Добавил:
свои люди в ТПУ Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЧижоваАВ_ЛБ1.docx
Скачиваний:
12
Добавлен:
14.12.2024
Размер:
272 Кб
Скачать
☆

Расчет однократного испарения многокомпонентной углеводородной смеси

Сепарация нефти по своей физической сущности является сочетанием физических и массообменных процессов, протекающих между газовой и жидкой фазами, содержащими большое количество компонентов, т. е. является сложным многокомпонентным процессом. Однако при построении математических моделей, обладающих высокой прогнозирующей способностью и точностью, необходимо учитывать физико-химические закономерности их протекания. В то же время модель должна иметь приемлемую для расчетов размерность и возможность решения известными численными методами.

Чтобы удовлетворить требованиям, будем рассматривать, что в процессе сепарации:

  • достигается состояние равновесия;

  • происходит однократное испарение компонентов смеси.

Исходя из этого, модель сепарации должна включать расчет констант фазового равновесия и расчет доли отгона на основании уравнений материальных балансов по газовой и жидкой фазам.

Уравнение материального баланса процесса однократного испарения для многокомпонентной системы в целом можно представить, как:

, (2)

где: F – количество исходного сырья, кг/ч;

G – количество паровой фазы, кг/ч;

L – количество жидкой фазы, кг/ч.

Для i-го компонента системы материальный баланс запишется следующим образом:

, (3)

где: ui, xi, yi – мольные доли i-го компонента в исходном сырье и полученных жидкой и паровой фазах соответственно.

В условиях равновесия

, (4)

где: Кi – константа фазового равновесия i-го компонента, ,

где: Pi - давление насыщенного пара i -го компонента;

Р - общее давление в аппарате;

Основное уравнение для расчета частичного однократного испарения многокомпонентной системы:

(5)

где: – молярная доля пара (доля отгона) в конце процесса однократного испарения.

Контролем правильности решения является выполнение условий:

. (6)

Определить давление насыщенных паров компонентов можно по различным расчетным формулам, например: Антуана, Ашворта.

В частности, формула Ашворта имеет следующий вид [11]:

, (7)

Где: Рi – давление насыщенных паров, Па;

T – температура однократного испарения;

Ti – температура кипения углеводорода, или средняя температура кипения углеводородной фракции.

Функцию F(T) находят из уравнения:

. (8)

По этому же уравнению, подставляя Ti вместо Т, рассчитывают и функцию F(Ti).

Уравнение Антуана:

,

где: Аi, Bi, Ci – коэффициенты уравнения Антуана;

Т – температура процесса, К;

Рi – давление i-го компонента в системе (мм. рт. ст.).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ:

Исходные данные для расчета процесса разделения многокомпонентной углеводородной смеси

Рисунок 2 – Принципиальная схема сепарационного блока: С – сепараторы

Для проведения расчета сепарационного блока процесса разделения многокомпонентной углеводородной смеси необходимы следующие данные:

  1. Расход сырья, кггод.

  2. Температура в сепараторах, оС.

  3. Давление, Па.

  4. Состав сырья, мольные доли.

В таблице 1 приведены исходные данные для процесса низкотемпературной сепарации.

Таблица 1 – Состав исходной смеси и технологические параметры процесса низкотемпературной сепарации

Номер варианта

Компоненты

Состав, мольн. доли

Молек. масса, мольн.доли

Плотность жидкости,

кг/м3

Технолог. параметры

давление,

Мпа

температура, оС

5

CO2

Азот

CH4

C2H6

C3H8

i-C4

C-4

i-C5

C-5

OST

0,0098

0,0279

0,8544

0,0266

0,0346

0,0107

0,0122

0,0033

0,0009

0,0196

106,0

721,3

P1=10,1

P2=9,7

P3=6,2

T1=33,0

T2=13,0

T3= -22,0

H2O

Метанол

0,0

0,0

Примечание: 1 687 649 – расход сырой эмульсии, т/год; или 4 623,696 т/д или 192,654 т/час.

В таблице 2 приведены технологические параметры, влияние которых нужно исследовать для процесса низкотемпературной сепарации.

Таблица 2 – Исследование влияния технологических параметров на процесс низкотемпературной сепарации

Номер варианта

Задание

5

Исследовать влияние давления во втором сепараторе:

Р1=7 Мпа; Р2=6 Мпа; Р3=9 Мпа

Порядок выполнения работы:

  1. Ознакомились с методикой расчета процесса однократного испарения.

  2. Ознакомились с информационно-моделирующей системой (ИМС) расчета процесса разделения многокомпонентной смеси в газовых сепараторах.

  3. Подготовили исходные данные для расчета и собрали технологическую схему низкотемпературной сепарации в программе DwSim v8.8.1. (Рисунок 3). Полученные результаты расчета компонентного состава потоков и процесса сепарации представлены в таблицах 3, 4.

Рисунок 3 – Модель сепарации: 1 – входной поток; V-1, V-2, V-3 – сепараторы; Cl-1, Cl-2 – холодильники; VALVE-1 – задвижка; 2, 7, 12 – выходной поток газовой фазы из соответствующего сепаратора; 3, 8, 13 – выходной поток жидкой фазы из соответствующего сепаратора; 5, 10, 11 – охлажденная газовая фаза; E1, E2 – тепловые потоки.

Таблица 3 – Результаты расчета компонентного состава потоков

Вещество

Номер сепаратора

1

2

3

P1 = 10,1 Мпа

Т1 = 33,0 0С

P2 = 9,7 Мпа

Т2 = 13,0 0С

P3 = 6,2 Мпа

Т3 = -22,0 0С

Ж

Г

Ж

Г

Ж

Г

В мольных процентах

CO2

0,0111

0,2276

0,3737

0,1872

0,1883

0,1872

Азот

0,0003

0,2492

0,0004

0,3179

0,3149

0,3179

CH4

0,0005

0,2487

0,0010

0,3170

0,3165

0,3170

C2H6

0,0007

0,2484

0,5203

0,1733

0,1756

0,1733

C3H8

0,1182

0,0137

0,0502

0,0036

0,0037

0,0036

i-C4

0,1224

0,0053

0,0226

0,0006

0,0006

0,0006

C4

0,1232

0,0038

0,0165

0,0003

0,0003

0,0003

i-C5

0,1243

0,0015

0,0067

0,0000

0,0000

0,0000

C5

0,1245

0,0011

0,0051

0,0000

0,0000

0,0000

OST (C6+)

0,1249

0,0003

0,0016

0,0000

0,0000

0,0000

H2O

0,1250

0,0001

0,0003

0,0000

0,0000

0,0000

Метанол

0,1249

0,0003

0,0014

0,0000

0,0000

0,0000

В килограммах в час

CO2

1347,0807

13820,2370

4908,1202

8912,1152

0,0000

8912,1152

Азот

19,5363

9634,9266

3,7337

9631,1948

0,0000

9631,1948

CH4

23,7840

5505,0464

4,8653

5500,1821

0,0000

5500,1821

C2H6

57,8321

10305,0810

4668,3391

5636,7398

0,0000

5636,7398

C3H8

14364,1270

832,8908

660,4695

172,4208

0,0000

172,4208

i-C4

19602,6250

428,4839

392,6889

35,7948

0,0000

35,7948

C4

19726,7620

304,3470

286,6301

17,7167

0,0000

17,7167

i-C5

24717,2970

147,9024

144,7196

3,1827

0,0000

3,1827

C5

24753,4260

111,7734

110,0313

1,7420

0,0000

1,7420

OST (C6+)

29658,3430

40,9474

40,7734

0,1740

0,0000

0,1740

H2O

6207,1954

1,5519

1,5510

0,0009

0,0000

0,0009

Метанол

11029,0360

13,8020

13,7571

0,0449

0,0000

0,0449

SUM

151507,0446

41146,9897

11235,6793

29911,3085

0,0000

29911,3085

Примечание: на входе в сепаратор суммарный расход = 192 654 кгчас. Ж – жидкая фаза, Г – газовая фаза

Таблица 4 – Результаты расчета сепарации

Потоки

Плотность, кгм3

Расход, кгч

газ

нефть

газ

нефть

вход

0,0

721,3

–

192 654,00

1 сепаратор

161,33

648,50

41 146,99

151 507,04

2 сепаратор

112,76

505,20

29 911,31

11 235,68

3 сепаратор

77,08

636,57

29 911,31

0,00

  1. Исследовали влияние давления во втором сепараторе на процесс сепарации при следующих условиях: Р1 = 7 МПа, Р2 = 6 МПа, Р3 = 9 МПа. Полученные результаты расчета компонентного состава потоков и процесса сепарации при различных условиях представлены в таблицах 5 – 10.

Таблица 5 – Компонентный состав потоков

Вещество

Номер сепаратора

1

2

3

P1 = 10,1 Мпа

Т1 = 33,0 0С

P2 = 7 Мпа

Т2 = 13,0 0С

P3 = 6,2 Мпа

Т3 = - 22,0 0С

Ж

Г

Ж

Г

Ж

Г

В мольных процентах

CO2

0,0111

0,2276

0,3158

0,2193

0,2839

0,2164

Азот

0,0003

0,2492

0,0003

0,2727

0,0907

0,2808

CH4

0,0005

0,2487

0,0006

0,2720

0,1713

0,2765

C2H6

0,0007

0,2484

0,4890

0,2257

0,4066

0,2176

C3H8

0,1182

0,0137

0,0773

0,0077

0,0292

0,0067

i-C4

0,1224

0,0053

0,0454

0,0016

0,0099

0,0012

C4

0,1232

0,0038

0,0353

0,0008

0,0058

0,0006

i-C5

0,1243

0,0015

0,0159

0,0001

0,0014

0,0001

C5

0,1245

0,0011

0,0123

0,0001

0,0010

0,0000

OST (C6+)

0,1249

0,0003

0,0039

0,0000

0,0001

0,0000

H2O

0,1250

0,0001

0,0007

0,0000

0,0000

0,0000

Метанол

0,1249

0,0003

0,0036

0,0000

0,0001

0,0000

В килограммах в час

CO2

1347,0807

13820,2370

1648,2481

12171,9710

677,9903

11493,9940

Азот

19,5363

9634,9266

0,9183

9634,0415

137,8653

9496,1525

CH4

23,7840

5505,0464

1,1971

5503,8682

149,1302

5354,7305

C2H6

57,8321

10305,0810

1743,4732

8561,5734

663,5007

7898,0981

C3H8

14364,1270

832,8908

403,9723

428,9051

69,8457

359,0638

i-C4

19602,6250

428,4839

312,5901

115,8828

31,2048

84,6802

C4

19726,7620

304,3470

243,2019

61,1364

18,3201

42,8176

i-C5

24717,2970

147,9024

135,7552

12,1422

5,6183

6,5243

C5

24753,4260

111,7734

105,0083

6,7613

3,8912

2,8704

OST (C6+)

29658,3430

40,9474

40,2476

0,6984

0,5201

0,1783

H2O

6207,1954

1,5519

1,5483

0,0035

0,0004

0,0031

Метанол

11029,0360

13,8020

13,6209

0,1806

0,1021

0,0785

SUM

151507,0446

41146,9897

4649,7813

36497,1643

1757,9892

34739,1914

Таблица 6 – Результаты эксперимента

Потоки

Плотность, кгм3

Расход, кгч

газ

нефть

газ

нефть

вход

0,00

721,30

0,00

192 654,00

1 сепаратор

161,33

648,50

41 146,99

151 507,04

2 сепаратор

85,14

497,97

36 497,16

4 649,78

3 сепаратор

76,89

613,25

34 739,19

1 757,99

Таблица 7 – Компонентный состав потоков

Вещество

Номер сепаратора

1

2

3

P1 = 10,1 Мпа

Т1 = 33,0 0С

P2 = 6 Мпа

Т2 = 13,0 0С

P3 = 6,2 Мпа

Т3 = - 22,0 0С

Ж

Г

Ж

Г

Ж

Г

В мольных процентах

CO2

0,0111

0,2276

0,2782

0,2253

0,4309

0,1361

Азот

0,0003

0,2492

0,0002

0,2604

0,0007

0,3731

CH4

0,0005

0,2487

0,0005

0,2598

0,0018

0,3718

C2H6

0,0007

0,2484

0,4448

0,2396

0,5203

0,1177

C3H8

0,1182

0,0137

0,0887

0,0103

0,0313

0,0012

i-C4

0,1224

0,0053

0,0654

0,0027

0,0086

0,0001

C4

0,1232

0,0038

0,0548

0,0015

0,0049

0,0000

i-C5

0,1243

0,0015

0,0285

0,0003

0,0009

0,0000

C5

0,1245

0,0011

0,0227

0,0002

0,0005

0,0000

OST (C6+)

0,1249

0,0003

0,0077

0,0000

0,0000

0,0000

H2O

0,1250

0,0001

0,0015

0,0000

0,0000

0,0000

Метанол

0,1249

0,0003

0,0071

0,0000

0,0000

0,0000

В килограммах в час

CO2

1347,0807

13820,2370

722,9721

13097,2580

7582,0364

5515,2203

Азот

19,5363

9634,9266

0,3744

9634,5759

7,8360

9626,7406

CH4

23,7840

5505,0464

0,4881

5504,5718

11,7119

5492,8603

C2H6

57,8321

10305,0810

789,8751

9515,1859

6255,7707

3259,4145

C3H8

14364,1270

832,8908

231,0644

601,8152

551,8253

49,9898

i-C4

19602,6250

428,4839

224,3991

204,0729

198,7600

5,3130

C4

19726,7620

304,3470

188,2492

116,0877

114,1886

1,8991

i-C5

24717,2970

147,9024

121,2845

26,6113

26,4809

0,1303

C5

24753,4260

111,7734

96,5222

15,2459

15,1974

0,0485

OST (C6+)

29658,3430

40,9474

39,2735

1,6717

1,6706

0,0011

H2O

6207,1954

1,5519

1,5432

0,0086

0,0086

0,0000

Метанол

11029,0360

13,8020

13,3664

0,4348

0,4347

0,0002

SUM

151507,0446

41146,9897

2429,4121

38717,5397

14765,9211

23951,6176

Таблица 8 – Результаты эксперимента

Потоки

Плотность, кгм3

Расход, кгч

газ

нефть

газ

нефть

вход

0,00

721,30

0,00

192 654,00

1 сепаратор

161,33

648,50

41 146,99

151 507,04

2 сепаратор

73,93

501,97

38 717,54

2 429,41

3 сепаратор

76,69

613,29

23 951,61

14 765,92

Таблица 9 – Компонентный состав потоков

Вещество

Номер сепаратора

1

2

3

P1 = 10,1 Мпа

Т1 = 33,0 0С

P2 = 9 Мпа

Т2 = 13,0 0С

P1 = 6,2 Мпа

Т1 = - 22,0 0С

Ж

Г

Ж

Г

Ж

Г

В мольных процентах

CO2

0,0111

0,2276

0,3635

0,1963

0,4590

0,1333

Азот

0,0003

0,2492

0,0004

0,3065

0,0008

0,3798

CH4

0,0005

0,2487

0,0009

0,3057

0,0020

0,3785

C2H6

0,0007

0,2484

0,5186

0,1862

0,5135

0,1077

C3H8

0,1182

0,0137

0,0547

0,0042

0,0191

0,0007

i-C4

0,1224

0,0053

0,0256

0,0007

0,0034

0,0000

C4

0,1232

0,0038

0,0188

0,0003

0,0017

0,0000

i-C5

0,1243

0,0015

0,0077

0,0001

0,0003

0,0000

C5

0,1245

0,0011

0,0059

0,0000

0,0001

0,0000

OST (C6+)

0,1249

0,0003

0,0018

0,0000

0,0000

0,0000

H2O

0,1250

0,0001

0,0003

0,0000

0,0000

0,0000

Метанол

0,1249

0,0003

0,0017

0,0000

0,0000

0,0000

В килограммах в час

CO2

1347,0807

13820,2370

4127,7946

9692,4383

4386,4569

5305,9578

Азот

19,5363

9634,9266

2,8876

9632,0440

4,6381104

9627,4233

CH4

23,7840

5505,0464

3,7632

5501,2860

7,0228066

5494,2731

C2H6

57,8321

10305,0810

4023,2155

6281,8599

3352,857

2928,9829

C3H8

14364,1270

832,8908

622,6804

210,2091

183,03678

27,1710

i-C4

19602,6250

428,4839

383,3016

45,1815

43,315061

1,8661

C4

19726,7620

304,3470

281,8205

22,5259

21,942358

0,5834

i-C5

24717,2970

147,9024

143,8121

4,0899

4,0584934

0,0314

C5

24753,4260

111,7734

109,5307

2,2424

2,2313373

0,0111

OST (C6+)

29658,3430

40,9474

40,7227

0,2247

0,2244509

0,0002

H2O

6207,1954

1,5519

1,5507

0,0011

1,12E-03

0,0000

Метанол

11029,0360

13,8020

13,7440

0,0580

5,79E-02

0,0000

SUM

151507,0446

41146,9897

9754,8236

31392,1608

8005,8423

23386,3003

Таблица 10 – Результаты эксперимента

Потоки

Плотность, кгм3

Расход, кгч

газ

нефть

газ

нефть

вход

0,00

721,30

0,00

192 654,00

1 сепаратор

161,33

648,50

41 146,99

151 507,04

2 сепаратор

105,85

502,45

31 392,16

9 754,82

3 сепаратор

77,05

629,46

23 386,30

8 005,84

  1. На основании полученных результатов расчета компонентного состава потоков и процесса сепарации в зависимости от условий на сепараторе №2 были построены графики 5 – 12.

Рисунок 4 – Изменение расходов газового и жидкого потоков на выходе в зависимости от условий на сепараторе №2

Рисунок 5 – Мольная доля метана (СН4) в газовом потоке на выходе в зависимости от условий в сепараторе №2

Рисунок 6 – Мольная доля метана (СН4) в жидком потоке на выходе в зависимости от условий в сепараторе №2

Рисунок 7 – Мольная доля н-пентана (С5Н12) в газовом потоке на выходе в зависимости от условий сепаратора №2

Рисунок 8 – Диаграмма мольного состава газового потока на выходе в зависимости от условий сепаратора №2

Рисунок 9 – Диаграмма мольного состава жидкого потока на выходе в зависимости от условий сепаратора №2

Рисунок 10 – Изменение плотности газового потока на выходе в зависимости от условий в сепараторе №2

Рисунок 11 – Изменение давления на выходе в зависимости от условий в сепараторе №2

Рисунок 12 – Изменение температуры на выходе в зависимости от условий сепаратора №2

Вывод: в ходе лабораторной работы ознакомились с методикой расчета процесса однократного испарения. Практически освоили методику процесса низкотемпературной сепарации, которая необходима для подготовки газа перед подачей в магистральные трубопроводы. Так как низкотемпературная сепарация – это самый легкий и распространенный вариант обработки пластового газа, поскольку этот метод прост в эксплуатации и в обслуживании оборудования.

На основании построенных графиков можно сделать следующие выводы:

  1. С увеличением давления в сепараторе №2 расход газового потока на выходе уменьшается, при этом расход жидкого потока, наоборот, увеличивается (рисунок 4). Это объясняется тем, что при понижении давления фазовое равновесие сместилось в сторону жидкого потока. Следовательно, чем больше давление, тем средняя молекулярная масса газа становится меньше, так как более тяжелые компоненты уходят в жидкость, и они конденсируются. Если конденсируются тяжелые компоненты, то лёгких становится меньше и расход газа уменьшается, а так как тяжелых становится больше расход жидкости, наоборот, увеличивается.

  2. Мольная доля метана в газовом потоке на выходе из сепаратора №2 с увеличением давления уменьшается (рисунок 5).

  3. Мольная доля метана в жидком потоке на выходе из сепаратора №2 с увеличением давления увеличивается (рисунок 6).

  4. Мольная доля н-пентана в газовом потоке на выходе из сепаратора №2 с увеличением давления уменьшается (рисунок 7).

  5. С увеличением давления в сепараторе №2 мольные доли в газовом потоке на выходе легких компонентов уменьшаются: метана, этана, пропана, СО2, за исключением азота; а тяжелых компонентов увеличиваются: и-бутана, н-бутана, пропана, гексана, Н2О, метанола (Рисунок 8). Что объясняется фазовым равновесием в потоках на каждой ступени сепарации.

  6. В жидкой фазе мольные доли метана, этана, СО2, Н2О и азота увеличиваются, а пропана, и-бутана, н-бутана, пентана и метанола уменьшаются (Рисунок 9).

  7. Плотность газового потока на выходе из сепаратора №2 с увеличением давления увеличивается (рисунок 10). Чем больше давление в сепараторе, тем больше плотность газа, а значит, меньше скорость всплытия пузырьков газа в нефти и падения капелек нефти в потоке газа. И, следовательно, плотность жидкого потока, находящегося в равновесии со своим паром, уменьшается вследствие расширения жидкости при нагревании.

  8. При увеличении давления в сепараторе №2 наблюдается увеличение давления на выходе сепаратора (рисунок 11).

  9. При увеличении давления в сепараторе №2 температура на выходе увеличивается (рисунок 12). Поскольку при увеличении давления увеличивается температура насыщенного пара, а при кипении давление в пузырьках равно давлению насыщенного пара, поэтому температура кипения возрастает с увеличением давления.

Соседние файлы в предмете Математическое моделирование химико-технологических процессов