автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование кавитационно-вихревых аппаратов для проведения процесса очистки нефти от сероводорода

На правах рукописи

МУХИН ИЛЬЯ АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАВИТАЦИОННО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТИ ОТ СЕРОВОДОРОДА

Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы" (Нефтегазовая отрасль)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543605

Уфа-2013

005543605

Работа выполнена на кафедре «Нефтегазопромысловое оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Хафизов Ильдар Фанильевич

Официальные оппоненты:

Уразаков Камил Рахматуллович

доктор технических наук, профессор,

ООО «Малое инновационное предприятие

«Баштехойл» / генеральный директор

Ведущая организация

Фаткуллин Раиль Наилевич

кандидат технических наук, ОАО «Башкирская содовая компания» / заместитель главного инженера по технологии и развитию

Институт «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина (г. Бугульма)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат разослан «24» ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ¿¿Г Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

При выходе из нефтяного пласта так называемой «сырой» нефти в её составе содержатся частицы горных пород, вода, сернистые соединения, а также растворенные в ней соли и газы. Эти примеси вызывают коррозию оборудования и серьезные затруднения при транспортировке и переработке нефтяного сырья. Для экспорта или доставки на отдаленные от мест добычи нефтеперерабатывающие заводы необходима предварительная обработка сырой нефти: из нее удаляютсямеха-нические примеси, вода, соли и твердые углеводороды, так же выделяется газ.

Одним из видов оборудования, используемых для очистки нефти от сероводорода в нефтегазодобывающей промышленности, являются массообменные аппараты. В таких аппаратах осуществляется процесс межфазного переноса вещества. Интенсификация таких процессов дает возможность увеличить производительность технологических аппаратов, уменьшить их габаритные размеры, сократить потребление энергии,снизить металлоемкость и многое другое.

Экстракция, как один из видов массообменных процессов, применяется с целью получения готового продукта в виде насыщенного экстрагента, очистки нефти от нежелательных примесей перед транспортировкой и использованием в технологических процессах.

Одним из перспективных направлений интенсификации экстракционных процессов, является проведение неэквимолярного процесса в аппаратах, конструкция которых позволяет создавать два и более режимов движения потоков, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры устройства, за счет увеличения скорости, турбулизировать поток, повышая тем самым коэффициенты мас-соотдачи. Кроме этого, эффективность перемешивания возрастает, что приводит к увеличению удельной поверхности контакта продукта с сорбентом.

Таким образом, совершенствование конструкций аппаратов для проведения экстракционных процессов путем создания и оптимизации комплексного движения контактирующих потоков является актуальной задачей, позволяющей добить-

ся требований ГОСТ Р 51858-2002 по содержанию сероводорода и лёкгих меркаптанов в товарной нефти.

Цель работы

Целью диссертационной работы является интенсификация массообменных процессов в аппаратах экстракционной очистки нефти.

Основные задачи исследования

На основании вышеизложенного были определены основные задачи исследования:

1. Для определения влияния перепада давления на режим работы аппарата исследовать прямоточное смесительное устройство, выполненное в виде сопла.

2. С целью повышения эффективности массообмена и уменьшения металлоемкости и размеров оборудования разработать конструкцию камеры смешения прямоточногогидродинамического аппарата для улучшения диспергирования-реагента.

3. Провести численное моделирование проектно-конструкторских решений с целью повышения эффективности массообмена в системе «жидкость-жидкость».

4. Проверить в опытно-промышленных условиях результаты теоретических расчетов и проектно-конструкторские решения.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: экспериментальный метод определения характеристикпрямоточных статических гидродинамических кавитаторов; численное моделирование гидродинамических процессов с применением метода конечных элементов.

Научная новизна

1. Предложено при расчёте гидродинамическихкавитационныхаппаратов учитывать давление насыщенных паров сероводорода в процессе образования кавитации.

2. Установлено, что максимальный эффект диспергированиянесмеши-вающихся жидкостей в статических гидродинамических аппаратах достигаетсяпри

их прямоточном движении, иполучены зависимости степени диспергирования от расстояния от среза сопла форсунки до рассекателя и угла раскрытия рассекателя.

Практическая ценность

Предложена и исследована конструкция прямоточного массообменного устройства, использование которой позволяет интенсифицировать массообменный процесс экстракционного поглощения из нефтяной смеси высокотоксичных меркаптанов и сероводорода.

Предложенная конструкциястатического гидродинамическогоаппарата была испытана ивнедрена наузле первичной подготовки нефтипредприятия ООО «Бай-текс»для предварительной очистки нефти от сероводорода.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:62-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ(Уфа, 2011 );11 Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа,2011);научно-технических семинарах кафедры «Нефтега-зопромысловое оборудование» УГНТУ

Публикации

Основное содержание работы изложено в 4статьях,опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, вошедших в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, включающего 102наименования, изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит32рисунка, 15таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрены конструкции массообменных аппаратов для проведения процесса абсорбции, приведено их сравнение с выявлением основных достоинств и недостатков.Проведенный литературный анализработ Рамма В.М., Дытнерского Ю.И., Касаткина А.Г., Цибровского Я.Н., Хафизова Ф.Ш., Хафизова И.Ф. и других показал, что перспективыувеличенияКПД колонных аппаратов за-трудненоограничением, накладываемым гидродинамическим сопротивлением, создаваемым развитой структурой каналов, что обуславливает невысокие значения коэффициентов массоотдачи, следовательно, коэффициентов массопередачи. Поэтому более подробно рассмотрен процесс массобмена в распыливающих абсорберах и способы реализации основных направлений его интенсификации.

Особая роль в интенсификации технологических процессов, как отмечают Меркулов А.П.,Мухутдинов Р.Х., Систер В.Г.,Уразаков K.P., Ишмурзин А.А.,Пиралишвили Ш.А., СусловАД., Хафизов И.Ф. и другие,принадлежит прямоточным аппаратам вихревоготипа, так как при вихревом движении даже в устройствах небольших размеровза счет одновременного вращательного и поступательного движения можно проводить массообменный процесс назначительныхскоро-стях(то есть с высокой степенью турбуллизации потоков) и с развитой неустойчивой межфазной поверхностью.

Кроме этого,в данной главе по работам Хафизова И.Ф.,Исмагилова Ф.Р., Аминова О.Н., Босняцкого Г.П., Семеновой Т.А.,Николаева В.В.и др. проведен анализ способов удаления сероводорода, из которого следует, что в настоящее время наиболее перспективным методом сероочистки является хемосорбция, по-этомунеобходимо совершенствовать и разрабатывать конструкции устройств для проведения данного процесса.Бып проведён анализ основных разновидностей гидродинамических кавитаторов, а также описаны конструкции разработанных устройств повышенной эффективности.

Экспериментальные проверки, выполненные Я. И. Френкелем показали, что разрыв жидкостей происходит не в объеме, а на границе раздела жидкости и какой-либо твердой поверхности (взвешенные в жидкости частицы, стенки сосуда и так далее), а прочность жидкостей оказывается на 5...6 порядков ниже теоретической прочности, что являлось основанием для дальнейшей работы и изучения процесса распада вязких жидкостей.

Для сравнения между собой прямоточных устройств смешения в данной главе представлена система критериев для оценки эффективности работыподобных устройств. По разработанной системе к основным характеристикам прямоточных гомогенных смесителей, по аналогии с механическими мешалками,отнесены:

- потери энергии:в прямоточных смесителях смешение происходит за счет энергии потока, поэтому величиной, характеризующей потери энергии, можно считать потерю напора потока на смесительном участке аппарата, включающем зону подвода, перемешивающее устройство и зону стабилизации движения;

- интенсивность перемешивания: количественную оценку интенсивности перемешивания прямоточных смесителей связали с геометрическими размерами устройства. Так, в трубах круглого сечения интенсивность перемешивания может характеризоваться отношением диаметра трубы к длине смесительного участка аппарата.

- эффективность перемешивания: эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания.

Во второй главе на основе лабораторного исследования массообменных процессов и аппаратов для их осуществления, процессов смешения, создания дисперсной среды,разработана конструкция смешивающего устройства, предназначенного для эффективного взаимодействия компонентовмассообменного процес-са.Жидкость поступает в устройство для диспергирования, в котором при выходе из сопла форсунки происходит местное локальное падение давления вместе с разрушением струи.

Диспергирование капель, как отмечают Пажи Д.Г., Головачевский Ю.А.,Кулагин Л.В.,Бородин В.А.,Дытнерский Ю.И.,происходитпод действием

внешних и внутренних сил.К внешним силам относятся силы, возникающие при взаимодействии распыляемого компонента со средой, в которую он впрыскивается. К внутренним относятся силы, возникающие при турбулентных пульсациях,а такжемолекулярные силы. На физические свойства жидкости при заданных технологических условиях повлиять практически невозможно. Максимальный размер капельограничиваетсяв зависимости от скорости истечения, так как крупные капли, образующиеся на первоначальном этапе, даже при небольшом воздействии деформируются и разрушаются, в результате чего получаются более мелкие. Поэтому главным критерием, определяющим режим диспергирования жидкости на выходе из сопл в целом, является разность скоростей капли жидкости и окружающей ее среды.

На основании вышеизложенногобыла разработана конструкцияустройствас-мешения жидкой фазы (рисунок 1).

1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 - канал для жидкости; 4 — крепёжный болт, 5 - рассекатель

Рисунок 1 - Общий вид устройства

Разработанное устройство состоит из входного патрубка 2, корпуса 1 с каналом для жидкости 3 и рассекателя 5. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что выходное сопло спроектировано таким образом, что способствует образованию зоны кавитации за счёт сужения проходного сечения канала и конусообразного рассекателя (рисунок 1).

Жидкость через патрубок 2 поступает в канал 3 корпуса 1, по которому равномерным потоком попадает в сопло. В зоне сопла за счет уменьшения площади проходного сечения канала увеличивается скорость потока. Далее жидкость поступает в рабочую зону сопла, откуда попадает в зону расширения, в которой струя попадает на рассекатель 5.

Канал в корпусе форсунки предназначен для соединения входного патрубка круглого сечения с входным сечением сопла, имеющим форму боковой поверхности усеченного конуса. Для равномерного подвода жидкости к соплу необходимо избегать пульсаций скорости.

Для исследования характеристик вихревых смесителей использовали компьютерное моделирование с применением программного комплекса ANS YS 12. Данный продукт предназначен для расчета широкого спектра инженерных задач, в том числе исследованиягидро- и газодинамических моделей (вместе с сопряженными процессами тепло- и массопереноса) в широком диапазоне чисел Рейнольд-са и Маха в произвольных двух и трехмерных областях.

Течение рассчитывалось с учетом действия силы тяжести (g = 9,81 м/с 2).

В задаче использовалась модель двухфазного течения: жидкая фаза - продукт и реагент в жидком состоянии; газообразная фаза - продукт и реагент в виде однородного пара. Реагент, продукт и смесь паров непрерывно распределены по всему объему и их массовые доли связаны соотношением

Hlreagent ^ rHproduct Hlyapour — 1 > (1)

где mreage„t - массареагента; mprodllct-Macca продукта; ттароиг-масса смеси паров.

В задаче учитывались турбулентный характер течения, конвективный теплообмен,кавитационный массоперенос.

Исходные данные, использованные при численном моделировании: давление перехода жидкой фазы вгазообразную 2480 кПа; массовый расход продукта 1,11 кг/с; температура продукта 20°С; массовый расход реагента 0,0022 кг/с; температурареагента 20°С; избыточное давление на выходе из сопла 20000 Па.

Рисунок 2 иллюстрирует распределение давлений в продольной плоскости камеры смешения. Красная область - избыточное давление выше 2000 кПа, синяя область - избыточное давление ниже 1000 кПа. Выбор такой шкалы обусловлен тем, что необходимо выявить зону возникновения кавитации в пределах давления насыщенных паров сероводорода 1010 кПа при температуре 0 °С.

Pressure Contour 2

~Т 1965 517 1896.552 1827.566 1758 621 1689 655 1620 690 1551 724 1482 759 1413 793 1344 826 1275 862 1206 396 1137 931 g 1068 966 ш 1000 000

Рисунок 2 - Распределение статического давления в осевом сечении камеры смешения

На рисунке 3 показано векторное поле абсолютной скорости жидкой фазы. Из сопоставления рисунков2 и 3 видно, что кавитация возникает в зоне интенсивного вихреобразования вокруг рассекателя.

Рисунок 3 - Векторное поле скоростей жидкой фазы в продольной плоскости камеры смешения

Критерием высокой степени смешения продукта и реагента является отсутствие в расчетной области высоких массовых долей продукта. Условно зададимся значением массовых долей продукта от 0,3 до 1. На рисунке 4 приведено распределение продукта по расчетной области, где его массовая доля превышает 0,3. Из рисунка 4 видно, что за зоной кавитации массовая доля продукта не превышает 0,3, следовательно, продукт и реагент достаточно равномерно распределены по расчетной области.

Рисунок 5 иллюстрирует распределение паров продукта и реагента по расчетной области. Как видно из рисунка 5, кавитация происходит только вблизи рассекателя.

Рисунок 4 - Распределение продукта с массовой долей выше 0,3

Рисунок 5 - Распределение паров продукта и реагента

0.118

«ароигМаее РгасСоп

/оіигпе 1 0.216

В третьей главена основании полученных результатов рассмотрено три сценария истечения жидкости из отверстия при различных расходных характеристиках (3: 7; 5; 3 м3/ч. На рисунках 6, 7 приведены результаты исследования скорости истечения и давления жидкости при различных расходных характеристиках.

180

160

140

о

1 120

•д

н

и о 100

п.

о

и 80

60

40

20

0

ч X

/ >

•

у

______в--1 „ 1—__ \

Т------ ^—

—-

0123456789 10 Координата по оси движения жидкости х, мм

-Ш-0=Зм3-'ч -*-д=5м3 ч —♦~0>=7м3 'ч

Рисунок 6 - Зависимость скорости истечения жидкости от различных расходных значений

Координата по "оси движения жидкости х, мм

10

-И-(5=Зм'/ч - <3=5м3ч —♦—0=7м3/ч Рисунок 7 - Зависимость давления от различных расходных значений

Для исследования влияния угла раскрытия рассекателя, используемого в смесительном устройстве, на образование зоны кавитации были рассмотрены три варианта модели с углами раскрытия 20°, 45°, 60° и сопоставлены с различными расходнымизначениями. Результаты моделирования представлены на рисунках 8 и 9.

12

10

СО

С

и г

К 6 X

Щ

И ш со

« 4

и §

о и

I2

н

и

0

\

\

г

Р.. ^^ 2...... "в»" г

0 2 4 б 8 10

Координата по оси движения жидкости х, мм

НВ-С1=Зм3 Ч,а=45° -*-Ц=5м3Ч а=45° -*-0.=7м; ч, а=45°

-#-Ц=Зы3 ч, а=60° -Ж-а=5м3 ч 'У=60° -*-Ц=7м3 ч а.=60°

Ц=Зм3 4,0-20° ц=5м3 ч, а-20° Ц=7ы3 ч, а=20°

Рисунок 8 - Изменение давления при различных углах раскрытия и расходных характеристиках

Координата по оси движения жидкости х, мм -•-0=3 ы3 ч, а=45° -*-Ц=5 м' ч, а=45° -#-0=7 м3 ч, <:х=45°

-•-0=3 м3 ч, а=60° -*-0=5 ы3 ч, а=60° -*-0=7 ы3ч, а=60°

Рисунок 9 - Зависимость скорости истечения из соплапри различных углах раскрытия и расходных характеристиках Из полученных данных следует, что образование области кавитации происходит практически при всех рассмотренных расходных значениях. При наименьших расходных характеристиках длительность нахождения продукта в области пониженного давления была наибольшей, что обуславливается балансом между напором жидкости из сопла и гидростатическим давлением столба жидкости в приёмнике. Дальнейшее нагнетание, также как и уменьшение напорных характеристик, приводило к черезмерному увеличению гидродинамического сопротивления и прекращению образования кавитации в результате недостаточного напора соответственно.

Для определения влияния расстояния от среза сопла до рассекателя на образование зоны кавитации былирассмотрены три модели с различными расстояния-

ми Ь:2 мм;3,5 мм; 5,5 мм(рисунок 10). Результаты численного моделирования приведены на рисунке 11.

Ь

Рисунок 10 - Схематичное изображение исследуемого объекта

2 4 6

Координата по оси движения жидкости х,мм —«—1=2 мм -в- 1=3,5 мм • . 1=5.5 мм

Рисунок 11 -Зависимость давления от расстояния до рассекателя при угле раскрытия 20° и расходе жидкости <3=5м3/ч

Полученные в результате расчета данные показывают, что влияние расстояния от среза сопла до рассекателя на локальное падение давления оказывается сильнее, чем изменение напорных характеристик и угла раскрытия.

Так при расстоянии Ь=2 мм падение давления ниже требуемого не происходит. Также местное сужение вызывает значительное гидродинамическое сопротивление, что негативно сказывается на производительности аппарата.

При расстояниях Ь=3,5мм и Ь=5мм были получены оптимальные для заданных характеристик результаты. Дальнейшее увеличение расстояния нецелесообразно в виду выхода рассекателя за зону образования кавитации.

Проверку данного предположения проводили на смесительном устройстве с параметрами:Ь=5мм, угол раскрытия а=60°.

В четвёртой главе была проведена апробация результатов моделирования.

Основным недостатком применяемого способа очистки нефти от сероводорода методом отдувки (рисунок 12) является дороговизна оборудования, и как следствие из этого невысокий потенциал масштабируемости в случае наращивания производительности куста.

Рисунок 12. - Технологическая схема очистки нефти от сероводорода методом

отдувки

Исходная нефть, поступающая на узел первичной подготовки (поток1), после первой и второй ступени сепарации в сепараторах 1 и 2 поступает в резервуар-отстойник 3, где происходит первичное разделение на фракции нефти и воды. Вода выводится потоком II, отстоявшаяся нефть подогревается впаровом подогрева-

теле 4 до температуры 20...60 °С, после происходит процесс обессоливания в электродегидраторе5, затем поток направляется в отдувочную колонну 6, заполненную различными насадками, например кольцами Рашига. В нижнюю часть колонны 6 потокомШподаётся отдувочный газ, который вытесняет из нефти агрессивные компоненты, после чего он направляется насобственную очистку(поток IV), либо сбрасывается на факел дожига. Очищенная нефть освобождается от от-дувочного газа в сепараторе 7 ипотокомУпокидает установку. В качестве отду-вочного газа обычно применяют попутный углеводородный газ без его предварительной очистки от сероводорода.

Для улучшения процесса очистки нефти была предложена схема экстракционной очистки нефти с применением реагента ПСМ-1, представленная на рисунке 13. Схема отличается тем, что в ней колонна отдувки заменена на статический гидродинамический аппарат, отсутствует сепаратор для удаления отдувоч-ных газов, на вход статического гидродинамического аппарата подмешивается реагент.

Рисунок 13 - Предлагаемая схема экстракционной очистки Основываясь на результатах численногомоделирования был выбран режим работы статического гидродинамического аппарата при котором кавитация протекает в оптимальном режиме. Во время испытаний для замера интенсивности звуковых колебаний, образующихся во время кавитации применялсяпьезоэлектриче-ский гидрофон. Исследованияпо влиянию расхода в гидродинамическом аппара-

тена величину электрического сигнала (спектральный диапазон 10-4000 Гц) с гидрофона позволили получить следующую графическую зависимость (рисунок 14).

0 - - --------- ------ ------- ----------- ----------

0 1 2 3 4 5 6 7

Расход, м3 час

Сигнал с гидрофона

Рисунок 14 - Зависимость интенсивности звуковой волны с гидрофона от напора при зазоре Ь=5мм

На Байтуганском месторождении ООО «Байтекс» были проведены промышленные испытания в следующем объёме: на образцах товарной нефти в лабораториях ООО «Байтекс» были проведены исследования по нейтрализации сероводорода и легких меркаптанов, включающие определение этих компонентов в исходной нефти.

В таблице 1 приведены данные по показателям качества в очищенной и неочищенной нефти.

Без применения гидродинамического аппарата содержание сероводорода в нефти снизилось с 300,5 ррт(0,03%)до 30,75ррт(0,003%), с применением статического гидродинамического аппарата с 300,5 до 7,3 ррт(0,0007%), что показывает снижение количества сероводорода на 23% и, как следствие, увеличение эффективности процесса очистки от сероводорода.Это позволяет довести нефть до нормативного требования по содержанию сероводорода до 1 вида.

Согласно требований ГОСТ Р 51858-2002 к нефти вида 2 массовая доля сероводорода не должна превышать 100 ррш(0,01%), к нефти вида 1 - 10 ррш (0,001%).

На основании проведенного лабораторного испытания можно сделать следующее заключение:применение гидродинамического аппарата позволяет значительно повысить степень очистки нефти от сероводорода.

Таблица 1 - Результаты опытно-промышленных испытаний, проведённых в ООО «Байтэкс»

Точка отбора Дата отбора Содержание сернистых соединений, ррш (хроматографический метод анализа)

Н28 СНзЭН СзНзБН сумма

Товарная нефть 04.05.2011г. 300,530 3,631 14,378 318,540

Товарная нефть + реагент «ПСМ-1» 04.05.2011г. 30,75 1,61 3,55 35,91

Товарная нефть + реагент «ПСМ-1» с применением статического гидродинамического аппарата 04.05.2011г. 7,3 1,1 1,87 10,27

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Предложена конструкция прямоточного устройства для нефти, использование которой позволит интенсифицировать процесс экстракционного поглощения сероводорода из нефтиза счет оптимизации движения контактирующих потоков. Разработанное устройство испытано и внедрено на дочернем предприятииООО «Байтекс»для предварительной очистки нефти от сероводорода.

2 Предложена конструкция камеры жидких фаз, предназначенная для эффективного взаимодействия компонентов на начальном этапе процесса под действием кавитационных эффектов.

3 Построена математическая модель движения потоков жидкостив статическом гидродинамическом смесителе с конусообразным рассекателем, на ос-

нове которой доказана возможность эффективного использования энергии струи для создания области кавитации.

4 Получены зависимости основных характеристик прямоточных статических гидродинамических аппаратов с конусообразным рассекателем от их геометрических размеров.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Хафизов, И.Ф.Имитационное моделирование смесителя с целью изучения волновых процессов [Электронный ресурс] / И.Ф. Хафизов, И.А. Мухин, Д.Б. Доронин II Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". -2012. -№4. - С. 457-465.

2 Хафизов, И. Ф. Разработка модели прямоточного смесителя для двухфазных систем [Электронный ресурс] / И.Ф. Хафизов, И.А. Мухин, A.B. Краснов, //Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". -2012. -№6. -С. 425434.

3 Хафизов, И.Ф. Имитационное моделирование смесителя горизонтального абсорбера с целью изучения волновых процессов [Текст] / И.Ф. Хафизов, И. А. Мухин И Нефтегазовое дело. - 2012. - Т.10.-№2. -С. 75-78.

4 Хафизов, Ф.Ш. Применение кавитационно-вихревого эффекта в аппарате абсорбции сернистых соединений из нефти [Текст] / Ф.Ш. Хафизов, H.H. Закиров, И.Ф. Хафизов, П.В. Доронин, И.А. Мухин И Известия ВУЗов. Нефть и газ. -2012. -№4(94). - С. 67-69.

Подписано в печать 22.11.2013 Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 90 экз. Заказ 202 Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

На правах рукописи Экземпляр №_

04201 455724

МУХИН ИЛЬЯ АНДРЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАВИТАЦИОННО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТИ ОТ

СЕРОВОДОРОДА.

Специальность 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (Нефтегазовая отрасль)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент И.Ф. Хафизов

Уфа-2013г.

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Массообменные процессы. Анализ конструктивных особенностей аппаратов для очистки нефти от сернистых соединений, кавитационно-вихревых устройств и теоретические исследования их работы в нефтяной промышленности.....................................................................................................7

1.1 Массообменные процессы. Основы сорбционных методов очистки..........7

1.2 Общие сведения о процессе абсорбции. Классификация и применимость. ..................................................................................................................................13

1.3 Существующие схемы сорбционных установок..........................................17

1.3.1 Схемы установок с однократным использованием поглотителя............18

1.3.2 Специальные схемы, нашедшие своё применение на производстве......18

1.4 Распространённые способы очистки нефтяных фракций от сераорганических соединений. Анализ применимости.....................................22

1.5 Режимы движения жидкостей, их зависимость от скорости течения

жидкости.................................................................................................................26

1.6. Влияние волновых воздействий на интенсивность переработки углеводородного сырья и перспективы применения.........................................27

1.7 Статические гидродинамические кавитаторы..............................................34

1.8 Выбор прототипа аппарата интенсификации массообменных процессов.

Выявление его достоинств и недостатков...........................................................41

Глава 2. Методы и объекты исследований..........................................................43

2.1 Процесс смешения жидких сред....................................................................43

2.2. Кавитация как интенсификатор в процессах нефтепереработки..............48

2.3 Дробление дисперсной жидкости..................................................................53

2.4 Описание предложенной конструкции и принципа работы диспергирующего устройства..............................................................................59

2.5 Оценка гидравлического сопротивления устройства..................................60

Глава 3 Разработка конструкции и методики расчета устройства для смешения жидкостей.............................................................................................69

3.1 Описание конструкции и принципа работы смесителя...............................69

3.2 Методика расчёта волнового смешивающего аппарата. Изменение скорости в канале сопла........................................................................................69

3.3 Наличие кавитации, её устойчивость, связь с давлением насыщенных паров........................................................................................................................74

3.4 Давление насыщенных паров.........................................................................76

3.5 Параметры моделируемой задачи..................................................................78

3.6 Визуализация и анализ результатов расчета.................................................79

3.7 Исследование влияния расстояния от среза сопла до плоскости

дефлектора..............................................................................................................91

ГЛАВА 4. Аппробация результатов моделирования.........................................97

Основные выводы................................................................................................103

Список использованных источников.................................................................105

Введение

Актуальность темы исследования.

При выходе из нефтяного пласта так называемой «сырой» нефти в её составе содержатся механические примеси, вода, а также соли и газы в растворённом виде. Все они вызывают коррозию и серьезно затрудняют транспортировку и переработку нефтяного сырья. Для транспортировки на нефтеперерабатывающие заводы, которые как правило отдалены от мест добычи, или экспорта нефти и нефтепродуктов необходима предварительная обработка сырой нефти. Из нее удаляются механические примеси, вода, соли и твердые углеводороды, так же выделяется газ.

Массообменные аппараты - один из видов оборудования используемых для очистки нефти в нефтедобывающей промышленности. В этих аппаратах происходит процесс межфазного переноса вещества. Интенсификация таких процессов дает возможность увеличить производительность, уменьшить их габариты, уменьшить потребление энергии, снизить металлоемкость и многое другое.

Экстракция, как один из видов массообменных процессов находит применение в получении готового продукта в виде экстрагента, очистки нефти от примесей перед началом транспортировки и использованием в технологических и других процессах.

Одно из направлений интенсификации экстракционных, как и других видов тепло и массообменных процессов, имеющих наибольшую перспективу - проведение неэквимолярного процесса в аппаратах конструкция которых, позволяет создавать создавать несколько режимов движения потоков, что позволяет за счет увеличения скорости протекания, турбуллизировать поток, повышая тем самым коэффициенты массоотдачи. Также возрастает эффективность перемешивания, что приводит к увеличению удельной поверхности контакта продукта с сорбентом.

Таким образом, совершенствование конструкции устройств для проведения экстракционных, и других видов массообменных процессов,

путем оптимизации комплексного движения контактирующих потоков является актуальной задачей промышленности.

Целью диссертационной работы является интенсификация массообменных процессов в аппаратах экстракционной очистки нефти.

На основании всего вышеизложенного, были определены основные задачи исследования:

1. Для определения влияния перепада давления на режим работы аппарата исследовать прямоточное смесительное устройство, выполненное в виде сопла.

2. С целью повышения эффективности массообмена и уменьшения металлоемкости и размеров оборудования разработать конструкцию кавитационно-вихревого аппарата для улучшения смешения сорбента с продуктом.

3. Провести численное моделирование проектно-конструкторских решений с целью повышения эффективности массообмена в системе «жидкость-жидкость».

4. Проверить в опытно-промышленных условиях результаты теоретических расчетов и проектно-конструкторские решения.

Научная новизна

1. Предложено при расчёте гидродинамических кавитационных аппаратов учитывать давление насыщенных паров сероводорода в процессе образования кавитации.

2. Установлено, что максимальный эффект диспергирования несмешивающихся жидкостей в статических гидродинамических аппаратах достигается при их прямоточном движении, и выявлены зависимости степени диспергирования от расстояния от среза сопла форсунки до рассекателя и угла раскрытия рассекателя.

Практическая значимость

Предложена и исследована конструкция прямоточного массообменного устройства, использование которой позволяет интенсифицировать массообменный процесс экстракционного поглощения из нефтяной смеси высокотоксичных меркаптанов и сероводорода.

Конструкция кавитационно-вихревого абсорбера была испытана и внедрена на предприятии ООО «Байтекс» для установки предварительной очистки нефти от сероводорода.

Основные результаты работы докладывались:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 62-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011); Научно-технических семинарах кафедры НГПО УГНТУ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, включающего 102 наименований; изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 15 таблиц.

Работа выполнена на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность» федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Основное содержание работы изложено в 4 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, вошедших в перечень ВАК РФ.

Глава 1. Массообменные процессы. Анализ конструктивных особенностей аппаратов для очистки нефти от сернистых соединений, кавитационно-вихревых устройств и теоретические исследования их работы в нефтяной промышленности

1.1 Массообменные процессы. Основы сорбционных методов очистки.

Процессом массообмена называют переход под действием диффузии одного или нескольких компонентов однокомпонентных или многокомпонентных смесей из одной фазы в другую: из газовой в жидкую или твердую, из жидкой - в твердую или в другую жидкую и, также, обратном направлении [1-5].

Авторы [1,3] различают два варианта массообмена однонаправленный и взаимный. В первом варианте вещество переходит из одной фазы в другую, а во втором — взаимный переход веществ между фазами.

Массообмен в себя включает: массопередачу - перенос вещества через поверхность раздела фаз из одной фазы в другую и массоотдачу - перенос вещества вглубь фазы от границы раздела. На рисунке 1.1 дана классификация и взаимосвязь существующих массообменных процессов.

Л

ТЕПЛОМАССО -

ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Зонная плавка

Кристаллизация

Сушка

Набухание

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Сублимация (возгонка)

Дистилляция Растворение

Адсорбция

Десорбция

Ионный обмен

Увлажнение

ЭКСТРАКЦИОН -НЫЕ ПРОЦЕССЫ

ЗЛЕКТРОДИФ

ФУЗШНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Зкстрагмрова ние из таер -дых вешестз

Электрофорез

Экстрагирование из жидкостей (жидцост-ная зкстрак-ция)

МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Ультрафкяьтраиия микрофмльтраикя

ЭлеюроосмаФильтрэиия

Диализ

Разделение на жидки* мембранах

Электродиализ

Экстракция через мембрану

Обратный осмос

Злектроосмос

Испарение через мембрану

Термоос^ос

Мембранное газораз деление

Рисунок 1.1 Классификация существующих массообменных процессов

Перенос массы вещества происходит с помощью двух механизмов: диффузии и конвективного массообмена.

Диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - молекулярный перенос вещества в среде, вызванный разностью концентраций (концентрационная диффузия), давлений (бародиффузия) и температур (термодиффузия). Конвективный массообмен - перенос массы, вызванный совместным действием конвективного переноса диффузии и вещества [1-7].

В общем случае процесс массообмена совершается в три последовательных стадии: диффузия переходящего вещества в объеме одной фазы по направлению к межфазной поверхности, переход через последнюю и диффузия в объеме второй фазы.

Массообменные процессы включают в себя:[2,6,11]

- дистилляцию (частный случай - ректификация);

- абсорбцию;

- экстракцию;

- адсорбцию;

- кристаллизацию;

- сушку;

- ионный обмен.

Рассмотрим, что представляют собой данные процессы.

Дистилляция (от лат. distillatio — стекание каплями) - процесс деления жидкостей на фракции, основывается на разнице температур кипения многокомпонентной жидкости (процесс, аналогичный перегонке)[6].

Ректификация (от лат, rectus — прямой и fació — делаю) -тепломассообменный процесс[5]. Основан на неравномерном распределении компонентов смеси между газовой и жидкой фазами. В процессе ректификации потоки пара и жидкости, двигаясь в противотоке, непрерывно контактируют друг с другом в противоточных аппаратах колонного типа с

элементами, способствующими развитому контакту фаз (кольца Рашига, тарльчатые насадки) при этом пар, частично выходящий из аппарата возвращается обратно в процессе конденсации или испарения (для жидкости). [7]

Данное движение контактирующих потоков обязательно сопровождается процессами тепломассообмена. Эти процессы на каждой стадии контакта протекают до состояния равновесия; при этом восходящие потоки газа непрерывно обогащаются менее низкокипящими компонентами, а стекающая жидкость — более низкокипящими.

Абсорбция (от лат. absorptio от absorbere — поглощать) - процесс поглощения газообразных компонентов жидким поглотителем. Газообразные компоненты растворимы в жидкости в той или иной степени. Обратный процесс - десорбция (от лат. de — приставка, означающая удаление, и sorbeo — поглощаю) - выделение растворенных газов из раствора.[2,5,10]

Экстракция (от лат. extractio - извлечение), процесс перевода одного либо нескольких компонентов из одной жидкой фазы в смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую экстрагент [2,5].

Адсорбция - (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю), процесс изменения концентрации вещества непосредственно в зоне поверхности раздела фаз (так называемое "поверхностное поглощение"). В общем случае причиной адсорбции является разность межмолекулярных сил вблизи такой поверхности.

Тело, участвующее в таком процессе, называется адсорбентом. Вещество, молекулы которого могут адсорбироваться - адсорбтивом. Вещество в конечном виде - адсорбатом. Процесс, противопоставленный адсорбции, является десорбцией[1-7].

Кристаллизация - переход вещества из жидкого, газообразного (парообразного) или твердого аморфного состояния в кристаллический вид. Также как, из одного кристаллического состояния в другое (вторичная кристаллизация или рекристаллизация); фазовый переход первого рода[1-7].

Ионный обмен - процесс обратимого относительного (стехиометрического) обмена ионами между двумя контактирующими между собой фазами. Обычно одна из фаз представляет собой раствор электролита, другая является ионитом[1-7].

Проведя соответствие с двумя возможными способами, которыми возможно выразить движущую силу процесса массопередачи для газовой

фазы (Ду-у*—у) или жидкой фазы (Лх=х—х*) - уравнение массопередачи,

аналогичное уравнению теплопередачи, возможно сформулировать следующим образом:

М=К}ЛУсрРг (1.1)

Или

М=Кх£ассрРт (1.2)

где М - расход компонента, перемещающегося между фазами, кмоль/с;

Б - площадь поверхности массопередачи, м2;

Ку - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Ау, которая выражена через мольные доли компонента парогазовой фазы, кмоль/(м -с);

Кх - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Ах, которая выражена через мольные доли компонента в жидкой фазе, кмоль/(м -с);

Ауср и Дхср - соответствующие усреднённые для процесса масообмена движущие силы.

Подобно теплообмену, массообмен возможно охарактеризовать количеством вещества М, которое переходит из одной фазы в другую (диффузионный поток) за время т, которое пропорционально движущей силе процесса Ауср (Ахср) и площади поверхности массопередачи Б[4].

Величины расхода компонента М, площади поверхности масоотдачи F и времени т связаны между собой коэффициентом пропорциональности К, называемым коэффициентом массопередачи [1-7].

Если принять определенные допущения, такие как - отсутствие диффузионного сопротивления при переходе компонента через поверхность раздела фаз, существование равновесия на поверхности раздела фаз, линейность уравнения равновесия у * = тх или = тх + Ь, представляется возможным вывести следующие зависимости между коэффициентами массопередачи Ку и Кх и фазовыми коэффициентами массоотдачи (Зу и (Зх:

Ку =

т

РУ Р-х '

1 1

mfi /3-х

(1.3)

(1.4)

где ш - тангенс угла наклона линии равновесия.

Коэффициенты массопередачи и массоотдачи можно выразить в кмоль/(м -с)

Знаменателями этих уравнений являются: общее диффузионное сопротивление, которое равное сумме диффузионных сопротивлений жидкой и газовой (паровой) фаз.

Когда диффузионное сопротивление сосредотачивается в газовой

ТУ1 1

(паровой) фазе, т.е. при —«—, КУ~РУ

А Ру

Когда диффузионное сопротивление сосредотачивается в жидкой

, 1 ^ 1 т- л Кх

фазе, т.е. при-«—, Ку ^ —.

т-ру рх т

1.2 Общие сведения о процессе абсорбции. Классификация и применимость.

Абсорбцией является процесс избирательного поглощения компонентов абсорбентом - иначе жидким поглотителем [1-7].

Если поглощаемый газ, именуемый абсорбтивом - химически не взаимодействует с абсорбентом, то данную абсорбцию называют физической.

И напротив, если абсорбтив стремится образовать с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс принято называть хемосорбцией.

В промышленности очень часто встречается сочетание обоих и того, и другого видов абсорбции.

Физическая абсорбция, как правило, обратима[7].

На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - иначе десорбция.

Десорбцию газа проводят во время отгонки его в токе водяного пара или инертного газа. Для этого требуется соблюдение условия подогрева абсорбента, либо снижения давления над ним.

Отработанные после хемосорбции абсорбенты направляются на регенерацию, где их нагревают или воздействуют на них химичес