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

На основании экспериментальных данных были построены графики зависимости (рисунки 5-7). Для примера представлены результаты экспериментов на пакетах с d0=10 мм, F0=12, 16, 22%) гидравлического сопротивления орошаемых тарелок от скорости газа в сечении колонны при варьирующихся значениях таких параметров как диаметр отверстий в полотне тарелки, сводное сечение тарелки, нагрузка по жидкости или плотность орошения.

Анализ полученных результатов показывает, что характер зависимости гидравлического сопротивления трехслойной провальной тарелки от скорости газа в колонне адекватно соотносится с параметрами стандартной провальной тарелки. Также можно выделить режимы присущие контактным устройствам тарельчатого типа: провала жидкости, ее накопления, стабильной работы колонны и режим захлебывания колонны.

Также было установлено, что относительная производительность провальной трехслойной тарелки достигает 2,1, что на 23 % выше, чем у стандартных дырчатых провальных тарелок.

В третьей главе приведена обработка результатов экспериментальных исследований с разработкой методики расчета скорости захлебывания трехслойных тарелок провального типа.

Наличие закономерностей влияния гидродинамических факторов на скорость захлебывания и начала работы позволяет определить необходимые размеры аппаратов или их производительность. Вместе с тем, уравнения по расчету предельных нагрузок тарелки эффективно используют при обобщении опытных данных по влиянию расходов и свойств газа и жидкости на гидродинамические параметры, например, на потери давления ?P в двухфазном потоке.

Рисунок 5 График зависимости перепада давления на тарелке от скорости воздуха в колонне (Dотв=10, 11, 12 мм, св. сеч. 12 %)

Рисунок 6 График зависимости перепада давления на тарелке от скорости воздуха в колонне (Dотв =10, 11, 12 мм, св. сеч. 16 %)

Рисунок 7 График зависимости перепада давления на тарелке от скорости воздуха в колонне (Dотв =10, 11, 12 мм, св. сеч. 22 %)

При обработке экспериментальных данных за основу было принято уравнение (1), которое является линейным в координатах (Y, lnX). Предварительно проверено влияние свободного сечения на фактор Y для трехслойных тарелок. Установлено, что фактор Y пропорционален свободному сечению ц нижней тарелки трехслойного пакета. Для примера на рисунке 8 представлены зависимости фактора Y от lnX для тарелки с диаметром отверстий 10 мм. Из рисунка 8 видно, что с ростом ц возрастает скорость захлебывания Wзахл.

,

где , ,

,

где ц доля свободного сечения, м2/м2.

A, B? эмпирические коэффициенты

Рисунок 8 Зависимость Y от lnX для тарелок с диаметром отверстий 10 мм для различных свободных сечений

В результате обработки из условия минимума квадратов отклонений найдены значения коэффициентов A=1,09, B=2,75.

На рисунке 9 представлены зависимости фактора Y/ ц от X

Рисунок 9 Обобщенная зависимость Y/ц от X по уравнению (2)

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что для трехслойных провальных тарелок скорость захлебывания пропорциональна доле свободного сечения, но не зависит от диаметра отверстий тарелки. В этой связи при решении задачи увеличения производительности колонны рекомендуется использовать пакет со свободным сечением 22 % и диаметром отверстий 10 мм. При этом будет обеспечена и максимальная эффективность тарелки.

Проверена также пропорциональность фактора Y величине . В отличие от обычных провальных тарелок величина не влияет на скорость захлебывания трехслойных тарелок (рисунок 10).

Рисунок 10 Влияние эквивалентного диаметра отверстий на скорость захлебывания для =0,12

Дополнительно были получены экспериментальные данные для определения минимальной рабочей скорости газа в колонне с трехслойными провальными тарелками (Wmin):

,

Обобщенная зависимость от , построенная по уравнению (3), приведена на рисунке 11.

На основе уравнений (2), (3) определен диапазон эффективной работы трехслойных провальных тарелок в зависимости от фактора нагрузки

.

Диапазон эффективной работы n определялся как соотношение факторов Y, полученных для максимальной и минимальной скорости газа в колонне.

Рисунок 11 Зависимость величины от

Как видно из полученной зависимости, диапазон эффективной работы трехслойной провальной тарелки увеличивается с увеличением фактора нагрузки. Как известно из литературных данных, диапазон эффективной работы стандартных провальных тарелок составляет 1,5?1,7. Диапазон провальных трехслойных тарелок несколько шире 1,5?2,1.

Исследование гидравлического сопротивления трехслойных провальных тарелок проводилось для всех девяти пакетов тарелок с вышеуказанными техническими характеристиками. С использованием полученных результатов окончательно было выведено следующее уравнение для расчета перепада давления на провальных трехслойных тарелках.

.

Результаты математической обработки представлены в виде графических зависимостей значений Дp/ш от скорости газа в отверстиях полотен тарелок w/ш на примере тарелок с диаметрами отверстий 10 мм (рисунок 12).

Рисунок 12 Зависимость сопротивления трехслойных провальных тарелок от скорости газа в их свободном сечении1 - Lv=20 м3/(м2·ч); 2 - Lv=40 м3/(м2·ч); 3 - Lv=60 м3/(м2·ч); 4 - Lv=80 м3/(м2·ч);

В четвертой главе описаны результаты промышленного внедрения провальных трехслойных тарелок.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований автором были предприняты меры к внедрению выполненных им разработок в промышленность. С участием автора был разработан, успешно апробирован и сдан в эксплуатацию комплект из двадцати трехслойных провальных тарелок. Внедрение было осуществлено на установке подготовки газа Туймазинского ГПП (ОАО АНК «Башнефть») в регенераторе К-202. Установка предназначена для селективной метилдиэтаноламин-очистки нефтяного газа от сероводорода и диоксида углерода.

Регенератор К-202 представляет собой колонный аппарат царговой конструкции с переменным диаметром ? 300 мм в верхней части и 600 мм в нижней. В верхней секции диаметром 300 мм установлены тарелки в количестве 20 штук, ввод питания насыщенного МДЭА осуществляется на 5 тарелку сверху. Увеличенная кубовая часть регенератора диаметром 600 мм, одновременно является емкостью регенерированного МДЭА, обеспечивающей запас для стабильной работы насосов.

Проведенные поверочные гидравлические расчеты для установленных в регенераторе провальных тарелок на новые расчетные условия работы показали, что их пропускной способности недостаточно и для эффективной работы регенератора необходима замена существующих контактных устройств на более производительные и эффективные. Было принято решение о замене существующих контактных устройств на разработанные автором высокопроизводительные трехслойные провальные тарелки.

Используя экспериментальные данные, полученные при гидравлических испытаниях моделей трехслойной провальной тарелки на гидродинамическом стенде, автором были рассчитаны конструктивные параметры тарелок, обеспечивающие ведение технологического режима установки на новых технологических режимах.

Для подтверждения проведенных расчетов был изготовлен опытный пакет из трех трехслойных тарелок со свободным сечением 32%, диаметром отверстий на полотнах 10 мм и проведены пробные стендовые испытания на гидродинамическом лабораторном стенде.

В результате проведенных стендовых испытаний были получены зависимости перепада давления на тарелке от скорости воздуха в свободном сечении колонны, при различных нагрузках по жидкости. На рисунке 13 приведена зависимость перепада давления P (Па) на тарелке от фактора скорости Fs (Па1/2) отнесенного к свободному сечению колонны, при нагрузке по жидкости на единицу площади Lv =20 м3/(ч м2).

Рисунок 13 Зависимость сопротивления трехслойных провальных тарелок от фактора скорости газа в свободном сечении колонны

Проведенные испытания ТПТ с новым свободным сечением показали, что рабочая скорость газа тарелок при нагрузке по жидкости Lv = 20 м3/(ч м2), находится в широком диапазоне эффективной работы W = от 0,6 до 1,6 м/с и соответствует фактическим условиям работы регенератора: скорость пара в свободном сечении аппарата -1,1 м/с, нагрузка по жидкости на единицу площади - 26 м3/(ч м2), при этом подача пара в термосифонный кипятильник составляет - 330 кг/ч, циркуляция раствора МДЭА - 1900 кг/ч.

После подтверждения рассчитанных характеристик экспериментальными данными были изготовлены 20 трехслойных провальных тарелок со свободным сечением 32% и диаметром отверстий на полотне 10 мм. Новые трехслойные провальные тарелки были смонтированы в регенераторе на опоры старых тарелок.

После пуска установки были получены следующие фактические показатели работы, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 Фактические параметры работы регенератора К-202

Эксплуатация регенератора в составе установки селективной метилдиэтаноламин-очистки нефтяного газа от сероводорода и диоксида углерода в течение 14 дней показала, что установленные практические трехслойные провальные тарелки обеспечивают требуемое остаточное содержание сероводорода в регенерированном растворе МДЭА на уровне 0,7 г/дм3, таким образом, эффективность трехслойных провальных тарелок в регенераторе достигает 90 %.

Экономический эффект от использования разработанных автором трехслойных провальных тарелок в регенераторе К-202 установки селективной метилдиэтаноламин-очистки нефтяного газа от сероводорода и диоксида углерода в составе установки подготовки газа Туймазинского ГПП (ОАО АНК «Башнефть») по экспертным данным составляет 10 млн. руб. в год.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В настоящей работе изложены научно-обоснованные разработки направленные на совершенствование оборудования подготовки природного и попутного газа на промыслах, в частности, оптимизации параметров и технологических процессов массообмена.

На основании теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Установлено, что диапазон эффективной работы (отношение максимальной скорости в колонне к минимальной) провальных трехслойных тарелок составляет 1,5?2,1, что на 23% выше, чем у стандартных провальных тарелок;

2. Установлена зависимость максимальной скорости газа в колонне с трехслойными провальными тарелками от свободного сечения тарелок, вязкости жидкости, плотностей и нагрузок по газу и жидкости;

3. Впервые определены уточняющие коэффициенты для расчета скорости газа в колонне при ранее не исследованных минимальных плотностях орошения - от 5 до 20 м3/м2•ч;

4. Определена зависимость перепада давления на провальных трехслойных тарелках от плотности орошения, скорости газа в колонне, свободного сечения тарелок и величины уноса, которая является основной характеристикой эффективности работы массообменных контактных устройств;

5. Разработан алгоритм и программа определения оптимального межтарельчатого расстояния в колонне;

6. Проведенная модернизация регенератора амина К-202 установки подготовки газа Туймазинского ГПП (ОАО АНК «Башнефть») с применением трехслойных провальных тарелок позволила:

- увеличить производительность колонны по парам в 2,0…2,3 раза, без изменения габаритов аппарата;

- повысить эффективность массообмена, что позволило обеспечить необходимую регенерацию раствора МДЭА, с содержанием сероводорода в регенерированном растворе от 0,7до 1,0 г/дм3.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. «Анализ работы колонного оборудования переработки газа и определение оптимального межтарельчатого расстояния» Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Бойко С.И., Андреевская Т.В., Константинов Е.Н., Прусаченко С.Н. «Нефтепромысловое дело», 2009. № 1;

2. «Методика расчета скорости захлебывания трехслойных тарелок провального типа» Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Бойко С.И., Прусаченко С.Н., Овчинников П.Ф., Килинник А.В., Константинов Е.Н. «Нефтепромысловое дело», 2009. № 5;

3. «Методика расчета гидродинамических характеристик трехслойных тарелок провального типа» Литвиненко А.В., Аджиев А.Ю., Константинов Е.Н., Овчинников П.Ф., Прусаченко С.Н., Андреевская Т.В. «Нефтепромысловое дело», 2009. № 6;

4. «Опыт промышленного применения трехслойных провальных тарелок и определение их эффективности» Литвиненко А.В., Овчинников П.Ф., Андреевская Т.В., Прусаченко С.Н. «Нефтепромысловое дело», 2009. № 7;

5. «Улавливание залповых выбросов жидкости из газопроводов в системах нефтегазосбора и переработки» Бойко С.И., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н. «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе», 2009, №7;

6. «Сепарационная техника для систем сбора, подготовки и переработки нефтяного газа» Бойко С.И., Литвиненко А.В., Аджиев А.Ю., Грицай М.А., Морозов Б.М., Прусаченко С.Н. «Газовая промышленность», 2009 №10;

7. «Увеличение степени извлечения углеводородов C3+в на новых и действующих ГПК до 99% и выше» Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н., Шеин А.О. XXIV Всероссийское межотраслевое совещание «Проблемы утилизации попутного нефтяного газа и его оптимальные направления использования» 6-7 октября 2010 года, Сочи, ОАО «НИПИгазпереработка»;

8. «Исследование гидродинамики трехслойной провальной тарелки» Прусаченко С.Н., Бойко С.И. IV Ежегодная региональная отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика»;

9. «Высокоэффективная ситчато-клапанная тарелка» Прусаченко С.Н., Бойко С.И. IV Ежегодная региональная отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика»;

10. Патент на изобретение № 2356594. Способ массообмена / Бойко С.И., Прусаченко С.Н., Шеин О.Г, Литвиненко А.В. Опубликовано 27.05.2009. Бюл. №15;

11. Патент на полезную модель № 87637. Клапанно-ситчатая тарелка тепломассообменных аппаратов / Тютюник Г.Г., Бойко С.И., Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н..Овчинников П.Ф.. Опубликовано 20.10.2009. Бюл. №29;

12. Патент на полезную модель № 87638. Клапанно-ситчатая тарелка / Тютюник Г.Г., Бойко С.И., Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н. Андреевская Т.В. Опубликовано 20.10.2009. Бюл. №29;

13. Патент на полезную модель № 88980. Контактное устройство тепломассообменного аппарата/ Тютюник Г.Г., Литвиненко А.В., Аджиев А.Ю., Прусаченко С.Н., Бойко С.И. Опубликовано 27.11.2009. Бюл. №33;

14. Патент на полезную модель № 88981. Ситчато-клапанная тарелка тепломассообменного аппарата/ Бойко С.И., Тютюник Г.Г., Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н. Опубликовано 27.11.2009. Бюл. №23;

15. Патент на полезную модель № 90349. Ситчато-клапанная тарелка тепломассообменного аппарата/ Бойко С.И., Тютюник Г.Г., Аджиев А.Ю., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н. Опубликовано 10.01.2010. Бюл. №1;

16. Патент на полезную модель № 97651. Массообменный сепарационный элемент/ Бойко С.И., Литвиненко А.В., Грицай М.А., Прусаченко С.Н., Тютюник Г.Г. Опубликовано 20.09.2010. Бюл. №26;

17. Патент на полезную модель № 94162. Струйная тарелка/ Тютюник Г.Г., Прусаченко С.Н., Литвиненко А.В., Аджиев А.Ю., Бойко С.И. Опубликовано 20.05.2010 Бюл. №14;

18. Патент на полезную модель № 94163. Контактное устройство для массообменных аппаратов/ Овчинников П.Ф., Грицай М.А., Литвиненко А.В., Прусаченко С.Н., Бойко С.И., Андреевская Т.В. Опубликовано 20.05.2010 Бюл. №14;

19. Патент на полезную модель № 90698. Контактная тарелка массообменной колонны/ Бойко С.И., Прусаченко С.Н., Тютюник Г.Г., Шеин О.Г., Андреевская Т.В. Опубликовано 20.01.2010 Бюл. №2.