Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор. Современное состояние и пути развития технологии и моделирования промысловой подготовки газа и газового конденсата . 8
1.1 .Описание технологических процессов применяемых для промысловой подготовки газа на газоконденсатных месторождениях. 8
1.1.1. Способы очистка газа от тяжелых углеводородов. 8
1.1.2 Очистка углеводородных газов от воды . 13
1.1.3 Очистка газа от сероводорода, диоксида углерода и сероорганических соединений. 14
1.2. Процессы промысловой подготовки газового конденсата. 15
1.3.Математическое моделирование процессов промысловой подготовки газа и газового конденсата. 22
1.3.1. Математическое моделирование процесса ректификации углеводородных смесей. 22
1.3.2. Описание и анализ программных средств моделирования предлагаемых в настоящее время для решения технологических задач . 34
1.4. Постановка задачи исследования. 36
2. Системный анализ процессов деэтанизации и стабилизации припромысловой подготовке газов и газовых конденсатов и математическое моделирование процесса многокомпонентной ректификации . 39
2.1. Построение математической модели процесса многокомпонентной ректификации. 42
2.1.1 Методы расчета констант фазового равновесия. 44
2.1.2 Расчет равновесия на тарелке. 47
2.1.3 Математическая модель контактного устройства колонны деэтанизации. 50
2.1.4 Математическая модель контактного устройства с дополнительно подводимыми или отводимыми потоками. 53
2.1.5 Математическая модель куба колонны. 54
2.1.6 Математическая модель дефлегматора ректификационной колонны . 57
2.1.7 Определение эффективности контактного устройства. 58
2.1.8 Формирование исходной углеводородной смеси и определение основных физико-химических свойств компонентов. 59
2.2. Описание математического модуля расчета отпарной колонны (колонны деэтанизации К1). 67
2.3.Описание математического модуля расчета ректификационной колонны (колонны стабилизации К2). 69
2.4. Заключение. 70
З. Определение погрешностей расчета процессов деэтанизации и стабилизации с применением технологической моделирующей системы и анализ соответствия моделей исследуемым процессам . 72
3.1. Сравнение результатов расчета процессов отпаривания и ректификации и экспериментальных данных с промышленных установок. 72
3.2. Анализ влияния термобарических условий на процессы деэтанизации и стабилизации на установках газового конденсата. 78
3.2.1 Влияние давления и температурного режима на результаты процесса деэтанизации в колонне Kl. 78
3.2.2 Влияние давления и температурного режима на результаты процесса стабилизации в колонне К2. 90 3.3 Заключение. 102
4. Исследование влияния технологических параметров на процессы деэтанизации и стабилизации на установках Мыльджинского газоконденсатного месторождения с применением ТМС.
4.1 Исследование влияния температуры верха и низа колонны на процесс деэтанизации в колонне К1. 104
4.2 Влияние принципа изменение температурного режима на процесс разделения в колонне деэтанизации К1. 108
4.3 Исследование влияния температуры верха и низа колонны на процесс стабилизации в колонне К2. 111
4.4 Исследование влияния принципа изменения температурного режима на процессы в колонне стабилизации К2. 116
4.5 Влияние соотношения расходов горячего питания и холодного орошения на качество разделения в колонне деэтанизации Kl. 119
4.6 Исследования влияния номера тарелки питания на результат проведения процесса разделения в колоннах деэтанизации и стабилизации. 123 4.7. Заключение. 125
5. Математическое моделирование процессов промысловой подготовки газов и газовых конденсатов, и оптимизация с применением разработанной ТМС. 128
5.1 Определение и обоснование оптимального температурного режима проведения процессов стабилизации на примере Северно-Васюганского газоконденсатного месторождения. 130
5.2 Изучение возможностей модернизации УДСК Мыльджинского ГКМ с
целью дополнительного получения бензиновых фракций. 135
5.2.1 Получение бензиновой фракции путем отбора пара или жидкости с тарелок колонны стабилизации. 136
5.2.2 Получение бензиновой фракции путем выделения из стабильного конденсата в дополнительной ректификационной колонне. 143
5.3. Заключение. 147
6. Основные результаты и выводы. 150
Список литературы.
- Очистка углеводородных газов от воды
- Описание и анализ программных средств моделирования предлагаемых в настоящее время для решения технологических задач
- Математическая модель дефлегматора ректификационной колонны
- Анализ влияния термобарических условий на процессы деэтанизации и стабилизации на установках газового конденсата.
Введение к работе
Актуальность работы: При эксплуатации действующих установок промысловой подготовки газа и газового конденсата объективно возникают технологические проблемы, обусловленные, в первую очередь, выработкой газоконденсатного месторождения, изменением компонентного состава пластовой смеси, требованиями к качеству товарной продукции и т.п., что обуславливает необходимость непрерывного анализа основных технологических показателей и эффективности производства в целом.
В настоящее время, как правило, эти задачи решаются, основываясь на использовании экспериментально-статистического подхода метода физического моделирования. Вместе с тем, наиболее эффективным решением этой проблемы является, в настоящее время, применение технологических моделирующих систем, базирующихся на физико-химических основах процессов, и методе математического моделирования с учетом накопленного опыта эксплуатации технологии промысловой подготовки газа и газового конденсата.
Разработанные к настоящему времени универсальные моделирующие системы (такие как PRO-II, HYSYS и т.п.) используются в основном для проведения инжиниринговых (проектных) расчетов.
Однако для решения задач повышения эффективности действующего производства, экономически более выгодно и практически приемлемо применение специализированных технологических моделирующих систем (ТМС). Эти системы формируются с использованием методологии метода математического моделирования, т.е. на основе иерархического подхода, с описанием на каждом этапе количественных закономерностей процессов в реальных условиях. По существу ТМС адаптируется к исследуемым процессам и отражает специфику конкретной технологии.
Таким образом, возникает реальная необходимость разработки компьютерной технологической системы промысловой подготовки газа и газового конденсата, позволяющей на качественно новом уровне анализировать технологические решения и прогнозировать основные показатели работы установки промысловой подготовки газа и газового конденсата, а также эффективно решать задачи проектирования новых и реконструкции действующих процессов и технологий.
Цель работы: Анализ технологии промысловой подготовки газов и газовых конденсатов, формирование технологической моделирующей системы, интегрированной на основе моделей стадий низкотемпературной сепарации, процессов деэтанизации и стабилизации газовых конденсатов и прогнозирование эффективных режимов работы промышленных установок.
Для этого необходимо: разработать структуру и сформировать технологическую моделирующую систему промысловой подготовки газов и газовых конеденсатов; выбрать и обосновать метод описания процесса ректификации; разработать математическое описание каждой стадии
процесса; разработать метод численной реализации предложенной математической модели; при составлении математической модели контактного устройства учесть влияние гидродинамического фактора на парожидкостное равновесие; адаптировать математическую модель к процессам месторождений, для оптимизации которых она будет использована; определить соответствие результатов расчета основным теоретическим закономерностям; изучить влияние технологических параметров на исследуемые процессы и определить оптимальные; прогнозировать параметры работы промысловой технологии в процессе выработки месторождения.
Научная новизна:
- Разработаны принципы формирования ТМС промысловой подготовки газа и газового конденсата с учетом взаимного влияния технологических режимов установки комплексной подготовки газов (УКПГ) и установки деэтанизации и стабилизации конденсата (УДСК) в динамике разработки месторождения.
Впервые, с использованием иерархического подхода, сформирована ТМС с учетом прямых и обратных связей в промысловой технологии газоконденсатных месторождений.
Впервые с использованием ТМС, выполнен многопараметрический анализ действующих производств.
Предложена математическая модель контактного устройства, позволяющая определить мольную долю отгона и долю конденсации на каждой ступени разделения. При этом рассчитываются равновесные и рабочие параметры потоков на ступени разделения.
Предложен метод определения количества пара, уходящего с тарелки в четырехпоточной модели.
Предложена математическая модель кубовой части колонны разделения, основанная на общем и покомпонентном материальных балансах, учитывающих неполное испарение жидкости в печи нагрева.
Предложен алгоритм корректирования исходной информации для расчета каждого итеративного этапа, основанный на определении поправочных значений, являющихся функцией от покомпонентного материального баланса аппарата.
Выбраны и обоснованы методы определения физико-химических свойств агрегированных псевдокомпонентов при формировании исходной углеводородной смеси.
Практическое значение.
- Сформирована технологическая моделирующая система промысловой
подготовки газов и газовых конденсатов, позволяющая на качественно новом
уровне анализировать технологические процессы, оценивать эффективность
технологических режимов, прогнозировать качество и количество товарной
продукции и т.д.
Разработанный математический модуль процесса ректификации является одним из основных элементов технологической моделирующей системы процессов промысловой подготовки газов и газовых конденсатов.
Предложенный метод корректировки исходной информации в методе реализации математической модели позволяет ускорить процесс вычислений и повысить точность полученных результатов.
С использованием разработанной ТМС:
Исследовано влияние технологических параметров, состава сырья, конструктивных параметров на проведение процессов и качество товарной продукции на примере Мыльджинского и Северо-Васюганского ГКМ.
Определены оптимальные термобарические условия проведения процесса стабилизации Северо-Васюганского ГКМ для получения максимального количества товарной продукции, качество которой удовлетворяет требованиям ГОСТ, при минимальных энергетических затратах.
Предложен вариант реконструкции установки стабилизации газового конденсата Мыльджинского ГКМ с целью получения дополнительного товарного потока - бензиновой фракции.
Реализация результатов исследований.
Разработанная технологическая моделирующая система и результаты, исследования переданы по акту в технологический отдел ОАО «Томскгазпром», а также используются в научно-педагогической деятельности кафедры Химической технологии топлива Томского политехнического университета.
На защиту выносятся:
Структура сформированной технологической моделирующей системы процессов промысловой подготовки газов и газовых конденсатов.
Математическая модель процесса многокомпонентной ректификации, основанная на системном подходе, учитывающая рабочие условия протекания процессов, а также позволяющая определить доли испарения и конденсации на каждой ступени разделения.
3. Результаты моделирования технологии промысловой подготовки газов и
газовых конденсатов месторождений Западной Сибири.
4. Решения технологических задач определения оптимальных
термобарических условий проведения процесса стабилизации газового
конденсата Северо-Васюганского ГКМ, оптимального варианта
реконструкции колонны стабилизации Мыльджинского ГКМ с целью
получения дополнительного продукта-бензиновой фракции.
Апробация работы.
Результаты исследований обсуждались на конференциях, симпозиумах и форумах: Третьей всероссийской студенческой научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке», г. Томск, 2002г.;
Пятом международном им. академика М.А. Усова научном симпозиуме студентов, аспирантов, молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, 2002г.; Второй межрегиональной специализированной выставке-ярмарке «Газификация -2002» , г. Томск, 2002г.; Пятой международной конференции «Химия Нефти и Газа», г. Томск, 2003г.; Пятой межрегиональной выставке-конгрессе «Нефть и газ 2004», г. Томск, 2004г.; Третьей всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий», г. Томск, 2004.; Специализированной выставке-конгрессе «Нефть и Газ - 2005», г. Томск, 2005 г.; 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS 2004, Tomsk, 2004г.; Международной научно-технической конференции «Нефть и Газ Западной Сибири», г. Тюмень,2005г.
Результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах кафедры ХТТ ТПУ и научно-технических советах ОАО «Томскгазпром».
Очистка углеводородных газов от воды
Нефтяные и природные газы, добываемые из недр земли, насыщены водяными парами, содержание которых определяется давлением, температурой и химическим составом газа. Каждому значению температуры и давления соответствует определенное максимально возможное содержание водяных паров. Влагосодержание, соответствующее полному насыщению газа водяными парами, называется равновесным.
Если снизить температуру газа, содержащего максимально возможное количество водяных паров, оставив давление неизменным, то часть водяных паров сконденсируется. Температура, при которой водяные пары, содержащиеся в газе, конденсируются, называется точкой росы газа по влаге при данном давлении.
Основной характеристикой по содержанию воды является тока росы по воде (летний период =-10 С; зимний = -20 С).
Содержание воды в газе является отрицательным фактом по причинам:
- возможности условий для возникновения коррозии металлов (при наличии в газе сернистых соединений), а следовательно преждевременного износа и разрушения оборудования, трубопроводов и аппаратуры ГПЗ и других объектов.
- возможности конденсации в технологических схемах, в результате чего будут создаваться условия для образования гидратов (твердых кристаллических веществ), что является самым существенным моментом, поскольку гидраты закупоривают рабочие пространства трубопроводов и аппаратов, увеличивая гидравлическое сопротивление и, в общем, нарушают нормальные условия эксплуатации объектов добычи, транспортировки и переработки газа [32].
Гидраты представляют собой кристаллические соединения -включения (клатраты), которые могут существовать в стабильном состоянии, не являясь химическими соединениями.
Гидраты, образующиеся в скважинах, шлейфах, газопроводах, или аппаратах, разрушаются при снижении давления в системе, при разогреве аппарата или участка трубопровода, где произошло образование гидрата. Однако существующая технология и технологические режимы подготовки газа и газового конденсата не позволяют варьировать давлением и температурой в произвольных диапазонах с целью снижения скорости гидратообразования.
Практический интерес представляют исследования, показавшие влияние незначительной добавки (0,5 - 2,0 % молн.) некоторых органических соединений, таких как этиленгликоль, метанол, этанол, и пропанол на замедление процесса образования гидратов. При повышении содержания таких веществ в смеси повышается содержание несвязанных в кристаллические решетки молекул углеводородов и в общем условия образования гидратов ужесточаются (ингибируют процесс гидратообразования), и образование начинает происходить при более высоких давлениях и более низких температурах, что положительно сказывается на процессе подготовки газа [35-38].
Кроме использования ингибиторов для предупреждения гидратообразования широко применяются также осушка (дегидротация) газа, основанная на извлечении паров воды из газа жидкими и (или) твердыми поглотителями [17,19].
Газ осушают также с целью извлечения из него паров воды и обеспечения температуры точки росы газа по воде более низкой, чем минимальная температура, которая может быть в системах транспортирования или переработки газа. В промышленности наибольшее распространение получили следующие методы осушки газа: абсорбция влаги гигроскопическими жидкостями, адсорбция влаги активированными твердыми осушителями, конденсация влаги за счет сжатия и (или) охлаждения газа [20,21].
Нефтяные и природные газы наряду с углеводородами могут содержать кислые газы—диоксид углерода (С02) и сероводород (H2S), а также сероорганические соединения—серооксид углерода (COS), сероуглерод (CS2), меркаптаны (RSH), тиофены и другие примеси, которые осложняют при определенных условиях транспортирование и использование газов [1,39]. При наличии диоксида углерода, сероводорода и меркаптанов создаются условия для возникновения коррозии металлов.
Кроме того, диоксида углерода, сероводород и меркаптаны снижают эффективность каталитических процессов и отравляют катализаторы [40]. Сероводород, меркаптаны, серооксид углерода — высокотоксичные вещества. Повышенное содержание в газах диоксида углерода нежелательно, а иногда недопустимо еще и потому, что в этом случае уменьшается теплота сгорания газообразного топлива, снижается эффективность использования магистральных газопроводов из-за повышенного содержания в газе балласта.
По этому нежелательные компоненты отделяют от смеси углеводородов, а содержание их в товарной продукции должно строго соответствовать требованиям ГОСТ: - масса сероводорода не более 0,007 г/м3, - масса меркаптановой серы не более 0,016 г/м .
Для очистки природных и нефтяных газов от сероводорода, С02 и других серо- и кислородсодержащих «нежелательных» соединений используют в основном абсорбционные процессы, которые в зависимости от особенностей взаимодействия этих соединений с растворителями -абсорбентами можно условно объединить в следующие группы.
1. Хемосорбционные процессы очистки газа растворителями, представляющими собой водные растворы алканоламинов: моно-этаноламина (МЭА), диэтаноламина (ДЭА), дигликольамина (ДГА) и др. Они основаны на химической реакции «нежелательных» соединений с алканоламинами, являющимися активной, реакционной частью абсорбента. К этой же группе относят процессы поташной очистки [1,2].
2. Процессы очистки газов методом физической абсорбции «нежелательных» соединений органическими растворителями: про-пиленкарбонатом, диметиловым эфиром полиэтиленгликоля (ДМЭПЭГ), N-метилпирролидоном и др. Они основаны на физической абсорбции, а не на химической реакции, как хемосорбционные процессы [1-4].
3. Процессы очистки газов от «нежелательных» соединений растворителями, представляющими собой смесь водного алканоламинового раствора с органическими растворителями - сульфоланом, метанолом и др. Они основаны на физической абсорбции «нежелательных» соединений органическими растворителями и химическом взаимодействии с алканоламинами, являющимися активной реакционной частью абсорбента [1 4].
Кислые газы являются высокоэффективным сырьем для производства серы и серной кислоты. Поэтому при выборе процессов очистки газов учитывают возможности достижения заданной глубины извлечения «нежелательных» компонентов и использования их для производства соответствующих товарных продуктов [45]. Известны случаи, когда сероводородсодержащий природный газ добывают с целью производства серы, очищенный газ после извлечения сероводорода закачивают обратно в пласт для поддержания пластового давления [16].
Организация производства серы процессом Клауса на базе утилизации ее из серосодержащих газовых выбросов значительно увеличивает рентабельность установок как за счет реализации товарной серы, так и за счет избегания штрафных санкций со стороны природоохранных органов. Процесс Клауса основывается на реакциях термического и каталитического окисления сероводорода в серу.
В основе процесса прямого селективного окисления сероводорода в серу лежит химическая реакция:
Описание и анализ программных средств моделирования предлагаемых в настоящее время для решения технологических задач
Промысловая подготовка газа и газового конденсата реализуется по аналогичным технологическим схемам на различных газоконденсатных месторождениях нашей страны. Исключение составляют лишь северные месторождения, где для подготовки применяется дополнительная осушка газа[1,3,15]. При формировании технологической схемы промысловой подготовки газа и конденсата и выборе оборудования, необходимо учитывать состав и свойства пластовой смеси, запас разрабатываемого месторождения. Кроме этого в процессе эксплуатации в связи с выработкой месторождения меняются свойства добываемой из недр земли пластовой смеси. По этой причине постоянная корректировка технологических режимов действующих установок крайне необходима для достижения максимального экономического эффекта. Оптимальные значения технологических параметров зачастую определяются исходя из индивидуального опыта специалиста, управляющего процессом.
Для разрешения подобных проблем, как на стадии проектирования, так и эксплуатации действующих установок наиболее эффективен метод математического моделирования. Существуют моделирующие системы, примерами которых могут служить импортные пакеты PRO-II, HYSYS, Aspen Plus и т.д., которые находят применение, как правило, для решения инжиниринговых задач проектирования [3]. Практически все программы при описании процессов учитывают термодинамические аспекты, принимая за реальные те процессы, которые являются строго равновесными. Встречается некорректное описание сложных процессов. Например, математическая модель процесса ректификации в пакете HYSYS, которая описывает как два несвязанных между собой этапа отпарную колонну и теплообменник в качестве дефлегматора, что является не корректным с точки зрения технологии. Кроме того, выше описанные программные продукты имеют высокую стоимость.
Поэтому существует реальная необходимость разработки технологической моделирующей системы, которая позволяет учесть не только термодинамический, но и гидродинамический аспекты, а также определять и учитывать эффективность реального аппарата, имеющего свои размеры и конструкционные особенности. Что позволит принципиально повысить точность расчетов как на стадии проектирования так и на стадии эксплуатации объекта; увеличить экономический эффект при оптимизации процессов, прогнозировать результат проведения процессов при заданных условиях и т.д.
Ранее на кафедре ХТТ были разработаны математические модели процессов сепарации, разделения жидкостей и теплообмена. Модели процесса сепарации разработаны с учетом эффективности сепарационного оборудования, что позволяет рассчитывать составы продуктовых потоков при изменении производительности и конструктивных особенностей аппаратов [89]. Функционирующая на их основе моделирующая система позволяет исследовать технологию только одной стадии - комплексной подготовки газа вне связи ее с другими этапами, оказывающими воздействие на исследуемые процессы.
Создание математических моделей процессов отпаривания и ректификации, а также математических модулей на их основе позволят сформировать новую технологическую моделирующую систему (ТМС) промысловой подготовки газа и конденсата. Интегрирование математических модулей двух этапов технологии промысловой подготовки позволит моделировать процессы подготовки газа и определить расход и состав ДЭК, являющегося сырьем для второй стадии промысловой подготовки - стадии стабилизации. Кроме этого, применение ТМС позволит описывать процессы подготовки газа с учетом влияния процессов стадии стабилизации. Появится возможность определять состав и расход МЭФ (верхний продукт колонны деэтанизации), направляемой на вход в третий сепаратор. Также определяется состав ПБФ (верхний продукт колонны стабилизации), что дает возможность оценить количество потока ПБФ, которое допускается смешивать с потоком товарного газа, не повышая точку росы выше допускаемого ГОСТом значения.
Таким образом, ТМС позволит моделировать двух этапную технологию промысловой подготовки газа и конденсата как единую технологию с учетом прямых и обратных связей, что дает возможность оценивать технологические решения на качественно новом уровне.
Стадия стабилизации, как было показано выше, представлена следующими процессами: ректификация, отпаривание, теплообмен.
Математическое моделирование процесса теплообмена на данный момент находится на таком уровне, что предлагаемые математические модели можно использовать для достоверного описания исследуемых процессов.
Что же касается процессов ректификации и отпаривания, то здесь ситуация несколько сложнее.
Анализ предлагаемых в литературных источниках математических моделей [27,50-68,70-88] показал, что на данном этапе по вопросу о моделировании процесса многокомпонентной ректификации не существует единого мнения. Подобная ситуация наблюдается в виду сложности описываемых процессов.
Большая часть приводимых моделей процесса ректификации являются решением проектной задачи (определение габаритов аппарата, числа ступеней разделения и т.д.), что не соответствует условиям которые поставлены в данной работе. Также ситуацию осложняет тот факт, что объектом исследований является многокомпонентная ректификация, процесс который не описывается в литературе широко с точки зрения математического моделирования. Анализ и сравнение наиболее применимых для описания многокомпонентной ректификации моделей показал, что их использование затруднено по ряду причин. К примеру, некоторые модели требуют слишком большого количества исходной информации для расчета (доля отгона на каждой тарелке, температурный профиль по колонне и т.д.), что является не приемлемым, такие параметры должны определяться самим расчетом. Кроме этого, многие методики базируются на допущении о равновесности разделяемых фаз. Также некоторые этапы многостадийного процесса предлагается оценивать по методам приемлемым только для ориентировочных проектных либо предпроектных расчетов.
По этим причинам можно сделать вывод о том, что не существует универсального математического описания процесса многокомпонентной ректификации, для разработки адекватной математической модели данного массообменного процесса.
При этом следует отметить, что сам принцип расчета от тарелки к тарелке остается наиболее корректным, именно он и будет использован при разработке математического описания процесса многокомпонентной ректификации газового конденсата.
Математическая модель дефлегматора ректификационной колонны
На Мыльджинском ГКМ процесс стабилизации представлен многокомпонентной ректификацией. Отличаем ректификации от процесса отпаривания является дополнительный технологический блок - дефлегматор, который представляет собой конденсирующее устройство со своими конструкционными характеристиками. По конструкции и типу дефлегматоры существенно различаются, и их математическое описание также будет различным.
В процессе стабилизации Мыльджинского ГКМ дефлегматор реализован по схеме парциальной конденсации (рис. 2.8.). Элемент технологической схемы стабилизации с учетом парциальной конденсации. G, у І - расход и состав пара уходящего с верхней тарелки колонны и поступающего на охлаждение; Gb,yb,i — расход и состав не сконденсировавшегося пара; L, я,- - расход и состав сконденсировавшегося в жидкость пара; Fop,xOPii— расход и состав потока орошения; Ьы,Хъц—расход и состав верхнего продукта колонны. Е - емкость.
Расчет дефлегматора происходит по следующему алгоритму: - Исходными данными для расчета в данном блоке является параметры потока пара покидающего последнюю тарелку (G, у ), которые передаются из блока расчета контактного устройства; - выполняются вычисления процесса конденсации по методу приведенному в разделе 2.1.2, определяются параметры потока не сконденсировавшегося пара {Gb,yb,i) а также сконденсировавшейся жидкости (L, Xj); - поскольку расход потока подаваемого в качестве орошения в колонну является исходной информацией (Fop), то расход верхнего продукта колонны определим: Lh\=L-For (2-61) - поскольку далее по технологической схеме фазового перехода не происходит, то XoP,i - xb\,i = xi» (2.62) Определение эффективности контактного устройства.
При оценке эффективности массообмена на тарелке можно использовать различные методы расчета [51,52,107-110]. Для определения эффективности контактного устройства при расчете ректификации по предложенной математической модели выберем метод [107], поскольку он учитывает гидродинамические режимы работы колонны, конструкционные особенности тарелки, физико-химические свойства контактирующих фаз и т.д.
Частные числа единиц переноса NQ и Ni учитывают скорости массообмена в жидкости и в паре, а, следовательно, и распределение сопротивлений массообмену между фазами. Вычисленное на их основе общее число единиц переноса NG= G L NL+A-NG 2 63) где Х- фактор отклонения, который рассчитывается как: Я = кґ—, (2.64) где L-расход жидкой фазы на тарелке; G-расход газовой фазы; , _ константа фазового равновесия; позволяет определить локальную эффективность контакта EOG; EOG = 1 - Є ; (2.65) Числа единиц переноса для жидкой фазы рассчитываются как: лг, =12бооо- hf -(- -Г0 5; (2.66) л1 Ut где hf- высота слоя жидкости на тарелке; /-относительная активная площадь тарелки; где L — объемный расход жидкости на тарелке; Dt _ коэффициент диффузии в жидкости при температуре t. Для газовой фазы: Na= 1770-hf -Ь- -У ; (2.67) UG где G - скорость пара в колонне; DQ — коэффициент диффузии в газе.
Формирование компонентного состава исходной углеводородной смеси и определение основных физико-химических свойств компонентов.
Математическая модель процесса ректификации, предлагаемая в данной работе, позволяет выполнить расчеты процесса разделения смеси с практически любым количеством компонентов. Ограничивающим фактором в данном случае будет являться, созданная специально для разрабатываемой системы, база данных с физико-химическими свойствами индивидуальных компонентов.
Анализ результатов лабораторных исследований по фракционному и индивидуальному составам [111-112] газовых конденсатов Мыльджинского, Северно-Васюганского, Лугинецкого месторождений показал, что в смеси присутствуют следующие компоненты: - неорганические вещества (СОг, N2, Н20 и т.д.); - органические компоненты - н-парафины, и-парафины, нафтеновые ароматические (длина углеводородной цепи преимущественно от Сі до С20); - углеводороды вводимые в смесь для ингибирования гидратообразования (как правило метанол, диэтиленгликоль).
Таким образом, база данных по физико-химическим свойствам компонентов содержит значения основных свойств (молекулярная масса, плотность, вязкость (при н.у.), теплоемкость, температура кипения, критические параметры и т.д.), необходимых для расчета, для всех перечисленных выше веществ.
Проведение расчетов, обработка и анализ результатов исследований, в случае если объектом является смесь с таким большим количеством компонентов, представляются достаточно сложными. В связи с этим, как правило, некоторые компоненты объединяют в псевдокомпоненты или группы псевдокомпонентов, и все исследования и расчеты выполняют с той же смесью, но меньшим количеством компонентов.
По этим причинам возникает необходимость создания отдельного модуля, позволяющего выполнять следующие операции: - формировать исходную смесь по количеству компонентов (проводя агрегирование или напротив, разбиение агрегированных компонентов на индивидуальные и (или) другие псевдокомпоненты); -определять основные физико-химические свойства для всех индивидуальных компонентов смеси и псевдокомпонентов.
Анализ влияния термобарических условий на процессы деэтанизации и стабилизации на установках газового конденсата.
Из рисунков приведенных выше видно, что с увеличением температуры происходит увеличение покомпонентного расхода в ПБФ для и-, н-бутана, и и-, н-пентана и уменьшается их покомпонентный расход в СК. Для остальных компонентов приводить зависимости покомпонентных расходов не имеет смысла, поскольку в исследуемом температурном режиме метан, этан, пропан находятся практически все в ПБФ, а остаток в СК.
На рисунке 3.33 приведены значения коэффициента избытка покомпонентного расхода при переходе компонентов из СК в ПБФ при увеличении температурного режима на 39 С к количеству этих компонентов в СК при первом температурном режиме. ректификационной колонне и колонне отпаривания показали, что использование разработанных математических моделей позволяет провести виртуальный эксперимент по проведению описываемых процессов с достаточной достоверностью, поскольку: - средние погрешности выполняемых расчетов не превышают допустимых пределов; - изменение основных технологических параметров оказывают воздействие на процессы разделения соответствующее основным теоретическим закономерностям.
Исследования показали, что увеличение давления в колонне деэтанизации Мыльджинского ГКМ с 1,62 МПа до 2,62 МПа расход МЭФ уменьшается, а ДЭК увеличивается соответственно на 2709,9 кг/ч. Увеличение давления в колонне стабилизации Мыльджинского ГКМ с 0,82 МПа до 1,72 МПа расход ПБФ уменьшается, а СК соответственно увеличивается соответственно на 946,4 кг/ч.
При ужесточением температурного режима в деэтанизаторе от 9-109 С до 50-151 С увеличивается количество МЭФ, а ДЭК соответственно падает на 1045,5 кг/ч. Увеличение температуры в стабилизаторе от 44-135 С до 83-174 С приводит к увеличению количества ПБФ и уменьшению СК на 686,0 кг/ч.
В виду отсутствия возможности проведения параллельных измерений в производственных условиях, оценка адекватности математических моделей была проведена на основе сравнения расчетных и экспериментальных данных.
Проведен расчет процессов деэтанизации и стабилизации Мыльджинского ГКМ для десяти дат отбора, полученных в различные периоды работы установки, начиная с 1999 по 2003г.
Расчеты показали, что средняя погрешность определения составов всех выходных потоков двух колон Мыльджинского ГКМ не превышает 7%. В случаях, когда содержание компонента в смеси мало погрешность расчетов увеличивается. Погрешность расчетов расходов выходных потоков находится в пределе 2-3%.
Исследования показали, что разработанная математическая модель также удовлетворительно описывает процессы ректификации различных газоконденсатных месторождений. Примером являются процессы деэтанизации и стабилизации Северно-Васюганского ГКМ, Камчатского ГКМ. Средняя погрешность определения содержания основных компонентов в смеси потоков процессов деэтанизации и стабилизации Северно-Васюганского ГКМ - 7,2 %; Камчатского ГКМ - 7,7%. Средняя погрешность определения расходов потоков - 2,9%; Камчатского ГКМ - 7,9%.
Т.о. показано, что расчет совпадает с экспериментом с допустимой погрешностью и математическую модель можно считать адекватной.
Исследовано влияние термобарических условий на проведение процессов деэтанизации и стабилизации.
Исследования показали, что увеличение давления в колонне деэтанизации Мыльджинского ГКМ с 1,62 МПа до 2,62 МПа расход МЭФ уменьшается, а ДЭК увеличивается соответственно на 2709,9 кг/ч. Увеличение давления в колонне стабилизации Мыльджинского ГКМ с 0,82 МПа до 1,72 МПа расход ПБФ уменьшается, а СК увеличивается соответственно на 946,4 кг/ч.
Ужесточение температурного режима в деэтанизаторе от 9-109 С (температура верха - низа колонны) до 50-151 С увеличивается количество МЭФ, а ДЭК соответственно падает на 1045,5 кг/ч. Увеличение температуры в стабилизаторе от 44-135 С до 83-174 С приводит к увеличению количества ПБФ и уменьшению СК на 686,0 кг/ч.
В соответствии с законом Рауля Дальтона увеличение давлении в колонне приводит к дополнительной конденсации углеводородов из пара. Увеличение температуры в колонне разделения приводит к дополнительному испарению компонентов из жидкости и при этом пар обогащается более тяжелыми углеводородами, в соответствии с первым законом Вревского.
Определено соответствие результатов расчета с применением предложенных моделей основным теоретическим закономерностям, что служит дополнительным доказательством адекватности разработанной математической модели процесса многокомпонентной ректификации.
Похожие диссертации на Моделирование процессов промысловой подготовки газов и газовых конденсатов
