ขั้นตอนการแปรรูปก๊าซธรรมชาติ: คู่มือวิศวกรรมแบบครบถ้วน

การแปรรูปก๊าซธรรมชาติคืออะไร?

ในภาคพลังงานระดับกลาง คำว่า "การแปรรูปก๊าซธรรมชาติ" หมายถึงกระบวนการที่ซับซ้อนของวิศวกรรมเทอร์โมไดนามิกส์และวิศวกรรมเคมี ซึ่งจำเป็นเพื่อเปลี่ยนก๊าซดิบที่ยังไม่ผ่านกระบวนการแปรรูปให้เป็นก๊าซธรรมชาติที่มีคุณภาพเหมาะสมสำหรับการส่งผ่านท่อและใช้ในเชิงพาณิชย์ เพื่อเข้าใจความจำเป็นของโครงสร้างพื้นฐานนี้ เราต้องเริ่มจากการพิจารณาคำนิยามพื้นฐานของวัตถุดิบก่อน เมื่อก๊าซธรรมชาติดิบถูก สกัดจากดิน และเมื่อถึงหัวบ่อ มันก็ไม่ใช่มีเทนบริสุทธิ์เลย แต่เป็นสารผสมหลายเฟสที่มีความผันผวนสูงและซับซ้อน

กระแสสารดิบนี้มักประกอบด้วยส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนเบา (เมทาน), ของเหลวจากก๊าซธรรมชาติที่มีน้ำหนักมากกว่า หรือ NGL (เอทาน, โพรเพน, บูเทน และเพนเทน), ไอน้ำอิ่มตัว (H₂O), ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) ที่มีพิษสูง, คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂), ก๊าซเฉื่อย เช่น ไนโตรเจนและฮีเลียม รวมถึงโลหะหนักในปริมาณน้อย เช่น ปรอท และสิ่งเจือปนทางกล เช่น ทรายและของเหลวในหลุมเจาะ

การประมวลผลส่วนผสมหลายเฟสนี้มีวัตถุประสงค์หลักสองประการที่ไม่อาจประนีประนอมได้ในการดำเนินงานของโรงงานสมัยใหม่:

การทำให้บริสุทธิ์ (การปรับสภาพ): เป้าหมายหลักคือการกำจัดสิ่งเจือปนที่มีคุณสมบัติกัดกร่อน เป็นพิษ และไม่ติดไฟอย่างเคร่งครัด ซึ่งช่วยให้ก๊าซเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐานการส่งก๊าซผ่านท่อที่ได้รับการกำกับดูแลอย่างเข้มงวดในระดับสากล ตัวอย่างเช่น สมาคมผู้แปรรูปก๊าซ (GPA) และสถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน (API) กำหนดโดยทั่วไปว่า ก๊าซที่จำหน่ายต้องมีปริมาณ H₂S น้อยกว่า 4 ppmv (ส่วนต่อล้านตามปริมาตร) และปริมาณ CO₂ ต้องถูกจำกัดอย่างเคร่งครัดให้ต่ำกว่า 2% การไม่ปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้จะส่งผลให้ต้องปิดระบบท่อส่งก๊าซ และก่อให้เกิดการเสื่อมสภาพทางโลหะวิทยาอย่างรุนแรงต่อเครือข่ายการส่งก๊าซ
การแยก (การกู้คืน NGL): เป้าหมายรอง แต่มีความสำคัญทางเศรษฐกิจ คือการสกัดผลิตภัณฑ์ข้างเคียง dạngของเหลวที่มีมูลค่าสูง เอทาน โพรเพน และบิวเทน เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอุตสาหกรรมปิโตรเคมีระดับโลก (ใช้ในพลาสติก สารทำความเย็น และเชื้อเพลิง) การแยก NGL เหล่านี้ออกจากกระแสเมทานหลักจะช่วยเพิ่มผลผลิตทางเศรษฐกิจของโรงงานแปรรูปให้สูงสุด

ขั้นตอนที่ 1: การแยกก๊าซและของเหลวขั้นต้น

ทันทีที่กระแสก๊าซดิบหลายเฟสผ่านเขตพื้นที่ของโรงงานแปรรูป มันจะเข้าสู่ขั้นตอนการแยกก๊าซและของเหลวขั้นต้น ขั้นตอนนี้ทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันทางกายภาพหลักสำหรับอุปกรณ์ทั้งหมดในขั้นตอนต่อไป หากของเหลวและของแข็งในปริมาณมากถูกปล่อยให้ผ่านขั้นตอนนี้นี้ไป จะก่อให้เกิดการเกิดฟองอย่างรุนแรงในเครื่องสัมผัสเอมีน ทำให้ชั้นดูดความชื้นทำงานเกินกำลัง และทำลายสมดุลทางอากาศพลศาสตร์ของใบพัดเครื่องอัดในขั้นตอนต่อไป

กลไกการทำงานของขั้นต้นนี้ขึ้นอยู่กับพลศาสตร์ของไหลอย่างสมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมและการตกตะกอนด้วยแรงโน้มถ่วง โดยการลดความเร็วของกระแสก๊าซที่ไหลเข้าอย่างรุนแรง ทำให้หยดของเหลวที่มีน้ำหนักมากกว่าและอนุภาคของแข็งสูญเสียพลังงานจลน์ ตามกฎของสโตกส์ เมื่อความเร็วในทิศทางขึ้นของก๊าซต่ำกว่าความเร็วการตกตะกอนขั้นสุดท้ายของหยดของเหลว ของเหลวจะตกออกจากเฟสของก๊าซและสะสมตัวที่ก้นภาชนะ

อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์หลักสำหรับการแยกขั้นต้น

เพื่อดำเนินการแยกทางกายภาพนี้ วิศวกรใช้ถังเก็บความดันสูงขนาดใหญ่:

อุปกรณ์จับหอยทาก: ท่อส่งที่รวมตัวกันจะผ่านพื้นที่ที่มีภูมิประเทศหลากหลาย ทำให้ของเหลวรวมตัวกันในจุดที่ต่ำ เป็นระยะๆ ความดันก๊าซจะผลักดันของเหลวที่รวมตัวกันนี้ไปข้างหน้าในรูปของ "สลัก" ขนาดใหญ่ที่มีความเร็วสูง สลักแคชเชอร์เป็นถังบัฟเฟอร์ที่มีความจุสูงเป็นพิเศษ (มักถูกสร้างเป็นชุดท่อขนานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ ซึ่งเรียกว่าสลักแคชเชอร์แบบฮาร์ป) ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อดูดซับการไหลของของเหลวที่พุ่งขึ้นอย่างรุนแรงนี้ โดยไม่ทำให้ความสามารถในการประมวลผลในสภาวะคงที่ของโรงงานถูกท่วมท้น
เครื่องแยก 2 เฟส และ 3 เฟส: เมื่อก้อนหลักถูกจับได้แล้ว ก๊าซจะไหลเข้าสู่ถังความดันความแม่นยำ เครื่องแยกสองเฟสจะแยกก๊าซออกจากของเหลวทั้งหมด ส่วนเครื่องแยกสามเฟสจะใช้ความแตกต่างของความถ่วงจำเพาะเพื่อแยกของเหลวต่อไปเป็นเฟสไฮโดรคาร์บอน (คอนเดนเสท) และเฟสน้ำ (น้ำที่ผลิตได้) ถังเหล่านี้ได้รับการติดตั้งอุปกรณ์เบี่ยงทางเข้าภายในเพื่อลดแรงเฉื่อยของกระแสที่ไหลเข้า ส่วนการตกตะกอนด้วยแรงโน้มถ่วงที่กว้างขวางเพื่อช่วยให้เกิดการแยกเฟส และแผ่นกำจัดหมอกที่ออกแบบอย่างซับซ้อน (อุปกรณ์กำจัดหมอกที่ทำจากตาข่ายลวดถักหรือชุดใบพัด) ที่หัวออกของก๊าซ เพื่อดักจับและรวมหยดน้ำขนาดเล็กเข้าด้วยกัน ป้องกันไม่ให้ของเหลวถูกพัดพาไปยังหน่วยปรับคุณภาพก๊าซในขั้นตอนถัดไป

ขั้นตอนที่ 2: การกำจัดก๊าซกรด (การทำให้ก๊าซบริสุทธิ์)

หลังจากผ่านกระบวนการแยกทางกายภาพขั้นต้นแล้ว กระแสก๊าซ — ซึ่งขณะนี้ไม่มีของเหลวในปริมาณมากแล้ว แต่ยังคงมีสารปนเปื้อนในรูปก๊าซที่เป็นอันตรายถึงชีวิตและกัดกร่อน — จะถูกส่งต่อไปยังหน่วยกำจัดก๊าซกรด (Acid Gas Removal unit) ในศัพท์อุตสาหกรรม ก๊าซที่มี H₂S และ CO₂ เรียกว่า "ก๊าซเปรี้ยว" (Sour Gas) ส่วนก๊าซที่ได้รับการกำจัดส่วนประกอบเหล่านี้แล้ว เรียกว่า "ก๊าซหวาน" (Sweet Gas)

วัตถุประสงค์ของกระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความปลอดภัยของโรงงานและการรักษาโครงสร้างพื้นฐาน H₂S ไม่เพียงแต่เป็นสารพิษที่อันตรายถึงชีวิตต่อพนักงานแม้ในความเข้มข้นต่ำ แต่เมื่อมีน้ำอิสระอยู่ด้วย มันจะละลายเพื่อสร้างกรดอ่อนที่โจมตีเหล็กคาร์บอนอย่างรุนแรง ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบหลุมในบริเวณเฉพาะและรอยแตกจากความเครียดซัลไฟด์ (SSC) เช่นเดียวกัน CO₂ จะสร้างกรดคาร์บอนิก ซึ่งนำไปสู่การกัดกร่อนที่ทำให้ท่อสูญเสียน้ำหนักอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ หากไม่กำจัด CO₂ ออก มันจะแข็งตัวเป็นน้ำแข็งในขั้นตอนการทำให้เป็นของเหลวแบบคริโอเจนิกในส่วนปลายของระบบ ซึ่งจะทำหน้าที่เหมือนกรวดน้ำแข็งแห้งที่ทำลายเครื่องจักรที่หมุนด้วยความเร็วสูง

กลไกทางเคมีหลักที่ใช้ในการทำให้ก๊าซมีรสหวานคือกระบวนการบำบัดด้วยเอมีน (Amine Treating) กระบวนการนี้ใช้ตัวทำละลายอัลคานอลามีนในน้ำ — ซึ่งโดยทั่วไปคือ เมทิลไดเอทานอลามีน (MDEA) หรือ ไดเอทานอลามีน (DEA) กระบวนการนี้ทำงานตามวงจรการดูดซับแบบต่อเนื่องและการฟื้นฟูด้วยความร้อน ในขั้นตอนการดูดซับ ก๊าซเปรี้ยวที่เย็นและอยู่ภายใต้ความดันสูงจะไหลขึ้นด้านบน ในขณะที่สารละลายเอมีนที่เจือจาง (บริสุทธิ์) จะไหลลงด้านล่าง สารอามีนจะเกิดการผูกพันทางเคมีกับโมเลกุล H₂S และ CO₂ สารอามีนที่ตอนนี้กลายเป็น "สารอามีนเข้มข้น" (ที่ดูดซับก๊าซกรดแล้ว) จะถูกส่งไปยังคอลัมน์ฟื้นฟูความเข้มข้นที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูง ซึ่งความร้อนจะทำลายพันธะทางเคมี ทำให้ก๊าซกรดระเหยและถูกส่งไปยังหน่วยกู้คืนกำมะถัน ส่วนสารอามีนที่ฟื้นฟูแล้วจะถูกสูบกลับเพื่อเริ่มวงจรใหม่อีกครั้ง

อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์หลัก: Amine Contactors

หัวใจหลักของกระบวนการนี้คือ Amine Contactor (Absorber) ซึ่งเป็นถังความดันแนวตั้งที่มีผนังหนาและสูงมาก ซึ่งออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลระหว่างเฟสแก๊สและเฟสของเหลวให้สูงสุด เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ ส่วนภายในของเครื่องติดต่อถูกติดตั้งด้วยถาดแยกส่วน (เช่น ถาดวาล์วหรือถาดฝาฟอง) หรือวัสดุบรรจุโครงสร้าง ส่วนภายในเหล่านี้บังคับให้ก๊าซกรดที่ไหลขึ้นเกิดฟองอย่างรุนแรงผ่านสารอะมีนเหลวที่ไหลลง ซึ่งช่วยเพิ่มพื้นที่สัมผัสแบบไหลสวนทางให้สูงสุด และรับประกันว่าปฏิกิริยาเคมีจะดำเนินไปจนเสร็จสมบูรณ์

สถานะผลลัพธ์ของกระบวนการสำคัญ: วิศวกรกระบวนการต้องให้ความสำคัญกับการสังเกตสถานะทางกายภาพของก๊าซเมื่อมันออกจากส่วนบนของเครื่องสัมผัสเอมีน เนื่องจากตัวทำละลายเอมีนเป็นสารละลายในน้ำ (มักเป็นน้ำ 50%) ก๊าซหวานที่ออกจากหน่วยจึงอยู่ในสภาพอิ่มตัวด้วยน้ำอย่างสมบูรณ์ที่ความดันและอุณหภูมิในการทำงาน ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงใหม่ที่สำคัญต่อระบบ ทำให้จำเป็นต้องดำเนินการกำจัดความชื้นในขั้นตอนถัดไปอย่างทันทีและมีประสิทธิภาพสูง

ขั้นตอนที่ 3: เทคโนโลยีการกำจัดความชื้นจากก๊าซธรรมชาติ

ก๊าซหวานที่อิ่มตัวด้วยน้ำไม่สามารถขนส่งหรือทำให้เย็นได้ในสภาพปัจจุบัน หากปล่อยให้ไอน้ำคงอยู่ในกระแสก๊าซ การลดลงของอุณหภูมิหรือการเพิ่มขึ้นของความดันในขั้นตอนต่อไปจะทำให้ไอน้ำควบแน่น ในระบบก๊าซความดันสูง น้ำที่ควบแน่นนี้จะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (เช่น มีเทนและเอทาน) เพื่อสร้างไฮเดรตก๊าซธรรมชาติ — โครงสร้างผลึกแข็งคล้ายน้ำแข็ง ก้อนไฮเดรตสามารถก่อตัวขึ้นภายในไม่กี่วินาที จนปิดกั้นท่อส่งก๊าซอย่างสมบูรณ์ ทำให้วาล์วติดขัด และก่อให้เกิดเหตุการณ์ความดันเกินที่รุนแรง ดังนั้น การกำจัดน้ำจึงเป็นขั้นตอนที่ไม่อาจละเลยได้

อย่างไรก็ตาม หลักการเลือกวิธีการทำให้แห้งไม่ได้เป็นแบบเดียวที่ใช้ได้กับทุกกรณี การเลือกเทคโนโลยีขึ้นอยู่กับข้อจำกัดทางเทอร์โมไดนามิกส์และรูปแบบอุณหภูมิที่กระบวนการต่อตามต้องการอย่างเคร่งครัด วิศวกรต้องเลือกระหว่างการดูดซับด้วยของเหลวแบบมาตรฐาน (TEG) สำหรับระบบท่อปกติ หรือการดูดซับด้วยสารดูดความชื้นแบบของแข็ง (Molecular Sieves) สำหรับการดำเนินงานที่อุณหภูมิต่ำมาก

แมทริกซ์การเลือกวิธีลดความชื้น: TEG เทียบกับ Molecular Sieve

มิติ / พารามิเตอร์	การกำจัดน้ำจาก TEG (Triethylene Glycol)	การกำจัดความชื้นอย่างลึกด้วยตัวกรองโมเลกุลซีโอไลต์
ขีดจำกัดจุดน้ำค้างต่ำสุด	ประมาณ -50°F (-45°C)	< -150°F (-101°C) / < 0.1 ppmv
แอปพลิเคชันปลายทาง	ระบบส่งผ่านท่อส่งเชิงพาณิชย์แบบมาตรฐาน	การกู้คืน NGL ในอุณหภูมิต่ำมาก, การทำให้ LNG เป็นของเหลว
โปรไฟล์การบริโภคพลังงาน	ระดับต่ำ (ภาระงานของเครื่องรีโบลเลอร์ระดับปานกลาง)	สูง (จำเป็นต้องใช้ก๊าซฟื้นฟูอุณหภูมิสูง)
CAPEX / OPEX	ค่าใช้จ่ายลงทุน (CAPEX) เริ่มต้นต่ำ ค่าใช้จ่ายดำเนินงาน (OPEX) อยู่ในระดับปานกลาง	ค่าใช้จ่ายลงทุน (CAPEX) สูงในขั้นต้น, ค่าใช้จ่ายดำเนินงาน (OPEX) ที่มีความผันผวนตามวัฏจักร

ความสมบูรณ์ของตัวรองรับฮาร์ดแวร์และสารดูดความชื้น

เมื่อการออกแบบโรงงานต้องการการแยก NGL ในระดับลึก ระบบ TEG จะไม่สามารถป้องกันการเกิดน้ำแข็งในกล่องเย็นได้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ ดังนั้น โรงงานจึงต้องใช้ตัวกรองโมเลกุลซีโอไลต์ ระบบเหล่านี้อาศัยการดูดซับทางกายภาพในสถานะของแข็ง โดยโมเลกุลน้ำจะถูกกักไว้ภายในโครงสร้างผลึกที่มีรูพรุนขนาดเล็กและสม่ำเสมอสูงของซีโอไลต์อะลูมิโนซิลิเกต

อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ของระบบการกำจัดน้ำด้วยโมเลกุลซีฟมีขนาดใหญ่และทำงานอัตโนมัติอย่างสูง ระบบนี้ประกอบด้วยถังดูดซับแบบสองชั้นหรือหลายชั้นที่ทำงานในวงจรสลับต่อเนื่อง โดยขณะที่ถังหนึ่งกำลังทำงานดูดซับน้ำจากก๊าซธรรมชาติความดันสูง ถังอีกตัวจะอยู่นอกระบบเพื่อผ่านขั้นตอนการฟื้นฟู กระบวนการฟื้นฟูนี้เกี่ยวข้องกับการส่งกระแสก๊าซเหลือทิ้งที่ร้อนจัดและแห้งสนิท (มักถูกให้ความร้อนถึง 500°F – 600°F โดยเครื่องทำความร้อนฟื้นฟูอุณหภูมิสูง) ผ่านชั้นที่เปียก เพื่อระเหยและกวาดความชื้นที่ติดอยู่ให้หมดไป เมื่อชั้นแห้งแล้ว จะถูกทำให้เย็นลงและนำกลับมาอยู่ในสถานะรอทำงาน วาล์วสลับอัตโนมัติควบคุมกระบวนการที่ซับซ้อนนี้อย่างแม่นยำ เพื่อให้กระบวนการต่อจากนี้ได้รับก๊าซที่แห้งสนิทอย่างต่อเนื่องและไม่ถูกขัดจังหวะ

เนื่องจากชั้นดูดซับเหล่านี้เป็นด่านป้องกันสุดท้ายสำหรับ การใช้งานก๊าซธรรมชาติ ในขั้นตอนต่อไป ข้อจำกัดทางกายภาพและทางกลของสารดูดความชื้นเองมีความสำคัญอย่างยิ่ง ลักษณะการทำงานแบบวงจรของกระบวนการนี้ก่อให้เกิดแรงกดดันอย่างมหาศาลต่อวัสดุ

เพื่อรับประกันความสมบูรณ์ทางกลไกของหน่วยการกำจัดความชื้นและป้องกันการเสื่อมสภาพของชั้นตัวดูดความชื้น พารามิเตอร์ทางกายภาพของตัวดูดความชื้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น ตัวกรองโมเลกุล 4A และ 13X ของ JALON มีความแข็งแรงต่อการบดสูง (เช่น >85 N) และอัตราการสึกหรอที่ต่ำมาก (<0.1 wt%) ผลิตภายใต้ระบบอัตโนมัติ DCS ที่เคร่งครัด ทำให้ขนาดอนุภาคมีความสม่ำเสมอและความหนาแน่นรวมสูง ซึ่งช่วยให้ชั้นสารดูดความชื้นสามารถทนต่อแรงกลและแรงความร้อนที่รุนแรงจากวงจรการดูดซับแบบสวิงอุณหภูมิ (TSA) นับพันครั้งได้โดยไม่เกิดการแตกเป็นผง จึงช่วยปกป้องเครื่องขยายเทอร์โบแบบครายโอเจนิกในขั้นตอนต่อไปได้อย่างน่าเชื่อถือ

ขั้นตอนที่ 4: การกำจัดปรอทก่อนการทำให้เย็นถึงอุณหภูมิต่ำมาก

เมื่อก๊าซแห้งสนิทแล้ว อาจมีผู้คิดว่ามันพร้อมสำหรับการทำให้เย็นจัดแล้ว อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยที่ซ่อนอยู่และก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรง ซึ่งต้องได้รับการแก้ไข นั่นคือ ปรอทในปริมาณน้อยมาก ขั้นตอนกระบวนการที่เคร่งครัดกำหนดว่า การกำจัดปรอทเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นอย่างยิ่งก่อนที่ก๊าซจะได้รับอนุญาตให้เข้าสู่ส่วนคริโอเจนิก หากขั้นตอนนี้ถูกข้ามไป หรือจัดวางอย่างไม่ถูกต้องหลังกล่องเย็น ผลที่ตามมาทั้งด้านการเงินและความปลอดภัยจะรุนแรงอย่างยิ่ง

อันตรายทางเคมีจากปรอทเกิดจากปรากฏการณ์ทางโลหะวิทยาที่เรียกว่า Liquid Metal Embrittlement (LME) โรงงานแปรรูปก๊าซธรรมชาติใช้อลูมิเนียมอย่างกว้างขวางในส่วนระบบอุณหภูมิต่ำมาก เนื่องจากอลูมิเนียมจะมีความแข็งแรงและมีความยืดหยุ่นมากขึ้นเมื่ออยู่ในอุณหภูมิต่ำมาก (ต่างจากเหล็กมาตรฐานที่จะกลายเป็นเปราะ) อย่างไรก็ตาม ปรอทในปริมาณน้อยที่อยู่ในกระแสก๊าซจะควบแน่นเป็นของเหลวที่อุณหภูมิบางระดับ เมื่อปรอทเหลวสัมผัสกับโลหะผสมอลูมิเนียมที่ใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน มันจะรวมตัวกับอลูมิเนียมอย่างรวดเร็ว และโจมตีขอบเขตของเม็ดโลหะ หากไม่กำจัดปรอทออก มันจะทำให้อุปกรณ์ในส่วนปลายเกิดการกัดกร่อน อ่อนแอ และแตกร้าวอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจนำไปสู่การแตกหักของระบบความดันสูงอย่างรุนแรง การระเบิด และการล้มเหลวของโรงงานทั้งหมด

เพื่อลดความเสี่ยงนี้ วิศวกรใช้อุปกรณ์และกลไกทางเคมีที่มีความเชี่ยวชาญสูง ก๊าซที่แห้งจะถูกส่งผ่านถังความดันแบบชั้นคงที่ ซึ่งบรรจุด้วยคาร์บอนแอคทีฟที่ชุบด้วยกำมะถัน (หรือสารดูดซับออกไซด์ของโลหะทรานซิชันเฉพาะ) เมื่อก๊าซไหลผ่านเมทริกซ์คาร์บอนที่มีรูพรุน ไอปรอทในรูปธาตุจะเกิดปฏิกิริยาเคมีดูดซับกับกำมะถันที่แทรกซึมอยู่ ก่อให้เกิดสารประกอบแข็งที่มีความเสถียรสูง ซึ่งเรียกว่า ซัลไฟด์ปรอท (HgS) สารประกอบนี้จะจับและกักเก็บปรอทไว้ภายในชั้นตัวดูดซับอย่างถาวร ทำให้ก๊าซที่ออกจากหน่วยนี้ปลอดภัยสำหรับการใช้งานในกระบวนการผลิตอลูมิเนียม

ขั้นตอนที่ 5: การแยกและสกัด NGL ด้วยอุณหภูมิต่ำมาก

เมื่อก๊าซได้รับการกำจัดก๊าซกรดออกอย่างสมบูรณ์แล้ว ถูกทำให้แห้งจนระดับความชื้นต่ำกว่า ppm และถูกกำจัดปรอทที่ทำให้วัสดุเปราะแล้ว ก๊าซนี้จึงพร้อมสำหรับสภาพแวดล้อมเทอร์โมไดนามิกส์ที่รุนแรงที่สุดในโรงงาน: การแยก NGL ในอุณหภูมิต่ำมาก วัตถุประสงค์ของขั้นตอนนี้คือการทำให้กระแสก๊าซเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาที่รุนแรงมาก จนทำให้ไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักมากและมีค่า (เอทาน, โพรเพน และบิวเทน) สูญเสียสถานะก๊าซและควบแน่นเป็นของเหลวที่สามารถเก็บรวบรวมได้ โดยเหลือเพียงก๊าซมีเทนบริสุทธิ์เพื่อส่งไปยังท่อส่ง

กลไกทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ก่อให้เกิดการลดลงของอุณหภูมิอย่างรุนแรงนี้คือการขยายตัวแบบอะเดียแบติก ในขณะที่โรงไฟฟ้าแบบเก่าใช้วาล์วแบบจูล-ทอมสัน (J-T) เพื่อขยายตัวก๊าซ โรงไฟฟ้าสมัยใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงใช้กระบวนการขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก โดยการบังคับให้ก๊าซความดันสูงทำงานทางกายภาพขณะขยายตัว ทำให้พลังงานความร้อนถูกถ่ายเทออกจากกระแสก๊าซอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้การลดลงของอุณหภูมิลึกกว่าการขยายตัวด้วยวาล์วแบบธรรมดาอย่างมีนัยสำคัญ

อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์หลักสำหรับระบบอุณหภูมิต่ำมาก

หัวใจของกระบวนการฟื้นฟู NGL ขึ้นอยู่กับสองสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมความร้อน:

เครื่องขยายเทอร์โบ: นี่คือเครื่องกลที่หมุนด้วยความเร็วสูง ซึ่งมีหน้าที่สองประการ ก๊าซธรรมชาติที่ถูกทำให้เย็นล่วงหน้าและอยู่ภายใต้ความดันสูงจะเข้าสู่เทอร์ไบน์ขยายตัว ทำให้ใบพัดรัศมีที่ออกแบบมาอย่างซับซ้อนหมุนด้วยความเร็วหลายหมื่นรอบต่อนาที (RPM) เมื่อก๊าซขยายตัวและทำงานทางกล ความดันของมันจะลดลงอย่างรวดเร็ว และอุณหภูมิก็ลดลงอย่างมาก — มักจะอยู่ระหว่าง -120°F ถึง -150°F (-84°C ถึง -101°C) ที่อุณหภูมินี้ NGL จะควบแน่นและตกออกจากสถานะก๊าซ นอกจากนี้ กำลังกลไกที่สร้างขึ้นจากก๊าซที่ขยายตัวจะถูกส่งผ่านเพลาหลักเพื่อขับเคลื่อนเครื่องอัดเสริม (booster compressor) ที่อยู่ด้านตรงข้าม ซึ่งช่วยอัดก๊าซเหลือที่มีปริมาณก๊าซธรรมชาติต่ำ (lean residue gas) กลับอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อส่งผ่านท่อส่งไปยังจุดส่งออก
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากอลูมิเนียมแบบบัดกรี (BAHX): มักถูกเรียกว่า "Cold Box" ซึ่งเป็นหน่วยถ่ายเทความร้อนที่มีขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงมาก ผลิตจากชั้นของครีบอะลูมิเนียมแบบลูกฟูกที่จัดเรียงสลับกันและเชื่อมด้วยบราซระหว่างแผ่นแบ่งที่เรียบ ทำให้มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ไม่มีที่ใดเทียบได้ ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายเทความร้อนในปริมาณมากที่จำเป็นสำหรับการทำความเย็นล่วงหน้าแก๊สที่เข้ามา โดยใช้แก๊สเหลือทิ้งที่เย็นจัดที่ไหลออก อย่างไรก็ตาม การออกแบบช่องไมโครที่ซับซ้อนนี้คือจุดอ่อนที่ใหญ่ที่สุดของระบบ วิศวกรกระบวนการต้องตระหนักว่า BAHX ขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์แบบในการดำเนินการขั้นตอนที่ 3 และขั้นตอนที่ 4 อย่างเคร่งครัด หากตัวกรองโมเลกุลไม่สามารถลดความชื้นลงเหลือ 0.1 ppmv ได้ ช่องไมโครจะอุดตันทันทีด้วยน้ำแข็งและสารไฮเดรต หากชั้นปรอทล้มเหลว แผ่นครีบอะลูมิเนียมจะสลายตัวเนื่องจากปฏิกิริยา LME

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากอลูมิเนียมแบบบัดกรี

ขั้นตอนที่ 6: หน่วยแยกไนโตรเจน (NRU)

ในแหล่งกักเก็บทางธรณีวิทยาบางแห่ง ก๊าซธรรมชาติดิบมีไนโตรเจนปนเปื้อนอยู่ในปริมาณสูง แม้ว่าไนโตรเจนจะไม่เป็นสารกัดกร่อนหรือเป็นพิษเหมือนไฮโดรเจนซัลไฟด์ แต่มันก่อให้เกิดปัญหาทางการค้าที่สำคัญ เนื่องจากเป็นก๊าซเฉื่อยและไม่ติดไฟ ความเข้มข้นสูงของไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นตัวเจือจาง ซึ่งทำให้ค่าความร้อนตามปริมาตรของกระแสก๊าซลดลงอย่างมาก

วัตถุประสงค์ของกระบวนการในหน่วยกำจัดไนโตรเจน (NRU) คือการกำจัดก๊าซเฉื่อยนี้อย่างมีเป้าหมาย เพื่อให้ก๊าซที่จำหน่ายในขั้นสุดท้ายเป็นไปตามข้อกำหนดขั้นต่ำเกี่ยวกับหน่วยความร้อนบริติช (BTU) หรือค่าความร้อน ตามที่กฎหมายกำหนดไว้ในอัตราค่าบริการท่อส่งก๊าซเชิงพาณิชย์ หากค่า BTU ต่ำเกินไป เครื่องเผาในอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ใช้ในบ้านจะไม่สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยหรือมีประสิทธิภาพ และก๊าซดังกล่าวจะถูกบริษัทส่งก๊าซปฏิเสธ

เนื่องจากไนโตรเจนและเมทานมีจุดเดือดที่ต่ำมากและอยู่ใกล้กันมาก (-320°F และ -258°F ตามลำดับ) จึงไม่สามารถแยกได้ด้วยการดูดซับแบบธรรมดาได้ ดังนั้น NRUs จึงต้องใช้กระบวนการกลั่นแบบคริโอเจนิกที่ซับซ้อน ซึ่งมักถูกเชื่อมต่อทางความร้อนกับก๊าซส่วนท้ายของหน่วยการกู้คืน NGL ด้วยการใช้คอลัมน์แยกส่วนแบบคริโอเจนิกที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ ไนโตรเจนจะถูกกลั่นออกมาเป็นไอส่วนบนและปล่อยออกสู่บรรยากาศอย่างปลอดภัย ส่วนมีเทนบริสุทธิ์ที่มีค่า BTU สูงจะถูกเก็บรวบรวมจากส่วนล่าง ถูกอัด และส่งไปยังตลาด

ข้อจำกัดด้านโครงสร้างพื้นฐานและกระบวนการโลหะวิทยาของทั้งโรงงาน

การเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับโรงงานแปรรูปก๊าซธรรมชาติจำเป็นต้องตระหนักถึงพื้นฐานระบบของโรงงานนั้น แม้เราจะอธิบายขั้นตอนการแปรรูปตามลำดับอย่างละเอียดแล้ว แต่มีองค์ประกอบโครงสร้างพื้นฐานสำคัญบางประการที่ครอบคลุมตลอดวงจรชีวิตของโรงงาน และไม่ได้จำกัดอยู่เพียงหน่วยเดียว ระบบหลักเหล่านี้กำหนดทิศทางการไหลของก๊าซและความปลอดภัยทางโครงสร้างของโรงงานทั้งแห่ง ซึ่งมีมูลค่าหลายล้านดอลลาร์

สถานีคอมเพรสเซอร์: หัวใจของโรงงาน

ก๊าซไม่ไหลด้วยตัวมันเอง แต่จำเป็นต้องมีความต่างของความดัน สถานีเครื่องอัดทำหน้าที่เป็นแรงขับเคลื่อนของโรงงาน โดยรักษาการไหลของระบบไฮดรอลิกตั้งแต่หัวบ่อจนถึงท่อส่งก๊าซขั้นสุดท้าย ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลตามปริมาตรและอัตราส่วนการอัดที่ต้องการ โรงงานจะใช้เครื่องอัดแบบแรงเหวี่ยงความเร็วสูง (สำหรับปริมาณมากและการไหลต่อเนื่อง) หรือเครื่องอัดแบบลูกสูบสำหรับงานหนัก (สำหรับอัตราส่วนความดันสูงและโหลดที่เปลี่ยนแปลงได้)

เครื่องอัดอากาศทางเข้าช่วยเพิ่มแรงดันของท่อรวบรวมแรงดันต่ำให้ถึงแรงดันการทำงานของหน่วยเอมีนและหน่วยกำจัดความชื้น เครื่องอัดอากาศเสริม (ซึ่งมักถูกขับเคลื่อนโดยเครื่องขยายแรงดันแบบเทอร์โบ) ช่วยกู้คืนแรงดันที่สูญเสียไประหว่างกระบวนการผลิต สุดท้าย เครื่องอัดอากาศก๊าซเหลือทิ้งขนาดใหญ่จะรับก๊าซมีเทนที่ผ่านกระบวนการผลิตและถูกทำให้บริสุทธิ์แล้ว และเพิ่มแรงดันให้ถึงระดับ 1,000+ PSI ซึ่งจำเป็นเพื่อส่งก๊าซไปเป็นระยะทางหลายร้อยไมล์ผ่านท่อส่งก๊าซเชิงพาณิชย์

มาตรฐานด้านโลหะวิทยาและระบบท่อ

วิศวกรกระบวนการต้องจัดการกับข้อจำกัดทางโลหะวิทยาที่ซับซ้อนมากและขัดแย้งกันในเขตต่าง ๆ ของโรงงาน ท่อที่ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ในส่วนหนึ่ง อาจเกิดการล้มเหลวอย่างรุนแรงและระเบิดได้ในส่วนอื่น

ข้อจำกัดของก๊าซกรด: ในขั้นตอนการแยกและบำบัดด้วยเอมีนขั้นต้น (ขั้นตอน 1 และ 2) ท่อ วาล์ว และอุปกรณ์ต่อท่อจะถูกสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เปียก เหล็กคาร์บอนมาตรฐานเมื่ออยู่ภายใต้แรงดึงสูงจะดูดซับไฮโดรเจนอะตอม ซึ่งก่อให้เกิดการพองตัวภายในและทำให้วัสดุแตกหักอย่างกะทันหัน ดังนั้น วัสดุโลหะทั้งหมดในเขตเหล่านี้ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดอย่างเคร่งครัด NACE MR0175 / ISO 15156 มาตรฐาน ซึ่งกำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความแข็งของเหล็ก (โดยทั่วไปจำกัดไว้ที่ < 22 HRC) และกำหนดให้ต้องดำเนินการรักษาความร้อนหลังการเชื่อมตามขั้นตอนเฉพาะ เพื่อรับประกันความต้านทานต่อรอยแตกจากความเครียดของซัลไฟด์ (SSC)
ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิต่ำมาก: ในทางตรงกันข้าม ในส่วนการแยก NGL และการแยกไนโตรเจน (ขั้นตอนที่ 5 และ 6) ความเสี่ยงไม่ใช่จากสารเคมี แต่เป็นจากความร้อน เหล็กคาร์บอนมาตรฐานจะสูญเสียความทนทานต่อการกระแทกอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาฟาเรนไฮต์ โดยเกิดการเปลี่ยนผ่านจากสภาพเหนียวเป็นสภาพเปราะ การกระแทกเล็กน้อยหรือการเพิ่มขึ้นของแรงดันอย่างกะทันหันที่ -150°F สามารถทำให้เหล็กมาตรฐานแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยได้เหมือนแก้ว ดังนั้น ท่อและภาชนะรับแรงดันในส่วนระบบอุณหภูมิต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้เหล็กคาร์บอนอุณหภูมิต่ำ (LTCS) ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำปานกลาง และเหล็กสแตนเลสออสเทนนิติกผสมสูง (เช่น 304L หรือ 316L) สำหรับสภาพแวดล้อมในกล่องอุณหภูมิต่ำสุด เพื่อป้องกันการแตกหักแบบเปราะภายใต้แรงกระแทกจากความเย็นสุดขั้ว

ในท้ายที่สุด การแปรรูปก๊าซธรรมชาติเป็นกระบวนการที่แต่ละขั้นตอนมีความพึ่งพาอาศัยกันอย่างสูง โดยความสำเร็จของแต่ละขั้นตอนมีผลโดยตรงต่อความอยู่รอดของขั้นตอนถัดไป ตั้งแต่การแยกก๊าซที่หัวบ่อจนถึงการสกัด NGL ด้วยอุณหภูมิต่ำมาก การควบคุมอย่างเคร่งครัดในด้านเทอร์โมไดนามิกส์ เคมี และโลหะวิทยา เป็นวิธีเดียวที่จะบรรลุข้อกำหนดของท่อส่งก๊าซและเพิ่มผลกำไรโดยรวมของโรงงานให้สูงสุด

การรับประกันความน่าเชื่อถือของโรงงานด้วยเทคโนโลยีสารดูดความชื้นที่เหนือกว่า

ที่ JALON เราใช้ประสบการณ์ด้านการผลิตกว่าสองทศวรรษเพื่อจัดหาวัสดุพื้นฐานที่ทำให้กระบวนการสุดขั้วเหล่านี้เป็นไปได้ ตัวกรองโมเลกุลซีโอไลต์ประสิทธิภาพสูงของเราได้รับการออกแบบเพื่อความทนทานต่อการบดสูงสุด อัตราการสึกหรอที่ต่ำมาก และความสามารถในการกำจัดความชื้นอย่างลึกสุดขั้ว ซึ่งช่วยให้กระบวนการทำงานในอุณหภูมิต่ำสุดของคุณดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง โดยไม่มีความเสี่ยงจากการแข็งตัวของไฮเดรตหรือการเสื่อมสภาพของชั้นวัสดุที่ก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายสูง

ค้นพบโซลูชัน