CC BY
47Вывод
Разработанные приводы просты в обслуживании, позволяют осуществлять перекрытие трубопровода в суровых условиях эксплуатации, имеют более высокую надежность и срок службы по сравнению с известными приводами.
Список литературы
1.Набиев Р. М. Червячный редуктор электропривода - пережиток прошлого или актуальная классика // Территория нефтегаз, 2010.- С.100-102.
2. Спиральные редукторы трубопроводной арматуры. Под общей ред. д.т.н., профессора В. И. Гольдфарба. - М.: Вече, 2011.
3. Установка скважинного винтового насоса. Патент № 2334125 C1(RU), F04C 2/107, F04B 47/02. Опубл. 20.09.2008. Бюл.№26. Авторы: Сызранцев В. Н., Плотников Д. М., Денисов Ю. Г., Ратманов Э. В.
4. Syzrantsev V., Plotnikov D. The submersible hole screw pump assembly driven by precessional gear. Monograph "MACHINE DESIGN 2009", Novy Sad, Republic of Serbia, - 2009.Р.295-298.
5. Сызранцев В. Н., Вибе С. П., Котликова В. Я. Проектирование редуктора с прецессирующей зубчатой передачей. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья, №2, 2011.- С.53-58.
Сведения об авторах
Сызранцев Владимир Николаевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудования нефтяной и газовой промышленности», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452)41-46-46, е-mail:V_Syzrantsev@mail.ru
Новоселов Владимир Васильевич, д. т. н., профессор, ректор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452)-25-69-49, е-mail: nov@tsogu.ru
Голофаст Сергей Леонидович, д. т. н., профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 4146-46, е-mail: trasser@inbox.ru
Syzrantsev V. N., PhD, professor, head ofDepartment «Machines and equipment of oil and gas industry» of Tyumen State Oil and Gas University. phone: (3452)41-46-46, е-mail: V_Syzrantsev@mail.ru
Novoselov V. N., Dr. of technical sciences, Proessor, Rector, Tyumen state oil and gas university, tel.: (3452)-25-69-49; е-mail: nov@tsogu.ru
Golofast S. L., PhD, professor of Department «Machines and equipment of oil and gas industry» of Tyumen State Oil and Gas University. phone: (3452)41-46-46, е-mail: trasser@inbox.ru
Химия и технология переработки нефти и газа_
УДК 665.276
ПОВЫШЕНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
IMPROVEMENT AND EVALUATION OF THE RECTIFICATION TOWER TRAYS EFFICIENCY
М. С. Рогалев, Р. З. Магарил
M. S. Rogalev, R. Z. Magaril
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г.Тюмень
Ключевые слова: ректификация, ректификационные колонны, процесс массопередачи, КПД тарелки Key words: rectification, tower, process of mass transfer, tray efficiency factor
Основной вопрос теории ректификации заключается в том, что происходит на межфазной поверхности пар-жидкость контактного устройства. Четкость разделения углеводородных смесей определяется эффективностью конденсации граничных компонентов из пузырьков паровой фазы, проходящих слой флегмы на контактном устройстве, в жидкую. При этом необходимо выявить характер механизма переноса вещества - молекулярный или конвективный. В пузырьке паровой фазы, молекулы компонента смеси, переходящего в жидкую, к границе раздела переносятся, в основном, конвективной составляющей диффузионного потока, так как молекулярная во много раз медленнее. При приближении к межфазной поверхности происходит затухание вихрей и возрастает роль молекулярной составляющей
диффузионного потока. Для объяснения явлений, происходящих на границе раздела фаз, введено понятие диффузионного пограничного слоя. В соответствие с [1] под ним понимается тонкий слой жидкости, прилегающий к поверхности раздела, в котором определяющей является молекулярная составляющая. В пределах пузырька паровой фазы вследствие преобладания конвективной составляющей диффузионного потока принимается, что концентрация молекул компонентов смеси постоянная. В пограничном слое происходит резкое изменение концентрации диффундирующего компонента. Следовательно, молекулярной составляющей обусловлен переход молекул диффундирующего компонента смеси из паровой фазы в жидкую на контактном устройстве через границу раздела. Таким образом, при массопередаче между фазами лимитирующей стадией диффузионного процесса является скорость молекулярной составляющей в пограничном слое. Значит, именно она определяет динамику процесса в целом. При заданной гидродинамической обстановке и конкретной конструкции контактного устройства толщина пограничного диффузионного слоя имеет определенное значение. Градиент концентраций определяется разницей между парциальным давлением диффундирующего компонента в паровой фазе и давлением его насыщенного пара в жидкой, которые описываются законом Дальтона-Рауля [1]. Переход вещества из паровой фазы в жидкую через границу раздела, которой выступает поверхность пузырьков паров проходящих слой флегмы на контактном устройстве ректификационной колонны, может быть описан I законом Фика. Таким образом, уравнение перехода вещества из паровой в жидкую фазу имеет вид
М =--
8
У, - Рг • хг
(1)
где М — количество вещества диффундирующего из паровой фазы в жидкую; Б — коэффициент молекулярной диффузии в пограничном диффузионном слое; 5 — поверхность пузырей паровой фазы барботирующих через флегму; Т — время контакта между фазами; 8 — толщина пограничного диффузионного слоя; л — общее давление паров (абсолютное давление в системе ректификации); Р, — давление насыщенных паров 1-ого компонента в жидкой фазе; у; и х ■ — мольные доли 1-ого компонента в паровой и жидкой фазах соответственно.
Для оценки зависимости количества 1-го компонента передаваемого из паровой фазы в жидкую на контактном устройстве ректификационной колонны от основных термодинамических параметров процесса ректификации, выразим члены, входящие в уравнение (1), как функции температуры и давления.
На основе работы [2] толщина пограничного диффузионного слоя на поверхности пузырьков паровой фазы, проходящих через флегму на контактных устройствах ректификационной колонны, математически опишется в виде
8 = к1 'V Б • а 'Т, (2)
где а — радиус пузырьков паровой фазы проходящих слой флегмы на контактном устройстве.
В соответствие с [3] коэффициент молекулярной диффузии в пограничном диффузионном слое, радиус и поверхность пузырей паровой фазы барботирующих через флегму, время контакта между фазами в зависимости от температуры и давления в системе ректификации выражается следующим образом:
3/ Т/2
Б = к2--, (3)
л
! = кт.
1/ Т /3
(4)
Л
2/ Т/3
5 = к4 • —, (5)
Л23 —
Т = к5 •-. (6)
Выведем зависимость массопередачи 1-го компонента между паровой и жидкой фазами на контактном устройстве ректификационной колонны от температуры и давления в следующих двух случаях:
• при повышении давления с постоянной производительностью;
• при повышении давления с пропорциональным повышением производительности. В первом случае для вывода взаимосвязи массопередачи с давлением и температурой,
сначала определим зависимость для толщины диффузионного пограничного слоя. Подставив в (2) уравнения (3, 4, 6), она примет вид
5/ Т/12
8 = к7 • . (7)
— 6
Подставив в (1) формулы (3, 5, 6 и 7), пренебрегая величиной Р, • х,( Р, • X, << — • У{), получим выражение зависимости перехода 1-го компонента из паровой в жидкую фазу на контактном устройстве ректификационной колонны от температуры и давления при постоянной производительности:
М = к9 -Т' 4 -П2 • y\ (8)
Во втором случае для вывода зависимости массопередачи от давления и температуры принимается, что объем и количество пузырьков паровой фазы остается постоянным из-за прямой пропорциональности повышения давления и производительности ректификационной колонны. Следовательно, a = const. Тогда из анализа выражения (2) следует, что толщина диффузионного слоя также становится величиной постоянной д = const. Подставив в (1) формулы (3 и 6), получим выражение зависимости перехода вещества из паровой в жидкую фазу на контактном устройстве ректификационной колонны от температуры и давления при повышении производительности прямо пропорционально давлению:
1/
к10
М = к10 • Т'2 -п-у'. (9)
Из анализа выражений (8) и (9) следует, что массопередача 1-го компонента из паровой фазы в жидкую ускоряется при повышении давления в ректификационной колонне. Массо-
1/
передача между фазами происходит интенсивнее в —2 раз при совмещении с прямо пропорциональным увеличением производительности чем при ее фиксированном значении.
Положительное влияние повышения давления и производительности ректификационной колонны на массопередачу между паровой и жидкой фазами на контактных устройствах ограничено следующими факторами:
• разрешенным рабочим давлением аппарата, согласно заводскому паспорту;
• допустимой линейной скоростью прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве;
• изменением относительной летучести разделяемых компонентов. Разрешенное рабочее давление ректификационной колонны в соответствие с паспортом
завода-изготовителя считается абсолютным параметром.
Линейная скорость движения паров влияет на эффективность ректификации, так как с ее увеличением возрастает механический унос капель жидкости на вышележащую тарелку. Следовательно, снижается четкость погоноразделения. Линейная скорость движения паров зависит от типа контактных устройств, расстояния между ними, способности разделяемых компонентов к вспениванию, давления в ректификационной колонне [4].
Рассмотрим соотношения допустимой и рабочей линейной скорости прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве ректификационной колонны. Принципиальный вид зависимостей приведен на рисунке.
Давление в ректификационной колонне
Рисунок. Принципиальный вид зависимости допустимой и рабочей линейной скоростей прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве от давления в ректификационной колонне:
1 — зависимость для допустимой линейной скорости; 2 — зависимость для рабочей линейной скорости при изменении производительности пропорционально давлению; 3 — зависимости для рабочей линейной скорости при определенной производительности; ( — производительность аппарата (изменяется
по линейной зависимости); (о — проектная производительность аппарата
Проанализируем данные (см. рис. 1). Значения рабочей линейной скорости прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве при изменении производительности пропорционально давлению (кривая 2) не превышает допустимого значения (кривая 1) до момента пересечения кривых 1 и 2 в точке В. При определенной производительности значения рабочей линейной скорости, прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве (кривая 3), превышают допустимое значение (кривая 1) до момента пересечения кривых 1 и 3 в точках А!, А2, А3, А4 и А5. Следовательно, для улучшения четкости погоноразделения ректификационной колонны при фиксированном значении производительности актуально повышение давления в аппарате для снижения рабочей линейной скорости прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве до равной или меньшей допустимой. Чем выше загрузка колонны, тем точка пересечения кривых 1 и 3 находится при более высоком давлении. Целесообразно повышение давления сочетать с увеличением производительности аппарата до значения рабочей линейной скорости прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве, соответствующего точке В, а далее продолжать повышение давления при фиксированной производительности. Совмещение увеличения производительности и давления в аппарате правее точки В возможно при условии, что на определенной загрузке вследствие повышения давления рабочая линейная скорость прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве снизится до допустимого значения.
При оценке воздействия относительной летучести на качество разделения углеводородных смесей берутся во внимание граничные компоненты (отношение их давлений насыщенных паров). Наиболее часто в инженерных расчетах для определения давления насыщенных паров при давлении в ректификационной колонне не более 2 МПа используется уравнение Антуана. При давлении выше 2 МПа используют графическую корреляцию Кокса. Представленные в научно-технической литературе корреляции других авторов сложны в расчетах и требуют нахождения многих переменных или решения различного рода уравнений. Давление насыщенных паров граничных компонентов углеводородной смеси характеризует их испаряемость [4]. Следовательно, снижение относительной летучести приводит к ухудшению четкости ректификации вследствие уменьшения эффективности работы контактных устройств. Поэтому необходимо рассмотрение этого параметра при исследовании работы ректификационных колонн различного назначения.
В промышленных аппаратах никогда не достигается четкого разделения углеводородных смесей. Влияние на четкость ректификации оказывает необходимое число контактных устройств, эффективность их работы, соотношение флегмового и парового чисел [5].
В инженерных расчетах ректификационных колонн, в основном, используется выражение движущей силы через число теоретических ступеней контакта, а кинетики через коэффициент полезного действия контактного устройства (КПД тарелки) [4]. При расчете числа теоретических ступеней контакта делается допущение о достижении равновесного состояния между паровой и жидкой фазами на контактном устройстве. Фактически равновесие не достигается вследствие того, что время прохождения пузырьками паровой фазы слоя флегмы на контактном устройстве намного меньше необходимого времени для установления равновесного состояния. Расчеты числа теоретических контактных устройств, основанные на представленном выше постулировании, для перехода к числу реальных контактных устройств ректификационной колонны требуют введение КПД тарелки. Его значение определяется на основании накопленного промышленного опыта эксплуатации контактных устройств данного типа [4]. Многочисленными авторами выведены эмпирические формулы для оценки КПД тарелки. Эти формулы применимы в узком интервале изменения технологических параметров работы ректификационной колонны (температуры, давления, производительности). Авторами принимаются следующие постулаты. Производительность ректификационной колонны считается константой. Значение давления в аппарате фиксируется с целью поддержания компонентов углеводородной смеси, поступающей на разделение, в определенном агрегатном состоянии и возможности конденсации паров, уходящих верхом ректификационной колонны, в конденсаторе-холодильнике дешевыми хладоагентами -водой, атмосферным воздухом. Считается, что разделение компонентов с нужной четкостью, в основном, обеспечивается за счет подбора оптимального температурного режима по колонне. При перечисленных условиях приводятся рекомендованные диапазоны изменения КПД тарелки определенного типа.
Фактически КПД контактного устройства зависит от режима его работы. Степень приближения контактирующих фаз к равновесному состоянию определяется динамикой процесса. Таким образом, не учитывается влияние на КПД тарелки изменения производительности и давления в ректификационной колонне.
Из рассмотрения динамики взаимодействия пузырьков паровой фазы проходящих жидкую на контактном устройстве, представляет интерес оценка КПД тарелки через отношение
массопередачи между фазами к объему паров, проходящих слой флегмы
УП.Ф.у
Проана-
М
лизируем соотношение - для случаев при постоянной и изменяющейся пропорцио-
УП.Ф.
нально давлению производительности. Объем паровой фазы определяем на основании уравнения Менделеева-Клапейрона. Изменение производительности характеризуется через количество молей паровой фазы в пузырьке {ппФ ).
При постоянной производительности {пп ф = const) в соотношение М в качестве
Уп.Ф.
выражения, характеризующего М, вставляем формулу (8)
3/
М , я' 2 ,
■ = kio--Т7- У. (10)
УП.Ф. n г 14
ПП.Ф. '1
При переменной производительности {пп ф ~ я) в соотношение —М— в качестве вы-
Уп.Ф.
ражения характеризующего М вставляем формулу (9)
М я2
т/ = kii--v ■ y. (11)
V и - л
П.Ф. „ т/2
ПП.Ф. •1
Полученные выражения (10) и (11) описывают преобладание возрастания массопереда-чи с ростом давления над производительностью. Таким образом, выражения (10) и (11) характеризуют эффективности работы контактных устройств ректификационной колонны.
М
Следовательно, соотношение -может служить критерием оценки КПД тарелки при
УПФ
изменениях технологических параметров работы ректификационной колонны (производительности, давления и температуры) в широком диапазоне.
Выводы
• Процесс ректификации определяется диффузионным массообменном между паровой и жидкой фазами на контактных устройствах.
• Учет влияния давления на процесс массообмена может способствовать значительному увеличению производительности и четкости ректификации на существующих колоннах.
• Предложен способ оценки К.П.Д. тарелки через отношение массопередачи i-го компонента между фазами к объему паров проходящих через флегму на контактном устройстве.
Список литературы
1. В. В. Кафаров. Основы массопередачи. - Изд. 2, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1972. -496 с.
2. В. Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика. 2-е изд. перер. и доп. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - 699 с.
3. М. С. Рогалев, Р. З. Магарил. Способ интенсификации процесса первичной перегонки нефти. // Известия вузов. Нефть и газ, - 2008,- № 5. - С. 90-93.
4. И. А. Александров. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М: Химия, 1981. - 352 с.
5. С. А. Багатуров. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. Изд. 3-е, перераб. -М.:Химия, 1974. - 440 с.
Сведения об авторах
Магарил Ромен Зеликович, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел. 8(3452)256942, e-mail: magaril67@mail.ru.
Рогалев Максим Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры «Переработка нефти и газа», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел. 8(3452)256942, e-mail: rogalev_max@mail.ru.
Magaril R. Z., Doctor of Technical Science, professor, Chief Scientific Officer, Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)256942, e-mail: magaril67@mail.ru.
Rogalev M. S., Candidate of Technical Science, assistant professor of Department «Oil and gas processing», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)256942, e-mail: rogalev_max@mail.ru.
УДК 665.7.038
СОКРАЩЕНИЕ ПОТЕРЬ ЛЁГКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ НЕФТИ И БЕНЗИНА
REDUCTION OF LIGHT HYDROCARBONS LOSSES FROM OIL AND GASOLINE
М. М. Фархан., Н. В. Корзун
Farhan M. M., Korzun N. V.
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень,
Ключевые слова: легкие углеводороды, снижение потерь, испарение нефти и бензина Key words: light hydrocarbons, reduction of losses, oil andgasoline evaporation
На пути нефти от промысла к нефтезаводу и пути бензина от нефтезавода к потребителю происходят потери лёгких углеводородов в результате испарения, что наносит экономический и экологический ущерб.
Большая часть потерь связана с большим дыханием резервуаров при заполнении продуктом. Концентрация паров углеводородов в смеси с воздухом определяется упругостью паров.
Упругость паров определяется равенством скорости испарения с поверхности жидкости и конденсацией на этой поверхности паров:
KSe-Q/RT = ZSP,
где K — константа, S — поверхность жидкости, Q — скрытая теплота испарения, Z — удельное число столкновений молекул пара с поверхностью жидкости, P — упругость паров.
Хорошо известно явление эбулиоскопии: упругость паров раствора ниже упругости па-
