Математическое моделирование процессов отделения воды и метанола при промысловой подготовке газового конденсата

управления АКТ. Усовершенствование алгоритма заключается в автоматической стабилизации необходимого профиля распределения температуры в реторте аппарата путем изменения загрузки сырья в аппарат. Алгоритм управления будет реализован на современных программно-технических средствах, с программной реализацией на высокоуровневом объектно-ориентированном языке

программирования. Модель может быть также использована для исследования других объектов управления в радиохимической технологии проти-воточных и прямоточных аппаратов с газовыми и дисперсными потоками (например, пламенных реакторов для получения ГФУ, противоточных аппаратов для переработки не прореагировавшего в реакторах фторирования продукта и т. д.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006. - 396 с.

2. Андреев Г.Г., Пермяков О.Е. Химическая кинетика гетерогенных некаталитических процессов в технологии ядерного топлива. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - 83 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - 10-е изд., стереотипное, доработанное. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.

4. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. - М.: Высшая школа, 1991.-400 с.

5. Методы моделирования каталитических процессов на аналоговых и цифровых вычислительных машинах / Под ред. А. Ермаковой. - Новосибирск: Наука, 1972. - 150 с.

6. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Л.: Химия, 1968. - 510 с.

7. Вержбицкий В.М. Численные методы. - М.: Высшая школа, 2001.- 382 с.

Поступила 07.12.2006 г.

УДК 665.12.001.57

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛЕНИЯ ВОДЫ И МЕТАНОЛА ПРИ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКЕ ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

A.B. Кравцов, Н.В. Ушева, O.E. Мойзес, Е.А. Кузьменко

Томский политехнический университет E-mail: moe@tpu.ru

Разработан модуль расчета процессов отделения воды и метанола от газового конденсата. С применением разработанной технологической системы исследовано влияние технологических параметров на процессы отделения воды и метанола. Рекомендованы режимы работы разделителей жидкости, при которых происходит наиболее эффективное отделение водометанольного раствора от нестабильного конденсата.

При добыче и подготовке газового конденсата к транспорту предусматривают подачу в систему метанола повышенной концентрации. При смешивании углеводородного конденсата с водным раствором метанола, образуется смесь, которую необходимо разделить. Нечеткость разделения водомета-нольной и углеводородной фаз приводит к значительным потерям метанола с нестабильным конденсатом и товарным газом.

Эти и многие другие проблемы достаточно эффективно позволяет решить применение методов математического моделирования и использование компьютерных моделирующих систем (МС).

На основе опыта создания моделирующих систем для различных технологий, нами разработаны математические модели [1-4] процессов промысловой подготовки нефти, газа и газового конденсата, на основе которых создана технологическая моделирующая система (ТМС) для расчета мате-

риальных балансов и оперативного анализа технологических режимов установки комплексной подготовки газа (УКПГ).

Основными блоками разработанной ТМС технологии комплексной подготовки газа и газового конденсата являются модули расчета процессов сепарации, каплеобразования, разделения жидкостей, дросселирования и теплообмена.

Константы фазового равновесия рассчитывались по методике, предложенной в работах [5, 6], в основе которой лежит известное уравнение Гофмана-Крам-па. Для расчета констант фазового равновесия метанола и воды было выбрано уравнение Тека-Стила [7].

Данная корреляция отличается повышенной точностью при расчете давлений паров полярных веществ и веществ с водородными связями при низких температурах. Уравнение Тека-Стила для расчета давления насыщенных паров химических веществ имеет следующий вид [7]:

Химия

1п Рур =А

( 1 ^

1,14893---ОД 1719-Г -

Т

Ч-0,03174-Г/'-0,375-ЫТг у

+(1,042ас - 0,46284Д) х

2^5,2691+2,0753-Л-ЗД738-А _ |

5,2691 + 2,0753 -Л-3,1738- к +0,040-

Т

V г

где

А--

АЯ.„

,1г = Т,.

1п Р

Т

Чг

т т

- приведённые температуры; Т„ Ть - критическая и нормальная температуры кипения компонента; Т- температура процесса; Рс - критическое давление; ДНл - теплота парообразования при нормальной температуре кипения; Я - газовая постоянная; ас находится по формуле (1) из условия Р„=1/Рси Т= ТЬг

Сравнение значений давлений насыщенных паров метанола и воды, рассчитанных по приведённой выше методике, и литературных данных, показало их удовлетворительную сходимость [8, 9].

Эффективность отделения метанольной воды в разделителях жидкости в значительной мере зависит от размеров капель, образующихся при движении материального потока по подводящим трубопроводам. Поэтому процессу осаждения метанольной воды в аппарате должен предшествовать этап каплеобразования дисперсной фазы. Каплеобразо-вание происходит в потоке при движении смеси по трубопроводу, в патрубках разделителей жидкости и емкостей. Размер образующихся капель учитывается при расчете процессов отстаивания [1,2], поэтому важно оценить влияние технологических условий подготовки газового конденсата на процессы каплеобразования и дальнейшего отделения метанольной воды.

Расчет процессов каплеобразования и отстаивания выполнен аналогично методикам, приведенным в работе [4], диаметр капель рассчитывался по формуле, предложенной в [10].

При моделировании процессов промысловой подготовки нефти, газа и газовых конденсатов значительную сложность представляет расчет процессов отделения воды и водометанольных растворов. В применяемых в настоящее время на практике МС, в основном, рассчитываются фазовые равновесия в системе: углеводороды-метанол-вода. В соответствии с физической сущностью, в разделителях жидкости рассматривается протекание двух процессов: отделение газа от жидкой фазы (сепарация) и отделение водометанольного раствора от конденсата в результате процессов отстаивания.

Таким образом, математическая модель разделителя жидкости включает в себя модель процесса сепарации и модель процесса отстаивания.

Разработанная нами технологическая моделирующая система, в основе которой лежат математические модели основных процессов подготовки газового конденсата, позволяет рассчитывать материальные балансы установки, составы продуктовых потоков с учетом расходов, содержания воды в сырьевом потоке, подачи метанола и ряда конструктивных особенностей аппаратов, таких как, объем аппарата, объем зоны отстаивания, высота водометанольного слоя и диаметр подводящего патрубка.

В целом, ТМС позволяет прогнозировать влияние термобарических условий, состава пластовой смеси, расходов и конструктивных особенностей аппаратов, применяемых в данной технологической схеме на процессы промысловой подготовки газового конденсата, в том числе, и процессы отделения водометанольных растворов.

С целью повышения эффективности работы УКПГ и качества получаемой товарной продукции необходимо подобрать оптимальные технологические режимы, обеспечивающие наилучшее отделение воды и метанола от нестабильного конденсата. С использованием ТМС были выполнены исследования влияния технологических параметров на процессы промысловой подготовки газовых конденсатов.

В технологической схеме (рис. 1) установки комплексной подготовки газового конденсата [3] для отделения воды и метанола предусмотрены разделители жидкости и емкости различного технологического назначения (табл. 1).

Стабильный конденсат

Рис. 1.

Принципиальная технологическая схема подготовки газа и газового конденсата: С1, С2, СЗ ~ сепараторы; БЭ ~ блок эжекторов; Т ~ теплообменник; Р1, Р2 ~ трехфазные разделители; Д ~ дегазатор; БЕ ~ блок сырьевых емкостей; К1, К2 ~ ректификационные колонны; П1,2 ~ печи; Е1 ~ емкость сбора сжиженного газа; Е2 ~ емкость орошения; ПБФ ~ пропан-бутано-вая фракция; МЭФ ~ метан-этановая фракция

Таблица 1. Технологические режимы работы разделителей жидкости и емкостей

Параметры Аппараты

Разделитель Р1 Разделитель Р2 Емкости БЕ

Время пребывания смеси в аппарате, ч 0,7 0,5 1,1

Диаметр входных патрубков аппарата, м 0,15 0,08 0,15

Температура, °С 19,0 3,0 22,5

Давление, МПа 3,8 3,2 2,4

Таблица 2. Исследование влияния технологических параметров на процессы отделения воды и метанола в разделителях жидкости Р1 и Р2

Параметры Варианты расчета

1 2 3 4 5 6

Р1 Р2 Р1 Р2 Р1 Р2 Р1 Р2 Р1 Р2 Р1 Р2

Температура, °С 18,9 3,0 10,0 3,0 18,9 15,0 10,0 15,0 18,9 3,0 18,9 15,0

Давление, МПа 3,8 3,2 3,8 3,2 3,8 2,6 3,5 2,6 3,8 3,2 3,8 2,6

Содержание метанольной воды, в жидкой фазе на входе в разделители, мае. % 2,54 1,61 2,54 3,18 2,54 3,08 2,54 3,19 2,47 3,11 2,46 3,10

Содержание метанола и воды в нестабильном конденсате из разделителей жидкости, кг/ч

Вода 16,4 8,7 17,2 8,1 16,4 6,6 17,5 6,6 17,6 5,7 17,7 4,3

Метанол 0,0 15,0 0,0 14,5 0,0 11,3 0,0 11,2 0,0 13,3 0,0 10,0

£ 16,4 23,7 17,2 22,6 16,4 17,9 17,5 17,8 17,6 19,0 17,7 14,3

Содержание метанольной воды, мае. % 0,11 0,20 0,11 0,19 0,11 0,16 0,12 0,16 0,11 0,17 0,11 0,14

Содержание метанола и воды в нестабильном конденсате, кг/ч

Вода 25,1 25,5 23,7 23,0 24,0 23,4

Метанол 15,0 14,5 12,6 11,3 11,2 13,3

£ 40,1 40,0 36,3 34,3 35,2 36,7

Содержание метанольной воды, мае. % 0,15 0,14 0,14 0,13 0,13 0,14

Содержание метанола и воды в товарном газе, кг/ч

Вода 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,4

Метанол 17,6 17,6 17,5 17,5 17,6 18,8

£ 18,0 18,0 17,9 18,0 18,1 19,2

На модели процесса каплеобразования нами были выполнены исследования влияния технологических параметров: давления, температуры и расхода смеси на формирование капель воды (во-дометанольного раствора) в углеводородном конденсате (рис. 2).

Расход, кг/час

Рис. 2. Зависимость диаметра капель метанольной воды от расхода потока

Исследования показали, что такие параметры, как температура и давление на значение диаметра капли оказывают достаточно слабое влияние.

Вместе с тем, как показали расчеты, на размер формирующейся капли значительное влияние оказывают диаметры подводящих трубопроводов и патрубков в разделителях жидкости, а также расход смеси. Выполнено исследование влияния расходов материальных потоков на размеры капель жидкости (рис. 2). Из расчетов следует, что, например, при изменении расхода в интервале 7,4...37,4 т/ч (Р1) диаметр капли уменьшился с 68 до 36 мкм, а в Р2 при изменении расхода с 2,7 до 32,7 т/ч диаметр капель уменьшился с 126 до 15 мкм.

С применением технологической моделирующей системы были проведены исследования процессов промысловой подготовки газового конденсата при различных технологических режимах работы УКПГ.

Как показали результаты расчетов, в товарный газ поступает 0,023 мае. %, метанольной воды, с нестабильным конденсатом отводится - 0,15 мае. %.

Результаты исследований влияния технологических параметров на процессы отделения воды и метанола на УКПГ приведены в табл. 2. Анализ полученных результатов показал, что снижению содержания метанольной воды в нестабильном конденсате способствует повышение температуры в Р2 при одновременном снижении давления. Уменьшению содержания воды и метанола в конденсате также способствует уменьшение температуры в первом сепараторе.

Результаты расчетов процессов отделения воды и метанола в емкостях на УКПГ и исследование влияния технологических параметров на показатели процесса приведены в табл. 3.

Таблица 3. Исследование влияния технологических параметров на процессы отделения воды и метанола в емкостях

Параметры Варианты расчета

1 2 3 4

Т= 10 °с Р=2,4 МПа 7=22,5 °С Р=2,4 МПа Г=30 °С Р=2,4 МПа 7=22,5 °С Р=2,4 МПа

Содержание на входе, кг/ч

Вода 25,1

Метанол 15,0

Обводненность, мае. % 0,15

Содержание на выходе, кг/ч

Вода 1,7 1,5 1,4 0,7

Метанол 1,0 0,9 0,9 0,4

Обводненность, мае. % 0,011 0,009 0,009 0,0043

Химия

Варьирование давления в интервале от 1,5 до 3,5 МПа приводит к незначительным изменениям в количестве отделяющейся водной фазы (табл. 3). Аналогичное влияние оказывает и температура при ее изменении от 3 до 30 °С. Остаточная обводненность конденсата изменяется от 0,009 до 0,011 мае. %.

Процессы отделения малых количеств воды и метанола протекают достаточно сложно. Как показали исследования, основное влияние оказывает время пребывания смеси в аппарате. Увеличение времени пребывания в два раза (т. е. подключение второй емкости, вариант 4, табл. 3) приводит к снижению остаточного содержания воды и метанола также примерно в два раза. То есть, в исследован-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кравцов A.B., Ушева Н.В., Мойзес O.E., Рейзлин В.И., Кузь-менко Е.А. Информационно-моделирующая система технологии первичной подготовки нефти // Химическая промышленность. - 1999. - № 7. - С. 50-54.

2. Иванов В.Г., Маслов A.C., Кравцов A.B., Ушева Н.В., Гавриков A.A. Повышение эффективности технологии промысловой подготовки газового конденсата // Газовая промышленность. - 2003. - № 7. - С. 54-57.

3. Кравцов A.B., Ушева Н.В., КнязевА.С., Шкроботько О.В. Моделирование процессов теплообмена при промысловой подготовке газа и газового конденсата на Северо-Васюганском месторождении // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 5. - С. 101-104.

4. Ушева Н.В., Кравцов A.B., Мойзес O.E., Кузьменко Е.А. Моделирование технологии промысловой подготовки нефти // Известия Томского политехнического университета. - 2005. -Т. 308. - № 4. - С. 127-131.

ном интервале варьирования температуры и давления наблюдается хорошее отделение водомета-нольного раствора от нестабильного конденсата. Следовательно, при эффективной работе емкости (БЕ) на УСК может поступать конденсат, содержащий прмерно 0,01 мае. % воды и метанола, что не должно оказывать значительного влияния на технологические режимы работы установки.

Таким образом, моделирование процессов промысловой подготовки газовых конденсатов с применением ТМС позволяет оценить оптимальные технологические режимы работы установки и определить количество воды и метанола во всех потоках промышленной установки.

5. Шилов В.И., Клочков A.A., Ярышев Г.М. Расчет констант фазового равновесия компонентов природных нефтегазовых смесей // Нефтяное хозяйство. - 1987. - № 1. - С. 50-55.

6. Шилов В.И., Крикунов В.В. Прогнозирование фазового состояния природных нефтегазовых систем // Нефтяное хозяйство. - 2002. - № 8. - С. 102-103.

7. Рид P.C., Праусниц Д.М., Шервуд Т.К. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982, - 592 с.

8. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. - М.: Недра, 1985. - 232 с.

9. Гуревич Г.Р, Брусиловский А.И. Справочное пособие по расчёту фазового состояния и свойств газоконденсатных смесей. -М.: Недра, 1984.-264 с.

10. Гусейнов Ч.С., Асатурян А.Ш. Определение модального размера капель в двухфазном потоке //Прикладнаяхимия. - 1977. -№ 4. - С. 848-853.

Поступила 07.12.2006 г.