книги / Переработка нефтяных и природных газов
..pdf
|
Из теплового баланса верха десорбера определяют тепловую |
|||||||
нагрузку |
на аппарат воздушного охлаждения |
АВО-2 — Q A B O -2 |
||||||
|
|
|
|
^ABO-2 — |
1) (^в ^L) |
|
(IV-112) |
|
где |
/ Q, |
I i |
— удельная |
энтальпия верхнего |
продукта |
при |
температуре точки |
|
росы и |
температуре |
кипения соответственно. |
|
|
||||
|
Из общего теплового баланса десорбера вычисляют нагрузку на |
|||||||
печь Q„e4 |
|
^печ — QABO-2 + *29 + |
|
|
(IV.l13) |
|||
|
|
|
|
h o ~~ l23 |
|
|||
где |
i — энтальпия соответствующего |
потока |
в жидкой |
фазе. |
Расчетом десорбера заканчивается расчет количества и соста вов всех материальных потоков, после чего приступают к расчету рекуперативного теплообмена, в результате которого определяют нагрузки на теплообменники и уточняют нагрузки на пропановые холодильники.
Ра с ч е т р е к у п е р а т и в н о г о
те п л о о б м е н а
Первый узел теплообмена — это узел охлаждения и конденсации сырого газа, включающий регенеративные теплообменники Т-1, Т-2, Т-3 и пропановый испаритель Х-1. Сырой газ перед пропано вым испарителем Х-1 охлаждают холодными потоками сухого и остаточного газа, а также конденсата из С-1 после дросселирова ния.
1.Определяют фазность сырого газа при температуре входа
втеплообменник Т-1 — tDX и давлении на входе.
2.При известных параметрах остаточного газа из АОК на входе в теплообменник Т-1 Gn, уи7, tn и выходе из него G17, уи7, ^вых определяют количество тепла, снимаемого в Т-1, QT.J.
Температура на выходе из теплообменника Т-1 задается из условия технически допустимой разницы температур. Обычно для
теплообменников «газ—газ» At принимается равной 7—8 °С.
3. Из теплового баланса Т-1 находят энтальпию и темпера туру сырого газа на выходе из Т-1
= |
(IV.114) |
Ii — общая энтальпия потока при |
1 ВХ — энтальпия сырого газа при /В1. |
4.При известных параметрах сухого газа на входе G9, Уьз, tg
ивыходе Gg, уis, /вых из теплообменника Т-2 определяют коли
чество тепла, снимаемого в Т-2, QT-2-
Перепад температур на горячем конце теплообменника Т-2 выбирается аналогично п. 2.
5. Из теплового баланса Т-2 находят энтальпию / 2 и темпера туру сырого газа на выходе из Т-2
/2 = /! — Qt .2 |
(IV. 115) |
И Берлин М. А. н др. |
321 |
6. Рассчитывают температуру и фазовое состояние конденсата после дросселирования на дросселе Д-1: 4, G5, г/,$, Ls, Xis. Расчет ведут по алгоритму ОК—ОИ с использованием теплового баланса (см. рис. IV-25.)
7. По заданному перепаду температур на горячем конце тепло обменника Т-3 находят температуру конденсата на выходе из Т-3
—U-
t6 = T 2- D T { 3 ) |
(IV.116) |
где D T ( 3 ) принимается равным 7—8 °С.
8. По найденным параметрам конденсата на входе и выходе из теплообменника Т-3 определяют тепловую нагрузку на Т-3 —
QT-2 |
(IV.I17) |
4 T .S = I S- U |
где 1 6 — общая энтальпия материального потока 6; i4 — энтальпия конденсата.
9. Из теплового баланса Т-3 находят энтальпию и темпера туру потока сырого газа после Т-3
I3 = I2- Q T .S |
(IV.118) |
10. Определяют уточненную нагрузку на пропановый испари
тель Х-1 — Qx-i
(IV. 119)
Второй узел теплообмена — подогрев насыщенного абсорбента и конденсата до заданной температуры ti4 тощим абсорбентом в теп лообменниках Т-4 и Т-5 для подачи в АОК.
11.Рассчитывают температуру насыщенного абсорбента после дросселя Д-2 — tn .
12.Для расчета теплообменника Т-4 не хватает исходной ин формации: известна только температура и состав потока 11. По этому для упрощения расчета принято допущение о равенстве температур конденсата после теплообменника Т-3 и насыщенного абсорбента после Т-4
*12 = *6 = *13
Это допущение несущественно, так как оно как бы перераспре деляет теплообменивающиеся поверхности между теплообменни ками Т-4 и Т-5. Суммарная площадь‘теплообмена их остается не изменной. Определяют количество тепла, снимаемого в теплооб меннике Т-4 — QT-4 (так как в процессе дросселирования энталь пия системы не меняется).
13. По заданному перепаду на холодном конце теплообмен ника Т-4 вычисляют температуру и энтальпию тощего абсорбента на выходе из Т-4 — fa и U6
*36 = * 1 1 + D T (2) |
(IV.I20) |
14. Из теплового баланса теплообменника Т-4 |
находят энталь |
пию и температуру тощего абсорбента на входе в |
Т-4 — ias и Us |
*35 ~ *36 "1" QT-4 |
(IV*I2*) |
322
15. Проверяют перепад температур на горячем конце тепло обменника Т-4
*з$ — *12
Если он меньше заданного (DT (4)), температуру t35 вычисляют из соотношения
*35= *12 + П Т { 4 )
16. Рассчитывают нагрузку на теплообменник Т-5 по разности энтальпий насыщенного абсорбента при температуре входа и вы хода из теплообменника
QT.5 = h ' 4 - h 9 |
(IV. 122) |
17. Из теплового баланса теплообменника Т-5 находят эн тальпию и температуру тощего абсорбента на входе в Т-5 — /34, /34,
*34 — *35 + Q-T-S |
(IV -1^3) |
18. Проверяют перепад температур t34 — U4. Если он меньше заданного (D T (5)), то температуру тощего абсорбента на входе в Т-5 корректируют с учетом заданного перепада
*34 = *14 + D T (S) |
(IV. 124) |
Корректируют ранее рассчитанную в п. 14 энтальпию и темпе ратуру тощего абсорбента на выходе из Т-5
*35= *34 О-Т-5 |
(IV.125) |
19. Если температуру tSb корректировали по п. 18, то необхо димо уточнить из теплового баланса энтальпию и температуру тощего абсорбента на выходе из Т-4 — 1зв иJ S6
*35 = *35 Qт-4 |
(IV. 126) |
20. Так как при расчете абсорбера и АОК температура тощего абсорбента была принята равной нулю, то необходимо уточнить тепловые нагрузки на пропановые испарители Х-2 и Х-3
Qx-г ~ |
QX -2 Ч- ^зб"^*1(^36 ~Ь |
*-37) |
(IV-127) |
Qx-з = |
®х-з 4" *-37’ ^ * /( ^ 3 5 + |
*-37) |
(IV. 128) |
где At — разность энтальпий тощего абсорбента при нуле и t36.
А* = *о— *зб |
(IV-129) |
Q'X -2 — нагрузка на пропановый испаритель Х-2 при условии, что тощий абсор бент поступает при 0 °С; Q'x ,3 — нагрузка на пропановый испаритель Х-3 при тех же условиях.
Эта разность энтальпий распределяется между Х-2 и Х-3 про порционально количеству абсорбента.
Третий узел, теплообмена: подогрев низа АОКНазначение этого узла — обеспечить подачу рассчитанного количества тепла в АОК за счет регенерации тепла тощего абсорбента и через допол
II* |
323 |
нительный теплообменник Т-9 (если не хватит высокопотенциаль ного тепла).
21. По тепловым погрузкам на теплообменники Т-6 и Т-7 — QT -6, QT -7, полученным из расчета АОК, и параметром потоков 18
и 20 — находят температуру и состояние потоков |
19 и 21 на вы |
|||||||
ходе из соответствующих теплообменников. |
|
абсор |
||||||
22. |
Рассчитывают |
температуру |
деэтанизированного |
|||||
бента |
после дросселя |
Д-3 — fa. |
|
абсорбента |
t33 на |
выходе |
||
23. |
Вычисляют температуру тощего |
|||||||
из теплообменника |
Т-6 по заданному |
перепаду |
|
|
||||
|
|
|
|
+ ЯГ (*) |
|
(IV. 130) |
||
Вычисляют его энтальпию при этой температуре — i33. |
||||||||
24. |
Из теплового баланса Т-6 находят энтальпию и темпера |
|||||||
туру тощего абсорбента на входе в Т-6 — i32 , t3 2 |
|
|
||||||
|
|
|
Ь г = |
Ь з + |
®т-б |
|
|
(IV.131) |
25. |
Проверяют |
условие |
f<>0) < |
DT (7) |
|
|
||
|
|
|
(t32 |
|
|
26. Если соблюдается условие п. 25, то разность температур между потоками 31 и 20 для организации эффективного теплооб мена между ними недостаточна и устанавливать теплообменник Т-7 нецелесообразно. В этом случае тепло в низ АОК подводят с помощью печи, которая на схеме указана как теплообменник Т-9. Тепловая нагрузка на печь QT-9 = QT-7, а параметры потоков 31
и32 равны между собой: t3i — t3г и i3i = i32 .
27.Если условие п. 25 не соблюдается, т. е. перепад'температур потоков 31 и 20 таков, что установка теплообменника Т-7
целесообразна, печь Т-9 из схемы исключается, т. е. QT-9 = 0. В этом случае определяют энтальпию потока 31, а по энтальпии — его температуру
h i = |
Ьг “Ь QT -7 |
(IV. 132) |
28. Проверяют одновременное соблюдение условий |
||
h i ho и |
{hi h4) |
DT (8) |
29. Если оба или одно из условий п. 28 не соблюдается, то теплообменник Т-8 устанавливать в схеме нецелесообразно. В этом случае естественно, что параметры потока 25 равны пара метрам потока 24, т. е. t23 = t34
G25 = (*24 и ^25 — ^24
Так как в случае отсутствия теплообменника Т-8 в схеме ме няются исходные данные для расчета узла подвода тепла в АОК, необходимо провести коррекцию его расчета.
Если из условий п. 25 и 26 теплообменник Т-7 исключен из схемы и в схему включена печь Т-9, то уточняют температуру fa из условий
Ьг ~ h i ~ ho* Ьг = h i = ho* h s ~ h o Q T -6
324
По известной энтальпии и составу потока 33 определяют его температуру Далее расчет продолжают с п. 31. Если по усло виям п. 25 и 26 теплообменник Г-7 в схеме работает, то в этом слу чае тепловая нагрузка на него в связи с исключением из схемы теплообменника Т-8 изменяется, так как изменилась температура входного потока U i. Поэтому рассчитывают необходимость допол нительного подвода тепла в схему — от печи Т-9. Проверяют усло вие
h i > ho: h i < ho'’ h i ~ ho
Если t3j > Uo, это означает, что рассчитанное выше количество тепла, переданное в АОК в теплообменнике Г-7, завышено, и часть его должна быть восполнена печью
|
QT -O = h i ho |
П 133) |
|
QT.7 = QT-7-Q T-9 |
(IV.134) |
где |
QJ .7 — действительное количество тепла, передаваемое в теплообменнике |
|
Т-7, |
по расчету АОК. |
|
Если U i < t .3o, то имеется избыток тепла, и теплообменники Т-7 и Т-6 необходимо пересчитать. В этом случае приравнивают
h i — ho’ h i = ho> |
Ьг = hi ~ ®т-7 |
|
По известному составу и энтальпии 1зг определяют температуру |
||
t32. На этом пересчет теплообменника Г-7 заканчивается. |
|
|
Пересчитывают теплообменник Т-6 |
(IV.135) |
|
*зз ~ * 3 2 |
-6 |
По известному составу и энтальпии is3 определяют температуру 1зз. Если tei = teo, то далее расчет ведут с п. 31.
30. Если условия п. 28 выполняются, то рассчитывают тепло обменник Т-8.
0-Т-8~ *30 — *31 |
(IV.136) |
h5 = Ьз Т"@Т-8 |
(IV.137) |
По известному составу и энтальпии потока 25 определяют его температуру Далее расчет продолжают с п. 31.
31. Уточняют нагрузку на печь десорбера, так как в резуль тате расчета теплообменника Т-8 уточнилась температура tgg
Qn*u = Qn<r,-QT.8 + QT-9 |
(iv. 138) |
где (?„еч — необходимая тепловая нагрузка на печь с учетом нагрузки на Т-9,
полученная из расчета десорбера.
На этом технологический расчет схемы НТА заканчивается. По приведенному алгоритму можно вести проектный и пове
рочный расчет схемы НТА.
Назначение проектного расчета — определить значения варьи руемых параметров технологической схемы, при которых обеспе чивается заданная, входящая в состав исходных данных степень извлечения целевого компонента в целом по схеме.
325
Для предварительного задания общего расхода абсорбента по схеме ее просчитывают при трех произвольных расходах абсор бента, на основании которого строят кривую зависимости между расходом абсорбента и коэффициентом извлечения целевого ком понента. По этой кривой при заданной степени извлечения опреде ляют первое задаваемое значение расхода абсорбента, которое затем в процессе расчета уточняют.
Для распределения абсорбента между абсорбером и АОК за даются значением <рц в абсорбере примерно на 5% выше, чем в це лом по схеме (с учетом последующих потерь в АОК). По принятому коэффициенту извлечения в абсорбере с использованием диаграммы Крейсера определяют предварительный расход абсорбента на аб сорбцию. Остальной поток направляют в АОКПри поверочном расчете по описанному алгоритму определяют действительную степень извлечения целевого компонента, а также тепловые и ма териальные потоки.
РАСЧЕТ СХЕМЫ НТР
Схема НТР (рис. IV.34) имеет сравнительно простую, разомкну тую по материальным потокам структуру. В схеме имеется лишь один тепловой рецикл — исходный газ охлаждается обратным потоком «сухого» газа. Поэтому моделирование такой схемы не вызывает особых трудностей. Алгоритм расчета описанной схемы НТР с двумя вводами питания заключается в следующем.
1. По заданному коэффициенту разделения ф рассчитывают разделение исходного потока газа 1 на два потока: 3 и 4. Темпе ратуру обоих потоков принимают равной температуре после компримирования.
2. По описанной ранее модели (обобщенная модель расчета колонных аппаратов) при заданных числе тарелок, номерах таре лок питания, температуре в рефлюксной емкости Е-1 и качестве нижнего продукта и при найденных параметрах питающих пото ков 3 и 4 рассчитывают процесс деэтанизации в ректификационной колонне К‘1. В результате расчета получаем параметры потоков
6 и 7, количество снимаемого холода холодильником Х-1 и
*количество подводимого в низ ректификационной колонны К-1
Этепла.
Рис. IV .34.
Принципиальная |
схема НТР: |
|
Т-2 - |
Kp-U Кр-2 — компрессоры; |
Т-•1, |
||
регенеративные |
теплообменники;:и; |
Х-1 - |
|
холодильник; К-1 — ректификационнаяа! |
|||
колонна; Е-1 — рефлюкс>ксная |
<емкость; |
||
П-1 — печь. |
|
|
|
326
Таким образом, расчет схемы практически начинается с расчета колонны К-1, поскольку только он дает нам необходимые исходные данные для расчета регенеративиого^теплообмена. Все остальные пункты расчета представляют собой расчет рекуперативного теп лообмена, необходимого для определения нагрузки на холодиль ник Х-1.
3.По описанному ранее модулю расчета теплообменника (см. рис. IV.21) при найденных параметрах потоков 3 и 6 и заданном минимальном перепаде температур на концах теплообменника рассчитывают процесс теплообмена в Т-2. В результате расчета получают параметры потоков 5 и 8.
4.При найденном потоке 8 и заданном потоке 1 и минимальном перепаде температур на концах теплообменника рассчитывают процесс теплообмена в Т-1. В результате расчета получают пара метры потоков 2 и 9.
5.Проверяют условие равенства найденной температуры по тока 2 (а следовательно, и найденных температур потоков 3 и 4) и температуры потока 3, которая в п. 3 принимается при расчете теплообменника Т-2. Если температуры не равны, то с новым зна чением температуры потока 3 возвращаются к п. З.Если условие равенств температур соблюдается, то переходят к п. 6.
6.Проверяют условие равенства найденной температуры по тока 4 и температуры потока 4, которая в п. 2 принимается при расчете процесса деэтанизации. Если температуры не равны, то,
принимая новое значение температуры потока |
4, |
возвращаются |
к п. 2. Если условие равенства температур |
соблюдается, то |
|
переходят к п. 7. |
|
холодильником |
7. Уточняют количество холода, снимаемого |
Х-1. Для этого от значения Qx-i, найденного в п. 2, вычитают коли чество холода, снимаемого в Т-2 (т. е. разницу теплосодержаний потоков 3 и 5), так как процесс деэтанизации рассчитывали в п. 2 при температуре питающего потока 5, равной температуре по тока 3.
При получении всех необходимых параметров процесса расчет заканчивают.
В данном случае приведен поверочный расчет схемы НТР. При проектном расчете обычно задаются коэффициентом извлече ния целевого компонента. В этом случае по известному коэффи циенту извлечения можно определить примерные составы верх него и нижнего продукта, а по составу верхнего продукта — необ ходимую температуру в рефлюксной емкости как температуру точки росы верхнего продукта. Если в процессе расчета получен ные составы верхнего и нижнего продукта сильно отличаются от принятых, то задаются новым значением температуры верхнего продукта, соответствующим полученному составу его, и расчет повторяют.
Таким образом, алгоритм расчета остается практически тем же.
327
Глава 3
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ, РЕЖИМОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ГПЗ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ГПЗ
Эффективное использование капитальных вложений возможно только при условии принятия и реализации в проектах оптималь ных решений на всех уровнях: размещение заводов, перерабаты вающих нефтяной газ и газ газоконденсатных месторождений, выбор технологической схемы и ее структуры, выбор оборудова ния и параметров технологического режима. Это особенно важно при строительстве заводов, в местах, близких к добыче газа.
Особенность в расположении ГПЗ обусловливает ряд предъяв ляемых к ним противоречивых требований. С одной стороны, ГПЗ по сути предприятия горного типа, т. е. длительность их существо вания и их производительность определяются объемами и сроками существования соответствующего нефтяного или газоконденсат ного месторождения. Поэтому ГПЗ должны быть возможно менее капиталоемкими и трудоемкими, и обеспечивать быструю окупае мость капиталовложений. С другой стороны, технология перера ботки газа достаточно сложна, а в связи с размещением ГПЗ, вследствие горного характера производства, в местах с малораз витой инфраструктурой возникают повышенные требования к на дежности оборудования и уровню автоматизации предприятия, что требует значительных капитальных и трудовых вложений в их сооружение. Все эти особенности делают сложным проектирование ГПЗ и относительно дорогостоящим строительство и эксплуатацию предприятий.
Вследствие изложенного требования к эффективности выбора технологии и техники ГПЗ существенно возрастают.
Для оптимизации технологий и техники переработки газа на всех указанных выше уровнях наряду с проведением эксперимен тов и промышленных обследований необходимо широкое привле чение современных методов математического моделирования и си стемного анализа технологических процессов, средств информа ционной и вычислительной техники с целью создания и промышлен ной реализации системы автоматизированного проектирования и оптимизации ГПЗ (САПРО—ГПЗ).
САПРО—ГПЗ включает следующее.
1. Целостный комплекс математических моделей всех процес сов и оборудования ГПЗ. В гл. 1 настоящего раздела были опи саны все модели, практически необходимые для расчетов процес сов и оборудования ГПЗ.
328
2.Целостный комплекс программ всех процессов и оборудова ния ГПЗ, разработанных на основании указанных моделей и реа лизующих эти модели.
3.Банк теплофизических свойств углеводородных систем и других веществ, необходимых при расчете процессов переработки газа.
4.Банк данных по оборудованию газоперерабатывающих заводов, который содержит исчерпывающие технические сведения
окаждом виде оборудования и аппаратуры, арматуры и приборов, позволяющие либо выбрать нужное оборудование, аппарат, арма туру, прибор, либо сделать вывод о необходимости разработки нового оборудования, нового аппарата, арматуры, прибора.
5.Банк экономических данных о применяемых в газопереработке оборудовании, аппаратуре, арматуре, приборах, материа лах, реагентах, энергоресурсах.
6.Организующий алгоритм, позволяющий либо при заданном порядке расчета рассчитать технологическую схему любой фикси рованной структуры, либо сам устанавливающий оптимальный порядок расчета и реализующий его.
7.Организующая программа, созданная на основании органи зующего алгоритма и реализующая его.
8.Математические модели и программы, обеспечивающие син
тез технологических схем ГПЗ оптимальной структуры, в част ности на основании их эксерго-экономического анализа.
9. Обобщающая математическая модель, описывающая всю сложную систему «сбор нефтяного газа — межпромысловый транс порт газа — переработка газа». Основные расчетные задачи САПРО—ГПЗ показаны на рис. IV.35.
Оптимизация газоперерабатывающих заводов усложняется двумя факторами: многомерностью задачи поиска экстремума, сложностью расчета целевой функции ГПЗ, равной сумме опти мальных значений целевых функций для элементов завода. В ка честве целевой функции оптимизации для ГПЗ и его элементов принимают приведенные затраты
П3 = С + ЕК
где С — себестоимость продукции; Е — нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений, равный для газоперерабатывающей промышленности 0,17; К — капитальные вложения.
Алгоритмы расчета и оптимизации оборудования ГПЗ в свою очередь также сложны по составу. При разработке их приходится создавать тепловые, массообменные, гидромеханические, конструк тивные, экономические и другие модели, корректно описывающие работу оборудования. Для упрощения оптимизации сложных систем обычно применяют два взаимоисключающих подхода: 1) либо корректно и всесторонне рассматривают синтез и оптими зацию системы в целом, пренебрегая качеством моделей нижнего уровня (в частности, оборудования); 2) либо с помощью сложных и
32»
Рис. IV .35.
Классификация, иерархия и взаимосвязь задач оптимизации ГПЗ.
совершенных моделей осуществляют оптимизацию оборудования, не оптимизируя синтез системы в целом. Применительно к ГПЗ авторами предложено корректно и достаточно просто совместить оба подхода при оптимизации систем, в частности схем газопереработки на всех уровнях, т. е. и на нижнем, на уровне оборудова ния, и на верхних уровнях режимов, структур, технологических
330