Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Основные параметры влияющие на эффективность дегазации газонасыщенного жидкостного потока в вихревой трубе .
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 массооб-менных аппаратах . 15
1.5.Практическое применение вихревого эффекта 21
1.6. Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода . 23
Глава 2. 37
2.1. Экспериментальные исследования вихревого эффекта. 37
2.1.1. Влияние технологического режима и физических свойств газов на эффект температурного разделения газа в вихревой трубе 41
2.1.2. Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эффект охлаждения 43
2.1.3. Структура потока внутри вихревой трубы 47
2.2 Теоретические основы вихревого эффекта. 50
2.2.1. Механизм вихревого энергетического разделения газов 50
2.2.2. Методы расчета вихревого эффекта 55
2.2.3. Влияние конструктивных и геометрических факторов на характеристики вихревой трубы. Конструкции соплового ввода. 60
2.2.4. Масштаб и геометрия камеры энергетического разделения. 62
2.2.5. Диаметр отверстия диафрагмы. 64
2.3. Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора 68
2.4. Технологическая схема подготовки и транспорта природного газа. 77
2.4.1. Путевая подготовка газа в системе внутри промыслового сбора газа. 77
2.4.2 Подготовка природного газа на площадке ЦГСП. 78
2.4.3 Метод расчета вихревых аппаратов 85
Глава 3. Газовые гидраты, предупреждение их образования и мероприятия по ликвидации гидратных отложений в газопроводах .
3.1. Общая характеристика гидратов. 94
3.2. Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном коллекторе и в газопроводе транспорта газа . 97
3.3. Способы предупреждения образования гидратов и их ликвидации.
Глава 4. Методика расчета устройства для увеличения 106
Расхода газа.
Основные результаты и выводы 116
Литература 117
Приложение
- Кинетические основы процесса выделения легколетучих компонентов из растворов при дросселировании жидкостей в вихревых массооб-менных аппаратах
- Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода
- Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора
- Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном коллекторе и в газопроводе транспорта газа
Введение к работе
В создавшихся условиях развития рыночных отношений наблюдается тенденция к применению малогабаритных автоматизированных установок в блочно-агрегатном исполнении, что диктуется экономией энергетического потенциала.
Использование вихревого эффекта при совершенствовании существующих систем нефтесбора и промысловой подготовки нефтяного газа, разработке новых, энергосберегающих технологий становится все более актуальной проблемой.
Как и во всех других отраслях промышленности, интенсификация нефтехимических производств характеризуется увеличением выпуска конечного продукта. Интенсификация производства достигается как за счет роста скоростей химических реакций, температур, нагрузок, давления (параметров технологического процесса), так и за счет применения принципиально новых технологий и воздействий на ход технологических процессов .
Современные прогрессивные технологические процессы должны быть непрерывными и протекать с большими скоростями при условии эффективности и комплексного использования сырья и энергии. С исключением возможности загрязнения окружающей среды. Необходимо, чтобы повышение эффективности процессов проходило за счет уменьшения затрат рабочего времени на получение единицы продукции и сопровождалось снижением материальных и энергетических затрат при одновременном улучшении качества.
Широкие возможности для интенсификации ряда существующих процессов создает применение вихревых аппаратов.
Расширение области применения и повышения эффективности вихревых устройств одна из проблем энерго- и ресурсосберегающих технологий и зашиты окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.
Основные задачи исследования:
Экспериментально обосновать особенности течения и взаимодействия расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве.
В опытном, опытно-промышленном масштабах испытать вихревые устройства на многокомпонентной газовой смеси, находящейся с конденсатом в напорном трубопроводе.
Совершенствование и создание вихревых устройств, включающих расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование.
В процессе решения поставленной научной проблемы получены новые результаты, которые выносятся на защиту:
физическая модель и теоретические основы адиабатического кипения газожидкостного потока, Взаимодействия и формирование скоростных расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве;
методика расчета селективного выделения газа из жидкой фазы в закрученном потоке вихревых устройств;
- принцип модернизации существующих вихревых устройств, совершенствование и создание вихревых устройств для крупнотоннажных производств.
Кинетические основы процесса выделения легколетучих компонентов из растворов при дросселировании жидкостей в вихревых массооб-менных аппаратах
Особенности процесса кипения, возникающего, при резком снижении давления над свободной поверхностью жидкости изучались в [38]. С понижением давления уменьшается температура насыщения и растет перегрев жидкости. Когда эта величина достигает определенного для данной системы значения, которое обычно равно 8-10 С, жидкость в верхней части объема вскипает. При этом совершенно четко видна граница, отделяющая слой, в котором пузырьки непрерывно возникают и растут, от нижнего, не кипящего спокойного слоя.
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 мере увеличения вакуума в процессе кипения резко падает количество активных центров, размеры поверхностных пузырьков намного увеличиваются, а рост пузырьков носит взрывной характер, сопровождаемый интенсивным характерным звуковым сигналом. Регенерация растворов в вихревых аппаратах, конструкции которых описаны в [37,41], имеет некоторые отличия от дегазации жидкостей при сбросе давления. Известно большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению потоков испаряющейся жидкости [49,50]. Однако сложность изучаемого явления, определяемая структурой и динамической неоднородностью среды, наличием нестабильных 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 нестабильного 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 безотрывного 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 нестабильном 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 [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 осесимметричного сопла Лавашь . Изобарность. 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 нестабильные, 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 значения, при котором происходит разрыв сплошности потока жидкости., или, иными словами, при возникновении кавитации.
В последнее время особое внимание стало уделяться прямому анализу в непосредственном измерении сложных нестационарных полей потока при довольно узких условиях. Спектральный анализ однородной и изотропной турбулентности потока привел к важному наблюдению: энергетическая структура изотропной турбулентности не зависит непосредственно от значения вязкости жидкости.
Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода
Создан и успешно прошел испытания-вихревой карбюратор для двигателей внутреннего сгорания [32], обеспечивающий около 30 % экономии топлива и снижение концентрации окиси углерода в выхлопных газах до 20-25 %. Аналогичный карбюратор разработан для лодочного мотора «Вихрь-М».
Сделан анализ соответствующих гипотез и физических основ процессов течения, формирования, взаимодействия скоростных расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве; рассмотрены вопросы использования компонентного разделения малорастворимых газовых примесей из карбонизированных хемосорбентов в различных технологических процессах, сформулированы основные проблемы связанные с селективным выделением газов при адиабатическом кипении в струйном течении газовой жидкости.
Для объяснения вихревого эффекта выдвинуто множество противоречивых друг другу гипотез. Все они испытывают затруднения при объяснении ряда экспериментальных фактов [71].
Отсутствие гипотезы, объясняющей весь комплекс термо и газодинамических особенностей потока жидкости и газа в вихревой трубе, определенный разнобой в рекомендациях оптимальных геометрических параметров трубы и закручивающих устройств указывают на сложность процессов в вихревой трубе. До конца невыясненную природу эффекта Ранка и стимулируют повышение точности газожидкостных динамических исследований закрученного потока в вихревой трубе.
По характеру трансформации тепла установку очистки газа от сероводорода можно отнести к группе расщепительной трансформации , где абсорбция и десорбция газа хемосорбентом производится при нагреве и охлаждении, сжатии и сбросе давления.
При расщепительной трансформации к установке подводится поток тепла Qc среднего потенциала с температурой Тс, который в установке делится (расщепляется) на два потока- низкогоТн и повышенного Тв потенциала.
Работа осуществляется за счет подведенного теплового потока среднего потенциала; хемосорбент, поглощая под давлением при абсорбции сероводород из попутного газа, становится насыщенным, транспортируется в десорбер, где происходит сброс давления и нагрев хемосорбента, с целью его регенерации и полной десорбцией сероводорода, затем хемосорбент охлаждают и направляют вновь на абсорбцию. Схема такого цикла показана на рис. 1а, і б.
Здесь в отличие от системы прямого потребления тепла необходимо два цикла. Первый 1-2-3-4- прямой он служит для получения работы L при использовании тепла среднего потенциала Qc , подводимого на уровне Тс Т0.с . Работа L используется для осуществления обратного цикла 5-6-7-8, служащего для отвода тепла со среднего уровня Тс на верхний Тв. Аналогичный результат может быть получен не только с помощью циклов, но и посредством разомкнутого процесса (и даже вообще без изменения состояния рабочего тела при использовании электромагнитных явлений в развитой гидродинамической кавитации на струйных установках вихревого типа).
Вихревой эффект. Физическая сущность вихревого эффекта состоит в том, что образующие холодный поток внутренние слои газа имеют большую скорость, чем внешние. Однако по мере движения газа вследствие трения между слоями эта скорость выравнивается, т.е. уменьшается во внутренних слоях и возрастает во внешних. До момента выравнивания скорости внутренние слои газа обладают избытком кинетической энергии, которые переходят во внешние слои, вследствие чего повышается температура последних. Неожиданным преимуществом вихревого охлаждения является эффективная передача тепла высококипящих компонентов низкокипящим компонентам.
Термодинамический анализ технических систем представляет собой метод термодинамического исследования технических систем как в целом, так и посредством разделения, расчленения их на составные части с целью получения наиболее полной информации в процессах преобразования энергии, происходящих в анализируемой системе.
Термодинамический анализ проводится на основе уже заранее известных термодинамических параметрах системы (получаемых либо в эксперименте, либо расчетным путем). Минимальное число этих параметров должно быть таким, чтобы для изучаемой системы и любой ее анализируемой части можно было составить материальный и энергетический балансы. С более общей точки зрения необходимо располагать данными для балансов, отражающих закон сохранения материи, закон сохранения энергии (в его частной форме первого начала термодинамики) и, наконец, второе начало термодинамики (как сумма двух - закона постоянства энтропии в обратимых процессах и ее возрастания в необратимых). Последний вид баланса -энергетический баланс завершает систему уравнений и основан на первых двух.
Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора
Относительная площадь проходного сечения сопла fc= fc/FVp, 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 [2]в результате эксперимента установил оптимальное значение fc=0.057, АЛ. 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. B.C. Мартыновский и В.П. Алексеев [19] лучшие результаты получили в диапазоне fc=0.046 - 0.065.
Противоречивость экспериментальных данных по оптимальному значению fc объясняется в основном различием условий проведения эксперимента, в первую очередь различием є и конструктивных особенностей вихревой трубы. Так, в работе [23] было показано, что оптимальная величина fc является переменной величиной, зависящей от Ті, є, физических свойств газа и конструкции вихревой трубы.
Ю.В. Чижиков [24] в результате исследований, проведенных в широком интервале s=4 - 17, установил, что для каждого значения є существует оптимальная величина fc, которую можно вычислить по эмпирической формуле:
Однако эта формула справедлива только для воздуха и не позволяет учесть влияния исходных параметров газа, его физических свойств, а также конструктивных особенностей трубы. Рекомендации по выбору оптимальной относительной площади проходного сечения сопла для вихревых труб, работающих в области высоких начальных давлений, в литературе отсутствует.
Из многочисленных исследований известно, что на эффективность вихревой трубы оказывает существенное влияние диаметр диафрагмы с!д. Обычно диаметр диафрагмы выражают в безразмерном виде через диаметр трубы d dj/Drp. В работах [19,25-29] было показано, что каждому значению ц соответствует определенное оптимальное значение относительного диаметра диафрагмы йл. Для практических целей необходимо знать два оптимальных значения іл. Одно из них соответствует максимальному эффекту охлаждения газа в вихревой трубе, второе — максимальной холодопроизводительности.
Так, в опытах Р. Хилша [2], максимум эффекта охлаждения наблюдался при dj=0,39Г, а по холодопроизводительности при dj=0,478; в опытах А.П. Меркулова [25] соответственно 0,41 и 0,545; В.П. Алексеева [19] - 0,4 и 0,531; А.В. Мартынова (неадиабатная вихревая труба) [26] - 0,43 и 0,643; В.А. Сафонова [27] - 0,45 и 0,58; Ю.В. Чижикова [28] - 0.45 и 0,6; В.И. Метанки [29] - 0,43 и 0,48.
Противоречивость экспериментальных данных по оптимальным размерам диафрагмы объясняется прежде всего различием условий проведения эксперимента, т.к. оптимальная величина dj зависит не только от доли холодного потока ц, но и от давления газа на входе в вихревую трубу Pj, отношения давлений є, площади проходного сечения сопла fc, а также от давления Р г и температуры Т\ холодного потока перед диафрагмой. Вопрос о влиянии длины и геометрической формы вихревой трубы на эффект охлаждения изучен достаточно подробно. Р. Хилш [2] и В.П. Алексеев [19] при исследовании цилиндрических труб определили, что оптимальная длина трубы равна L = 50Drp ( здесь L расстояние от плоскости диафрагмы до дросселя). А.П. Меркулов [25] сократил вихревую зону до L = 9Dxp за счет установки на горячем конце крестовины. Ю.Д. Райский [30] исследовал цилиндрическую вихревую трубу различной длины от L=5DTP ДО L=50DTp и показал, что изменение длины вихревой трубы от 5DTP до 20Dxp не влияет на величину вихревого эффекта. Дальнейшее уменьшение величины L ведет к резкому снижению эффекта охлаждения газа в трубе.
Многие исследователи [7,20,28,29,31] показали, что одним из путей сокращения вихревой зоны и обеспечения максимального эффекта охлаждения газа является замена цилиндрического горячего участка трубы на конический. Хендал [31] первым предложил вихревую трубу в виде расходящегося конического патрубка с углом раскрытия а=2-6 (L=5Drp) и следующей за ним длиной цилиндрической части. Труба данной конструкции оказалась эффективнее подобной цилиндрической трубы на 10 %, а при наружном охлаждении водой - на 15 %.
А.И. Гуляев [20] также показал, что конические вихревые трубы по температурной эффективности и холодопроизводительности на 20-25 % превосходят лучшие цилиндрические трубы. Длина конических вихревых труб, как утверждает автор, должна быть не менее HD . Ю.В. Чижиков [28] установил, что оптимальная длина трубы должна быть не менее 9Dxp и подтвердил преимущество конических труб над цилиндрическими.
Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном коллекторе и в газопроводе транспорта газа
Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве для очистки газов от газового конденсата, включающем кожух с размещенной в нем вихревой трубой с камерами горячего и холодного потоков и с энергоразделителем, патрубок ввода, отводы холодного потока и конденсата, новым является то, что вихревая труба установлена в кожухе концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства, энергоразделитель выполнен в виде входных тангенциальных сопел в стенке вихревой трубы с входного ее конца и перекрывающего торец указанного конца вихревой трубы и торец кожуха диафрагменного диска со сквозным каналом, связывающем камеры горячего и холодного потоков, на другом конце вихревой трубы выполнены выходные тангенциальные сопла, связывающие камеру горячего потока с межтрубным кольцевым пространством, при этом укапанный конец вихревой трубы с торца перекрыт эжектором, по наружной поверхности вихревой трубы выполнено оребрение, а отвод конденсата выполнен в виде профилированных радиальных каналов в диске энергоразделителя.
Выполнение на наружной поверхности вихревой трубы оребрение позволяет осуществить предварительное завихрение газового потока и абсорбента и разделение абсорбента на два, один из которых отводится в виде конденсата, а второй подать через входные тангенциальные сопла в вихревую трубу, где его вновь завихрить для интенсификации процесса.
Образовавшийся в результате вихревого эффекта горячий периферийный поток при соприкосновении с холодным потоком очищаемого газа, проходящего через оребрение, конденсируется на внутренних стенках вихревой трубы. благодаря тому, что на конце вихревой трубы выполнены входные тангенциальные сопла, а сама труба с торца указанного конца перекрыта эжектором, обеспечивается непрерывное впрыскивание газового конденсата в виде пара в зону абсорбции. Установка на входе очищаемого потока эжектора позволяет обеспечить также дросселирование входящего потока, позволяющее уменьшить давление в эжекторной зоне и создать условия для впрыскивания конденсата из вихревой трубы. А поскольку в эжекционную зону впрыскивается-конденсат из камеры горячего потока, исключается явление замерзания конденсата, хотя дросселирование присутствует.
Таким образом, предложенные конструктивные признаки устройства обеспечивают, согласно способу, получение и использование для очистки газов абсорбента в виде собственного газового конденсата и поступление его непрерывно на абсорбцию, резко увеличивая тем самым поверхность абсорбции. Как следствие - повышается эффективность и интенсификация очистки при обеспечении высокой степени очистки газа, снижении металлоемкости и энергозатрат.
На чертеже схематично представлен продольный разрез предлагаемого устройства для осуществления способа.
Устройство для очистки газов от газового конденсата содержит кожух 1, в котором концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства 2 установлена вихревая труба 3 с камерой горячего потока 4 и энергоразделителем, выполненным в виде входных тангенциальных сопел 5 в стенке вихревой трубы 3, выполненных со стороны входного торца трубы 3 и диафрагменного диска 6, перекрывающего выходной торец кожуха 1 и входной торец вихревой трубы 3. Диск 6 энергоразделителя выполнен со сквозным осевым каналом 7, связывающим камеру 4 горячего потока с камерой 8 холодного потока. Для отвода конденсата в диске 6 выполнены профилированные радиальные каналы 9, связывающие межтрубное пространство 2 с емкостью 10 для сбора конденсата.
На другом конце вихревой трубы 3 в ее стенке выполнены выходные тангенциальные сопла 11, связывающие камеру 4 горячего потока с межтрубным кольцевым пространством 2, а выходной торец вихревой трубы 3 перекрыт эжектором 12; по наружной поверхности вихревой трубы 3 выполнено оребрение 13. Очищаемый газ поступает в устройство через патрубок 14 ввода, а через патрубок 15 отводится очищенный газ.
Предлагаемый способ в описанном устройстве осуществляют следующим образом. Поток газа, подлежащий очистке, подают через патрубок 14 из газопровода на эжектор 12. В результате дросселирования входящего потока (из-за уменьшения поперечного сечения устройства) скачкообразно возрастает скорость этого потока, а давление газа падает. В эжекционной области возникает разряжение, в результате чего происходит впрыскивание конденсата в виде паровой фазы из вихревой трубы 3 через выходные тангенциальные сопла 11 в межтрубное пространство 2 для обогащения входящего газа конденсатом. При этом поток газа, обогащенный конденсатом, завихряется при прохождении через оребрение 13 и делится на центральную (осевую) и периферийную зоны. Потоки, дойдя до преграды - диска 6 энергоразделителя, меняют свое направление. Отсепарированный газожидкостный конденсат и влага, как более тяжелые, выводятся с периферийной зоны через каналы 9 энергоразделителя в емкость 10 сбора конденсата. Осевой поток газа, дойдя до энергоразделителя, изменяет свое направление на 90 и через входные тангенциальные сопла 5 поступает в вихревую трубу 3. При входе газового потока в вихревую трубу 3 происходит резкое увеличение скорости завихрения и резкое падение давления, как следствие - разделение входящего потока газа на теплую и холодную зоны (эффект Ранка-Хилша). В вихревой трубе 3 поддерживают пересыщение М, степень которого определяется выражением (2.64).
Похожие диссертации на Совершенствование вихревых сепараторов для промысловой подготовки нефтяных газов
