Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технических решений и литера турных данных. постановка задачи исследования 7
1.1. Обзор технологий и установок для переработки легкого газового конденсата с различными способами нагрева исходного сырья 7
1.2. Выбор способа увеличения отбора легких фракций из кубового остатка в условиях недостаточного нагрева сырья 12
1.3. Анализ ректификационных установок с использованием вакуума... 14
1.4. Постановка задачи исследования 25
Глава 2. Теоретическое исследование процесса одноступенчатой вакуумной ректификации легкого газового конденсата 27
2.1. Физическая модель одноступенчатой холодильно-вакуумной ректификационной установки 27
2.2. Технологический расчет процесса вакуумной ректификации легкого газового конденсата 34
2.3. Методика и результаты гидравлического расчета 55
2.4. Выводы и предложения 63
Глава 3. Экспериментальное исследование вакуум ной ректификации лёгкого газового конденсата
3.1. Задачи эксперимента 64
3.2. Экспериментальная одноступенчатая вакуумная ректификационная установка 64
3.3. Методика проведения экспериментов 67
3.4. Результаты эксперимента и сравнение их с результатами технологического расчета 71
3.5. Исследование свойств продуктов, полученных при давлениях переработки 30 кПа и 100 кПа t 72
Глава 4. Разработка технологии переработки легкого газового конденсата в одноступенчатой холодильно-вакуумной ректификационной установке 79
4.1. Выбор варианта отбора продуктов переработки 79
4.2. Выбор холодильного агрегата 81
4.3. Технологическая схема установки 84
4.4. Принцип работы установки 86
4.5. Технология переработки легкого газового конденсата в вакуумном режиме 90
4.6. Разработка системы автоматики 92
4.7. Алгоритм работы приборов автоматики установки 93
Глава 5. Исследование проблемы натекания воздуха в одноступенчатую холодильно- вакуумную установку для ректификации лёгкого газового конденсата 96
5.1. Проблема взрывобезопасности вакуумной установки и постановка задачи исследования 96
5.2. Физическая модель 98
5.3. Математическая модель. Допущения и начальные условия 98
5.4. Проведение численных экспериментов и их анализ 102
5.5. Проведение хроматографического исследования и сравнение с экспериментом 104
Выводы и заключение 108
Список литературы 109
Приложение 115
- Выбор способа увеличения отбора легких фракций из кубового остатка в условиях недостаточного нагрева сырья
- Технологический расчет процесса вакуумной ректификации легкого газового конденсата
- Экспериментальная одноступенчатая вакуумная ректификационная установка
- Технология переработки легкого газового конденсата в вакуумном режиме
Введение к работе
Природный газ, добываемый на газоконденсатних месторождениях, содержит фракции «тяжелых» углеводородов в жидком и парообразном состоянии. При транспортировке природного газа жидкая и парообразная фракции создают некоторые трудности. Так жидкая фракция создает гидравлические пробки на пониженных участках газопровода, а парообразная фракция способна создавать кристаллические углеводородные пробки при снижении температуры ниже точки росы. Поэтому в районах газоконденсатных месторождений монтируются установки комплексной подготовки газа к транспорту (УКПГ), на которых отделяют фракции тяжелых углеводородов от природного газа [9, 11, 28,29, 65].
Для отделения жидких углеводородов используются гравитационные сепараторы различных типов. Для отделения парообразных углеводородов применяется низкотемпературная сепарация (НТС), использующая дроссельные устройства в изоэнтальпийном процессе і = const и турбодетандоры в изоэнтропийном процессе S = const. В обоих случаях происходит разделение жидкой фракции и природного газа. Осушенный газ закачивается в газопровод и подается потребителям, а газовый конденсат отделяют от воды и направляют на переработку [4].
Существует два типа газового конденсата — легкий и тяжелый. В легком газоконденсате не содержатся тяжелые мазутные фракции. Из легкого газоконденсата получают два продукта: бензин и дизельное топливо [44, 53].
При большом дебете газоконденсата переработка выполняется на заводах и установках, в которых используются печи огневого нагрева. На мелких промыслах используются типовые промысловые котельные.
Выбор способа увеличения отбора легких фракций из кубового остатка в условиях недостаточного нагрева сырья
Ректификация смесей может осуществляться с помощью водяного пара или инертного газа, которые подаются в нижнюю часть колонны или с сырьем наряду с подогревом или вместо подогрева остатка. В вакуумных и отпарных колоннах водяной пар или инертный газ снижают парциальное давление паров продукта и способствуют отпарке легких фракций без значительного повышения температуры низа колонны [3,58]. Однако при разбавлении исходного сырья водяным паром возникают следующие проблемы: 1) в ректификационной колонне будет происходить ректификация паров углеводородов (1/3 часть) и водяного пара (2/3 части), что потребует увеличения до 2/3 проходного сечения ректификационной колонны и площадей ректификационных тарелок; 2) возрастет до 2/3 поток флегмы, что приведет к увеличению площади охлаждения дефлегматора, а также к увеличению расхода охлаждающей воды; 3) в конденсаторной колонне потребуются дополнительные поверхности конденсации, и увеличится расход охлаждающей воды; 4) в сборнике дистиллята будет накапливаться вода, которая сконденсируется в конденсаторной колонне.
Вода затем будет попадать в резервуар с бензином, создавая проблему при его реализации. При разбавлении исходного сырья инертным газом во всех элементах установки ухудшатся процессы испарения, конденсации, а также массоперенос вследствие сопротивления среды инертного газа. Особенно это отразится в конденсаторе. Аналогично попаданию воздуха в холодильную машину, при конденсации паров углеводородов к поверхности конденсатора будет подноситься молекулы неконденсирующегося инертного газа, которые будут шунтировать теплообменную поверхность и значительно снижать эффективность конденсации. По мнению автора, в обоих вариантах эффективность переработки по сравнению с вакуумной установкой ухудшится. Согласно литературным данным, эта технология в нефтепереработке рекомендована для получения мазутных фракций. Известно, что при снижении давления температура кипения жидкости, а для многокомпонентной смеси температура кипения составляющих ее углеводородов понижается [3,16]. Рассмотрим теоретические основы технологии вакуумной ректификации легкого газового конденсата. На рис. 1.3. представлена зависимость давлений насыщенных паров индивидуальных углеводородов от С5Н12 (пентана) до СцН24 (ундекана) в области вакуума [11,26,43,63]. Рассмотрим линию ундекана 7, являющуюся границей раздела фракций на бензин и дизельное топливо с температурой кипения t = 190 С при давлении Р = 100 кПа. Снижая давление процесса по этой линии до величины Р = 30 кПа видим, что температура процесса становится t = 150 С (точка В), то есть достигается температура ректификации, обеспечиваемая промысловой котельной. С помощью этого графика доказывается возможность использования вакуума для переработки газового конденсата и определяется давление (Р = 30 кПа), необходимое для разделения легкого газового на два продукта -бензин и дизельное топливо. Однако с его помощью невозможно определить количественный выход продуктов. В нефтяной и газовой промышленности для переработки нефти и тяжёлого газоконденсата широко используется трёхступенчатая атмосферно-вакуумная ректификационная установка с обогревом от печи огневого нагрева (рис. 1.4.)
Технологический расчет процесса вакуумной ректификации легкого газового конденсата
Непрерывные смеси типа нефти и газового конденсата состоят из большого числа компонентов с близкими температурами кипения и близкими относительными летучестями, поэтому они характеризуются непрерывными измене ниями этих свойств в зависимости от состава смеси. Обычно в качестве характеристики состава и указанных свойств непрерывных смесей используют зависимости температур кипения исследуемой смеси при атмосферном давлении от общего отбора при этой температуре. В зависимости от условий нагрева и отбора фракций различают кривые истинных температур кипения (ИТК), кривые стандартной разгонки на аппарате Энглера по ГОСТ 2177-66 и кривые однократного испарения (кривые ОИ). Указанные кривые строятся по результатам экспериментальных исследований непрерывных смесей на специальных приборах и установках [2, 8, 51].
Рассмотрим методы расчета температур кипения и конденсации непрерывных смесей. Здесь и далее принимаем, что методы расчета для нефти и газоконденсата близки и подобны.
Температуры кипения и конденсации непрерывных смесей определяются либо по аналогии с многокомпонентными смесями с использованием кривых ИТК, либо по кривым ОИ.
В первом случае непрерывную смесь представляют состоящей из фиксированного числа условных компонентов, каждый из которых отвечает узкой фракции на кривой ИТК. Число условных компонентов рекомендуется принимать таким, чтобы ломаная линия, образованная этими компонентами, с достаточной точностью воспроизводила изменение истинных температур кипения, то есть характер кривых ИТК; при этом отношение констант равновесия соседних условных компонентов или их относительные летучести должны быть небольшими. При определении температур кипения непрерывных смесей для более узких фракций следует разбивать легколетучую часть смеси, а при определении температур конденсации - тяжелолетучую часть смеси.
При использовании кривых ОИ температуры кипения определяются по нулевому отгону, а температуры конденсации - по 100 %-ному отгону.
Температуры начала и конца ОИ нефтяных и газоконденсатных смесей при атмосферном давлении можно определить при помощи графиков Эдмистера, а также Обрядчикова и Смидович [51]. Графики Эдмистера позволяют строить кривые ОИ по заданному фракционному составу смеси, полученному в результате стандартной разгонки этой смеси на аппарате Энглера. Построение производится следующим образом. По гост известной температуре выкипания 50 % (об.) при стандартной разгонке (t50 ) по графикам Эдмистера определяют разность между температурой выкипания ои гост 50 % (об.) по ОИ (t50 ) и указанной выше температурой (t50 ). Затем определяют наклон отдельных участков имеющейся кривой стандартной разгонки и при помощи соответствующих кривых на графике Эдмистера находят наклон кривой ОИ на тех же участках. Если принять, что кривая ОИ является прямой, то ее можно построить по графику Обрядчикова и Смидович [51]. Крайние точки прямой ОИ находят по температуре выкипания 50 % (об.) на кривой ИТК и углу ее наклона. Для построения кривой ОИ (в данном случае прямой ОИ) при давлении, отличающемся от атмосферного, поступают следующим образом. Принимают ординату точки пересечения кривой ИТК и прямой ОИ за температуру кипения некоторого условного компонента при атмосферном давлении и при помощи этой температуры определяют по специальным номограммам [51] температуру кипения этого компонента при заданном давлении. После этого найденную температуру используют как новое значение ординаты точки пересечения кривой ИТК и прямой ОИ, то есть через полученную точку проводят прямую, параллельную прямой ОИ при атмосферном давлении. Кроме расчетных кривых ОИ для нефтяных смесей и, особенно для неф-тей, широко используют также опытные кривые ОИ, которые строятся по данным испытания смесей на установке однократного испарения. Расчеты ректификации непрерывной смеси обычно выполняются путем дискретизации, то есть представления непрерывной смеси в виде псевдомного компонентной, состоящей из условных компонентов - фракций, выкипающих в узких интервалах температур; свойства этих узких фракций приравниваются к свойствам индивидуальных компонентов [2, 51]. Для непрерывных смесей типа нефти и ее фракций за условные компоненты принимают такие углеводороды, физические свойства которых совпадают со свойствами узких нефтяных фракций. Идентификация условных компонентов производится по средней температуре кипения и плотности узких фракций, обогащенных определенными углеводородами, разбивку на условные компоненты следует проводить с учетом химического состава смеси.
Экспериментальная одноступенчатая вакуумная ректификационная установка
Эксперимент проводился на резервном блоке промышленной установки БДУ-ЗП Некрасовского газоконденсатного месторождения [13, 14]. Схема экспериментальной одноступенчатой вакуумной ректификационной установки представлена на рис. 3.1. Здесь: 1 - кубовая емкость с кипятильником 2, 3 - дефлегматор, 4 - ректификационная колонна, 5 - конденсаторная колонна, 6 - конденсатор, 7 — сборник дистиллята, 8 — вакуумный насос, В1 — вентиль, регулирующий подачу сырья, В2 - вентиль, регулирующий расход охлаждающей дефлегматор воды, ВЗ - вентиль, регулирующий отбор кубового остатка, В4 - кран подачи природного газа, В5 - вентиль, регулирующий расход охлаждающей конденсатор воды, В6 - вентиль, регулирующий отбор дистиллята, В7 - кран свечной линии, В8 - регулирующий вентиль вакуумного насоса, Р - счетчик объема сырья, Ml - мановакууметр линии природного газа, М2 - мановакуумметр вакуумной системы, ТІ - Т9 — термометры сопротивления, У1 - уровнемер кубовой емкости, У2 - уровнемер сборника дистиллята, Пр1 - пробоотборник сырья, Пр2 - пробоотборник дистиллята, ПрЗ - пробоотборник кубовой жидкости (пробоотборники на схеме не показаны). Экспериментальная установка по сравнению с установкой, разработанной для проекта реконструкции установки БДУ-ЗП Некрасовского месторождения (см. Главу 4), имеет следующие отличия: 1) отсутствует холодильная машина; 2) отсутствуют насосы для откачки нефтепродуктов; 3) отсутствует пароподогреватель сырья; 4) отсутствует система автоматики; 5) отсутствует система напуска природного газа в установку через регулятор расхода газа. Для создания условий отрицательных температур в сборнике дистиллята эксперимент был проведен зимой при температуре наружного воздуха ниже t = О С, что обеспечивало в сборнике дистиллята при отсутствии теплоизоляции температуру t О С. При этой температуре давление насыщенных паров дистиллята Р 30 кПа, что ниже расчетного давления процесса в установке.
Отбор нефтепродуктов при проведении эксперимента выполнялся методом передавливания с помощью избыточного давления природного газа. Отбор проб сырья, дистиллята и нижнего продукта происходил через пробоотборники. На время эксперимента к резервному блоку были подключены вакуумный насос 8, линия подачи сырья А, линия природного газа Б и свечная линия В. Кроме того, были установлены уровнемеры в кубовой емкости У1 и сборнике дистиллята У2, термометры сопротивления ТІ - Т9, мановакууметр линии при родного газа Ml, мановакуумметр вакуумной линии М2 и расходомер на сырьевой линии Р. Экспериментальная установка состоит из ректификационной 4 и конденсаторной 5 колонн. Ректификационная колонна оснащена колпачковыми тарелками. Кубовая ёмкость 1 со встроенным кипятильником 2 обогревается насыщенным водяным паром от промысловой котельной. Дефлегматор 3 охлаждается водой. Конденсаторная колонна состоит из конденсатора 6 и сборника дистиллята 7. К кубовой емкости подключена линия природного газа Б, с помощью которой осуществляется продувка системы газом перед запуском и отбор продуктов переработки. К сборнику дистиллята подключен вакуумный насос 8. Для проведения эксперимента установка была оснащена термометрами сопротивления на входе сырья в колонну, на входе и выходе охлаждающей воды в дефлегматор и конденсатор, на 1 и 10 тарелках, на входе и выходе дистиллята из конденсатора, а также в сборнике дистиллята и кубовой емкости. Для определения заполнения сборника дистиллята и кубовой емкости установлены стеклянные уровнемеры У1 и У2. Для определения и контроля давления в установке во время передавлива-ния продуктов переработки избыточным давлением природного газа предназначен мановакууметр Ml. Для определения и контроля вакуума в процессе переработки на сборнике дистиллята установлен мановакуумметр М2.
Технология переработки легкого газового конденсата в вакуумном режиме
В процессе переработки легкого газового конденсата на бензин и дизельное топливо в вакуумном режиме поддерживаются следующие технологические параметры [14]: с помощью вакуумного насоса 12 и системы автоматики поддерживается давление Р = 30 ±3 кПа; пароподогреватель 5 нагревает сырье до температуры t = 150 С; нагреватель 2 поддерживает в кубовой емкости температуру t = 150 С; через дефлегматор 4 и конденсатор высокой температуры 8 циркулирует охлаждающая вода с заданными расходами; холодильная машина поддерживает температуру «верхнего» продукта в сборнике дистиллята t = 0 ±1 С. Технологический процесс выполняется следующим образом: 1) сырье, предварительно нагретое в пароподогревателе 5 до температуры t = 150 С, поступает под первую тарелку ректификационной колонны 3, при этом вследствие дросселирования до давления Р = 30 кПа его температура снижается до t= ПО С; 2) в кубовую емкость 1 через нагреватель 2 подводится тепло, компенсирующее эффект дросселирования сырья, в результате чего оно подогревается до необходимой температуры t = 150 С. При этой температуре происходит разделение сырья на паровую и жидкую фракции; 3) в ректификационной колонне на тарелках происходит тепло- и массооб-мен между восходящим потоком паров, поднимающимся из кубовой емкости и нисходящим потоком жидкости - флегмой; 4) паровая фракция поступает в дефлегматор 4, где из-за ограниченной поверхности охлаждения частично конденсируется и стекает вниз по колонне, образуя нисходящий поток жидкости - флегму; 5) паровая фракция, не сконденсированная в дефлегматоре, направляется в конденсаторную колонну, где в количестве 90 вес. % конденсируется в конденсаторе высокой температуры и имеет температуру на выходе из него t = 40 С. Остаток дистиллята в количестве 10 вес. % конденсируется в конденсаторе низкой температуры и имеет на выходе из него температуру t = 0 С; 6) после конденсатора низкой температуры полностью сконденсированный дистиллят при температуре t = 0 С поступает в сборник дистиллята; 7) «нижний» продукт при температуре t = 150 С накапливается в кубовой емкости 1; 6) в кубовой емкости 1 установлен уровнемер У1. Верхнее реле уровня расположено на расстоянии 65 см от дна кубовой емкости, а нижнее - на рас стоянии 28 см.
Объем между верхним и нижним реле равен VKE = 490 л, что при производительности установки по дизельному топливу Qi = 393 кг/ч соответст вует времени заполнения, хь где рдт = 840 кг/м - плотность дизельного топлива при температуре t = 150 С. При достижении жидкостью верхнего реле уровня кубовой емкости открывается электроклапан С1 и включается насос НІ, с помощью которого «нижний» продукт перекачивается в резервуар дизельного топлива (на схеме не показан) до тех пор, пока уровень жидкости в кубовой емкости не снизится до нижнего реле уровня, после чего электроклапан С1 закрывается, а насос НІ выключается; 7) в сборнике дистиллята установлен уровнемер У2. Верхнее реле уровня установлено на расстоянии 65 см от дна сборника дистиллята, а нижнее - на расстоянии 28 см. Объем между верхним и нижним реле равен УСд = 380 л, что при производительности по бензину Q2 = 1257 кг/ч соответствует времени за полнения: где рв = 729 кг/м3 - плотность бензина при температуре t = 0 С. При достижении жидкостью верхнего реле уровня сборника дистиллята У2 открывается электроклапан С2 и включается насос Н2, с помощью которого «верхний» продукт перекачивается в резервуар бензина (на схеме не показан) до тех пор, пока уровень жидкости в сборнике дистиллята не снизится до нижнего реле уровня, после чего электроклапан С2 закрывается, а насос Н2 выключается.
Система автоматики должна обеспечивать последовательное или параллельное исполнение операций в технологическом процессе переработки газового конденсата на бензин и дизельное топливо [14]. В схеме автоматики используются следующие приборы управления: электронные реле уровней; электромановакуумметры; электротермометр. Эти приборы воздействуют на исполнительные механизмы — электроклапаны, подавая сигнал на их открытие или закрытие, а также на включение или отключение электродвигателей нефтенасосов. В процессе вакуумной ректификации вакуумный насос с помощью элек-тровакууметра М2 и электроклапана С5 поддерживает в установке рабочее давление Р = 30 ±3 кПа. При повышении давления в установке до величины Р = 33 кПа за счет натекания воздуха через неплотности открывается электроклапан С5 вакуумного насоса, в результате чего давление понижается. При достижении давления Р = 27 кПа электроклапан С5 закрывается. Электротермометр поддерживает в сборнике дистиллята температуру t = 0 ±1 С. При повышении температуры в сборнике дистиллята до величины t = + 1 С открывается электроклапан, отвечающий за подачу хладагента в конденсатор низкой температуры (на схеме не показан), в результате чего температура дистиллята снижается.
