Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор. Основные параметры влияющие на эффективность дегазации газонасыщенного жидкостного потока в вихревой трубе 6
1.1 Использование вихревого эффектов в процессах разделения и очистки газовых смесей. Компонентное разделение газов в вихревой трубе 6
1.2 Осушка газа в технологических схемах с применением вихревой трубы 8
1.3 Вихревые трубы, работающие на двухфазном потоке 10
1.4 Кинетические основы процесса выделения легколетучих компонентов из растворов при дросселировании жидкостей в вихревых массообменных аппаратах 15
1.5 Практическое применение вихревого эффекта 21
1.6 Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода 22
ГЛАВА2
2.1 Экспериментальные исследования вихревого эффекта 38
2.1.1 Влияние технологического режима и физических свойств газов на эффект температурного разделения газа в вихревой трубе 42
2.1.2 Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эффект охлаждения 44
2.1.3 Структура потока внутри вихревой трубы 48
2.2 Теоретические основы вихревого эффекта.
2.2.1 Механизм вихревого энергетического разделения газов 51
2.2.2 Методы расчета вихревого эффекта 56
2.2.3 Влияние конструктивных и геометрических факторов на характеристики вихревой трубы. Конструкции соплового ввода
2.2.4 Масштаб и геометрия камеры энергетического разделения 63
2.2.5 Диаметр отверстия диафрагмы
2.3 Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора 69
2.4 Методика расчета устройства для увеличения расхода газа. 78
Глава 3 Технологическая схема подготовки и транспорта природного газа 87
3.1 Путевая подготовка газа в системе внутри промыслового сбора газа 87
3.2 Подготовка природного газа на площадке ЦГСП 87
3.3 Метод расчет вихревых аппаратов 96
Глава 4 Газовые гидраты, предупреждение их образования и мероприятия по ликвидации гидратных отложений в газопроводах
4.1 Общая характеристика гидратов 105
4.2 Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном коллекторе и в газопроводе транспорта газа 108
4.3 Способы предупреждения образования гидратов и их ликвидации 108
Основные результаты и выводы 120
Литература
- Осушка газа в технологических схемах с применением вихревой трубы
- Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода
- Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эффект охлаждения
- Подготовка природного газа на площадке ЦГСП
Осушка газа в технологических схемах с применением вихревой трубы
При больших перегревах пузырьковое кипение переходит в пленочное. В результате кипения верхний слой жидкости охлаждается сравнительно медленно, в основном за счет конвекции. По мере охлаждения жидкости толщина кипящего слоя постоянно уменьшается.
Следует отметить, что в рассматриваемом случае, паровые пузырьки не возникают спонтанно в объеме, а происходит испарение в готовые взвешенные газовые микро полости. Поэтому в тщательно дегазированной жидкости указанные особенности не наблюдаются.
По данным работы [37], по пере увеличения вакуума в процессе кипения резко падает количество активных центров, размеры поверхностных пузырьков намного увеличивается, а рост пузырьков носит взрывной характер, сопровождаемый интенсивным характерным звуковым сигналом. Регенерация растворов в вихревых аппаратах, конструкции которых описаны в [27,40-48], имеет некоторые отличия от дегл шции жидкостей при сбросе давления.
Известно большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению потоков само испаряющейся жидкости [49,50]. Однако сложность изучаемого явления; определяемая структурой и динамической неоднородностью среды, наличием мстастабильных состояний жидкости и другими факторами, не позволила получить к настоящему времени полного решения исследуемой задачи. Известно, что при истечении жидкости из очень коротких каналов и диафрагм расход ее равен расходу некипящей жидкости, то есть практически реализуется случай полностью метастабильного течения однородной жидкой среды [27,42]. В канале большой протяженности расход самоиспаряющейся жидкости оказывается близким к расходу (соответствующему) для равновесного процесса истечения [43,44].
Рассмотрим вопрос о начале парообразования в потоке само испаряющейся жидкости. Парообразование может начинаться в сечении, где местное давление в потоке равно давлению насыщения при начальной температуре жидкости [45].
Местоположение его зависит от первоначального недогрева жидкости до состояния насыщения, скорости жидкости, геометрии рассматриваемого канала и состава раствора. Очевидно, что сечение закипания не может распологаться в расширяющейся части сопла Лаваля, поскольку для безотрвыного течения несжимаемой жидкости минимальное давление устанавливается в горле сопла, за которым должно происходить повышение давления. При наличии больших градиентов скорости и давления возможно запаздывание процесса выделения легколетучих компонентов, т.е. жидкость может находиться некоторое время в метастабильном состоянии. Важным фактором в процессе кипения жидкости является первоначальное распределение фаз по сечению. В некоторых работах высказывается мнение, что выделение газовой фазы происходит по всему сечению канала. В других исследованиях [54,55] отмечается, что газообразование начинается в пограничном слое у стенки канала.
В работе [56] в результате визуальных наблюдений и фотографирования установлено, что парообразование начинается на стенке канала. Исходя из анализа физической картины процесса течения несжимаемой жидкости, можно предположить, что в силу малых скоростей у стенки и ее поверхности именно в этой области потока наиболее вероятно выделение паровой фазы.
Так как процесс парообразования в потоке вызывает соответствующие изменения в распределении статического давления в канале, величины расхода, а также энергетических характеристик течения, исследование совокупности этих явлений позволяет получить определенную информацию о начале парообразования в канале, его характере и возникновении критических условий.
Рассмотрим экспериментальные данные, полученные при исследовании осесиммегричного сопла Лаваля [57,58]. Изобаричность процесса расширения парожидкостного потока в сопле Лаваля связана либо с. отрывом потока от стенок диффузорной части (что наиболее вероятно), либо с компенсацией воздействий в парокапельном потоке.
Рассмотрим некоторые физические модели, характеризующие фазовые превращения, которые сопровождают адиабатное кипение растворов. Отметим, что фазовый переход "жидкость-пар" возможен путем нагревания или растяжения. В работе [59] показано, что в чистой жидкости без каких-либо фазовых включений можно реализовать метастабильные, но все же достаточно устойчивые состояния, характеризуемые тем, что при данной температуре, давление меньше давления насыщенных паров. При этом может быть величиной отрицательной, то есть в такой жидкости возможны отрицаиельные давления. Понижать давление можно до определенного давления, при котором жидкость разрывается, или, иными словами, в жидкости возникает кавитация.
В последнее время особое внимание стало уделяться прямому анализу и непосредственным измерениям сложных нестационарных полей потока при довольно ограниченных условиях. Спектральный анализ однородной и изотропной турбулентности потока привел к важному наблюдению: энергетическая структура изотропной турбулентности не зависит непосредственно от значения вязкости жидкости. Таунсенд считал большие вихри и мелкомасштабную турбулентность основными характеристиками того, что он называл двойной структурой, подчеркивая влияние вихрей на процессы переноса вещества. Самые первые наблюдения организованных движений были проведены в турбулентном пограничном слое, расположенном вдоль стенки, в котором движение является наиболее сложным.
Уилмарт и Вулдридж [52] использовали пространственно временные корреляции для определения флуктуации давления на стенке с толстым турбулентным пограничным слоем. На рис.4.1 видны два движущихся максимума. Один из них, который движется против течения, авторы отнесли к акустическим возмущениям, расіїространяющимся вверх по потоку от диффузора аэродинамической трубы.
При вихревом течении возникают кавитации, генерируемые вихревыми колебаниями (пульсациями) потока, что способствует развитию поверхности контакта фаз. Однако до последнего времени эти аппараты не находили широкого применения для разделения газожидкостных сред. Автором проведен анализ существующих теоретических объяснений эффектов, при которых вихревые аппараты дают возможность проводить разделение систем: газ-жидкость, жидкость-жидкость.
Любая частица газа в вихревой камере описывает чрезвычайно сложную траекторию, так как она перемещается одновременно в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях. Но как показывают многие исследователи [56], радиальные и осевые скорости частиц таза очень малы по сравнению с окружными, поэтому в первом приближении радиальными и осевыми скоростями можно пренебречь, сохранив в аналитическом исследовании только окружные скорости.
Хотя за последние годы физические представления о вихревых течениях реальных многокомпонентных газожидкостных сред заметно углубились, в то же время не существуют методов, которые можно рекомендовать для расчета промышленных вихревых аппаратов. Поэтому было предпринято экспериментальное исследование влияния различных конструктивных параметров вихревых закручивающих устройств (ВЗУ) на основные характеристики процесса дегазации.
Кавитация [10] - образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полости), заполненных паром, газом или их смесью. Различают акустическую кавитацию, возникающую при прохождении звуковой волны большой интенсивности, и гидродинамическую, обусловленную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения. В интенсивной звуковой волне во время полу периодов разряжения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости. Во время этих захлопываний развиваются большие локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер.
Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода
Одной из основных характеристик эффекта энергетического разделения в вихревой трубе являются зависимости эффекта охлаждения ДТХ и эффекта нагрева дТг газа в трубе от доли холодного потока.
Исследованиями многих авторов было установлено, что на эффект охлаждения газа в вихревой трубе влияют следующие термодинамические параметры: температура Ті и давление Pi исходного газа, давление холодного потока Рг, физические свойства газа.
Влияние начальной температуры газа Ті на эффект охлаждения дТх к настоящему времени хорошо гоучено различными авторами [12-17], которые на основании экспериментов, проведенных в широком диапазоне изменения Ті (от 80 К до 700 К), показали, что величина дТх пропорциональна начальной температуре.
При исследовании зависимости эффекта охлаждения дТх от отношения давлений є [2,3,10,13,18] установлено, что величина дТх возрастает примерно пропорционально є в области 2 є 6. При дальнейшем увеличении є темп роста эффекта охлаждения значительно снижается. Увеличение эффекта охлаждения газа в трубе в области 2 є 6 авторы [5] объясняют возрастанием скорости истечения газа из сопла. При достижении скорости истечения, равной скорости звука, вихревой эффект перестает зависеть от Е. Такое объяснение изменения характера зависимости дТх - f (є) не совсем правомерно, т.к. звуковая скорость в сопле практически устанавливается уже при є = 2-3.
В.Н. Калашников [18] объясняет характерное уменьшение темпа роста дТх в области є 8-10 наличием критического истечения газа через диафрагму, в результате чего увеличение є не приводит к увеличению ДТХ. Но здесь автор рассматривает всего лишь частный случай, который имеет место при больших значениях \х и малых размерах диафрагмы, и не является характерным для всего интервала изменения доли холодного потока.
Таким образом, зависимость эффекта охлаждения от отношения давлений экспериментально хорошо изучена, однако термодинамический анализ характера этой зависимости в литературе отсутствует.
Влияние физических свойств газов на эффект охлаждения газа в трубе изучено в работах [12,19,20]. Впервые исследования в этой области были проведены Эльзером и Хохом [12]. Авторы [78] исследовали вихревой эффект на водороде (к=1,41), аргоне (95 % Аг, 5 % N2, к=1,66), воздухе (к=1,4), метане (93 % СН4, 7% С02, к = 1,31) и двуокиси углерода (к=1.3). Анализ эк экспериментальных данных показал, что для исследуемых газов, за исключением водорода, эффект охлаждения газа в трубе увеличивается с увеличением показателя адиабаты к (к=Ср/Су). Этот вывод был подтвержден B.C. Мартыновским и В.П. Алексеевым в работе [19]. Авторы исследовали вихревой эффект на аммиаке (к = 1,29), двуокиси углерода метане, воздухе и показали, что эффект охлаждения дТх возрастает в следующей последовательности: аммиак - двуокись углерода - метан - воздух, т.е. с увеличением показателя адиабаты. При этом, значение величины коэффициента температурной эффективности rjt = дТх/дТ8 остается примерно постоянным.
Для выяснения влияния показателя адиабаты на пеличину T}t А.И. Гуляевым [20] была испытана одна и та же вихревая труба на азоте (к=1,4) и гелии (к=1,67). По данным А.И. Гуляева изменение показателя адиабаты от 1,4 до 1.67 очень слабо влияет на величину r\t.
Таким образом, экспериментами доказано, что физические свойства газов влияют на эффект охлаждения газа в трубе. С увеличением показателя адиабаты эффект охлаждения увеличивается. При этом величина коэффициента температурной эффективности % остается примерно постоянной. На эффект охлаждения газа в трубе влияют следующие геометрические размеры вихревой трубы: форма и относительная площадь проходного сечения сопла fc=fc /F , относительный диаметр диафрагмы d,=ayDip, длина и геометрия горячего конца вихревой трубы.
Влияние формы соплового ввода на вихревой эффект изучено к настоящему времени весьма подробно. Форма соплового ввода, его геометрия во многом определяют эффективность работы трубы. Как было установлено многими авторами, наиболее эффективен плавный спиральный ввод.
Разработанные Р. Хилшем вихревые трубы [2] имели один круглый утопленный тангенциальный сопловой ввод и входную улитку прямоугольного сечения. Однако, эта конструкция соплового ввода имела существенный недостаток. На срезе сопла в месте перехода в улитку площадка, создающая зону завихрения. Этот недостаток был устранен B.C. Мартыновским и В.П. Алексеевым [19], которые предложили двух сопловой лотковый ввод круглого сечения. Но данная конструкция сложна в изготовлении.
А.П. Меркулов [13] разработал наиболее простое в изготовлении сопло с прямоугольным вводом и прямоугольной улиткой, выполнешюй по спирали Архимеда. Эта конструкция получила большое распространение. Б.Б. Парулейкар предложил сопло с коническим спиральным вводом [21], которое имело высокую эффективность.
Исследованиями ряда авторов было показано, что сопла с прямоугольным вводом-эффективнее круглых сопел. Согласно экспериментам А.П. Меркулова [13], соотношение между шириной b и высотой 1» сопла рекомендуется принимать равным двум. В.Л. Сафронов [22] показал, что изменение соотношения b/li от 1,1 до 2,1 слабо влияет на эффективность вихревой трубы. Относительная площадь проходного сечения сопла fc= fc /F , как показали эксперименты различных авторов, оказывает существенное влияние на эффект температурного разделения газа в трубе. С увеличением fC} как отмечает А.П. Меркулов [13], растет общий расход газа через вихревую трубу, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления диафрагмы и, следовательно, к повышению давления газа в трубе. В результате, эффект охлаждения газа в трубе снижается. С уменьшением площади сопла уменьшается расход газа через вихревую трубу. Следовательно, доля паразитного потока по отношению к холодному потоку газа увеличивается, вследствие чего понижается эффективность вихревой трубы. Кроме того, при уменьшении расхода газа через сопло, уменьшается закрутка потока, что приводит к ухудшению процесса энергетического разделения газа в трубе.
Результаты экспериментов различных авторов по выбору оптимальной площади проходного сечения сопла противоречивы.
Так Р. Хилш в результате эксперимента [2] установил оптимальное значение fc=0,057, А.П. Меркулов [13] fc=0,092, В.Л. Сафонов [22] fc=0,125. А.В. Мартынов и В.М. Бродянский [7] при исследовании охлаждаемой вихревой трубы в диапазоне fc=0,039 - 0,097 нашли, что оптимальная величина относительной площади проходного сечения сопла равна fc=0,073. В.С, Мартыновский и В.П. Алексеев [19] лучшие результаты получили в диапазоне =0,046 - 0,065.
Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эффект охлаждения
К установке подводится поток газа Gc при давлении Рс и температуре Тс То.с этот поток орошается хемосорбентом и разделяется на две части. Одна часть растворяется в хемосорбенте, другая очищенная выводится с установки. Насыщенный хемосорбент с расходом Gx поступает промежуточный теплообменник, нагревается и разделяется на два газожидкостных потока. Один с расходом Gxi+tkS поступает в струйную вихревую установку и расширяется в ней при изменении давления с Рс до Рн . В процессе расширения идет дегазация газа и температура газа понижается с Тс до Тн То.с газ выводится к потребителю, отрегенированный хемосорбент возвращается на абсорбцию с расходом Cxi +——.
Другая часть хемосорбента с расходом Gx2 +H2S поступает в десорбер и расширяется в нем при изменении давления с Рс до Рн . В процессе расширения и нагрева идет полная дегазация хемосорбента, температура хемосорбента повышается с Тс до Тв То.с отрегенерированный хемосорбент возвращается на абсорбцию через теплообменник с расходом Cx2-H2S, где отдает свое тепло насыщенному раствору и охлаждается от Тв до Тн.
Таким образом, в рассматриваемой установке, в результате использования энергии давления подведенного потока газа , при Тс То.с. происходит разделение потока хемосорбента на две части: Gxi +H2S с низкой температурой регенерации Тн и поток Gx2 +H2S с повышенной температурой регенерации Тв . Первый из них может быть использован для абсорбции как грубо регенерированный хе-мосорбент, второй как тонко регенерированный. Расщепительная трансформация тепла осуществляется в струйной вихревой установке по энергосберегающей технологии.
По характеру протекания процесса во времени установка относится к группе непрерывного действия и характеристика работы меняется только в пределах, определяемых регулированием, что экономически часто может быть более выгодным из-за меньших габаритов и меньшего числа элементов оборудования благодаря возможности совмещения разных функций в одном аппарате.
Постепенное расширение области использования струйных установок вихревого типа(вихревая труба на втором потоке хемосорбента с расходом Gx2 +H2S), отличающихся исключительной простотой конструкции. Их преимущества проявляются там, где имеется источник сжитого газа, исключающий необходимость в специальном компрессоре.
На основании выше приведенных результатов исследований был разработан и сконструирован кавигационно-вихревой аппарат (Рис.2.8), для процесса десорбции сероводорода из раствора МЭА, который внедрен на установке по очистке газа от сероводорода. Результаты промышленных испытании приводится ниже таблица 2.3.
Вихревой аппарат для регенерации раствора МЭА показал хорошую степень дегазации кислых газов (до 45%) .При эксплуатации ВУ экономия тепло- энергии, затрачиваемая на регенерацию МЭА снизилась на 30%. При внедрении 3 и более ступенчатой регенерации МЭА вихревыми аппаратами возможно исключение из технологической схемы десорбера. Таблица 2.3 Результаты промышленных испытаний
Номер образца Содержание сероводорода в растворе МЭА,г/л Температура раствора МЭА перед ВУ, С Расход раствора МЭА, м/чаа
Некоторые методы снижения энергетических затрат в абсорбционных процессах. Это возможно на основе конкретного анализа его физико-химических особенностей.
Так например, для различных абсорбентов зависимость параметра ф = РНз0/Р]І28 от давления регенерации, влияющего на температуру кипения раствора, проявляется по-разному. Анализ образца (1) показывает, что с ростом температуры величина ф - может и расти и снижаться в зависимости от скоростей роста PHJ0H PHS. раствора, проявляется по-разному. Анализ образца (1) показывает, что с ростом температуры величина ф - может и расти и снижаться в зависимости от скоростей роста Рн 0и Рн s.
В результате в ряде случаев (например, для раствора МЭА) выгодно до определенного предела увеличивать, а не уменьшать, как обычно принято считать, давление регенерации, что позволяет снизить расход энергии на испарение воды из раствора при регенерации.
В настоящее время добываемый на месторождении газ в своем составе содержит от 1,6 до 5 г/м3 стабильного конденсата, от 100 до 500 г парообразной влаги на 1000 м3 газа и до 1,65 г на 100 м3 сероводорода.
Согласно ОСТ 51 40-74 «Газы горючие природные подаваемые в магистральный газопровод» Должны соответствовать следующим требованиям: - температура точки россы -10С- --20С; - механические примеси не более 3 г на 100 м3 газа; - содержание сероводорода не более 2 г на 100 м3 газа. Следовательно, для приведения качественных показателей добываемого газа к требованиям ОСТ, необходимо осушить его от влаги, извлечь конденсат и понизить его температуру.
Внедренная технология путевой низкотемпературной подготовки газа в системе сбора Кокуйского газового месторождения обеспечила рациональное использование энергии газового пласта, кратно снизила опасность раз герметизации промысловых газопроводов, позволила достигнуть более глубокого извлечения жидкого конденсата на площадке ЦГСП без использования специальных технологий и реагентов.
Подготовка природного газа на площадке ЦГСП
Гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлениях и температурах заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи.
Гидраты можно отнести к химическим соединениям, так как они имеют строго определенный состав, но это - соединения молекулярного типа, возникающие за счет вандерваалъсовых сил. Химическая связь у гидратов отсутствует, поскольку при их образовании не происходит спаривания валентных электронов и пространственного перераспределения электронной плотности в молекуле.
Молекулы воды при образовании гидрата и сооружении полостей как бы раздвигаются молекулами газа, заключенными в эти полости. Удельный объем воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26 -1,32 см3 / г (удельный объем воды в состоянии льда -1,09 см3 / г). Соотношение воды и газа зависит от размера молекул газа - гидратообразователя. Один объем воды в гидратном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа.
Чем выше молекулярная масса индивидуального газа или смеси газов, тем ниже требуется давление для образования гидратов при одной и той же температуре. Экспериментально доказано, что в объеме воды при наличии центров кристаллизации активно образуются гидраты. Скорость накопления гидрата при этом определяется разницей содержания равновесного газа в воде до и после образования гидрата
Природные газы легко растворяются в воде даже при низких давлениях С ростом молекулярной массы углеводородов растворимость газа в воде снижается. Непредельные углеводороды, углекислота и сероводород увеличивают растворимость газа в воде. Присутствующие азот, водород и гелий снижают растворимость газа в воде.
Поэтому для прогнозирования места образования и интенсивности накопления гидратов в различных частях технологической системы добычи и транспорта газа необходимо знать влагосодержание газа и изменение его в различных термодинамических условиях.
В инженерной практике возможные условия образования гидратов определяют по графикам равновесных параметров гидратообразования индивидуальных газов или природных газовых смесей конкретного месторождения.
Температура и давление равновесной кривой гидрато образования для Кокуйекого месторождения приведены в таблице 4.1, график равновесных параметров гидрато образования построен на рисунке 4.1.
В системе внутри промыслового сбора газа зона возможного гидратообразования определена методом построения кривой падения давления в газопроводе, кривой изменения температуры газа по пути его движения и кривой гидратообразования для условий транспорта газа летом (рис. 4.2).
Кривая изменения температуры газа на пути его движения построена по расчетным значениям формулы Шухова.
Кривая гидратообразования АВ нанесена с использованием значений температуры и давлений графика равновесных параметров гидратообразования (рис. 4.1).
Из построенного графика следует, что на участке газопровода ограниченного точками АВ существуют условия для образования гидратов по составу газа, давлениям и температуре. Вместе с тем возможность образования гидратов в этих условиях зависит и от влогосодсржония газа в области низких температур, где она находится в кристаллическом состоянии, т.е. в виде льда. И условия для образования гидратов отсутствуют.
В связи с тем, что условия образования гидратов в шлейфах газовых скважин аналогичны условиям образования их в сборном коллекторе, построение графиков для них по указанной выше методике не проводилось.
