Совершенствование вихревых сепараторов для промысловой подготовки нефтяных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Купавых, Андрей Борисович

• Купавых, Андрей Борисович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Купавых, Андрей Борисович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЛИЯЮЩИЕ 6 НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА В ВИХРЕВОЙ ТРУБЕ.

1.1. Использование вихревого эффектов в процессах разделения и 6 очистки газовых смесей. Компонентное разделение газов в вихревой трубе

1.2.0сушка газа в технологических схемах с применением вихревой 8 трубы.

1.3. Вихревые трубы, работающие на двухфазном потоке.

1.4. Кинетические основы процесса выделения легколетучих компо- 15 нентов из растворов при дросселировании жидкостей в вихревых массооб-менных аппаратах.

1.5.Практическое применение вихревого эффекта 21 1.6.Энергетические основы трансформации тепла в абсорбционном процессе очистки газа от сероводорода.

Глава 2.

2.1. Экспериментальные исследования вихревого эффекта.

2.1.1. Влияние технологического режима и физических свойств газов 41 на эффект температурного разделения газа в вихревой трубе

2.1.2. Влияния конструктивных соотношений вихревой трубы на эф- 43 фект охлаждения

2.1.3. Структура потока внутри вихревой трубы

2.2 Теоретические основы вихревого эффекта.

2.2.1. Механизм вихревого энергетического разделения газов

2.2.2. Методы расчета вихревого эффекта

2.2.3. Влияние конструктивных и геометрических факторов на ха- 60 рактеристики вихревой трубы. Конструкции соплового ввода.

2.2.4. Масштаб и геометрия камеры энергетического разделения.

2.2.5. Диаметр отверстия диафрагмы.

2.3. Техническое решение оптимизации вихревого дегазатора

2.4. Технологическая схема подготовки и транспорта природного газа. 77 2.4.1. Путевая подготовка газа в системе внутри промыслового сбора газа.

2.4.2 Подготовка природного газа на площадке ЦГСП.

2.4.3 Метод расчета вихревых аппаратов

Глава 3. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИХ ОБРАЗОВА- 94 НИЯ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЛИКВИДАЦИИ ГИДРАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ГАЗОПРОВОДАХ.

3.1. Общая характеристика гидратов.

3.2. Выявление зоны возможного гидратообразования в газосборном 97 коллекторе и в газопроводе транспорта газа.

3.3. Способы предупреждения образования гидратов и их ликвида

Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТРОЙСТВА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ 106 РАСХОДА ГАЗА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование вихревых сепараторов для промысловой подготовки нефтяных газов»

В создавшихся условиях развития рыночных отношений наблюдается тенденция к применению малогабаритных автоматизированных установок в блочно-агрегатном исполнении, что диктуется экономией энергетического потенциала.

Использование вихревого эффекта при совершенствовании существующих систем нефтесбора и промысловой подготовки нефтяного газа, разработке новых, энергосберегающих технологий становится все более актуальной проблемой.

Как и во всех других отраслях промышленности, интенсификация нефтехимических производств характеризуется увеличением выпуска конечного продукта. Интенсификация производства достигается как за счет роста скоростей химических реакций, температур, нагрузок, давления (параметров технологического процесса), так и за счет применения принципиально новых технологий и воздействий на ход технологических процессов .

Современные прогрессивные технологические процессы должны быть непрерывными и протекать с большими скоростями при условии эффективности и комплексного использования сырья и энергии. С исключением возможности загрязнения окружающей среды. Необходимо, чтобы повышение эффективности процессов проходило за счет уменьшения затрат рабочего времени на получение единицы продукции и сопровождалось снижением материальных и энергетических затрат при одновременном улучшении качества.

Широкие возможности для интенсификации ряда существующих процессов создает применение вихревых аппаратов.

Расширение области применения и повышения эффективности вихревых устройств одна из проблем энерго- и ресурсосберегающих технологий и зашиты окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.

Основные задачи исследования:

1. Экспериментально обосновать особенности течения и взаимодействия расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве.

2. В опытном, опытно-промышленном масштабах испытать вихревые устройства на многокомпонентной газовой смеси, находящейся с конденсатом в напорном трубопроводе.

3. Совершенствование и создание вихревых устройств, включающих расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование.

В процессе решения поставленной научной проблемы получены новые результаты, которые выносятся на защиту:

- физическая модель и теоретические основы адиабатического кипения газожидкостного потока, Взаимодействия и формирование скоростных расширяющихся закрученных газожидкостных потоков в коническом вихревом устройстве;

- методика расчета селективного выделения газа из жидкой фазы в закрученном потоке вихревых устройств;

- принцип модернизации существующих вихревых устройств, совершенствование и создание вихревых устройств для крупнотоннажных производств.

1 Литературный обзор. Основные параметры, влияющие на эффективность дегазации газонасыщенного жидкостного потока в вихревой трубе

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Купавых, Андрей Борисович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературы и патентных материаллов указывают, что наметилась тенденция предпочтительного использования энергии потока в кави-тационно-вихревых аппаратах.

2. Проведенное экспериментальное и визуальное изучение работы вихревого аппарата позволило установить следующие основные физические принципы действия аппарата: во-первых, процесс выделения газового конденсата обеспечивается за счет пересыщения абсорбентом, поддерживаемого в камере вихревого аппарата; во-вторых, создание кавитации в вихревом устройстве на выходе газожидкостного потока из винтовых каналов энергоразделителя позволяет значительно интенсифицировать процесс дегазации; в-третьих, влияние на устойчивость работы аппарата характера течения жидкости, определяемого, в свою очередь, формой и размерами аппарата.

3. Разработана методика расчета вихревого аппарата, позволяющая рассчитать и сконструировать рабочие узлы аппарата для крупнотоннажных производств в условиях промысловой подготовки нефти и газа.

4. Разработаны новые конструкции вихревых устройств, позволяющие устранить несовершенства других устройств, а именно:

- обеспечить устойчивое вихревое закрученное течение внутри аппарата; обеспечить селективное выделение газовой фазы из жидкости и жидкой фазы из газовой среды.

5. Определены области гидратообразования.

6. Разработанный кавитационно-вихревой аппарат для выделения газового конденсата и влаги из газа позволяет достичь содержания влаги по Фишеру 0,061 г/м3, что предотвращает образование гидратов.

7. Внедрение вихревого аппарата в процесс десорбции позволяет проводить процесс регенерации МЭА без использования аппаратов колонного типа.

117

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Купавых, Андрей Борисович, 2004 год

1. Rangue G.1. Method and Apparatus for Obtaining from Fluid Under Pressure Two Currents of Fluids at Different Temperatures. U.S.A. Patent, No. 1952281, 1934.

2. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld des Kaitepro-zeb, Zeitschrift fur Naturforschung, 1946, No.I, s. 208-214.

3. Мартыновский B.C., Парулейкар Б.Б. Температурное разделение воздуха на холодном конце вихревой трубы. Холодильная техника, 1959, №2, с. 29-33.

4. Меркулов А.П. Совместная работа вихревой трубы и диффузора, Холодильная техника, 1962, № 4, с. 34-39.

5. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба?, М., «Энергия», 1976.

6. Othen Е.Н. Vortex tube, Engineering, 1958, Aug. No. 4821.

7. Мартынов A.B., Бродянский В.М. Вихревая труба с внешним охлаждением, Холодильная техника, 1964, № 5, с. 115-118.

8. Азаров А.И. Разработка и исследования холодильников для транспорта, Кандидатская диссертация, ОТИХП, 1974.

9. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения, М., «Энергия», 1968, с. 224-237.

10. Бродянский В.М., Лейтес И.Л. и др. Исследование вихревого эффекта в химической технологии, Химическая промышленность, 1963, № 4, с.32-36.

11. Гусев И.И. Теоретическое исследование структуры пограничного слоя на диафрагме вихревой трубы. Труды Куйбышевского авиационного института, 1966, вып.24, с. 103-108.

12. Elser К., Hoch М. Das Verhalten verschiedener Gase und die Tren-nung von Gasgenischen in einem Wirbelrohr, Zeitschrift fur Naturforschung, 1951, No.6a, s. 25-31.

13. Меркулов А.П. Характеристика и расчет вихревого холодильника, Холодильная техника, 1958, № 3, с.31-36.

14. Bourgeat М., Fabri J., Scestrunck R., Separation Thermingue dans les Fluides en Rotation, Publ. O.N.E.R.A., 1961, No. 102.

15. Бродянский B.M., Мартынов A.B. Зависимость эффекта Ранка-Хилша от температуры, Теплоэнергетика, 1964, № 6, с.76-78.

16. Гуляев А.И. Эффект Ранка при низких температурах, ИФЖ, т.9, № 3, с.354-357

17. Гуляев А.И., Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

18. Калашников В.Н. О некоторых закономерностях температурного разделения газа в вихревой трубе, Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, 1968, №2, с 103-106.

19. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров, ЖТФ, 1956, т. 26, вып.10, с.2303-2315.

20. Гуляев А.И. Исследование конических вихревых труб, ИФЖ,1966, т. 10, № 3, с.326-331.

21. Parulekar В.В. , Timothy R.S. Influence of design modifications on the performance of the vortex tube, III T, Bombay, 1967, p. 19-38.

22. Сафонов B.A. Влияние параметров сопла на характеристики конического вихревого холодильника., Республиканский Межведомственный сборник «Самолетостроение и техника воздушного флота», 1970, № 22, с.55-60.

23. Ентов В.М., Калашников В.Н., Райский Ю.Д. О параметрах, определяющих вихревой эффект, Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа,1967, № 3, с.32-38.

24. Чижиков Ю.В. Определение диаметра вихревой трубы в зависимости от степени расширения газа, Известия вузов, серия «Машиностроение», 1972, №-7 с. 87-89.

25. Меркулов А.П. Исследование вихревой трубы, ЖТФ, 1956, т.26, вып.6, с.1271-1276.

26. Мартынов А.В. Исследование эффекта Ранка-Хилша в адиабатных и неадиабатных условиях, Кандидатская диссертация, МЭИ, 1965.

27. Борисенко А.И., Сафонов В.А., Яковлев А.И. Влияние геометрических параметров на характеристики конического вихревого холодильника, ИФЖ, 1968, т. 15, № 6, с.988-993.

28. Суслов А.Д., Чижиков Ю.В. Методика расчета вихревых холодильников, Труды первой научно-технической конференции «Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения», Куйбышев, 1974, с.40-46.

29. Метанки В.И. Экспериментальное исследование рабочего процесса воздушной вихревой холодильной установки, Холодильная техника, 1959, №4, с. 15-20.

30. Райский Ю.Д., Тункель А.Е. О влиянии конфигурации и длины вихревой трубы на процессы энергетического разделения газа, ИФЖ, 1974, т. 27, №6, с.1128-1133.

31. Handal W.P. Generation of Cjld by Expansion of a Gas in a Vortex Tube, Patent No/ 2893214, July 7,1959.

32. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике, М., «Машиностроение», 1969.

33. Scheber G/W/ The Vorter Tubj Intovnal Pits Lata Heat Transfer Theory? Refrigerating Engineering, 1951.59, No. 10, p.985-989/

34. Друй М.Г. Исследование процессов течения и теплообмена в вихревых трубках, кандидатская диссертация, МАИ, 1961.

35. Lay I. Е/ An Experimental and Analytical Study of Vortex Flow Temperature Separation by Superposition of Spiral and Axial Flows, Parts I and II, Journal of Heat Transfer, Trans of the ASME , Series C, 1959, Aug.

36. Holman LP. and Moore G.D. An Experimental Study of Vortex Chamber Flow, Transaction of the ASME, 1961, No.4.

37. Меркулов А.П. Исследование вихревого холодильника, кандидатская диссертация, КУАИ, 1956.

38. Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров, кандидатская диссертация, ОТИХП, 1954.

39. Hertnett I.P., Eckert E.R., Experimental Study of the Velocity and Temperature Distribution in a High-Velocity Vortex-Tube Flow, Transaction of the ASME, 1957, 79, No.4, p. 751-758.

40. Такагама. Сборник лекций 714 симпозиума Общества японских механиков, 19636 ноябрь, с. 27-30.

41. Мартыновский B.C., Войтко A.M. Эффект Ранка при низких давлениях, Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

42. Меркулов А.П., Колышев Н.Д. Экспериментальная проверка гипотезы взаимодействия вихрей, Доклады Всесоюзной конференции по перспективам развития и внедрения холодильной техники в народное хозяйство СССР, ОТИПХП, одесса, 1962.

43. Rangue G.I. Experiences sur d'un Echappement d' Air chand et d'Air froid, Journal de Physique et le Radium, 1933, 4, № 7, p. 112.

44. Fulton C.D. Rangue's Tube, Refrigerating Engineering, 1950, 58, № 5, p. 473-479.

45. Торочешников H.C., Лейтес И.Л., Бродянский B.M. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубе, ЖТФ, 1958, Т.28, вып. 6, с 1229-1236.

46. Scheller W.A., Brown М.В. The Rangue-Hilsch Vortex Tube, Industrial and Engineering Chemistry, 1957,vol. 49, № 6, p. 1013-1016.

47. Вулис Л.А. Об эффекте Ранка, Изв. АН СССР, Отделение технических наук, 1957, № 10, с. 105-107.

48. Бродянский В.М. Лейтес И.Л. О градиенте температур в трубе Ранка-Хилша, ИФИ, 1960, Т.З, № 12, с. 72-77.

49. Schultz-Grunow F. How the Rangue-Hilsch Vortex Tube Operates, Refrigerating Engineering, 1951, 59, № 1, p.52.

50. Sibulkin M. Unsteady,Viscous, Circular Flow, Part 2. The Cylinder of Finite Radius, Journal Fluid Mech, 1962, vol. 12, № 1, p. 148.

51. Part 3. Application to the ranque-Hilsch Vortex Tube, Journal Fluid Mech., 1962, vol. 12, p. 269.

52. Van Deemter I.I. On the Theory of the Ranque-Hilsch Cooling Effect, Applied Scientific Research, Netherlands, 1952, vol. 3, Sec. A.

53. Быков JI.T., Рудаков Ю.С. Применение теории размерностей к анализу термовихревого эффекта, Известия высших учебных заведений, серия «Авиационная техника», 1968, №3; с. 132-133.

54. Бродянский В.М., Лейтес И.Л. Зависимость величины эффекта Ранка от свойства реальных газов, ИРЖ, 1962, т.5, с. 38-41.

55. Жирицкий Г.С., Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, М., «Машиностроение», 1973.

56. Калашников В.Н., Райский Ю.Д. Вихревой эффект Исследование вихревого эффекта, Кандидатская диссертация, ИФП АН СССР, 1965.

57. Лейтес И.Л. Термодинамические основы эффективной технологии абсорбционной очистки газов. Дисс. Д.т.н. М.: 1980.477с.

58. Ranque О. J. Experiences sur la detente gira-toiro avec productions simultanees d'un echappe-ment d'air chaud et d'un echappement d'air froid. liul-lolin Bi-Mensuel de la Societe Prancaise de Physique, 112, S = 115, S, 2 June 1933.

59. Дубинский M. Г. О вращающихся потоках газа. Изв. АН СССР, ОТН,№8, 1954.

60. Fulton С. D. Ranque's Tube. Refrig. Eng., 1950, 58, 5.

61. Метенин В. И. Исследование вихревых температурных разделителей сжатого газа, ЖТФ, т. XXX, № 9, 1960.

62. SpaliiuJ.j.CservenyJ. Studiul unor parametri functional al turbinatorului frigorific. Stud si cevcetari energ. Acad. RPR, 19G1, 11, N 3.

63. Справочник по транспорту горючих газов. Под редакцией К. С. Заребо. Гостоптехиздат, М., 1962.

64. Бродянский В. М., Мартынов А. В. Вихревая труба для сепарации природного газа. «Газовое дело», № 5,1962.

65. Алексеев Т. С. Применение вихревых камер на установках низкотемпературной сепарации природных газов. «Газовое дело», № 6—7, 1964.

66. Китов В. М.Калашников В. Н., Райский Ю. Д. Работа вихревой трубы на природном газе. «Газовая промышленность», № 4., 1964.

67. Райский Ю.Д. Исследование работы вихревой трубы на газожидкостных смесях. «Газовая промышленность», № 6, 1967.

68. Heffaer F. Е. Performance characteristics of a waterjacheted vortex tube (R, A) «ASHRAE Journal», v. 1, N 9, 1959.

69. Бродянский В. M., Мартынов А. В. Новости нефтяной и газовой техники, «Газовое дело», № 5, 1962. 2. Ентов В.М., Калашников В.Н., Райский Ю. Д. «Газовая промышленность», № 4,

70. Алексеев Т. С. Новости нефтяной и газовой техники, «Газовое дело», № G—7, 1963.

71. Бродянский В. М., Мартынов А. В «Холодильная техника», № 5,1964.

72. Алексеев В.П., Мартыновский B.C. Известия АН СССР, ОТН, № 1, 1965.

73. Метенин В. И. «Холодильная техника», № 4, 1959.

74. Lay I. Е. «Trans. ASME. Ser. С. Journal of heat transfer», т. 81, № 3,1959.

75. Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика. ИЛ,1955.

76. Малышев А.И.,Пруцкун П.Т.,Райков Б.С., Сомов Ю.К., Жигалова Е.А.,Нестеренко В.Я., Истратов В.И. «Вихревой вертикальный кожухотруб-ный теплообменник» А.с. I40984I СССР, MMF25.2 7/16.

77. СССР). 4167275/24; Заявл. 24.12.86. Опубл. 15.07.89 //Открытия, изобретения. 1988. и 26. С. 27.

78. Барсуков Е. И., Кузнецов В.И. Вихревой эффект Ранка. Изд-во Иркутского ун-та. Иркутск. 1983. 121 с.

79. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982.200 с.

80. Кузнецов В. И., Барсуков С. Я., Вихревой эффект Ранка. -Изд. ИГУ, Иркутск, 1983, 121с.

81. Ландау Л. Механика сплошных сред. Гостехиздат, 1954, 795с.

82. Соколов Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Стр. 12. М. Энергоиздат, 1981.

83. Лейтес И. Л. Термодинамические основы эффективной технологии абсорбционной очистки газов. Дисс д.т.н: М.: 1980. 477с.

84. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. 296 с.

85. Рамм В. М. Абсорбция газов. М.: Химия. 1975. 583 с