|
ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Качан Олексій Володимирович
УДК 662.767:66.074.31
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РЕГЕНЕРАЦІЇ
ДІЕТІЛЕНГЛІКОЛЮ ПРИ СУШІННІ ПРИРОДНОГО ГАЗУ
05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання
Автореферат
диссертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Макіївка - 2001
Диссертацєю є рукопис.
Робота виконана у Донбаській державній академії будівництва і архітектури на кафедрі "Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція" Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Губар Валентин Федорович,
Донбаська державна академія
будівництва і архітектури,
завідувач кафедри "Теплотехніка,
теплогазопостачання та вентиляція".
Офіційні опоненти: доктор технічних наук
Шелудченко Володимир Ілліч,
ВАТ "Донецькоблгаз", голова правління
кандидат технічних наук
Ткаченко Володимир Аркадійович,
доцент кафедри теплогазопостачання та вентиляції
Київського національного університету
будівництва і архітектури
Провідна установа: Харківська державна академія міського
господарства, кафедра експлуатації газових і
теплових мереж, Міністерство освіти
і науки України
Захист дисертації відбудеться 26 квітня 2001 р. в 1300 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший учбовий корпус, зал засідань).
З диссертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонДАБА.
Автореферат розіслано 24 березня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Основним енергоносієм України є природний газ. Його доля в паливному балансі країни досягає 50 % .
Сушіння газу від води у вигляді пари або рідини після витягу його із свердловин і підземних сховищ є необхідним заходом. Транспортування неосушеного газу на 10-20 % знижує пропускну спроможність газотранспортних систем; призводять до утворення конденсату водяної пари, кристаллогідратів і крижаних пробок у газопроводі; створює додаткові витрати потужності на перекачування газу; збільшує знос запиральної арматури й обладнання, робочих коліс нагнітачів; посилює корозію металу; перешкоджує автоматизації; ускладнює заводську переробку газу; підвищує трудовитрати.
Широке розповсюдження одержали абсорбційні методи зневоджування, а серед абсорбентів - діетіленгліколь (ДЕГ), витрата якого складає 10-40 г/м3 осушуваного газу. Щоб забезпечити глибоке сушіння газу до температури точки роси - 25…-70°С, концентрація ДЕГ повинна бути в межах 98,0-99,9 %мас.
Річна потреба в ДЕГ газової промисловості СНД, якщо його не регенерувати, могла б досягти 2 млн. тон. Вартість 1т ДЕГ дорівнює 700 у.о., тому його регенерація економічно доцільна. До того ж ДЕГ токсичний, не розкладається в стічних водах. Отже, регенерація необхідна і за екологічним розумінням.
Регенерація абсорбентів у даний час проводиться в громіздких колонних десорберах висотою 20-30 м, діаметром 4 м і масою більш 15 т. Ці десорбери інерційні, потребують великих капітальних витрат і значної кількості теплоти на підтримку робочих температур процесу. Діяпазон їхньої ефективної роботи має вузькі межі, тому відхилення режимів експлуатації від проектних ступінь регенерації знижується і концентрація ДЕГ стає нижче необхідної.
Альтернативою колонним десорберам повинен бути менш металоенергоємний масообмінний агрегат з активним контактом фаз і посиленою турбулізацією потоків. Тому використання для регенерації діетіленгліколю відцентрового апарата з обертовим ротором, що створює розвинену, постійно обновлюючу поверхню контакту для масопередачі між гліколем і віддувочним газом, що забезпечує високу ефективність процесу при одночасному зниженні температури десорбції і зменшенні інерційності установки, є актуальною науково-технічною задачею.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до: програми № 31.88.90 "Науково-дослідні та проектні роботи щодо створення роторного апарата БРМС-30 для газових родовищ Крайньої Півночі" (1988-1990), теми № 92.90.91 ПО Укргазпром "Розробка і дослідження експериментальної установки регенерації ДЕГ із роторними десорберами в промислових умовах виробністю 2 м3/год" (1990-1992), науково-дослідної роботи "Виконати роботи щодо підготування і дослідження експериментально-промислового зразка блочно-модульного роторного сепаратора Q=30 млн.м3/доб (БМРС) у системі очищення газу на ДКС-4 газового промислу "Ведміж'є" (1992-1994), виконаних у інституті ПівденНДІдіпрогаз і держбюджетної науково-дослідної теми № К-2-4-96 ДонДАБА "Розробка засобів підвищення енергетичної й екологічної ефективності теплотехнічних пристроїв із використанням енергоощадних технологій" (1996-2000).
Метою роботи є інтенсифікація і підвищення ефективності регенерації діетіленгліколю при сушінні природного газу за рахунок проведення процесу в роторному відцентровому апараті (РВА), що забезпечує розвинену постійно відновлювану поверхню масопередачі й активну взаємодію фаз.
Задачі дослідження:
- оцінити придатність РВА для високоефективної регенерації ДЕГ;
- вивчити вплив технологічних параметрів процесу і конструкційних розмірів РВА на ефективність регенерації;
- розробити математичну модель регенерації діетіленгліколю в РВА на засадах ймовірнісного метода моделювання масообмінних процесів;
- розробити програму розрахунку на ЕОМ технологічних, конструкційних і економічних параметрів разом з вибором оптимального режиму десорбції;
- визначити режимний діапазон ефективної роботи РВА на засадах лабораторних досліджень і промислових випробувань його масообмінної спроможності при регенерації діетіленгліколю;
- розробити параметричний ряд РВА відповідно до продуктивності установок сушіння природного газу.
Об'єкт дослідження – процес регенерації ДЕГ, який використовується при сушінні природного газу.
Предмет дослідження – підвищення ефективності регенерації ДЕГ за рахунок проведення процесу в роторному відцентровому апараті.
Методи дослідження – літературний аналіз; математичне моделювання на ЕОМ; методи парної та множинної кореляції; ймовірнісна оцінка окремих подій та процесів уцілому; статистичні методи планування і обробки даних; лабораторні та опитно-промислові випробування.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
- розроблене науково обгрунтоване технічне рішення по інтенсифікації і підвищенню ефективності регенерації діетіленгліколю, що базується на здійсненні процесу в роторному відцентровому апараті, що забезпечує створення розвиненої поверхні контакту, яка постійно відновлюється для масопередачі між діетіленгліколем і віддувочним газом, а також зниження температури десорбції при одночасному зменшенні інерційності і металоємності установки;
- теоретично сформульовано і розкрито механізм регенерації ДЕГ у РВА шляхом поділення процесу на три послідовних умовно-залежних події, які описують утворення необхідної поверхні ДЕГ у вигляді крапель і плівок, що змочують насадку для їхньої зустрічі і контакту з віддувочним газом; дифузію молекул води з глибини рідинних утворень до поверхні поділу фаз; перехід молекул води через міжфазну межу і насичення водяною парою віддувочного газу;
- розроблена математична модель регенерації ДЕГ на засадах ймовірнісного методу моделювання, що дозволяє одночасно враховувати гідродинамічну, кінетичну і рівноважну складові процесу масопередачі;
- встановлені аналітичні залежності для розрахунку: необхідної поверхні контакту ДЕГ з віддувочним (поглинальним) газом при використанні дротової насадки; кількості масообмінних зон в абсорбційному просторі РВА; розміру і кількості крапель, а також товщини плівки ДЕГ у зонах;
- методом імітації на ЕОМ вивчено вплив на процес регенерації і його ефективність 25 факторів, які визначаються із теоретичного аналізу. По результам обробки даних експерименту після відсіву менш значних факторів, встановлено, що більш за все впливають (при довірчій ймовірності 0,95) в умовах експлуатації лише три: температура процесу, питома витрата віддувочного газу та частота обертання ротора, а при проектуванні додаються ще діаметр насадочного дроту, радіус і ширина ротора;
- установлені граничні значення параметрів, що визначають ефективну працездатність роторного десорбера, якими є швидкість обертання ротора в межах 400-1500 об/хв і відношення кількості обертів ротора до питомої витрати віддувочного газу w /(Lг/Gд) > 2 хв-1, при якому не виникає захлинання апарата.
Практичне значення отриманих результатів:
- розроблена і випробувана дослідно-промислова установка регенерації ДЕГ продуктивністю 2 м3/год на Шебелинському ГКР (Харківська обл.); досягнута концентрація ДЕГ 99,5 %мас.;
- на основі оптимізації технологічних і конструкційних показників роботи РВА розраховано параметричний ряд апаратів для регенерації ДЕГ виробністю 1-20 м3/год з кінцевими концентраціями 99,5 - 99,9 %мас;
- розроблена програма розрахунку на ЕОМ оптимальних режимів роботи РВА з використанням у якості віддувочних газів різноманітної природи;
- економічний ефект від упровадження роторних десорберів на установках регенерації тільки двох підземних сховищ газу в Україні склав 117 тис.крб. у цінах 1989 року.
Особистий внесок здобувача. Наукові результати, що наведені в роботі, отримані автором самостійно. Його особистий внесок включає:
- розробку механізму і технології процесу регенерації ДЕГ у РВА;
- розробку методик лабораторних і дослідно-промислових іспитів, їх проведення й обробку результатів;
- розробку математичної моделі регенерації на основі ймовірнісного методу моделювання масообмінних процесів;
- створення програми розрахунку на ЕОМ оптимальних режимів роботи РВА;
- розробку параметричного ряду РВА.
Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались і обгово-рювались на: Всесоюзній науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів "Машини й установки для здобичі і транспорту нафти, газу і газового конденсату" (м. Суми, 1988); VIII Всесоюзній науково-технічній конференції "Створення компресорних машин і установок, що забезпечують інтенсивний розвиток галузей паливно-енергетичного комплексу" (м. Суми, 1989); III Всесоюзному науково-технічному семінарі "Застосування апаратів "мокрого" типу для очищення газів, твердих і газоподібних шкідливих домішок" (м. Москва, ВДНГ СРСР, 1989); VIII Всесоюзній конференції "Двофазний потік в енергетичних машинах і апаратах" (м. Санкт-Петербург, 1990); Міжнародній науково-технічній конференції "Екологія промислового району" (м. Донецьк, 1995); наукових конференціях ДонДАБА (м. Макіївка, 1998, 1999).
Установка регенерації ДЕГ у РВА експонувалася на ВДНГ СРСР у павільйоні "Газова промисловість" (м. Москва, 1991), де автора було нагороджено срібною медаллю.
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 7 статтях науково-технічних видань і 4 працях науково-технічних конференцій. У працях, які виконані в співавторстві, здобувачу належить наукова постановка задачі, основні ідеї її розв'язання, аналіз отриманих результатів.
Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 167 найменувань на 14 сторінках і 9 додатків на 39 сторінках. Загальний обсяг роботи - 207 сторінок, з яких 139 сторінок основного тексту, 10 рисунків і 5 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, виділено особистий внесок автора роботи, наведені відомості про апробацію досліджень і публікації.
В першому розділі проаналізовано стан питання і наукові досягнення щодо забезпечення ефективної експлуатації газотранспортних систем, схем абсорбційного сушіння вуглеводних газів і регенерації діетіленгліколю, методів розрахунку масо-обмінних апаратів у нафтогазовій галузі (А.Л. Халиф, В.М. Рамм, Т.М. Бекиров, І.І. Капцов, В.Ф. Губар, В.І. Шелудченко, В.А. Ткаченко, Н.В. Жданова й ін.).
В даний час для сушіння природного газу серед багатьох абсорбентів широко застосовуються гліколі, особливо ДЕГ. Пояснюється це його високою гігроскопічністю, стійкістю до нагрівання і хімічного розкладання, низьким тиском пари і порівняно невисокою вартістю.
Регенерація ДЕГ здійснюється різними засобами: при атмосферному тиску; із застосуванням віддувочного газу; під вакуумом; з азеотропним компонентом; зворотним осмосом. Вони реалізуються головним чином в тарілчастих і насадочних десорберах колонного типу. Ці колони великогабаритні, металоємні, інерційні, як при запуску, так і при зупинці, потребують великих трудовитрат при обслуговуванні та ремонті. Такі апарати дозволяють одержати регенерований ДЕГ з концентрацією не більш 99 % мас., що не завжди задовольняє вимогам сушіння газу. Температури, при яких регенерується ДЕГ, близькі до початку його термічного розкладання (164 °С). Але навіть при таких температурах не досягається необхідний рівень регенерації.
У зв'язку з викладеним, з'явилася необхідність у нових апаратах, де інтенсивна регенерація досягається шляхом використання віддувочного газу. Таким апаратам надається перевага багатьма вченими, у тому числі В.І. Юзефовичем, Г.С. Плужніковим, В.А. Клюсовим та ін. Десорбцію пропонується інтенсифікувати за рахунок пристроїв з розвиненою поверхнєю контакту фаз і зміни гідродинаміки потоків газу і рідини.
Серед багатьох розвивається напрямок по використанню роторних відцентрових апаратів (РВА), у яких поверхня контакту створюється на елементах, які обертаються. Проте, відомі моделі і методи розрахунку масообмінних апаратів (Рамм В.М., Кафаров В.В.) не придатні для описування регенерації діетіленгліколю в РВА, тому що масообмінна поверхня динамічно змінюється в об'ємі ротора. Аналіз показав, що для таких апаратів немає методики розрахунку масообмінної дротової насадки, не досліджені питання дифузії молекул води із рідинних утворень ДЕГ і насичення віддувочного газу водяною парою.
В другому розділі визначено об'єкт дослідження, обгрунтована структурна схема, запропоновано підхід методом "чорної скриньки" щодо лабораторних експериментів. Концептуальним рішенням щодо підвищення ефективності регенерації діетіленгліколю, який використовується для сушіння природного газу, прийнято роторний відцентровий апарат (рис. 1).
По гідромеханічним характеристикам РВА - насадочний апарат, тому що сітка виконує роль насадки, по якій ДЕГ рухається у вигляді тонкої плівки. Одночасно РВА відноситься до апаратів ударно-розпилювальної дії, де масообмінна поверхня доповнюється дробінням рідини на краплі при їхньому зіткненні з дротиками сітки.
Масообмінна спроможність РВА досліджувалася на лабораторній установці (рис.2) із застосуванням повітря у якості віддувочного газу.
Програма і методика експериментів передбачали дослідження РВА в режимах без подачі, з подачею віддувочного газу, а також із його рециркуляцією у широкому діяпазоні зміни керуючих параметрів при використанні сучасних методів їх вимірювання і контролю роботи установки.
Режим регенерації без віддувочного газу досліджувався при температурах 120-155 °С та частоті обертання ротора 350, 800 і 1000 об/хв. Витрата ДЕГ складала 3 л/год при початковій концентрації 97-97,25 %мас.
Рис.1. Роторний відцентровий апарат
Рис.2. Принципова схема лабораторної установки.
1-РВА; 2-термостат; 3-насос-дозатор; 4-посудина регенерованого ДЕГ; 5-посудина для охолодження парогазової суміші; 6-посудина збору конденсату; 7-газодувка; 8-ротаметр; 9-підігрівач віддувочного газу; 10-електроконтактний термометр; I - X -місця відбору проб на аналіз і контролю параметрів процесу.
У експериментах з подачею віддувочного газу температура усередині апарату змінювалась від 40 до 155 °С. Витрата ДЕГ і частота обертання ротору залишалися такими ж. Початкова концентрація ДЕГ дорівнювала 94,85-97 %мас., а питома витрата віддувочного газу регулювалася в межах 60-210 м3г /м3д .
Експерименти з рециркуляцією віддувочного газу здійснювалися при таких же параметрах.
У третьому розділі наведено результати досліджень РВА на лабораторному стенді.
Ефективність процесу без віддувочного газу складала 6,7-28,6 %, а концентрація ДЕГ збільшилась до 97,92 %мас. Таке невелике (0,2-0,67 %мас) підвищення масової долі ДЕГ відбувалося лише за рахунок випарювання води при нагріванні розчину. Подальше зростання температури і частоти обертання не призводили до збільшення концентрації.
У експериментах з подачею віддувочного газу в об'ємі 210 м3г/м3д при температурах процесу менше 100°С концентрація ДЕГ була 97-98 %мас. При витратах віддувочного газу менше 70 м3г/м3д і температурах 140 °С концентрація не перевищувала 99 %мас. Концентрація ДЕГ 99,5 % і вище досягалася при температурах 130-150°С і питомих витратах газу 150-210 м3г /м3д .
На рис. 3 і 4 наведені залежності впливу питомої витрати газу і температури процесу на концентрацію регенерованого ДЕГ.
Рис.3. Залежність концентрації ДЕГ від Рис. 4. Залежність концентрації ДЕГ від
питомої витрати віддувочного газу температури
1- t = 120 °C; 1- Lг / Gд=70 м3г /м3д ;
2- t = 140 °C; 2- Lг / Gд=117 м3г /м3д ;
3- t = 150 °C. 3- Lг / Gд=210 м3г /м3д.
У результаті математичної обробки експериментальних даних були отримані рівняння залежностей концентрації регенерованого ДЕГ від:
- питомої витрати віддувочного газу:
 , % мас. , при t = 140 °С.
- температури процесу:
 , % мас. , при Lг/Gд=210 м3г /м3д
Для першого рівняння кореляційне відношення дорівнює R=0,9, а середньо-квадратичне відхилення d =0,37 %. Для другого - R=0,95 і d =0,66 %.
В умовах газового промислу в якості віддувочного може застосовуватися висушений природний газ. Це знизить питому витрату віддувочного газу за рахунок більшої поглинальної спроможності і виключить зниження рН розчину.
Експерименти з рециркуляцією показали, що в однакових умовах проведення експериментів кінцева концентрація ДЕГ при рециркуляції була на 0,2-0,5 %мас. вища, ніж без неї. Пояснюється це невеликим вакуумом (4000-5500 Па) в апараті, а також збільшенням відносної швидкості руху газу і рідини, що прискорює процес масообміну в РВА. Рециркуляція сприяє зменшенню витрати віддувочного газу і зниженню надходження шкідливих речовин у навколишнє середовище.
Четвертий розділ присвячен аналізу процесів, що відбуваються в роторному апараті при здійсненні регенерації ДЕГ.
Механізм процесу регенерації поділено на три послідовні елементарні події. Перша - це зустріч (контакт) крапель і плівок ДЕГ з віддувочним газом (rк); друга - дифузія молекул води з глибини цих рідинних утворень до поверхні поділу фаз (rд.ж.); третя - поглинання води віддувочним газом до насичення його водяною парою (rн).
Рух ДЕГ усередині насадки має послідовно повторювальний характер - "від відриву до відриву" або "від зіткнення до зіткнення". Тому вся насадка вздовж радіусу умовно розділена на кілька зон. Їхня кількість визначається кількістю зіткнень окремо вийнятої краплі з дротиками при її переміщенні по всій товщині насадки.
Загальна ефективність регенерації визначається за формулою:
 (1)
де Nз - кількість зон, на які теоретично розділяється масообмінна насадка; Эі - ефективність регенерації в i-ій зоні. Вона, з огляду на умовну залежність трьох послідовних несумісних подій, виражається через добуток їхніх ймовірностей:
 , (2)
де  - відповідно контактна, дифузійна і поглинальна складові (ймовірності), долі.
Ймовірнісна блок-схема ефективності процесу для однієї зони наведена на рис. 5.
| 
