Ижевский государственный технический университет имени М

Аппаратный комплекс для переработки попутного нефтяного газа
и выделения широких фракций легких углеводородов.
Блябляс А.Н., Корепанов М.А.
Институт механики Уральского отделения РАН
Ижевск
Актуальность
Работа
нефтяного
направлена
газа,
что,
на
рациональное
несомненно,
использование
является
попутного
неотъемлемой
частью
эффективного энергопользования и одним из важнейших показателей уровня
промышленного развития страны.
Актуальность вытекает из потребностей практики.
Пришло время,
появились методы и средства, чтобы уровень развития науки достиг
необходимой высоты.
Введение
Постановлением Правительства РФ «О мерах по стимулированию
снижения загрязнения атмосферного воздуха
продуктами сжигания
попутного нефтяного газа на факельных установках» от 8.01.2009 г. №7
установлен целевой показатель сжигания попутного газа на факельных
установках с 1 января 2012 года в размере не более 5% от объема добытого
попутного газа. При превышении целевого показателя к плате за загрязнение
окружающей среды будет применяться увеличивающий коэффициент равный
4,5.
В России наибольший показатель сжигания попутного газа у
«Роснефти», в 2010 году он составил 47,2% [1].
Цели исследовательской работы
Расчет,
моделирование
и
создание
аппаратного
комплекса
по
переработке попутного нефтяного газа и выделения жидкой фракции легких
углеводородов.
Моделирование
полной
картины
зависимости
толщины
слоя
сконденсировавшейся углеводородной жидкости на внутренней стенке трубы
с
учетом
конвективного
теплообмена.
Построение
зависимостей,
описывающих движение углеводородной пленки по стенке массообменного
аппарата. Сравнение расчетных значений с экспериментальными данными.
Исследование
неустойчивости
волнового
течения
жидкой
углеводородной пленки под действием внешнего потока воздуха.
Теоретическое
интенсивности
исследование
охлаждения
стенки,
влияния
волновых
скоростных
и
режимов,
температурных
характеристик на массообмен в тонкой пленке конденсата углеводородной
жидкости, стекающей по вертикальной поверхности при волновых режимах.
Методология постановки и решения поставленных задач
Для
моделирования
процессов
теплообмена,
конденсации
и
массообмена рассматривается массообменный аппарат, рабочий участок
которого представляет собой вертикальную непроницаемую трубу. Рабочая
среда - однофазная многокомпонентная смесь углеводородов и инертных
газов, подается из распределяющего устройства в верхней части рабочего
участка с определенной скоростью, давлением и температурой. Снаружи
стенка трубы охлаждается интенсивно циркулирующей жидкостью. За счет
передачи тепла от углеводородной смеси в охлаждающую жидкость через
тонкую стенку, часть углеводородной фазы, достигая давления насыщения,
выпадает в осадок на внутреннюю стенку трубы, образуя тем самым тонкую
пленку конденсата на поверхности.
Рисунок 1 - Аппаратный комплекс по переработке попутного нефтяного газа
Моделирование условий теплообмена и конденсации
Течение попутного нефтяного газа выполняется в диапазоне скоростей
2…30 м/с, решаются уравнения конвективного теплообмена и скорости
фазового перехода. Рабочее давление в системе узла конденсирования 1
МПа. Начальная температура стенки равна температуре охлаждающей
жидкости, которая в настоящей постановке задачи составила 274К.
Коэффициент теплоотдачи, определяемый интенсивностью циркуляции
охлаждающей
статистическим
жидкости
данным
и
и
наружной
составил
стенки
трубы
2500
Вт/м2К.
выбирался
по
Коэффициент
теплопроводности для трубы из нержавеющей стали составляет 17,5 Вт/мК.
Очевидно, что увеличение скорости потока горячей газовой смеси на
входе в установку, приводит к более глубокому прогреву стенок по длине
трубы. Учитывая, что увеличение интенсивности теплоотдачи через
развитую волновую пленку интенсивнее на 21% по сравнению с ламинарным
безволновым
течением,
наиболее
оптимальными,
с
точки
зрения
теплообмена принимаются режимы со скоростью газовой смеси от 4 до 14
м/с.
Разумеется, эти характеристики справедливы только для текущей
постановки задачи. Увеличению массообмена может поспособствовать
увеличение
интенсивности
циркуляции
и
снижения
температуры
охлаждающей жидкости.
Рисунок 2 - Моделирование реального случая конденсации в диапазоне
скоростей газо-воздушной смеси 5, 10, 20 [м/с]
(Направление движение газовой смеси - справа налево)
Экспериментальные данные
На месторождениях ОАО "Белкамнефть" были произведены испытания
установки разделения попутного нефтяного газа на фракции.
В результате испытаний на установке подготовки нефти (УПН) «ЯкшурБодьинское месторождение» была выделена жидкая фракция углеводородов
и проведен качественный анализ путем сжигания.
Теплота сгорания ШФЛУ составляет в 40-44 МДж/кг. Таким образом,
сжигание в течение суток полученного из 1000 м3 ПНГ ШФЛУ (~360 кг)
позволяет получить тепловую мощность 160-180 кВт. Если использовать
ШФЛУ для получения электроэнергии, то возможно получение мощности
80-90 кВт.
Таблица 1 - Выход сжиженной фракции на 1000 м3 ПНГ, Якшур-Бодьинское
месторождение ОАО "Белкамнефть"
Углеводород Содержание, % Содержание, кг на 1000 Выход, кг на 1000
об.
м3
м3
Пропан
278,2
15,20
110,2
Бутаны
194,6
8,07
163,0
Пентаны
81,4
2,72
76,1
Гексаны
14,3
0,40
12,6
ИТОГО
568,5
361,9
Выводы и результаты работы:
 Рассчитана и построена лабораторная установка по конденсации
попутного нефтяного газа.
 Актами испытаний подтверждена работоспособность узла
конденсирования газовой фазы.
 Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований
позволяет сказать, что для используемого диапазона скоростей,
волновой характер течения пленки конденсата является более
устойчивым и оптимальным.
 Определено
влияние
интенсивности
охлаждения
на
процесс
конденсации жидкости с учетом прогрева стенки трубы по ее длине от
температуры газа на входе в трубу.
Попутный нефтяной газ состоит из смеси углеводородов, свойства
которых различны и они обладают взаимной растворимостью, требуется
углубление изучение законов и зависимостей.
Повышению
интенсивности
КПД
установки
циркуляции
и
может
поспособствовать
снижения
температуры
увеличение
охлаждающей
жидкости. Требуется модернизация узла охлаждения.
Список используемых литературных источников.
1. Губерт А. В., Корепанов М. А. Возможности термической утилизации
газообразных отходов/ Химическая физика и мезоскопия, Т. 11, № 4, С. 430432, 2009.