CC BY
51
УДК 541.64
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОИЗВЛЕЧЕНИЯ ВЫСОКОКИПЯЩИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В ТУРБУЛЕНТНЫХ АППАРАТАХ ДИФФУЗОР-КОНФУЗОРНОЙ КОНСТРУКЦИИ
© Ф. Б. Шевляков1*, В. П. Захаров2 , Д. Х. Каеем1, Т. Г. Умергалин1
Уфимский государственный нефтяной технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450062 г. Уфа, ул. Космонавтов, I.
Тел./Факс: +7 (347) 242 0S 37.
2Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел./Факс: +7(347) 273 66 0S.
E-mail: sfbI9S0@mail.ru
Предложен способ совершенствования процесса доизвлечения высококипящих углеводородов попутного нефтяного газа за счет использования малогабаритного трубчатого турбулентного аппарата диффузор-конфузорной конструкции на стадии абсорбции сырой нефтью.
Ключевые слова: абсорбция, извлечение высококипящих углеводородов, попутный нефтяной газ, трубчатый турбулентный аппарат.
При разработке нефтяных и нефтегазовых месторождений сопутствующим агентом при извлечении нефти является попутный нефтяной газ (ПНГ). В настоящее время разработано достаточно много схем утилизации ПНГ, в частности, закачка в продуктивный пласт с целью повышения нефтеотдачи и для подземного хранения, выработка электроэнергии, технологии ОТЬ и др. [1]. Ввиду отдаленности большинства месторождений от возможных потребителей газа повсеместно практикуется сжигание ПНГ на факелах. В этом случае на факел низкого давления с последних ступеней сепарации поступает жирный газ, содержащий значительное количество высококипя-щих углеводородов. Непроизводственные потери ценного углеводородного сырья увеличиваются в летний период. Актуальность проблемы особо остро проявляется в нефтедобывающих странах Персидского залива, где среднегодовая температура воздуха составляет +30 °С, что оказывается близким к температуре кипения пентановой фракции.
Одним из эффективных путей целевого использования фракций углеводородов попутного нефтяного газа является частичная их абсорбция стабильной нефтью из газов последних ступеней сепарации [2]. С одной стороны, это позволяет уменьшить плотность сжигаемого попутного нефтяного газа на факелах низкого давления, с другой - снизить потери легкоки-пящих фракций сырой нефти и, как следствие, увеличить объемы добываемой продукции скважин.
При доизвлечении углеводородов из ПНГ за счет абсорбции нефтью ключевыми параметрами, увеличивающими эффективность процесса, являются снижение температуры смеси, повышение давления и интенсификация массопереноса (создание высокой поверхности раздела фаз и массоотда-чи со стороны жидкой и газовой фаз). Проблема осложняется тем, что в процессе доизвлечения углеводородов из ПНГ экономически целесообразно использовать 10-20-кратный избыток газового потока по отношению к сырой нефти. В этом случае необходима работа абсорбера в условиях гаранти-
рованного исключения снарядного (расслоенного) режима движения газожидкостной смеси, существенно снижающего поверхность раздела фаз и интенсивность абсорбции. Одним из способов технологического оформления стадии абсорбции ПНГ нефтью в промысловых условиях является использование малогабаритного трубчатого турбулентного аппарата диффузор-конфузорной конструкции [3]. Малые размеры аппарата позволяют сформировать развитой турбулентный режим во всем объема аппарата, а интенсификация конвективного теплообмена - эффективно охлаждать газожидкостную смесь через металлическую стенку.
Трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции эффективно используется в ряде технологий, например, при получении хлор-бутилкаучука хлорированием раствора бутилкаучука газообразным хлором, аммонийфосфатных удобрений при аммонизации экстракционной фосфорной кислоты, этиленпропиленового каучука на стадии приготовления однородной газожидкостной смеси мономеров, водорода, циркуляционного газа и растворителя и ее подача в параллельно работающие реакторы-полимеризаторы, хлористого этила при хлорировании этилена газообразным хлором и др. [3]. В этих процессах газовая фаза по отношению к жидкости достигает 20-кратного избытка.
Целью настоящей работы являлось изучение гидродинамических особенностей протекания процесса абсорбции фракций углеводородов из попутного нефтяного газа стабильной нефтью с использованием в качестве абсорбера малогабаритного трубчатого турбулентного аппарата диффузор-конфузорной конструкции при больших избытках газовой фазы.
В качестве ключевых параметров, характеризующих эффективность проведения процесса абсорбции, выбраны протяженность зоны течения потока с равномерным распределением газовой и жидкой фаз, а также перепад давления на концах аппарата. Указанные факторы характеризуют гидродинамический режим движения двухфазного по-
* автор, ответственный за переписку
І88К 1998-4812 Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. №4
917
тока. Как следствие, для моделирования закономерностей течения газожидкостного потока в трубчатых аппаратах при абсорбции ПНГ нефтью использовалась модельная система вода-воздух в предположении, что извлечение небольшого количества промежуточной фракции из углеводородного газа не оказывает существенного влияния на закономерности диспергирования. Сделанные в работе выводы относятся к модельным системам без учета компонентного состава нефти и газа, давления, температуры и т.д. На первом этапе проведено экспериментальное изучение закономерностей движения газожидкостной смеси в трубчатом турбулентном аппарате на модельной системе вода-воздух с целью оптимизации конструкции аппарата и гидродинамических режимов его работы. Лабораторная установка (рис. 1) включала восьмисекционные трубчатые турбулентные аппараты диффу-зор-конфузорной конструкции, отличающиеся глубиной профилирования канала ёд/ёк = 1.6; 2.0; 3.0 (ёд, ёк - диаметр широкой (диффузор) и узкой (конфузор) частей аппарата). В аппарат непрерывно подавался сжатый воздух из газового баллона с объемным расходом до = 800 мл/с. Расход потока воды изменялся от 2 до 60 мл/с, т. е. соотношение фаз составляло от 13 до 400.
Анализ гидродинамической структуры движения потоков в трубчатых турбулентных аппаратах показал, что уменьшение соотношения длины секции к диаметру диффузора Ьс/ёд от 3 до 2, снижение диаметра диффузора ниже 30 мм, а также увеличение степени профилирования канала ^/ёк от 1 до 3 увеличивает эффективность продольного перемешивания. Увеличение глубины профилирования ^/ёк от 1 до 3 приводит к значительному увеличению удельной поверхности контакта фаз при движении газожидкостного потока. При этом снижение размеров дисперсных включений происходит по длине аппарата от 1 секции к 4.
Установлено, что существует критическое значение отношения газ/жидкость, при котором
возможно формирование двухфазного потока с равномерным распределением газа по сечению аппарата. При увеличении соотношения газ/жидкость выше критической величины в объеме аппарата наблюдается расслоенное течение. В качестве параметра, характеризующего область течения однородного потока, выбрана протяженность зоны смешения от места ввода исходных потоков до начала расслаивания двухфазного потока х. В этом случае величина х характеризует область формирования однородного потока с равномерным распределением дисперсной фазы по сечению аппарата.
С увеличением глубины профилирования канала (отношения ^/ёк) наблюдается рост протяженности аппарата, на котором формируется однородный поток (рис. 2). Таким образом, с ростом величины ёд/ёк в газожидкостном потоке снижается протяженность области расслоенного течения по длине аппарата. Проведение процесса абсорбции в таких условиях возможно в условиях высокой удельной поверхности контакта фаз. В то же время рост глубины профилирования канала приводит к увеличению перепада давления на концах аппарата, что способствует повышению энергетических затрат на прокачивание потоков (рис. 2). Условия формирования газожидкостной смеси с развитой поверхностью контакта фаз, гарантированное исключение расслоенного режима движения потоков и выбор оптимального перепада давления позволяют определить конструкцию аппарата и гидродинамический режим его работы применительно к адсорбции ПНГ нефтью.
При движении двухфазного потока ключевыми параметрами, технологически характеризующими процесс абсорбции, являются нижняя граница формирования однородного потока и перепад давления на концах аппарата. В случае увеличения расхода газовой фазы для формирования нижней границы однородного потока с равномерным распределением компонентов смеси по сечению аппарата требуется меньшее количество жидкой фазы (рис. 3).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения закономерностей течения двухфазных систем: 1 - газовый баллон с воздухом Р = 50 атм.; 2 - перистальтический насос; 3 - линия подачи дисперсионной среды; 4 - ротаметр; 5 - трубчатый турбулентный аппарат; 6 - фотокамера; 7 - источник света; 8 - манометр.
z/d_
€P, атм
Рис. 2. Зависимость протяженности области однородного газожидкостного потока г/ё (1) и перепада давления на концах аппарата Ар (2) от глубины профилирования канала трубчатого турбулентного аппарата: = 800 мл/с;
Wж = 50 мл/с; ёд = 24 мм; Ксекций = 8; Ьс = 72 мм; ё1 = 10 мм.
Wft мл/с 1000 и
600
200
Wjk, мл/с г 100
60
20
10
Wг/Wж
20
Рис. 3. Соотношение объемных расходов газовой и жидкой фаз при формировании нижней границы однородного потока в трубчатом турбулентном аппарате: ёд = 24 мм; ёк = 8 мм; Ксекций = 8; Ьс = 72 мм; ё1 = 10 мм.
Увеличение расхода как газовой, так и жидкой фаз в однофазном потоке сопровождается повышением перепада давления на концах трубчатого турбулентного аппарата (рис. 4). Перепад давления является функцией плотности потока и квадрата линейной скорости его движения. Как следствие, левая ветвь повышения гидравлического сопротивления при движении двухфазной смеси определяется ростом ее плотности за счет обогащения жидкой фазой. Рост перепада давления в правой ветви, очевидно, связан с высокой скоростью движения газожидкостной смеси (до 2 м/с) за счет ее обогащения газовой фазой. Этот эффект усиливается при совместном движении жидкости и газа. Очевидно, что дальнейшее увеличение газосодержания потока (в предельном случае движение газа по основному
объему аппарата и жидкости в виде пленки на стенках) приведет к понижению перепада давления. В рассмотренном интервале расходов жидкости и газа формирование режима движения однородной газожидкостной смеси с минимальным перепадом давления на концах трубчатого турбулентного аппарата наблюдается в интервале Wг/Wж от 5 до 15.
мл
600 800
pP, атм
200
400
Рис. 4. Зависимость неренада давления АР на концах трубчатого турбулентного аппарата от соотношения Wг/Wж (I) и расхода газовой фазы (2) для нижней границы формирования однородного потока.
Таким образом, предложен способ совершенствования процесса доизвлечения высококипящих углеводородов попутного нефтяного газа за счет использования малогабаритного трубчатого турбулентного аппарата диффузор-конфузорной конструкции на стадии абсорбции стабильной нефтью. Изучение гидродинамических особенностей процесса абсорбции в условиях избытка газовой фазы свидетельствует об эффективности использования трубчатого турбулентного аппарата с числом диф-фузор-конфузорных секций более четырех. При использовании аппарата с глубиной профилирования dj/d,^, характеризующегося высокой диспергирующей способностью, оптимальным соотношением газовой и жидкой фаз, при котором формируется однородный газожидкостной поток и минимальный перепад давления, является W/W* от 5 до 15.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 08-03-99005.
ЛИТЕРАТУРА
1. Graham McNeillie. Looking to the Future - BP Amoco's Gas-to-Market Outlook. SPE 68149. 2001.
2. Хафизов А. Р., Умергалин Т. Г. // Нефтяная и газовая промышленность. Научно-технические достижения, передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности. 1991. №7. С. 26-29.
3. Minsker K. S., Berlin A. A., Zakharov V. P., Zaikov G. E. Fast liquid-phase processes in turbulent flows. Netherlands: Brill Ac. Publ. VSP, 2004. -180 p.
0
0
0
5
Поступила в редакцию 23.05.200S г. После доработки — 22.I0.200S г.
