автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка и исследование структур текстильных материалов, применяемых для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода

ЦИМБАЛЮК Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

г г; ":н 20 и

005530980

ЦИМБАЛЮК Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дмитровградском инженерно-технологическом институте Национального исследовательского ядерного университета «Московский инженерно-физический институт» на кафедре «Технология и проектирование»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Панин Иван Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой механической технологии волокнистых материалов Московского государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Щербаков Виктор Петрович

кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «ЦНИИМашдеталь» Лабок Владимир Георгиевич

Ведущая организация: ОАО НПК «ЦНИИШЕРСТЬ»

Защита состоится « с/» ШМ 2013 г. в//? часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.06 при Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 115035, г. Москва, Садовническая ул., д.ЗЗ, стр.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

//» Л10

Автореферат разослан «У1» ЛЬСС* 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор ^^^^ДПустов Юрий Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема очистки попутного нефтяного газа от сероводорода остро стоит перед человечеством с момента начала добычи и промышленного использования нефти. До настоящего времени во всем мире не решен вопрос его локальной очистки и использования непосредственно на нефтедобывающих месторождениях, а учитывая огромный вред наносимый окружающей среде этот газ приходится сжигать на факельных установках. Что в свою очередь приводит к колоссальным потерям углеводородов. Сжигание ПНГ в зонах Арктики при разработке шельфовых месторождений недопустимо, так как это может привести к необратимым процессам, нарушающим экологию региона.

В России ежегодно сжигается на факелах более 20 млрд. м3 попутного нефтяного газа, за рубежом сжигается еще 40 млрд. м3, что приводит не только к безвозвратным потерям ценного углеводородного сырья, а следовательно к большим финансовым потерям, но главным образом это наносит огромный вред окружающей среде. Актуальность темы диссертационной работы подтверждает и Постановление №7 от 8 января 2009 г. Правительства РФ, предписывающее всем нефтедобывающим компаниям погасить 95% факельных установок в 2012 году, которое до настоящего момента так, и не реализовано, и факела продолжают гореть.

Цель диссертации заключается в разработке и выборе оптимальных структур текстильных материалов, применяемых в разработанном нами способе очистки ПНГ от сероводорода.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- созданием текстильных диспегаторов газа, формируемых на базе мотальных паковок специального назначения;

- исследованием и выбором оптимальных структур текстильных диспегаторов газа, обеспечивающих (за счет применения мотальных паковок специаль-

ного назначения) максимальную площадь соприкосновения фаз газ - каталити ческий раствор;

- обеспечением селективного отбора серы из раствора катализатора н трубчатых текстильных фильтрах и прессфильтрах, оснащенных технически прессовым сукном, созданием возможности регенерации раствора для повтор ного его использования в технологическом процессе очистки газа;

- разработкой конструкции вихревого газоочистительного аппарата в мо дульном исполнении заданной производительности.

Объекты и методы исследования. В работе использована теория про цессов массопереноса, методы решения краевых задач, лабораторный и нату ральный эксперимент, методы математической статистики, компьютерное мо делирование.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые процесс перематывания текстильных нитей в мотальные паковки специального назначения используется в качестве основного технологического процесса создания конечного продукта для нефтегазовой отрасли в виде дис-пергаторов газа различного вида;

- разработаны оптимальные структуры намотки мотальных паковок из текстильных материалов, обеспечивающие требуемые параметры диспергации ПНГ при очистке его от сероводорода;

разработаны методы определения пористости и воздухо-(газо)проницаемости мотальных паковок с различной структурой намотки перегородки диспергатора;

- разработаны теоретические основы селективного разложения сероводорода в составе попутного нефтяного газа в каталитическом растворе;

- разработан механизм выноса серы из водного раствора катализатора с применением текстильных фильтров на базе мотальных паковок и прессовых сукон;

- разработана конструкция мотального механизма для формирования текстильных диспегаторов заданных типоразмеров;

- разработана и изготовлена экспериментальная лабораторная установка для исследования свойств различных структур текстильных диспергаторов в водных растворах при газоочистке;

- разработана методика комплексного расчета показателей экономической эффективности внедрения результатов работы в энерго- и ресурсосберегающей технологии.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработаны текстильные диспергаторы газа, структура и

материал которых позволяет создавать модульные аппараты непрерывного действия по очистке попутного нефтяного газа от сероводорода;

- созданные на базе текстильных материалов диспергирующие и фильтровальные устройства, совместимы с различными вихревыми аппаратами, применяемыми в нефтегазовой отрасли, при очистке газа и используются в реальных установках;

- разработанная теория селективного выноса серы из состава ПНГ с применением текстильных материалов может быть успешно использована при проведении иных химических процессах в нефтехимическом комплексе;

- разработанная автором технология изготовления текстильных диспергаторов газа на базе мотальных паковок специального назначения позволяет обеспечить 100%-ную очистку ПНГ от сероводорода и реализовать задачи, определенные Постановлением Правительства РВ №7 от 8 января 2009 г. по погашению факелов при нефтедобыче. Результаты работы апробированы на УПН «Север» ОАО «Ульяновскнефть» НК Русснефть и УПН «Якушинская» ОАО «Самаранефтегаз» НК Роснефть.

Реализация работы. Разработанная на основе проведенных исследований технология очистки ПНГ от сероводорода получила поддержку фонда Сколково и реализуется малым инновационным предприятием ООО «Нефтегазовые технологии МИФИ», резидентом Сколково, по оснащению нефтедобывающих предприятий модульными установками очистки ПНГ различной производительности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2010), МГТУ имени А.Н. Косыгина, г. Москва

2. Вторая научно-практическая конференция «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности», МГТУ им.А.Н.Косыгина, 2011

3. Вторая международная конференции ЭНЕРКОН-2011 «Актуальные вопросы инновационного развития нефтегазовой промышленности» Экспоцентр, г.Москва.

4. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012, г.Москва.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 8 работах, из них 1 патент, 7 статей, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК, 3 тезисы докладов научно — технических конференций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 168 страницах машинописного текста и состоит из четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, включающего 88 наименований источников, 21 таблицу и 24 иллюстрации. В 7 приложениях представлены акты промышленных испытаний и результаты технико-экономических расчетов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследований. Даны характеристика научной новизны и практической ценности работы.

В первой главе диссертации проведен критический анализ использования различных текстильных материалов, применяемых для диспергации газов в нефтехимической отрасли. Отмечено, что для решения экологических задач, в том числе и нефтедобывающей отрасли, целесообразно использовать текстильные материалы (ткани, трикотажные полотна, нетканные материалы, намотки и

т.д.), в развитии которых огромный вклад внесли российские ученые, такие как профессор А.П.Минаков, профессора Московского государственного университета дизайна и технологии: В.П.Щербаков, С.Д.Николаев, С.С.Юхин и многие другие. Применение новых текстильных технологий и материалов открывают большие возможности развития химических технологий и является актуальной задачей, стоящей перед Россией и всем мировым сообществом.

Особое внимание при выборе текстильных материалов применяемых для диспергации газов следует уделять их структуре (волокон и нитей), а также виду используемого сырья. Это обусловлено агрессивностью среды, в которой работают диспергаторы (сероводород при контакте с водой и воздухом образует элементы серной кислоты). Поэтому анализ устойчивости текстильных материалов к воздействию агрессивных сред является актуальной задачей. Оптимальными структурами волокон и нитей, применяемых при газоочистке, следует считать те, которые обеспечивают мелкодисперсную газовую фазу (в виде пузырьковой массы) с большой площадью поверхности, что обеспечивают три-лобальные мультифиламентные нити из синтетических волокон.

Приведённый в первой главе анализ текстильных материалов их структур и устойчивости к воздействию агрессивных сред позволил перейти к созданию диспергаторов газа с управляемой структурой текстильных перегородок (заданной пористостью и газопроницаемостью).

Вторая глава диссертации содержит исследование процесса формирования текстильных диспергаторов и сепараторов газа на базе мотальных паковок специального назначения.

В главе представлена новая конструкция и проведены исследования мотального механизма, предназначенного для формирования мотальных паковок специального назначения заданных структур и типоразмеров. Проведены теоретические исследования пористости и воздухо(газо)проницаемости текстильных перегородок диспергаторов попутного нефтяного газа при его очистке от сероводорода. Определены оптимальные параметры структуры диспергаторов, отмечено, что таковой является спиралевидная намотка полипропиленовых ни-

тей на профильный каркас, которая кроме дробления газа на мелкопузырчатую массу, обеспечивает дополнительный барботаж каталитического раствора в вихревом газоочистительном аппарате.

Определено, что скорость движения жидкости и газа в пористом слое текстильной перегородки можно определить по формуле:

(!)

где /Сф — коэффициент фильтрации перегородки, м/с;

Лг - гидравлический напор газа в слое, находящемся на расстоянии «х» от начала перегородки;

сЛт

— - градиент изменения напора газа по направлению движения в перегородке.

Так как перепад давления на перегородке можно определить по формуле:

АР = УР * К, (2)

где ур - удельный вес газа, н/м3,

то скорость прохождения газа через диспергатор размещенный в растворе:

У = - — * — >м/с (3)

Гр Эх

При подаче газа с наружной поверхности на диспергатор:

у=к**д-£=к*т^'м/с <4>

Го

где /ггн - гидравлический напор газа на наружной поверхности дисперга-тора, м;

г - текущий радиус намотки пористой перегородки, м;

ги - наружный радиус намотки диспергатора, м;

г0 — радиус профильного каркаса, на котором сформирована текстильная перегородка диспергатора газа, м.

Расход газа, проходящего через пористую текстильную перегородку в единицу времени, можно определить по формуле:

в = V * 2пгН, м3/с (5)

или в =-Нт—, м /с (6)

г0

где Н - высота намотки текстильной перегородки, м.

Диспергация газов на текстильных пористых перегородках в растворе катализатора может проходить в пузырьковом, граничным с пузырьковым или струйном режимах. Очевидно, что для увеличения площади соприкосновения фаз газ-жидкость наиболее предпочтителен граничный с пузырьковым режим диспергации газа, когда газ будет выходить из диспергатора цепочкой мелких пузырьков. Уровень границ этого режима определяется критическим объемом газа, проходящего через пористую перегородку:

КР 6

б А0о

2/з

(7)

_5(Рраст Ргаз).

где уп- скорость подъема пузырьков газа в растворе катализатора, м/с;

N - число пор на единицу площади пористой перегородки диспергатора;

Б — площадь пористой перегородки диспергатора, м2.

Формула 7 показывает, что структура диспергатора (число пор на единицу площади и их размеры) играют решающую роль в процессе диспергации газа при его очистке.

Для формирования диспергаторов газа заданных типоразмеров создано специальное мотальное оборудование фото которого показано на рис.1.

Кинематическая схема разработанного мотального механизма позволяет создавать намотки сомкнутой, замкнутой и спиралевидной раскладки нити, что не позволяет делать мотальное оборудование принимаемое в текстильной промышленности.

Исследование процесса процесса очистки газа, на диспергаторах сформированных на специальном мотальном оборудовании, показали, что формирование мелкопузырчатой газовой фазы возможно в граничном режиме выхода отдельных пузырьков из структуры диспергатора враствор катализатора

Рис. 1. Внешний вид мотального механизма

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментал ных исследований и разработка технологических параметров процесса очистг ПНГ от сероводорода с применением текстильных диспергаторов.

Расчет коэффициентов воздухо- и газопроницаемости диспергатора различной структуры производился на специальном стенде по следующей м-тодике:

Определялась мощность электродвигателя компрессора, необходимая для пр одоления сопротивления пористого слоя диспергатора по формуле:

N = АР ■ а, (ватт = 4 • —) (8)

м2 с

где ДР - перепад давления на пористой перегородке, н/м2;

д - секундный расход газа проходящего через перегородку диспергатора, м3/с. Так как площадь пористой перегородки диспергатора:

5 = тг£ ■ Н, м2 (9)

то объем газа, проходящего через диспергирующий слой, определялся по пои заниям газового счетчика

в = ц-Ь, м3/с (Ю)

Из уравнения 8 имеем

N г -, Н-м м2 м3

q=— или loi ----- — (11)

Ч др L4J с н с \LiJ

Коэффициент воздухо-газопроницаемости диспергатора: Расход газа проходящего через диспергатор заданной структуры

0 = вТ (13)

где вг - объем газа проходящего через пористую перегородку за время t.

Данный расчет позволяет сделать выбор оптимальной структуры текстильных диспергаторов применяемых в вихревых аппаратах газоочистки, которая обеспечивает максимальную скорость технологического процесса очистки ПНГ от сероводорода.

В четвертой главе работы приведены данные по технико-экономическому обоснованию применения разработанной технологии очистки ПНГ от сероводорода на установках газоочистки различной производительности.

Приведена методика расчета себестоимости очистки газа в зависимости установок, оснащенных текстильными диспергаторами газа, позволяющая давать комплексную оценку капитальных вложений и затрат на реализацию проекта внедрения установок в каждое конкретное производство. Все расчеты выполнены в программе ШЭТПР, которая нашла применение для оценки инвестиционных проектов в газовой промышленности. Программа написана в среде Microsoft Excel на основе стандартных методик и алгоритмов расчетов в газовой промышленности.

Анализ результатов экономических расчетов замены природного газа на очищенный ПНГ показывает, что наибольшую эффективность имеет установка мощностью 1000 м3/час. Срок ее окупаемости составляет 1,5 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Для решения экологических задач, связанных с охраной окружающ среды, в частности очисткой ПНГ от сероводорода, а также в сложных техно гических процессах нефтехимического комплекса все шире используется т нический текстиль.

2. Инженерия использования текстильных материалов, применяемых в честве диспергаторов газа в вихревых аппаратах нефтехимического комплек определяется свойствами и природой волокон, а также структурой формир мых из них изделий.

3. Анализ литературных источников, посвященных проблеме использован текстильных технологий для очистки попутного нефтяного газа от сероводор да показал, что впервые эту задачу решили российские ученые.

4. При создании текстильных диспергаторов газа и выборе материала для изготовления определяющими факторами являются пористость и воздухо-(газ ) проницаемость, а также устойчивость к воздействию агрессивных сред само материала, из которого они изготавливаются.

5. В качестве диспергирующих перегородок диспергаторов газа могут и пользоваться ткани высокой плотности, нетканные полотна, трикотажные п лотна из синтетических нитей, устойчивые к воздействию агрессивных сре однако их структура не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к диспе гаторам, работающим в вихревых аппаратах закрытого типа.

6. Наиболее перспективным способом создания диспергаторов газа, стру тура которых соответствует требованиям потребителей, является намотка нит видного материала на профильный каркас.

7. Многообразие структур намоток мотальных паковок специального назн чения (сомкнутых, замкнутых, спиралевидных и т.д.) требуют теоретического экспериментального обоснования возможности их оптимального применения технологических процессах нефтехимического комплекса.

8. Для формирования диспегаторов газа с помощью намотки нитей на профильные каркасы заданных типоразмеров необходимо создание нового мотального оборудования, которого ни в России, ни за рубежом не выпускается.

9. Мотальное оборудование для создания диспергаторов газа должно обеспечивать формирование намоток различных структур, в том числе и их конгломератов (меняющихся послойно), с целью обеспечения заданной пористости и проницаемости.

10. Процесс диспергации газа при очистке ПНГ от сероводорода должен проходить в пузырьковом или близком к нему режиме, когда пузырьковая масса имеет максимальную площадь соприкосновения фаз газ-жидкость (катализатор).

11. Оптимальной структурой для диспергации газа обладает сомкнутая намотка полипропиленовых текстурированных мультифиламентных нитей на профильный каркас, которая обеспечивает формирование газовых пузырьков минимального размера.

12. Экспериментальные исследования диспергации газов на диспергато-рах различной структуры, проводимые на специальном стенде, позволяют определить критические скоростные режимы подачи газа на очистку, а также габариты изделий и самого аппарата газоочистки.

13. Методика расчета коэффициента воздухо-газопроницаемости текстильных перегородок диспергаторов, предложенная в работе, позволяет определить необходимую площадь пористой перегородки, требуемую для аппаратов заданной производительности.

14. Все существующие до настоящего времени способы очистки ПНГ от сероводорода либо очень затратны, либо экологически не допустимы за счет выделения вредных побочных продуктов, поэтому не находят широкого применения в России.

15. Разработанный способ разложения сероводорода с помощью окислительно-восстановительной реакции на основе ионов железа (III), позволяет се-

лективно извлечь серу из ПНГ, а очищенный газ использовать для получе тепловой или электрической энергии.

16. Разработаны и утверждены все регламентирующие документы на пуск контейнерных установок очистки ПНГ от сероводорода производитель стью 1000, 500,350,200 и 100 м3/ч.

17. Рассчитаны все технико-экономические показатели эффективно применения установок различной производительности, в конструкциях ко рых применяются текстильные материалы, для производства тепловой энерг на ведомственных котельных вместо природного газа.

18. Выполнен проект строительства двух установок УОПНГ-ЮОО УОПНГ-200 для котельной на установке подготовки нефти «Север» О «Ульяновскнефть» НК «Русснефть». Начато ее строительство.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуем ВАК РФ:

1. Цимбалюк А.Е. О диспергации газов на текстильных пористых пере родках / И.Н.Панин, А.В.Анциферов, Д.С.Малеев// Известия вузов. Технолог текстильной промышленности. - 2011. - N 1 (330). - С. 139-142

2. Цимбалюк А.Е. Трубчатые текстильные фильтры для решения эко гических задач / С. Д. Николаев, И.Н.Панин, Б.М.Фомин // Известия вуз Технология текстильной промышленности. - 2011. - N 3 (332). - С. 52-56

3. Цимбалюк А.Е. О влиянии структуры диспергаторов на скорость техн логического процесса очистки попутного нефтяного газа от сероводоро /М.И.Панин // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2011.-N4 (333).-С. 56-61.

4. Цимбалюк А.Е. О новой технологии очистки нефтяного газа от серов дорода/И.Н.Панин ,А.В. Ашихмин , А.Н.Денисов// Научно-технический вес ник НК «ОАО Роснефть», - 2011,- №4 - с.34-36.

5. Цимбалюк А.Е. Абсорбент для очистки газа от сероводорода./ Цимба-люк Е.П., Панин И.Н.// Патент на изобретение №2447927 , опубл. 20.04.2012 Бюл. №11.

Остальные публикации:

6. Цимбалюк А.Е. Место и роль текстильных паковок специального назначения в решении экологических задач. / М.И.Панин , А.Н. Пайметов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Тексталь-2010) -М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010. - 371 с.

7. Цимбалюк А.Е. Применение текстильных нанотехнологий в решении экологических и энергетических задач/ М.И.Панин, И.Н.Панин//Тезисы докладов П-й научно-практической конференции «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности» - М.:МГТУ им.А.Н.Косыгина, 2011.-19с.

8. И.Н.Панин, А.Е.Цимбалюк Перспективы использования новой технологии очистки ПНГ от сероводорода в условиях Арктики. Доклад на второй международной конференции «ЭНЕРКОН-2011», 22-24 июня 2011 [Электронный ресурс]. URL:http://www.rutube.ru>tracks/4659329.html (дата обращения 01.11.2012).

Цимбалюк Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 29.05.13 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Тираж 60 экз. Заказ № 50-Т

Редакционно-издательский центр МГУДТ 117997, Москва, ул. Садовническая, 33, стр.1 Тел./факс (495)506-72-71 e-mail: rfrost@yandex.ru

Отпечатано в РИЦ МГУДТ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА

И ТЕХНОЛОГИИ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201358586

на правах рукописи

ЦИМБАЛЮК АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

Научный руководитель

доктор технических наук,

|| ТТоигвы ТЛГ II

Москва 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРГАТОРОВ ГАЗА 12

1.1. Анализ работ, связанных с использованием текстильных материалов для решения экологических задач...................................................... 13

1.2. Выбор структуры комплексных нитей для формирования текстильных диспергаторов газа с помощью намотки......................................... 22

1.3. Анализ возможностей создания диспергаторов газа из текстильных материалов различной структуры...................................................... 27

1.4. Выбор оптимальных структур текстильных материалов, применяемых в качестве диспергаторов при очистке попутного нефтяного газа от сероводорода.........................................................................................36

Выводы по главе I ...................................................................... 42

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР МОТАЛЬНЫХ ПАКОВОК СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ДИСПЕРГАТОРОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА..................................................................................... 45

2.1. Разработка конструкции и исследование мотального механизма для формирования пористых перегородок диспергаторов заданных типоразмеров......................................................................................... 45

2.2. Исследование пористости и проницаемости пористых перегородок диспергаторов газа, формируемых на базе мотальных паковок специального назначения .............................................................................. 53

2.3. Исследование диспергации газов на текстильных пористых перегородках......................................................................................... 57

Выводы по главе 2........................................................................ 63

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПНГ ОТ СЕРОВОДОРОДА НА ТЕКСТИЛЬНЫХ ДИСПЕРГАТОРАХ..................................................................... 66

3.1. Расчет коэффициента воздухо- газопроницаемости диспергаторов, формируемых на базе мотальных паковок специального назначения...............66

3.2. Использование катализаторов для очистки ПНГ от сероводорода.........76

3.3. Промышленные установки очистки ПНГ в контейнерном исполнении...........................................................................................89

3.4. Исследование процесса выноса серы из водного раствора катализатора при очистке попутного нефтяного газа от сероводорода....99 Выводы по главе 3.................................................................... 104

ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ОЧИСТКИ ПНГ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ........ 106

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................... 119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 122

ПРИЛОЖЕНИЯ 130

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из важнейших для всего мирового сообщества экологических задач, требующих неотлагательного решения, является проблема промышленной очистки попутного нефтяного газа от сероводорода. До настоящего времени не разработаны достаточно эффективные методы обезвреживания больших объемов углеводородных отходов, а в большинстве случаев предпочтение отдается термическим методам их утилизации, то есть сжиганию на факелах. Существующие методы десульфатации нефти, такие как каталитический крекинг, фтористоводородное алкилирование и гидроочистка, высокозатратны и приводят к удорожанию мазута на 600 - 900 руб/т. Однако в нашей стране действует более двухсот мини-НПЗ (нефтеперерабатывающих заводов) с низкой глубиной переработки нефти (до 15-17%) в моторное топливо, остальное используют в котельных или отправляют на переработку за рубеж. Следовательно, проблема очистки высокосернистых топлив от выбросов серы является актуальной задачей.

о

В России ежегодно сжигается на факелах более 20,0 млрд. м попутного нефтяного газа, за рубежом сжигается еще 40,0 млрд. м , что приводит не только к безвозвратным потерям ценного углеводородного сырья, а следовательно и большим финансовым потерям, но главным образом это наносит огромный вред окружающей человека среде. Среди категорий воздействия выбросов серы наиболее значимыми являются:

• токсическое воздействие на человека и увеличение заболеваний людей (онкологические заболевания, отравление оксидами серы и т.д.);

• разрушение озонового слоя атмосферы Земли;

• изменение климата;

• образование фотохимического смога;

• тепловое воздействие на экосистему;

• кислотные осадки;

• эвтропия водоемов.

Все мировое сообщество уже давно обеспокоено сложившейся ситуацией:

- в 1979 г. в Женеве была подписана Конвенция «О трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» (ратифицирована Президентом Верховного Совета СССР 29.04.80г., вступила в силу для СССР 16.03.83г.);

- в 1985 г. в Хельсинки подписан Протокол «О сокращении выбросов серы или их трансграничных потоков по крайней мере на 30% к Конвенции 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния»;

- в 1994 г. в Осло - «Протокол к Конвенции 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» относительно дальнейшего сокращения выбросов серы».

Поскольку, согласно Конституции РФ, международные договора имеют большую силу, чем национальные законы, перечисленные документы являются законодательной базой для работ по сокращению выбросов серы в нашей стране.

Основными направлениями снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха является разработка нормативов содержания загрязнителей в исходных продуктах (серы в топливе), а так же разработка методик определения предотвращённого экологического ущерба. Данные методики сводятся к определению трех показателей [1]:

• массы выбросов за выбранный период времени;

• величины удельного ущерба от выбросов единицы данного

вещества;

• учета района расположения загрязнителей.

Приведенные в Методике (Постановления Правительства РФ от 28 августа 1992 г. №632 «Об утверждении порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия» (с изменениями от 1 июля 2005 г.) и от 8 января 2009 г. «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках») величины удельного ущерба Ууд=47,5 руб/усл. тонн выбросов и коэффициента экологической опасности диоксида серы К=20 дают показатель в 950 руб/т выбросов.

Конечно, некоторое время нефтедобывающим компаниям и предприятиям по переработке в нефтегазовой отрасли, было проще заплатить штраф, чем затрачивать средства на разработку и установку очистных сооружений. Принимая это, Правительство РФ внесло в Государственную Думу проект Закона «Об усилении ответственности за нарушения в области охраны окружающей среды».

Максимальные платежи по проекту должны быть увеличены в 5 раз в 2011 г. и в 20 раз в 2016 г., после чего следует вообще отказаться от нормативов и перейти к применению оптимальных из современных технологий, что предусмотрено Законом «Об охране окружающей среды» 2002 года.

Именно к таким технологиям следует отнести технологию очистки попутного нефтяного газа от сероводорода на основе применения в модульных установках каталитических водных растворов, где в качестве основных элементов используются диспергаторы газа, формируемые на базе мотальных паковок специального назначения из текстильных материалов.

Механизм каталитического разложения сероводорода, содержащегося в попутном нефтяном газе, основан на прохождении газа через водный раствор катализатора (на основе солей железа) с выделением элементарной серы в виде коллоидных частиц, патент РФ [2].

Известно [3], что направление химической реакции и ее скорость зависят от совокупности химических и физических параметров процесса: температуры, давления, времени, агрегатного состояния и соотношения реагентов, применения катализаторов, растворителей, способов подачи и отвода агентов и т.д.

Установление оптимальных условий, позволяющих получать наивысший выход продукта высокого качества, связано со знанием основных закономерностей химической технологии и применением материалов, обеспечивающих требуемые параметры технологического процесса.

Процессы органического синтеза протекают, как известно [4], в кинетической области, вследствие чего общая скорость их определяется с учетом константы скорости, которая подчиняется уравнению Аррениуса [5] .

В технологии органического синтеза применяют различные способы повышения скорости процесса: увеличение движущей силы процесса, константы скорости реакции, поверхности соприкосновения фаз в гетерогенных процессах.

Увеличение движущей силы процесса возможно за счет изменения температуры и давления, а так же за счет снижения энергии активации.

Увеличение поверхности соприкосновения фаз (газ-жидкость) в гетерогенных процессах, идущих в диффузионной области, достигается не только их перемешиванием, позволяющим увеличить константу скорости следствие снижения диффузионных сопротивлений, препятствующих взаимодействию компонентов (замена молекулярной диффузии конвективной), но и за счет применения высокоэффективных диспергаторов газа, которые формируются из текстильных материалов на базе мотальных паковок специального назначения, разработка которых и является целью данной диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• производится сравнительный анализ использования различных текстильных материалов для изготовления диспергаторов газа, удовлетворяющих поставленным задачам;

• исследуются возможные структуры диспергирующих слоев, обеспечивающих оптимальные условия диспергации газов в аппаратах непрерывного действия;

• разрабатываются конструкции аппаратов и диспергаторов газа на базе мотальных паковок специального назначения;

• исследуются аэродинамические показатели мотальных паковок различной структуры;

• разрабатываются конструкции специального мотального оборудования, которые обеспечивают требуемые параметры намотки диспергаторов в виде мотальных паковок специального назначения;

• проводятся теоретические исследования процесса диспергации газа в каталитическом растворе с применением текстильных материалов;

• разрабатывается методика оценки эффективности проведения исследований по внедрению результатов работы в энерго- и ресурсосберегающие технологии переработки попутного нефтяного газа;

• определяется экономическая эффективность внедрения высокоэффективных диспергаторов, формируемых на базе мотальных паковок специального назначения, в аппаратах очистки попутного нефтяного газа от сероводорода, применяемых в нефте- и газодобывающей отрасли.

Методы и средства исследований

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования диспергаторов для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода. В теоретических исследованиях применены методы математического анализа с составлением алгебраических и дифференциальных уравнений.

В экспериментальных исследованиях использовались методы математической статистики со статистической обработкой экспериментальных данных. В качестве средств исследования использованы: мотальное оборудование отечественного и зарубежного производства, фото- и видеокамеры, ПЭВМ.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в том, что:

• впервые процесс перематывания текстильных нитей в мотальные паковки специального назначения используется в качестве основного технологического процесса формирования конечного продукта - диспергаторов газа для аппаратов непрерывного действия, используемых в нефтехимической промышленности;

• разработаны оптимальные структуры диспергаторов, формируемых из текстильных материалов, обеспечивающие требуемые параметры производственных процессов очистки газов от сероводорода;

• разработаны методы определения пористости и проницаемости мотальных паковок с переменными плотностями в осевом и радиальном направлениях намотки нитей на профильный каркас (патрон) диспергатора;

• разработана теория движения газа, выходящего из диспергатора в каталитическом растворе, позволяющая оптимизировать (повы-

сить) скорость химических процессов его очистки в вихревых аппаратах непрерывного действия;

• разработана методика определения величины передаточного отношения от мотальной паковки к нитераскладчику, обеспечивающего формирование слоисто-каркасных, замкнутых и спиралевидных структур намотки мотальных паковок специального назначения;

• разработана оптимальная структура намотки нитей, позволяющая обеспечить высокую степень диспергации газа и его турбулентное движение в каталитическом растворе;

• разработана конструкция мотального механизма для формирования диспергаторов требуемой структуры намотки и заданных типоразмеров;

• создана экспериментальная установка для анализа и изучения эксплуатационных свойств диспергаторов различных структур, формируемых из текстильных материалов;

• разработана конструкция диспергатора, формируемого на базе мотальных паковок специального назначения, обеспечивающего высокую степень диспергации попутного нефтяного газа при его очистке от сероводорода;

• разработана методика расчета экономической эффективности внедрения результатов работы в энерго- и ресурсосберегающие технологии.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработанные текстильные диспергаторы газа, формируемые на базе мотальных паковок специального назначения, позволили создать аппараты непрерывного действия по очистке попутного нефтяного газа от сероводорода;

• созданы на базе текстильных материалов новые диспергирующие устройства, совместимые с различными аппаратами очистки газов от серосодержащих соединений, применяемых в нефтехимической промышленности;

• использование разработанных диспергаторов в аппаратах очистки попутного нефтяного газа позволяет обеспечить требуемую площадь соприкосновения взаимодействующих фаз (газ - каталитический раствор), которая недостижима на конструкциях существующих аппаратах.

Результаты работы внедрены на ОАО «Ульновскнефть» при очистке попутного нефтяного газа на двух установках подготовки нефти «Северная» мощностью 200 и 1000 м /час, планируется внедрение таких установок в ОАО «Самаранефтегаз».

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРГАТОРОВ ГАЗА

Расширение зон антропогенного загрязнения окружающей среды (загрязнений вызванных деятельностью человека), как отмечено в работах [6, 7], вызвало нарастающую потребность в разработке технологий и средств очистки окружающей среды (атмосферы, литосферы и гидросферы). Причем, решение данных вопросов тесно связано с разработкой новых текстильных материалов технического назначения, к которым относятся и диспергаторы газа, применяемые в вихревых аппаратах для проведения физико-химических процессов.

Вихревые аппараты, применяемые в нефтехимической промышленности, относятся к устройствам для проведения физико-химических процессов, а именно процессов абсорбции, десорбции, пылегазоочистки, смешения, охлаждения газов. Они могут также использоваться в металлургической промышленности, например в производстве неорганических кислот и минеральных удобрений, при очистке и переработке нефтепродуктов (попутного нефтяного газа) и т.д. [8]. Недостатками данных аппаратов является сравнительно малое время пребывания жидкости и газа в контакте, поэтому в них затруднительно проводить с требуемой эффективностью медленно протекающие процессы синтеза в системах газ-жидкость-твердое тело. Главной причиной данной проблемы, по-нашему мнению, является несовершенство конструкции диспергаторов (вихревого контактного устройства), которые должны подавать дозированный объем газа в реактор аппарата (в жидкую фазу) с целью их взаимодействия и выделения твердой фазы (осадка).

До настоящего времени в качестве диспергаторов, устанавливаемых в вихревых аппаратах нефтехимического комплекса, текстильные материалы

не применялись. Это было вызв