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:
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.
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.
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:
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 Stand–By 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.
إقرأ الجزء الثالث من مقال (تجفيف الغاز الطبيعي) للمهندس رائد العبيدي
