Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Математические модели процесса разделения углеводородных смесей 15
1.1 . Математическое описание массопереноса в многокомпонентных системах 15
1.2.Алгоритм потарелочного расчета сложной колонны 26
Выводы 32
ГЛАВА 2. Описание физико - химических свойств углеводородных систем на основе молекулярно-статистической теории 34
2.1.Молекулярно-статистический подход к описанию равновесных характеристик жидкостей и газов 35
2.2.Связь радиальной функции распределения с термодинамическими характеристиками 39
2.3 .Расчет парожидкостного равновесия 41
2.4.Описание межмолекулярных взаимодействий в углеводородных система..45
2.5. Применение метода интегральных уравнений для описанияуглеводородных фракций 48
2.6.Расчет матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии в газовых смесях 64
2.7 Описание многокомпонентного молекулярного переноса массы в жидких смесях на основе равновесных функций распределения ипотенциалов межмолекулярного взаимодействия 64
Выводы 95
ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальное исследование новых насадок 97
3.1.Разработка и описание новой нерегулярной насадки 97
3.2.Разработка регулярной насадки 104
3.3. Экспериментальное исследование гидравлических характеристик насадочных элементов 111
3.4.Результаты экспериментальных исследований новой регулярной насадки 118
3.5.Результаты экспериментальных исследований новой нерегулярной насадки 123
Выводы 132
ГЛАВА 4. Численные исследования влияния геометрии регулярной насадки на гидродинамические характеристики 133
4.1 .Описание численного метода исследования РГН 133
4.2.Обработка результатов численного эксперимента 138
4.3.Сравнение численного и физического эксперимента 143
Выводы 148
ГЛАВА 5. Модернизация колонны стабилизации газового конденсата 149
5.1 .Установка стабилизации 149
5.2. Математическая модель процесса ректификации нефтегазоконденсатной смеси в насадочной части колонны К-701 151
5.3.Общая схема расчета многокомпонентной ректификации в насадочной части колонны К-701 153
5.4.Технические решения по модернизации установок 156
Выводы 158
ГЛАВА 6. Реконструкция дебутанизатора и изопентановои колонны на газофракционирующей установке (ГФУ) 159
6.1.Исследование температурных режимов дебутанизатора и изопентановой колонны 159
6.2.Реконструкция дебутанизатора и изопентановой колонн 182
Выводы 188
ГЛАВА 7. Модернизация установки моторных и котельных колонн 189
7.1 .Описание технологической схемы установки 189
7.2.Проведенные варианты модернизации колонн УМТ (И-1, К-1, К-3) 195
7.3.Модернизация колонны К-1 установки моторных топлив для получения продукта топочного мазута марки 100 по ГОСТ 10585 205
7.4.Модернизация установки с использованием колонны К-4 209
7.5.Разработка вакуумной колонны К-5 216
Выводы 243
ГЛАВА 8. Разработка станции утилизации вторичных энергетических ресурсов 245
8.1 .Описание технологической схемы 245
8.2.Разработка и обоснование технических решений по сжиганию КП в котлах 254
Выводы 261
Заключение 264
Список использованных источников 270
Приложение 1 288
- Математическое описание массопереноса в многокомпонентных системах
- Применение метода интегральных уравнений для описанияуглеводородных фракций
- Экспериментальное исследование гидравлических характеристик насадочных элементов
- Математическая модель процесса ректификации нефтегазоконденсатной смеси в насадочной части колонны К-701
Введение к работе
Природные энергоносители, такие как нефть, природный газ, газовый конденсат имеют важнейшее значение в развитии всех отраслей народного хозяйства. Широкая потребность в продуктах нефтепереработки в последнее десятилетие привела к интенсивному росту нефтехимической промышленности. В настоящее время остро встает вопрос о расширении ассортимента товарной продукции, улучшения ее качества и снижении энергозатрат.
Для решения этих вопросов необходимо повышение эффективности проводимых процессов усовершенствования путем существующих и разработки более эффективных схем разделения и утилизации углеводородного сырья, действующего технологического оборудования и промышленных технологий.
Основным предприятием в Западно-Сибирском регионе по переработке газоконденсатных смесей является Сургутский ЗСК (завод стабилизации конденсата). Установки разделения на ЗСК проектиролвались в 80-е годы.
Развитие в 90-е годы рыночных отношений и быстрая смена форм собственности в промышленности привели к коренному изменению традиционных схем формирования сырьевой базы нефтехимической отрасли и связей между предприятиями, резкому росту стоимости большинства продуктов за счет изменения условий формирования их себестоимости. Существенное влияние на эти процессы в данных отраслях промышленности оказало возрастание в себестоимости доли энергетических и сырьевых ресурсов. В связи с этим производительность и режимы работы технологических установок разделения смесей на ЗСК в настоящее время отличатся от проектных. Все эти факторы повышают требования к работе колонных массообменных аппаратов, средствам контроля и автоматизированного управления.
Основным технологическим процессом разделения смесей на предприятиях нефтехимии и нефтепереработки является ректификация,
5 которая характеризуется большой энергоемкостью, сложностью и
ф металлоемкостью конструкций массообменных аппаратов.
Исследования процесса ректификации можно сгруппировать в
следующих основных направлениях: 1) исследование фазовых равновесий
(жидкость-пар); 2) исследование в области статики ректификации,
направленные на улучшение термодинамических условий проведения
процессов, разработку новых способов и схем ректификации, оптимизацию
технологических режимов; 3) разработка математических моделей процессов
массо- и теплообмена в ректификационном колонном оборудовании,
направленные на повышение точности проектных решений; 4)
<Щ совершенствование массо- и теплообменного оборудования, направленное на
интенсификацию и удешевление аппаратов для проведения процессов разделения.
Исследование и совершенствование процессов разделения в нефте- и газопереработке предполагает широкое применение последних достижений в теории и практике во всех вышеотмеченных направлениях.
Исследование и математическое моделирование многокомпонентного
переноса рассмотрено в многочисленных работах отечественных и
зарубежных авторов, например, в работах Холпанова Л.П., Кенига Е.Я.,
Щ Телякова Э.Ш., Константинова Е.Н., Плановского А.Н., Toor H.L., Krishna R.
и др. В области нефтегазопереработки большой вклад внесли Марушкин Б.К., Деменков В.Н., Кондратьев А.А., Лебедев Ю.Н. и др.
В последние годы на многих предприятиях, использующих
массообменное оборудование, происходит замена тарельчатых контактных
устройств на новые насадочные элементы с целью повышения
производительности и эффективности. В связи с тем, что расчеты колонн с
насадками имеют полуэмпирический характер, особенно при разделении
многокомпонентных смесей, актуальной задачей является разработка
теоретических подходов для определения массообменных характеристик
Ф промышленных насадочных колонн, разработка и исследование новых
контактных элементов, а также технических решений по модернизации промышленных установок разделения.
Работа выполнялась в рамках следующих программ:
Тематический план АНТ: "Фундаментальные основы новых химических технологий".
Гранд РФФИ 02-03-32298-а «Описание равновесных характеристик и процессов переноса в жидких смесях на основе частичных функций распределения».
Гранд фонда НИОКР РТ № 07-7.5 -177 / 2003 (Ф) «Перспективные методы описания многокомпонентного массопереноса в процессах разделения веществ».
Цель работы
Разработать математическое описание многокомпонентного массопереноса для процесса ректификации в промышленных насадочных колоннах на основе молекулярно-статистических методов расчета физико-химических свойств рабочих сред и практически применимые методики расчета режимных и конструктивных характеристик колонного оборудования. Разработать и при помощи физического и численного экспериментов исследовать конструкции регулярной и нерегулярной насадок.
Выполнить обобщение полученных результатов в виде расчетных уравнений.
По результатам расчетов провести модернизацию колонн установок стабилизации конденсата (УСК), газофракционирующей установки (ГФУ) и установки получения моторных и котельных топлив (УМТ) на Сургутском заводе стабилизации конденсата (ЗСК). Технические решения должны обеспечить повышение качества разделения углеводородных смесей, производительности колонных аппаратов и расширение ассортимента
7 выпускаемой продукции, а также снижения энергозатрат и газовых выбросов
в атмосферу. Научная новизна
Для решения задач модернизации промышленных колонных аппаратов с целью повышения эффективности процессов разделения углеводородных смесей разработаны конструкции регулярной и нерегулярной насадок и выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде. Проведены численные эксперименты по исследованию геометрии регулярной насадки на ее гидродинамические характеристики. В результате физического и численного экспериментов получены выражения для расчета гидравлического сопротивления насадок, обратного перемешивания по жидкой фазе и скорости захлебывания.
Впервые разработаны методы описания равновесных
термодинамических свойств и матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии для фракций нефтегазоконденсатных смесей на основе центральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия и частичных функций распределения. Это позволило получить замкнутую расчетную схему процесса многокомпонентной ректификации нефтегазоконденсатных смесей в насадочных колоннах на основе базы данных по потенциалам межмолекулярного взаимодействия.
Разработаны варианты модернизации установок разделения углеводородных смесей повышающие производительность и эффективность.
Практическая значимость
1. На основе идентифицированных параметров потенциала Леннарда-Джонса для фракций с температурами кипения в интервале 40-360 С, предложен замкнутый алгоритм и программный комплекс для определения основных
8 термодинамических характеристик и условий парожидкостного равновесия, а также коэффициентов многокомпонентного молекулярного переноса в нефтегазоконденсатных смесях.
Разработана математическая модель и программный комплекс для расчета многокомпонентной ректификации в насадочных колоннах на основе фундаментальных уравнений многокомпонентного массопереноса и дифференциальных уравнений движения фаз в аппарате. Данная модель, вместе с молекулярно-статистическими методами расчета равновесных и неравновесных характеристик рабочих сред, нуждается в минимальном количестве эмпирической информации, позволяет выявить особенности многокомпонентного массопереноса и учесть их при проектировании и модернизации колонных аппаратов.
Выполнены расчеты колонных аппаратов с основным оборудованием на УСК, ГФУ и УМТ. Выбраны режимные и конструктивные характеристики модернизированных колонн и выполнена предпроектная проработка новых колонн, обеспечивающие повышение качества разделения, производительности и ассортимента выпускаемой продукции на Сургутском ЗСК.
Внедрение разработанных насадок в сентябре 2003 года на колонне УСК (К-701) и промышленные испытания подтвердили сделанные расчеты и технические решения по модернизации.
Разработана станция утилизации тяжелых углеводородов с выработкой электроэнергии.
Реальный экономический эффект от внедрения новых насадок на колонне УСК составляет более 58 млн. рублей в год.
Ожидаемый экономический эффект от модернизации УМТ и внедрения станции утилизации вторичных энергоресурсов более 900 млн.руб.в год.
9 Личное участие автора
Создание конкурентоспособных отечественных насадок (регулярной и нерегулярной) для модернизации колонн переработки газовых конденсатов с целью повышения эффективности проводимых процессов, расширения ассортимента выпускаемой продукции и энергосбережения.
Разработка программы экспериментальных исследований новых насадок на лабораторном стенде. Участие в проведение экспериментов и обобщение полученных результатов. Руководство аспирантам по численному исследованию характеристик регулярной насадки с помощью стандартного программного пакета.
Участие в разработке методов описания равновесных термодинамических свойств и матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии для фракций нефтегазоконденсатных смесей.
Постановка задачи модернизации колонны стабилизации (УСК), расчет и выбор технических решений по замене тарелок на разработанную в диссертации насадку. Участие во внедрении насадки, анализ и обобщение опытно-промышленной эксплуатации колонны после внедрения.
Постановка задачи модернизации колонн газофракционирующей установки (ГФУ), расчет процессов разделения с зарубежной насадкой (миникольца Глитч) и с разработанной в диссертации нерегулярной насадкой ЗСК. Выбор технических решений по модернизации.
Постановка задачи по модернизации установки получения моторных топлив и расчет основного и вспомогательного оборудования с выбором технических решений (модернизация кубовой части колонны К-1, использование дополнительной колонны с новой насадкой К-4, проектирование вакуумной колонны К-5 и разработка станции эффективной утилизации тяжелых остатков топлив).
Участие в расчете экономического эффекта от внедрения научно-технических разработок.
щ Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Научно-практическая конференция «Тюменская нефть - вчера и сегодня», г. Тюмень, 1997 г.
Международная конференция «Математические методы в химии и технологиях», г. Владимир, 1998 г.
12 Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», Новгород, 1999 г.
(ЩІ 4. V Международная конференция по интенсификации нефтехимических
процессов «Нефтехимия - 99», г. Нижнекамск, 1999 г.
V Международная конференция «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (КХТП - V - 99), г. Казань, 1999 г.
V-ая Международная научная конференция, посвященная 85-летию со дня рождения академика Кафарава В.В., г. Казань, 1999 г.
Всероссийская научная конференция «Тепло- и массообмен в химической технологии», г. Казань, 2000 г.
8. Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня
(Ш рождения А.Г.Усманова «Тепло- и массообмен в химической
технологии», г. Казань, 2001г.
9. 14 Международная научная конференция «Математические методы в
технике и технологиях» (ММТТ - 14), г. Смоленск, 2001 г.
10.Всероссийская научно-техническая конференция «Большая нефть: реализация, проблемы, перспективы», г. Альметьевск, 2001 г.
11.Всероссийская школа-семинар под руководством РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в машиностроении», г. Казань, 2002 г.
12.Х Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, г.
" Казань, 30 сентября - 4 октября 2002г.
13.XIV школа-семинар под руководством академика РАН А.И. Леонтьева
«Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических
установках», г.'Рыбинск, 2003 г. 14.XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, г. Казань,
21-26 сентебря 2003г. 15.Юбилейная научно-практическая конференция посвященная 40-летию
ОАО «Казаньоргсинтез», г. Казань, 14-15 мая 2003 г. 16. VI Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность и
энергосбережение в современных условиях хозяйствования», г.
Казань, 18-20 декабря 2003 г. 17.Ежегодных отчетных научно-технических конференциях в
КГТУ(КХТИ) (1997-2004 г.г.) и КГЭУ(2001-2004).
Публикации
По теме работы опубликовано 58 печатных работ и тезисов докладов (журналы Изв. ВУЗ-ов. "Нефть и газ", "Газовая промышленность", "Химия и технология топлив и масел", Известия вузов. "Проблемы энергетики", "Теплофизика высоких температур" и др.). Опубликована монография объемом 19,2 усл.печ.листов.
Основные проблемы и задачи разделения смесей на Сургутском ЗСК.
Сургутский завод стабилизации конденсата спроектирован для переработки смеси деэтанизированного газового конденсата и нефти в соотношении 9:1, которая поступает по продуктопроводу Уренгой-Сургут. На установке стабилизации (УСК) из этой смеси выделяют широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) и стабильный конденсат, который направляется на установку моторных топлив (УМТ). ШФЛУ направляется на
12 газофракционирующую установку (ГФУ), состоящую из блоков извлечения изопентана (БИИ) и получения пропана (УПП).
Установка ГФУ предназначена для ведения технологического процесса, состоящего из трех последовательных стадий: 1) выделение из широких фракций легких углеводородов пропан-бутановой фракции; 2) выделение из тяжелой части ШФЛУ, т.е. фракции С5 и выше, изопентана; 3) разделение пропан-бутановой фракции на пропановую и бутановую фракции.
Существующий блок ГФУ обеспечивает получение товарных изопентана и пропана марки «Б» и полупродуктов: пентан-гексановую и бутан-изобутановую фракции.
Улучшение экономических показателей работы ЗСК и рынок сбыта готовой продукции требуют повышения качества товарной продукции и расширения ее ассортимента. Для этого необходимо получать изопентан и пропан не ниже марки «А», а также налаживать выпуск товарных изобутана и н-бутана марок «А» и «высшая».
Получение пропана марки «А» на существующем колонном оборудовании сдерживается высоким содержанием этана (0,7-0,85 % мас.) в исходном сырье ЗСК. На ЗСК для снижения содержания этана в товарном пропане до 4 % мае. осуществляют сдувку газовой фазы в топливную линию из флегмовых емкостей стабилизаторов, дебутанизаторов и колонн получения пропана. Это приводит к значительным потерям фракции Сз, Сд. Для снижения этих потерь и повышения качества товарного пропана необходимо дополнить существующее оборудование блоком деэтанизации исходного сырья - нефтегазовой смеси.
Установка производства моторных топлив, входящая в состав комплекса производства моторных топлив Сургутского ЗСК, предназначена для переработки стабильного конденсата производимого на установках стабилизации конденсата, с получением фракций НК-70С - компонента автобензина, бензиновой фракции 85-160С, керосиновой фракции 140-
13 240С, дизельной фракции 140-340С, фракции > 340 С - тяжелого остатка переработки.
Процесс получения базовых компонентов моторных топлив
состоит из следующих стадий:
нагрев и предварительное отбензинивание сырья;
атмосферная перегонка;
вторичная ректификация.
Анализ работы УМТ показал следующие недостатки:
наличие светлых фракций в остаточном продукте куба К-1;
фракция 85-160С с 26 тарелки колонны К-3 не соответствует по 90% точке отгона требованиям, предъявляемым к сырью каталитического — риформинга, которая находится в интервале 135-145С.
При существующей технологической схеме нижний продукт колонны К-1 фракция >340С в смеси с частью фракции НК-70С выводится по линии некондиции в промежуточные резервуары товарно-сырьевой базы и реализуется как товарная нефть по ГОСТ 9675.
Анализ показателей качества куба К-1 показывает, что он является маловязким, низкосернистым и содержит малое количество ванадия. Кроме того, он характеризуется низкой плотностью и низкой температурой вспышки. Содержание куба К-1 не соответствует по показателю температуры вспышки ГОСТ 10585 «Топливо нефтяное. Мазут». Одной из причин низкой температуры вспышки куба К-1 является высокое содержание до 30% светлых нефтяных фракций.
Анализ работы промышленной установки моторных топлив (УМТ) Сургутского ЗСК и проведенные расчеты показали на необходимость выделения светлых нефтепродуктов из куба колонны К-1 УМТ. В результате, будет решена экологическая проблема утилизации тяжелого остатка, содержащего парафины, который остается в процессе переработки куба колонны К-1, а также колонна обеспечит получение дополнительных фракций светлых нефтепродуктов.
Кроме этого, на предприятиях, имеющих технологическую
потребность в тепловой энергии круглый год важным и актуальным является
организация оптимальной схемы энерго- и ресурсосбережения. В настоящее
время для решения этих задач широко используются мини-ТЭЦ, где наряду с
электроэнергией потребитель использует, т.е. утилизирует и тепловую
энергию, повышая тем самым общий КПД установок. Мини-ТЭЦ
представляют собой современное высокотехнологичное и
энергосберегающее оборудование, наиболее приемлемое, с позиций "эффективность-стоимость". Разработка мини-ТЭЦ для утилизации тяжелых остатков углеводородных смесей позволит решить ряд задач, и, кроме этого, получать тепло - и электроэнергию.
Автор является соруководителем четырех защищенных кандидатских диссертаций.
Автор выражает благодарность д.х.н. профессору Дьяконову Г.С. и д.т.н. профессору Лаптеву А.Г. за совместно полученные результаты по моделированию процессов переноса в многокомпонентных смесях, а так же директору ИВЦ "Инжехим" к.т.н. доценту Фарахову М.И. за изготовление опытно-промышленной партии насадки для колонны УСК и совместное внедрение.
«
Математическое описание массопереноса в многокомпонентных системах
Сургутский завод стабилизации конденсата спроектирован для переработки смеси деэтанизированного газового конденсата и нефти в соотношении 9:1, которая поступает по продуктопроводу Уренгой-Сургут. На установке стабилизации (УСК) из этой смеси выделяют широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) и стабильный конденсат, который направляется на установку моторных топлив (УМТ). ШФЛУ направляется на газофракционирующую установку (ГФУ), состоящую из блоков извлечения изопентана (БИИ) и получения пропана (УПП).
Установка ГФУ предназначена для ведения технологического процесса, состоящего из трех последовательных стадий: 1) выделение из широких фракций легких углеводородов пропан-бутановой фракции; 2) выделение из тяжелой части ШФЛУ, т.е. фракции С5 и выше, изопентана; 3) разделение пропан-бутановой фракции на пропановую и бутановую фракции.
Существующий блок ГФУ обеспечивает получение товарных изопентана и пропана марки «Б» и полупродуктов: пентан-гексановую и бутан-изобутановую фракции.
Улучшение экономических показателей работы ЗСК и рынок сбыта готовой продукции требуют повышения качества товарной продукции и расширения ее ассортимента. Для этого необходимо получать изопентан и пропан не ниже марки «А», а также налаживать выпуск товарных изобутана и н-бутана марок «А» и «высшая».
Получение пропана марки «А» на существующем колонном оборудовании сдерживается высоким содержанием этана (0,7-0,85 % мас.) в исходном сырье ЗСК. На ЗСК для снижения содержания этана в товарном пропане до 4 % мае. осуществляют сдувку газовой фазы в топливную линию из флегмовых емкостей стабилизаторов, дебутанизаторов и колонн получения пропана. Это приводит к значительным потерям фракции Сз, Сд. Для снижения этих потерь и повышения качества товарного пропана необходимо дополнить существующее оборудование блоком деэтанизации исходного сырья - нефтегазовой смеси.
Установка производства моторных топлив, входящая в состав комплекса производства моторных топлив Сургутского ЗСК, предназначена для переработки стабильного конденсата производимого на установках стабилизации конденсата, с получением фракций НК-70С - компонента автобензина, бензиновой фракции 85-160С, керосиновой фракции 140-240С, дизельной фракции 140-340С, фракции 340 С - тяжелого остатка переработки.
Процесс получения базовых компонентов моторных топлив состоит из следующих стадий: нагрев и предварительное отбензинивание сырья; атмосферная перегонка; вторичная ректификация. Анализ работы УМТ показал следующие недостатки: 1. наличие светлых фракций в остаточном продукте куба К-1; 2. фракция 85-160С с 26 тарелки колонны К-3 не соответствует по 90% точке отгона требованиям, предъявляемым к сырью каталитического — риформинга, которая находится в интервале 135-145С. При существующей технологической схеме нижний продукт колонны К-1 фракция 340С в смеси с частью фракции НК-70С выводится по линии некондиции в промежуточные резервуары товарно-сырьевой базы и реализуется как товарная нефть по ГОСТ 9675. Анализ показателей качества куба К-1 показывает, что он является маловязким, низкосернистым и содержит малое количество ванадия. Кроме того, он характеризуется низкой плотностью и низкой температурой вспышки. Содержание куба К-1 не соответствует по показателю температуры вспышки ГОСТ 10585 «Топливо нефтяное. Мазут». Одной из причин низкой температуры вспышки куба К-1 является высокое содержание до 30% светлых нефтяных фракций. Анализ работы промышленной установки моторных топлив (УМТ) Сургутского ЗСК и проведенные расчеты показали на необходимость выделения светлых нефтепродуктов из куба колонны К-1 УМТ. В результате, будет решена экологическая проблема утилизации тяжелого остатка, содержащего парафины, который остается в процессе переработки куба колонны К-1, а также колонна обеспечит получение дополнительных фракций светлых нефтепродуктов. Кроме этого, на предприятиях, имеющих технологическую потребность в тепловой энергии круглый год важным и актуальным является организация оптимальной схемы энерго- и ресурсосбережения. В настоящее время для решения этих задач широко используются мини-ТЭЦ, где наряду с электроэнергией потребитель использует, т.е. утилизирует и тепловую энергию, повышая тем самым общий КПД установок. Мини-ТЭЦ представляют собой современное высокотехнологичное и энергосберегающее оборудование, наиболее приемлемое, с позиций "эффективность-стоимость". Разработка мини-ТЭЦ для утилизации тяжелых остатков углеводородных смесей позволит решить ряд задач, и, кроме этого, получать тепло - и электроэнергию. Автор является соруководителем четырех защищенных кандидатских диссертаций. Автор выражает благодарность д.х.н. профессору Дьяконову Г.С. и д.т.н. профессору Лаптеву А.Г. за совместно полученные результаты по моделированию процессов переноса в многокомпонентных смесях, а так же директору ИВЦ "Инжехим" к.т.н. доценту Фарахову М.И. за изготовление опытно-промышленной партии насадки для колонны УСК и совместное внедрение.
Применение метода интегральных уравнений для описанияуглеводородных фракций
Как видно размерность задачи существенно увеличилась, теперь необходимо учитывать пространственную ориентацию каждой молекулы (задаваемую с помощью эйлеровых углов), а это дополнительно еще четыре переменных, для каждой пары взаимодействующих молекул. В настоящее время существуют эффективные способы решения этой проблемы, один из них на основе теории RISM (Reference Interaction Site Model, предложенной Чандлером и Андерсеном [60]), в которой молекулы рассматриваются как системы взаимодействующих центров, связанных жесткими связями. В качестве центров могут выступать как отдельные атомы, так и атомные группы, при этом взаимодействие между силовыми центрами считается сферически симметричным. Полный межмолекулярный потенциал в этом случае записывается в виде:где раР - атом-атомный или центр-центровый потенциал, а, /? - центры взаимодействия на молекуле, у - число центров взаимодействия. Корреляции в молекулярных флюидах представляются в виде набора атом-атомных (центр-центровых) функций распределения gafi{ra/3). Основной проблемой здесь становится запись интегральных уравнения подобных ОЦ для определения этих функций. В литературе предложено много различных вариантов подобных уравнений, из которых наиболее известными являются уравнения SSOZ [60], эти уравнения с хорошей точность позволяют воспроизводить калорические свойства (теплоемкость, теплота парообразования, внутренняя энергия), а также давление и химический потенциал [61-64]. В диссертационной работе были проведены исследования по описанию термодинамических свойств многоатомных молекул (кислород, азот, углеводороды) на основе теории RISM [21, 40, 65-67]. Молекулы этих веществ представлялись состоящими из двух центров взаимодействия, связанных жесткой связью, межмолекулярное взаимодействие описывалось потенциалом Леннард-Джонса. Для кислорода и азота в качестве центров взаимодействия выступали атомы соответствующих веществ, а для этана группы атомов СНз. Учет угловых переменных при описании межмолекулярного взаимодействия привело к увеличению размерности задачи, что соответственно привело к увеличению машинного времени необходимого для ее решения. Поэтому уже при рассмотрение двуцентровых взаимодействий подобный подход становится не пригодным для инженерных расчетов. Кроме того, основным недостатком известных в настоящее время интегральных уравнений теории RISM является то, что в результате они позволяют получить только центр-центровые функции распределения, которые несут меньшую информацию о структуре рассматриваемого вещества, чем межмолекулярная функция. В результате на основе только парных центр-центровых функций распределения оказывается невозможной точная запись уравнения состояния. Метод ИУ достаточно хорошо проработан для сферически симметричных потенциалов межмолекулярного взаимодействия, в этом случае его точность лежит в пределах точности методов численного эксперимента [68]. Среди модельных потенциалов наиболее широко распространены потенциалы Леннард-Джонса и Букингема, которые представляют хорошие приближения к реальным потенциалам межмолекулярного взаимодействия и описывают как межмолекулярное отталкивание, так и притяжение. При использовании модельных потенциалов межмолекулярного взаимодействия типа твердых сфер, Леннард-Джонса и др., основным объектом сравнения являются данные численного эксперимента, полученные методами Монте-Карло (МК) и молекулярной динамики (МД). Также существует целый класс веществ, таких как благородные газы, молекулы которых имеют близкую к сферической форму, что дает реальный объект для оценки точности получаемых расчетных результатов. Необходимо заметить, что термодинамика модельных систем с потенциалами типа Леннард-Джонса, находится в полном согласии с поведением макросвойств реальных веществ. Так, например, у таких модельных систем существуют явления фазового перехода жидкость-пар, жидкость-твердое тело, на фазовых диаграммах есть критическая и тройные точки, смеси таких систем могут обладать существенной неидеальностью и иметь области расслаиваемости и точки азеотропы [69, 70]. Здесь также нужно сказать, что для центральных модельных потенциалов межмолекулярного взаимодействия типа Леннард-Джонса работает закон соответствующих состояний, что позволяет записать в безразмерных переменных единое уравнение состояния таких флюидов. где кв - константа Больцмана; р, Т и Р - соответственно размерные плотность, температура и давление; п, Т и Р - соответственно эти же величины в безразмерном виде.
Теория интегральных уравнений является достаточно хорошо изученной на примере веществ, молекулы которых имеют сферическую форму, для которых многочисленными авторами было показана высокая эффективность и точность данного подхода при описании фазового равновесия. Это позволило предложить использование данного подхода для описания термодинамических свойств и фазового равновесия индивидуальных углеводородов [71]. Как видно из рисунка используемая теория интегральных уравнений (звездочки) позволяет хорошо воспроизводить численный эксперимент. Только лишь в районе около критической точки в рамках используемой теории решение получить нельзя, так как в этой области радиус корреляций бесконечно большой, в то время как решение ищется на конечном интервале расстояний между центрами взаимодействия. Для того чтобы получить решение в данной области надо воспользоваться специальным методом учета дальнодействующих корреляций в уравнение ОЦ. Достоинством потенциала ЛД является то, что он двухпараметрический. Для адекватного описания термодинамических свойств реальных веществ необходимо подобрать такие параметры потенциала взаимодействия є и а, что бы они позволили сопоставить диаграмму фазового равновесия реального углеводорода (например на рис. 2.2 представлена диаграмма этана) в обезразмеренных координатах плотности и температуры с фазовой диаграммой ЛД флюида. Однако, как оказалось в действительности [71], нельзя подобрать фиксированные параметры взаимодействия ЛД для индивидуального углеводорода, которые удовлетворительно позволили бы описать равновесные свойства углеводородов в широком интервале температур. Это видно, например, из сравнения термодинамических параметров критической и тройной точки для ЛД флюида и углеводородов. Для ЛД флюида соотношение между температурой тройной и критической точки равно 1.959, для реальных углеводородов: пропан — 4.328; гексан — 2.853; октан — 2,629 и т.д.
Экспериментальное исследование гидравлических характеристик насадочных элементов
Жидкость подается на слой насадки сверху. Она стекает по боковой поверхности полос 1 и 2 в виде пленки. Достигая кромок полос и ребер жидкая фаза формируется в виде струй и капель и встречается с турбулизированными струями газовой фазы. При этом происходит постоянное обновление поверхности контакта фаз, увеличивается эффективность процесса массообмена.
При работе насадки в условиях высоких удельных нагрузок по жидкости щели 8 между полосами 1 и 2 будут периодически перекрываться пленкой жидкости. При этом образуется дополнительная двухсторонняя поверхность контакта фаз, что обеспечивает эффективность массообмена, а большой свободных объем насадки препятствует «захлебыванию».
При работе в условиях относительно низких удельных нагрузок по жидкой фазе жидкость будет распределяться по всему объему аппарата в виде капель и струй, формируемых в щелях и на зубцах кромок полос и ребер. При этом образуется большая межфазная поверхность и достигается равномерное распределение жидкости по поперечному слою сечения насадки.
В условиях средних значений удельных нагрузок происходит периодическое чередование процессов растекания пленки жидкости по боковой поверхности насадки на полосах 1 и 2, ребер 6 с последующим образованием струй и капель жидкости в щелях 8, на зубцах кромок ребер и полос с постоянным обновлением поверхности контакта фаз, что приводит к увеличению эффективности работы насадки.
Таким образом, насадка работает эффективно при любых удельных нагрузках по фазам, т.е. предлагаемая насадка имеет расширенный диапазон эффективной работы. Предлагаемая полезная модель насадки позволяет изготовить ее методом штамповки из листового материала, что снижает себестоимость ее изготовления.
Формула полезной модели[106]: Насадка для тепло- и массообменных аппаратов выполнена в виде полого тела вращения, с расположенными одна против другой выгнутыми наружу полосами листового материала с зазором между смежными полосами и ребрами вдоль образующей, отличающейся тем, что с целью повышения эффективности тепло- и массообмена за счет турбулизации взаимодействующих фаз полосы выполнены в виде фрагментов боковых поверхностей конусов, вершины которых направлены к ближайшему для соответствующей полосы торцу насадки, а диаметр насадки уменьшается от ее середины к торцу.
Размеры насадочных элементов 25-40 мм, удельный свободный объем 0.9-0.95, удельная поверхность 150-250 м/м . Конструктивные характеристики насадки выбираются для каждой колонны в зависимости от условий проведения процесса.
Существуют различные конструкции регулярных насадок для массообменных аппаратов. Известна регулярная насадка, содержащая текстурированный гофрированный листовой материал, отличающаяся тем, что листовой материал имеет острые углы в гофрах, а отношение разности толщин обработанного листа в углах к разности толщин обработанного листа между углами превышает 0.6 и отношение удвоенного радиуса листа к высоте гофра менее 0.75 [107]. Недостатком данной насадки является сложность технологии ее изготовления, которая должна обеспечивать соблюдение вышеуказанного соотношения толщин листа в разных его сечениях.
Кроме того, уменьшенная толщина листа на вершинах гофров при работе насадки с коррозионными средами будет ограничивать ее срок службы.
В другой конструкции насадка выполнена в виде блока, содержащего парные параллельные пластины с гофрами, расположенными под углом друг к другу в соседних пластинах [108]. В пластинах выполнены отверстия, расположенные в местах пересечения гофров. В отверстия вставлены вершины гофров соседней пластины, которые выступают за пределы противоположной стороны первой пластины. В пропущенных через отверстия первой пластины вершинах гофров второй пластины выполнены дополнительные отверстия для перехода части жидкости с одной стороны пластин на другую.
Места пересечения гофров в пакетах регулярных насадок, расположенные один под другим могут образовывать «гидравлический» канал для вертикальной струи жидкости, когда жидкость не растекается равномерно по всей поверхности насадки, а свертывается за счет сил поверхностного натяжения в «жгут», что снижает эффективную поверхность массообмена. Данная конструкция насадки создает еще более благоприятные условия для формирования локальных вертикальных струй жидкости за счет увеличения зоны пересечения гофров, что может отрицательно сказывается на эффективности насадки, особенно при работе насадочной колонны в условиях низкой нагрузки по жидкой фазе.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является регулярная насадка, содержащая несколько расположенных рядом один с другим листов с гофрами, образующих каналы для прохода газовой фазы и контактирования ее с жидкой фазой. При этом по меньшей мере на одной стороне каналов и листов выполнены продольные выступы [109].
Такая конструкция, по мнению авторов, может повысить эффективность массопередачи за счет турбулизации поднимающейся паровой фазы и снижения градиентов концентрации, направленных перпендикулярно к поверхности выступов. Однако неорганизованный, с точки зрения распределения жидкой фазы, характер расположения выступов не обеспечивает равномерный профиль орошения насадки в поперечном сечении колонны.
В основу полезной модели поставлена задача создания конструкции регулярной насадки, обеспечивающей высокую эффективность массообмена за счет максимального снижения неравномерности распределения жидкой фазы в поперечном сечении насадочного аппарата.
Решаемая техническая задача в конструкции регулярной насадки, содержащей уложенные в пакет гофрированные листы с перекрестным расположением гофров в соседних листах, с выполненными на поверхности листов выступами, достигается тем, что выступы расположены горизонтальными рядами, при этом расстояние между выступами в рядах меньше расстояния между рядами. Поставленная задача решается конструкцией регулярной насадки, показанной на рис. 3.5 и 3.6.[110].
Новая упорядоченная насадка названа IRG (Ingechim Regular Gofr), что означает регулярная гофрированная насадка ИВЦ «Инжехим» (рис. 3.5). Общий вид элементов насадки: а) вид сверху; б) вид спереди
Насадка выполнена из листа, имеющего параллельные гофры с вершинами. На боковых поверхностях гофров выполнены горизонтальные ряды выступов. Причем расстояние между выступами в рядах меньше расстояния между рядами выступов.
Математическая модель процесса ректификации нефтегазоконденсатной смеси в насадочной части колонны К-701
Согласно графику на рис. 6.10 ВЭТТ каскадных мини-колец для изопентановой колонны составляет 0,55 м.
Высота дебутанизатора составляет 41,9м, расстояние от днища до нижней тарелки 37,6м, расстояние от верхней тарелки до обводной трубы 1,6м. Таким образом высота дебутанизатора, пригодная под насадку составляет 41,9-37,6-1,6=36,54м. В насадочньк колоннах высоту насадки рекомендуют не более 12 футов [137], т.е. секции по 3.65 метра, между которыми располагаются перераспределители потоков. Это связано с тем, что при движении жидкости через слой насадки жидкость имеет тенденцию перемещаться от центра к стенкам, что уменьшает эффективность работы насадочной колонны. Высота дебутанизатора позволяет установить 7 секций с насадкой высотой по 3.65 метра, что составит 3.65 7=25.6 м. При этом на перераспределителе потоков прихидится 36.54-25.6=10.94 м. Если принять ВЭТТ 0.55 м, то слой насадки высотой 3.65 м составляет 6 теоретических тарелок, а 7 слоев - примерно 42 теоретические тарелки. Следовательно, в дебутанизатор можно положить насадку из каскадных мини колей №2, эквивалентную, по меньшей мере, 40 теоретическим ступеням контакта с учетом перераспределителей потоков между секциями. Высота изопентановой колонны позволяет организовать 12 секций с насадкой с высотой по 3.65 метра, что составит 43.8 метра. При этом на перераспределители потоков приходится 60.36-43.8=16.56 м. Если принять ВЭТТ 0.55 м, то слой насадки высотой 3.65 м составит 6.65 теоретических тарелок, а 12 секций дадут примерно 80 теоретических тарелок. Следующей задачей являлось определение падения давления и процента захлебывания по высоте колонны.
Для металлических каскадных мини-колец №2 фактор насадки f=22 [138]. По корреляциям Нортона находим значения падения давления и процент захлебывания по высоте колонны для дебутанизатора и изопентановой колонны.
Величина падения давления по высоте колонны является решающим параметром для вакуумных колонн, т. к. определяет энергозатраты. В нашем случае для колонн, работающих под давлением, она не играет особой роли. Процент захлебывания имеет гораздо большее значение, так как определяет гидродинамический режим работы насадочной колонны, а следовательно эффективность массообмена и четкость разделения. Как показал расчет, дл каскадных мини-колец №2 процент захлебывания мал, так как для оптимизации массообмена рекомендуется работать при захлебывании 60-80%, а по мнению некоторых исследователей - даже вблизи точки захлебывания. Однако следует отметить, что метод Нортона во многих случаях занижает истинное значение процента захлебывания, поэтому при проектировании насадочных колонн необходимо задаваться небольшим запасом (10-15%) относительно расчетного значения [139,140]. Для интенсификации массообмена можно рекомендовать использование насадок меньшего размера, например каскадных мини-колец №1, для которых фактор насадки равен 34. Повысить процент захлебывания также можно конструктивно уменьшив диаметр колонны, например до 2 метров. При использовании насадки из каскадных мини-колец №2 при существующем диаметре колонн 2,4 м величина процента захлебывания весьма незначительна, следовательно имеется резерв увеличения производительности блока извлечения изопентана. Рассмотрим возможность увеличения производительности дебутанизатора и изопентановой колонны с 54911 кг/ч (по проекту) до 83462 кг/ч, то есть приблизительно на 50%. Интенсификация массообмена и увеличение числа теоретических тарелок в дебутанизаторе и изопентановой колонне при использовании высокоэффективной современной нерегулярной насадки- каскадных мини-колец №2 фирмы Glitch (США) дает возможность уменьшения флегмового числа в колоннах при достижении требуемой четкости разделения. Для подтверждения этого были проведены расчеты процесса ректификации в дебутанизаторе и изопентановой колонне при различных флегмовых числах. Расчетами установлено, что замена клапанных тарелок на эффективную нерегулярную насадку- каскадные мини-кольца №2 позволит интенсифицировать массообменные процессы в колоннах, снизить флегмовые числа с 1,5 (по проекту) до 1,1 в дебутанизаторе и с 14,43 (по проекту) до 11,5 в изопентановой колонне с получением изопентановой фракции марки А по ТУ 38. 101494-79. Кроме того, расчеты падения давления и процента захлебывания по высоте колонн методом Нортона для каскадных мини-колец №2 показали возможность увеличения производительности блока извлечения изопентана приблизительно на 50% [26]. Одним из существенных ограничений в широком внедрении зарубежных насадок является высокая стоимость. Поэтому в диссертационной работе предложена новая насадка для реконструкции дебутанизатора и изопентановой колонны. Расчеты на основе использования приведенной в 1 и 2 главах математической модели показывают, что значение ВЭТТ новой нерегулярной насадки при проведении ректификации в изопентановой колонне составляет 0,42-0,45 м, что на 20% меньше, чем ВЭТТ у насадки из мини колец №2. Следовательно, при одинаковой высоте насадочного слоя новая насадка обеспечит большее число теоретических тарелок.
При условии одинакового числа теоретических тарелок требуется меньшая высота насадочного слоя (и значит объем) с новыми насадочными элементами. Отсюда следует, что стоимость реконструкции колонн будет значительно ниже по сравнению с использованием зарубежных насадок.
Таким образом, установлено, что замена клапанных тарелок на новую насадку позволит интенсифицировать массообменные процессы в колоннах, снизить флегмовые числа с 1,5 (по проекту) до 1,1 в дебутанизаторе и с 14,43 (по проекту) до 11,5 в изопентановой колонне с получением изопентановой фракции марки А по ТУ 38.101494-79. Кроме этого возможно повышение производительности блока извлечения изопентана на 50% по сравнению с тарельчатыми колоннами.
Похожие диссертации на Повышение эффективности комплекса установок переработки газовых конденсатов
