Разработка и совершенствование массообменного оборудования в системах подготовки попутного газа на промыслах
На правах рукописи
Прусаченко Сергей Николаевич
РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАССООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ В СИСТЕМАХ ПОДГОТОВКИ
ПОПУТНОГО ГАЗА НА ПРОМЫСЛАХ
Специальности: 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых
месторождений,
05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая
отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
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
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:
- 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;
- 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;
- Разработать экспериментальную лабораторную установку, моделирующую гидродинамические условия в колонных аппаратах;
- Провести экспериментальные исследования эффективности работы выбранного ряда массообменных контактных устройств с целью подтверждения теоретически обоснованных зависимостей;
- На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать конструкцию провальной трехслойной тарелки, обеспечивающую повышенную производительность и эффективность по сравнению с существующими аналогами.
Научная новизна
- На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена и научно обоснована новая методика анализа работы массообменных контактных устройств учитывающая их работу при малых газожидкостных нагрузках;
- Разработана универсальная комплексная методика расчета провальных трехслойных тарелок с расчетом всех влияющих на эффективность и производительность гидродинамических параметров;
- 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.
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.
а – перекрестноточные; б – перекрестно-прямоточные; в – противоточные; г - прямоточные
Рисунок 1 – Принципиальные схемы движения газа и жидкости
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.
однопоточная двухпоточная трехпоточная четырехпоточная
Рисунок 2 – Тарелки с переливными устройствами
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.
.
1 – колонна, 2 – газодувка, 3 – емкость для воды, 4 – насос,
5 – расходомер воды, 6 – температурный датчик, 7 – расходомер воздуха.
Рисунок 4 – Принципиальная схема гидродинамического стенда
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.
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 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 возрастает скорость захлебывания Wзахл.
,
где 
, 
,
,
где 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/ от X
Рисунок 9 Обобщенная зависимость Y/ 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 1,51,7. Диапазон провальных трехслойных тарелок несколько шире 1,52,1.
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 p/ от скорости газа в отверстиях полотен тарелок w/ на примере тарелок с диаметрами отверстий 10 мм (рисунок 12).
1 - Lv=20 м3/(м2·ч); 2 - Lv=40 м3/(м2·ч); 3 - Lv=60 м3/(м2·ч); 4 - Lv=80 м3/(м2·ч);
Рисунок 12 – Зависимость сопротивления трехслойных провальных тарелок от скорости газа в их свободном сечении
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
| Наименование показателя | Единица измерения | Величина |
| Концентрация МДЭА в растворе | % масс. | 40 |
| Циркуляция раствора МДЭА | кг/ч | 2000 |
| Содержание сероводорода в насыщенном растворе МДЭА | г/л | 10 |
| Содержание сероводорода в регенерированном растворе МДЭА | г/л | 0,7…1,0 |
| Расход водяного пара на регенерацию в термосифонный кипятильник | кг/ч | 330 |
| Температура куба регенератора | оС | 120 |
| Температура верха регенератора | оС | 110 |
| Температура входа МДЭА в регенератор | оС | 95-105 |
| Давление в кубе регенератора | кгс/см2 | 0,8 |
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:
- Установлено, что диапазон эффективной работы (отношение максимальной скорости в колонне к минимальной) провальных трехслойных тарелок составляет 1,52,1, что на 23% выше, чем у стандартных провальных тарелок;
- Установлена зависимость максимальной скорости газа в колонне с трехслойными провальными тарелками от свободного сечения тарелок, вязкости жидкости, плотностей и нагрузок по газу и жидкости;
- Впервые определены уточняющие коэффициенты для расчета скорости газа в колонне при ранее не исследованных минимальных плотностях орошения – от 5 до 20 м3/м2ч;
- 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; - Разработан алгоритм и программа определения оптимального межтарельчатого расстояния в колонне;
- 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
- «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;
- «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;
- «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;
- «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;
- «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;
- «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;
- «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»;
- «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»;
- «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»;
- Патент на изобретение № 2356594. Способ массообмена / Бойко С.И., Прусаченко С.Н., Шеин О.Г, Литвиненко А.В. Опубликовано 27.05.2009. Бюл. №15;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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.
