1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28684
(51) B01D 53/14 (2011.01)
C01B 13/02 (2011.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2011/0796.1
(22) 14.07.2011
(45) 15.07.2014, бюл. №7
(72) Муллаев Берт Тау-Султанович; Карабалин
Узакбай Сулейменович; Курбанбаев Мурат
Избергенович; Саенко Ольга Бертовна
(73) Акционерное общество "Казахский научно-
исследовательский и проектный институт нефти и
газа"
(74) Туркпенбаева Бибигуль Жапаровна
(56) RU №2063790, кл. B01D 53/14, 1996
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗДУХА,
ОБОГАЩЕННОГО АЗОТОМ
(57) Изобретение относится к способу получения
воздуха, обогащенного азотом, и может быть
использовано в нефтегазодобывающей
промышленности в качестве, например, способа
получения инертного рабочего агента при ремонте
нефтегазопромыслового оборудования, для
поддержания пластового давления, повышения
нефтеотдачи пласта, освоения нефтяных, газовых,
водонагнетательных скважин на месторождениях
нефти и газа, а также в химической
промышленности при производстве минеральных
удобрений, при хранении продуктов, в
противопожарных целях и др.
(19)KZ(13)A4(11)28684

2. 28684
2
Изобретение относится к способу получения
воздуха, обогащенного азотом, и может быть
использовано в нефтегазодобывающей
промышленности, например, в качестве способа
получения инертного рабочего агента при ремонте
нефтегазопромыслового оборудования, для
поддержания пластового давления, повышения
нефтеотдачи пласта, освоения нефтяных, газовых,
водонагнетательных скважин на месторождениях
нефти и газа, а также в химической
промышленности при производстве минеральных
удобрений, при хранении продуктов, в
противопожарных целях и др.
Известен способ обогащения воздуха
кислородом, включающий контактирование воздуха
с водой под избыточным давлением, отвод воды и
выделение из него воздуха, обогащенного
кислородом, основанный на растворимости в воде
кислорода в большем объеме, чем азота (А.с. СССР
№85794, кл. В01D 53/14, 1949г.).
Недостатком известного технического решения
является то, что оно не может быть использовано
для эффективного получения воздуха, обогащенного
азотом, т.к. не ставит своей задачей очистить
оставшуюся свободную воздушную газовую фазу от
кислорода, в результате чего в ней, наряду со
значительным содержанием азота, будет также
содержаться в большом объеме не растворившийся
в воде кислород.
Наиболее близким к заявленному изобретению
является способ получения воздуха, обогащенного
азотом, включающий последовательные стадии
повышения давления воздуха и воды выше
атмосферного, смешивание этих фаз в эжекторе,
сепарацию и раздельный отвод воздуха и воды из
сепаратора по самостоятельным каналам при
одинаковых давлениях и температуре в пределах
0,25-70,0 МПа и 3-80°С соответственно, с
добавлением в воду ПАВ, при расходе в ней
воздуха, не превышающего величину удельного
расхода, определяемого из экспериментального
соотношения
(VB)П≤10P(42,51/T-0,114), (1)
где (VB)П -предельный удельный расход воздуха,
обеспечивающий получение максимального объема
воздуха, обогащенного азотом, при минимальном
содержании в нем кислорода (обескислороженный),
м3
/м3
; Т-температура процесса, К; Р-давление
процесса, МПа. (Патент РФ №2063790, «Способ
получения воздуха, обогащенного азотом».- Б.Т.
Муллаев - 1992г.) Прототип.
Одним из недостатков известного способа
является то, что применение механических
массообменных средств в виде эжектора и газового
сепаратора не обеспечивают эффективного
использования способности воды растворять
кислород.
Однако исследованием установлено, что более
эффективное разделение газовых смесей путём
избирательного поглощения их отдельных
компонентов жидким абсорбентом можно достичь,
осуществляя этот процесс в массообменном
аппарате типа абсорбционная колонна (Рамм В. М.
«Абсорбция газов». Изд. "Химия", М., 1966г.).
Абсорбционная колонна применяется при осушке и
очистке природных газов, в производстве серной
кислоты, хлора, аммиака и пр.
Другим недостатком известного способа
является то, что осуществление процесса
рекомендуется в широком диапазоне давлений и
температур соответственно 0,25-70,0 МПа и от 3 до
80°С, что в конкретных условиях затрудняет
оптимизировать процесс.
С увеличение давления массообменного
процесса способность воды поглощать кислород
соответственно возрастает и эффективность
процесса получения воздуха, обогащенного азотом,
повышается. Кроме того, для последующего
использования воздуха, обогащенного азотом,
зачастую требуется высокое давление, например,
для закачки его в пласт. Однако с увеличением
давления процесса возрастает и стоимость
оборудования для его реализации. В связи с
изложенным оптимальную величину давления
процесса получения воздуха, обогащенного азотом,
необходимо определять с учетом того давления, при
котором планируется дальнейшее его
использование, уточняя эту величину на основании
результатов технико-экономического обоснования.
Относительно оптимизации температуры
технологического процесса получения воздуха,
обогащенного азотом, принято во внимание
следующее.
Технологический процесс получения воздуха,
обогащенного азотом, может быть востребован на
морских месторождениях как в качестве
безопасного инертного газообразного продукта для
использования в наземных сооружениях, так и для
закачки в пласт. В этом случае в качестве
абсорбента потребуется использовать морскую
минерализованную воду.
Значительная часть месторождений суши
находится также в местах, ограниченных ресурсами
пресной воды, и для реализации предлагаемой
технологии на этих месторождениях в качестве
абсорбента экономически выгодно использовать
попутно добываемую с нефтью пластовую воду,
характеризующуюся, как правило, повышенной
минерализацией.
Однако растворимость кислорода в воде
снижается с увеличением ее минерализации.
Данные о влиянии минерализации воды на
растворимость в ней кислорода приведены в
таблице 1 (Кузьмина И.А. «Содержание
растворенного кислорода в воде: Методические
указания». - Великий Новгород: НовГУ им.
Ярослава Мудрого, 2007. с.12). Зависимость
влияния минерализации воды на растворимость в
ней кислорода, построенной по данным таблицы 1,
представлена на фиг.1.
Как следует из данных, представленных в
таблице 1 и на фиг.1, оптимальной температурой
процесса получения воздуха, обогащенного азотом,
является температура 10°С, так как при больших и
меньших температурах осуществления процесса

3. 28684
3
уменьшение растворимости кислорода в воде (мг/л)
на каждые 1000 мг солей увеличивается.
Сущность заявленного изобретения заключается
в том, что процесс получения воздуха,
обогащенного азотом, осуществляют в
абсорбционной колонне, используя в качестве
абсорбента воду, в том числе минерализованную,
или раствор ПАВ в воде, в том числе
минерализованной, обеспечивая поддержание
температуры процесса в пределах 10°С и
оптимального давления, определяемого с учетом
того давления, при котором предусматривается
дальнейшее использование воздуха, обогащенного
азотом, и уточнения этого давления по результатам
технико-экономического обоснования.
Примерная схема реализации технологического
процесса получения воздуха, обогащенного азотом,
по предполагаемому изобретению представлена на
фиг.2.
Технологическая схема включает: воздушный
компрессор (передвижной) - 1; холодильник
охлаждения воздуха (например, водяной) - 2;
агрегат с емкостью (передвижной) - 3;
абсорбционную колонну, например, барботажную
(тарельчатую) - 4; отвод товарного продукта
потребителю с регулятором давления - 5; отвод на
I-ю ступень сепарации воды, обогащенной
кислородом, с регулятором давления - 6; сепаратор
I-й ступени - 7; отвод на II-ю ступень сепарации
воды, обогащенной кислородом, - 8; сепаратор II-й
ступени - 9; отводы из сепараторов воздуха,
обогащенного кислородом, в атмосферу (или
потребителю) - 10 и 11; отвод дегазированной воды
из сепаратора II-й ступени - 12, холодильник
охлаждения воды (например, водяной) - 13.
Предлагаемое изобретение осуществляется
следующим образом:
Воздух, компрессором 1, через холодильник
(водяной) 2, и воду, например минерализованную,
агрегатом 3, подают, соответственно, в нижнюю и
верхнюю часть абсорбционной колонны 4. В
абсорбционной колонне, например, барботажной
(тарельчатой), газ поднимается вверх через слой
воды на тарелках (через отверстия или особые
устройства - клапаны) и из ее верхней части, через
регулятор давления 6, выводится, проходит анализ,
и, в виде товарного продукта (воздуха,
обогащенного азотом) сдается потребителю.
Вода, поступая в верхнюю часть колонны по
переливным трубам, перетекает вниз с одной
тарелки на другую, и отводится из нижней части
абсорбционной колонны, через регулятор давления
6, на сепаратор 1-й ступени 7, из которого, по
отводу 8, подается на сепаратор II-й ступени 9. В
процессе сепарации, воздух, обогащенный
кислородом, из сепараторов, по отводам 10 и 11,
отводят потребителю или сбрасывают в атмосферу.
Дегазированную воду из сепаратора II-й ступени по
отводу 12, через холодильник 13, возвращают на
рециркуляцию.
На месторождениях, на которых для закачки газа
в пласт потребуется высокое давление, процесс
получения воздуха, обогащенного азотом, следует
устанавливать с учетом тех параметров, которые
будут необходимы для его последующего
использования.
Поскольку эффективность абсорбционного
процесса существенно зависит от величины
давления, то во всех случаях величину давления
процесса следует оптимизировать не только с
учетом тех параметров, которые будут необходимы
для его последующего использования, но и с учетом
прочностной характеристики оборудования, а,
следовательно, и его стоимости, т.е. по результатам
технико-экономической оценки.
Температуру процесса следует поддерживать в
пределах обоснованной величины 10°С, что за счет
повышенной растворимости кислорода в воде, в том
числе минерализованной, не только повысит
эффективность процесса, но, в особых условиях
работы с водогазовыми средами, исключит
возможность замерзания рабочих агентов в
оборудовании и контрольно-измерительных
приборах.
Ниже приводится численный пример процесса
реализации предполагаемого изобретения по
получению воздуха, обогащенного азотом.
Пример (численный) расчета технологического
процесса получения воздуха, обогащенного азотом.
Постановка задачи
Рассчитать абсорбционный процесс получения
воздуха, обогащенного азотом, из воздуха состава
(% объ.): О2=20,9476; N2=78,084; Аr=0,934.
Исходные данные
Расход воздуха (на входе) G1в=905 кмоль/ч или
486745,2 м3
/сут (при 10°С и 1 бар).
На орошение подается вода (допускаем, что
содержание в ней кислорода х2О2=0). Требуемая
степень извлечения О2=95%.
Эффективность абсорбционных процессов
возрастает со снижением температуры и
повышением давления. Поэтому расчет процесса
получения воздуха, обогащенного азотом,
приводится при оптимальной температуре Траб=10°С
и различных значениях давления.
Решение
1. Составление материального баланса
Мольная доля О2 в поступающем воздухе
y1О2=0,209476, количество содержащегося О2
GO2=G1y1O2, кмоль/чс; (2)
GO2=905×0,209476=189,57578 кмоль/ч
(101961,44 м3
/сут)
Количество поглощенного О2 составит по
условию
WAO2=GO2nO2, кмоль/с; (3)
WAO2=189,57578×0,95≈180,1 кмоль/ч.
Мольная доля N2 в поступающем воздухе
y1=0,78084, а количество содержащегося N2
GN2=G1y1N2, кмоль/ч; (4)
GN2=905×0,78084=706,66 кмоль/ч (379900 м3
/сут).
Количество поглощенного N2 составит
WAN2=WAO2(yN21/yO2)/(mpxN2/mpxO2), кмоль/ч; (5)
WAN2=180,1×0,78084/0,209476/(67200/33200)
≈331,67 кмоль/ч.
где mpx O2 и mрх N2-коэффициенты фазового
равновесия для водного раствора О2 и N2, по

4. 28684
4
справочным данным соответственно
mрх O2=33200 бар и mpx O2-67200 бар;
y1 O2 и y1 N2-мольные доли O2 и N2 в поступающем
воздухе, по исходным данным y1 y1 O2=0,209476 и
у1 N2=0,78084
Количество уходящего воздуха, обогащенного
азотом, составит
G2 N2=G1-(WA O2+WA N2), кмоль/ч; (5)
G2 N2=905+(180,1+331,67)=393,23 кмоль/ч;
в м3
/сут
Q2 N2=G2 N2×22,41×24, м3
/сут; (6)
Q2 N2=393,23×22,41×24=211494,232 м3
/сут.
Содержание в уходящем воздухе, обогащенном
азотом, кислорода О2
gO2=GO2-WA O2, кмоль/ч; (7)
gO2=189,57578-180,1≈9,5 кмоль/ч;
в долях единиц (%)
y2 О2=gО2/G2 N2 (8)
y2 О2=9,5/393,23=0,024 (2,4%).
2. Определение расхода воды на выработку
воздуха, обогащенного азотом. В данном расчете
ставится задача получить сравнительные данные по
удельному расходу воды на выработку воздуха,
обогащенного азотом. Поэтому в технологическом
процессе объем вырабатываемого воздуха,
обогащенного азотом, принимаем неизменным
393,23 кмоль/ч или 211,5 тыс. м3
/сут.
Выполнены расчеты для различных вариантов
рабочего давления процесса: (1-Рраб=100 бар
(10 МПа); 2-160 бар (16 МПа); 3-200 бар (20 МПа);
4-500 бар (50 МПа)).
Вариант 1. Рраб=100 бар (10 МПа). При
парциальном давлении О2 в поступающем воздухе
р1 О2=Ррабy1 О2, бар; (9)
р1 О2=100×0,209476=20,9476 бар,
равновесная концентрация O2 в воде составит
х*
1 O2=P1 O2/mрх O2; (10)
x*
1 O2=20,9476/33200=0,00063,
где mрx O2-коэффициент фазового равновесия для
водного раствора О2, по справочным данным принят
mрх O2=33200 бар.
Минимальный расход воды в противотоке
находим, предполагая, что равновесная
концентрация O2 в воде на выходе из аппарата
достигает значения х*
1 О2=0,00063
G1в min=WAО2/x*
1 О2, кмоль/ч; (11)
G1в min=180,1/0,00063=285283,278 кмоль/ч.
Увеличивая это значение на 30% (для
надежности принимаем к.п.д =0,3), получим расход
воды
G2в=1,3G1в min, кмоль/ч; (12)
G2в=l,3×285283,278=370868,2614 кмоль/ч;
в м3
/сут
Q2d=G2dMH2O/1000×24, м3
/сут; (13)
Q2d=370868,2614×18/1000×24=160215 м3
/сут.
Таким образом, для получения воздуха,
обогащенного азотом, в объеме
G2 N2=393,23 кмоль/ч (Q2 N2≈211,5 тыс. м3
/сут)
потребуется закачка воздуха в объеме
48675 тыс. м3
/сут и расход воды в замкнутом
режиме Q2в= 160,2 тыс. м3
/сут.
Удельный объем выработки воздуха,
обогащенного азотом, на 1 м3
расхода орошаемой
воды по варианту 1 (давление 10 МПа, температура
10°С) составит
RN21=Q2N2/Q2в, м3
/м3
; (14)
RN21=211,5/160,215≈1,3 м3
/м3
.
Аналогично рассчитаны варианты с различными
рабочими давлениями процесса. Как следует из
проведенных расчетов, с увеличением рабочего
давления производительность технологического
процесса возрастает;
• при рабочем давлении 10 МПа на выработку
примерно 211,5 тыс. м3
/сут воздуха, обогащенного
азотом, потребность в воде составит
~160 тыс.м3
/сут;
• при рабочем давлении 50 МПа на выработку
того же объема воздуха, обогащенного азотом,
потребность в воде сократится в 5 раз и составит
~32 тыс. м3
/сут, соответственно возрастет удельный
объем выработки воздуха, обогащенного азотом, на
1 м3
расхода орошаемой воды, составив 6,5 м3
/м3
.
3. Аппаратурное оформление технологии
В соответствии с результатами расчета процесса
по тому или иному принятому варианту
разрабатывается аппаратурное оформление
технологии, рассчитываются параметры аппаратов и
абсорбционной колонны, габариты которой для
параметров рабочего процесса по варианту 1
(давление 10 МПа, температура 10°С) можно с
достаточным приближением принять диаметром
1000 мм и высотой 10-12 м.
Аппаратурное оформление элемента установки
по получению воздуха, обогащенного азотом,
представлено на рисунке 2.
4. Производительность элемента установки
Производительность элемента установки, т.е.
установки с одной абсорбционной колонной,
определяется, исходя из того, что скорость
воздушного потока в колонне, при расчетных
термобарических условиях, не превышала 0,035 м/с
,
4
86400 2
..
смвн
ургв
WД
Q
π
= м3
/сут, (15)
84,2373
4
035,014,30,186400 2
.. =
×××
=ургвQ м3
/сут,
Приведение расхода воздуха к стандартным
условиям производится по формуле
,
....
....
урур
урург
г
ZPT
TPQ
Q = м3
/сут; (16)
2611500
94,02831,0
2931084,2373
≈
××
××
=гвQ м3
/сут (261,5 тыс. м3
/сут).
Исходя из выше проведенного расчета по
варианту 1, на 1 абсорбционную колонну расход
воздуха в объеме Q1в=261,5 тыс. м3
/сут обеспечит
выработку воздуха, обогащенного азотом, в объеме
Q2N2-1=l 13,6 м3
/сут. При этом потребуется расход
воды в объеме
;/ 12122 NгNOH RQQ = (17)
QH2O=113,6/1,3≈87,4 тыс. м3
/сут.
Предполагаемое изобретение, являясь
экологически чистой технологией получения
воздуха, обогащенного азотом, предусматривает
возможность его использования в качестве

5. 28684
5
альтернативы закачке в пласты углеводородных
газов, что позволяет сохранить ценное
углеводородное сырье и сократить выбросы азота в
атмосферу, что, как известно, сопровождается
негативными последствиями, вплоть до глобального
потепления.
Таблица1
Влияние минерализации воды на растворимость в ней кислорода
Температура, ºС 0 10 20 30
Уменьшение
растворимости
кислорода (мг/л) на
каждые 1000 мг солей
0,08405 0,00217 0,04777 0,04085
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения воздуха, обогащенного
азотом, включающий последовательные стадии
повышения давления воздуха и воды выше
атмосферного, смешивание этих фаз, и раздельный
отвод воздуха и воды по самостоятельным каналам
при одинаковых давлениях и температуре, с
добавлением в воду ПАВ, отличающегося тем, что
воздух, обогащенный азотом, получают путем
создания более благоприятных условий
избирательного поглощения кислорода водой, в том
числе минерализованной, осуществляя процесс в
абсорбционной колонне, обеспечивая поддержание
температуры процесса в пределах 10°С и
оптимального давления, определяемого учетом
требований потребителя, и уточнения по
результатам технико-экономического обоснования.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч