Основы переработки природного газа

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

FUNDAMENTALS OF  
NATURAL GAS 
PRОСESSING 

Arthur J. Kidnay  
William R. Parrish  

Daniel G. McCartney

SECOND EDITION

CRC Press
Taylor &. Francis Group

Boca Raton London New York

CRC Press is an imprint of the
Taylor & Francis Group, an informa business

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

А. Дж. Кидни, У. Р. Парриш, Д. Маккартни 

ОСНОВЫ ПЕРЕРАБОТКИ 
ПРИРОДНОГО ГАЗА

Перевод с английского 2-го издания
под редакцией О. П. Лыкова, И. А. Голубевой

 
 

Санкт-Петербург

2014

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

ББК 35.514
УДК 665.62
О75

 
 А. Дж. Кидни, У. Р. Парриш, Д. Маккартни. Основы переработки природного газа : пер. с англ. яз. 2-го изд. под ред. О. П. Лыкова, И. А. Голубевой. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2014. — 664 с., ил.

 
 
ISBN 978-5-91884-055-9

 
ISBN 978-1-420-08519-8 (англ.)

Представлены базовые процессы первичной переработки природного газа: подго
товка к переработке, процессы разделения, стабилизации, а также основные нехимические технологии переработки газа на ГПЗ. Выполнен анализ преимуществ, ограничений и диапазонов применения каждой технологии. Дополнительно представлены 
данные о насосах, компрессорах, теплообменниках и оборудовании для разделения фаз.

Рассматриваются структура газоперерабатывающих заводов и перспективы их 

развития; обсуждаются проблемы транспортировки газа и капитальные затраты 
на установки его переработки. Материал по технологиям СПГ (LNG) изложен с учетом последних достижений и будущих тенденций в этой области.

Примеры расчетов, контрольные вопросы и задачи позволяют использовать кни
гу для подготовки студентов старших курсов и аспирантов химико-технологических 
вузов.

Книга предназначена инженерно-техническим специалистам ГПЗ, НПЗ, газохи
мических предприятий и научным работникам, занятым в газоперерабатывающей 
промышленности.
ББК 35.514
УДК 665.62

All rights reserved. Authorized translation from English language edition published by CRC Press,  
part of Taylor & Francis Group LLC.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена  

в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых 

издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или 

технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту 

приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные 

с использованием книги

© 2011 by Taylor & Francis Group, LLC

© ЦОП «Профессия», 2014

© Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2014

ISBN 978-1-420-08519-8 (англ.)
ISBN 978-5-91884-055-9

О75

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

Предисловие к русскому изданию ...........................................................................................15
Предисловие .........................................................................................................................16
Благодарности ......................................................................................................................17
Авторы .................................................................................................................................17

Глава 1. Базовые понятия ......................................................................................................19
Введение ...............................................................................................................................19
1.1.  Системы единиц и пересчет величин из одной системы в другую .............................19

1.1.1. Основные величины и единицы их измерения .....................................................20
1.1.2. Производные величины и единицы их измерения ...............................................22
1.1.3. Другие величины, важные в газопереработке .......................................................24
1.1.4. Математические символы ......................................................................................24

1.2.  Основные химические понятия и важнейшие физические свойства .........................25

1.2.1. Структура веществ и их классификация ...............................................................25
1.2.2. Важные химические свойства ................................................................................28
1.2.3. Важные физические свойства ................................................................................30
1.2.4. Смеси ......................................................................................................................40

1.3. Методы испытаний .......................................................................................................44

1.3.1. Коррозия медной пластины ...................................................................................44
1.3.2. Давление паров по Рейду .......................................................................................45

1.4. Элементы термодинамики ............................................................................................45

1.4.1. Введение .................................................................................................................45
1.4.2. Первое начало термодинамики .............................................................................46
1.4.3. Формы энергии ......................................................................................................47
1.4.4. Функции состояния и процесса ............................................................................52
1.4.5. Важные термодинамические процессы .................................................................53
1.4.6. Диаграммы давление–энтальпия ..........................................................................55

Вопросы для самопроверки.................................................................................................56
Задачи ...................................................................................................................................57
Литература ...........................................................................................................................57

Глава 2. Насосы ....................................................................................................................59
Введение ...............................................................................................................................59
2.1. Теоретические основы ..................................................................................................61

2.1.1. Баланс энергии .......................................................................................................61
2.1.2. Напор ......................................................................................................................61

2.2. Центробежные насосы ..................................................................................................63

2.2.1. Мощность и КПД насоса и нагревание жидкости ................................................65

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

2.2.2.  Напор всасывания, высота всасывания, полный напор .......................................67
2.2.3.  Эффективный положительный напор всасывания и кавитация .........................68
2.2.4. Характеристики насоса ..........................................................................................70
2.2.5. Характеристики гидравлической системы ............................................................74
2.2.6. Законы подобия .....................................................................................................75
2.2.7. Применение насосов в гидравлических системах ................................................75

2.3. Возвратно-поступательные насосы ..............................................................................77

2.3.1. Базовые сведения о возвратно-поступательных насосах .....................................78
2.4. Роторные насосы ...........................................................................................................80
2.5. Сравнение центробежных и объемных насосов ..........................................................82

2.5.1. Центробежные насосы ...........................................................................................82
2.5.2. Объемные насосы ...................................................................................................82

Вопросы для самопроверки.................................................................................................83
Задачи ...................................................................................................................................83
Литература ...........................................................................................................................84

Глава 3. Теплопередача ..........................................................................................................85
Введение ...............................................................................................................................85
3.1. Механизмы теплопередачи ...........................................................................................85

3.1.1. Теплопроводность ..................................................................................................86
3.1.2. Конвективная теплопередача ................................................................................89
3.1.3. Теплопередача излучением ....................................................................................90
3.1.4. Коэффициент теплоотдачи ....................................................................................91

3.2. Способы отвода и подвода тепла ..................................................................................96

3.2.1. Способы отвода тепла ............................................................................................96
3.2.2. Способы подвода тепла ..........................................................................................96

3.3. Типы теплообменных аппаратов ..................................................................................97

3.3.1. Кожухотрубчатые теплообменники ......................................................................97
3.3.2. Теплообменники погружного типа ........................................................................99
3.3.3. Теплообменники воздушного охлаждения.......................................................... 100
3.3.4. Пластинчатые теплообменники .......................................................................... 102
3.3.5. Пластинчато-ребристые теплообменники .......................................................... 103
3.3.6.  Пластинчатые теплообменники с вытравленными каналами ........................... 106
3.3.7. Конденсаторы ...................................................................................................... 106

3.4. Ребойлеры ................................................................................................................... 107

3.4.1. Ребойлер с паровым пространством .................................................................... 108
3.4.2.  Вертикальный рециркуляционный термосифонный ребойлер ......................... 109
3.4.3.  Горизонтальный однопроходной термосифонный ребойлер ............................. 109
3.4.4.  Вертикальный однопроходной термосифонный ребойлер ................................ 110
3.4.5. Встроенные ребойлеры ........................................................................................ 111

Вопросы для самопроверки............................................................................................... 111
Задачи ................................................................................................................................. 112
Литература ......................................................................................................................... 112

Глава 4. Процессы разделения .............................................................................................. 113
Введение ............................................................................................................................. 113
4.1. Перегонка .................................................................................................................... 114

4.1.1. Базовые понятия .................................................................................................. 114
4.1.2. Типы колонн ......................................................................................................... 123

4.2. Абсорбция .................................................................................................................... 125

4.2.1. Базовые понятия .................................................................................................. 125
4.2.2. Физическая абсорбция ......................................................................................... 125

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

4.2.3. Химическая абсорбция ........................................................................................ 126
4.2.4. Выбор абсорбента ................................................................................................. 126
4.2.5. Регенеративный процесс абсорбции ................................................................... 127

4.3. Контактные устройства колонн.................................................................................. 129
4.4. Адсорбция.................................................................................................................... 132

4.4.1. Базовые понятия .................................................................................................. 132
4.4.2. Процесс адсорбции .............................................................................................. 136
4.5. Мембранное разделение ............................................................................................. 140

4.5.1. Базовые понятия .................................................................................................. 140
4.5.2. Процесс мембранного разделения ...................................................................... 142

4.6. Выводы ........................................................................................................................ 147
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 148
Задачи ................................................................................................................................. 149
Литература ......................................................................................................................... 149

Глава 5. Оборудование для разделения фаз ........................................................................... 151

5.1. Газожидкостные сепараторы....................................................................................... 152

5.1.1. Первичное разделение ......................................................................................... 153
5.1.2. Гравитационное разделение газа и жидкости ...................................................... 153
5.1.3. Каплеулавливание ................................................................................................ 154
5.1.4. Гравитационное разделение жидкостей .............................................................. 158

5.2. Фильтр-сепараторы и коалесцирующие фильтры ..................................................... 158
5.3. Циклонные сепараторы .............................................................................................. 160
5.4. Жидкостные сепараторы ............................................................................................ 161
5.5.  Время удержания сепараторов различного назначения ............................................ 162
5.6. Фильтры ....................................................................................................................... 163
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 165
Литература ......................................................................................................................... 166

Глава 6. Общие сведения о газовой промышленности ............................................................ 169

6.1. Введение ...................................................................................................................... 169

6.1.1. Мировое производство и потребление природного газа .................................... 171
6.1.2. Производство и потребление природного газа в США ...................................... 172

6.2. Источники природного газа ....................................................................................... 176

6.2.1. Сведения из геологии ........................................................................................... 176
6.2.2. Запасы ................................................................................................................... 177
6.2.3. Традиционные источники.................................................................................... 178
6.2.4. Нетрадиционные источники ............................................................................... 180

6.3. Состав природного газа .............................................................................................. 184

6.3.1. Типичный состав газа из некоторых источников ............................................... 184
6.3.2. Состав газа угольных залежей .............................................................................. 186
6.3.3. Состав сланцевого газа ......................................................................................... 186
6.3.4. Примеси ................................................................................................................ 188

6.4. Классификация природных газов .............................................................................. 188

6.4.1. Содержание жидкостей ........................................................................................ 188
6.4.2. Содержание серы ................................................................................................. 190

6.5. Основные продукты и рынки ..................................................................................... 190

6.5.1. Метан .................................................................................................................... 191
6.5.2. Этан ....................................................................................................................... 191
6.5.3. Пропан .................................................................................................................. 192
6.5.4. Этан-пропановая смесь ....................................................................................... 192
6.5.5. Изобутан ............................................................................................................... 192

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

6.5.6. Нормальный бутан ............................................................................................... 192
6.5.7. Газоконденсатные жидкости ................................................................................ 193
6.5.8. Газовый бензин ..................................................................................................... 193
6.5.9. Сера ....................................................................................................................... 193

6.6. Требования к продуктам ............................................................................................. 193

6.6.1. Природный газ ..................................................................................................... 193
6.6.2. Жидкие продукты ................................................................................................. 195

6.7. Характеристики горения............................................................................................. 197

6.7.1. Теплота сгорания .................................................................................................. 197
6.7.2. Число Воббе .......................................................................................................... 199

Вопросы для самопроверки............................................................................................... 200
Задачи ................................................................................................................................. 200
Литература ......................................................................................................................... 201
Интернет-ресурсы ............................................................................................................. 203

Глава 7. Процессы газоперерабатывающих заводов ............................................................... 204

7.1. Задачи газоперерабатывающих заводов ..................................................................... 204
7.2. Процессы газоперерабатывающих заводов ................................................................ 205

7.2.1. Промысловые операции и приемка газа ............................................................. 205
7.2.2. Входное компримирование ................................................................................. 207
7.2.3. Очистка газа.......................................................................................................... 207
7.2.4. Осушка .................................................................................................................. 207
7.2.5. Извлечение тяжелых углеводородов.................................................................... 208
7.2.6. Отделение азота .................................................................................................... 208
7.2.7. Удаление следовых компонентов ......................................................................... 208
7.2.8. Выходное компримирование ............................................................................... 208
7.2.9. Переработка углеводородных жидкостей............................................................ 209
7.2.10. Извлечение серы................................................................................................. 209
7.2.11. Хранение и транспортировка ............................................................................. 209
7.2.12. Сжижение ........................................................................................................... 209

7.3. Вспомогательные системы ......................................................................................... 210

7.3.1. Энергоносители.................................................................................................... 210
7.3.2. Системы контроля технологических процессов ................................................. 213
7.3.3. Системы безопасности ......................................................................................... 213

7.4. Контрактные соглашения и экономические вопросы .............................................. 214

7.4.1. Контракты с твердой суммой вознаграждения ................................................... 214
7.4.2.  Контракты с правом на долю дохода от реализации продукции ........................ 215
7.4.3. Контракты на покупку всего объема добываемого газа ..................................... 215
7.4.4.  Контракты с фиксированным процентом извлечения жидкостей .................... 215
7.4.5.  Контракты на продажу газа с учетом его теплосодержания ............................... 215
7.4.6. Капитальные затраты ........................................................................................... 216

7.5. Производственные критерии ..................................................................................... 216

7.5.1. Убыль объема газа ................................................................................................. 217
7.5.2. Энергетическая эффективность .......................................................................... 217
7.5.3. Ценовой дифференциал....................................................................................... 218

Вопросы для самопроверки............................................................................................... 220
Литература ......................................................................................................................... 220

Глава 8. Промысловые операции и прием газа ....................................................................... 222
Введение ............................................................................................................................. 223
8.1. Промысловые операции ............................................................................................. 223

8.1.1. Операции на устье скважин ................................................................................. 223

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

8.1.2. Системы сбора газа .............................................................................................. 226
8.1.3. Компрессорные станции ..................................................................................... 226
8.1.4. Правила прокладки газопроводов ....................................................................... 229
8.1.5. Скребки ................................................................................................................ 229
8.1.6. Промысловый замер газа ..................................................................................... 234

8.2. Газовые гидраты .......................................................................................................... 235

8.2.1. Свойства газовых гидратов .................................................................................. 235
8.2.2. Прогнозирование условий гидратообразования ................................................. 238
8.2.3. Ингибирование гидратообразования .................................................................. 240

8.3. Прием газа ................................................................................................................... 247

8.3.1. Пробкоуловители трубного типа ......................................................................... 247
8.3.2. Пробкоуловители резервуарного типа ................................................................ 249
8.3.3. Сравнение конструкций пробкоуловителей ....................................................... 250

8.4. Вопросы безопасности и охраны окружающей среды ............................................... 250
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 251
Задачи ................................................................................................................................. 252
Литература ......................................................................................................................... 253
Интернет-ресурсы ............................................................................................................. 253

Глава 9. Компримирование газа ............................................................................................ 254
Введение ............................................................................................................................. 255
9.1. Теоретические основы ................................................................................................ 256

9.1.1. Термодинамика сжатия газа ................................................................................. 256
9.1.2. Ступенчатое сжатие.............................................................................................. 260
9.1.3. Коэффициенты полезного действия компрессора ............................................. 261

9.2. Приводы компрессоров .............................................................................................. 263
9.3. Типы компрессоров..................................................................................................... 264

9.3.1. Объемные компрессоры ...................................................................................... 266
9.3.2. Динамические компрессоры ............................................................................... 270

9.4.  Расчет производительности и потребляемой мощности ........................................... 276

9.4.1. Производительность ............................................................................................ 277
9.4.2. Потребляемая мощность ...................................................................................... 281

9.5.  Сравнение возвратно-поступательных и центробежных компрессоров .................. 283
9.6.  Вопросы безопасности и охраны окружающей среды ............................................... 284
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 285
Задачи ................................................................................................................................. 285
Литература ......................................................................................................................... 286

Глава 10. Очистка газа ......................................................................................................... 287

10.1. Введение .................................................................................................................... 288

10.1.1. Кислые газы ........................................................................................................ 288
10.1.2. Концентрация кислых компонентов в природном газе ................................... 289
10.1.3. Требуемые уровни очистки ................................................................................ 289
10.1.4. Утилизация кислых газов ................................................................................... 290
10.1.5. Процессы очистки .............................................................................................. 290

10.2. Процессы абсорбции растворителями ..................................................................... 294

10.2.1. Амины ................................................................................................................. 295
10.2.2. Соли щелочных металлов................................................................................... 307

10.3. Физическая абсорбция .............................................................................................. 308

10.3.1. Свойства растворителя ....................................................................................... 309
10.3.2. Типичные условия процесса .............................................................................. 311
10.3.3. Смешанные процессы ........................................................................................ 313

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

10.4. Адсорбция .................................................................................................................. 314
10.5. Низкотемпературное разделение газа ...................................................................... 316
10.6. Мембранная очистка ................................................................................................. 318

10.6.1. Удаление диоксида углерода из природного газа .............................................. 318
10.6.2. Вопросы эксплуатации ....................................................................................... 319
10.6.3.  Достоинства и недостатки систем мембранного разделения ........................... 321

10.7. Нерегенерируемые поглотители сероводорода ........................................................ 322
10.8. Биологические процессы .......................................................................................... 322
10.9. Вопросы безопасности и охраны окружающей среды ............................................. 323

10.9.1. Амины ................................................................................................................. 323
10.9.2. Адсорбенты, или твердые поглотители ............................................................. 323
10.9.3. Мембраны ........................................................................................................... 324
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 324
Задачи ................................................................................................................................. 324
Литература ......................................................................................................................... 325

Глава 11. Осушка газа ......................................................................................................... 328
Введение ............................................................................................................................. 329
11.1. Содержание воды в углеводородах ........................................................................... 330
11.2. Процессы осушки газа .............................................................................................. 334

11.2.1. Абсорбционные процессы ................................................................................. 334
11.2.2. Адсорбционные процессы ................................................................................. 343
11.2.3. Процессы с нерегенерируемыми влагопоглотителями ..................................... 357
11.2.4. Мембранные процессы ...................................................................................... 357
11.2.5. Другие процессы ................................................................................................. 358
11.2.6. Сравнение процессов осушки ............................................................................ 359

11.3. Вопросы охраны труда и окружающей среды .......................................................... 360
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 360
Задачи ................................................................................................................................. 361
Литература ......................................................................................................................... 362

Глава 12. Извлечение углеводородов ..................................................................................... 364

12.1. Введение .................................................................................................................... 365

12.1.1. Ретроградная (обратная) конденсация .............................................................. 366

12.2. Элементы процессов ................................................................................................. 367

12.2.1. Холодильная система ......................................................................................... 368
12.2.2. Турбодетандеры .................................................................................................. 374
12.2.3. Теплообмен ......................................................................................................... 379
12.2.4. Газожидкостные сепараторы .............................................................................. 380
12.2.5. Фракционирование ............................................................................................ 380

12.3. Процессы извлечения жидкостей ............................................................................. 382

12.3.1. Контроль точки росы и кондиционирование газа ............................................ 383
12.3.2. Частичное извлечение этана .............................................................................. 388
12.3.3. Глубокое извлечение этана ................................................................................. 392

12.4. Вопросы охраны труда и окружающей среды .......................................................... 397
Вопросы для самопроверки............................................................................................... 397
Задачи ................................................................................................................................. 397
Литература ......................................................................................................................... 398

Глава 13. Удаление азота ...................................................................................................... 400
Введение ............................................................................................................................. 401
13.1. Удаление азота для облагораживания газа ............................................................... 401

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru