CC BY
90
УДК 665.633.8
Р. Ф. Ахметов (асп.)1, Г. М. Сидоров (д.т.н. проф.)2, Ф. Ш. Вильданов (к.т.н., доц.)1, В. О. Беркань (магистрант)2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ БЕНЗИНОВЫХ ФРАКЦИЙ ИЗ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ
ЭФФЕКТА РАНКА-ХИЛША
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра нефтехимии и химической технологии, 2кафедра технологии нефти и газа 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; e-mail: [email protected]
R. F. Akhmetov, G. M. Sidorov, F. S. Vildanov, V. O. Berkan
IMPROVING THE PROCESS OF ALLOCATION GASOLINE FRACTIONS FROM ASSOCIATED PETROLEUM GAS WITH RANQUE-HILSCH EFFECT
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; e-mail: farhad [email protected]
Исследованы пути повышения эффективности процесса абсорбционной очистки попутного нефтяного газа путем охлаждения «тощего» абсорбента и попутного нефтяного газа (ПНГ). В качестве источника холода предложено использовать вихревые трубы (трубы Ранка-Хилша), которые отличаются простотой конструкции, низкой себестоимостью и высокой производительностью. Исследование холодопроиз-водительности вихревой трубы было осуществлено методом CFD-анализа (Computational fluid dynamics — вычислительная гидродинамика) процесса с построением трехмерной модели. Расчетные данные показывают возможность существенной интенсификации процесса абсорбционной очистки ПНГ с одновременным снижением доли пропана в отбензиненном газе.
Ключевые слова: абсорбция; вихревые трубы; источники холода; моделирование; попутный нефтяной газ; эффект Ранка-Хилша.
Попутный нефтяной газ — продукт дегазации нефти при ее подготовке к транспортировке, содержит в себе легкие С1—С5 углеводороды. Основные рациональные способы утилизации ПНГ — фракционирование, сжигание в газоэлектрогенераторах, химическая переработка по технологии GTL, закачка в скважину для поддержания пластового давления. Сжигание газа для получения тепла и электроэнергии выгодно для малых и удаленных месторождений, но не решает вопроса загрязнения окружающей
Дата поступления 18.07.15
The information about the main directions of utilization of associated petroleum gas (APG) is presented. Methods for increasing the efficiency of absorption purification of associated petroleum gas by cooling the absorbent and APG are investigated. As a source of cold it is offered to use vortex tube (Ranque-Hilsch), which differs in design simplicity, low cost and high performance. Investigation of the vortex tube cooling was carried out by CFD-analysis process with creation of three-dimensional model. The calculated data show a significant opportunity to intensify the process of absorption of APG treatment while reducing the proportion of propane in the stripped gas.
Key words: associated petroleum gas; absorption; a cold source; vortex tube; Rank-Hilsch effect; modeling.
среды продуктами горения. Химическая переработка по технологии СТЬ — процесс дорогостоящий и предусматривает применение катализаторов и специальных реакторов. Закачка ПНГ в скважину хоть и позволяет рационально использовать попутный газ, но не решает проблему его утилизации 1.
С учетом недостатков вышеперечисленных способов одним из наиболее эффективных методов утилизации ПНГ является фракционирование ПНГ. Этот процесс является неотъемлемой частью технологической реализации «Плана развития газо- и нефтехимии России на пе-
риод до 2030 г.», утвержденного приказом Минэнерго России №79 от 01.03.2012 г., поскольку позволяет обеспечить легкими углеводородами развивающуюся нефтегазохимичес-кую отрасль и решить проблему загрязнения атмосферы в результате сжигания ПНГ. Суть фракционирования ПНГ на компоненты сводится к извлечению высококипящих компонентов (широкая фракция легких углеводородов, бензин газовый стабильный, пропан-бута-новая фракция и т.д.). Низкокипящие компоненты (отбензиненный газ) закачиваются в
магистральный газопровод, либо используют-
2
ся на месте в качестве топлива 2.
Основные способы фракционирования ПНГ — низкотемпературная ректификация + сепарация; абсорбция; адсорбция. Фракционирование попутных газов низкотемпературной ректификацией требует создания температурных режимов, близких к критическим (до —90 0С), которые достигаются при помощи таких сложных и дорогостоящих аппаратов, как турбодетандеры и многоступенчатые компрессоры. К недостаткам адсорбционного и абсорбционного разделения можно отнести необходимость регенерации абсорбента (адсорбента). Однако для разделения ПНГ более предпочтительна все же абсорбция, поскольку в этом случае отпадает необходимость монтажа дополнительных контактных аппаратов, работающих поочередно в режиме поглощения и регенерации. К тому же непостоянство состава разделяемых попутных газов затруднит процесс автоматизации работы адсорберов 3.
Целью нашей работы было изучение возможности совершенствования процесса абсорбционного извлечения бензиновой фракции из попутных нефтяных газов с применением холодильных установок на базе вихревого эффекта. Вихревой эффект (эффект Ранка-Хил-ша) впервые был описан в 1930—1940-х гг. французским инженером Ж. Ранком и немецким ученым Р. Хилшем. Вихревой эффект заключается в разделении закрученного потока в цилиндрической или конической камере на две фракции. Периферийная фракция имеет более высокую температуру, приосевая фракция — более низкую (рис. 1). При этом оба потока закручиваются в противоположенных направлениях. Единой теории о возникновении аномального течения газов и температурном разделении в вихревой трубе до сих пор не существует, однако многие практические разработки в этой области нашли промышленное применение в системах кондиционирования помещений и охлаждения радиоэлектронного
4,5
холодильной технике 6,7, ап-8,9 теплообменном обо-
оборудования
паратах осушки газов 10
рудовании , в процессах очистки и сжижении природных и попутных газов 11-13, получения бензинов из попутных нефтяных газов 14.
Свх
Схол <—
Сгор -►
Сгор
Рис. 1. Схема противоточной вихревой трубы:
Овх — высоконапорный поток газа; Охол — охлажденный поток газа; Огор — подогретый поток газа
Для получения низких температур в промышленных процессах переработки природных и попутных нефтяных газов предусматриваются устройства стратификации (понижения) имеющегося в системе давления (детандеры, дроссели). В настоящее время в ведущих научных центрах России и мира ведутся прикладные исследования по разработке нового поколения устройств стратификации давления — пульсационных охладителей, волновых детандеров, вихревых труб и др. 15 При этом вихревые трубы выгодно отличаются от аналогичных устройств простотой конструкции и высокой производительностью в сочетании с низкой себестоимостью. Вихревые трубы, или как их еще называют, трубы Ранка-Хилша (по аналогии с одноименным физическим эффектом) по холо-допроизводительности в несколько раз превосходят традиционные дроссели, работа которых основана на эффекте Джоуля-Томсона 16-18.
В качестве исходной модели использовалась опытная установка, включающая в общем случае абсорбционную колонну и колонну стабилизации абсорбента. Принципиальная технологическая схема установки представлена на рис. 2.
Отбензиненный газ Сбросный газ
Тощий абсорбент
Г
Тощий абсорбент
г
Насыщенный абсорбент
Стабилизированный абсорбент
Рис. 2. Принципиальная схема опытной установки извлечения бензиновой фракции из попутных нефтяных газов
К-2
К-1
В нижнюю часть колонны К-1, состоящей из 30 тарелок, подается попутный нефтяной газ с температурой 25 0С и давлением 1.5 МПа, в верхнюю — керосиновая фракция (тощий абсорбент) с температурой 40 0С и давлением 1.4 МПа. С верхней тарелки колонны отводится отбензиненный газ с температурой 45 0С и давлением 0.9 МПа. Мольная доля пропана в отбензиненном газе составляет от 0.18 до 0.3 в зависимости от количества тощего абсорбента. Насыщенный абсорбент с низа колонны К-1 подается на 16 тарелку колонны К-2.
Колонна К-2 состоит из 30 тарелок, в качестве орошения на верхнюю тарелку подается тощий абсорбент. С верха колонны отводятся сбросные газы, состоящие из сероводорода, азота, метана и этана. Стабилизированный абсорбент уходит с низа колонны.
Моделирование процесса абсорбции и течения газа в вихревой трубе. В качестве приоритетного направления совершенствования процесса абсорбционного извлечения бензиновой фракции из попутных нефтяных газов нами было выбрано использование вихревых труб на стадии получения холода. Для оценки возможного эффекта охлаждения нами было смоделировано течение метана в вихревой трубе. Моделирование производилось посредством СБО анализа в программном комплексе Апвуэ СБХ. Объектом исследования была вихревая труба (рис. 3) со следующими параметрами:
Диаметр камеры энергоразделения — 40 мм;
Длина камеры энергоразделения — 360 мм;
Входное сопло — 16x8 мм; Диаметр канала отвода холодного потока — 19 мм.
Рис. 3. Проточная часть исследуемой вихревой трубы
Математическая модель предполагала описание течения газа системой трехмерных уравнений Навье-Стокса, уравнениями состояния и энергии. Турбулентная вязкость определялась к— моделью. В качестве рабочего газа использовался метан. Математическая модель состояла из следующих уравнений (табл. 1).
На входе задавалось граничное условие — статическое давление 0.3 МПа, на выходе холодного потока задавался секундный расход газа, на выходе горячего потока — статическое давление 0.1 МПа.
Наибольшая разница температуры на входе газа в трубу и на холодном конце наблюдалась при относительной доли холодного потока равной ^=0.45 и составила 20 градусов. Та-
Уравнение Математическое выражение
Сохранения массы др + д(ри]) _ о дт дх.
Сохранения энергии д(рн) + д(ри1и) _ др тт+о.) + ри/ дт дх. дт дх. 1 1
Сохранения импульса д(ри1) д(ри1и]) др дтг] - +- _----+ Р/г дт дх. дх. дх. ] 1 ]
Состояния N
Модель турбулентной вязкости д(Рк) + д(р1'-к) __д (Г, Ьк) + р-ре -л \ к ^ ' к ' д т дх] дх] дх]
Генерация турбулентной кинетической энергии _*<дЧ]Т -2(Рк + « 7')Т» дх. дх. дх. 3 дх. дх, ] 1 ] ' к
Коэффициент диффузии Гк
Таблица 1
Математическая модель для описания течения газа в вихревой трубе
ким образом газ, попадая в вихревую трубу при температуре 20 oC, охлаждается до 0 oC. Использование рекуперативных теплообменников, где будет охлаждаться высоконапорный газ, позволит еще больше понизить темпера-
19
туру и достичь отрицательных температур .
Для оценки эффекта от понижения температуры процесс абсорбции был смоделирован в программном комплексе Honeywell's UniSim Design Suite на основе опытных данных, полученных на опытной установке.
Результаты и их обсуждение
Как показывают результаты расчета, целесообразно понижать температуру «тощего» абсорбента (рис. 4), либо «тощего» абсорбента и ПНГ (рис. 5) — в этом случае существенно уменьшается доля пропана в отбензиненном газе. Со снижением температуры только попутного газа доля пропана в отбензиненном газе уменьшается незначительно (рис. 6).
(D
ш £
го L
£ s
ГО о
£ i
о ш
& i
к m
ц I
о <и
Ч »о о
0 15
0 1
0 05^ 0,05
п
-10 10 30
Температура тощего адсорбента
50
П Л Q
-5 5 15 25
Температура тощего адсорбента
* 2 о ®
d «з
о
0 14
0 12
0 1
0 08
0 06
0 04
0 02^
0
5 15
Температура тощего адсорбента
25
Рис. 4. Зависимость доли пропана в отбензиненном газе от температур>ы тощего абсорбента
Рис. 6. Зависимость доли пропана от температуры ПНГ и тощего абсорбента
Для получения низких температур в рассматриваемой установке целесообразно использовать перепад давления сбросного газа. Использование ПНГ в качестве рабочего газа для вихревой трубы нецелесообразно вследствие того, что часть тяжелых углеводородов будет конденсироваться, тем самым снижая эффект температурного разделения.
Как показывают расчетные данные, полученные при моделировании процесса, даже при незначительных расходах газа и перепадах давления возможно получить низкие температуры, достаточные для проведения процесса абсорбционного разделения ПНГ.
Полученные результаты позволяют предположить возможность и целесообразность использования труб Ранка-Хилша на стадии охлаждения ПНГ при имеющемся скважинном давлении, что позволит снизить или полностью исключить дополнительные затраты на компримирование (сжатие) газа. Кроме того, проведение процесса абсорбционного разделения ПНГ при низких температурах дает возможность сохранить пропановую фракцию с целью ее дальнейшего использования в процессах нефтепереработки и нефтехимии.
Рис. 5. Зависимость доли пропана в отбензиненном газе от темперютур>ы ПНГ
Литература
1. Ахметов Р.Ф., Сидоров Г.М., Рахимов М.Н., Шириязданов Р.Р., Давлетшин А.Р., Теля-шев Э.Г., Каримова А.Р. Анализ способов переработки попутного нефтяного газа // Наука и техника в газовой промышленности.— 2015.— №1(61).- С.38.
2. Передельский В., Скородумов Б. Проблемы и перспективы создания инфраструктуры комплексов производства сжиженного газа // Химическое и нефтяное машиностроение. 2001.-№12.- С.19-22.
3. Чуракаев А. М. Газоперерабатывающие заводы и установки.- М.: Недра, 1994.- С. 236.
4. Патент № 2067266 C1, РФ. Вихревая труба / Васильев В.И., Вишератин К.Н., Заренков А.А., Коломиец С.М. // Б. И.- 1989.
5. Мартынов А..В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба?- М.: Издательство «Энергия», 1976.- С.152.
6. Патент №2151970 РФ. Вихревая труба с внутренней регенерацией тепла / Борискин В.В., Глазунов В.Д., Колышев В.Д., Логинов Д.Н., Пошернев Н.В., Ходорков И.Л., Чудаков // Б.И.- 2000.
7. Патент №2231005 РФ. Способ работы вихревой трубы и вихревая труба / Белостоцкий Ю.Г. // Б. И.- 2004.
8. Патент №2285870 РФ Вихревая труба / Це-гельский В.Г., Жидков М.А. // Б. И.- 2006.-№9.
9. Патент №2423168 РФ Трехпоточная вихревая труба / Биндас В.Г., Юрьев Э.В. // Б. И.-2010.- №19.
10. Патент №2388982 РФ Теплообменное устройство (варианты) / Мойлала К., Гасик М. // Б. И.- 2010.- №13.
11. Патент №2496068 РФ Способ осушки и очистки природного газа с последующим сжижением и устройство для его осуществления / Лазарев А.Н., Косенков В.Н., Савчук А.Д. // Б. И.-2013.- №29.
12. Патент №2500959 РФ Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления / Лазарев А.Н., Косенко В.Н., Савчук А.Д. // Б. И.- 2013.- №22.
13. Патент №2507459 РФ Способ сепарации и сжижения попутного нефтяного газа с его изотермическим хранением / Косенков В.Н., Лазарев А.Н., Савчук А.Д. // Б. И.- 2014.- №5.
14. Патент №2509271 РФ Способ получения из попутного газа бензинов и сжиженного газа / Лазарев А.Н., Косенков В.Н., Савчук А.Д. // Б. И.- 2014.- №34.
15. Гусев А.П. Подготовка газа нефтедобычи к транспорту с применением трехпоточной вихревой трубы: Автореф. ... канд. техн. н.- Тюмень: Тюменский государственный университет, 2004.- С.26.
16. Пархимович А.Ю. Имитационное моделирование температурной стратификации закрученных потоков в вихревых хладогенераторах: Автореф. ... канд. техн. н.- Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2008.- С.35.
References
1. AKhmetov R.F., Sidorov G.M., RaKhimov M.N., Shiriyazdanov R.R., Davletshin A.R., Telyashev E.G., Karimova A.R. Analiz sposobov pererabotki poputnogo neftyanogo gaza [Analysis of the methods of processing of associated petroleum gas]. Nauka i tekhnika v gazovoi promyshlennosti, 2015, no. 1(61), pp. 38-44.
2. Peredel'skii V., Skorodumov B. Problemy i perspektivy sozdaniya infrastruktury komplek-sov proizvodstva szhizhennogo gaza [Problems and prospects of infrastructure facilities of liquefied gas]. Khimicheskoe i neftyanoe mashinostroenie, 2001, no.12, pp. 19-22.
3. Churakaev A.M. Gazopererabatyvayushchie zavody i ustanovki [Gas processing plants and units]. Moscow, Nedra Publ., 1994, 236 p.
4. Vasil'ev V.I., Visheratin K.N., Zarenkov A.A., Kolomiec S.M. Vikhrevaya truba [Vortex tube]. Patent RF, no. 2067266, 1989.
5. Martynov A..V., Brodyanskii V.M. Chto takoe vikhrevaya truba? [What is the vortex tube?] — Moscow, Energiya Publ, 1976, p. 152.
6. Boriskin V.V., Glazunov V.D., Kolyshev V.D., Loginov D.N., Poshernev N.V., Khodorkov I.L., Chudakov B.S. Vikhrevaya truba s vnutrennei regeneratsiei tepla [Vortex tube with internal heat recovery]. Patent RF no. 2151970, 2000.
7. Belostockii Yu.G. Sposob raboty vikhrevoi truby i vikhrevaya truba [The method of operation of the vortex tube and vortex tube]. Patent RF no.2231005, 2004.
8. Cegel'skii V.G., Zhidkov M.A. Vikhrevaya truba [Vortex tube]. Patent RF no. 2285870, 2006.
9. Bindas V.G., Yur'ev E.V. Trekhpotochnaya vikhrevaya truba [Three flow vortex tube]. Patent RF no.2423168, 2010.
10. Moilala K., Gasik M. Teploobmennoe ustrojstvo (varianty) [The heat exchange device (variants)]. Patent RF no.2388982, 2010.
11. Lazarev A.N., Kosenkov V.N., Savchuk A.D. Sposob osushki i ochistki prirodnogo gaza s posledujushchim szhizheniem i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Method dehumidification and purification of natural gas, followed by liquefaction and device for its realization]. Patent RF no. 2496068, 2013.
12. Lazarev A.N., Kosenko V.N., Savchuk A.D. Sposob szhizheniya prirodnogo gaza i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [A method of liquefying natural gas, and an apparatus for its implementation]. Patent RF no. 2500959, 2013.
13. Kosenkov V.N., Lazarev A.N., Savchuk A.D. Sposob separatsii i szhizheniya poputnogo neftyanogo gaza s ego izotermicheskim khrane-niem [A method of separation and liquefied petroleum gas, with its isothermal storage]. Patent RF no.2507459, 2014.
14. Lazarev A.N., Kosenkov V.N., Savchuk A.D. Sposob polucheniya iz poputnogo gaza benzinov i szhizhennogo gaza [The process for producing gasoline from associated gas and LPG]. Patent RF no.2509271, 2014.
17. Жидков М.А., Жидков Д.А. Повышение энергоэффективности процессов на газорегулирую-щих станциях / / Проблемы региональной энергетики.— 2012.— №2.— С.66.
18. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект — эксперимент, теория, технические решения.— М.: Издательство УНПЦ «Энергомаш», 2000.- С.211.
19. Патент № 2168683 РФ Способ выделения сжиженных углеводородов из природного газа / Борискни В.В., Глазунов В.Д., Логинов Д.Н., Пошернев Н.В., Сердюков С.Г., Стрельцов Ю.М., Ходорков И.Л. // Б. И.- 2001.
15. Gusev A.P. Podgotovka gaza neftedobychi k transportu s primeneniem trekhpotochnoi vikhrevoi truby. Avtoref. diss. cand. tekhn. nauk [Prepare to transport gas oil with trehpotochnoy vortex tube. Abstract of PhD diss. tehn. sci.]. Tyumen, 2004, p. 26.
16. Parkhimovich A.Yu. Imitatsionnoe modeliro-vanie temperaturnoi stratifikatsii zakruchen-nykh potokov v vikhrevykh khladogenera-torakh. Avtoref. diss. cand. tekhn. nauk [Simulation of temperature stratification in the swirling flow of vortex coolers. Abstract of PhD diss. tehn. sci.]. Ufa, 2008, p. 35.
17. Zhidkov M.A., Zhidkov D.A. Povyshenie energoeffektivnosti protsessov na gazoreguli-rujushchih stantsiyakh [Improving energy efficiency in the gas pressure regulating stations process]. Problemy regional'noi energetiki [Problems of regional power], 2012, no.2, p. 66.
18. Piralishvili Sh.A., Polyaev V.M., Sergeev M.N. Vikhrevoi effekt — eksperiment, teoriya, tekhnicheskie resheniya [Vortex effect experiment, theory, technical solutions]. Moscow, UNPC «Energomash» Publ., 2000, 211 p.
19. Boriskni V.V., Glazunov V.D., Loginov D.N., Poshernev N.V., Serdyukov S.G., Strel'tsov Yu.M., Khodorkov I.L. Sposob vydeleniya szhizhennykh uglevodorodov iz prirodnogo gaza [Method of extraction of hydrocarbons from the liquefied natural gas]. Patent RF no. 2168683, 2001.
