עיבוד הגז הטבעי הוא אמצעי לזיקוק הגז תוך הפרדת מרכיבים בעלי ערך ולהכנת גז יבש שעומד בתקנים תעשייתיים להולכה בצינורות לחץ גבוה. המתקן מבצע את הפעולות הבאות: ניקוי גז ממים ולחות (דה-הידרציה), סילוק פחמימנים העלולים להפוך לנוזל (עיבוד גז) , ניקוי גז טבעי ממרכיבים לא רצויים (טיפול בגז).

גז טבעי המשרת את צרכני הקצה שונה באופן ניכר מהגז המופק ממעמקי האדמה. על אף שעיבוד גז טבעי מורכב פחות בהשוואה לעיבוד וזיקוק נפט, אין מנוס מתהליך זה לפני הצריכה הסופית. הגז הטבעי שבשימוש הצרכנים מורכב ברובו ככולו ממתאן. גז טבעי ניגר, חרף הרכבו הזהה, מופק משלולה סוגי בארות: בארות נפט, בארות גז ובארות קונדנסטים. גז טבעי שמופק מבארות נפט נקרא “גז מלווה”. לעיתים קיימת הפרדה בין נפט לגז במבנה המפיק (גז חופשי) ולעיתים הגז מומס בנפט (גז מומס). גז טבעי מבארות גז ובארות קונדנסטים, בעלות תכולת נפט נמוכה או ללא נפט כלל, נקרא “גז בלתי מלווה”. בארות גז מפיקות גז טבעי גולמי בלבד, בעוד שבארות קונדנסטים מפיקות גז טבעי חופשי עם קונדנסט פחמימני נוזלי למחצה. גז טבעי מכל מאגר (לאחר הפרדתו מנפט כגז מלווה במקרים מסוימים) מצוי לרוב בתערובת עם פחמימנים אחרים, בעיקר עם: אתאן, פרופאן, בוטאן ופנטאן. בנוסף לכך, גז טבעי גולמי מכיל אדי מים, מימן גופרתי (H2S), פחמן דו-חמצני, הליום, חנקן ותרכובות אחרות.

בתהליך עיבוד גז טבעי מתבצעת הפרדה בין גז טבעי גולמי למגוון פחמימנים וזורמים להפקת גז יבש העומד בתקני האיכות של מערכת ההולכה. בקוי הולכה ראשיים נקבעות בדרך כלל הגבלות על הרכב הגז שמותר לשנע במערכת ההולכה. משמעות הדבר היא שיש לעבד את הגז הטבעי לפני השינוע. על אף שקיים צורך בהפרדת אתאן, פרופאן, בוטאן ופנטאן מגז טבעי, אין הדבר מעיד בהכרח על סיווגם של חומרים אלו כמוצרי פסולת. למעשה, ניתן לנצל פחמימנים נלווים, הנקראים “נוזלי גז טבעי” (NGL) כחומרי גלם בעלי ערך רב. בקבוצת חומרי NGL נכללים אתאן, פרופאן, בוטאן, איזו-בוטאן ובנזין טבעי. נוזלי גז טבעי משווקים בנפרד ומשמשים למגוון יישומים, כגון: זירוז הפקה מבארות נפט, אספקת חומרי גלם לבתי זיקוק ומפעלים פטרוכימיים וכמקורות אנרגיה.

על אף שניתן לבצע חלק מתהליך העיבוד הנדרש על שפת הבאר או בסמוך לה, גז טבעי עובר את מלוא התהליך במתקן עיבוד. זיקוק גז טבעי לצורך הכשרתו לעמידה בתקני האיכות של מערכת ההולכה, הוא תהליך המורכב מארבעה שלבים עיקריים:

• סילוק נפט וקונדנסטים – כדי לזקק ולשנע גז טבעי מלווה, תחילה יש להפריד אותו מן הנפט הממס. הפרדה זו נעשית לרוב באמצעות הציוד המותקן בסמוך לבאר.

• סילוק מים – נחוץ לסלק את רוב המים הנלווים. רוב מולקולות המים החופשיות שנלוות לגז טבעי מסולקות בשיטות הפרדה פשוטות על שפת הבאר. לעומת זאת, לשם סילוק אדי המים הנוכחים בתמיסה עם גז טבעי, נדרש טיפול מורכב יותר – ייבוש (דהידרציה), שבדרך כלל מתבצע באמצעות אחד משני התהליכים: ספיגה או ספיחה. בתהליך ספיגה, אדי המים מסולקים באמצעות חומר מייבש. בתהליך ספיחה, אדי המים עוברים עיבוי ונאספים על פני השטח.

אחת הדוגמאות לתהליך ספיגה היא ייבוש באמצעות גליקול. בתהליך זה, חומר סופג לחות משמש לקליטת אדי מים מזרם הגז. במגע עם זרם הגז שמכיל מים, הגליקול “חוטף” את המים מתוך הזרם. במילים אחרות, תמיסת הגליקול סופגת מים מן הגז הרטוב ובדרך זו מפרידה אותם. בעקבות ספיגת המים, מסת חלקיקי הגליקול עולה והם שוקעים בתחתית התמיסה. לאחר מכן, גז טבעי שהופרד מרוב תכולת המים שבו, משונע אל מחוץ למייבש (דהידרטור). תמיסת גליקול, הנושאת את כל המים המופרדים מן הגז, מועברת דרך דוד חימום ייחודי שמסנן ממנה את המים באמצעות אידוי. נקודת הרתיחה של מים היא 100 מעלות צלסיוס. לעומת זאת, נקודת הרתיחה של גליקול היא כ-200 מעלות צלסיוס. הפרש זה בין נקודות הרתיחה מקל באופן יחסי על הפרדת מים מתמיסת גליקול ומאפשר שימוש חוזר בה בתהליך ייבוש.
חידוש טכנולוגי בתהליך הוא הוספת FTS – מתקני הפרדה ייחודיים בין נוזלים לגזים. בנוסף לספיגת מים מזרם גז רטוב, תמיסת גליקול קולטת גם כמויות קטנות של מתאן ותרכובות אחרות. בעבר, פשוט היו מאווררים את השאריות הללו מחוץ לדוד חימום. מלבד הפסדי תפוקת גז טבעי, האיוורור היה תורם לזיהום אוויר ולאפקט החממה. מתקני FTS נועדו להפרדת התרכובות הללו לפני מעבר תמיסת גליקול לדוד חימום ובדיעבד לצימצום הפסדים של חומרים בעלי ערך. למעשה, מתקן FTS מפחית את הלחץ שמפעילה תמיסת הגליקול ומאפשר למתאן ולפחמימנים אחרים להתאדות. תמיסת הגליקול מגיעה לאחר מכן לדוד חימום, שיש אפשרות לחבר אליו מעבים מקוררי אוויר או מים המשמשים ללכידת שאריות כלשהן של תרכובות אורגניות בתמיסת גליקול.

ייבוש בחומר סופג לחות – בתהליך זה בדרך כלל נעשה שימוש בשניים או יותר מגדלי ספיגה מלאים בחומר מוצק סופג לחות. גז טבעי רטוב זורם במורד המגדל וכאשר הוא עובר בסביבת חלקיקים של חומר סופג, המים שוקעים על פני החומר. עם סיום מעבר הגז דרך כל המשטח הסופג, המים נספגים ברובם וגז יבש עוזב את תחתית המגדל.

הפרדת נוזלי גז טבעי (NGL).

הגז הגולמי עובר בדרך כלל זיקוק מנוזלים רבים שמצויים בהרכבו הטבעי. ברוב המקרים, נוזלי גז טבעי נושאים עמם ערך רב כמוצרים נפרדים, ולכן יש הצדקה כלכלית בטיהור הגז מהחומרים הללו. סילוק נוזלי גז טבעי מתבצע בדרך כלל במתקן עיבוד מרכזי יחסית. בתהליך זה נעשה שימוש בטכניקות דומות לאלו המיושמות בייבוש גז טבעי.
טיפול בנוזלי גז טבעי מתבצע בשני שלבים עיקריים: תחילה יש למצות את הנוזלים מגז טבעי ולאחר מכן לפרק אותם למרכיביהם הבסיסיים. קיימות שתי שיטות עיקריות לסילוק NGL מגז טבעי: שיטת הספיגה ותהליך הפרדה בקירור. בשיטות הללו מייצרים כ-90% מתפוקת נוזלי גז טבעי.

שיטת הספיגה – שיטת הספיגה של תמצית NGL דומה מאוד לייבוש בספיגה. ההבדל העיקרי הוא שבספיגת NGL החומר הסופג הוא שמן ולא גליקול. לשמן סופג יש זיקה ל-NGL באותה המידה כפי שלגליקול יש זיקה למים. שמן שטרם ספג חלקיקי NGL נקרא שמן ספיגה “דל”. כאשר גז טבעי עובר דרך מגדל ספיגה, הוא בא במגע עם שמן ספיגה שבולע נתח ניכר מה-NGL. שמן הספיגה “העשיר” ב-NGL עוזב את מגדל הספיגה דרך חלקו התחתון בצורת תערובת שמכילה שמן ספיגה, פרופאן, פוטאן, פרופאן, פנטאן ופחמימנים אחרים כבדים יותר. השמן העשיר מוזן לתוך מזקקות השמן הדל, שבהן מחממים את התערובת לטמפרטורה הגבוהה מנקודת הרתיחה של NGL מחד ונמוכה מנקודת התריחה של השמן מאידך. התהליך מאפשר להפיק מגז טבעי כ-75% בוטאן וכ-85%-90% פנטאנים ומולקולות כבדות יותר.

תהליך הפרדה בקירור – תהליכים קריוגניים משמשים גם למיצוי NGL מגז טבעי. על אף האפשרות למצות את כל הנוזלים מהגז בשיטת ספיגה, בדרך כלל קשה במיוחד לסלק פחמימנים קלים, כגון אתאן, ובמקרים מסוימים הפרדה זו לא משתלמת כלכלית. למרות זאת, אם ניתן למצות פחמימנים קלים באופן כלכלי ויחד עם זאת לקבל תפוקה גבוהה, יש לעשות שימוש בתהליך קירור. למעשה, תהליכי הקירור נועדו להוריד את טפרטורת הגז הגולמי לכ-120 מעלות פרנהייט. בתהליך מיצוי NGL מגז טבעי מופק גז נקי וטהור יחסית לצד פחמימנים בעלי ערך.

לאחר סילוק NGL מגז טבעי, יש לפרק אותם למרכיביהם הבסיסיים על מנת להפכם למוצרי צריכה שימושיים. התהליך המשמש להשלמת משימה זו – פירוק לפרקציות, מבוסס על טמפרטורות הרתיחה השונות של הפחמימנים הנוזלים הללו. למעשה, הפירוק לפרקציות מתרחש בהדרגה, כאשר הפחמימנים מגיעים לנקודת רתיחה בזה אחר זה. כל מקטע הפרדה נקרא בשם הפחמימן שמגיע בו לנקודת הרתיחה. תהליך הפירוק לפרקציות מתחלק לשלבים ומתחיל בסילוק נוזלים קלים מגז טבעי. מקטעי ההפרדה פועלים על פי הסדר הבא:

• הפרדת אתאן ב-deethanizer
• הפרדת פרופאן ב-depropanizer.

• הפרדת בוטאן ב-debutanizer. בשלב זה נותרים פנטאנים ופחמימנים כבדים.

• הפרדה בין בוטאן לאיזו-בוטאן.

שמירה על עיקרון ההדרגתיות מאפשרת להפריד בין הנוזלים השונים בקלות יחסית.

סילוק גופרית ופחמן דו-חמצני
בנוסף להפרדת מים, נפט ו-NGL, אחד ההיבטים החשובים ביותר בעיבוד גז טבעי הוא סילוק גופרית ופחמן דו-חמצני. גז טבעי ממאגרים מסוימים מכיל גופרית ופחמן דו-חמצני בכמות ניכרת. מקובל לכנות גז טבעי מסוג זה “גז חמוץ” בגלל הריח החריף שנודף מהגופרית שבהרכבו. גז עתיר גופרית אינו רצוי מכיוון שתרכובות הגופרית שבו עלולות לגרום נזק רב ואף קטלני לדרכי נשימה. בנוסף לכך, במקרים מסוימים גז חמוץ עלול להיות משתך. על אף החסרונות הללו, אפשר להפריד את הגופרית מהגז ולשווק אותה לתעשייה כחומר בפני עצמו. גופרית מופיעה בגז טבעי כחלק מתרכובת מימן גופרתי ( H2S) והגז מסווג כחמוץ אם תכולת המימן הגופרתי שבו גבוהה מ-5.7 מיליגרם H2S למטר מעוקב. מקובל לכנות תהליך סילוק מימן גופרתי מגז חמוץ בשם “המתקת גז”.
תהליך המתקת גז טבעי חמוץ, הנקרא גם תהליך גירדלר, די דומה במהותו לייבוש באמצעות גליקול וספיגת נוזלי גז טבעי, אך במקרה זה נעשה שימוש בתמיסות אמין לסילוק מימן גופרתי. הגז החמוץ עובר דרך מגדל המכיל תמיסת אמין. התמיסה, בעלת הזיקה לגופרית, מספחת אותה בדומה לתהליך ספיגת מים בגליקול. בהמתקת גז טבעי נעשה שימוש בשתי תמיסות אמין עיקריות – חד-אתאנולמין (MEA) ודו- אתאנולמין (DEA). שתי התרכובות הללו במצב נוזלי סופגות את תרכובות הגופרית מגז טבעי. הגז יוצא מהמגדל כשהוא נקי מתרכובות גופרית ובזאת מאבד את סיווגו כגז חמוץ. בדומה למיצוי NGL וייבוש בגליקול, גם בתהליך זה תמיסת האמין ניתנת לשימוש חוזר (לאחר סילוק הגופרית שנקלטה בה).
בנוסף לארבעת התהליכים המפורטים לעיל, קיים צורך בהתקנת גופי חימום וסולקנים בסמוך לבאר. הסולקנים משמשים בעיקר לסילוק אלחים כמו חול וחלקיקים גדולים אחרים. גופי החימום נועדו לשמור על טמפרטורת גז אופטימלית. כשגז טבעי מכיל מים (גם בכמויות קטנות), ההידרטים שלו נוטים להתגבש עם ירידה בטמפרטורה. ההידרטים הללו הם תרכובות מוצקות או מוצקות למחצה שיוצרות גבישים דמויי קרח. הצטברותם מקשה על מעבר גז טבעי דרך שסתומים ומערכות איסוף.