Flash-gas (petroleum)

Olje- och naturgasraffinaderi i Turkiet

I en olje- och gasproduktion är flash-gas en spontan ånga som produceras från uppvärmning eller trycksänkning av den extraherade oljeblandningen under olika produktionsfaser. Blixtavdunstning , eller blinkande, är processen där flyktiga komponenter plötsligt förångas från sitt flytande tillstånd. Detta händer ofta under transport av petroleumprodukter genom rörledningar och in i fartyg, till exempel när strömmen från en gemensam separationsenhet rinner in i en atmosfärisk lagringstank på plats. Kärl som används för att avsiktligt "flasha" en blandning av gas och mättade vätskor kallas passande "flashtrummor". En typ av ång-vätskeseparator . En avluftningsapparat används i dessa kärl för att förhindra skador på grund av ökande tryck, extrema fall av detta kallas kokande vätska expanderande ångexplosion (BLEVE).

Sammansättningen av gasen som flashas beror på många faktorer, därför föreslås att alla extraktioner analyseras för att bestämma exakta sammansättningsvärden. Generellt sett gäller denna definition karaktären av snabbkolväten (HC) som utgör olja och naturgas , " Om den mättade vätskan är en flerkomponentsvätska (till exempel en blandning av propan, isobutan och normal butan), den flashade ångan är rikare på de mer flyktiga komponenterna än den återstående vätskan". Även om den flashade delen i första hand kommer att vara komponenter med högre flyktighet (lättare HC) kommer även tyngre HC att blixtrar in i ångfasen i viss utsträckning. Sammansättning av flashgas är starkt beroende av temperatur och tryck och kan därför manipuleras med hjälp av dessa kontrollvariabler för att bli en användbar resurs (naturgas, naturgasvätskor (NGL), alternativa bränslen, etc.) om korrekt infrastruktur och sponsring finns på plats.

Produktionen av snabbgas och dess utsläpp till atmosfären, via avluftning och felaktig hantering under produktionen, är av betydelse för miljöarbetet på grund av närvaron av farliga luftföroreningar (HAP), växthusgaser (GHG) och flyktiga organiska föreningar ( VOC) som har föreslagits ha skadliga långsiktiga miljöeffekter. Olika ansträngningar från organisationer runt om i världen har gjorts för att utveckla lämpliga riktlinjer för hantering av flashgas samt verktyg för att utvärdera flash-utsläpp genom modellbaserade beräkningar.

Naturgasvätskor/flytande petroleumgas

Pumpjacks som arbetar i North Dakota med en flare enhet.

Naturgasvätskor (NGL) är den del av kolvätena , primärt med 2-8 kolatomer, som finns i flashgasen under oljeproduktion eller som vätskor i naturgasproduktion . NGL är med andra ord de vätskor som avlägsnas från naturgas som etan och tyngre produkter. Komponenter av NGL har olika tillstånd under produktionen, vilket innebär att vissa kommer att existera enbart som en vätska eller ånga , och vissa kommer att vara en blandning av de två beroende på aktuell temperatur och tryck . Därför är det nödvändigt att komponenter i NGL särskiljs som antingen naturgaskondensat , tyngre komponenter (C5+) eller "andra NGL", lättare komponenter som vanligtvis förblir i ångfasen under produktionen. NGL ska inte förväxlas med dess underkategori LPG, flytande petroleumgas , beskriven som " kolväteblandningar där huvudkomponenterna är propan , iso och normal butan , propen och butylener ."

Att fånga NGL har visat en uppgång i deras ekonomiska andel av USA:s produktionsnivåer de senaste åren, vilket har väckt intresse för framsteg inom återvinningstekniker för petroleumutvinning . Användningen av NGL varierar, från andra brännbara bränslen som autogas och naturbensin , till tillverkning av plast . Det uppenbara värdet av dessa material har satt nivån på produkter som utvecklats från NGL till en rekordhög nivå i USA 2015. Trots dess värde och användning blir många av komponenterna som utgör NGL och LPG att betrakta som "avfallsgas". under produktionen och facklas på plats eller ventileras ut i atmosfären som snabbgas. Detta kan bero på brist på infrastruktur för att fånga upp och lagra och/eller transportera dessa vätskor till marknaden. Lönsamheten under nuvarande modeller är starkt beroende av tillgången till rörledningsinfrastruktur, producerad gasvolym och antalet/avståndet mellan produktionsanläggningar (batterier).

Miljöproblem

Deepwater Horizon oljeutsläpp som sågs av NASA:s Terra Satellites den 24 maj via en spektroradiometer för måttlig upplösning.

Flashgas är utsläppen från flashavdunstning, andningsutsläpp och arbetsutsläpp. Andning, eller stående utsläpp, sker naturligt när vätska sitter i ett kärl och genomgår normal avdunstning till atmosfären . Arbetsutsläpp skapas när vätskan omrörs, såsom vid transport, tömning/fyllning av tankar, provtagning etc. Inom alla dessa utsläpp finns material som har bedömts vara farliga för människor och miljö av tillsynsmyndigheter och vetenskapliga organ över hela världen . Den komplexa naturen hos kemiska interaktioner i flammor, blixtar och andra produktionsångor har gett upphov till många ansträngningar för att beskriva och kontrollera hur dessa kolväten interagerar med andra material i atmosfären för att skapa luftföroreningar. Studiet av dessa interaktioner omfattas av området atmosfärisk kemi .

Hazardous Air Pollutants (HAP)

Miljöpåverkan av utsläpp kan kvantifieras i termer av mängden farliga luftföroreningar (HAP) de innehåller. HAP, även känd som giftiga luftföroreningar, definieras av EPA som "de som är kända för att orsaka cancer och andra allvarliga hälsoeffekter". I USA beordrade lagstiftning känd som Clean Air Act EPA att reglera lämpliga nivåer av HAP-utsläpp från källkategorier som industri och mobil.

Det finns för närvarande 187 olika kemiska föreningar som klassificeras som HAP som deklareras i National Emissions Standards for Hazardous Air Pollutants ( NESHAP). Olje- och naturgasproduktion är känd som en stationär källa och krävs därför enligt Clean Air Act för att följa riktlinjerna från NESHAP, New Source Performance Standards (NSPS) och Control Techniques Guidelines för att minska mängden utsläpp som industrin producerar.

EPA har från och med 2015 offentligt register över två [2005/2011] National Air Toxics Assessments (NATA ) som visar effekterna av luftgiftiga utsläpp på nationell nivå. Förutom att identifiera och prioritera luftgifter fastställer bedömningen specifika platser som är i riskzonen så att korrigerande åtgärder kan vidtas. Rapporter går också i detalj om potentiella cancerformer och hälsoproblem i samband med nivån av rapporterade toxiner.

Växthusgaser (GHG)

Växthusgaser klassificeras efter deras förmåga att absorbera och avge strålningsenergi i atmosfären . Denna process av energifångning och frigöring är det som möjliggör växthuseffekten, när energi som fångas i gasen orsakar en resulterande uppvärmning av atmosfärstemperaturen . Växthusgaser är nödvändiga för att hålla vår atmosfär varm nog att upprätthålla liv men fungerar också som ett medium för att överhettning ska inträffa, ett fenomen som kallas global uppvärmning . Växtgaser produceras både direkt och indirekt under många produktionsfaser inom olje- och gasindustrin .

Costa Pintos produktionsanläggning i Piracicaba, Brasilien. Bearbetning av kolrika sockerrör ger socker, etanolbränsle, industriell etanol och alkohol för drycker, men ger också skadliga utsläpp.

Det uppskattas att 90 % av växthusgasutsläppen från fossila bränslen beror på förbränningen . Från och med 2009 utgjorde energirelaterade CO _{2 -utsläpp mer än 80 % av USA:s totala utsläpp av växthusgaser.} Flare och flashgas innehåller båda växthusgaser och bidrar därför till att de släpps ut i atmosfären, uppskattningar av deras utsläppsnivåer under petroleumproduktion varierar på grund av i stort sett omätt utsläpp av flashgas och andra former av flyktiga utsläpp .

En studie uppskattade att en 40-procentig ökning av atmosfärens koncentration av växthusgasen koldioxid (CO ₂ ) beror direkt på mänskliga aktiviteter sedan 1750. Andra växthusgaser än CO ₂ som produceras under petroleumdrift är också en oro för miljön. I genomsnitt är 43,6 % av spillgasen från en typisk anläggning metan . Metan har 28-36 gånger den globala uppvärmningspotentialen (GWP) som CO ₂ på grund av dess förmåga att absorbera mer strålningsenergi. Lustgas har en GWP på 265-298 gånger så stor som CO ₂ och är känd för att även frigöras vid fackling och förbränning av fossila bränslen.

Flyktiga organiska föreningar (VOC)

Bidrag från kvävedioxidutsläpp - den primära källan till ozon - till den globala genomsnittliga termiska absorptionen av ozon som observerats av instrumentet Tropospheric Emission Spectrometer på NASA:s rymdfarkost Aura i augusti 2006. Höga värden (röda) indikerar att utsläppen på den platsen bidrar mer starkt för att fånga värme i jordens atmosfär i förhållande till andra platser.

Flyktiga organiska föreningar (VOC) är organiska kemikalier , av vilka en del förekommer naturligt i olja och gas , som har högt ångtryck vid vanlig rumstemperatur . Som ett resultat uppvisar dessa kemikalier en lätt övergång från vätska till ångtillstånd under atmosfäriska (omgivande) förhållanden. I allmänna kemitermer är VOC organiska molekyler med låg molekylvikt , kokpunkter under 200 ˚C och låg till medel löslighet i vatten. EPA definierar flyktiga organiska föreningar som, "Varje förening av kol som helst , exklusive kolmonoxid , koldioxid , kolsyra , metalliska karbider eller karbonater och ammoniumkarbonat , som deltar i atmosfäriska fotokemiska reaktioner , förutom de som av EPA betecknas som att de har försumbar fotokemisk reaktivitet."

1977 släppte EPA "Recommended Policy on Control of Volatile Organic Compounds " där de separerade VOC baserat på tre kriterier: fotokemisk reaktivitet, roll i stratosfärisk O ₃ -utarmning och direkta hälsoeffekter. Lagen om säkert dricksvatten anger riktlinjer för nivåer av farliga material, inklusive vissa VOC, som är acceptabla i USA:s vatten. VOC är skadliga för miljön på grund av deras förmåga att bilda marknära ozon eller smog genom fotokemiska reaktioner. Förutom att bidra till föroreningar inomhus , är VOC också kända för att ha " andnings- , allergiska eller immuneffekter hos spädbarn och barn". Det finns farhågor om att dessa föreningar kan vara cancerframkallande hos både människor och djur. I synnerhet kan exponering för VOC- bensen under råoljeproduktion utgöra potentiellt allvarliga hälsorisker för arbetare.

Fotokemiska reaktioner

En stor del av den negativa påverkan som är förknippad med VOC härrör från deras förmåga att delta i fotokemiska reaktioner med primära föroreningar ( NO _x ) i atmosfären . Fotokemiska reaktioner definieras som "en kemisk reaktion som initieras av absorption av energi i form av ljus". Dessa reaktioner resulterar ofta i produktion av fotokemiska oxidanter , såsom kvävedioxid (NO ₂ ), ozon (O ₃ ), och andra peroxiföreningar i atmosfären. Dessa oxidanter deltar i ytterligare atmosfäriska reaktioner som sägs "producera dis , skada växt- och djurliv och material som gummi , framkalla obehag och misstänks ha toxiska effekter på människor."

Mekanistisk beskrivning för bildandet av fotokemisk smog

${\ce {{{\mathit {N}}O2}+{\mathit {h}}v->{{\mathit {N}}O}+ {\mathit {O}}}}$ (1)

Kvävedioxid reagerar med UV-strålning och bildar kväveoxid och en syreradikal.

${\ce {{\mathit {O}}+{\mathit {O}}_{2}->{{\mathit {O}}_{3}}}}$ (2)

Det radikala syret kombineras med O2-gas i atmosfären och bildar ozon.

${\ce {{{\mathit {O}}_{3}}+{\mathit {N}}O->{{\mathit {N} }O_{2}}+{\mathit {O}}_{2}}}$ (3)

Ozon reagerar med kväveoxid och bildar kvävedioxid och syre.

${\ce {{{\mathit {R}}H}+{\mathit {O}}H{.}->{{\mathit {R }}{.}}+{\mathit {H}}_{2}O}}$ (4)

En art av VOC bunden till väte reagerar med hydroxid och bildar en fri radikal VOC och vattenånga.

${\ce {{{\mathit {R}}{.}}+{\mathit {O}}_{2}->{{\mathit {R}} O_{2}}}}$ (5)

Den fria radikalen VOC reagerar med syre för att bilda en VOC bunden med syrgas.

${\ce {{{\mathit {R}}O2}+{\mathit {N}}O->{{\mathit {R} }O^{-}{.}}+{\mathit {N}}O_{2}}}$ (6)

VOC-syrebindningen bryts i närvaro av kväveoxid och bildar en VOC-syreanjon och kvävedioxid för att ytterligare delta i reaktion 3. Där hv är UV-strålning och R är en flyktig organisk förening (VOC). Dessutom kan vissa organiska föreningar (särskilt aldehyder ) fotolysera i atmosfären för att bilda radikaler som deltar i atmosfäriska reaktioner. [46] VOC eller oxidantprekursorer släpps ut till atmosfären från både naturliga och konstgjorda källor. Globalt sett verkar naturliga utsläpp uppväga antropogena utsläpp. Det är dock den höga koncentrationen av antropogena källor till flyktiga organiska ämnen tillsammans med NO _x -utsläpp från förbränningsprocesser i stadsområden som ökar risken för urbana ozonproblem . Vind och andra klimatologiska aktiviteter (transportmekanismer) transporterar sedan den bildade oxidanten till landsbygden .

VOC Diagnostik

Studier har gjorts för att försöka ta reda på om VOC kan vara direkt relaterade till cancer i människokroppen. Ett sådant exempel är en grupp som samlade in andningsprover från en lungcancerpatient för att bestämma VOC-halten i lungorna före och efter operationen. Denna studie tyder på att det kan finnas vissa biomarkörer VOC som indikerar närvaron av en sjukdom eller cancer hos en patient. Ytterligare forskare har också börjat försöka identifiera samband mellan uppkomsten av cancer och nivåerna av VOC i miljön. En databas för att samla information om cancer och andra aspekter av VOC i mänskliga cellinjer, human volatilome , har startats av forskare.

Sekundära organiska aerosoler (SOA)

Sekundära organiska aerosoler (SOA) är en typ av farliga partiklar som för närvarande inte är välkända, men som tros utgöra en betydande del av den troposfäriska aerosolen eller den submikrona atmosfäriska partikelmassan. [50,51] Aerosoler påverkar atmosfärens strålningsbalans genom absorption och spridning av strålningsenergi, vilket leder till förändringar i vädret via förändringar i molndroppskärnbildning och solstrålningsbudgeten . De sägs bildas "när de atmosfäriska oxidationsprodukterna av flyktiga organiska föreningar genomgår gas-partikelöverföring." Bidraget från VOC till nivåerna av SOA i atmosfären har modellerats med hjälp av simuleringskammarexperiment för att få en bättre förståelse av den inblandade kemin . SOA sägs vara en viktig orsak till dödligheten i samband med exponeringen för skadlig luftförorening av fina partiklar, men det saknas dock partikelexponeringstekniker in vitro för att testa för toxicitet. Det pågår forskning för att hitta interaktionen mellan SOA och lungceller för att se deras potentiella skadliga effekter.

Metoder för att beräkna och uppskatta flashgassammansättning och flashförlust

Blixtgasberäkningar

Beräkning av flashgasinnehåll baseras ofta på principen om ånga-vätskejämvikt (VLE) och kombinerar teorier som Raoults lag med komponentmass / energibalanser , liknande de som används vid destillationsenhetsoperationer . Eftersom blandningen består av flera komponenter, är mer komplexa ekvationer som Rachford-Rice-ekvationen tillämpliga i idealiska situationer och har ofta använts i kemiska anläggningar och raffinaderier . Det är viktigt att notera att dessa ekvationer är baserade på den ideala gaslagen och vätskor vid termodynamisk jämvikt , medan kolväten i olje- och gasproduktion anses vara icke-idealiska eller verkliga och kanske inte är i jämvikt. Ytterligare relationer, såsom Van Der Waals-ekvationen och andra tillståndsekvationer (EOS) kan användas för att ta hänsyn till dessa avvikelser och kan användas för att ge en bättre uppskattning av flashgasinnehåll. Kolväten med högre molekylvikt visar ännu mer avvikelse från idealbeteende och behöver ytterligare beräkningsjusteringar, såsom Suttons modifiering av Steward et al.

Kemisk simulering

Exempel på ett flödesdiagram (PFD) som beskriver en destillationsoperation för råolja.

Mer realistiska modelleringstekniker omfattar variabla förhållanden som kan uppstå på plats under petroleumbearbetning genom att använda provanalysmjukvara på flash-platsen, t.ex. ProMax Software, som kan förutsäga utsläpp och förluster på grund av flash, dvs arbets- och stående förluster. Andra tekniker som används för att göra beräkningar av flashförluster (utan provtagning och analys) kallas kemiska processimulatorer, t.ex. WinSim, Designer II, HYSIM och VMG. Dessa program kan också ha förmågan att införliva data från platsspecifika prover för att ge mer exakta resultat. Alternativt kan ett infångat vätske- eller gasprov analyseras i laboratoriemiljö för att bestämma sammansättningen och upplöst gas-olja-förhållande ( GOR) med hjälp av exakta mättekniker. Detta ger dock bara insikt om provet av flashgas och tar inte hänsyn till realtidsfluktuationer för alla på plats källor till flashgas, inklusive arbets- och ståendeförluster.

Uppskattningar baserade på flyktiga organiska föreningar

En annan acceptabel teknik vid flash-uppskattning är Vasques-Beggs Equation (VBE) som beräknar mängden flashgas i termer av total VOC och inte i deras individuella komponenter. Denna modell kan endast beräkna den momentana blixtgasen och beräknar inte de arbetande eller stående blixtgasförlusterna. Ytterligare ekvationer har utvecklats för att använda i enlighet med VBE-ekvationen för att bestämma artspecifika förluster, såsom HAP-calc för att bestämma mängden farlig luftförorening (HAP) som produceras.

Statsekvationer

En tillståndsekvation (EOS) är en termodynamisk ekvation som relaterar till tillståndsvariabler som beskriver materiens tillstånd under en given uppsättning fysiska förhållanden. EOS används för att göra beräkningar om det förutspådda fasbeteendet för kolväten före utvinning från en reservoar. Soave-Redlich-Kwong och Peng-Robinson är exempel på två vanliga EOS inom industrin för att bestämma kritiska egenskaper hos flerkomponentblandningar. Dessa ekvationer kan vara användbara för att förutsäga och uppskatta blixtförluster när de används i samband med provtagning och reservoardata.

Minskning av fakkelgas

Ångåtervinningsenheter

Pueblo Chemical Agent-Destruction Pilot Plant Scrubber Tower. Skrubbertornet är en del av avgasbehandlingssystemet som kommer att användas för att filtrera luftutsläpp från Pueblo Chemical Agent-Destruction Pilot Plant.

Vapor Recovery Units (VRU) har ofta använts för att fånga upp ventilerad gas och annan avfallsgas ( ångåtervinning ) under petroleumproduktion , den skapades ursprungligen för att fånga upp svavelväte från oljefältstankar. En VRU fungerar genom att komprimera flashgasen som produceras i lagringstankar och andra enheter för att läggas i en pipeline. En grundläggande VRU består av en skrubber , kompressor och en switch. När trycket i tanken når börvärdet, slår omkopplaren på kompressorn och skickar ångan till en skrubber där vätskedelen separeras ut. Gasdelarna kan användas för att driva drift på plats, transporteras till lagringstankar för ytterligare separation, kan ledas ut direkt till en annan anläggning eller injiceras i en kompressor; de flytande delarna (NGL) som vanligtvis bildas skickas normalt till vattentanken. Om de skickas till oljelagring kommer de att förångas igen och gå igenom VRU, vilket skapar en oändlig cykel.

VRU:s kan skapa intäkter genom återförsäljning och användning av de fångade ångorna som skulle ha ventilerats ut i miljön och gått förlorade. Intäkten som produceras beror på mängden ånga som fångas upp och säljs till en pipeline. Analyser har gjorts för att visa de ekonomiska effekterna av utsläppsminskning och fångst med hjälp av VRU och annan teknik. Dessa enheter minskar också mängden utsläpp av flyktiga organiska föreningar i samband med olje- och naturgasproduktion, återigen genom att förhindra att de släpps ut direkt i atmosfären .

Det har väckts farhågor om effektiviteten hos VRU:er. Det har påpekats att ångåtervinningsenheter (VRU:s) inte kan återvinna lättare kolväten som har lösts upp i vätskefasen eftersom enheterna är konstruerade för att återvinna det som redan finns i ångfasen. När gasen tillsätts under högt rörledningstryck, kondenseras NGL och återförs till vattentanken (i sällsynta fall bearbetas och säljs de som NGL).

Thief Hatch Alternatives/Vapor Recovery Towers

Thief hatch, även känd som en gauge hatch, är en term som ges till en stängbar öppning på en tank eller ett fartyg som används inom olje- och gasindustrin. Dessa luckor är placerade i atmosfäriska eller lågtryckstankar för att möjliggöra nivå- eller provmätningar och för att ge vakuumavlastning till kärlet. Tjuvluckor används även i mättankar och i transportfordon där de måste öppnas mot atmosfären för att ta mätningar och prover. Blixtgas läcker lätt ut när dessa luckor öppnas och därför kan de utgöra ett problem när det gäller utsläpp. Det har också rapporterats om dödsfall orsakade av manuell tankmätning och provtagning via tjuvluckor.

Vapor Recovery Towers (VRT) har framställts som en potentiell lösning för ångförlust via tjuvluckor. VRT är ett sätt att minska ångbelastningen på lagringstankar genom att ta bort en del av flashgasen innan den når oljetankarna. VRT kan förbättra säkerheten genom att minska risken för problem relaterade till hög ångutveckling från oljetankarna.

Värmebehandlare

Vertikala och horisontella värmebehandlare.

Värmebehandlare används ofta inom industrin för följande: För att bryta upp emulsioner för att separera oljan från producerat vatten, stabilisera råoljan eller kondensatet genom att separera flyktiga , lättare kolvätefraktioner, (C1-C8) från den tunga, mindre flyktiga fraktionen ( C9+) av säkerhetsskäl. Ventilationsgas från värmebehandlare är känd som en betydande källa till snabbgas och därav följande VOC . Det är möjligt att omdirigera denna avluftningsgas till en VRU för att fånga upp en del av strömmen eller andra bearbetningsenheter för att minska utsläppen och göra ytterligare intäkter.

Olje- och gasseparatorer/tryckoptimering

Trefasseparatorer används i olje- och gasproduktion för att separera vatten, olja och gas i isolerade strömmar . En separator är i allmänhet ett trycksatt kärl som används för att dela en produkt baserat på principer för kemisk separation som fas och densitet . Dessa kärl är också kända som avvätskor eller avgasare eftersom de antingen avlägsnar vätska från bulkgasströmmen eller avlägsnar gas från bulkvätskeströmmen under bearbetning. Tryckoptimering baserad på provsammansättningar tagna uppströms kan ge en lösning på ineffektiva separationer och kan hjälpa till att minska den totala mängden flashgas som produceras.

Se även

• Flash-gas (kylning)
• Ångåtervinning