shadow

Natural Gas Dehydration – Part.3

تجفيف الغاز الطبيعي – الجزء الثالث

 Natural Gas Dehydration 

   المهندس رائد العبيدي


تقليل انبعاثات وحدة التجفيف Reducing Dehydration Emissions

أن الغاية الأساسية من عملية التجفيف كما ذكرنا في الجزء الأول والجزء الثاني هي إزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي لمنع التآكل وتكون الهيدرات Hydrates في الأنابيب. وقلنا أن العملية الأكثر شيوعاً هي عملية التجفيف بأستخدام TEG ، حيث يحصل تماس بين مادة تراي أثيلين كلايكول والغاز الطبيعي الرطب .

أن الكلايكول لا يمتص الرطوبة فقط ، بل سيمتص معه الميثان CH4 وغيره من المركبات العضوية الطيّارة Volatile Organic Compounds VOCs وغيرها من ملوثات الهواء الخطرة Hazardous Air Pollutants HAPs والموجودة في الغاز الطبيعي.

 

فقد ذكرت دراسة أعدتها وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA ، أن هناك ما يزيد عن 38 ألف وحدة تجفيف بالكلايكول في الولايات المتحدة في عام 2001 ، مما يؤدي الى أنبعاث حوالي 18.6 مليار قدم مكعب من الميثان سنوياً الى الهواء الجوي. وتحتل صناعة الغاز الطبيعي المركز الثالث في مصادر أنبعاث الميثان بنسبة 17% . فيما تشكل أنبعاثات VOC و HAP من وحدات التجفيف 85% و 81% على التوالي من مجموع الأنبعاثات السنوية الناتجة من أنتاج الغاز الطبيعي.

وعلى ضوء هذه الأرقام فقد وضعت وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA معايير لأقصى تقنيات السيطرة MACT والتي أجبرت مستعملي وحدات التجفيف بالكلايكول على تقليل أنبعاثات HAP من هذه الوحدات بنسبة 95%.

وبموجب معايير MACT فأن على مستخدمي وحدات التجفيف بالكلايكول نصب معدات سيطرة لتقليل الملوثات الناجمة عنها. فقد تم تطوير وحدات جديدة تتطابق مع هذه المعايير ، حيث تقوم هذه الوحدات بتقليل أنبعاثات HAP وغاز الميثان ، وتتلخص هذه الطريقة بجمع الأبخرة الهيدروكاربونية المنبعثة من وحدة التجفيف من Vent Stack ومن ثم تكثيفها لتكوين مركب هيدروكاربوني مفيد ، وبعض الماء ، كما يتم الأستفادة من الأبخرة المتبقية كمصدر للوقود لنفس الوحدة.

أن التقنية الجديدة تستخدم مبدأ تكثيف السائل ، وفصل الأطوار ، في حين لا يحتاج الماء الى معالجة ،وتقليل تلوث الهواء الى الحد الأقصى ، ويختلف التصميم الجديد بنصب مضخة جديدة تقلل انبعاث الميثان ، ونصب وحدة لمعالجة انبعاثات Vent Stack ، مع تصميم جديد للمسخنة Reboiler يقلل أستهلاك الغاز وأنبعاثاته.

وعازلة ثلاثية الطور ThreePhase Separator ووحدة لتبريد الكلايكول ويتجسد التعديل الرئيسي في هذا التصميم في وضع منظومة سيطرة على برج Vent Stack حيث يتم تجميع الهيدروكاربونات ومركبات HAPs في ضغط فراغي Vacuum وتكثيفها.

وقد حققت هذه الطريقة نجاحاً كبيراً حيث تم تقليل أنبعاثات HAP الى حوالي 99.74% .ولقد قللت هذه الطريقة من أنبعاثات BTEX الى حد كبير وهي (Benzene Toluene Ethyl benzene Xylene)

لقد تم تجربة هذه التقنية في وحدة تجفيف تعالج 26 مليون قدم مكعب قياسي باليوم شمال غرب برغتون في ولاية كولورادو ، وقد كانت الرطوبة الزائدة الخارجة من برج Vent Stack تُسبب مشاكل مستمرة قبل تطبيق هذه التقنية ، كما أن التحاليل للغازات المنبعثة من برج Vent Stack كانت عبارة عن: اول وثاني اوكسيد الكاربون – الهيدروكاربونات – مركبات BTEX– مركبات HAPs بالاضافة الى الهيكسان.

وقد أستحدثت وكالة البيئة الأمريكية تعريفاً جديداً وهو كفاءة كسر ملوثات الهواء الخطرة HAPs destruction efficincy  وهو عبارة عن كمية الملوثات HAPs الداخلة الى المنظومة منقوصاً منها كمية الملوثات HAPs الخارجة من المنظومة مقسوماً على كمية الملوثات HAPs الداخلة الى المنظومة. وقد كانت أغلب هذه الملوثات منبعثة عن الماء المنتج والتسربات Leaks (أن وجدت) والغازات المنبعثة من المسخنة Reboiler ، حيث أن عمود حرق الغازات burner stack قد يحتوي على بعض الملوثات غير المحترقة مما يؤدي الى أنبعاثها الى الى الهواء الجوي ، أما الملوثات الذائبة في الماء فأنها تنبعث منه عند تصريفه.
لقد أستمرت تجربة هذا النموذج لمدة 7 ايام للحصول على المعلومات المطلوبة وتقييم التصميم الجديد ، والتأكد من أن الوحدة تعمل بشكل جيد. وقد تم قياس نسبة الملوثات والميثان بواسطة الكروموتوغرافيك
Chromotographic كل 15 دقيقة ، حيث كان معدل الأنبعاث أقل من 0.0016 Ib/hr كما أن نسبة الرطوبة في الغاز الجاف الخارج كانت أقل من 7 Ib/MMscf أي أقل من 7 باوندات لكل مليون قدم مكعب قياسي وهو ضمن المواصفات القياسية للغاز الطبيعي المصدّر ، في حين كانت كمية الغاز المعالج بهذه الوحدة تتراوح بين 26.8 29.3 مليون قدم مكعب قياسي.
لقد لوحظ أن هذه المنظومة قامت بحرق كل الهيدروكاربونات غير المتكثفة بدون تصريفها الى الهواء الجوي كما استعملت بعض هذا الغاز في المنظومة. وقد تراوح معدل تدوير الكلايكول
gpm 3.0 – 3.77 في حين كانت نسب اوكسيدات النتروجين NOx وأول أوكسيد الكاربون وثاني أوكسيد الكاربون وملوثات الهواء الخطرة HAPs المنبعثة من عمود حرق الغازات في المسخنة كالآتي: 0.0817 0.0005 111 0.0003 باوند/ ساعة على التوالي أما أنبعاثاتها من الوحدة فقد كانت غير محسوسة ، أما كفاءة كسر الملوثات الخطرة
HAPs destruction efficincy أكثر من 99.74%.

تقليل أنبعاثات البنزين Benzene Emissions Reduction

قامت الجمعية الكندية لمنتجي النفط Canadian Association of Petroleum Producers بتشكيل مجموعة للعمل على أنبعاثات البنزين من وحدات التجفيف بالكلايكول وإعداد دراسة بهذا الخصوص ، وقد كان الغرض منها أيجاد طريقة فعالة للسيطرة على الأنبعاثات من وحدة التجفيف وخاصة أنبعاثات البنزين وزيادة الوعي بمخاطرها على صحة الأنسان وكيفية تقليل المخاطر الناجمة عن التعرض لهذه الأنبعاثات ، ومن ثم تبني طرق فاعلة للسيطرة على هذه الأنبعاثات.

أن البنزين يكون موجوداً بشكل طبيعي في الغاز ، ويتم أمتصاصه مع مجموعة من الهيدروكاربونات بواسطة الكلايكول في برج التلامس لينبعث بعدها من أعلى برج Vent Stack ويعتمد معدل الأمتصاص على معدل تدفق الكلايكول. وتحاول أغلب الشركات تحسين أداء وحدة التجفيف ولكن هذا قد يؤدي الى زيادة انبعاثات البنزين ، بسبب زيادة نسبة تدوير الكلايكول أو زيادة استخدام غاز النزع Stripping Gas .

أن أهم العوامل المؤثرة على أنبعاث البنزين هي:

نسبة وجود البنزين في الغاز الطبيعي الداخل : حيث يكون موجود في بعض الأحيان (وليس في جميع الأحيان) في الغاز الطبيعي وتعتمد كمية البنزين الذي يتم   أمتصاصه من الغاز الطبيعي على تركيز البنزين في الغاز الطبيعي الداخل.
– معدل تدوير الكلايكول Glycol Circulation Rate: حيث تكون كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه متناسبة مع معدل تدوير الكلايكول.
– درجة حرارة برج الأمتصاص Absorber Temperature : أن درجة حرارة برج الأمتصاص تتأثر بشكل كبير بحرارة الكلايكول الداخل ، حيث أن زيادة درجة الحرارة  تؤدي الى زيادة نسبة بخار الماء وزيادة تطاير البنزين مما يؤدي الى تقليل كفاءة أمتصاص البنزين في الكلايكول.
ضغط برج الأمتصاص Absorber Pressure : ويتم تحديدها بواسطة ضغط الغاز الداخل ، وبزيادة ضغط برج الأمتصاص تزيد كمية البنزين الذي يمتصه الكلايكول.

معدل تدفق الغاز Gas flow rate : تتأثر كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه بواسطة الكلايكول بمعدل تدفق الغاز ، ولكن هذا العامل ليس له نفس تأثير العوامل التي تم ذكرها.

 كيفية تقليل أنبعاثات البنزين :

 أن طريقة التفكير الهندسي الأستباقي في تصميم وحدات التجفيف هو الشيء الأكثر تأثيراً في تقليل أنبعاثات البنزين ، حيث يجب أخذ الأمور التالية بنظر الأعتبار عند التصميم:

 – معدل تدوير الكلايكول ، وتركيزه ونقاوته.

 – درجة حرارة برج الأمتصاص.

 – وجود وحدات سيطرة على الأنبعاثات.

الخطوات العملية تقليل أنبعاثات البنزين :

 1. معدل تدوير الكلايكول: وهو من أكثر العوامل تأثيراً على كمية البنزين التي تم أمتصاصها ، لذا يجب الحفاظ على معدل تدوير للكلايكول يضمن تجفيفاً جيداً ولا يزيد عن المعدلات المطلوبة كي لا تزيد كمية البنزين الذي يتم أمتصاصه. أو بأختصار أستخدام الحد الأدنى المقبول.

 2. درجة حرارة برج الأمتصاص :حيث يزيد أمتصاص البنزين في الضغوط العالية لبرج الأمتصاص ودرجات الحرارة الواطئة لنفس البرج ، لذا يتوجب ضبط ضغط برج  لتلامس لتقليل أنبعاثات البنزين بالشكل الذي يضمن استمرار عملية التجفيف وتقليل انبعاثات البنزين الى الحد الأدنى.

     أما درجة حرارة برج الأمتصاص ضبطها من خلال السيطرة على درجة حرارة الكلايكول المشبع ( في المبادل الحراري على سبيل المثال) أو من خلال ضبط درجة حرارة الغاز الداخل اليه من خلال نصب وحدات لتسخين الغاز قبل التجفيف (ملاحظة: في محطات الكبس لن تكون هناك حاجة الى تسخين الغاز حيث أنه يكون بدرجة حرارة عالية بعد خروجه من الكابسة).

 3. عدد صواني برج الأمتصاص Absorber Trays : حيث يزيد أمتصاص البنزين بزيادة عدد الصواني في برج الأمتصاص أو ارتفاع الحشوة (في أبراج الأمتصاص ذات الحشوة Packing Absorbers).

 4. درجة حرارة المسخنة Reboiler Temperarture : أن الغاية الأساسية من المسخنة هو لزيادة كفاءة الأمتصاص. أن درجة الحرارة المثالية للمسخنة هي ما يساعد على زيادة تركيز الكلايكول ، أن التغييرات في درجة حرارة المسخنة (صعوداً أو نزولاً) عن درجة الحرارة المثالية قد يجعل من عملية التجفيف عملية غير كفوءة ، حيث أن درجات الحرارة الأعلى يؤدي الى تجفيف كاف لكنه قد يؤدي الى فقدان الكلايكول ، وزيادة في أستهلاك غاز الوقود. 

     أما عندما تكون درجات الحرارة أوطأ من درجة الحرارة المثالية فذلك سيؤدي الى قلة كفاءة عملية أمتصاص الماء وقد يدفع المشغل الى زيادة معدل تدوير الكلايكول.

 5. غاز النزع Stripping Gas : وهو عبارة عن غاز وقود جاف يتم حقنه في جزء النزع من المسخنة ، وذلك لأعادة تنشيط الكلايكول عالي التركيز ، ويجب أن تكون  معدلات مناسبة لهذا الغاز لأن الكميات الزائدة منه سوف تذهب الى الجو على أية حال. لذا فالدراسة توصي بتقليل غاز النزع الى الحد الأدنى.

 6. خزان Flash Tank: والغاية منه إزالة الغاز الذائب من الكلايكول المشبع وتحسين عملية إعادة تركيز الكلايكول ، وهو يزيد من فاعلية وحدات التكثيف في السيطرة على أنبعاثات البنزين.

 7. أمور أخرى: أن أضافة الحشوة أو المزيد من الصواني Trays الى برج الأمتصاص يزيد كفاءة عملية التجفيف وتقليل نقطة الندى Dew Point . أن الملوثات الموجودة في النفط والغاز مثل الماء المنتج ، الزيوت Lubricants ، المواد الكيمياوية التي يتم إضافتها الى النفط والغاز oil well chemicals ، والصدأ قد تُقلل كفاءة الكلايكول في أمتصاص الماء. أما الهيدروكاربونات الأثقل فأنها تزيد قابلية الكلايكول على أمتصاص البنزين، مما يؤدي الى تقليل كفاءة العملية ، لذلك يمكن زيادة الكفاءة من خلال نصب مرشحات معينة Filters قبل وحدة التجفيف.

    كما أن لضغط برج الأمتصاص دوراً كبيراً في هذا الموضوع ، حيث أن ذوبانية البنزين Benzene Solubility تزيد بزيادة الضغط ، أما الغاز الذي يكون بضغط عال فتكون له قابلية محدودة لحمل الماء مما يساعد على تقليل تدفق الكلايكول .

 معدات السيطرة على الأنبعاثات:

 حيث يتوجب إضافة مجموعة من المعدات لتقليل هذه الأنبعاثات ، أو الحد منها ، ومن هذه المعدات:

 1. المكثفات Condensers : وتقوم بتقليل درجة حرارة الغازات التي يتم تصريفها من Vent Stack ، ليتم بعدها تجميع هذه السوائل لغرض معالجتها أو تصريفها ،  وأهم أنواع المكثفات هي التي مكثفات التبريد بالهواء – مكثفات التبريد بالماء – مكثفات التبريد بالغاز ، ومكثفات التبريد بالماء يقل أستخدامها في المناطق الباردة بسبب مشاكل الأنجماد ، وهناك تقنية لتوجيه الغازات المنبعثة من Still Column الى خزان أرضي أو تحت باطن الأرض لغرض تبريده وخاصة ً في المناطق الباردة حيث تكون لحرارة الجو المنخفضة عاملاً مساعداً للتبريد ، ويمكن بعدها إعادة توجيه الخارج من الخزان الى المشاعل flares أو المحارق Incinerators .

 2. الطرق الحرارية : وتتضمن منظومات المشاعل flares system أو المحارق Incinerators ولكلا المنظومتين دور فاعل في السيطرة على أنبعاثات البنزين ، ولكن هذه  المنظومات كانت منصوبة أصلاً للسيطرة على أنبعاثات كبريتيد الهيدروجين.

    المشاعل : ويتضمن تجميع كافة الغازات والأبخرة الى خزان حيث يتم تجميع السوائل المتكثفة وتصريفها  ، أما الغازات المنبعثة من الخزان فيتم حرقها في مشعل الضغط الواطيء LP flare . ويجب أن يتم نصب كابح اللهب Flame Arrestor لمنع رجوع اللهب الى المنظومة.  ويمكن للمشاعل أن تقوم بتدمير مركبات BTEX من خلال حرقها ، كما تم تصميم مشاعل حديثة لغرض ضمان الأحتراق الكامل لهذه المركبات .

    المحارق Incinerators : يمكن  نصب محرقة قبل المكثفات ،  حيث أن الحرق بدرجات حرارة عالية يؤدي الى حرق كامل يصل الى أكثر من 99% لهذه المركبات.  أن موقع وأرتفاع المحرقة يجب أن يكون مبنياً على متطلبات وأسس السلامة ومراعاة محددات تراكيز الغازات السامة ، كما يجب أخذ غاز الوقود بنظر الأعتبار أثناء التفكير بأعتبارات الكلفة عند نصب هذه المحارق.

 معالجة المخلفات:

 مرشحات الكلايكول Glycol Filters: هناك نوعان أساسيان من المرشحات هما: مرشحة الكاربون المنشط Activated carbon filters ومرشحة wet filter ، أن مخلفات هذه المرشحات تعتبر خطرة جداً بسبب قابليتها على الأحتراق أو الأشتعال.

مخلفات الكلايكول : يمكن أن يصبح الكلايكول ملوثاً بالكلوريدات بشكل خاص مما يفقده كفاءته في أمتصاص الماء، ولا تعتبر مخلفات الكلايكول خطرة إلا إذا كانت نقطة الوميض أقل من 61°C  ، أن مخلفات الكلايكول لا يجب تصريفها الى الهواء الجوي أو الى المحيط. 

المكثفات Condensates : هناك مصدران للمكثفات (الماء والهيدروكاربونات) ، ومن ثم وحدات التجفيف التي تنتج مزيج (الماء – الكلايكول – الهيدروكاربون) من الأبخرة المتكثفة. ويتوجب فصل هذه المكثفات بواسطة عازلات.ويمكن حقن هذه المكثفات في أحد الابار أو اي من طرق التصريف الأخرى ، أن معرفة حجم ونوعية المكثفات يمكن أن يساعد في أختيار الطريقة ذات الجدوى الأقتصادية.

Resources:
1.  Oil & Gas Journal .
2. Canadian Association of Petroleum Producers and Canadian Gas Association, A Management Strategy for Air Emissions from Glycol Dehydrators..

يمكن نقل المقال الى أي موقع آخر بشرط ذكر المصدر والكاتب

Natural Gas Dehydration – Part.2

تجفيف الغاز الطبيعي – الجزء الثاني

 Natural Gas Dehydration 

   المهندس رائد العبيدي


العوامل المؤثرة على عملية تجفيف الغاز الطبيعي:

 1. مكونات الغاز.

 2. درجة الحرارة التشغيلية والضغط التشغيلي.

 3. كفاءة التلامس بين الغاز والكلايكول للطور الغازي.

 4. حرارة ولزوجة الطور السائل.

 5. تركيز الماء في الكلايكول النشط.

 

وصف عملية التجفيف:  

Contactor
Contactor

تتألف وحدة التجفيف عادة ً من قسمين : برج التلامس Contactor – وحدة إعادة تنشيط الكلايكول Glycol Regeneration Unit ، القسم الأول يخص الغاز ، أما القسم الثاني فيخص الكلايكول حيث أن عملية تجفيف الغاز تتم في برج التلامس ويخرج الغاز منه خالياً من الرطوبة الى حد كبير ، أما وحدة تنشيط الكلايكول فيتم فيها تخليص الكلايكول من الرطوبة من خلال تسخينه حيث يرجع الى حوالي 99% من تركيزه الأصلي.

يضخ الكلايكول من خزان الكلايكول بواسطة المضخات الى أعلى برج التلامس في حين يدخل الغاز الرطب من أسفل برج التلامس Contactor ، ويحتوي برج التلامس عادة ً على صواني Trays يحتوي كل منها على تراكيب تسمى Bubble Caps تكون بهذا الشكل Π تقريباً يحصل فيها التلامس بين الكلايكول والغاز الرطب حيث أن الغاز يكوّن فقاعات داخل الكلايكول تتسرب الى الأعلى ليخرج الى الصينية التالية الأعلى ، في حين يتراكم الكلايكول الى ممر جانبي يسمى Downcomer لينزل الى الصينية التي بالأسفل كما هو موضح بالشكل. وهناك بعض التصاميم الحديثة لأبراج التلامس تكون فيها المسافة بين آخر صينية ومستخلص الرذاذ Mist Extractor كبيرة لتقليل خسارة الكلايكول والحصول على فصل أكبر بين الكلايكول والغاز. كما أن بعض التصاميم الحديثة تستخدم أبراج الحشوة Packing للحصول على مساحة سطحية أكبر للتلامس بين الغاز الرطب والكلايكول.

Bubble Cap Trays
Bubble Cap Trays

 يجب أن لا يزيد فرق الحرارة بين الكلايكول الداخل من أعلى برج التلامس والغاز الرطب الداخل من أسفل برج التلامس عن (5 درجة مئوية) . لذلك يتم تبريد الكلايكول بواسطة وحدة تبريد هوائية fin fan air cooler قبل دخوله الى برج التلامس لضمان هذا الفرق في الحرارة.

يخرج الكلايكول الرطب من برج التلامس حيث يتم التحكم بمستوى الكلايكول في برج التلامس بواسطة مسيطر مستوى Level Controller يذهب بعدها الكلايكول المشبّع Rich Glycol الى عازلة أفقية تسمى Flash Separator أو Flash Tank الغاية منها التخلص من المكثفات الموجودة فيه ، مع أستعمال غاز الوقود لنزع غاز H2S منه ، يذهب بعدها الكلايكول الى المرشحات وهي على نوعين : الأول Wet Glycol Filter لتخليص الكلايكول من المواد الصلبة ، أما الثاني فهو Carbon Filter والذي يقوم بتخليص الكلايكول من السوائل الهيدروكاربونية أو كبريتيد الحديد .

يدخل بعدها الى مبادل حراري لتسخين الكلايكول بشكل أولي قبل دخوله الى المسخنة Reboiler حيث يتم تسخينه في المسخنة الى درجة تتراوح بين (195-200) ° مئوية ليتم تخليصه من الماء ، مع وجوب المحافظة على درجة حرارة الكلايكول أقل من 204 ° مئوية (لضمان عدم تحلل الكلايكول) ، في حين يخرج الماء منه على شكل بخار ماء من أعلى المسخنة بواسطة أنبوب يُسمى Vent Stack ، وتقوم بعض التصاميم على طريقة إضافية لتقليل فقدان الكلايكول من خلال أمرار الكلايكول في Coil داخل Vent Stack لتسخينه.

يرجع الكلايكول بعد تنشيطه الى خزان الكلايكول Glycol Tank والذي يسمى أحياناً بـ Surge Tank . ومنه يضخ بواسطة مضخات الكلايكول والتي تكون عادة ً من نوع Positive Displacement Pump PDP ليتم ضخه الى برج التلامس مرة ثانية .. وهكذا تستمر دورة الكلايكول. والمخطط التالي هو لوحدة تجفيف مثالية.

وحدة تجفيف الغاز الطبيعي
glycol dehydration unit

تعتمد كفاءة برج التلامس على :

 1. معدل تدفق الغاز inlet gas flow.

 2. حرارة وضغط وتركيز الكلايكول الداخل.

 3. معدل تدفق الكلايكول glycol flow.

 

أن الغاز الداخل الى برج التلامس قد يكون مشبّعاً ببخار الماء ، في حين أن كمية الماء الذي يتم أمتصاصه تزيد بزيادة تركيز الكلايكول ، وتقليل درجة حرارة الكلايكول ، ومعدلات التدفق العالية وزيادة عدد صواني برج التلامس.

المواصفات المثالية للكلايكول:

Glycol Specifications

أن الدالة الحامضية تكون أقل بالنسبة للكلايكول المشبع نظراً لأحتوائه على الغاز الحامضي ، أما محتوى الهيدروكاربونات والمعادن والكلوريدات فيعتمد على كفاءة المرشحات المستخدمة في وحدة التجفيف.  ويكون فرق محتوى الماء بين الكلايكول المشبع والنشط بين (2-6) %.

س : ما هي المعلومات التي تحتاج أليها لتصميم وحدة تجفيف؟

 

     – معدل تدفق الغاز ، وضغطه ، ودرجة حرارته.

     – درجة الندى Dew Point المطلوبة أو محتوى الماء المطلوب في الغاز الخارج.

     – تحاليل الغاز الداخل ، ومحتوى الغاز الحامضي.

س : ما هي كمية غاز النزع المطلوبة Stripping Gas؟

ج: تتباين هذه الكمية وفقاً لنقطة الندى المطلوبة ، ويستخدم بواقع نصف قدم مكعب قياسي لكل غالون من الكلايكول.

مضخات الكلايكول:

يجب أن تكون مضخات الكلايكول من نوع المضخات الترددية Reciprocating Pumps بسبب الحاجة الى ضغط دفع عال High disch. Pressure وتدفق قليل نسبياً  relatively low flowrate وذلك لضخ الكلايكول من خزان الكلايكول Glycol Surge Tank الى أعلى برج التلامس ، ويجب وجود مضختين في الوحدة أحدهما عاملة ومضخة أحتياط StandBy يتم تدويرها بواسطة محرك كهربائي مع أمكانية تعيير معدل التدفق.

أبراج التلامس المستعملة في العملية :

 يتم إزالة بخار الماء بأستعمال طرق تجفيف الغاز الطبيعي ، حيث يُمكن لهذا البخار أن يتكثف من خلال الكبس والتبريد ، وقد ذكرنا في الجزء الأول أن عملية التجفيف تعتمد بشكل أساسي على برج التلامس Contactor الذي يحصل فيه التلامس بين الغاز الرطب والكلايكول الذي يعمل على أمتصاص الرطوبة منه ، وسنحاول في هذا الجزء توضيح مكونات هذا البرج.

أن وجود هذا البرج مهم للغاية في عملية التجفيف لأن عملية أنتقال المادة Mass Transfer تحصل فيه ، يتضمن التصميم التقليدي لبرج التلامس وجود بعض التراكيب الداخلية Internals مثل :

– تركيب الدخول Vane Inlet Device VID والغرض منها توزيع الغاز.

– جزء تجميع السائل liquid collection tray.

– الصواني Trays أو الحشوة Packing لضمان حصول انتقال المادة.

– أجزاء أخرى مثل مستخلص الرذاذ والذي يقلل من فقدان الكلايكول.

أن الغاية من تركيب الدخول هو توزيع الغاز الداخل وتقليل عزم الدخول feed momentum ، وعزل السوائل (إن وجدت) ، بالأضافة الى توزيع الغاز خلال مقطع البرج. كما أن لهذا التركيب دوراً مهماً في تقليل أرتفاع البرج.

أما جزء تجميع السائل liquid collection tray فتكون الغاية منه تجميع السوائل أسفل البرج ثم تصريفها منه كناتج غير مرغوب فيه ، حيث يتم التحكم بمستواها عن طريق مسيطر مستوى level controller لتذهب الى حفرة الحرق.

أن الصواني المزوّدة بالتراكيب المقلوبة Bubble Cap Trays فتستخدم بشكل واسع في هذا النوع من الأبراج ، لفاعليتها في معدلات التدفق المختلفة ، كما أنها مناسبة للسوائل اللزجة. وتستعمل أغلب أبراج التلامس (4-12) صواني وبمسافة 24 عقدة بين الواحدة والأخرى. وتكون المسافة بين الصواني 0.6-0.8 m في حالة كون سرعة الغاز  0.2 0.3 م/ثا . يعتمد عدد الصواني على: (1) درجة الحرارة التشغيلية (2) معدل تدفق الكلايكول (3) نقطة الندى المطلوبة.

كما أن هناك حاجة لوجود تركيب ميكانيكي لتوزيع الكلايكول ، وذلك للتعامل مع تقلبات تدفق الكلايكول ، كما أن وجوده سيمنع أصطدام الكلايكول القادم بسرعة عالية بالصواني أو الحشوة حيث أنه يؤدي الى تضرر الصواني وتراكيب Bubble Caps أو الى تضرر الحشوة وتراكمها في جهة واحدة بسبب تركّز ضغط سائل الكلايكول على الجهة الأخرى. ويعتمد تصميم هذا التركيب على معدل تدفق الكلايكول ، وقطر البرج.

أما مستخلص الرذاذ فيجب أن يكون على مسافة مناسبة من خط خروج الغاز Gas Outlet لا تقل عن 3 قدم. ويعمل على أستخلاص الكلايكول من الغاز في حالة خروجه مع الغاز أي حصول Carry over.

أستعمال الحشوات النظامية Structured Packing:

أن التوجه السائد الآن هو استعمال الحشوات بدلاً من الصواني ، وخاصة ً لدرجات الندى الواطئة ، وقد أدى هذا الأمر الى إعادة أختبار تصاميم أبراج التلامس للحصول على المزيد من التجفيف بكلفة أقل ، أن لهذا النوع من الأبراج العديد من الميزات فهي تتعامل كميات أكبر ، مع فرق الضغط قليل ، وأرتفاع أقل للبرج إذا قورنت بالبرج ذو الصواني. 

ويمكن تلخيص الفروق بين النوعين في النقاط التالية:

– أن السرعة التصميمية للغاز في أبراج الحشوات هي ضعف السرعة في أبراج الصواني ، مما يعطيها سعة أكبر.

–  فقدان الكلايكول أقل في الأبراج ذات الحشوات.

– أن أبراج الحشوة أقل كلفة ً من أبراج الصواني.

كما يجب الأخذ بنظر الأعتبار وضع تركيب توزيع الكلايكول ، ومستخلص رذاذ ذات كفاءة عالية.

أن وجود الهيدروكاربونات السائلة في الغاز يؤدي الى آثار سلبية وخاصة في الأبراج ذات الصواني لأنها تسبب الرغوة foam مما يسبب تقليل كفاءة برج التلامس ، وهذه الحالة تستوجب وجود عازلة flash separator لإزالة كل هذه الهيدروكاربونات السائلة ، كما يتوجب التخلص من أكبر قدر ممكن من هذه السوائل قبل دخول الغاز الى وحدة التجفيف.

 المشاكل التشغيلية في وحدة التجفيف بالكلايكول

   ما هي أسباب فقدان الكلايكول؟ 

   أن هناك فقدان طبيعي يقدر بـ 0.1 غالون لكل مليون قدم مكعب قياسي من الغاز الطبيعي يعبر عنه بـ 0.1 gal of Glycol / MMSCF of NG

  – السرعة العالية للغاز داخل برج التلامس Contactor ، مما يؤدي الى الحمل الأضافي carryover للكلايكول مع الغاز الطبيعي ومما يساعد في ذلك حدوث تضرر مستخلص الرذاذ Mist Extractor الموجود في أعلى برج التلامس.

  – زيادة درجة حرارة المسخنة Reboiler مما يؤدي الى تفكك الكلايكول.

  – أرتفاع درجة حرارة برج النزع Still Column مما يؤدي الى هروب الكلايكول من أنبوب تصريف الغازات Vent Stack .

 

 برج التلامس:

ما هي أسباب عدم حصول التجفيف الكافي؟

 – محتوى الماء العالي في الكلايكول المشبع Lean Glycol .

 – معدل التدوير عالي أو واطيء. حيث أن معدل التدوير العالي يؤدي الى عدم حصول التبريد بالشكل الكافي ، وبالتالي ارتفاع درجة حرارة الكلايكول وقلة قابليته على أمتصاص الماء. كما أن معدل التدوير العالي يؤدي الى تقليل زمن التلامس.

 – أما معدل التدوير الواطيء فيؤدي الى عدم كفايته في إزالة الماء.

 – أرتفاع درجة حرارة الغاز الداخل High Inlet Gas temperature. لأن الماء يفضّل الطور الغازي.

 – قلة ضغط برج التلامس Absorber Pressure.

 

 حصول الرغوة Foaming:.

 يعتبر حدوث الرغوة من أهم المشاكل التي تحدث في وحدات التجفيف بالكلايكول حيث أن هذه المشكلة تؤدي الى زيادة فقدان الكلايكول وتقلل كفاءة وحدة التجفيف ، وهذه المشكلة تؤدي الى خروج الكلايكول مع الغاز المصدّر. كما أن الرغوة تقلل التماس بين الغاز والكلايكول ، ولذلك فأن كفاءة التجفيف تقل. 

أن أستعمال مضادات الرغوة Defoaming Agents يعتبر أحد الطرق للتغلب على هذه المشكلة ، ومن هذه المواد أحادي أيثانول أمين MEA ، ولكن من المهم جداً أن نعرف أن هذه الأضافات ليست حلاً للمشكلة الأساسية ، حيث يجب تحديد السبب ومعالجته. وأهم أسباب حدوث الرغوة :

– قلة تركيز الكلايكول في برج التلامس.

– الفرق العالي في درجات الحرارة بين الغاز الرطب والكلايكول الداخل الى برج التلامس.

– صعود الدالة الحامضية PH للكلايكول ، حيث إذا كانت أكبر من 9 فأن هذا يجعل الكلايكول يميل الى إحداث الرغوة والأستحلاب.

– زيادة سرعة الغاز (لسبب ميكانيكي).

 – وجود الشوائب (لأسباب كيمياوية) وهذه الشوائب تتمثل في الشوائب الصلبة ، مانع التآكل Corrosion Inhibitor، المواد الكيمياوية المستعملة في حفر الآبار.

 ويمكن حل هذه المشكلة بنصب (مرشحة كاربون منشط Activated Carbon filter) لأزالة أية مواد تسبب الرغوة Foaming materials.

 

الفقدان في الهيدروكاربونات Hydrocarbon Losses:

 المسبب الرئيسي لهذا الفقدان هو الخواص الفيزياوية للمذيب. ويمكن معالجته باستخدام مكثف أو عازلة بعد برج التلامس.

 

 مشاكل خزان الحفظ Glycol Surge Tank:

 أن أغلب مشاكل خزان الحفظ هي مشاكل المستوى ، حيث أن المستوى العالي يؤدي الى زيادة التدفق وبالتالي زيادة معدل التدوير.

 كما أن المستوى الواطيء يؤدي الى تقليل معدل التدوير.

 

 مشاكل المبادل الحراري Heat Exchanger:

 – التآكل.

 – تضرر المبادل.

 

 مشاكل المضخات Glycol Pump:

 – التنقر Pitting ، السبب الرئيسي هو وجود الشوائب الصلبة ويمكن معالجة هذه المسألة بنصب مصفاة Strainer في خط السحب للمضخة Pump Suction.

 

المصادر:

1.  Oil & Gas Processing.
2. NATCO Glycol Dehydration Systems.

    يمكن نقل المقال الى أي موقع آخر بشرط ذكر المصدر والمؤلف

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