СБОРНИК ЗАДАН ПО СБОРУ И ПОДГОТОВКЕ НЕФТИ, ГАЗА И ВОДЫ НА ПРОМЫСЛАХ
.pdf
Конденсат из нефтяного газа выделяется в конденсаторах, кото рые по конструкции не отличаются от обычных теплообменников. В тепловом расчете этих аппаратов учитывают изменение темпера туры кон-денсации и состав пара в этом процессе. В результате избирательной конденсации состав пара, а также температура кон денсации изменяются по длине конденсатора, что значительно усложняет расчет. Температура пара изменяется в таком процессе от начальной температуры конденсации tHK (точки росы), до тем пературы кипения жидкости, состав которой соответствует составу пара в начале конденсации (последняя порция конденсируемого пара находится в равновесии с жидкостью, образующейся при конденсации всего количества пара).
Для смеси углеводородных газов, находящихся под давлением, не превышающем 1 МПа, начальную температуру конденсации можно определять по графикам (рис. 5.4) для индивидуальных углеводородов, используя соотношение
v |
= 1, |
(5.17) |
кpi
где п — число компонентов; |
р — общее давление, при котором про |
|
исходит конденсация; |
pi —давление паров t-го компонента при тем |
|
пературе конденсации |
/Нк; |
Я,г— молярная доля t-ro компонента |
впаре в начале конденсации.
Уиндивидуальных углеводородов в чистом виде, а также в их смеси при p c i МПа упругость паров — функция только темпера туры.
Температуру конденсации tHK определяют на основании (5.17) методом последовательных приближений, используя рис. 5.4.
Состав полученного конденсата находят из соотношения
Ntx = pN iTjpi. |
(5.18) |
Аналогично температуру кипения /Кип определяют на основании (5.17), при которой удовлетворяется соотношение
П
/ >=Spi Wf r . |
(5.19) |
Потребную поверхность теплообмена рассчитывают по (5.10) или (5.11).
Количество переданной теплоты определяют из теплового ба ланса
Q = |
£ GNir {Hi - |
H'l) = G\cp\ {t\ - |
t'i), |
(5.20) |
где G— общий расход |
пара, моль/с; |
Ntr — молярная доля i-ro ком |
||
понента |
в исходной смеси; Hi — энтальпия |
t-го компонента в паро |
||
вой фазе при температуре конденсации (К0ал, Дж/моль; Я ,—энталь
пия t-го компонента в жидкой фазе при температуре |
кипения /кнп, |
Дж/моль; Gi — расход охлаждающего агента, кг/с; |
ср\ — удельная |
Определим площадь сечения затрубного пространства, где прохо дит воздух,
S = |
^ |
= 0,785 . 0,72 — 160 • 0,785.0.0252 = 0,308 м2. |
Скорость воздуха в межтрубном пространстве шв = vlS = 2,89/0,308 = 9,4 м/с.
Критерий Рейнольдса для воздуха при 55 °С
Re = oy/sKBp/i1 = 9,4.0,083 . 1,24/0,02 . 10~3 = 48500,
где р. =0,02 мПа • с —динамическая вязкость воздуха при t =55 °С. Режим движения турбулентный, поэтому воспользуемся формулой
Nu = 0,018 Re0-8 = 0,018.48500°>8 = 100,9.
Следовательно, |
|
|
|
|
®2 |
NuX |
100,9 • 0,0284 |
= 34,5 Вт/(м2 |
°С). |
|
|
0,083 |
|
|
где X= 0,0284 Вт/(м • °С) — коэффициент |
теплопроводности воздуха |
|||
при 55 .
Принимают коэффициент теплоотдачи а! от газа к стенке равным
800 Вт/(м2 . °С), |
а теплопроводность стенки трубы ХсТ = |
45 Вт/(м.9С). |
||||||
Количество переданной теплоты определяют по (5.10) |
|
|||||||
4 |
_ |
2яяШср |
|
|
2 • 3,14 • 160 - 3 .57________ |
|||
1 |
5тр |
! " |
1 |
, |
0.002 |
, |
1 . " |
|
|
V 7 + |
Хс/ ортр + |
|
800 • 0,0105 + |
45 • 0,0115 +34,5.0,0125 |
|||
- 73 кВт.
Проверяют конечную температуру воздуха по уравнению тепло вого баланса
Q = GiCpi ,(/i — Л), |
|
|
||
t\ = —30 + |
73 000 |
12°С. |
||
10 000 |
1,37 |
|||
|
1050 |
|||
|
3600 |
|
|
|
Так как эта температура близка к принятой (15°С), то вычис ленное количество переданного тепла считают правильным.
Количество конденсирующего пара (Дж/моль) определяют из теплового баланса по (5.20).
Q = ЕGNir (Н”— Н').
Энтальпия компонентов приведена ниже [21].
|
|
Пар |
|
Жидкость |
|
Пропан . |
4 |
,2 . ю* |
2.3 • |
10* |
|
Изобутан |
4 |
,4 . |
ю» |
2,8 • 10* |
|
Бутан. . . |
4 |
, 9 . |
ю* |
3,2• |
10* |
Изопентан. |
6,1 |
Ю4 |
4,5- |
104 |
|
Пентан |
6>5 . |
10i |
4 , 7 |
104 |
|
Подставив их значение в предыдущее уравнение, получим то количество пара, которое может быть сконденсировано в единицу времени.
__________________________________73 000_______________________________ „
G = 0,2 (4 ,2 — 2,3) 10 4 + 0,1 (4,4 — 2,8) 104 + 0 ,3 (4,9 — 3.2) X
= 2,74 моль/G =
X Ю4 + 0,4 (6,1 - 4,5) 104 + 0,55 (6 ,5 — 4,7) 104
= 2,-",ппп00’4 = °>274 = 23500 кг/сут,
где Мср=0,2 • 44+0,1 • 58+0,3 • 58+0,4 • 72+0,55 • 72—100,4 г/моль — средняя молекулярная масса смеси паров.
Г л а в а 6
ГРАВИТАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ФАЗ
При сборе и подготовке нефти на промыслах приходится иметь дело с самыми разнообразными смесями, образующими суспензии, эмульсии, пены, туман, дым (пыль). При достаточном различии плотностей дисперсной и дисперсионной фаз наиболее простым методом их разделения является отстаивание [16, 17, 18].
В поле тяжести на оседающую (всплывающую) частицу дейст вуют:
разность силы тяжести и подъемной силы Архимеда
Д /^ - ^ З Д р , |
(6.1) |
где Др — разность плотностей частицы и окружающей среды; g — ускорение свободного падения; d —диаметр частицы;
сила сопротивления сплошной среды
яД2 |
(6.2) |
|
F* = Со Т " |
||
|
где £0 — коэффициент гидравлического сопротивления сплошной среды движению в ней одиночной частицы; w0— скорость движе ния одиночной частицы относительно сплошной среды; р0 — плот ность сплошной среды;
сила конвекционных токов в сплошной среде.
Допустим, что температура во всех точках аппарата гравита ционного разделения (отстойника) одинакова, тогда конвекцион ные токи отсутствуют. При постоянной скорости движения частицы в среде
> |
II о |
Откуда, с учетом (6.1) и (6.2), следует
С Reo = у Ат,
(6.3)
(6.4)
4 4-407 |
97 |
где Re0 — критерий Рейнольдса |
|
|
Re0 = Wodpc/\^ci |
(®*^) |
|
|а0 —динамическая вязкость сплошной среды; |
Аг — критерий Архи |
|
меда |
|
|
Аг = А А |
Z ii., |
(6.6) |
< |
Рс |
|
vc — кинематическая вязкость сплошной среды; рд— плотность дис персной фазы (частицы, капли).
В условиях стесненного осаждения (всплытия) частиц, т. е. при взаимодействии между частицами, имеем аналогично (6.4) равен
ство |
|
C«Re* = i-Ar, |
(6.7) |
где Сд — коэффициент гидравлического сопротивления для дисперсной
фазы в эмульсии; Rea — критерий Рейнольдса в условиях |
стеснен |
ного потока. |
|
Так как правые части (6.4) и (6.7) одинаковы, то |
|
Сд Re* = С Re*. |
(6.8) |
Пусть |
|
Сд = С д/ (?)» |
(6.9) |
где £од— коэффициент гидравлического сопротивления сплошной среды для одной частицы в условиях стесненного потока; ср — объемная доля дисперсной фазы в системе.
Экспериментальными исследованиями показано, что скорости оседания частицы в условиях свободного осаждения и стесненного потока связаны соотношением [13]
а>од = а»0(1 — <р)п, |
(6.10) |
где доод — скорость осаждения частицы относительно сплошной среды в условиях стесненного потока; w0—скорость свободного осаждения частицы.
Поэтому |
|
|
Яед = |
(1—у)" Re0. |
(6.11) |
Экспериментально также установлено, что при |
Re < 500 |
|
Со= |
Reo (1 +0,15 Reo 687), |
(6.12) |
где |
|
|
г — |
24 |
(6.13) |
0,843 lg № /0,065)’
ф —коэффициент формы частицы, равный отношению площадей по верхностен сферической частицы и реальной частицы одинакового объема. Для сферических частиц ф = 1, следовательно, С = 24.
Из (6.8) и (6.9) следует |
|
|
|
|
|
|
||||
С Re* = С«Дт) Re*. |
|
|
|
|
|
|
(6.14) |
|||
Откуда, с учетом (6.12), получают |
|
|
|
|
|
|||||
Reo (1 + |
0,15 Re“'687) = /(?) Refl (1 + 0,15 Re£'687). |
|
|
|
(6.15) |
|||||
При малых |
Re из (6.11) и (6.15) следует |
! |
|
|
|
|
||||
/ ( ? ) « ( 1 - 9 ) - п- |
|
|
(6Л6) |
|
|
|
|
|
||
При Re > 500 коэффициент сопротивления не |
|
|
|
|
|
|||||
зависит от скорости, следовательно, |
Со= Сод» |
|
|
|
|
|
||||
поэтому из |
(6.14) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re*=/(?)Re*. |
|
|
(6.17) |
|
|
|
|
1f |
||
Тогда |
из |
(6.11) и |
(6.17) |
|
|
|
|
ь |
||
/(?) = |
(1 — <р)-2”. |
|
|
(6.18) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
Экспериментальными |
исследованиями ус |
|
|
|
|
|||||
тановлено, что /(у), |
определяемая |
по (6.16) |
|
|
|
It |
||||
и (6.18), |
изменяется |
от |
(1— ч>)~4-6с |
до (1 — |
|
|
|
// |
|
|
— <f)'-4.78) |
следовательно, |
в первом |
прибли |
|
|
|
II |
|
||
жении принимают, что [13] |
|
|
|
|
)f |
|
||||
/(*) = (1 - 9 ) - 4'7. |
|
|
(6.19) |
|
|
1 |
|
|||
Поэтому вместо (6.10) можно записать |
|
|
|
|||||||
И)0д/Шо= ( 1 — f)4.7. |
|
|
(6.20) |
|
_// |
|
||||
Известны также следующие эмпирические |
|
|
|
|
||||||
формулыдля учета влияния стесненности [14]1 |
|
/ |
|
|
|
|||||
|
п |
|
|
|
||||||
при <р< |
0,3 |
|
|
|
|
// |
|
|
|
|
|
|
|
|
\f |
|
|
|
|||
«%/»<> = (1 — Т)210Н.«Ч |
(6.21) |
А( |
|
|
|
|||||
при <р> 0,3 |
|
|
|
0,2 |
ОД Ofi |
0,6 0,8(1-BJ |
||||
^од/щ0 |
= ^ р - ( 1 - < р ) 3. |
(6.22) |
Рис. 6.1. |
Сопоставление |
||||||
результатов |
расчетов по |
|||||||||
З а д а ч а 6.1. Сопоставить расчетные от |
различным |
формулам: |
||||||||
/ — по |
(6.20), |
2— по (6.21) |
||||||||
носительные скорости оседания капель воды |
|
н |
(6.22) |
|||||||
в нефти в зависимости от ее обводненности, определенной по (6.20), (6 21) и (6.22).
Р е ш е н и е . Пусть обводненность водонефтяной эмульсии равна 5 /о»тогда по (6.20)
“\Wtoo = (1 — 0,05)4.7 = 0,7858; По (6.21)
%,/о,0 =(1 — 0,05)2 *10 - 1*82.0.05 = 0,7319.
Р’азность результатов расчетов составляет
°,7858 — 0,7319 = 0,0539.
4* |
99 |
Таблица 6.1 . Сопоставление результатов расчетов
Обводненнооть, |
Результаты |
расчетов |
по формулам |
Разность |
|
|
|
|
|||
% |
6.20 |
6.21 |
6.22 |
||
|
|||||
5 |
0,7858 |
0,7319 |
— |
0,0539 |
|
10 |
0,6095 |
0,5327 |
0,0768 |
||
20 |
0,3504 |
0,2768 |
— |
0,0736 |
|
30 |
0,1871 |
— |
0,1406 |
0,0465 |
|
40 |
0,0906 |
— |
0,0664 |
0,0242 |
|
50 |
0,0385 |
— |
0,0308 |
0,0077 |
|
60 |
0,0135 |
— |
0,0131 |
0,0004 |
|
70 |
0.0035 |
— |
0,0047 |
—0,0012 |
Результаты аналогичных расчетов для других обводненностей представлены в табл. 6.1.
Как следует из табл. 6.1 и рис. 6.1, сравниваемые формулы дают близкие результаты, поэтому пользоваться можно любыми из них.
РАСЧЕТ СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЬ ПРИ ИЗВЕСТНОМ ИХ ДИАМЕТРЕ
Область ламинарного режима осаждения характеризуется сле дующими значениями параметра Рейнольдса:
10-' < Re < 2. |
(6.23) |
Соответственно коэффициент гидравлического сопротивления среды движению капли при этом режиме равен
С = |
24/Re. |
(6.24) |
Из (6.4) с учетом (6.24) следует |
|
|
Re = |
Аг/18. |
(6.25) |
Используя граничные значения критерия Рейнольдса,из(6.23) по
(6.25) |
легко рассчитать граничные значения критерия |
Архимеда |
в области ламинарного режима осаждения капель |
|
|
18 • |
10-6 < Аг < 36. |
(6.26) |
В области переходного режима осаждения |
|
|
2 < |
Re < 500, |
(6.27) |
а коэффициент гидравлического сопротивления среды осаждению кап ли определяют по формуле Аллена
С = 18,5/Re0*6. |
(6.28) |
Из (6.4) с учетом (6.28) для критерия Рейнольдса получается |
|
Re = АгРЖ/6,545. |
(6.29) |
По аналогии в выводом (6.26), из (6.29) с учетом граничных значений критерия Re (6.27) следует, что соответствующие гранич-
100