Водная отмывка газового конденсата в турбулентном аппарате Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541.64

Т. Г. Умергалин (д.т.н.,проф., зав.каф.)1, Ф. Б. Шевляков (к.т.н., доц.)2, Б. Е. Мурзабеков (асп.)1, Е. М. Захарова (к.х.н., н.с.)3, В. П. Захаров (д.х.н., проф.)4

ВОДНАЯ ОТМЫВКА ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА В ТУРБУЛЕНТНОМ АППАРАТЕ

Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра химической кибернетики, 2кафедра общей и аналитической химии 450062, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420837, e-mail: Umergalin2010@yandex.ru 3Институт органической химии Уфимского научного центра РАН,

лаборатория синтеза функциональных полимеров 450054, г. Уфа, ул. пр. Октября, д. 71; е-mail: lena991999@mail.ru 4Башкирский государственный университет, кафедра высокомолекулярных соединений и общей химической технологии 450074, г. Уфа, ул. З. Валиди, 32; тел. (347) 2736608, e-mail: ZaharovVP@mail.ru

T. G. Umergalin1 , F. B. Shevlyakov1, B. E. Murzabekov1, E. M. Zakharova2, V. P. Zakharov3

WATER WASHING OF GAS CONDENSATE IN TURBULENT APPARATUS

Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2420837, e-mail: Umergalin2010@yandex.ru 2Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Center of the RAS 71, pr. Oktyabrya, 450054, Ufa, Russia; е-mail: lena991999@mail.ru 3Bashkir State University 32, Zaki Validi Str., 450074, Ufa, Russia; ph. (347) 2736608, e-mail: ZaharovVP@mail.ru

Представлены результаты численного расчета и экспериментального изучения закономерностей диспергирования двухфазного потока и перепада давления в трубчатом турбулентном аппарате применительно к процессу водной отмывки газового конденсата от солей. Предложена геометрия трубчатого турбулентного аппарата диф-фузор-конфузорной конструкции, обеспечивающая перепад давления 0.22 атм, формирование эмульсии с диаметром капель дисперсной фазы 0.8 мм, производительность процесса около 100 м3/ч.

Ключевые слова: газовый конденсат; перепад давления; турбулентный аппарат; эмульсия.

The results of numerical calculation and experimental study of two-phase flow patterns of dispersion and differential pressure in a tubular turbulent apparatus for the process of water washing gas condensate salts are present. Proposed geometry of the tubular turbulent device diffuser-confuser type providing a pressure drop of 0.22 bar, the formation of emulsions with droplets of the dispersed phase with a diameter of 0.8 mm, the performance of the process is about 100 m3/hr.

Key words: emulsion; gas condensate; pressure drop; turbulent apparatus.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МД-4973.2014.8, РФФИ (проект 14-0397027).

This work was financially supported by a grant of the President of the Russian Federation MD-4973.2014.8, RFBR (project 14-03-97027).

Дата поступления 12.01.15

Одним из ключевых процессов подготовки газового конденсата к его стабилизации методом фракционирования ректификацией является стадия экстракции водорастворимых солей. Предварительное обессоливание газового конденсата при отмывке пресной водой позволяет на последующих стадиях снизить соле-отложение на технологическом оборудовании. В работах 1'2 выявлена возможность эффективного смешения нефти и нестабильного газового конденсата с водой в трубчатом турбулентном аппарате. Смешение газового конденсата с небольшим количеством пресной воды (0.5— 2 % объемн.) в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции позволяет снизить общее содержание солей с 97 г/м3 до 15—20 г/м3. Очевидно, что эффективность водной экстракции солей определяется возможностью получения мелкодисперсной системы газовый конденсат-вода с высокой удельной поверхностью раздела фаз. Ввиду того, что в трубчатых турбулентных аппаратах эффективное перемешивание достигается исключительно за счет энергии движения высокоскоростного потока через систему местных сопротивлений, то ограничивающим фактором по качеству получаемых дисперсных систем является перепад давления на концах аппарата.

Целью настоящей работы являлось изучение гидродинамического режима работы трубчатого турбулентного аппарата диффузор-кон-фузорной конструкции применительно к процессу отмывки газового конденсата водой, в частности, экспериментальное изучение закономерностей диспергирования двухфазного потока и оценка гидравлического перепада давления.

Методика проведения экспериментов

Экспериментальное изучение закономерностей образования эмульсий в потоке газовый конденсат-вода проводили в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции (длина диффузор-конфузорной секции £с=0.048 м, диаметр диффузора ^д=0.024 м, диаметр конфузора ^к=0.012 м, число диффузор-конфузорных секций 4, угол раскрытия диффузора у =45 град.) (рис. 1). Эксперимент проводили при температуре 18 0С и использовали газовый конденсат плотностью 0.68 г/см3 с компонентным составом, представленным в табл. 1. При фиксированном соотношении вода/газовый конденсат равном 1/100 изменяли объемный расход двухфазного потока в интервале 100—260 см3/с. Ввиду высокого содержания газового конденсата в исследуемом двухфазном потоке в условиях эксперимента образовывались обратные эмульсии.

Частотные кривые распределения капель дисперсной фазы по размерам получали методом видеосъемки при интенсивном проходящем освещении с использованием цифровой фотокамеры. Покадровый просмотр компьютерного изображения движущихся дисперсных систем позволил вычислить истинный размер капель (площадь проекции сферической капли). Подсчет капель проводили в интервале диаметров (мм): 0—0.4; 0.4—0.6; 0.6—0.8; 0.8-1.0; 1.0—1.5; 1.5-2; свыше 2. Для оценки ошибки результатов эксперимента выбирали 8 изображений отдельного участка потока. По экспериментальным данным проводили оценку дисперсии распределения 52:

3,

О

АСк

N_/К

* [с

Сд

1

4

С

8

С

1

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — емкость для дисперсной фазы, 2 — перистальтический насос, 3 — линия подачи дисперсионной среды, 4 — ротаметр, 5 — трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции, 6 — видеокамера, 7 — источник света, 8 — сборник.

1 £ - 2

1 (- йср)

N-1Т4"' ср

где N — число замеров; й — диаметр капель.

Стандартную ошибку А при доверительной вероятности 0.95 рассчитывали как А = Среднее значение ошибки изме-

рений составило ±7%.

Таблица 1 Физико-химические свойства газового конденсата

Параметр Значение

Плотность конденсата при 20 оС, г/см3 0.68

Компонентный состав, % объемн.

Пропан 2.973

Изобутан 1.387

н-бутан 3.880

Изопентан 3.053

н-пентан 3.561

Сумма гексанов+ выше 80.140

Смолы 5.006

Фракционный состав конденсата

Начало кипения, оС 44

Перегнано, % объемн. 94.5

Остаток в колбе, % объемн. 3.5

Потери при перегонке (летучие), % объемн. 2.0

Отгоняется при температуре оС, % объемн.

82 10

95 20

107 30

118 40

130 50

150 60

177 70

209 80

262 90

300 95

140 см3/с сопоставимы с размерами дисперсии во второй секции при 260 см3/с. Эту зависимость размеров формирующихся капель дисперсной фазы от производительности аппарата необходимо учитывать при проектировании узла обессоливания газового конденсата.

Рис. 2. Зависимость размера частиц дисперсной фазы от объемного расхода двухфазного потока.

Цифры на кривых соответствуют порядковому номеру диффузор-конфузорной секции (¿д = 0.024 м, ¿к = 0.012 м). Эксперимент — сплошные линии, расчет — пунктир).

С целью создания прогностической модели работы узла обессоливания газового конденсата водой в трубчатом турбулентном аппарате проведен сопоставительный анализ соответствия полученных экспериментальных данных расчетным величинам. Аналитическое выражение для расчета диссипации удельной кинетической энергии турбулентности имеет вид 3:

е = 0.625

ГеГ 3VI

1 +

Щ + ж

-0.3 \

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что при увеличении объемного расхода двухфазного потока газовый конденсат-вода происходит снижение размера дисперсных частиц по экспоненциальной зависимости (рис. 2). Наблюдается последовательное уменьшение диаметра капель дисперсной фазы при переходе от первой к четвертой диффузор-конфузорным секциям. В частности, диаметр капель дисперсной фазы (воды) в четвертой секции при объемном расходе потока 100 см3/с сопоставим с размером дисперсии в первой секции при 260 см3/с. Размеры капель, образующихся в четвертой секции, при расходе двухфазной системы

/ = 0.117 +0.049 - 0.0012у2 + + 1.374-10"5у3 - 5.9-10-У,

¥е =-0.138 + 0.226—^ - 0.116

Л К

+0.0119((д | + 0.03-^-4.95-10-3 • ^ 1 Л К I Л Д

-1.93-10-3 •-

ь ((

( д v (к

3 (Д ( ь

+3.22-10-3 '

- 9.62 -10-3 •

(К (Д

(К V (Д

где т — объемный расход; р — плотность.

Важным фактором, влияющим на удельную поверхность раздела фаз, является дефор-

мация капель, которая в общем случае обусловлена динамическим напором под воздействием турбулентных пульсаций со стороны дисперсионной среды. Теоретически оценить минимальный размер капли dкр, подвергающейся деформации при течении в турбулентном режиме, можно из соотношения, характеризующего устойчивость границы раздела фаз 4:

_ р (у'))

2

Пульсационная скорость масштаба элемента v' определяется в соответствии с «законом двух третей» Колмагорова-Обухова 5:

V = ЫКР)1/3 .

Пульсации меньшего масштаба обладают меньшей энергией и не способны деформировать частицы дисперсной фазы. Пульсации большего масштаба увлекают элементы дисперсной фазы без деформации их поверхности.

В результате обработки результатов численного эксперимента получена зависимость минимального значения среднего диаметра капель дисперсной фазы, которые подвержены деформации за счет гидродинамического воздействия со стороны сплошной среды 6: ^ _ °'099

Величину dкр можно принять в качестве диаметра образующихся дисперсных частиц в турбулентном потоке d.

Увеличение скорости потока газового конденсата сокращает время контактирования фаз, но увеличивает уровень турбулентности, при этом размеры капель дисперсной фазы и, соответственно, поверхность раздела фаз, снижаются экспоненциально. Сопоставляя экспериментально полученные значения с расчетными, видно (рис. 2), что выбранная математическая модель по расчету минимального значения диаметра капель дисперсной фазы достаточно точно описывает влияние скорости на размер дисперсных включений на выходе из аппарата. Наибольшее отклонение в условиях эксперимента достигло 18%, а среднее расхождение — порядка 11%.

Расчет показал, что переход от аппарата цилиндрической (dд/dк=1) к диффузор-кон-фузорной Ыд/dк= 3) конструкции (рост глубины профилирования канала) увеличивает скорость движения двухфазного потока и в большей степени переносит импульс в диффузор. Диспергирование капель воды в объеме газового конденсата происходит по всей длине

аппарата, что позволяет увеличить поверхность контакта фаз более, чем на 60% при переходе от 1 к 4 секции. Увеличение поверхности раздела фаз положительно сказывается на эффективности обессоливания газового конденсата, что экспериментально подтверждено в работе 2.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать эффективность диспергирования капель воды в объеме газового конденсата, что определяет возможность конструировать смеситель для эксплуатации в широком диапазоне производительности. Верхним пределом по объемному расходу двухфазного потока будет величина перепада давления на концах аппарата, определяемого техническими возможностями насосного оборудования, используемого для перекачивания жидкости. Очевидно, что диспергирование в системе газовый конденсат—вода необходимо проводить при малых перепадах давления, что напрямую связано с затратами энергии для обеспечения требуемой производительности установки.

Экспериментальные исследования показали, что аппарат цилиндрической конструкции характеризуется тем, что величины гидростатического давления в начале и на его конце практически одинаковы (рис. 3).

Рис. 3. Перепад давления в аппарате цилиндрической конструкции ^д = 0.024 м): 1 — начало аппарата (Рн); 2 — конец аппарата (Рк); 3 — перепад давления (АР).

В этом случае наблюдается сравнительно низкий перепад давления на концах аппарата, который в условиях эксперимента не превышает 0.03 атм. С достаточной сходимостью расчет можно проводить по уравнению

АР = 4-10—6да158 (#=0.93).

где И — коэффициент корреляции.

В аппарате диффузор-конфузорной конструкции наблюдается значительное возрастание давления в начале аппарата (рис. 4), что определяет высокие значения перепада давления (АР достигает порядка 1 атм).

АР~Рн = 1-10—5да2'35

(Я=0.99).

С цель ю оптимизации геометрии зоны смешения применительно к водной отмывке газового конденсата предложена формула для расчета перепада давления в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции. Для этого перепад давления в отдельной диффузор-конфузорной секции представлен суммой перепадов давлений в расширении (диффузоре), гладкой трубе, и сужении (конфузоре) (рис. 6):

АР =ДР1_2+ДР,_Ч + АР

2-3

3-4-

Рис. 4. Перепад давления в аппарате диффузор-кон-фузорной конструкции Сд= 0.024 м, Ск = 0.012 м):

1 — начало аппарата (Рн); 2 — конец аппарата (Рк); 3 — перепад давления (АР).

Следует отметить, что при сравнимой производительности давление на конце трубчатого турбулентного аппарата цилиндрической и диффузор-конфузорной конструкции практически одинаково (рис. 5).

Рис. 6. Схема диффузор-конфузорной секции трубчатого аппарата для расчета перепада давления:

1-2 — диффузор; 2-3 — гладкая труба; 3-4 — конфу-зор.

Для расчета перепада давления на отдельных участках аппарата при турбулентном движении двухфазного потока использован метод, изложенный в работе 7.

Для диффузора при у < 45о:

V2

' V

1 --

АР1-2 _ 2^т(г-6) -р-

Для гладкого участка трубы:

АР 1-Р1 ■ К л_ 0.3164 2-3 )аД ■ я , ^Ке ,

где Ук — линейная скорость потока в конфузор-ной части;

5 — площадь поперечного сечения; Я — коэффициент трения.

Для конфузора при у < 45е 3 1

АРз

3 4 - 0.0049-¿и-Ке4 —К 1

К 61ап— 2

1-|(г

Рис. 5. Давление на конце трубчатого турбулентного аппарата цилиндрической (Сд = 0.024 м) (◊) и диффузор-конфузорной конструкции Сд= 0.024 м, сСк = 0.012 м) (•).

Сопоставление расчетных данных перепада давления в аппарате с экспериментальными показывает хорошую их корреляцию:

АРэксп = 0.955 атм, АРрасЧет = 1.062 атм.

Применительно к процессу отмывки газового конденсата водой, реализуемого в цехе

подготовки газа и газового конденсата на месторождении Боранколь (АО «Морская Нефтяная Компания «КазМунайТениз», Казахстан), проведен расчет оптимальной конструкции трубчатого турбулентного аппарата, обеспечивающего перепад давления АP = 0.22 атм: йк = 0.06 м, ёд = 0.12 м, длина диффузор-кон-фузорной секции 0.3 м, число диффузор-кон-фузорных секций 6, угол раскрытия диффузо-

Литература

1. Шевляков Ф. Б., Умергалин Т. Г., Захаров В. П., Баулин О. А. Нейтрализация нефти в турбулентном аппарате // Баш. хим. ж.— 2012.— Т.19, №3.- С.122-126.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

ра 45 град, общая длина аппарата 1.8 м. Использование аппарата диффузор-конфузорной конструкции обеспечивает производительность процесса по общему расходу двухфазного потока около 100 м3/ч. Расчетный диаметр частиц дисперсной фазы (воды) в этом случае составит около 0.8 мм, что обеспечит формирование дисперсной системы с развитой поверхностью раздела фаз и высокую скорость отмывки газового конденсата от солей.

References

1. Shevlyakov F.B., Umergalin T.G., Zakharov V.P., Baulin O.A. Neitralizatsiya nefti v turbulentnom apparate [Oil neutralisation in the turbulent apparatus]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir chemical journal], 2012, v. 19, no.3, pp.122-126.

Murzabekov B.E., Shevlyakov F.B., Umergalin T.G., Zakharov V.P. Otmyvka gazovogo kondensata ot solei v trubchatom turbulentnom apparate diffuzor-konfuzornoi konstruktsii [Scavenge of gas condensate from salts in tubular turbulent device of divergent-convergent construction]. Vestnik Bashkirskogo univer-siteta [Bulletin of Bashkir University], 2012, v.17, no.1, pp.36-38.

Zakharov V.P., Berlin A. A., Monakov Yu. B., Deberdeev R. Ya. Fiziko-khimicheskie osnovy protekaniya bystrykh zhidkofaznykh protsessov [Physico-chemical basis of fast flowing liquidphase processes]. Moscow, Nauka Publ., 2008, 348 p.

Barabash V.M., Belevitskaya M.A. [Mass transfer from bubbles and drops in mechanically agitated apparatuses]. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii [Theoretical Foundations of Chemical Engineering], 1995, v.29, no.4, pp.362-372.

Kolmogorov A. N. Rasseyanie energii pri lokalno izotropnoi turbulentnosti [Energy dissipation at locally isotropic turbulence]. Doklady Akademii Nauk [Proceedings of the Russian Academy of Sciences], 1941, v.32, no.1, pp.19-21.

Takhavutdinov R.G., D'yakonov G.S.1, Mukha-metzyanova A.G.1, Zakharov V.P., Minsker K.S. [Intensification of dispersion in tubular turbulent apparatuses at manufacturing of synthetic rubbers]. Khimicheskaya promyshlennost [Chemical Industry], 2002, v. 79, no.1, pp.22-28.

Perry R.H., Green D.W., Maloney J.O. Chemical Engineer's Handbook New York, McGraw: Hill Book Company, 1999.

Мурзабеков Б. Е., Шевляков Ф. Б., Умергалин Т. Г., Захаров В. П. Отмывка газового конденсата от солей в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции // Вестник Башкирского университета.— 2012.— Т.17, №1.- С.36-38.

Захаров В. П., Берлин А. А., Монаков Ю. Б., Дебердеев Р. Я. Физико-химические основы протекания быстрых жидкофазных процессов.- М.: Наука, 2008.- 348 с. Barabash V.M., Belevitskaya M.A. Mass transfer from bubbles and drops in mechanically agitated apparatuses // Теоретические основы химической технологии.- 1995.-Т.29, №4.- С.362-372.

Колмогоров А. Н. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности // Доклады АН СССР.-1941.- Т.32, №1.- С.19-21. Takhavutdinov R.G., D'yakonov G.S.1, Mukha-metzyanova A.G.1, Zakharov V.P., Minsker K.S. Intensification of dispersion in tubular turbulent apparatuses at manufacturing of synthetic rubbers // Химическая промышленность.- 2002.Т. 79, №1.- С.22-28.

Perry R.H., Green D.W., Maloney J.O. Chemical Engineer's Handbook New York, McGraw: Hill Book Company, 1999.

2

3

4

5

6

7