Многокомпонентный массоперенос в насадочной части колонны стабилизации нефтегазового конденсата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Никешин, Виталий Викторович

• Никешин, Виталий Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никешин, Виталий Викторович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ И МОЛЕКУЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА1 МАССЫ В ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СМЕСЯХ.

1.1. Процесс стабилизации на Сургутском ЗСК. „

1.2. Основные методы расчета процесса ректификации.

1.3. Молекулярный перенос массы в газовых и жидких смесях на основе молекулярно-статистических методов.

1.3.1. Молекулярный перенос массы в газовых смесях.

1.3.2. Молекулярный перенос массы в растворах.

1.3.3. Интегральные уравнения и частичные функции распределения

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИФФУЗИИ НА

ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКИ СИММЕТРИЧНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

2.1 Модель степенного разложения в ряд по времени.

2.2 Численный метод расчета МКМД.

2.3 Результаты расчетов МКМД в ЛД жидких смесях.

2.4. Коэффициенты диффузии углеводородов на основе сферически-симметричных потенциалов межмолекулярного взаимодействия.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ НА ОСНОВЕ НЕ СФЕРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ

МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

3.1. Атом-атомная схема описания межмолекулярных взаимодействий. ^, Теория RISM и новый метод расчета межмолекулярных функций распределения.

3.2. Коэффициенты диффузии углеводородов на основе усредненного по углам потенциала межмолекулярного взаимодействия.

3.2. Коэффициенты диффузии на основе межмолекулярной функции распределения.

3.4. Сравнительный анализ методов расчета коэффициентов многокомпонентной диффузии для углеводородных систем.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МАССОПЕРЕНОСА В НАСАДОЧНЫХ КОЛОННАХ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ * ПРОЦЕССА СТАБИЛИЗАЦИИ НТК НА СУРГУТСКОМ ЗСК.

4.1. Гидродинамические условия движения фаз в насадке IRG.

4.2. Математическое описание массопереноса на насадке в многокомпонентных паровой и жидкой фазах.

4.3. Общая схема расчета многокомпонентной ректификации в насадочной колонне.

4.4. Анализ полученных результатов расчета и рекомендации по модернизации колонны К-701 Сургутского ЗСК.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многокомпонентный массоперенос в насадочной части колонны стабилизации нефтегазового конденсата»

Актуальность работы

Процессы разделения многокомпонентных смесей путем ректификации и абсорбции широко распространены в химической, нефтеперерабатывающей и: многих других отраслях промышленности. Детальное математическое описание этих сложных тепло-массообменных процесссов должно содержать: модели для расчета физико-химических свойств и условий фазового равновесия многокомпонентных парожидкостных систем, модели многокомпонентной: массоотдачи в жидкой и газовой фазах, а также модели описания гидродинамики движения фаз в колонне. Необходимо отметить, что модели для « расчета равновесных свойств и характеристик переноса могут быть построены в рамках общих фундаментальных молекулярно-статистических основ. Перспективность такого подхода очевидна, так как он нуждается в минимуме эмпирической информации, не имеет ограничений по числу компонентов, области термодинамических состояний, обладает предсказательностью. Кроме того, математическая модель процессов разделения многокомпонентных смесей, построенная на молекулярно статистических основах позволит исследовать влияние многокомпонтного массопереноса и учесть его при проектировании и реконструкции аппаратов.

В настоящие время молекулярно-статистическая теория жидкостей и газов активно развивается и появилась реальная возможность использовать ее современные методы в инженерных расчетах. Это в первую очередь касается расчета равновесных физико-химических свойств многокомпонентных газожидкофазных систем. Успехи в молекулярно-статистической теории неравновестного состояния на сегодняшний день более скромные. Поэтому в данной работе решается актуальная задача по разработке методов описания коэффициентов многокомпонентного переноса массы на основе потенциалов межмолекулярного взаимодействия и частичных функций распределения. % Работа выполнялась в рамках следующих программ:

1. Грант РФФИ 02-03-32298-а «Описание равновесных характеристик и * процессов переноса в жидких смесях на основе частичных функций распределения»;

2. Грант РФФИ 03-03-32361 «Изучение фазовых равновесий в многокомпонентных системах жидкий раствор - свехкритический растворитель»;

3. Грант РФФИ 03-03-96197-р2003 Татарстана «Описание термодинамических свойств молекулярных флюидов на основе многочастичных потенциалов взаимодействия»;

4. В рамках «Плана приоритетных фундаментальных и прикладных исследований Академии наук Республики Татарстан на период 2001-2005 годы» По теме «Перспективные ресурсо- и энергосберегающие химические технологии» с 2001 года по 2003 год.

Цель работы

Разработать математическое описание многокомпонентного массопереноса для процесса ректификации в промышленных насадочных колоннах на основе молекулярно-статистических методов расчета физико-химических, свойств рабочих сред.

По результатам расчетов определить высоту насадочного слоя необходимую для модернизации колонны К-701 стабилизации конденсата на Сургутском ЗСК. Данная реконструкция колонны К-701 должна обеспечить повышение качества разделения нефтегазоконденсатной смеси и производительности колонны, а также снижение энергозатрат и газовых выбросов в атмосферу.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе «Описание процессов многокомпонентного переноса массы» дан 4 обзор методам расчета ректификационных насадочных колонн. Основное внимание здесь уделено методам расчета характеристик молекулярного переноса массы в многокомпонентных газовых и жидких смесях.

Во второй главе «Описание коэффициентов многокомпонентной диффузии на основе сферически симметричных потенциалов взаимодействия» приводится разработанный метод расчета матрицы коэффициентов молекулярной диффузии для жидких смесей на основе сферически симметричного потенциала Леннард-Джонса и частичных функций распределения.

В третьей главе «Расчет коэффициентов многокомпонентной диффузии на основе не сферических потенциалов взаимодействия» разработанный метод расчета МКМД для жидких смесей обобщён на случай нецентральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия.

В четвертой главе «Многокомпонентный массоперенос в процессах 4 ректификации, абсорбции» разработан метод расчета многокомпонентной ректификации в насадочных колоннах на основе дифференциальных уравнений движения фаз в аппарате и фундаментальных уравнений молекулярного многокомпонентного массопереноса.

Научная новизна

1. Разработаны методы описания матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии в жидких смесях на основе центральных и не центральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия и частичных функций распределения.

2. Разработан новый метод расчета двухчастичной функции распределения на основе атом-атомной (центр-центровой) схемы описания межмолекулярных взаимодействий.

3. Разработана математическая модель процесса ректификации в насадочных колоннах на основе дифференциальных уравнений движения фаз в аппарате и фундаментальных уравнений молекулярного многокомпонентного массопереноса, в которых матрица коэффициентов многокомпонентной диффузии определялась на основе потенциалов межмолекулярного

4 взаимодействия и частичных функций распределения.

Практическая ценность

1. Разработанная математическая модель и программный комплекс дня расчета многокомпонентной ректификации в насадочных колоннах обладает удовлетворительной точностью и нуждается в минимальном количестве эмпирической информации, что позволяет использовать данную модель для моделирования процессов многокомпонентной ректификации и абсорбции в насадочных колоннах для химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

2. Выполнены расчеты высоты насадочного слоя колонны К-701 стабилизации конденсата на Сургутском ЗСК. Это позволило провести замену тарелок в верхней части данной колонны на новую насадку IRG ИВЦ «Инжехим» в сентябре 2003 года, а последующие промышленные испытания подтвердили расчётные результаты и технические решения по модернизации.

3. Разработанный метод расчета матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии в жидких смесях на основе центральных и не центральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия позволяет прогнозировать эти характеристики в отсутствии экспериментальных данных.

По теме диссертации имеется 11 публикаций.

В работе принимал участие кандидат технических наук Ясавеев Хамит Нурмухамедович. Он осуществлял руководство работами по созданию математической модели многокомпонентного массопереноса при ректификации углеводородных смесей в насадочных колоннах, на основе которой проведен расчет необходимой высоты насадочного слоя для замены тарелок в верхней части на новую отечественную насадку IRG ИВЦ «Инжехим», в колонне К-701 Сургутсткого ЗСК. Он также участвовал в разработке метода описания МКМД в жидких смесях на основе центральных потенциалов межмолекулярного взаимодействия и частичных функций распределения.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Никешин, Виталий Викторович

ВЫВОДЫ

1. На основе полученных методик расчета равновесных свойств и матрицы коэффициентов многокомпонентной диффузии углеводородных фракций разработана математическая модель многокомпонентной ректификации в насадочной колонне.

2. Проведены расчеты ректификации многокомпонентных систем с различным числом (до 36) компонентов.

3. Проанализировано влияние многокомпонентности при ректификации углеводородных фракций и показано его влияние на распределение концентраций компонентов по высоте колонны.

4. Выполнены расчеты высоты насадочного слоя колонны К-701 стабилизации конденсата на Сургутском ЗСК. Это позволило провести замену тарелок в верхней части данной колонны на новую насадку IRG ИВЦ «Инжехим» в сентябре 2003 года, а последующие промышленные испытания подтвердили расчётные результаты и технические решения по модернизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана математическая модель и алгоритм расчета процесса ректификации в насадочных колоннах на основе дифференциальных уравнений движения фаз в аппарате и фундаментальных уравнений молекулярного многокомпонентного массопереноса, в которых матрица коэффициентов многокомпонентной диффузии определялась на основе потенциалов межмолекулярного взаимодействия и частичных функций распределения.

Полученная модель позволила провести моделирование процесса стабилизации нефтегазового конденсата, проводящегося в колонне К-701 Сургутского ЗСК. В результате чего выполнены расчеты высоты насадочного слоя колонны К-701 стабилизации. Это позволило провести замену тарелок в верхней части данной колонны на новую насадку IRG ИВЦ «Инжехим» в сентябре 2003 года, а последующие промышленные испытания подтвердили расчётные результаты и технические решения по модернизации.

- л

Ожидаемый экономический эффект от реконструкции колонны К-701 Сургутского ЗСК составляет не менее 5 млн. рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никешин, Виталий Викторович, 2004 год

1. Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Мальковский П.А. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте-и газопереработке.-Казань: «Печатный Двор», 2002.-220с.

2. Fisher W., Archive fur die Warmewirtschaft und Dampfkesselwesen, 14, 217 p. 1933

3. Kent E., Pigford R., J. Am. Inst. Chem. Eng., 2, 363 p. 1956

4. Senol Aynur, Dramur Umur. Эксплуатационное испытание и обсуждение конструкций насадочной колонны с новой керамической насадкой.// Chim. Acta turc. 1995. - 23, №2. - c.l45-155. - Англ.

5. Куляков Ю.Ф., Лихман В.В., Плотников В.В. Создание комплекса технологического оборудования и освоение производства регулярной насадки для РК. // Хим. и нефтегаз. машиностр. 1999. - №9 - с.12-13. -Рус.

6. Helltng R.K.,Des Jardin М.А.Оптимальные условия работы колонны с упорядоченной насадкой. // Chem. ENG. Progr. 1994. 90 №10. с.62-66. Англ.

7. Ясавеев Х.Н., Мальковский П.А., Дияров И.И. Повышение производительности и четкости разделения в колонне путем замены клапанных тарелок на современную высокоэффективную насадку //

8. Межвуз. темат. сб. науч. тр. «Массообменные процессы и аппараты химической технологии», Казань, 1998. С 206-210.

9. Ясавеев Х.Н., Мальковский П.А., Лаптев А.Г. и др. Высокоэффективные нерегулярные насадки для массообменных колонн И Тез. докл. 12-й Междун. науч. конф. «Математические методы в химии и технологиях». В. Новгород, 1999.-С. 199-200.

10. Лаптев А.Г., Данилов В.А., Фарахов М.И. и др. Повышение узла щелочной очистки пирогаза в производстве этилена // Химическая промышленность. -2001.-№ 10.-С. 24-33.

11. Мальковский П.А. Совершенствование технологии и аппаратов переработки газовых конденсатов // Дисс. докт. тех. наук. Казань, 2003.

12. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Шигапов И.М., Ясавеев Х.Н. Проектирование новых насадочных элементов для реконструкции массообменных колонн // Тез. докл. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях». (ММТТ-14). Т.6, Смоленск, 2001. С. 30.

13. Разинов А.И., Дьяконов Г.С. Явление переноса Казанский государственный технологический университет. Казань. 2002. 136 с.

14. Дьяконов С.Г., Разинов А.И. Кинетическое описание многокомпонентной диффузии в газах и жидкостях. // ЖТФ. 1980. Т.50. №9. с. 1948-1954

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статическая физика. 4.1, т.5. М.: Наука, 1976.-500 с.

16. Протодьяконов И.О.', Богданов С.Р. Статическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. Л.: Химия, 1983. - 400 с.

17. Прощекальников Д.В., Дьяконов С.Г. Теоретические основы интенсификации массообмена в жидких мембранах. // Межвуз. сб. «Массообменные процессы и аппараты химической технологии». Казань, 1989, с. 18-26

18. Зоммерфельд А. Термодинамика и статическая физика. — М.: ИЛ, 1955. -480 с.

19. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Кафаров В.В. Сопряжённое физическое и математическое моделирование промышленных аппаратов. // ДАН СССР. -1985. -282, № 5. с. 1195-1199.

20. Irving J.N., Kirkwood J.G. The statistical mechanical theory of transport processes. IV. The equations of hydrodynamics. // J. Chem. Phys. 1950. - 18. — p.817-823.

21. Доброскок A.B., Маринин B.C. Современные методы расчёта коэффициентов переноса жидкостей и плотных газов. // Препр. АН УССР, Ин-т проблем машиностроения. 1990. - № 320. - с. 1-51.

22. Кравцов Ю.А. Фактические границы гипотезы замкнутости и классические пародоксы кинетической теории. // ЖЭТФ. 1989. - 96, вып.5 (11). -с.1661-1665.

23. Дьяконов С.Г., Прощекальников Д.В., Дьяконов Г.С. Исследования динамического аспекта в процессах молекулярного переноса массы. // Массообменные процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр.; КГТУ Казань, 1990, С.91-95.

24. Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей. // М: Гос.изд.физико-математической лит., 1961.

25. Балеску Р. Равновесная и неравновесная статистическая механика. // Пер. с англ. М.: Мир, 1978.

26. Смирнова Н.А. Молекулярные теории растворов. // Л.:Химия. 1987.332 с.

27. Крокстон К. Физика жидкого состояния: Пер. с англ. // Под ред. Осипова А.И. М.: Мир, 1978.400 с.

28. Мартынов Г.А. // Теор. и мат. физика. Т.22 №1.1975. с.85-95.

29. Вомпе А.Г., Саркисов Г.Н., Мартынов Г.А. Уравнение Орнштейна-Цернике и структурный критерий существования однородных фаз //Журн. физ. химии. 1994. Т 68. № 2. С. 197-201.

30. Вомпе А.Г., Мартынов Г.А. Проблема термодинамической согласованности решений уравнения Орнштейна-Цернике // Журн. физ. химии. 1994. Т 68. № 3. С.41.

31. Labik S., Malijevsky A., Vonka P. A rapidly convergent method of solving the OZ equation. // Mol. Phys. 1985. V.56. № 3. P.709.

32. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. Москва: «Наука». 1987.240 с.

33. Дьяконов С.Г., Прощекальников Д.В., Дьяконов Г.С., Ибрагимов РА. Исследования диффузионного массопереноса в жидких смесях на основе метода сопряженного физического и математического моделирования. // ИФЖ. 1990. -59, №6. - с.1016-1023.

34. К. Meier, A. Laesecke, and S. Kabelac A Molecular Dynamics Simulation Study of the Self-Diffusion Coefficient and Viscosity of the LennardJones Fluid // International Journal of Thermophysics. 2001. V. 22, № 1. P. 161-173.

35. K.Fotouh, K.Shukla, An improved perturbation theory and van der Waals one-fluid theory of binary fluid mixtures. Part2. Phase equilibria // Fluid Phase Equilibria. 1997. V.137, P. 1-16.

36. Казанцев C.A. Моделирование диффузионного массопереноса в многокомпонентных жидких смесях методом молекулярной динамики. // Диссертация кандидата физико-математических наук. Казань. 1984.210 с.

37. Дьяконов Г.С., КлиновА.В., Дьяконов С.Г. Описание физико-химических свойств жидких систем на основе потенциала межмолекулярного взаимодействия // ТОХТ. 1998. Т.32. Вып.4. С.470-480.

38. Дьяконов Г.С., Клинов А.В., Дьяконов С.Г. Описание фазовых переходов на основе теории интегральных уравнений для частичных функций распределения. Однокомпонентные системы. // Журнал физ. химии. 2003 (в печати)

39. Дьяконов Г.С., Клинов А.В., Дьяконов С.Г. Описание фазовых переходов на основе теории интегральных уравнений для частичных функций распределения. Многокомпонентные системы. // Журнал физ. химии. 2003 (в печати)

40. Разинов А.И. Описание диффузии в многокомпонентных жидких смесях // Диссертация кандидата технических наук, Казань КГТУ 1982.

41. Greiner-Schmid A., Wappmann S., Has М., Ludemann H.-D. Self-diffusion in the compressed fluid lower alkanes: Methane, ethane, and propane // J. Chem. Phys 1991. V.94. №8. P.5643

42. Chandler D., Andersen H.C. Optimized Cluster Expansions for Classical Fluids. II. Theory of Molecular Liquids // J. Chem. Phys. 1972. V.57. №5. P.1930

43. Chandler D. // J. Chem. Phys. 1973. V. 59. № 5. P. 2742.

44. Chandler D., Silbey R., Ladanyi B.M. // Mol. Phys. 1982. V.46. P.1335.

45. Дьяконов Г.С., Клинов А.В., Малыгин А.В., Никешин В.В.// Метод расчета межмолекулярных функций распределения на основе теории RISM. Журн. физ. химии, 2002. Т.76. №12. с. 2204-2211

46. Martynov G.A., Sarkisov G.N.// Mol. Phys. 1983. V. 49 № 6. P.1595.

47. Attard P. Molecular fluids: site-site analysis and hypernetted chain results with bridge functions for Lennard-Jones dimers.// Mol. Phys. 1994. V.83. № 2. P.273.

48. Morriss G.P., Monson P.A., Integral equation for polar molecular fluids.// Mol. Phys., 1983,48, №1,181

49. Jorgenses W.L., Madura J.D., Swenson S.J. Optimized intermolecular potential functions for liquid hydrocarbons. // Am. Chem. Soc. 1984. V.106 №22. P.6638

50. Саблин E.B., Клинов A.B., Дьяконов Г.С., Дьяконов С.Г. // Журн. физ. химии. 1998. Т. 72. № 10. С. 1764.

51. Boublik Т., Nezbeda I. //Collection Czech. Chem.Commun. 1986. V.51. P.2301

52. Nezbeda L, Smith William R. //J. Chem. Phys. 1981. V.75. № 8. P. 4060.

53. URL: http://thera.umd.edu/ppe/old/pratan/B2.html

54. Rodriquez A.L., Vega C., Freire J.J., Lago S. Potential parameters of methylene obtained from second virial coefficients of n-alkanes. // Mol. Phys. 73, 3, 1991, p. 691-701.

55. Саблин E.B., Дьяконов С.Г., Дьяконов Г.С., Клинов A.B. Расчет термодинамических характеристик жидких углеводородов на основе потенциалов межмолекулярного взаимодействия // ЖФХ 2000. Т.74. №10. С. 1750.

56. Greiner-Schmid A., Wappmann S., Has М., Ludemann H.-D. Self-diffusion in the compressed fluid lower alkanes: Methane, ethane, and propane // J. Chem. Phys 1991. V.94. №8. P.5643

57. Дьяконов Г.С., Клинов A.B., Никешин B.B., ЯсавеевХ.Н. Метод расчёта матрицы коэффициентов диффузии в многокомпонентных жидких смесях // Тепломассообменые процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр.; КГТУ Казань, 2001. С. 108.

58. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров // Москва. 1970. 720 с.

59. Саркисов Г.Н. Приближенные уравнения теории жидкостей в статистической термодинамике классических жидких смесей. // УФН. 1999. Т. 169. №.6. С.625-64266. http://www.montz.de/

60. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Моделирование процессов разделения на контактных устройствах промышленных колонн. Ж. прикл. химии, 1993, т.66, № 1, с. 92-103.

61. Hausen Н. Zur Definition des Austauschgrades von Rektifizierboden bei Zwei- und Dreistoffgemischen. Chem. Eng. Techn., 1953, Bd.25, № 10, s. 595-597.

62. Ишмурзин А.В., Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Фарахов М.И., Мальковский П.А. Применение насадочных элементов для модернизации колонн разделения углеводородных смесей // Деп. в ВИНИТИ № 1589-В2002 от 19.09.2002.

63. Horovko F., Linek V., Sinkule J., Braun V. Использование новых насадок в абсорбционных процессах // Chem. Listry.-1993.-V.87, №9. Р. 169-170

64. Billingham J.F., Lockett M.J. Development of a new generation of structured packing for distillation, Presented at the 1998 AIChE Annual Metteng, Miami, FL Nov. 16-20, 1998

65. Bylica I., Jaroszynski M. Сравнительное исследование гидродинамики неупорядоченных и структурированных насадок // Inz. Chem. I process. 1995.-V.16, №3,-Р.421-439

66. ИшмурзинА.И. Повышение эффективности и снижение энергозатрат на установке разделения в водоподготовке и получения топлив изуглеводородного сырья // Диссертация кандидата технических наук, Казань КГЭУ2002.

67. Olujic Z., Kamerbeek А.В., Graauw J. A corrugation geometry based model for efficiency of structured distillation packing. // Chem. Eng. And Proc. 1999. V.38. P.683-695

68. Peiser A.M., Better Computer. Solution of Multicomponent Systems, Chem. Eng., 1960, 67, pl29

69. Sullivan S.L. jr., M.S. thesis, A. and M. College Texas, College Station, Texas, January 1959

70. Lewis W.K., Matheson G.L., Ind. Eng. Chem., 1932,24, p494