.

س: ما هي العوامل المؤثرة في تخفيض درجة الندى Dew Point Depression ؟

  – معدل تدوير الكلايكول.

  – تركيز الكلايكول غير المشبع Lean Glycol.

  – عدد الصواني Trays في برج التلامس Contactor.

  – درجة حرارة برج التلامس.

وتكون نقطة الندى حساسة جداً لدرجة حرارة الغاز الداخل Inlet Gas Temperature ، حيث يمكن تقليل نقطة الندى بشكل أكبر في درجات حرارة العالية للغاز.  

أما درجة حرارة الكلايكول فتتراوح بين (10-57) درجة مئوية ، حيث يجب أن لا تزيد درجة حرارة الكلايكول عن 57 درجة مئوية ، حيث تكون لزوجة الكلايكول أعلى في درجات الحرارة الواطئة ، أما في درجات الحرارة العالية فهذا يؤدي الى خسارة الكلايكول بسبب التبخر.

المواد المانعة لتكوين الهيدرات:

أن الهيدرات هي مواد صلبة مكونة من الماء مع أحد الغازات الهيدروكاربونية شكله أقرب الى مظهر الثلج. أن الظروف المثالية لتكون الهيدرات هي أنخفاض درجة الحرارة  وارتفاع الضغط .

إن الطريقة المثالية لحماية الأنابيب والأجهزة من الهيدريت المتكونة والتآكل هو بقاء هذه الأنابيب والأجهزة جافة وخالية من الماء, ومن الضروري إزالة الماء عندما تعمل الأجهزة بدرجات حرارة اقل من درجة تكون الهيدرات, وتضاف عدة مواد مانعة لتكوين الهيدرات, وغالبا يضاف الميثانول أو احد أنواع الكلايكول كمواد مانعة لتكوين الهايدرات, ومن الممكن استرجاع كل المواد المضافة ماعدا الميثانول حيث لا تعتبر عملية الاسترجاع اقتصادية.

 

غالبا يضاف الميثانول عند أي درجة حرارة لكن داي اثلين كلايكول لايمكن إضافته عندما تكون درجة الحرارة اقل من(- 10 مْ) بسبب لزوجته وصعوبة فصله عند وجود قطرات من النفط , لذا يضاف عند درجات حرارة أعلى من (- 10 مْ ) .

طرق تجفيف الغاز الطبيعي:

أ‌. طريقة الامتصاص باستعمال مجففات سائلة مناسبة أهمها مادة الكلايكول الثنائي والثلاثي.

ب‌. طريقة الامتصاص باستعمال المناخل الجزيئية Molecular Seals أو مجففات صلبة منها الالومينا المنشطة والسيليكاجيل والبوكسايت والكاربون المنشط.

ت‌. التبريد.

ث‌. الكبس ويتبعه التبريد.

ج‌. العزل بدرجات حرارة واطئة.

أن أهم ما يميز عوامل التجفيف هو أنه يجب إعادة تنشيطها ، ومن مميزاتها الأخرى :

1. قابلية الأمتصاص : وهي أكبر كمية من الماء يمكن لهذا العامل أن يمتصها كنسبة وزنية weight percent.

2. القدرة على تقليل درجة الندى.

3. القدرة على التجفيف وتقليل الرطوبة في الغاز.

4. مدى درجة الحرارة Temperature Range : وهو مدى درجة الحرارة التشغيلية التي يمكن خلالها أستخدام هذا العامل بدون فقدان خواصه.

5. عدد المرات التي يمكن فيها إعادة تنشيط المادة وأستخدامها ثانيةً بدون أن تفقد خواصها.

أن أغلب وحدات التجفيف تستخدم مواد التجفيف السائلة مثل DEG أو TEG وهي التي تجمع الأستخدام التشغيلي السهل ، وجانب الجدوى الأقتصادية. بالأضافة الى بعض العوامل الأخرى ، مثل:

 – الدخول الفعال الحد الفاصل بين الغاز والسائل.

 – التعامل مع تراكيز مختلفة.

 – سهولة ضخها.

 – ملائمتها للظروف التشغيلية المختلفة.

 – كلفتها الواطئة مقارنة بغيرها من المواد.

 – سهولة إعادة تنشيطها في ضغوط واطئة ودرجات حرارة عالية.

 أن سوائل التجفيف تكون بشكل عام ذات درجة غليان عالية وثابتة حرارياً ولا تفقد كفاءتها من كثرة الأستعمال.

الكلايكول: مادة نقية عديمة الرائحة سائلة حلوة المذاق تذوب في مدى واسع وبشكل تام في المذيبات القطبية مثل الماء والكحولات والأستون إلا أن ذوبانها قليل في المذيبات غير القطبية مثل البنزين ,التلوين , داي كلورو إيثان والكلوروفورم.

تعتبر طريقة التجفيف بطريقة الامتصاص باستعمال الكلايكول من أحسن الطرق وأكثرها شيوعا واستعمالا وبصورة خاصة للمركبات الغازية وكذلك عند عدم الحاجة إلى النزول بدرجة الندى إلى درجة واطئة جدا.

الكلايكول سائل له خواص امتصاص الماء بكميات كبيرة جدا وفقدانها بعد التسخين وبذلك يصبح صالحا للاستعمال مرة أخرى . أن جزيئات الماء متماسكة بشدة بسبب الآواصر الهيدروجينية ، كما أن مجاميع الأثيل والهيدروكسيل في الكلايكول تشكّل ترابطات شبيهة مع جزيئات الماء . 

س: ما هي أسباب تفضيل استعمال الكلايكول لتجفيف الغازات من بخار الماء؟

هناك العديد من العوامل التي تجعل الكلايكول من أكثر المواد المُجففة رغبة ً وهي:

 –  قابليته العالية لامتصاص بخار الماء .

 –  لا يتأثر بالحرارة العالية على أن لا يتجاوز 210 مْ . كما أنه يتميز بثباته ضد التحلل الكيميائي.

 –  ضغطه البخاري واطئ .

 –  كلفته مناسبة .

  – أمكانية أستخدامه بشكل مستمر بسبب سهولة إعادة تنشيطه مما يقلل كلفته. حيث يمكن إعادة تنشيطه الى تركيز يصل الى (89-99,95) %

س : ما هي مركبات الكلايكول المستعملة في تجفيف الغاز؟

 – الأثلين كلايكول (EG) ورمزه الكيميائي   C2H6O2

 يستخدم الأثلين كلايكول في حالات خاصة بسبب صعوبة إعادة تركيزه واستخدامه ثانية بدون فقدان كميات كبيرة منه, لذا لايمكن اعتباره كأحد المواد الممتصة والمستخدمة على نطاق واسع.

 –  داي أثلين كلايكول (DEG) ورمزه الكيميائي  C4H10O3

يستخدم على نطاق واسع وذلك لقلة ذوبانه في السوائل الهيدروكاربونية , يتراوح درجات الحرارة اللازمة لإعادة تنشيطها مابين(157,2 – 171,1)  مئوية .

 –   تراي أثلين كلايكول TEG ورمزه الكيميائي C6H14O4   

يمتاز التراي اثلين كلايكول بدرجة انحلال عاليــة تصل الى 206 °مئوية (تؤثر درجات الحرارة العالية على الكلايكول وتؤدي إلى تكوين حوامض مسببة للتآكل), ويتاز أيضاً بأمكانية أعادة تركيزه بدرجة عالية من النقاوة مع زيادة انخفاض في درجة الندى للغاز, تتراوح درجات الحرارة اللازمة لإعادة تنشيطها مابين(190,6 – 204,4 ) مئوية .

  تترا أثلين كلايكول(TREG)  ورمزه الكيميائي C8H18O5 

يمتاز هذا المركب بدرجة تحلل أعلى من التراي اثلين كلايكول ويؤدي استعمال التترا اثلين كلايكول زيادة في انخفاض درجة الندى مايقارب (10 فْ) أكثر من الدرجة التي يتم الحصول عليها باستعمال التراي اثلين كلايكول ومن مساوئه الكلفة العالية وصعوبة إعادة تركيزه بدرجات الحرارة العالية , تتراوح درجات الحرارة اللازمة لإعادة تنشيطه مابين ( 207,2 – 221,1 )مئوية.

ولأجراء عملية التجفيف بالمواد السائلة يفضّل استخدام سائل Tri Ethylene Glycol والمسماة اختصارا (TEG)  .

أن تخفيض درجة الندى Dew Point مرتبط بمجموعة من الأمور وهي: معدل تدوير الكلايكول – تركيز الكلايكول – عدد الصواني Trays – درجة حرارة التماس بين الكلايكول والغاز. ولعل أهم عامل يؤثر على نقطة الندى هو درجة حرارة الغاز الداخل حيث أن نقطة الندى تنخفض بشكل كبير بزيادة درجة حرارة الغاز ، كما أنها تزيد بتقليل درجة حرارة الغاز. ويجب أن لا تزيد درجة حرارة الكلايكول عن 57 °م. أما بالنسبة لتأثير الضغط فهو محدود جداً ، ولكن بشكل عام تزيد كفاءة التجفيف كلما قل الضغط. كما أن درجة حرارة الكلايكول إذا قلت عن 21 درجة مئوية فأن الكلايكول يصبح لزجاً.

Glycol Types Comparison
Glycol Types Comparison

 وكما يتضح من الجدول ، فأنه عند تنشيط DEG يجب أن لا تتجاوز درجة الحرارة عن 164 °C لأنها درجة تفككه للوصول الى تركيز 96% أو أعلى ، في حين عند تنشيط TEG فيجب أن لا تتجاوز درجة الحرارة عن 204°C (وهي درجة تفككه) للوصول الى تركيز يصل الى 98.9% .

س : ما هي محاسن ومساويء أستخدام TEG و DEG ؟

ج: 

    محاسن DEG:

       1. مستقر مع H2O و CO2 في درجات الحرارة التشغيلية الأعتيادية.
      
 2. يمتص للرطوبة بشكل كبير.
       3. أقل كلفة من TEG.

  مساويء DEG:

      1. ذوبانه جزئياً في الهيدروكاربونات السائلة.
     2. عند إعادة تنشيطه لا يزيد تركيزه عن 95% وزناً تحت الضغط الجوي.

 

  محاسن TEG:

      1. مستقر مع H2O و CO2 في درجات الحرارة التشغيلية الأعتيادية.
      2. يمتص للرطوبة بشكل كبير.
      3. يصل تركيزه الى أكثر من 97% .

  مساويء TEG:

      1. أغلى من DEG .
      2. قد يتسبب بتكوين الرغوة. مما قد يستوجب حقن المواد المانعة للرغوة.

المصادر:
1.  Gas Dehydration Using Glycol, Manning & Thompson, LSU.
2. Gas Plants part.1 / ENI Corporate University.

 يمكن نقل المقال الى أي موقع آخر بشرط ذكر المصدر والكاتب