автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование вихревых сепараторов для промысловой подготовки нефтяных газов

На правах рукописи

КУПАВЫХ АНДРЕЙ БОРИСОВИЧ

Совершенствование вихревых сепараторов для промысловой подготовки нефтяных газов

Специальность 05.02.13 — «Машины, агрегаты и процессы» (Нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа- 2004

Работа выполнена в ООО НГДУ «Туймазанефть».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, старший научный

сотрудник

Ахсанов Ренат Рахимович;

Защита состоится « 1 » апреля 2004 года в 11-30 на заседании диссертационного совета Д.212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 1 » марта 2004 года.

кандидат технических наук, доцент Зотов Алексей Николаевич.

Ведущая организация : БашНИИнефтемаш (г. Уфа).

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение качества конечного продукта в настоящее время достигается за счет интенсификации производства, которая обеспечивается как за счет роста скоростей химических реакций, температуры и давления (параметров технологического процесса), так и за счет разработки и применения принципиально новых технологий и воздействий на ход технологических процессов.

В нефтегазовой отрасли при подготовке газа для дальнейшей транспортировки проводят его обезвоживание и очистку от сероводорода. Для этого используют аппараты, имеющие низкий к.п.д., большую металло- и энергоемкость. Вследствие низкого к.п.д. аппаратов очистка газа от сероводорода и его обезвоживание осуществляется неудовлетворительно при значительных энергетических и материальных затратах.

В последние годы широкие возможности для интенсификации процессов за счет новых технологий и воздействий создает применение аппаратов, работающих на принципах кавитационно-вихревых эффектов.

В связи с этим разработка и внедрение в нефтегазовую отрасль аппаратов повышенной эффективности, работающих на принципах кавитацион-но-вихревьрс эффектов, является одной из актуальных задач.

Целью диссертационной работы является совершенствование ап: паратов, работающих на принципах кавитационно-вихревых эффектов, позволяющих осуществить в промысловых условиях осушку и очистку газов от сероводорода.

Основные задачи исследования:

1 .Экспериментальное обоснование закономерностей течения и взаимодействия расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве.

2. Совершенствование и создание новых конструкций вихревых устройств, работающих на принципах кавитационно-вихревых эффектов.

3. Опытно-промышленное апробирование вихревых устройств на многокомпонентной газовой смеси.

Научная новизна

1. Получены эмпирические зависимости степени дегазации, позволяющие рассчитать и оптимизировать конструктивные параметры вихревых закручивающих устройств для заданной производительности.

2. Предложены принципы модернизации существующих вихревых устройств и создания вихревых аппаратов для крупнотоннажных производств, обеспечивающих устойчивое вихревое закрученное течение внутри аппарата, а также селективное выделение газа из жидкости и жидкости из газа.

Практическая ценность

Предложен метод расчета селективного выделения газа из жидкой фазы, а также жидкой фазы из газа в закрученном потоке вихревого устройства. Разработана конструкторская документация, и изготовлено вихревое устройство, которое внедрено на установке очистки газов от сероводорода ОАО «Татнефтегаз» для регенерации отработанного моноэтаноламина.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались;

- на И Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем» (Уфа, 2000);

XVIII творческой конференции, Ш научно-технической выставке

- молодых ученых и специалистов (Уфа, 1999).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано Ь печатных работ, в том числе два патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех итв, выводов и приложений. Работа изложена на 123 машинописных страницах текхта, содержит 23 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе проведен литературный анализ использования вихревых эффектов в процессах разделения и очистки газовых смесей. Рассмотрены теоретические основы и обобщены условия возникновения вихревых эффектов. Проанализирован опыт применения вихревых аппаратов в процессах разделения и очистки газовых смесей.

Вихревые аппараты позволяют проводить технологические процессы с высокой эффективностью при незначительных затратах энергии. При вихревом течении возникают кавитации, генерируемые вихревыми колебаниями (пульсациями) потока, что способствует развитию поверхности контакта фаз. Однако до последнего времени эти аппараты не находили широкого применения для разделения газожидкостных сред. Автором проведен анализ существующих теоретических объяснений эффектов, при которых вихревые аппараты дают возможность проводить разделение систем: «газ-жидкость», «жидкость-жидкость».

Анализ литературного материала показал целесообразность проведения настоящей работы на основе комплексных исследований, направленных на разработку новых аппаратов с использованием кавитационно-вихревых эффектов.

Вторая глава посвящена исследованию влияния вихревых эффектов на процесс удаления газового конденсата из газа. Приводятся параметры вихревого аппарата и результаты расчета, а также результаты опытно-

промышленных исследований: разработаны конструкции вихревого аппара-ia.

Для выяснения особенностей течения потоков в вихревом аппарате были проведены эксперименты, позволяющие изучить параметры течения и определить зависимость течения потока от формы камеры. С целью выяснения факторов, влияющих на форму каверны, было произведено измерение давления на оси вихревой камеры. в каверне и за ней в жидкости. В большинстве опытов было обнаружено избыточное давление, которое практически не зависит от точки измерения внутри каверны и за ней. Давление определялось дифференциальным манометром по отношению к давлению на выходе из вихревого аппарата. Избыточное давление составляло несколько сантиметров водяного столба и медленно увеличивалось с ростом давления на выходе. Давление на выходе изменялось от 1,0 до 4,5 атм. В некоторых случаях наблюдалось возникновение отрицательных давлений внутри каверны, в случае схлопывания каверны. Влияние геометрии камеры на устойчивость каверны было изучено в сравнении работы двух подобных по размерам вихревых аппаратов, отличающихся соотношением входного диаметра и длины камеры. Для сравнения были выбраны две камеры с соотношением диаметров к длине 15 х 80 мм, ( рисЛ,а) и 15 х 60 мм (рис.1,в). В первом случае интенсивное вихреобразование приводило к хаотическому движению каверны и даже в некоторых случаях к ее срыву. Во втором случае наблюдалась высокая устойчивость каверны, приобретшей форму цилиндрического столба. Движение каверны в первом случае удавалось подавить введением через выходное отверстие камеры твердого цилиндра на глубину 25 - 30 мм (рис. 1,6), диаметр цилиндра был на 30% меньше выходного отверстия.

Полученные эмпирические зависимости степени дегазации позволяют рассчитывать и оптимизировать конструктивные параметры вихревых закручивающих устройств (ВЗУ) для заданной производительности, оценивать

степень выделения примесей малорастворимых газов из абсорбента и определять требуемые температуры

Полученные Экспериментальные зависимости создают основу расчета ВЗУ заданной производительности для дегазации газонасыщенных растворов в различных процессах абсорбции с последующей регенерацией абсорбента ректификации, экстракции, деаэрации и др

а) б) в)

Рис.1. Схема течения жидкости в вихревом аппарате: 1-газовая каверна; 2-энергораздеяитель; 3 — корпус камеры

Основными геометрическими параметрами ВЗУ, влияющими на процесс дегазации, являются: угол ввода и вывода жидкостного потока, величина относительной площади винтовых нарезок, их конфигурация и количество каналов на единицу длины. На рис.1 приведена схема предварительного закручивающего устройства.

Экспериментально были определены размеры предварительного винтового закручивающего устройства, которые приведены втабл 1

Видно, что с увеличением диаметра ВЗУ уменьшается отношение оптимальных значений хода винтового канала к его глубине

На рис. 3 приведены графики расхода газожидкостного потока в зависимости от входного давления при различных значениях углов расположения предварительно завихряюших каналов

Рис.2. Схема камеры предварительной закрутки

Таблица 1

Геометрические размеры ВЗУ

Б,мм 200 150 120 80

Б,мм 10 10 8 6

А,мм 25 7 5 3

Б/Д 0,4 1,42 1,6 2,0

12

О -1-I-1-1-!-г

О 0,5 1 1.5 2 2.5 3 Р, МПа

Рис 3 Зависимость изменения производительности от давления

Было установлено, что угол раствора диффузора варьируется в пределах от 22 до 56 угловых градусов.

В настоящее время добываемый газ в своем составе содержит от 1.6 до 5 г/м стабильного конденсата, от 100 до 500 г парообразной влаги на 1000 м газа и до 1,65 г на 100 м3 сероводорода. Эти показатели не соответствуют требованиям ОСТ 51 40-74 «Газы горючие природные, подаваемые в магистральный газопровод»:

- температура точки росы -10°С - -20°С;

- механические примеси не более 3 г на 100 м3 газа;

- содержание сероводорода не более 2 г на 100 м3 газа.

Следовательно, для приведения качественных показателей добываемого газа в соответствие с требованиями НТД необходимо произвести осушку его от влаги, извлечь конденсат и понизить температуру точки росы до требуемого уровня.

Внедрение технологий низкотемпературной подготовки газа в системе сбора газовых месторождений обеспечило рациональное использование энергии газового пласта, позволило снизить опасность разгерметизации промысловых газопроводов и достичь более глубокого извлечения жидкого конденсата без использования специальных технологий и реагентов. Однако предложенный способ подготовки газа требует больших капитальных затрат и высоких энергетических затрат при эксплуатации. Для повышения эффективности отделения конденсата от газа нами предлагается использовать вихревое устройство, приведенное на рис.4.

ВЗУ для очистки газов от газового конденсата содержит кожух 1, в котором концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства 2 установлена вихревая труба 3 с камерой горячего потока 4 и энергоразделителем, выполненным в виде входных тангенциальных сопел 5 в стенке вихревой трубы 3, со стороны ехидного торца трубы 3 и диафрагменного диска 6, перекрывающего выходной торец кожуха 1 и входной торец вихре-

К)

вой трубы 3. Диск 6 энергоразделителя выполнен со сквозным осевым каналом 7. свячываюшим камеру 4 горячею потока с камерой 8 холодного потока. Для отвода конденсата в диске 6 выполнены перфорированные радиальные каналы 9, связывающие межтрубное пространство 2 с емкостью 10 для сбора конденсата.

На другом конце вихревой трубы 3 в ее стенке проведены выходные тангенциальные сопла 11, связывающие камеру 4 горячего потока с межтрубным кольцевым пространством 2, а выходной торец вихревой трубы 3 перекрыт эжектором 12; по наружной поверхности вихревой трубы 3 выполнено оребрение 13. Очищаемый газ поступает в устройство через патрубок 14 ввода, а через патрубок 15 отводится очищенный газ.

Эффективность в предлагаемом вихревом аппарате достигается тем, что в качестве абсорбента используется собственный газовый конденсат. Перед разделением абсорбента на два потока его предварительно завихряют. а последующее завихрение одного из потоков абсорбента производят в вихревой трубе с одновременной конденсацией абсорбента в ней, при этом в вих-

ревой трубе поддерживают пересыщение, степень которого М определяется из выражения

где- Р| и - давление входящего потока и отводящего потока газа;

К - экспериментальный коэффициент;

С - площадь отверстий выхода абсорбента;

т - молярный объем абсорбента в поле контакта с газом;

И. - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура газа на периферии в вихревой трубе;

к -3,14.

После дросселирования абсорбент подают на абсорбцию.

Благодаря тому, что в качестве абсорбента используется собственный газовый конденсат, появляется возможность обеспечения очистки газа без введения дополнительного химического абсорбента и процесса его регенерации, что существенно снижает затраты на осуществление процесса очистки.

Получение собственного газового конденсата осуществляется тем, что поток газа завихряется в вихревой трубе, где поддерживается пресыщение М, величина которого определяется по формуле, приведенной выше. В результате вихревого эффекта периферийный теплый поток передает свое тепло холодному входящему очищаемому газу, конденсируется и непрерывно выводится на абсорбцию в парообразном состоянии. Такое формирование абсорбента в виде собственного газового конденсата значительно упрощает технологический процесс очистки и уменьшает цикл подготовки газа.

Выполнение на наружной поверхности вихревой трубы оребрения позволяет осуществить предварительное завихрение газового потока и абсорбента и обеспечить разделение абсорбента на два потока, один из которых отводится в виде конденсата, а другой подается через входные тангенциальные сопла в вихревую трубу, где его вновь завихряют для интенсификации процесса осушки.

Процесс образования абсорбента в виде собственного газового кон-ленсата и абсорбционная очистка газа идут непрерывно замкнутым циклом по мере поступления в устройство газа для очистки с постоянным отводом очищенного газа и конденсата.

Разработанный аппарат успешно испытан и внедрен на Кокуиском месторождении на площадке подготовки газа. Результаты испытаний показали, что очищаемый газ с газожидкостным конденсатом и влагой имеет следующий состав, об. %: метан - 63,4; этан - 9,4; пропан - 3,1; изобутан - 0,6; н-бутан - 0,5; изопентан - 0,2; н-пентан - 0,1; кислород - 2,6; азот - 20,1; сероводород, вес. %, отсутствует; газ в количестве 27500 нм3/ч при Т = 0°С под давлением 1,95 МПа поступает на эжектор 12. При сбросе давления вследствие дросселирования на 035 МПа поток газа завихряется и делится на два потока. Отсепарированный газовый конденсат, как более тяжелый, выводится с периферийной зоны потребителю. А второй поток газа вновь завихряют в вихревой трубе 3, в которой поддерживают пересыщение» степень которого М= 1,72.

Один из потоков газа, возникших вследствие вихревого эффекта в вихревой трубе 3 (рис. 6), делится на две зоны: теплую - периферийную и холодную - осевую. Холодный осушенный поток до Т росы = -20°С имеет следующий состав, об. %: метан -64,6; этан - 9,5; пропан - 3,1; изобутан - 0,5; н-бутан -0,1; кислород - 2,2; азот - 20; содержание влаги по Фишеру (2) -0,061 г/м3, сероводород, вес. %, отсутствует. Его в количестве 26675 нм3 /ч при температуре 0°С и под давлением 1,6 МПа вывели потребителю.

Газовый конденсат практически состоял только из светлых нефтяных фракций и в стабильном состоянии отвечал требованиям отраслевого стандарта ОСТ 51.65-80. Его фракционный состав по Энгаеру, °С; НК-28; 5% 55; 10% 60; 20% 70; 30% 79; 40% 87; 50% 95; 60% 102; 70% 112; 80% 124; 90% 150; 95% 180; К.К. 190.

Газовый конденсат с отношением выход/остаток 96/2,5 в количестве 3,3 т/сутки с давлением 1,6 МПа при температуре 0°С направляется потребителю как сырье для производства моторных гоплив.

Из результатов промышленных исследований следует:

- использование в качестве абсорбента собственного конденсата позволяет исключить использование большого количества химического реагента;

- предельные и запредельные перепада: давлений показывают высокую эффективность контакта очищаемого газа с абсорбентом в виде собственного газового конденсата, полученную благодаря предложенной степени пресыщения;

- обеспечивается высокая степень очистки газа от газового конденсата;

- допустимые расходы потоков газа позволяют получить дополнительное количество конденсата и вывести его потребителю;

- появляется возможность очистить газ ниже температуры росы при исключении процесса замерзания конденсата, при этом дросселирование не приводит к выходу из строя оборудования.

В третьей главе приводятся результаты осушки газа от влаги с целью предотвращения гидратообразования.

Известно, что гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлениях и температурах заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью прочной водородной связи.

Молекулы воды при образовании гидрата и сооружении полостей Kaic бы раздвигаются молекулами газа, заключенными в эти полости. Удельный объем воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26 - 1,32 см /г (удельный объем воды в состоянии льда - 1,09 см3Уг). Соотношение воды и газа зависит от размера молекул газа - гидратообразователя. Один объем воды в гидрат-

ном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа.

Чем выше молекулярная масса индивидуального газа или смеси газов, тем ниже требуется давление для образования гидратов при одной и той же температуре. Экспериментально доказано, что в объеме воды при наличии центров кристаллизации активно образуются гидраты. Скорость накопления гидрата при этом определяется разницей содержания равновесного газа в воде до и после образования гидрата.

Поэтому для прогнозирования места образования и интенсивности накопления гидратов в различных частях технологической системы транспорта газа необходимо знать влагосодержание газа и изменение его в различных термодинамических условиях.

График равновесных параметров гидратообразования построен на

рис. 5.

Для предупреждения образования гидратов в потоке газов необходимо устранить хотя бы одно из основных условий существования гидратов: высокое давление, низкую температуру или влагу. В связи с этим основными методами борьбы с гидратами являются понижение давления, повышение температуры, осушка газов или ввод антигидратных ингибиторов.

Нами предлагается для предотвращения гидратообразования проводить удаление влаги (осушку), используя ВЗУ.

Для осушки газа с малым конденсатным фактором требуется удалить только часть влаги и снизить относительную влажность газа примерно на 6070%. Иными словами, нужно понизить точку-росы газа до такой величины, чтобы она была на 5-7 °С ниже рабочей температуры в газопроводе, что мы и имеем после дросселирования газа на скважинах и в газопроводе внешнего транспорта газа.

Предварительные расчеты аппаратов основывались на расчетах ви\-ревыч труб для газов и труб , работающих на двухфазных потоках, в которых

при чвеличении концентрации жидкости от 0.1 до 1.5 % резко снижалась разность температур охлаждения tx и температур нагревания Тг. поскольку для ВЗУ. работающих на двухфазных потоках с более высоким содержанием жидкости, данные отсутствуют. Расчет вихревого аппарата проводился по методике, представленной в третьей главе.

Аппарат был смонтирован в технологическую схему по осушке газа , которая показана на рис.6.

На рис. 6 приведена технологическая схема по осушке газа с использованием ВЗУ.

Полученные результаты в ходе промышленного пробега представлены ниже. Если перед вихревым аппаратом содержание влаги в газе по Фишеру составляло 5,05 % масс, то после осушки снизилось до 0.061 % масс. , температура росы газа достигла —20 С.

В четвертой главе рассматривается вопрос десорбции в вихревых аппаратах при регенерации моноэтаноламина (МЭА) от сероводорода для установок абсорбционной очистки газа. Приводятся результаты исследования вичреных эффектов и методика расчета вихревых аппаратов.

Конденсат

Е-1

)

метанол -

3

ГАЗ

/*

А-1

Т

очищенный ГАЗ -►

1 - линия метанола

2 - линия конденсата

3 - линия газа

Рис. б.Технологическая схема сбора и осушки газа:

А-1 - абсорбер; Т - ВЗУ; С-2 - сепаратор; Е-1 - емкость для сбора конденсата

По характеру трансформации тепла установку абсорбционной очистки газа от сероводорода дюжно отнести к группе расшепительной трансформации, где абсорбция и десорбция газа абсорбентом производятся при нагреве и охлаждении, сжатии и сбросе давления.

При расщепительной трансформации к установке подводится поток тепла Ос среднего потенциала с температурой Тс, который в установке делится (расщепляется) на два потока - низкого Тц и повышенного Тв потенциала.

Здесь в отличие от системы прямого потребления тепла необходимо осуществление двух циклов Первый является прямым и служит для получения работы при использовании тепла среднего потенциала , подводимого на уровне

.

Рис.7 Вихревой аппарат для регенерации МЭА 1-корпус, 2-холодная часть вихревой трубы, 3-энергоразделителъ, 4-диафрагма, 5- инжекторная часть вихревой тр>бы, 6 - вихревая камера. 7 - входной патрубок. 8 - выходной патрубок. 9 - патрубок выхода кислых газов

Работа Ь в данном случае используется дня осуществления обратного цикла, ЬГ\Димвго для отвода тепла со среднего \ровня Г< на верхний I ц Аналогичный результат может быть получен не только с помощью осуществления циклов, но и посредством использования разомкнутого процесса (и даже вообще без изменения состояния рабочего тепла при использовании электромагнитных явлений в развитой гидродинамической кавитации на струйных установках вихревого типа)

Примером использования системы второго вида может служить установка, принципиальная схема которой показана на рис 8. К установке подводится поток газа вс при давлении Рс и температуре Тс, который орошается абсорбентом и разделяется на две части. Одна часть потока газа растворяется в абсорбенте, другая, очищенная, выводится с установки. Насыщенный абсорбент со значением расхода поступает в промежуточный теплообменник, нагревается и разделяется на два газожидкостных потока. Один из потоков с расходом Сх^НгБ поступает в струйную вихревую установку и расширяется в ней при изменении давления с Рс ДО Рц- При этом в процессе расширения газожидкостного потока идет дегазация газа, вследствие чего и температура газа понижается с Тс до ТнТо с- Затем очищенный газ выводится к потребителю, а регенерированный абсорбент возвращается на абсорбцию с расходом 0x1- Другая часть абсорбента с расходом вхг +Н;>8 поступает в де-сорбер и расширяется в нем при изменении давления с Рс до Рц . В процессе расширения и нагрева идет полная дегазация абсорбента, при этом температура абсорбента повышается с и регенерированный абсорбент возвращается на абсорбцию через теплообменник с расходом где отдает свое тепло насыщенному раствору и охлаждается от температуры до

Таким образом, в рассматриваемой установке в результате испо гьзо-вания энергии давления подведенного потока газа при происходит

рашеление потока абсорбента на две части с низкой температурой

регенерации Тц| и поток йхг с повышенной температурой регенерации

Первый из них может быть использован для абсорбции как грубо регенерированный абсорбент, второй - как тонко регенерированный

Рис.8. Схема абсорбционной очистки газа:

1-абсорбер; 2-десорбер; 3-вяхревой аппарат; 4-теплообменник

По характеру протекания процесса во времени установка относится к группе непрерывного действия, и характеристика работы меняется только в пределах, определяемых регулированием, что экономически часто может быть более выгодным из-за меньших габаритов и меньшего числа элементов оборудования благодаря возможности совмещения разных функций в одном аппарате.

Постепенное расширение области использования струйных установок вихревого типа (вихревая труба на втором потоке абсорбента с расходом 0\: +Н25)„ отличающихся исключительной простотой конструкции, обусловлено их преимуществом, проявляющимся там, где имеется источник сжатого газа, что исключает необходимость использования специального компрессора

На основании вышеприведенных результатов исследований был ра]ра-боган и сконструирован кавитационно-вихревой аппарат (рис 5) для процес-

са десорбции сероводорода из раствора МЭА. который внедрен на установке по очистке газа от сероводорода Репльтаты, полеченные в ходе промышленных испытаний, приведены в табл. 2.

Вихревой аппарат для регенерации раствора МЭА показал хорошую степень дегазации кислых газов (до 45%) Экономия тепловой энергии, при этом затрачиваемая на регенерацию МЭА при эксплуатации ВЗУ, снизилась на 30%. При внедрении трех и более ступеней регенерации МЭА предложенными вихревыми аппаратами возможно исключение из технологической схемы колонны - десорбера.

Таблица 2

Результаты промышленных испытаний

Номер образца Содержание сероводорода в растворе МЭА. г/л Температура раствора МЭА перед ВЗУ. °С Расход раствора МЭА, м/ч

на входе в ВЗУ (после К-1) на выходе ВЗУ на выходе из К-2

1 22,5 15,3 12,7 90 10

2 32,1 18,7 16,2 80 8

3 28,1 16,0 14,3 85 8

4 25,9 14,2 12,1 90 8

5 26,3 15,0 11,5 90 8

6 28,5 17,0 12,0 80 8

7 27,7 15,5 10,0 90 10

8 27,5 15,4 10,5 93 10

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

! Анализ литературы и патентных материалов указывает, что наме-ги'ккь тенденция предпочтительного использования энергии потока в кави-тлцнонных вихревых аппаратах.

2 Проведенное экспериментальное и визуальное изучение работы вихревого аппарата позволило установить следующие основные физические принципы действия аппарата:

- во-первых, дегазирующие действия резкого падения давления жидкости в закручивающем устройстве;

- во-вторых, сепарирующие действия центробежных сил при разделении газа и жидкости;

- в-третьих, влияние на устойчивость работы аппарата характера течения жидкости, определяемого, в свою очередь, формой и размерами аппарата.

3. Разработана методика расчета вихревого аппарата, позволяющая рассчитать и сконструировать рабочие узлы аппарата.

4. Разработаны новые конструкции вихревых устройств, позволяющие устранить несовершенства других устройств, а именно:

- обеспечить устойчивое вихревое закрученное течение внутри аппарата;

- обеспечить селективное выделение газа из жидкости и жидкости из газа.

5. Разработанный кавитационно - вихревой аппарат для разделения газового конденсата или влаги из газа позволяет достичь содержания их до 0,061% масс., что предотвращает образование гидратов.

6. Внедрение вихревого аппарата в процесс десорбции позволяет проводить процесс регенерации МЭА без использования аппаратов колонного типа.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

1. Купавых А.Б. Технология осушки газа с применением вихревых аппаратов // XVIII творческая конференция, III научно-техническая выставка молодых ученых и специалистов: Сб. - Уфа: АНК «Башнефть», 1999.- С. 19.

2. Пат. РФ № 2139751. Способ очистки газов от газового конденсата и устройство для его осуществления/ A.W. Малышев, А.Б. Купавых и др. -Опубл. в Б.И.-1999. №29.

3. Купавых А.Б. Установка глубинного дозатора жидких химреагентов для вставных штанговых насосов. // XVIII творческая конференция, III научно-техническая выставка молодых ученых и специалистов: Сб. - Уфа: АНК «Башнефть», 1999 -. С. 17.

4. Купавых А.Б. Устройство замковое КМУ // XVIII творческая конференция, III научно-техническая выставка молодых ученых и специалистов: Сб. - Уфа: АНК «Башнефть», 1999.- С. 18.

5. Купавых А.Б., Хафизов Ф.Ш., Климин О.Н., Хафизов Н.Ф. Гидродинамический аппарат смешения // Наука и технология углеводородных дисперсных систем: Матер.И Междунар.симп..- Уфа: УГНТУ, 2000.- С. 36.

6. Пат. РФ № 2094113. Способ очистки газов от газового конденсата и устройство для его осуществления / А.И. Малышев, А.Б. Купавых и др. -Опубл. в Б.И.-1999.-№ 30.

Подписано в печать 25.02.2004. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Печать трафаретная. Печ. л. 1. Тираж 90 экз. Заказ 87.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес типографии: 4S0062, г. Уфа, ул. Космонавтов, I.

* - 4 4 2 8

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЛИЯЮЩИЕ 6 НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА В ВИХРЕВОЙ ТРУБЕ.

1.1. Использование вихревого эффектов в процессах разделения и 6 очистки газовых смесей. Компонентное разделение газов в вихревой трубе

1.2.0сушка газа в технологических схемах с применением вихревой 8 трубы.

1.3. Вихревые трубы, работающие на двухфазном потоке.

1.4. Кинетические основы процесса выделения легколетучих компо- 15 нентов из растворов при дросселировании жидкостей в вихревых массооб-менных аппаратах.

1.5.Практическое применение вихревого эффекта 21 1.6.Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода.

Глава 2.

2.1. Экспериментальные исследования вихревого эффекта.

2.1.1. Влияние технологического режима и физических свойств газов 41 на эффект температурного разделения газа в вихревой трубе

2.1.2. Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эф- 43 фект охлаждения

2.1.3. Структура потока внутри вихревой трубы

2.2 Теоретические основы вихревого эффекта.

2.2.1. Механизм вихревого энергетического разделения газов

2.2.2. Методы расчета вихревого эффекта

2.2.3. Влияние конструктивных и геометрических факторов на ха- 60 рактеристики вихревой трубы. Конструкции соплового ввода.

2.2.4. Масштаб и геометрия камеры энергетического разделения.

2.2.5. Диаметр отверстия диафрагмы.

2.3. Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора

2.4. Технологическая схема подготовки и транспорта природного газа. 77 2.4.1. Путевая подготовка газа в системе внутри промыслового сбора газа.

2.4.2 Подготовка природного газа на площадке ЦГСП.

2.4.3 Метод расчета вихревых аппаратов

Глава 3. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИХ ОБРАЗОВА- 94 НИЯ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЛИКВИДАЦИИ ГИДРАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ГАЗОПРОВОДАХ.

3.1. Общая характеристика гидратов.

3.2. Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном 97 коллекторе и в газопроводе транспорта газа.

3.3. Способы предупреждения образования гидратов и их ликвида

Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТРОЙСТВА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ 106 РАСХОДА ГАЗА.

В создавшихся условиях развития рыночных отношений наблюдается тенденция к применению малогабаритных автоматизированных установок в блочно-агрегатном исполнении, что диктуется экономией энергетического потенциала.

Использование вихревого эффекта при совершенствовании существующих систем нефтесбора и промысловой подготовки нефтяного газа, разработке новых, энергосберегающих технологий становится все более актуальной проблемой.

Как и во всех других отраслях промышленности, интенсификация нефтехимических производств характеризуется увеличением выпуска конечного продукта. Интенсификация производства достигается как за счет роста скоростей химических реакций, температур, нагрузок, давления (параметров технологического процесса), так и за счет применения принципиально новых технологий и воздействий на ход технологических процессов .

Современные прогрессивные технологические процессы должны быть непрерывными и протекать с большими скоростями при условии эффективности и комплексного использования сырья и энергии. С исключением возможности загрязнения окружающей среды. Необходимо, чтобы повышение эффективности процессов проходило за счет уменьшения затрат рабочего времени на получение единицы продукции и сопровождалось снижением материальных и энергетических затрат при одновременном улучшении качества.

Широкие возможности для интенсификации ряда существующих процессов создает применение вихревых аппаратов.

Расширение области применения и повышения эффективности вихревых устройств одна из проблем энерго- и ресурсосберегающих технологий и зашиты окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.

Основные задачи исследования:

1. Экспериментально обосновать особенности течения и взаимодействия расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве.

2. В опытном, опытно-промышленном масштабах испытать вихревые устройства на многокомпонентной газовой смеси, находящейся с конденсатом в напорном трубопроводе.

3. Совершенствование и создание вихревых устройств, включающих расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование.

В процессе решения поставленной научной проблемы получены новые результаты, которые выносятся на защиту:

- физическая модель и теоретические основы адиабатического кипения газожидкостного потока, Взаимодействия и формирование скоростных расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве;

- методика расчета селективного выделения газа из жидкой фазы в закрученном потоке вихревых устройств;

- принцип модернизации существующих вихревых устройств, совершенствование и создание вихревых устройств для крупнотоннажных производств.

1 Литературный обзор. Основные параметры, влияющие на эффективность дегазации газонасыщенного жидкостного потока в вихревой трубе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературы и патентных материаллов указывают, что наметилась тенденция предпочтительного использования энергии потока в кави-тационно-вихревых аппаратах.

2. Проведенное экспериментальное и визуальное изучение работы вихревого аппарата позволило установить следующие основные физические принципы действия аппарата: во-первых, процесс выделения газового конденсата обеспечивается за счет пересыщения абсорбентом, поддерживаемого в камере вихревого аппарата; во-вторых, создание кавитации в вихревом устройстве на выходе газожидкостного потока из винтовых каналов энергоразделителя позволяет значительно интенсифицировать процесс дегазации; в-третьих, влияние на устойчивость работы аппарата характера течения жидкости, определяемого, в свою очередь, формой и размерами аппарата.

3. Разработана методика расчета вихревого аппарата, позволяющая рассчитать и сконструировать рабочие узлы аппарата для крупнотоннажных производств в условиях промысловой подготовки нефти и газа.

4. Разработаны новые конструкции вихревых устройств, позволяющие устранить несовершенства других устройств, а именно:

- обеспечить устойчивое вихревое закрученное течение внутри аппарата; обеспечить селективное выделение газовой фазы из жидкости и жидкой фазы из газовой среды.

5. Определены области гидратообразования.

6. Разработанный кавитационно-вихревой аппарат для выделения газового конденсата и влаги из газа позволяет достичь содержания влаги по Фишеру 0,061 г/м3, что предотвращает образование гидратов.

7. Внедрение вихревого аппарата в процесс десорбции позволяет проводить процесс регенерации МЭА без использования аппаратов колонного типа.

117

1. Rangue G.1. Method and Apparatus for Obtaining from Fluid Under Pressure Two Currents of Fluids at Different Temperatures. U.S.A. Patent, No. 1952281, 1934.

2. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld des Kaitepro-zeb, Zeitschrift fur Naturforschung, 1946, No.I, s. 208-214.

3. Мартыновский B.C., Парулейкар Б.Б. Температурное разделение воздуха на холодном конце вихревой трубы. Холодильная техника, 1959, №2, с. 29-33.

4. Меркулов А.П. Совместная работа вихревой трубы и диффузора, Холодильная техника, 1962, № 4, с. 34-39.

5. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба?, М., «Энергия», 1976.

6. Othen Е.Н. Vortex tube, Engineering, 1958, Aug. No. 4821.

7. Мартынов A.B., Бродянский В.М. Вихревая труба с внешним охлаждением, Холодильная техника, 1964, № 5, с. 115-118.

8. Азаров А.И. Разработка и исследования холодильников для транспорта, Кандидатская диссертация, ОТИХП, 1974.

9. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения, М., «Энергия», 1968, с. 224-237.

10. Бродянский В.М., Лейтес И.Л. и др. Исследование вихревого эффекта в химической технологии, Химическая промышленность, 1963, № 4, с.32-36.

11. Гусев И.И. Теоретическое исследование структуры пограничного слоя на диафрагме вихревой трубы. Труды Куйбышевского авиационного института, 1966, вып.24, с. 103-108.

12. Elser К., Hoch М. Das Verhalten verschiedener Gase und die Tren-nung von Gasgenischen in einem Wirbelrohr, Zeitschrift fur Naturforschung, 1951, No.6a, s. 25-31.

13. Меркулов А.П. Характеристика и расчет вихревого холодильника, Холодильная техника, 1958, № 3, с.31-36.

14. Bourgeat М., Fabri J., Scestrunck R., Separation Thermingue dans les Fluides en Rotation, Publ. O.N.E.R.A., 1961, No. 102.

15. Бродянский B.M., Мартынов A.B. Зависимость эффекта Ранка-Хилша от температуры, Теплоэнергетика, 1964, № 6, с.76-78.

16. Гуляев А.И. Эффект Ранка при низких температурах, ИФЖ, т.9, № 3, с.354-357

17. Гуляев А.И., Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

18. Калашников В.Н. О некоторых закономерностях температурного разделения газа в вихревой трубе, Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, 1968, №2, с 103-106.

19. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров, ЖТФ, 1956, т. 26, вып.10, с.2303-2315.

20. Гуляев А.И. Исследование конических вихревых труб, ИФЖ,1966, т. 10, № 3, с.326-331.

21. Parulekar В.В. , Timothy R.S. Influence of design modifications on the performance of the vortex tube, III T, Bombay, 1967, p. 19-38.

22. Сафонов B.A. Влияние параметров сопла на характеристики конического вихревого холодильника., Республиканский Межведомственный сборник «Самолетостроение и техника воздушного флота», 1970, № 22, с.55-60.

23. Ентов В.М., Калашников В.Н., Райский Ю.Д. О параметрах, определяющих вихревой эффект, Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа,1967, № 3, с.32-38.

24. Чижиков Ю.В. Определение диаметра вихревой трубы в зависимости от степени расширения газа, Известия вузов, серия «Машиностроение», 1972, №-7 с. 87-89.

25. Меркулов А.П. Исследование вихревой трубы, ЖТФ, 1956, т.26, вып.6, с.1271-1276.

26. Мартынов А.В. Исследование эффекта Ранка-Хилша в адиабатных и неадиабатных условиях, Кандидатская диссертация, МЭИ, 1965.

27. Борисенко А.И., Сафонов В.А., Яковлев А.И. Влияние геометрических параметров на характеристики конического вихревого холодильника, ИФЖ, 1968, т. 15, № 6, с.988-993.

28. Суслов А.Д., Чижиков Ю.В. Методика расчета вихревых холодильников, Труды первой научно-технической конференции «Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения», Куйбышев, 1974, с.40-46.

29. Метанки В.И. Экспериментальное исследование рабочего процесса воздушной вихревой холодильной установки, Холодильная техника, 1959, №4, с. 15-20.

30. Райский Ю.Д., Тункель А.Е. О влиянии конфигурации и длины вихревой трубы на процессы энергетического разделения газа, ИФЖ, 1974, т. 27, №6, с.1128-1133.

31. Handal W.P. Generation of Cjld by Expansion of a Gas in a Vortex Tube, Patent No/ 2893214, July 7,1959.

32. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике, М., «Машиностроение», 1969.

33. Scheber G/W/ The Vorter Tubj Intovnal Pits Lata Heat Transfer Theory? Refrigerating Engineering, 1951.59, No. 10, p.985-989/

34. Друй М.Г. Исследование процессов течения и теплообмена в вихревых трубках, кандидатская диссертация, МАИ, 1961.

35. Lay I. Е/ An Experimental and Analytical Study of Vortex Flow Temperature Separation by Superposition of Spiral and Axial Flows, Parts I and II, Journal of Heat Transfer, Trans of the ASME , Series C, 1959, Aug.

36. Holman LP. and Moore G.D. An Experimental Study of Vortex Chamber Flow, Transaction of the ASME, 1961, No.4.

37. Меркулов А.П. Исследование вихревого холодильника, кандидатская диссертация, КУАИ, 1956.

38. Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров, кандидатская диссертация, ОТИХП, 1954.

39. Hertnett I.P., Eckert E.R., Experimental Study of the Velocity and Temperature Distribution in a High-Velocity Vortex-Tube Flow, Transaction of the ASME, 1957, 79, No.4, p. 751-758.

40. Такагама. Сборник лекций 714 симпозиума Общества японских механиков, 19636 ноябрь, с. 27-30.

41. Мартыновский B.C., Войтко A.M. Эффект Ранка при низких давлениях, Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

42. Меркулов А.П., Колышев Н.Д. Экспериментальная проверка гипотезы взаимодействия вихрей, Доклады Всесоюзной конференции по перспективам развития и внедрения холодильной техники в народное хозяйство СССР, ОТИПХП, одесса, 1962.

43. Rangue G.I. Experiences sur d'un Echappement d' Air chand et d'Air froid, Journal de Physique et le Radium, 1933, 4, № 7, p. 112.

44. Fulton C.D. Rangue's Tube, Refrigerating Engineering, 1950, 58, № 5, p. 473-479.

45. Торочешников H.C., Лейтес И.Л., Бродянский B.M. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубе, ЖТФ, 1958, Т.28, вып. 6, с 1229-1236.

46. Scheller W.A., Brown М.В. The Rangue-Hilsch Vortex Tube, Industrial and Engineering Chemistry, 1957,vol. 49, № 6, p. 1013-1016.

47. Вулис Л.А. Об эффекте Ранка, Изв. АН СССР, Отделение технических наук, 1957, № 10, с. 105-107.

48. Бродянский В.М. Лейтес И.Л. О градиенте температур в трубе Ранка-Хилша, ИФИ, 1960, Т.З, № 12, с. 72-77.

49. Schultz-Grunow F. How the Rangue-Hilsch Vortex Tube Operates, Refrigerating Engineering, 1951, 59, № 1, p.52.

50. Sibulkin M. Unsteady,Viscous, Circular Flow, Part 2. The Cylinder of Finite Radius, Journal Fluid Mech, 1962, vol. 12, № 1, p. 148.

51. Part 3. Application to the ranque-Hilsch Vortex Tube, Journal Fluid Mech., 1962, vol. 12, p. 269.

52. Van Deemter I.I. On the Theory of the Ranque-Hilsch Cooling Effect, Applied Scientific Research, Netherlands, 1952, vol. 3, Sec. A.

53. Быков JI.T., Рудаков Ю.С. Применение теории размерностей к анализу термовихревого эффекта, Известия высших учебных заведений, серия «Авиационная техника», 1968, №3; с. 132-133.

54. Бродянский В.М., Лейтес И.Л. Зависимость величины эффекта Ранка от свойства реальных газов, ИРЖ, 1962, т.5, с. 38-41.

55. Жирицкий Г.С., Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, М., «Машиностроение», 1973.

56. Калашников В.Н., Райский Ю.Д. Вихревой эффект Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

57. Лейтес И.Л. Термодинамические основы эффективной технологии абсорбционной очистки газов. Дисс. Д.т.н. М.: 1980.477с.

58. Ranque О. J. Experiences sur la detente gira-toiro avec productions simultanees d'un echappe-ment d'air chaud et d'un echappement d'air froid. liul-lolin Bi-Mensuel de la Societe Prancaise de Physique, 112, S = 115, S, 2 June 1933.

59. Дубинский M. Г. О вращающихся потоках газа. Изв. АН СССР, ОТН,№8, 1954.

60. Fulton С. D. Ranque's Tube. Refrig. Eng., 1950, 58, 5.

61. Метенин В. И. Исследование вихревых температурных разделителей сжатого газа, ЖТФ, т. XXX, № 9, 1960.

62. SpaliiuJ.j.CservenyJ. Studiul unor parametri functional al turbinatorului frigorific. Stud si cevcetari energ. Acad. RPR, 19G1, 11, N 3.

63. Справочник по транспорту горючих газов. Под редакцией К. С. Заребо. Гостоптехиздат, М., 1962.

64. Бродянский В. М., Мартынов А. В. Вихревая труба для сепарации природного газа. «Газовое дело», № 5,1962.

65. Алексеев Т. С. Применение вихревых камер на установках низкотемпературной сепарации природных газов. «Газовое дело», № 6—7, 1964.

66. Китов В. М.Калашников В. Н., Райский Ю. Д. Работа вихревой трубы на природном газе. «Газовая промышленность», № 4., 1964.

67. Райский Ю.Д. Исследование работы вихревой трубы на газожидкостных смесях. «Газовая промышленность», № 6, 1967.

68. Heffaer F. Е. Performance characteristics of a waterjacheted vortex tube (R, A) «ASHRAE Journal», v. 1, N 9, 1959.

69. Бродянский В. M., Мартынов А. В. Новости нефтяной и газовой техники, «Газовое дело», № 5, 1962. 2. Ентов В.М., Калашников В.Н., Райский Ю. Д. «Газовая промышленность», № 4,

70. Алексеев Т. С. Новости нефтяной и газовой техники, «Газовое дело», № G—7, 1963.

71. Бродянский В. М., Мартынов А. В «Холодильная техника», № 5,1964.

72. Алексеев В.П., Мартыновский B.C. Известия АН СССР, ОТН, № 1, 1965.

73. Метенин В. И. «Холодильная техника», № 4, 1959.

74. Lay I. Е. «Trans. ASME. Ser. С. Journal of heat transfer», т. 81, № 3,1959.

75. Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика. ИЛ,1955.

76. Малышев А.И.,Пруцкун П.Т.,Райков Б.С., Сомов Ю.К., Жигалова Е.А.,Нестеренко В.Я., Истратов В.И. «Вихревой вертикальный кожухотруб-ный теплообменник» А.с. I40984I СССР, MMF25.2 7/16.

77. СССР). 4167275/24; Заявл. 24.12.86. Опубл. 15.07.89 //Открытия, изобретения. 1988. и 26. С. 27.

78. Барсуков Е. И., Кузнецов В.И. Вихревой эффект Ранка. Изд-во Иркутского ун-та. Иркутск. 1983. 121 с.

79. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982.200 с.

80. Кузнецов В. И., Барсуков С. Я., Вихревой эффект Ранка. -Изд. ИГУ, Иркутск, 1983, 121с.

81. Ландау Л. Механика сплошных сред. Гостехиздат, 1954, 795с.

82. Соколов Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Стр. 12. М. Энергоиздат, 1981.

83. Лейтес И. Л. Термодинамические основы эффективной технологии абсорбционной очистки газов. Дисс д.т.н: М.: 1980. 477с.

84. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. 296 с.

85. Рамм В. М. Абсорбция газов. М.: Химия. 1975. 583 с