CC BY
149
- © B.C. Власенко, B.B. Слесаренко,
Д.Н. Шкрелов, 2014
УЛК 620.9: 624.9К-90
В.С. Власенко, В.В. Слесаренко, Д.Н. Шкредов
РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ С ТРЕХПОТОЧНОЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБОЙ ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ
Рассмотрена технология утилизации паров углеводородов на установках адсорбционного типа. Предложен вариант модернизации установки для рекуперации паров углеводородов. Схема установки дополнена узлом с трехпо-точной вихревой трубой для конденсации паров углеводородов. Приведены характеристики экспериментального стенда для исследования процессов рекуперации паров углеводородов основе эффекта Ранка-Хилша. Ключевые слова: нефтепорт, пары углеводородов, рекуперация, вихревая труба, сепарационный узел.
Паровоздушные смеси (ПВС) образуются при хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах на нефтебазах и при загрузке танкеров в нефтепортах. ПВС относятся к экологически опасным выбросам. Помимо загрязнения окружающей среды, пары нефти и нефтепродуктов создают пожарную и взрывоопасную обстановку на нефтегазовых объектах. Для соблюдения требований российских и международных нормативных документов [1, 2, 3, 4] многие предприятия применяют на своих объектах установки рекуперации или утилизации паров нефти и нефтепродуктов. Это позволяет снизить опасные выбросы в атмосферу и на рабочие площадки.
Одним из примеров предприятий, которые применяют данные технологии в Приморском крае, является ООО «Спецморнефтепорт Козьмино» (г. Находка). На технологическом объекте для рекуперации ПВС используется установка рекуперации паров (УРП) адсорбционного типа фирмы «СагЬоУас» (рис. 1).
Рис. 1. УРП «CarboVac» ООО «Спецморнефтепорт Козьмино» (г. Находка)
Установка имеет производительность 19500 м3/ч и включает 8 адсорберов с активированным углем. Загрузочным объемом каждого адсорбера по 84 м3. В состав УРП входит колонна-абсорбер объемом 75 м3, заполненный металлической набивкой,
24 вакуумных насоса производительностью 2500 м3/ч, насос откачки абсорбента производительностью 400 м3/ч, вентилятор производительностью 17500 м3/ч, свеча рассеивания высотой
25 м, система КИП, автоматики и АРМ. Технологическая схема приведена на рис. 2.
В работах [5, 6] описан принцип работы и проблемы, возникающие при эксплуатации УРП на объекте «Спецморнефтепорт Козьмино». Для снижения вредных выбросов ПВС и увеличения производительности на УРП выполнена модернизация. Предприятием было решено добавить 2 дополнительных адсорбера и построить свечу рассеивания высотой 25 м. Однако результаты замеров выбросов ПВС при загрузке танкеров на терминале после модернизации УРП показывают, что конечная цель работ не достигнута (табл.1). Поскольку УРП не может выйти на проектные показатели по выбросам ПСВ (30 г/м3), а в зимний период УРП периодически отключают из-за неработоспособности, значительная часть ПВС сбрасывается в атмосферу через свечу рассеивания. Фактически в весенне-летний период на объекте «Спецморнефтепорт Козьмино» периодически выбрасывается в атмосферу 140-250 г/м3, а в осенне-зимний период 240-350 г/м3 углеводородов.
Методы исследования
Для выхода УРП на проектный уровень выбросов вредных веществ в атмосферу предлагается применить в структуре действующей УРП дополнительный узел, включающий трехпоточ-ную вихревую трубу (рис. 2, поз. 6-17). Модификации вихревой трубы (ВТ) достаточно надежно работают в газовой, нефтедобывающей и химической отраслях промышленности [7, 8,9]. Вихревые трубы с узлом сепарации будут способствовать охлаждению и удалению «вредных примесей» из паровоздушной смеси, отбору конденсата углеводородного сырья. Специфика эффекта Ранка-Хилша позволяет получить нагретый и охлажденный поток ПВС после вихревой трубы. На сегодняшний день в промышленности применяют регулируемые трехпоточные
Рис. 2. Технологическая схема УРП: узел действующей УРП: 1 - адсорберы, 2 - абсорбер, 3 - воздуходувка, 4 - вакуумные насосы, 5 - танкер, 10 - огнепреградитель, 11 - конденсатосборник, 12 - свеча рассеивания, 13
- откачка конденсата в инвентарную емкость), дополнительный узел с вихревой трубой (6 - турбокомпрессоры, 7 - ABO, 8 - теплообменник, 9 - ВТ, 14
- сжатый паровоздушный поток, 15 - холодный поток из ВТ, 16 - нагретый поток из ВТ, 17 - линия отвода конденсата
вихревые трубы с весовой долей холодного потока, близкой к еденице, приэтом достигается необходимый температурный перепад, а расход горячего потока практически отсутствует [10].
По предлагаемой схеме ПВС, забираемая из танков при загрузке нефтью, перед подачей в абсорбционную УРП сжимается в компрессоре до давления 0,6 МПа. Далее смесь поступает в ВТ. Эффект Ранка-Хилша, реализуемый в вихревой трубе, обеспечивает снижение температуры центральных слоев закрученного потока и нагрев периферийных слоев. При понижении температуры паровоздушного потока водяные пары и часть низкокипящих компонент паров нефти конденсируются. Конденсат отводится из ВТ в конденсатосборник. Холодный поток паровоздушной смеси направляется из ВТ в теплообменник для охлаждения входящего в трубу потока. Горячий поток, смешанный с холодным за ВТ подается в фильтр-адсорбер через аппарат воздушного охлаждения. Дополнительная мощ-
ность, требуемая для привода компрессора ВТ, составляют 0,5 - 0,6 кВт на тысячу куб. метров ПВС.
В качестве проверки эффективности данного метода на кафедре Нефтегазового дела и нефтехимии ДВФУ создается лабораторная установка по изучению вихревого эффекта (рис. 3).
Рис. 3. Схема лабораторной установки: 1 - пропан-бутан; 2 - компрессор; 3 - вертикальный воздушный ресивер; 4 - пластинчатый теплообменник; 5 - трехпоточная вихревая труба; 6 - регулятор давления пропан-бутана; 7 -конденсатосборник; 8 - кондуктометрический датчик уровня; 9 - редуктор газовый; 10 - датчик температуры; 11 - датчик давления; 12 - расходомер газовый; 13 - преобразователь аналоговых сигналов; 14 - компьютер; 15 -обратный клапан; 16 - шаровой кран. I - основной трубопровод; II - линия байпаса в обход конденсатосборника; III - линия байпаса в обход вихревой трубы; IV - холодный поток после вихревой трубы; V - горячий поток после вихревой трубы; VI - конденсат после теплообменника; VII - конденсат после сепарационного узла вихревой трубы; VIII - конденсат после горячего потока вихревой трубы; IX - кабели датчиков и измерительных приборов; X - слив конденсата; XI - линия всасывания воздуха из атмосферы; XII - линия подачи пропан-бутана; XIII - байпас холодного потока в обход теплообменника; XIV - газовый поток после сепарационного узла вихревой труб
Результаты исследования
Для определения геометрических параметров ВТ, которая будет применяться на лабораторной установке, использовались теоретические и экспериментальные работы известных исследователей эффекта Ранка-Хилша [11,12]. Модель исследуемой ВТ представлена на рис. 2.
Рис. 4. Трехпоточная вихревая труба в разрезе: 1 - сопловой ввод; 2 -холодный конец трубы; 3 - диафрагма; 4 - сопло; 5 - сепарационный узел; 6 - камера энергоразделения; 7 - отвод конденсата; 8 - горячий конец трубы; 9 - крестовина
Площадь сопла вихревой трубы находится из соотношения
р = °-Ус (1)
рск в р. , и;
а вх
где Ва — постоянная учитывающая характеристики рабочего тела.
Ва =
к +1
к ( 2 1 2(к -1) ' 2 1 ( ). (2)
Я! I к +1
Индивидуальная газовая постоянная паровоздушной смеси определяется из соотношения
IЯ - т
Ъ. = -, О)
I т
Н — газовая постоянная отдельного компонента смеси, кДж
-; т. — масса отдельного компонента, кг.
кг ■ К '
Высота сопла Ь вихревой трубы находится
Ь = . (4)
Ширина сопла Ь
Ь = ^к.. (5)
Ь
Диаметр О вихревой трубы
О = 3,65^ . (6)
Диаметр отверстия диафрагмы Ол
Од = (0,350 + 0,313 -ц) ■ О. (7)
При ограничение вихревой зоны, установленной на горячем конце крестовиной, длина Ь вихревой зоны принимается равной 9 калибрам трубы
Ь = 9 ■ О. (8)
Температура горячего потока Тг определяется
УАх Л ,
ч 1 /
где А1х необходимый эффект охлаждения
К = твх - Тх + с(Мх), (10)
где а(А£х) — поправка на влажность воздуха
Давление горячего потока перед дросселем Рг
Рг = Рх -(0,33-п + 0,67), (11)
где п предполагаемая степень расширения в вихревой трубе. Р'
п = Р^. (12)
Р
Т = Т„,
(9)
Таблица 1
Результаты расчета геометрии вихревой трубы
Обозначение Числовое значение Наименование
Исходные данные
Р' ВХ К Тх Рх ц в 1 293,15 243,15 0,1 50 0,65 0,31 (1120) давление сжатого газа на входе (относительное ати), МПа температура сжатого газа на входе, К необходимая температура холодного потока, К давление холодного потока, МПа в зависимости от требований расчета заранее задается изобарный подогрев холодного потока при теплообмене с охлаждаемым объектом, °С значение весовой доли холодного потока (^=0,3 для максимальной температурной эффективности ВТ, ^=0,65 для максимальной экономичности) общий массовый расход воздуха, кг/сек (кг/час)
Расчетные данные
0 ^ о ь ь оа L еШх) тг Рг 800 80.5 32,7 6,3 12,7 16.6 294,7 54,2 4,2 98 0,4 Объемный расход, нм3/час критическая площадь сопла (при условии, что число маха т=1), мм1 диаметр вихревой трубы, мм высота сопла, мм ширина сопла, мм диаметр диафрагмы, мм длина вихревой зоны при условии установки крестовины, мм необходимый эффект охлаждения с учетом влажности воздуха поправка на влажность воздуха при давлении 1 МПа температура горячего потока, оС давление горячего потока перед дросселем, мпа абсолютн знач
Таблица 2
Компонентный состав паровоздушной смеси
Компонент Уровень эмиссии г/м3 Массовая доля,% Объемная доля, % Предел взры-ваемости, объем в воздухе, %
метан 8,7 0,6 2,1 5-15
этан 34,2 2,2 4,3 3-12,5
пропан 105 6,8 7,9 2,1-9,5
и-бутан 37,9 2,4 2,1 1,7-8,4
н-бутан 78,2 5,0 4,4 1,8-8,4
и-пентан 24,7 1,6 1,1 1,4-7,8
н-пентан 27,5 1,8 1,3 1,4-7,8
пентен 1,6 0,1 0,1 1,4-7,8
С6+ 32,2 2,1 1,4 1-6,7
Смесь 350 22,6 24,7 2-9
Таблица 3
Температуры кипения компонентов
Компонент Метан Этан Пропан и-Бутан н-Бутан и-Пентан н-Пентан Смеси
Формула ^п при атм. давлении, °С СН4 -164 С2Н6 -89 С3Н8 -42 С4Н10 -11,7 С4Н10 -0,5 С5Н12 27,8 С5Н12 36 -15,5
На первоначальном этапе, для изучения эффективности сепарации, будет использоваться модельная ПВС, состоящая из 60 % пропана и 40 % бутана. В дальнейшем планируются испытания на сложно-компонентной смеси, соответствующей ПВС, забираемой из реального объекта (табл. 2).
Согласно расчету, температура холодного потока должна достигать -30 оС. Это должно обеспечивать конденсацию большинства компонентов смеси (табл. 3).
Выводы
Одна из основных целей данной работы - подтвердить возможности трехпоточной вихревой трубы эффективно охлаждать, конденсировать и отделять углеводороды, находящиеся в паровоздушной смеси.
Эксперименты на рассмотренной лабораторной установке позволят определить, при каких условиях целесообразно использовать эффект Ранка-Хилша для рекуперации паров нефти и нефтепродуктов.
Положительный результат позволит рекомендовать разрабатываемую технологию для совместной эксплуатации с установкой рекуперации паров, действующей на ООО «Спецморнефтепорт Козьмино», а так же для применения модернизированной УРП на нефтебазах и других нефтепортах.
Применение дополнительного узла с вихревой трубой в структуре УРП будет способствовать повышению технологической и экологической безопасности объектов нефтегазового комплекса.
Для студентов Инженерной школы ДВФУ, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело» будут созданы условия для выполнения лабораторных и научно-исследовательских работ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ФЗ от 22 июля 2008 г. №123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
2. ФЗ от 21.07.1997 г. №116-Ф3 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
3. Постановления правительства РФ от 25.12.1998 N 1540 «О применении технических устройств на опасных производственных объектах».
4. Директива 94/9 ЕС европейского парламента и совета от 23 марта 1994 г.
5. Бласенко B.C., Слесаренко В.В. Трехпоточная вихревая труба как инструмент подготовки паров нефтепродуктов к рекуперации // Материалы VI Международного студенческого научного форума. - 2014. http://www.scienceforum.ru/2014/368/551.
6. Слесаренко В.В., Лапшин Д.В., Соколова П.А. Совершенствование установок рекуперации паров нефти для снижения вредных выбросов в атмосферу. Нефть и газ: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) - М.: Издательство «Горная книга». - 2013, — №ОВ3. - С.182-189. ISSN 0236-1493.
7. Исхаков P.M., Николаев В.В., Жидков М.А, Комарова Г.А. Применение ТВТ для конденсации тяжелых углеводородов из попутного нефтяного газа // Газовая промышленность. - 1998. — № 7. - С. 42-43.
8. Жидков М.А., Девисилов В.А., Жидков Д.А., Гусев А.П., Рябов А.П. Трехпоточные вихревые трубы - экологически значимая альтернатива сжиганию попутного нефтяного газа на факелах // Безопасность в техносфере. -2013.№3. - С.19-27.
9. Азаров А. И. Направления совершенствования серийных вихревых труб // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. — №7. -С.24-27;
10. Жернаков B.C., Целищев А.Б. Исследование эффективности работы противоточной вихревой трубы в качестве газожидкостного сепаратора // Уфа: УГАТУ, 2013. - Т.17 № 3, (56). - С. 109-116.
11. Мерукулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. -М.: Машиностроение, 1969. - С. 58-62.
12. Пиралишвили Ш.А., Поляев Б.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения // М.: УНПЦ «Энергомаш». -2000. -414 с. Um
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, профессор, Дальневосточный федеральный университет, с.н.с. Института химии ДВО РАН, [email protected],
Власенко Виктор Сергеевич - магистрант кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии, Дальневосточный федеральный университет, [email protected], Шкредов Дмитрий Николаевич — гл. конструктор ООО «НПО «ВЕРТЕКС».
DEVELOPMENT THE INSTALLATION WITH THE THREE STREAMS VORTEX TUBE FOR THE RECOVERY OF OIL VAPORS
Slesarenko V.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, far Eastern Federal University, senior researcher of Institute chemistry Feb RAS, [email protected],
Vlasenko V.S., Graduate Student of the Department of Petroleum and petrochemicals, far Eastern Federal University, [email protected], ShkredovD.N., Chief designer of OOO "NPO "VERTEX".
The technology of oil vapor recovery for the adsorption installation are described. Some variants of modernization the installation for oil vapor recovery are considered. Scheme of this installation are supplemented the node with the three streams vortex tube for condensation of oil vapors. The characteristics of the experimental setup for study of oil vapor recovery and effect Rank-Hilch are described. Key words: oil port, vapors of oil, recovery, vortex tube, separation unit.
REFERENCES
1. FZ ot 22 ijulja 2008 g. №123-FZ «Tehnicheskij reglament o trebovani-jah pozhar-noj bezopasnosti».
2. FZ ot 21.07.1997 g. №116-FZ «O promyshlennoj bezopasnosti opas-nyh proiz-vodstvennyh obektov».
3. Postanovlenija pravitel'stva RF ot 25.12.1998 N 1540 «O prime-nenii tehnicheskih ustrojstv na opasnyh proizvodstvennyh obektah».
4. Direktiva 94/9 ES evropejskogo parlamenta i soveta ot 23 marta 1994 g.
5. Vlasenko V.S., Slesarenko V.V. Trehpotochnaja vihrevaja truba kak instrument podgotovki parov nefteproduktov k rekuperacii // Materialy VI Mezhdunarodnogo studencheskogo nauchnogo foruma. 2014. http://www.scienceforum.ru/2014/368/551.
6. Slesarenko V.V., Lapshin D.V., Sokolova P.A. Sovershenstvovanie ustanovok rekuperacii parov nefti dlja snizhenija vrednyh vybrosov v at-mosferu. Neft' i gaz: Ot-del'nyj vypusk Gornogo informacionno-analiticheskogo bjulletenja (nauchno-tehnicheskogo zhurnala) Moscow, Izdatel'stvo «Gornaja kniga». 2013, No OV3, pp.182189. ISSN 0236-1493.
7. Ishakov P.M., Nikolaev V.V., Zhidkov M.A., Komarova G.A. Prime-nenie TVT dlja kondensacii tjazhelyh uglevodorodov iz poputnogo neftjanogo gaza // Gazovaja promyshlennost' (The use of TBT to the condensation of heavy hydrocarbons from associated oil gas // Gas industry). 1998, No 7, pp. 42-43.
8. Zhidkov M.A., Devisilov V.A., Zhidkov D.A., Gusev A.P., Rjabov A.P. Trehpotochnye vihrevye truby - jekologicheski znachimaja al'ternativa szhiga-niju poputnogo neftjanogo gaza na fakelah // Bezopasnost' v tehnosfere (Three-flow vortex tube - ecologically significant alternative slgA of associated petroleum gas flaring // safety in technosphere). 2013, No 3, pp. 19-27.
9. Azarov A.I. Napravlenija sovershenstvovanija serijnyh vihrevyh trub // Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie (Directions of perfection serial vortex tubes // Chemical and oil engineering). 2004, No 7, pp. 24-27.
10. V. S. Zhernakov A.V. Celishhev. Issledovanie jeffektivnosti ra-boty protivotochnoj vihrevoj truby v kachestve gazozhidkostnogo separatora (Research of efficiency of work-flow vortex tube as a gas-liquid separator1) // Ufa: UGATU, 2013, Vol. 17, No 3, (56). pp. 109-116.
11. Merukulov A.P. Vihrevoj jeffekt i ego primenenie v tehnike (Vortex effect and its application in engineering). Moscow, Mashinostroenie, 1969, pp. 58-62.
12. Piralishvili Sh.A., Poljaev V.M., Sergeev M.N. Vihrevoj jeffekt. Jeksperiment, teorija, tehnicheskie reshenija (Vortex effect. The experiment, theory, technical solutions) // Moscow, UNPC «Jenergomash», 2000, 414 p.
