Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующего оборудования и технологий для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 7
1.1 Влияние сероводорода на коррозионные процессы и качество попутного нефтяного газа 7
1.2 Аппараты для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 1.2.1 Оборудование на основе абсорбционной технологии 13
1.2.2 Конструкции и закономерности работы вихревых аппаратов Классификация вихревых аппаратов 20
Структура газового потока в вихревом контактном устройстве 29
Эффективность массообмена в вихревом контактном устройстве 37
1.3 Существующие методы исследований вихревых аппаратов 39
1.4 Пути совершенствования очистки попутного нефтяного газа с применением вихревых аппаратов 42
1.5 Цели и задачи исследований 44
1.6 Выводы 44
ГЛАВА 2. Методологические основы исследований вихревого аппарата 47
2.1 Методика исследований структуры газового потока 47
2.2 Методика исследования эффективности массообмена 53
2.3 Выводы 56
ГЛАВА 3. Моделирование структуры газового потока в вихревом аппарате 57
3.1 Компоненты программного комплекса «FlowVision-HPC» 57
3.2 Компьютерное моделирование структуры газового потока 60
3.2.1 Загрузка геометрии 60
3.2.2 Задание параметров задачи 64
3.2.3 Задание параметров расчета 73
3.2.4 Результаты численного эксперимента 74
3.3 Выводы 82
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования эффективности массообмена в вихревом аппарате 84
4.1 Описание экспериментальной установки и проведения эксперимента 84
4.2 Анализ экспериментальных данных 91
4.3 Выводы 95
ГЛАВА 5 Методика обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов и рекомендации для применения их на промысле 97
5.1 Технологическая схема блока сероочистки попутного газа на месторождении «Западный Тэбук» 97
5.2 Методика обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов 100
5.3 Промышленная реализация вихревых аппаратов 104
5.4 Выводы 106
Заключение 108
Список используемой литературы
- Аппараты для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 1.2.1 Оборудование на основе абсорбционной технологии
- Методика исследования эффективности массообмена
- Компьютерное моделирование структуры газового потока
- Анализ экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность работы. Процесс добычи нефти, главная цель которого получение товарной нефти для потребителя, заключается в извлечении скважинной продукции, ее транспорта по внутрипромысловым трубопроводам, разделении на нефть, газ и воду, и их целесообразное использование. В процессе нефтедобычи в составе скважинной продукции поступает попутный нефтяной газ (ПНГ). Постановление Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 года №7 обязало нефтяных компаний обеспечить целевой показатель сжигания ПНГ на 2012 год и последующие годы в размере не более 5 %, таким образом, достижение уровня 95 % полезной утилизации ПНГ для нефтяников является актуальной проблемой.
Основной проблемой для рационального использования ПНГ является наличие в них тяжелых углеводородов, сероводорода (H2S) и углекислого газа (С02), которые снижают качество попутных газов как сырья для различных технологических процессов, так и технологического топлива, а также негативно влияют на работоспособность оборудования для их добычи и транспортировки.
В настоящее время в мировой практике одним из эффективных способов поглощения вредных примесей попутных нефтяных газов является абсорбция. В промышленности часто используются крупные абсорбционные установки, которые характеризуются увеличением капиталовложений, эксплуатационных затрат. Одним из наиболее перспективных способов решения этой проблемы является применение малогабаритных абсорбционных установок.
В связи с вышесказанным, исследования, разработка и использование малогабаритных абсорбционных установок является актуальной. При этом основное внимание должно быть направлено на уменьшение их габаритов, снижение стоимости и повышение эффективности.
Цель работы - Обоснование оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы основные задачи исследования:
-
Анализ существующего оборудования и технологий для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода;
-
Формирование методологических основ исследований вихревого аппарата;
-
Моделирование структуры газового потока в вихревом аппарате;
-
Экспериментальные исследования эффективности массообмена в вихревом аппарате;
-
Разработка методики обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и обобщение рекомендации применения их на промысле.
Научная новизна:
-
Установлена зависимость полной скорости V, м/с от высоты расположения Н, мм тангенциального патрубка ввода газа вихревого аппарата.
-
Выявлена зависимость эффективности массообмена Еу от скорости потока в вихревом контактном устройстве при различных вариантах расположения тангенциального патрубка ввода газа над поверхностью завихрителя.
-
Получено уравнение зависимости эффективности массообмена в вихревом аппарате с диаметром тангенциального входного патрубка d=50 мм от высоты его расположения над завихрителем.
-
Обосновано расположение тангенциального патрубка ввода газа при H~d, где Н - высота расположения тангенциального патрубка, мм; d - диаметр тангенциального патрубка, мм.
Основные защищаемые положения:
-
Результаты компьютерного моделирования структуры газового потока в вихревом аппарате.
-
Комплекс экспериментальных методик для определения эффективности массообмена в вихревом аппарате.
-
Оценка влияния высоты расположения тангенциального патрубка ввода газа на эффективность массообмена в вихревом аппарате.
-
Методика обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода.
Практическая значимость работы состоит в создании методики обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и на ее основе формирование рекомендаций для применения эффективного малогабаритного многоступенчатого вихревого аппарата на установке сероочистки попутного нефтяного газа газокомпрессорной станции (ГКС) «Западный Тэбук», исключив из схемы насадочный абсорбер и газосепаратор, реализовав принцип агрегатирования, что приведет к сокращению капиталовложений и увеличению рентабельности проекта.
Методы исследования.
Моделирование структуры газового и газожидкостного потока вихревого аппарата производилось с помощью современного программного комплекса «FlowVision-HPC», позволяющего проводить исследования сложных и трудозатратных задач на основе метода конечных объемов, предполагающего интегрирование уравнений движения жидкости и газа, с последующим переносом скалярных величин по объемам ячеек расчетной сетки.
Экспериментальные исследования заключались в измерении расходов газа и жидкости, температуры и давления, выполненных на основе стандартных поверенных приборов и оборудования. Определение эффективности массообмена выполнялось в лаборатории кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Ухтинского государственного технического университета с помощью составления материального баланса, исходя из концентраций сероводорода, поглощенного водным раствором щелочи NaOH.
Достоверность результатов.
Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на данных, полученных с
привлечением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, математического и физического моделирования с использованием вычислительной и измерительной техники, современного исследовательского оборудования и компьютерного обеспечения.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XI Научно-технической конференции молодых работников и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» (г. Усинск, 2010 г);
Конференциях в рамках научно-педагогической школы «Современные проблемы нефтепромысловой и буровой механики», кафедра «Машины и оборудования нефтяной и газовой промышленности» УГТУ (г. Ухта, 2011 г., 2012 г., 2013 г.);
Научно-технической конференции преподавателей и сотрудников УГТУ (г. Ухта, 2011г.);
XII и XIV международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотек-2011 и 2013» (г. Ухта, 2011 г., 2013 г.);
Республиканском молодежном инновационном конвенте «Молодежь - будущему Республики Коми» (г. Ухта, 2013 г).
Реализация результатов работы.
Методика обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода утверждена главным инженером ТПП «ЛУКОЙЛ-Ухтанефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» для применения на объектах ТПП. Разработанная методика применима при проведении мероприятий по исследованиям передовых технологий в области подготовки попутного нефтяного газа к транспортировке в обществе.
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах, в том числе: 3 - в материалах научных конференциях; 3 - в статьях изданий,
рекомендованных ВАК по специальности защиты, 1 - в методическом документе.
Структура и объем работы.
Аппараты для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода 1.2.1 Оборудование на основе абсорбционной технологии
В поверхностных абсорберах межфазная поверхность представляет собой зеркало жидкости или медленно текущей жидкой пленки. К аппаратам такого типа относятся пленочные абсорберы [102, 112] (рис. 1.2, а) с соприкосновением фаз на поверхности зеркала жидкости и создающие малую межфазную поверхность и поэтому малоэффективны и редко используются. Более развитую поверхность соприкосновения фаз в абсорберах этой группы позволяют создать насадочиые аппараты (рис. 1.2, б), в которых газ вступает в контакт с пленкой жидкости, стекающей по поверхности насадки. По данным [102, 112], величина удельной межфазной поверхности для насадочных абсорберов находится в диапазоне от 50 до 600 м2/м3. Эти аппараты позволяют проводить абсорбцию, как в прямоточном, так и в противоточиом режимах. К недостаткам насадочных абсорберов следует отнести их высокую металлоемкость и малую по сравнению с абсорберами других групп величину межфазной поверхности [102, 112]. Однако в последние годы насадочные абсорберы находят большое применение в связи с созданием эффективных насадок [131, 64], что приводит к ряду положительных характеристик: низкое гидравлическое сопротивление, малая задержка жидкости, высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.
В тарельчатых (барботажных) абсорберах (рис. 1.2, в) поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, который распределяется в потоке жидкости в виде пузырьков и струек. Такой режим взаимодействия потоков достигается в тарельчатых абсорберах, в абсорберах с сопловым барботером и в насадочных колоннах с затопленной насадкой [102, 112]. Обычно абсорбция в этих аппаратах ведется в режиме противотока. Мелкие размеры пузырьков газа обеспечивают высокую величину удельной межфазной поверхности, достигающей значений от 200 до 3000 м2/м3 [112]. К недостаткам барботажных абсорберов следует отнести сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление, преодоление которого требует дополнительных затрат энергии при пропускании газа через аппарат.
В распиливающих абсорберах (рис. 1.2, г) поверхность соприкосновения фаз создается в результате распыления жидкости на отдельные капли в потоке газа. Распыление жидкости осуществляют с помощью механических и пневматических форсунок и центробежных распылителей [37, 102, 112, 125]. Аппараты этой группы работают в прямоточном и противоточном режимах. К числу распыливающих относятся прямоточные струйные аппараты, работающие по принципу струйного скруббера Вентури [37, 102]. Распыленные частицы жидкости обладают малыми размерами и при достаточно высокой плотности орошения создают очень высокую величину поверхности соприкосновения фаз. По экспериментальным данным, величина удельной поверхности контакта фаз составляет от 180 до 2000 м /м [37, 112]. К недостаткам распыливающих абсорберов относят необходимость затрат энергии па распыление жидкости, а для аппаратов с механическим распылением жидкости - сложность устройства.
В результате анализа описанных в литературе конструкций абсорберов, применяемых в нефтяной промышленности, можно сделать вывод, что поверхностные, барботажные и распыливающие абсорберы обеспечивают высокую производительность по поглощаемому газу, позволяют достигать высоких значений величины межфазной поверхности, но имеют большие габариты, высокую металлоемкость и стоимость, а установки, в состав которых они входят, включают дополнительное насосное оборудование.
В литературе предлагается несколько способов усовершенствования рассмотренных аппаратов. В частности, для повышения величины межфазной поверхности в расчете на полный объем аппарата в колонные аппараты рекомендуется вводить разбрызгиватели абсорбента [127] и отражательные перегородки [101]. Рядом авторов [82, 65, 79] установлено, что эффективность массопереноса в жидкой и газовой фазах при прямоточном движении в 10 раз выше, чем при противоточном. Это послужило основанием для конструирования и исследования прямоточных многоступенчатых колонных аппаратов [79, 82, 78, 68, 10, 122, 3, 7, 106, 12]. Не смотря на это, прямоточные трубчатые аппараты характеризуются низким диапазоном устойчивой работы и большим процентом уноса жидкости [5, 4, 80].
Поиски путей интенсификации массообмена в газожидкостных системах привели к разработке принципиально новых аппаратов с прямоточно-вихревым движением фаз в зоне контакта [132,115]. Придание дополнительного вращательного движения обеспечило эффективную сепарацию фаз после контактирования [93,97]. Сочетание однонаправленного (прямоточного) движения фаз в зоне контакта с центробежным отделением жидкости от потока газа позволяет исключить «захлебывание» аппаратов и проводить процесс при высоких скоростях газа (8-15 м/с) по сечению колонны [93], на порядок превышающих скорость газа в аппаратах барботажного типа.
Для достижения полного разделения исходной смеси в вихревых аппаратах свободно организуется многоступенчатый процесс взаимодействия фаз, который предполагает эффективное отделение жидкости от газа на каждой контактной ступени с последующим переходом газа на нижележащие ступени.
Использование в аппаратах ступеней с вихревыми контактными устройствами (ВКУ) вместо тарелок барботажного типа позволяет в 2,5-3,0 раза сократить диаметр колонн и их металлоемкость [118]. Поэтому создание аппаратов вихревого типа сделало возможным резкое сокращение затрат на изготовление абсорбционной колонной аппаратуры, а также расходов на ее транспортировку к месту эксплуатации и монтаж. Конструктивное оформление многоэлементных контактных ступеней вихревых абсорбционных колонн исключает необходимость решения вопросов масштабного перехода [132, 115] и позволяет использовать их в установках большой единичной мощности, создавать аппараты любой заданной производительности без снижения эффективности разделения.
Таким образом, учитывая недостатки рассмотренного абсорбционного оборудования и положительные результаты вихревого эффекта в химической промышленности, перспективным представляется использование для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода вихревых аппаратов, лишенных недостатков, связанных с большими габаритами и высокой металлоемкостью.
Исследование вихревых аппаратов в нашей стране было начато в 60-е годы, что привело к созданию различных конструкций массообменных устройств с прямоточно-закрученным движением фаз в зоне контакта [93, 97]. Они различаются исполнением самих контактных устройств, в которых осуществляется массообмен, и их компоновкой в аппарате, обеспечивающей в целом противоточную схему движений потоков. Конструкции вихревых аппаратов можно описать совокупностью характерных признаков, приведенных в табл. 1.4.
Методика исследования эффективности массообмена
В отличие от указанных выше теорий струйная модель основывается на свойствах реальной вязкой жидкости. Модель базируется на хорошо разработанной теории турбулентной струи. Первая теоретическая работа по расчету аэродинамики свободной струи была выполнена Л. Г. Лойцянским [74, 73], в которой область ламинарной закрученной осесимметричной струи, вытекающей в пространство, заполненное той же жидкостью, рассматривалась как пограничный слой, поперечный размер которого мал. Решение задачи было получено в виде асимптотического ряда по обратным степеням расстояния сечения струи от источника. Методы расчета свободных закрученных турбулентных струй, истекающих в неограниченную среду, подробно рассмотрены в работе [19]. Однако, анализ вихревого движения в ограниченных каналах усложняется по сравнению со свободными закрученными струями тем обстоятельством, что при изучении их нельзя пренебречь вязкими (молекулярными) касательными напряжениями из-за сильного затухания турбулентности вблизи стенок канала. Кроме того, при свободном турбулентном течении пренебрегают градиентом давления в направлении течения, чего нельзя делать в случае ограниченной струи. Основную часть известных методов расчета турбулентных закрученных струй составляют полуэмпирические методы, использующие в той или иной степени опытные данные.
Среди экспериментальных методов можно выделить пневмометрические методы с применением шаровых зондов. Также поля давлений и скоростей определяют с помощью измерительного комплекса «DISA» с использованием зонда специальной конструкции, определяющего давление внутри аппарата (измерение динамического напора без учета статического). Экспериментальный материал, накопленный в процессе изучения закрученных однофазных течений, ограниченных твердыми цилиндрическими стенками, достаточно обширен. Основной объем информации получен при исследовании потоков с сильным диафрагмированием на выходе (циклонные топки, вихревые камеры, центробежные форсунки) [29, 133, 24, 1,9, 17, 25, 88, 66, 56]. Эти результаты не могут быть непосредственно использованы для оценки и описания структуры потока в аппаратах без диафрагмирования. Сведения о структуре закрученных потоков в цилиндрических каналах более ограничены [75, 96]. Несмотря на то, что при исследовании использовались различные типы завихрителей: аксиально-лопаточные [96, 134, 145] и тангенциально-лопаточные [96, 61, 57,94], улиточные и тангенциальные [96], результаты, полученные во всех случаях, качественно совпадают.
Следует учитывать, что изучение структуры закрученного течения в вихревых аппаратах не является самоцелью, а служит лишь необходимым звеном при изучении процессов массообмена, сепарации и т. д., протекающих в этих аппаратах, что налагает определенные требования на форму представления результатов газодинамических исследований. Сложность математических моделей одно- и двухфазных закрученных течений вызывает необходимость применения численных методов при их реализации и, следовательно, предполагает, дальнейшую обработку числовой информации путем ее представления в виде таблиц, графиков или аппроксимирующих зависимостей, что по трудоемкости не уступает представлению опытных данных.
В связи с развитием вычислительной техники и численных методов расчета течения вязкой жидкости [30] появилась возможность решения задач течения закрученного потока в линейной и нелинейной постановке. Это позволяет более точно выявить влияние закрутки потока на его структуру и значительно сократить трудоемкость и время исследований. В настоящее время существует ряд программных комплексов (ПК): «PHENICS», «FlowVision», «ANSIS» и т. д., которые предназначены для численного моделирования вихревых потоков в различных технологических аппаратах, в основе которых заложены решения уравнений Навье-Стокса.
Существующие методики исследований эффективности массообмена в вихревых аппаратах так же заключаются в математическом описании процесса массообмена, в которых используют различные идеализированные модели, ввиду сложной газо-гидродинамической обстановки в вихревых аппаратах. Наиболее подробное описание математического описания процесса массообмена в вихревых аппаратах представлено в работах [136,46]
Наряду с теоретическими исследованиями эффективности массообмена в литературе имеются данные об экспериментальных исследований [59, 116]. В основе экспериментальных исследований заложен расчет эффективности массообмена по конечному составу фаз на реальных ступенях или эффективности Мерфри, описанной в п. 1.2.2. Экспериментальные методы исследования позволяют более точно оценить эффективность массообмена в вихревых аппаратах по сравнению с теоретическими и тем самым являются уточняющими методами для определения оптимальных геометрических параметров вихревых контактных устройств и аппаратов.
Исходя из сказанного, численные методы решений задач по исследованию газо-гидродинамики в вихревых аппаратах при помощи современных программных комплексов, а также экспериментальные исследований эффективности массообмена являются наиболее целесообразными и эффективными инструментами для исследования структуры газового потока, определения и обоснования оптимальных геометрических параметров вихревых контактных устройств.
Анализ мировой практики, накопленной в области очистки природных и попутных газов от сероводорода, показывает, что основными процессами для обработки потоков газа являются абсорбционные с использованием химических и физических абсорбентов и их комбинации. Основным преимуществом хемосорбционных процессов является высокая и надежная степень очистки газа от сероводорода и углекислого газа при низкой абсорбции углеводородных компонентов сырьевого газа. Наиболее простым и надежным способом промысловой очистки углеводородных газов от сероводорода является щелочно-каталитическая очистка, в основе которой лежат реакции взаимодействия H2S с едким натром (NaOH) и образованием сульфида натрия.
В настоящее время в нефтяной и газовой промышленности наибольшее распространение получили поверхностные, тарельчатые и барботажные абсорберы колонного типа. На месторождениях с небольшими объемами газа (до 15000 м3/ч) и небольшим содержанием H2S нецелесообразно применять громоздкие абсорберы колонного типа, имеющие низкую пропускную способность по газу, а, следовательно, большие габариты и повышенную металлоемкость. Очистка попутного газа водными растворами NaOH и другими химическими абсорбентами требует небольших количеств теоретических ступеней, что дает широкие возможности для интенсификации процесса абсорбции за счет применения аппаратов, работающих на вихревых эффектах.
Поэтому расширение области применения вихревых устройств является одним из перспективных направлений совершенствования энерго -ресурсосберегающих технологий при очистки попутного нефтяного газа от сероводорода, а исследования аппаратов с вихревыми контактными устройствами для определения оптимальных геометрических параметров, обеспечивающих наибольшую эффективности очистки попутного нефтяного газа от сероводорода, являются актуальными.
Компьютерное моделирование структуры газового потока
Блок очистки попутного нефтяного газа от сероводорода на месторождении «Западный Тэбук» ТПП «ЛУКОЙЛ-Ухтанефтегаз» разработан ОАО «ВНИИУС» и предназначен для очистки попутного газа, поступающего с 1-й и 2-й степеней сепарации нефти месторождения «Западный Тэбук» и газопровода Пашня - Тэбук от сероводорода до требований ОСТ 51.40-93.
Максимальная мощность блока очистки ПНГ составляет 8700 нм3/ч (с учетом 20 % запаса), проектная мощность 7250 нм /ч. Давление газа в пределах 0,15-0,55 МПа (абс). Содержание сероводорода в ПНГ до очистки составляет 1,617 г/м3., после очистки - 0,007 г/м3 (ОСТ 51.40-93).
В основу технологической схемы удаления сероводорода из ПНГ положена хемосорбционная щелочная очистка. Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 5.1,
Предварительно отсепарированный в блоке сепарации для исключения жидкой фазы углеводородов и воды ПНГ, содержащий сероводород и углекислый газ, при температуре 5-40С и абсолютном давлении 0,15-0,55 МПа поступает на очистку через распределительное устройство (диспергатор) в куб абсорбционной насадочной колонны А-1. Свежий раствор 18%-ной щелочи готовится из твердой щелочи в емкости Е-4, находящейся под атмосферным давлением, и перекачивается насосом Н-4 в емкости Е-1, Е-2/1, Е-2/2, где при смешении с водой осуществляется приготовление рабочего 7-10%-го щелочного раствора. Приготовленный в необходимом количестве свежий раствор должен постоянно находиться в одной из этих емкостей для подпитки системы, в это время в другой емкости осуществляется приготовление и на блочную компрессорную станцию
Принципиальная технологическая схема блочной установки очистки попутного нефтяного газа на месторождении «Западный Тэбук»: А - абсорбер; С - газосепаратор; Е - емкость; X - холодильник; Т теплообменник; АВО - воздушный холодильник; Н - насос хранение свежего раствора. Из емкостей Е-1, Е-2/1, Е-2/2 щелочной раствор подается насосами Н-1 и Н-2 на смешение с циркулирующим раствором, подаваемым в верхнюю часть абсорбера А-1. Циркуляционный поглотительный раствор подается в А-1 из емкости Е-3 насосом Н-3 для обеспечения необходимого гидродинамического режима. В абсорбере А-1 происходит извлечение щелочным раствором сероводорода из ПНГ с образованием сульфида и гидросульфида натрия по реакциям: H2S + 2 NaOH - Na2S + 2 Н20, H2S + NaOH -» NaHS + H20. Параллельно протекают более медленные реакции едкого натра с диоксидом углерода, входящим в состав ПНГ: С02 + 2 NaOH - Na2C03 + Н20, С02 + NaOH -» NaI-ІСОз. Возможны также реакция поглощения сероводорода карбонатом натрия и реакция поглощения меркаптанов: H2S + Na2C03 - NaHS + NaHC03, RSI I + NaOH - NaSR + H20.
Из образующихся солей гидрокарбонат натрия (NaHC03) недостаточно хорошо растворим в воде [128]. В растворе образовавшихся солей его растворимость будет еще меньше, что может привести к выпадению карбонатов в осадок. В связи с этим необходимо контролировать содержание карбонатов натрия, и дозировать расчетное количество свежего щелочного раствора, а также поддерживать оптимальный температурный режим очистки (40 С).
Из кубовой части абсорбера насыщенный поглотительный раствор направляется в буферную емкость Е-3. Из нее поглотительный раствор возвращается по циркуляционной линии в А-1, а балансовое количество направляется на утилизацию смешением с дренажной водой нефтесепарации для закачки в систему ППД. Расход циркуляционного потока определяется в зависимости от объема ПНГ, направляемого на очистку.
Реакции поглощения сероводорода экзотермические, поэтому раствор циркулирующей щелочи в летний период при температуре входного потока газа около 40 С охлаждается при необходимости в холодильнике АВО-1. В зимний период необходим электроподогрев емкости Е-3 и циркулирующей щелочи, для чего в схеме предусмотрен теплообменник Т-1. Также в зимний период, при пуске, закачке свежего щелочного раствора в систему, приготовлении, хранении необходим электрообогрев емкостей Е-1, Е-2/1, Е-2/2, Е-4. Подогрев осуществляется до достижения температуры не ниже +20 С. Очищенный от сероводорода ПНГ из абсорбера А-1 направляется в сепаратор-каплеотбойник С-1 для освобождения от унесенных капель поглотительного раствора. По мере накопления в С-1 унесенного с очищенным газом раствора, этот раствор направляется в емкость Е-3. После сепаратора С-1 очищенный ПИТ направляется на охлаждение вХ-1 и далее на компрессорную станцию БКС «Западный Тэбук».
Таким образом, с целью сокращения технологических аппаратов, габаритов и металлоемкости и, следовательно, уменьшение капитальных вложений для строительства блока очистки попутного нефтяного газа от сероводорода на месторождении «Западный Тэбук» ТПП «ЛУКОЙЛ-Ухтанефтегаз» целесообразно применить высокоскоростной малогабаритный многоступенчатый вихревой аппарат.
На основании проведенных исследований и полученных зависимостей, представленных в главах 1-4, разработана инженерная методика обоснования оптимальных параметров вихревых аппаратов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода (приложение 5).
Методика утверждена в ТПП «ЛУКОЙЛ-Ухтанефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ-Коми». Основная цель методики заключается в определении основных геометрических параметров вихревых аппаратов, предназначенного для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода, представленного на рис. 5.2.
Анализ экспериментальных данных
В качестве массообменного устройства был изготовлен и использовался одноступенчатый вихревой аппарат (рис. 4.5) с прямоточным нисходящим движением фаз. Аппарат состоит из корпуса 1, тангенциального-пластинчатого завихрителя 3 (рис. 4.6) с сепаратором, установленных в центральной части корпуса, центральной трубки 2 подачи поглотителя с 24 отверстиями диаметром 1 мм, тангенциального патрубка ввода газа 4 диаметром 50 мм, патрубка выхода отработанного поглотителя 5 и патрубка выхода очищенного газа 6. Тангенциально-пластинчатый завихритель 3 (рис. 4.6) состоит из 12 плоских пластин, установленных строго тангенциально к внутренней образующей, и сепаратора в виде патрубка, на конце которого установлен отсекатель для отделения жидкости от газа с зазором в 1 мм. Основные геометрические параметры выбраны в соответствии с математической моделью, описанной в главе 3.
При работе аппарата закрученный поток ПНГ активно взаимодействует со щелочным раствором NaOH в основном объеме аппарата, где и протекает процесс поглощения H2S. В основе этого процесса лежит реакция взаимодействия H2S с едким натром с образованием сульфида натрия: H2S + 2 NaOH - Na2S +2Н20. Вращательное движение газожидкостного потока и возникающее при этом поле центробежной силы обеспечивают качественную сепарацию очищенного газа от щелочного раствора.
В процессе проведения эксперимента определялась концентрация поглощенного H2S щелочным раствором NaOH при различной высоте II, мм, расположения тангенциального патрубка ввода газа. Отбор проб отработанного щелочного раствора NaOH осуществлялся с составлением соответствующего акта (приложение 2). Определение содержания H2S в щелочном растворе NaOH выполнялось в лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения Ухтинского государственного технического университета на основании выделения H2S из раствора NaOH при добавлении в раствор AgN03. Результаты химического анализа водного раствора NaOH представлены в приложении
Исследования проводились при давлении газа 0,18 МПа, при температуре около 30С. Расход газа составлял 100 м3/ч (260 нм /ч), что соответствует скорости потока газа V-20 м/с, соотношения массовых расходов жидкости и газа, поступающих в вихревой аппарат L/G=2,5 и 3. В экспериментах изменялась высота расположения патрубка ввода газа, Н - в диапазоне 50-150 мм путем добавления дополнительных катушек высотой 50 и 100 мм соответственно (рис. 4.7).
Эффективность характеризует завершенность процесса массообмена в контактных устройствах. Количественно она определяется как отношение изменения количества компонента в одной из контактирующих фаз на реальной и теоретической ступенях. Эффективность массообмена ступени вихревого аппарата выражается по конечному составу фаз на реальной ступени, который именуется эффективностью Мерфри и в данном случае выражается через концентрации компонента в газовой фазе и определяется из зависимости [47]: Еу= У" vK г, (4.1) где у - начальная концентрация H2S в газе, г/м3; ук - конечная концентрация H2S в газе, г/м3; у (х ) — равновесная концентрация H2S в газе, г/м3. Начальная концентрация H2S известна и равняется ун =1,66 г/м , равновесная концентрация H2S в газе равна у (хн)=0 г/м3 т. к. использовался чистый раствор NaOH. Конечная концентрация H2S в газе ук, г/м3 определялась исходя из материального баланса потоков и рассчитывалась по следующей зависимости:
Экспериментальные исследования показали, что с увеличением высоты расположения патрубка ввода газа Н, мм, эффективность массообмена уменьшается, таким образом, экспериментально обосновано оптимальное расположение патрубка ввода газа при H=d, при котором достигнута наибольшая эффективность массообмена, равная 0,863 при L/G=2,5. Также установлено, что эффективность массообмена возрастает с увеличением нагрузки по щелочному раствору NaOH (при L/G=3 эффективность составила 0,946), при этом перепад давления оставался неизменным, как при L/G=2,5, так и при L/G=3. При работе аппарата поле центробежной силы обеспечило эффективную сепарацию щелочного раствора при L/G=2,5 и L/G=3.
На основании полученных данных была установлена зависимость эффективности массообмена (при L/G=2,5) от скорости газа в ВКУ, определенной в главе 3, при различных вариантах расположения тангенциального патрубка ввода газа, представленная на рис. 4.8 и равна: Еу = 0,0081 V2-0,1008V + 1,0675, (4.3) где V — скорость газа на входе в зону пластин завихрителя, м/с. / _ 1 0.9.1Ь 0.8-ftfe 0.7-1 as-OS I R2 = 0,993 Н гі =ЧП І Н я 3d =15С Н « zo 00 г t і І 5 6 7 8 9 10Скорость газа на bxode о зону пластин забихрителя V. м/с Рис. 4.8 - Зависимость эффективности массообмена от скорости газа при различных вариантах расположения тангенциального патрубка ввода газа На рис. 4.8 видно, что с увеличением скорости газа (при уменьшении высоты расположения тангенциального патрубка ввода газа) увеличивается эффективность массообмена. Зависимость имеет полиномиальную линию тренда второй степени с величиной достоверности аппроксимации R2=0,993.
Следует отметить, что высота расположения тангенциального патрубка ввода газа - это конструкторский параметр при проектировании вихревых аппаратов, следовательно, необходимо получить уравнение зависимости эффективности массообмена Еу от высоты расположения патрубка. Для этого в уравнение (4.3) подставим значение скорости, полученной в главе 3 в уравнении (3.30) и получим:
