Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
1.1 О проблеме солеотложения и решение 7
1.2 Способы смешения углеводородов и воды 10
1.3 Потери углеводородов при промысловой подготовке газа и газового конденсата 20
1.4 Способы сокращения потерь углеводородных газов 23
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования закономерностей смешения смеси газоконденсата и воды в турбулентном аппарате 28
2.1Методика эксперимента 28
2.1.1 Обессоливание газоконденсата в объемном аппарате смешения 28
2.1.2 Обессоливание газоконденсата в трубчатом турбулентном аппарате 29
2.2 Изучение закономерностей течения двухфазных модельных систем 33
2.2.1 Диспергирование в системе «жидкость-жидкость» 33
2.3 Методика определения хлористых солей в газовом конденсате 35
ГЛАВА 3. Расчет процесса обессоливания газоконденсата в трубчатом турбулентном аппарате 36
3.1 Объемный аппарат смешения 36
3.2 Граничные условия оптимального расхода потока «газоконденсат-вода» в трубчатом турбулентном аппарате 37
3.3 Диспергирование в системе «жидкость-жидкость» 44
3.4 Расчет перепада давления 52
3.5 Определение перепада давления при течении потоков в трубчатых аппаратах 56
3.6 Расчет геометрических размеров аппарата 60
ГЛАВА 4. Расчетное исследование подачи стабильного конденсата в качестве абсорбента в колонну стабилизации 66
Выводы 82
Список литературы
- Способы смешения углеводородов и воды
- Способы сокращения потерь углеводородных газов
- Обессоливание газоконденсата в трубчатом турбулентном аппарате
- Определение перепада давления при течении потоков в трубчатых аппаратах
Способы смешения углеводородов и воды
Поступающий на установку подготовки газовый конденсат содержит неорганические и органические соли, которые создают трудности в работе оборудования и снижают качество вырабатываемых нефтепродуктов, поэтому соли необходимо выводить из состава сырья. Для решения этой задачи в настоящее время используется комплекс мероприятий, которые включают глубокое обезвоживание и обессоливание газового конденсата. Технологический процесс при обессоливании подразумевает промывку газоконденсата пресной водой. В работе [4] было показано, что качество обессоливания напрямую зависимо от того, насколько эффективно происходит смешивание жидкостей.
Основным недостатком известных способов смешения нефти с пресной промывной водой является низкая степень диспергирования и малоэффективное перемешивание. Обеспечить интенсивное смешение и диспергирование возможно лишь с применением специально разработанных смесителей.
В работах [28-32] производится анализ структур потоков в различных видах конструкции смесителя для повышения эффективности обессоливания нефтяного сырья с целью выявления оптимальных конструктивных и гидродинамических параметров смесительных устройств.
Протекающий рабочий процесс большинства смесительных аппаратов определяется структурой и свойствами смешиваемых потоков, которая обусловлена гидродинамикой их взаимодействия. Многочисленные исследования режимов взаимодействия потоков показали, что закручивание потока смешиваемых сред оказывает значительное влияние на процесс смешения в целом. Основой этого явления является интенсивное турбулентное смешение на пульсационное движение потока под влиянием центробежной силы вращения. Закрутка струи существенно влияет на пространственную структуру перемешивающихся потоков. Известно [33], что струйные течения делятся на закрученные и прямоточные.
Закрученные струи характеризуются тремя составляющими скорости -тангенциальной, аксиальной и радиальной. На рис. 1.1. приведены поля течения свободных струй различной степени закрутки. Под действием закрутки можно получить различную структуру течения.
На рис. 1.1.а представлена струя слабо закрученная, которая имеет больший угол раскрытия из-за наличия центробежных сил, в отличие от прямоточной [30]. В тоже время наибольшая аксиальная скорость находится на оси струи, как и в прямоточной. Профиль аксиальной скорости как и в прямоточной струе, имеет форму нормального гауссовского распределения.
В дальнейшем профиль аксиальной скорости с возрастанием закрутки принимает М-образную форму (рис. 1.1.б). В дальнейшем по течению вниз максимум скорости смещается к оси, где профиль скорости снова воспроизводит свободную струю затопленного вида.
Дальнейшее увеличение закрутки ведет к тому, что появляется зона обратного течения, которая либо смыкается вниз по течению либо расширяется таким образом, что струя по течению далее вниз не смыкается (рис. 1.1.в).
Получить разные режимы течения струй возможно в зависимости от способа закруток и конструкций сопел, как с развитым профилем зоны обратного тока, так и без него. Видоизменяя конструктивные параметры завихрителей, можно получить разную степень закрутки потоков на выходе из завихрителя.
Таким образом, от типа завихрителя, степени закрутки и форм устьев сопла зависят основные гидродинамические характеристики струи. От закрутки зависит неравномерный характер распределения скорости в сечении сопел.
Вихревые устройства широко применяются для интенсификации процессов в нефтепромысловой механике. В данное время разработка конструкции вихревых устройств осуществляется экспериментальным или эмпирическим путем из-за отсутствия систематизированных теоретических исследований и разработок. В работах [32-36] выполнены исследования по углублению и систематизации теоретических исследований вихревого движения нагнетаемых агентов в закручивающих аппаратах.
Статические смесители для непрерывного смешивания жидкостей. Статические смесители для непрерывного смешивания потоков различных жидкостей в последние время нашли широкое применение в российской промышленности. Это обусловлено некоторыми технико-экономическими преимуществами статических смесителей перед традиционными аппаратами для смешивания, относительно меньшими металлоемкостью и габаритными размерами, полностью исключенным движущимися частями и, следовательно, большой надежностью.
В источниках патентной информации приводятся многочисленные технические решения по этой тематике. Основными разработчиками технических решений являются компании из Швейцарии, США, Японии. Отечественных разработок в области непрерывного смешивания жидкостей относительно немного, среди интересных разработок можно отметить конструкции статических смесителей отраженные в работах [37,38,40]. Однако значительное поперечное сечение смесительных элементов в этих конструкциях, обеспечивающее интенсификацию турбулентного движения жидкости, в тоже время создает значительное гидравлическое сопротивление смесителя [39].
В работе [40] выполнены исследования непрерывного перемешивания жидкостей с использованием статических смесителей. Признанным мировым лидером в области разработки и производства статических смесителей является фирма Sulzer (Швейцария) [41]. Преимущества статических смесителей этой фирмы определяется геометрией и конструкцией их смесительных элементов, которые представляют собой многочисленные плоскости, расположенные под разными углами к продольной оси смесителя. Принцип действия данных смесителей: неоднородный поток жидкой среды, поступающий в аппарат, неоднократно рассекается смесительными элементами [42] на отдельные струи, которые далее перемешиваются друг с другом. Полученная тонкослойная структура потока затем усредняется вследствие влияния турбулентности.
Способы сокращения потерь углеводородных газов
Из опытных данных видно, что предпочтительным расходом подачи воды является ее содержание 1…2 % об. в смеси, однако, в условиях промышленного производства 2 % об. воды является затратным.
Очевидно, что оптимальным содержанием воды в смеси при промывке конденсата от солей с применением ТТА можно принять 1,5 % об. Исходя из этого, данное содержание было применено при проведении исследований в трубчатом турбулентном аппарате.
В первом опыте расход газоконденсата через ТТА Qк=117мл/с, расход воды Qв=1,755 мл/с. В результате, из-за недостаточности расхода жидкости через ТТА, наполнение секции конденсатом происходило не в полной мере (секции не были заполнены полностью), наблюдалось слабое перемешивание
Анализ солесодержания газоконденсата после промывки при данном расходе газоконденсата и воды составил 83 мг/л.
Во втором опыте расход газоконденсата через ТТА Qк=210 мл/с расход воды Qв=3,15 мл/с. Во всех 6-ти секциях наблюдалось интенсивное турбулентное перемешивание потока эмульсии в продольном и поперечном сечениях (рис. 3.5; 3.6). Солесодержание газоконденсата после промывки составил 17 мг/л, что удовлетворяет поставленной задаче исследования.
В третьем опыте расход газоконденсата через ТТА Qк=234 мл/с расход воды Qв=3,51мл/с. В результате, в первой секции ТТА исчезло визуально наблюдаемое перемешивание, поток стал сплошным. В остальных 5-ти секциях визуально наблюдалось перемешивание в продольном и поперечном направлениях (рис. 3.7; 3.8). Анализ солесодержания после промывки составил 29 мг/л.
В четвертом опыте расход газоконденсата через ТТА Qк=300 мл/с расход воды Qв=4,5 мл/с. В результате в первых 3-х секциях исчезло визуально наблюдаемое перемешивание, поток стал сплошным. В остальных 3-х секциях визуально наблюдалось перемешивание в продольном и поперечном направления (рисунок 3.9; 3.10). Анализ солесодержания газоконденсата после промывки 45 мг/л.
В пятом опыте расход газоконденсата через ТТА Qк=400 мл/с расход воды Qв=6 мл/с. Во всех 6-ти секциях исчезло визуально наблюдаемое перемешивание поток сплошной без перемешивания из-за высокой скорости жидкости (рисунок 3.11; 3.12). Анализ солесодержания газоконденсата после промывки 85 мг/л.
Во всем рассмотренном интервале объемных расходов газового конденсата происходило снижение содержания солей с ростом количества подаваемой на смешение пресной воды (рис. 3.13). В то же время, при фиксированном соотношении газоконденсат/вода эффективность обессоливания экстремально зависит от объемного расхода жидкостей. При малых расходах газоконденсата (0,5 м3/час) в трубчатом турбулентном аппарате наблюдается низкая эффективность перемешивания с пресной водой. Критерий Рейнольдса составил Re 6000, что свидетельствует о том, что гидродинамическая структура движения жидкого потока соответствует промежуточному режиму. Дальнейшее повышение объемного расхода газового конденсата увеличивает эффективность обессоливания, а минимальное содержание солей достигается при wк = 0,76 м /час (Re 8500). Очевидно, что это связано с повышением уровня турбулентного перемешивания в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорного типа.
Зависимость общего содержания солей в газоконденсате от его объемного расхода и количества пресной воды. Количество пресной воды на стадии отмывки по отношению к газовому конденсату: 2 (1); 1,5 (2); 1 (3); 0,5 (4) % объемн. Превышение объемного расхода газоконденсата от оптимальной величины wк = 0,76 м3/ч (210 мл/с), независимо от количества пресной воды, сопровождается снижением эффективности обессоливания (рис. 3.13). Причем это происходит наряду с достижением критерия Рейнольдса значения 12000, что характеризует переход в область развитой турбулентности. Возможной причиной наблюдаемой зависимости может являться снижение времени пребывания реагентов в зоне смешения при увеличении объемного расхода газоконденсата, не обеспечивающее завершение процесса экстракции соли из углеводородной фазы в водную. Гидродинамические режимы работы трубчатого турбулентного аппарата позволили оценочно рассчитать время, необходимое для экстракции солей из газового конденсата пресной водой, которое составляет около 0,6 секунд. При снижении времени пребывания двухфазного потока в аппарате процесс экстракции не успевает завершиться, несмотря на рост уровня турбулентности и, соответственно, эффективности перемешивания.
Таким образом, оптимальный расход воды на промывку составляет 1,5% об., диапазон объемного расхода смеси газоконденсат-вода 180…240 мл/с. Следовательно, устойчивая работа аппарата составит 85…115% от рекомендуемого среднего расхода 210 мл/с.
Существенно повысить эффективность обессоливания удается за счет нагрева пресной воды даже, несмотря на то, что ее количество по отношению к газоконденсату не превышает 2 % об. Так, при нагревании воды от 30 ОС до 90 ОС, подаче газового конденсата в аппарат с расходом 0,76 м3/ч и количестве введенной воды 1,5 % об. общее содержание солей снижается в 2 раза (с 20 г/м3 до 10 г/м3). Увеличение эффективности отмывки солей с ростом температуры обусловлено повышением, как скорости экстракции, так и интенсивности перемешивания за счет выделения из газоконденсата легких углеводородов в виде мелкодисперсных пузырьков (рис. 3.14, 3.15).
В результаты выполненного исследования предложена схема предварительного обессоливания нестабильного газового конденсата перед его подачей в колонну стабилизации [112], включающая малогабаритный трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции для смешения углеводородной фракции с пресной водой
Показана возможность эффективного обессоливания нестабильного газового конденсата перед его подачей в колонну стабилизации. Смешение газоконденсата с небольшим количеством пресной воды (0,5…2 % об.) в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции позволяет снизить общее содержание солей с 95 г/м3 до 15…20 г/м3 (при оптимальном расходе газоконденсата 0,76 м3/ч) в стабильном газоконденсате. Существенно повысить эффективность отмывки газоконденсата от солей удается за счет нагревания пресной воды. Предложенный способ позволит существенно повысить устойчивость работы колонны стабилизации за счет снижения солеотложения на внутренних поверхностях технологического оборудования.
В результате исследований обессоливания газового конденсата в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции получили оптимальное соотношение газоконденсат/вода и расход сред в единицу времени. Определен оптимальный интервал работы трубчатого турбулентного аппарата по объемному расходу жидкости.
Изучена возможность повышения эффективности отмывки от солей за счет нагревания промывной воды, несмотря на то, что ее количество по отношению к газоконденсату не превышает 1,5 % масс. Повышение эффективности обессоливания с ростом температуры связано с увеличением, как скорости экстракции, так и интенсивности перемешивания за счет выделения из газоконденсата легких углеводородов в виде мелкодисперсных пузырьков.
Выявлено, что существует оптимальное значение расхода газоконденсат/вода, при котором по сечению аппарата формируется оптимальное смешение потока с равномерным распределением воды. При снижении расхода газоконденсат/вода происходит снижение скорости прохождения через аппарат и поток расслаивается, что приводит к снижению эффективности работы аппарата. При увеличении расхода потока газоконденсат/вода выше критической величины в объеме аппарата возрастает скорость прохождения смеси через аппарат, вследствие чего недостаточна экстракция солей водой, эффективность обессоливания уменьшается.
Обессоливание газоконденсата в трубчатом турбулентном аппарате
Стабилизация газового конденсата газоконденсатных месторождений обычно осуществляется без предварительного обессоливания. Данное обстоятельство не имеет существенного влияния на начальной стадии разработки газоконденсатного месторождения, так как поступающее на стабилизацию углеводородное сырье содержит малое количество влаги, и, как правило, не оказывает существенного влияния на солесодержание в стабильном конденсате. На начальном этапе разработки газоконденсатного месторождения «Толкын» содержание солей в нестабильном конденсате составляло 9,94 мг/литр. В процессе эксплуатации месторождения газовые скважины обводнялись, и соответственно, на установку стабилизации конденсата увеличилось поступление пластовой воды вместе с солями. На данном этапе разработки месторождения содержание солей в нестабильном конденсате колеблется в пределах 145…200 мг/литр. В основном это соли Na, K, Ca. Это обстоятельство приводит к повышенному солеотложению на кипятильнике колонны стабилизации, на поверхности топки, из-за солевых отложении на тарелках и клапанах контактных устройств колонны стабилизации, колонна стабилизации начинает работать в нестабильном режиме.
Проблемы, возникающие из-за солеотложения на клапанных тарелках колонны стабилизации:
Снижается эффективность массообмена между восходящим потоком парогазовой фазы с нисходящей жидкой фазой, что приводит к уносу компонентов конденсата с верха колонны вместе с газами стабилизации. Вследствие чего, происходит уменьшение количества стабильного конденсата от потенциально возможного количества. Потери компонентов стабильного конденсата с верха колонны с газами стабилизации на одной из установок месторождения «Толкын» составляют 2,5 т/сутки.
Периодически происходят случаи «заливания» колонны стабилизации, вследствие залипания клапанов, из-за чего происходила остановка процесса стабилизации конденсата.
Проблемы, возникающие из-за солеотложения на топках подогревателя: 1. Снижается интенсивность нагрева нестабильного конденсата, вследствие недостаточной теплопередачи с поверхности топки. 2. Происходит повышенный износ топок подогревателя, вследствие неполного теплосъема с нагретой поверхности. В критических случаях данное обстоятельство приводит к прогару топки.
Способ совершенствования промысловой подготовки жидких углеводородов заключается в создании схем, включающих все необходимые операции по обезвоживанию и обессоливанию сырья – подогрев, подача деэмульгатора, отстой, промывка пресной водой при интенсивном перемешивании.
Эффективный режим перемешивания конденсата с водой возможно достичь при турбулизации движущегося потока. Для решения данной проблемы возможно использование трубчато-турбулентного аппарата для смешения нестабильного газового конденсата с пресной водой перед стабилизацией для отмывки газового конденсата от солей.
Давление насыщенных паров стабильного газового конденсата согласно норме составляет 66,7 кПа. Для обеспечения необходимого давления насыщенных паров, из состава газового конденсата удаляются легкие углеводороды путем сепарации в трехфазных сепараторах и стабилизации в колонне стабилизации.
Низконапорные газы сепарации и газы стабилизации газового конденсата, имеющие низкое остаточное давление, как правило, сжигаются на факелах. В этом случае на факел поступает «жирный» газ, содержащий значительный объем высококипящих углеводородных газов. В летний период увеличиваются потери ценного углеводородного сырья. Особо остро актуальность проблемы происходит в Западном Казахстане ввиду жаркого климата.
Одним из перспективных способов снижения потерь целевых компонентов газового конденсата является процесс абсорбции высококипящих компонентов из состава газа стабилизации стабильным газовым конденсатом. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
С целью изучения возможности снижения солесодержания стабильного конденсата и вывода из технологических потоков солей с помощью пресной воды, были проведены экспериментальные исследования. В начале исследований обессоливание проводилось в объемном аппарате смешения (колбе) для определения возможности обессоливания газового конденсата водой и оценки эффективности степени перемешивания.
Далее. на смеси «газоконденсат-вода», проводились экспериментальные исследования по подбору режима интенсивности перемешивания и эффективность обессоливания в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции.
Определение перепада давления при течении потоков в трубчатых аппаратах
Промывная вода после трубчатого турбулентного аппарата направляется в систему дренажа промышленных стоков, где после отстоя направляется в систему поддержания пластового давления месторождения. Обессоленный конденсат направляется на колонну стабилизации для снижения давления насыщенных паров углеводородов к требуемым параметрам. Выделившиеся газы направляются в систему сбора низконапорного газа установки, на прием газового компрессора.
Основной поток I нестабильного газоконденсата из трубопровода подается в входной патрубок трубчатого турбулентного аппарата. Газоконденсат с объемным расходом 22…25 м3/ч поступает во входной канал первой секции трубчатого турбулентного аппарата 4. Диспергирование происходит в пяти секциях трубчатого турбулентного аппарата, что составляет менее 2 метров с перепадом давления на концах аппарата до 0,223 атм. Геометрия данного аппарата выбирается таким образом, чтобы данный процесс протекал с высокой турбулентностью. Промывная вода II с температурой 80…85 ОС насосом 1 направляется в насосный патрубок первой секции трубчатого турбулентного аппарата 4 с торцевыми форсунками. Патрубок перфорирован двадцать одним отверстием с диаметром d1 = 5 мм: двадцать отверстий на стенках патрубка для радиального по отношению к потоку газоконденсата подачи воды, закрытый торцевой конец патрубка перфорирован одним отверстием для соосного с направлением движения газоконденсата ввода воды. Перфорационные отверстия расположены симметрично по сечению (четыре отверстия на одном сечении А-А). Обессоленный газоконденсат поступает в трехфазный сепаратор 5. В поток газоконденсата на выходе из трубчатого аппарата дозируется деэмульгатор IV от блока дозирования реагента 3 для предотвращения образования стойкой эмульсии и улучшения разделения воды в трехфазном сепараторе 5. Сепаратор оборудован клапаном на линии газа VI, клапаном на линии дренажной воды VII и клапаном на линии газоконденсата V.
Так как увеличить качество смешения газоконденсата с водой возможно за счет тонкого диспергирования и равномерного распределения капель воды во всем объеме газоконденсата, было проведено изучение условий по созданию однородной эмульсии на двухфазной модельной системе «жидкость–жидкость» в трубчатом турбулентном аппарате
В проектных разработках процесс стабилизации газового конденсата предполагают вести при температурах низа ректификационной колонны порядка 130...150ОС, что позволяет орошать колонну жидкостью, выделяемой в рефлюксной емкости после охлаждения паров, выводимых с верха колонны.
Нередко, в целях снижения тепловых затрат, в качестве орошения колонны используют часть холодного нестабильного газового конденсата. При этом температура низа колонны может быть понижена на 20...30ОС, а пары верха колонны отводятся в качестве газа стабилизации, что позволяет отказаться от конденсатора – холодильника и рефлюксной емкости. Однако в этом случае с газом стабилизации уносится часть бензиновых фракций, которые впоследствии конденсируются или сжигаются на факелах.
Аналогичный способ стабилизации осуществляют при сепарации нефти на установках подготовки нефти. В целях сокращения потерь углеводородов разработана технология возврата бензиновых фракций в нефть путем однократной абсорбции высококипящих компонентов из газа сепарации стабильной нефтью в трубопроводе смешения. Технология предусматривает подачу части стабильной нефти в поток газа сепарации, смешение, охлаждение и разделение в емкости на отбензиненный газ и насыщенный абсорбент, возвращаемый далее в основной поток нефти [105-107].
При стабилизации в ректификационной колонне данный способ может быть упрощен. А именно, при использовании колонны в качестве абсорбционно-ректификационного аппарата. В качестве орошения выступает часть охлажденного стабильного газового конденсата, отводимого с низа колонны. Пары верха колонны отводятся без охлаждения – газы стабилизации.
По данному методу нестабильный газовый конденсат 1 вводится в промежуточную секцию ректификационной колонны 2, сверху выделяется газ стабилизации 3, снизу - стабильный газовый конденсат 4. Часть стабильного газового конденсата 5 после охлаждения в холодильнике 6 подается в верхнюю часть колонны на орошение в качестве абсорбента.
По расчетным исследованиям, проведенных для газового конденсата месторождения «Толкын» Республики Казахстан, массовое содержание углеводородных компонентов в нестабильном газовом конденсате составляет (% масс.):
В соответствии с промышленными данными расход нестабильного газового конденсата принят равным 22 м3/ч (16,19 т/ч), температура исходного газового конденсата 57 ОС, давление в колонне 0,36 МПа.
С целью изучения возможности увеличения коэффициента извлечения , выполнены расчетные исследования по использованию стабильного газового конденсата в качестве абсорбента, для улавливания паров бензиновых фракции газов стабилизации [122]. Для сравнительного анализа смоделировали фактический режим работы колонны стабилизации конденсата, при орошении верха колонны частью нестабильного конденсата, поступающего на орошение. В первом варианте приняли расход орошения стабильным конденсатом равном 0,1 по отношению к расходу нестабильного конденсата, поступающего на стабилизацию. Изменяя температуру абсорбента, поступающего на орошение колонны, выявляли зависимость степени улавливания бензиновых фракций от температуры абсорбента. Расчеты производились при температуре абсорбента -0ОС, 10 ОС, 20 ОС, 30 ОС, 40 ОС, 50 ОС. Далее произведены расчетные исследования при расходах орошения равным 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 по отношению к расходу сырья. В каждом случае рассматривали влияние температуры абсорбента на степень извлечения бензиновых фракций из газа стабилизации.
