Создание высокоэффективных аппаратов для комплексной очистки природного газа

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Перспективы нефтегазоносности недр, накопленный научно - технический потенциал, богатый производственный опыт — все это вкупе создает вполне благоприятные предпосылки для дальнейшего существенного развития отрасли. Важнейшими задачами Национальной холдинговой компании «Узбекнефтегаз» являются внедрения и применения в производстве качественно нового оборудования последних поколений, материалов, современных инновационных технологий, ускорения темпов обновления и замены устаревшей техники по реализации крупных инвестиционных проектов с ведущими зарубежными компаниями, а также решения комплекса значимых социальных задач. Освоение этих задач позволит нашей стране значительно укрепить топливно-энергетическую независимость. Актуальность диссертации характеризуется тем, что выпуск качественных и новых видов товаров из природного газа, связано с требующими пристального внимания задачами создания высокоэффективных аппаратов и контактных устройств, повышения технологических и механических надежностей оборудований, коренной реконструкции и модернизации технологических установок, а также, улучшения экологической обстановки на объектах очистки и переработки природного газа. С развитием новых технологий комплексной подготовки и очистки газа на предприятиях страны в условиях мирового экономического и экологического кризиса становится актуальным вопрос снижения материалоемкости оборудования, экономного расходования сырья и энергетических ресурсов. Основные технологические аппараты и машины отрасли, импортируемые из зарубежных стран, отработали свой ресурс и требуют замены. В соответствии с Программой углубления локализации производства готовой продукции на 2011-2013 гг., утвержденного 29 июля 2011 г., Постановлением Президента Республики Узбекистан ПП-1590, перед машиностроительными предприятиями акционерной компании «Узнефтегазмаш» поставлены заданы расширении выпуска оборудований по подготовке и переработке углеводородов. В сложившихся условиях создание высокоэффективных аппаратов и контактных устройств для интенсификации технологических процессов комплексной очистки природного газа от жидкостных и кислых компонентов, протекающих в газожидкостных системах, представляет актуальную и востребованную задачу. Цель исследования состоит в создании высокоэффективных аппаратов (сепаратора, дегазатора, абсорбера и десорбера) и принципиальную технологическую схему для комплексной очистки природного газа. Научная новизна исследования заключается в следующем: предложена математическая модель гидродинамических режимов турбулентного газожидкостного течения взаимодействующих фаз; вскрыта взаимосвязь между количеством фазовых ячеек и газосодержанием двухфазного слоя в интенсивных барботажных режимах, создающихся на тарелках колонных аппаратов и систем с газовой дисперсной фазой; определены закономерности распределения капель жидкости различного размера и полезная высота сепаратора, позволяющие эффективно расположить отбойные устройства и значительно повысить эффективность газожидкостной сепарации; разработаны новые контактные устройства и аппараты, работающие в интенсивном режиме и в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости; определена область устойчивой и эффективной работы ситчатой тарелки с двумя зонами контакта со свободным сечением 20 %; предложены эмпирические уравнения для оценки газосодержания, гидравлического сопротивления, уноса капель и коэффициента расхода щели в зависимости от технологических и геометрических параметров сепарационных и массообменных аппаратов; обоснована инженерная методика расчета конструктивных, гидравлических и технологических параметров сепаратора шаровой формы и дегазатора насыщенных растворов с пленкообразователем жидкости. Заключение По результатам проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания высокоэффективных аппаратов для очистки природного газа от жидкостных и кислых компонентов, можно сформулировать следующие основные выводы: 1. Проанализированы закономерности движения газожидкостных потоков применительно к условиям технологических процессов, протекающих в аппаратах установок очистки природного газа. 2. Разработана математическая модель и программно реализован вычислительный алгоритм расчета для определения траекторий движения капель жидкости по свободному сечению сепаратора в системе с жидкостной дисперсной фазой. 3. Вскрыта взаимосвязь между количеством фазовых ячеек и газосодержанием двухфазного слоя в интенсивных барботажных режимах, создаваемых на тарелках колонных аппаратов и систем с газовой дисперсной фазой; предложено принимать Ғ-фактор скорости в качестве показателя интенсивности работы аппаратов и контактных устройств. 4. Разработан и защищён патентом Республики Узбекистан сепаратор газа первичной очистки природного газа (№ IAR 03763, 2008 г.), работающий в режиме сепарации и залповых выбросов жидкости. Металлоёмкость аппарата шаровой формы по сравнению с существующими горизонтальными сепараторами цилиндрической формы в 2 раза меньше и при этом сохраняется высокая эффективность очистки газа от свободной влаги. 5. Разработана и защищена патентом РУз рациональная конструкция центробежного сепаратора с радиально расположенными дополнительными конструктивными элементами в виде цилиндрических вставок (№ IDR 04591, 2001г.). Разработанный сепаратор с осевым завихрителем предназначен для глубокой очистки природного газа от жидкостных компонентов в установках подготовки и очистки природного газа. 6. Разработана новая конструкция центробежного сепарационного элемента с завихрителем для встроенных сепараторов массообменных колонн и сепараторов тонкой очистки природного газа, состоящих из профилированных лопаток, изогнутых по радиусу и установленных на центральном сердечнике; при этом угол атаки лопатки на входе составляет 70-75°, а угол перекрытия лопаток находится в переделах 6-10.° 7. По результатам экспериментальных и промышленных исследований ситчатой тарелки с двумя зонами контакта со свободным сечением 20 % получены новые данные по газонаполнению барбатажного слоя, гидравлическому сопротивлению и каплеуносу в широком диапазоне изменения нагрузок по газу и жидкости; определена область устойчивой и эффективной работы исследованной конструкции массообменной тарелки, получены эмпирические уравнения для расчета оптимальных гидродинамических параметров и выполнено сравнение экспериментальных и расчетных данных, свидетельствующие адекватности полученных уравнений. 8. Показано, что модифицированной абсорбер с тарелками нового типа позволяет увеличить производительность аппарата в 1,4 раза относительно проектного уровня; эффект достигается за счет интенсификации процесса абсорбции при сохранении высоких показателей качества (не более 7 мг/м3 H2S в очищенном газе) очистки природного газа. 9. Разработан и защищен патентом РУз дегазатор насыщенных растворов с пленкообразователем жидкости (№IAR 04060, 2009 г.). По сравнению с существующими конструкциями в предлагаемом аппарате металлоемкость снижается в 1,5 раза и при этом поверхность дегазации увеличивается на 33%, что является показателем высокой эффективности предложенного аппарата для дегазации насыщенного аминового раствора. 10. Получены эмпирические уравнения и обоснованы инженерные методы процессно-технологического расчета, позволяющие проектировать вновь разрабатываемые сепараторы первичной и глубокой очистки, колонные аппараты с массообменными тарелками с двумя зонами контакта со свободным сечением 20% и встроенным завихрителем, а также дегазаторы насыщенных растворов с максимальной эффективностью - в зависимости от технологических параметров эксплуатации. 11. Разработана и предложена технологическая схема сероочистной установки с перспективными типами аппаратов для реализации эффективной технологии очистки природного газа. 12. Фактический совокупный экономический эффект от внедрения новых высокоэффективных аппаратов, за счет повышения производительности аппаратов, улучшения качеству товарного газа, уменьшения металлоемкости и энергоемкости оборудования, а также с учетом экономии валютных средств и транспортных затрат составил более 700 миллионов сумов.