Состояние теории ректификации и возможность ее уточнения. Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Сведения об авторах

Козлов В. В., к. х. н., младший научный сотрудник, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (3822)492491, email: kvv@ipc.tsc.ru

Арбузова Н. В., инженер, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (3822)492491 Коробицына Л. Л., к. х. н., старший научный сотрудник, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (3822)492491

Восмериков А. В., д. х. н., заведующий лабораторией каталитической переработки легких углеводородов, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (3822)491021

Kozlov V. V., Candidate of Science in Chemistry, junior scientific worker, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS, tel.: (3822)492491, email: kvv@ipc.tsc.ru

Arbuzova N.V., engineer, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS, tel.: (3822)492491 Korobitsyna L. L., Candidate of Science in Chemistry, senior researcher at Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS, tel.: (3822)492491

Vosmerikov A. V., PhD in Chemistry, Head of Laboratory of Catalytic Conversion of Light Hydrocarbons, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS, tel.: (3822)491021

УДК 665.276

СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ РЕКТИФИКАЦИИ И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕЕ УТОЧНЕНИЯ

М. С. Рогалев, Р. З. Магарил

(Тюменский государственный нефтегазовый университет)

Ключевые слова: ректификация, ректификационные колонны, процесс массопередачи, термодинамическое равновесие Key words: rectification, rectification tower, process of mass transfer, thermodynamic equilibrium

В современной теории ректификации при описании процесса массопередачи между паровой и жидкой фазами на контактных устройствах колонн (тарелках) используется понятие «теоретической тарелки» [1]. Оно делает допущение о достижении в системе пар-жидкость состояния равновесия. При переходе от рассмотрения работы «теоретической тарелки» к реальной вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД тарелки). Его значение определяется на основании накопленного опыта эксплуатации тарелок данного типа или по эмпирическим формулам [1].

Эффективность эксплуатации контактных устройств зависит также от режима работы, который влияет на интенсивность процесса массопередачи в системе пар-жидкость. Фактически массопередача на тарелках определяется диффузией компонентов из паровой фазы в жидкую [2]. Этот процесс описывается I законом Фика. Движущей силой процесса является разница между парциальным давлением компонентов в паровой фазе и давлением их насыщенных паров в жидкой, которая описывается законом Дальтона-Рауля [2]. Процесс массо-передачи может быть представлен уравнением

D ■ S-Т

М = Ki---п- y - Pi ■ x , (1)

r

где М - количество паров диффундирующих из паровой фазы в жидкую; Ki - коэффициент массопередачи; D - коэффициент диффузии в паровой фазе; S - поверхность пузырей паровой фазы барботирующих через флегму на тарелке; т - время контакта между фазами на тарелке; r - толщина поверхностного слоя; п - общее давление паров (давление в системе ректификации); P - давление насыщенных паров i-й фракции в жидкой фазе; y; и

- мольные доли i-й фракции в паровой и жидкой фазах соответственно.

Рассмотрим влияние изменения давления на скорость массопередачи. При этом изменением абсолютной температуры пренебрегаем.

Коэффициент диффузии в паровой фазе в соответствие с [3] как функция давления в ректификационной колонне выражается

D = K2 ■-. (2)

п

88

Нефть и газ

№ 2, 2011

На образование поверхности раздела фаз в соответствии с [4] затрачивается работа ( А ), величина которой постоянная для систем с развитой поверхностью (в частности, для процесса ректификации):

А = Б-а, (3)

где а - поверхностное натяжение на границе раздела между паровой и жидкой фазами на контактном устройстве.

На основании работы [5] и уравнения Менделеева-Клапейрона выражение для межфазного поверхностного натяжения будет иметь вид

а = кз \рж -рпР = Кз \рж -К4 -я]Ь , (4)

где К3 , К4 - коэффициент пропорциональности; рж и рп - плотности жидкой и паровой фаз в определенном сечении колонны; Ь = 3,3 - коэффициент рассчитан для углеводородов на основании данных [5].

Выражение для поверхности раздела между паровой фазой борбатирующей через слой флегмы на тарелке из зависимостей (3) и (4) следующее:

Б = К-т-1-(5)

[рж - К4

Ч '

Время контакта между паровой и жидкой фазами на тарелке в зависимости от давления:

—

г = - = К6-я , (6)

где £ - сечение колонны; V - объемная скорость паров, согласно уравнению Менделеева-

Т

Клапейрона, равная V = п-Я-

я

В выражении (1) величиной парциального давления 1-й фракции во флегме на тарелке пренебрегаем, так как величина я - у^ во много раз больше Р^х^ .

Учитывая сказанное, а также зависимости (2), (5) и (6), получаем следующий вид уравнения массопередачи в системе пар - жидкость на контактных устройствах с учетом давления в ректификационной колонне (условие укрепляющей колонны):

я

М = К7---— . (7)

[рж - К4 -я] -г

Из выражения (7) видно, что при прочих равных условиях массопередача из паровой фазы в жидкую возрастает при увеличении давления в ректификационной колонне. Следовательно, повышение давления приближает систему пар-жидкость на контактных устройствах к равновесной, что увеличивает КПД тарелки.

Полученные выводы подтверждены на работе атмосферной ректификационной колонны (диаметр 2,14м, 29 тарелок клапанного типа, расстояние между тарелками 600 мм), результаты которой приведены в таблице.

Результаты опытного пробега

Давление в системе ректификации, МПа Извлечение светлых фракций нефти от потенциала, % Наложение фракций, ОС Рабочие параметры атмосферной ректификационной колонны

температура, ОС расходы орошений, м3/ч

НК-180 180-360 180-360 более 360 верх вывод дизельной фракции в стрипинг низ острое орошение О Д II ЦО

0,15 93,7 25 - 35 110-120 132 231 332 23,4 27,0 9,0

0,30 96,9 -10 - 0 50-60 146 247 319 18,4 18,0 7,2

№ 2, 2011

Нефть и газ

89

Выводы

• При описании в теории ректификации работы тарелки необходимо учитывать динамику процесса массопередачи при контакте паров с флегмой.

• Повышение давления в системе ректификации приводит к увеличению скорости массопередачи между фазами (M « л согласно выражению (7)).

• Имеется возможность увеличения четкости ректификации при повышении давления.

Список литературы

1. В. В. Кафаров. Основы массопередачи. - Изд. 2, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1972.

2. А. И. Скобло, Ю. К. Молоканов, А. И. Владимиров, В. А. Щелкунов. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. - Изд. 3, перераб. и доп. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.

3. М. С. Рогалев, Р. З. Магарил. Способ интенсификации процесса первичной перегонки нефти. // Известия вузов. Нефть и газ, 2008.-№ 5. - С. 90-93.

4. Химическая энциклопедия // Под ред. И. Л. Кнунянц. Т. 3. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - 639с.

5. Р. З. Магарил. Связь теплоты парообразования с плотностью жидкости и ее насыщенного пара и поверхностным натяжением жидкости. // Физическая химия, 1957.-№ 4. - С. 53-57.

Сведения об авторах

Магарил Р.З., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел. 8(3452)256942, e-mail: magaril67@mail.ru.

Рогалев М.С., 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, 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 «Chemistry and Technology of Oil and Gas», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)256942, e-mail: rogal-ev_max@mail.ru.

Машины, оборудование и обустройство промыслов

УДК 621.791.08

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНЫХ УЗЛОВ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Г. А. Расторгуев

(Российский университет дружбы народов)

Ключевые слова: сварные соединения, трубные узлы, неразрушающий радиографический метод

контроля, дефектоскопия, ультразвуковой толщиномер Key words: weldedjoints, pipe spools, non-destructive radiographie method of control, flaw detection, ultrasonic thickness gauge, hand scanner, eddy current

В объектах нефтяной и газовой промышленности, кроме труб и арматуры, широко используются различные технологические обвязки в виде трубных деталей и узлов. Технологические обвязки нефтегазовых объектов собираются из соединительных деталей и трубных вставок в различных сочетаниях.

Трубные узлы предназначены для изменения направления и разделения потока среды, соединения между собой труб различных диаметров, поворотов трубопроводов и ответвлений от них. Они собираются из широкой номенклатуры трубных деталей. К трубным деталям в общем случае относят отводы, тройники, переходы (концентрические и эксцентрические), заглушки, фланцы и днища) [1].

Выполненная систематизация применяемых в трубопроводном строительстве трубных деталей и узлов показала, что для компрессорных станций используются пять основных и два дополнительных вида трубных узлов, а для нефтеперекачивающих станций - шестнадцать основных и пять дополнительных типов. Трубные узлы характеризуются рабочим давлением от 1,6 до 10МПа (100 кгс/см 2), условным проходом от 200 до 1400 мм и темпе-

90

Нефть и газ

№ 2, 2011