Разработка и совершенствование массообменного оборудования в системах подготовки попутного газа на промыслах

Размещено на http: //www. allbest. ru/

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальности: 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений,

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль)

Разработка и совершенствование массообменного оборудования в системах подготовки попутного газа на промыслах

Прусаченко Сергей Николаевич

Краснодар 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кунина Полина Семёновна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Керимов Ибрагим Ахмедович

кандидат технических наук Павленко Павел Павлович

Ведущая организация: ООО «Научно-производственная компания «ЭКСБУР-К»

Защита состоится «22» декабря 2011 года в 1430 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2

Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.100.08 кандидат химических наук, доцент Г.Г. Попова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность разработки нефтяных и газовых месторождений во многом зависит от снижения потерь углеводородного сырья и качества подготовки его к транспорту. Особенно это актуально для нефтяного газа, большая часть которого до недавнего времени сжигалась на факелах. Процессы подготовки попутного нефтяного газа в значительной степени обуславливается применением современного высокоэффективного технологического оборудования. Доля колонного оборудования на установках подготовки попутного нефтяного газа составляет не менее 20% общего количества. Эффективность его работы определяется эффективностью работы его внутренних элементов, так называемых, массообменных контактных устройств, наиболее распространенными из которых являются массообменные тарелки.

Существующие сегодня массообменные тарелки обладают рядом существенных недостатков: узкий диапазон эффективной работы, недостаточная развиваемая массообменная поверхность и как следствие низкая эффективность, высокое гидравлическое сопротивление, высокая металлоемкость.

Разработка высокоэффективной и высокопроизводительной массообменной тарелки является крайне актуальной задачей для нефтяной и газовой промышленности. Реконструкция существующих колонных аппаратов с заменой установленных в них контактных устройств на более производительные и эффективные позволит существенно повысить производительность колонн в частности и технологических установок в целом, повысить качество вырабатываемой в колоннах продукции, снизить энергопотребление технологического узла колонного аппарата за счет снижения количества циркулирующей жидкости. Установка более эффективных и производительных контактных устройств в новых колонных аппаратах, позволит снизить их массово-габаритные характеристики, за счет снижения диаметра, высоты и толщины стенки колонн.

Цель работы и основные задачи исследования

Снижение потерь добываемого углеводородного сырья путем совершенствования колонного оборудования промысловых установок комплексной подготовки попутного газа.

Задачи исследования:

1. На основании анализа существующих принципов функционирования массообменных контактных устройств выявить оптимальную компоновку и конструктивные размеры элементов провальных тарелок, предназначенных для использования в колонных аппаратах непосредственно на промыслах в составе малогабаритных, блочных и комплексных установок подготовки газа;

2. Теоретически обосновать зависимости скорости газа в колонном аппарате, которой соответствует начало и конец работы контактных устройств, а также эффективности его работы от диметра проходных отверстий в полотнах тарелок и площади их свободного сечения;

3. Разработать экспериментальную лабораторную установку, моделирующую гидродинамические условия в колонных аппаратах;

4. Провести экспериментальные исследования эффективности работы выбранного ряда массообменных контактных устройств с целью подтверждения теоретически обоснованных зависимостей;

5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать конструкцию провальной трехслойной тарелки, обеспечивающую повышенную производительность и эффективность по сравнению с существующими аналогами.

Научная новизна газ массообменный промысел малогабаритный

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена и научно обоснована новая методика анализа работы массообменных контактных устройств учитывающая их работу при малых газожидкостных нагрузках;

2. Разработана универсальная комплексная методика расчета провальных трехслойных тарелок с расчетом всех влияющих на эффективность и производительность гидродинамических параметров;

3. Разработан и запатентован способ массообмена с помощью контактных устройств провального типа, в котором реализованы полученные экспериментальным путем данные по взаимодействию на контактных ступенях жидкости и газа, подаваемых противотоком, с организованными чередующимися областями преимущественного прохода газа и преимущественного стока жидкости.

Методы исследований

В исследованиях использовались методы планирования экспериментов, практические методы экспериментального исследовании, методы системного анализа эксплуатации технологического оборудования, методы математического моделирования идентификационных параметров контактных устройств, адекватно отражающих процессы гидродинамики и массообмена на исследуемых элементов в рамках поставленной задачи, методы математической статистики.

Практическая ценность работы

1. Внедрение в производство, разработанного автором контактного устройства провального типа позволит:

- решить задачу увеличения производительности установок нефте- и газоподготовки путем замены контактных устройств, уже установленных в колоннах;

- повысить степень энергосбережения на производстве, за счет снижения количества циркуляции технологических потоков на установках с колонными аппаратами;

- снизить металлоемкости при производстве новых колонных аппаратов с установленными провальными трехслойными тарелками, а именно уменьшения их диаметра и высоты, за счет более высоких эксплуатационных показателей данных контактных устройств;

2. Разработанная комплексная методика расчета провальных тарелок с расчетом всех влияющих гидродинамических параметров может быть использована для проведения поверочных расчетов уже эксплуатируемых промышленных колонных аппаратов;

3. Эффективность разработок подтверждается соответствующим заключением о внедрении разработанных контактных устройств на установке подготовки попутного нефтяного газа Туймазинского ГПП (ОАО АНК «Башнефть») в колонне регенераторе раствора метилдиэтаноламина К-202. Эксплуатация регенератора показала, что установленные в колонне трехслойные провальные тарелки обеспечивают требуемое значение остаточного содержания сероводорода в регенерированном растворе метилдиэтаноламина в 0,7 г/дм3 т.е. эффективность трехслойных провальных тарелок в регенераторе достигает 90 %.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на IV Ежегодной региональной отраслевой научно-технической конференции «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г. Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика»; XXIV Всероссийском межотраслевом совещании «Проблемы утилизации попутного нефтяного газа и его оптимальные направления использования» 6-7 октября 2010 года, г. Сочи, ОАО «НИПИгазпереработка»; XXV Всероссийском межотраслевом совещании «Проблемы утилизации попутного нефтяного газа и его оптимальные направления использования» 27-30 сентября 2011 года, г. Геленджик, ОАО «НИПИгазпереработка»; VII Ежегодной научно-технической конференции «Инновационные решения актуальных проблем для предприятий нефтегазовой промышленности» 5-6 октября 2011 года, г. Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика».

Публикации результатов работы

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе: 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 10 патентов РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников (107 наименований). Работа изложена на 147 стр. машинописного текста, содержит 45 таблиц и 34 рисунка.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе представлен аналитический обзор существующих контактных устройств, их видов, конструктивных исполнений и характеристик, отвечающих за эффективность, а также гидродинамические режимы работы провальных тарелок, предельные и рабочие нагрузки. Рассмотрена предлагаемая автором для исследования трехслойная тарелка провального типа.

В промысловой подготовке природного и нефтяного газа к транспорту на УКПГ для наиболее полного извлечения полезных углеводородов широко используют в качестве неотъемлемых составляющих такие процессы как:

- осушка газа, проводящаяся с целью предотвращения образования жидкостных, ледяных и кристаллогидратных пробок в трубопроводах, улучшения условий работы компрессорного оборудования и снижения коррозионной активности газа;

- отбензинивание газа, проводящееся с целью извлечения углеводородов С3+выше, способных в условия транспорта перейти в жидкое состояние с образованием пробок. К тому же углеводороды С3+выше являются ценным сырьем для химической и нефтехимической промышленности.

Осуществление указанных технологических процессов проводится на установках, основным элементом которых являются ректификационные и абсорбционные аппараты, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенных в последовательный разделительный каскад.

Ступенчатый контакт осуществляется, как правило, при противоточном движении пара и жидкости на специальных устройствах - так называемых массообменных контактных устройствах или массообменных тарелках. В данном случае ректификационный или абсорбционный аппарат обычно представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, с рядом горизонтально расположенных на определенном расстоянии друг от друга тарелок.

Контактные устройства тарельчатого типа получили наибольшее распространение в ректификационных и абсорбционных процессах в силу ряда причин - надежность в эксплуатации, удобство в обслуживании, монтаже и демонтаже, относительно невысокая себестоимость. Именно конструктивные особенности массообменных тарелок и определяют эффективность работы абсорбционных и ректификационных колонн.

На эффективность работы контактных устройств также оказывают немаловажное влияние условия проведения технологического процесса, физические свойства взаимодействующих фаз, а так же количество и природа механических примесей, циркулирующих в системе. В связи с этим сравнительная оценка эффективности массообменных аппаратов с различными контактными устройствами, для выявления их оптимальных конструктивных и технологических параметров является достаточно сложной практической задачей.

В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции контактных устройств тарельчатого типа, которые можно классифицировать следующим образом:

1) По способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз: перекрестноточные, перекрестно-прямоточные, противоточные, прямоточные. Принципиальные схемы движения газа и жидкости представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 Принципиальные схемы движения газа и жидкости а - перекрестноточные; б - перекрестно-прямоточные; в - противоточные; г - прямоточные

Применение той или иной схемы движения потоков зависит от необходимости достижения определенной цели, так для увеличения производительности используют прямоточную схему движения, а для повышения эффективности массообмена более рациональным является применение противоточной и перекрестноточной схемы. Однако в большинстве случаев для эффективной работы колонного аппарата во внутренних контактных устройствах необходимо оптимальной сочетание указанных характеристик.

Перекрестноточные и перекрестно-прямоточные тарелки предполагают наличие специальных переливных устройств, с помощью которых жидкость поступает с вышерасположенной тарелки на нижерасположенную. В пределах полотна тарелки жидкость может течь по горизонтальной или слегка наклонной в сторону слива поверхности в одном уровне или каскадом, а на смежных тарелках - в разных или в одном направлениях.

Противоточные тарелки не имеют специальных устройств для перехода жидкости с одной тарелки на другую, пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия в полотне тарелки, при этом места прохода жидкости и газа случайным образом перемещаются по площади тарелки. Наиболее распространенным типом таких тарелок является дырчатая провальная тарелка.

2) По способу перехода жидкости с вышерасположенной тарелки на нижерасположенную: со сливными устройствами (рисунок 2), без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости).

3) По характеру диспергирования взаимодействующих фаз: барботажные, струйные, струйно-барботажные, струйно-вихревые, пленочно-вихревые.

4) По числу потоков: однопоточные, двухпоточные, трехпоточные, четырехпоточные, многопоточные.

Рисунок 2 Тарелки с переливными устройствами однопоточная двухпоточная трехпоточная четырехпоточная

Автором предлагается наиболее информативная классификация контактных устройств тарельчатого типа, представленная на рисунке 3.

Рисунок 3 Классификация контактных устройств

Переливные тарелки обладают целым рядом существенных недостатков: низкая удельная производительность, относительно высоким гидравлическим сопротивлением, большой металлоемкостью и высокой себестоимостью, чувствительностью к загрязненным средам, которые забивают переливные карманы и отверстия в полотнах тарелок. Последнее обстоятельство приводит к тому, что происходит прекращение подачи газа или существенное снижение его давления, как следствие к росту перепада давления, с последующим захлебыванием колонны. Кроме того, для возобновления нормальной работы необходимо останавливать колонну и производить трудоемкую очистку.

Поэтому наиболее перспективной конструкцией, по мнению автора, являются тарелки провального типа, обладающие тремя существенными преимуществами перед тарелками с переливами - более высокая производительность, пониженное гидравлическое сопротивление, и что особенно заслуживает внимания ? способность длительной работы на загрязненных средах и более низкая металлоемкость.

К достоинствам провальных тарелок можно отнести следующие: простота устройства, легкость монтажа, осмотра и ремонта, низкое гидравлическое сопротивление, из-за отсутствия сливных устройств полезная площадь тарелок увеличивается на 15-30%. Поэтому производительность колонн с провальными тарелками несколько выше.

Немаловажным достоинством провальных тарелок является возможность эффективной их эксплуатации на загрязненных средах. Последнее обстоятельство имеет важное значение для нормальной работы установок масляной абсорбции, при эксплуатации которых происходит окисление абсорбента с образованием твердых продуктов. Полотна и карманы переливных тарелок забиваются этими продуктами, и аппараты приходится часто отключать и подвергать трудоемкой очистке. Применение провальных тарелок с большим свободным сечением позволяет значительно продлить срок эксплуатации абсорберов и облегчает их очистку.

Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, более низкой стоимостью изготовления и монтажа, меньшим гидравлическим сопротивлением, чем тарелки других конструкций, относящиеся к данному типу контактных устройств.

Во второй главе автором приволится исследование диапазона эффективной работы трехслойных провальных тарелок, включающее описание экспериментального стенда, планирование эксперимента и методику его проведения.

Известно, что процессы абсорбции и ректификации включают в себя взаимодействие газа и жидкости за счет их взаимного прямо- или противоточного движения в колонном аппарате и контактирования на массообменных ступенях или, так называемых, тарелках. Эффективность массообменных процессов в целом, а абсорбции и ректификации в частности определяются величиной развиваемой поверхности массообмена при прохождении газа через специальные технологические отверстия в контактных частях массообменных тарелок и барботирования в виде пузырьков через слой жидкости на тарелке.

Для моделирования таких условий была создана пилотная установка, на которой проводились исследования процесса взаимодействия газа и жидкости на модельных средах с целью оптимизации основных конструктивных и режимных параметров контактных устройств, осуществляющих технологический цикл, от которых зависят качественные показатели конечного продукта. Полученные результаты исследования будут заложены в основу проектирования контактных устройств промышленных колонных аппаратов установок подготовки и переработки нефти и газа, а также нефтехимических установок. Вследствие этого, экспериментальная проверка в реальных условиях имеет как теоретическое, так и практическое значение, так как, регулируя только один из основных параметров аппарата можно, при всем многообразии взаимосвязей (при прочих равных условиях), оптимизировать процесс в целом. Такая методика проведения эксперимента представляется достаточно простой и надежной. Исследованием предполагается установить взаимосвязь между гидравлическим сопротивлением трехслойных провальных тарелок и скорости газа в свободном сечении колонного аппарата при изменяющемся расходе жидкости, подающейся на орошение колонны и при постоянном давлении и температуре модельных сред. Предполагается, что все остальные параметры, однажды заданные, остаются неизменными на протяжении всего опыта.

Разработанная автором пилотная экспериментальная установка для исследования массообменных контактных устройств должна обеспечить, при всех возможных изменениях функциональных параметров, адекватные результаты в получении качественных характеристик конечного продукта. Принципиальная схема экспериментальной пилотной установки представлена на рисунке 4.

Исследования гидродинамики провальных трехслойных тарелок проводились на модели с соблюдением геометрического подобия по отношению к реальному аппарату в масштабе 1:10 и физического подобия (с тем же масштабированием) расходов газа, жидкости и начальных условий.

Исследовательская колонна имеет цилиндрическую форму в диаметре 200 мм. Колонна изготовлена из прозрачного органического стекла с целью возможности визуального наблюдения за текущим режимом работы стенда: по величине барботажного слоя на полотне тарелке определения момента начала и конца эффективной работы исследуемого контактного устройства, также оценивалась равномерность слива жидкости на нижележащие тарелки.

.

Рисунок 4 Принципиальная схема гидродинамического стенда1 - колонна, 2 - газодувка, 3 - емкость для воды, 4 - насос, 5 - расходомер воды, 6 - температурный датчик, 7 - расходомер воздуха

Рабочими средами, применяемыми при исследовании контактных устройств на гидродинамическом стенде, являются вода и воздух. При исследовании гидродинамики стенд работает по циркуляционной схеме подачи воды и воздуха. Использование указанных рабочих сред обусловлено их простотой и достаточной изученностью.

Испытания проводились на девяти комплектах тарелок с различными свободными сечениями и диаметрами отверстий. Каждый комплект представлял собой три тарелки с тремя полотнами (слоями) в каждой. В основу выбора характеристик тарелок был положен принцип полнофакторного эксперимента, при котором были выбраны минимальные и максимальные значения площади сводного сечения тарелки и диаметров отверстий, которые используются в промышленных колоннах. Так, например, минимальным значением площади свободного сечения тарелки было принято F0min=12% , а максимальным F0max=22%. В качестве промежуточного значения было принято F0=16%. Аналогичным образом выбирались диаметры отверстий в полотне тарелки d0min=10 мм, d0=15 мм и d0max=20 мм.