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:

·

· 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:

·

- 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;

·

· 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 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.

Насичений водою ДЕГ Регенерований ДЕГ

Э

1-Э

Рис. 5. Ймовірнісна блок-схема ефективності регенерації ДЕГ у РВА

Ймовірностні події у виразі (2) подані в аналітичній формі через параметри, які їх характеризують. Ймовірність контакту в кожній зоні описується за формулою:

, (3)

де - ймовірності контакту газу з краплями і плівкою в i-ій зоні. Тут:

, (4)

де nсл.з - кількість прошарків дроту в одній зоні, шт.; - площі міделєвих перетинів крапель і поперечного перетину i-ої зони насадки, м2.

Слід зазначити, що розмір крапель і плівок у межах однієї i-ої зони однакові, а по зонах вони різні. Межа зони по радіусу знаходиться там, де досягається суцільне перекриття перетину ротора дротом, який покладено рядами. Кількість прошарків у всій насадці визначалася, виходячи з величини зазору між дротиками по колу.

Друга складова в рівнянні (3) розраховується аналогічно першій через площі міделєвого перетину плівки ДЕГ і перетину ротора в i-ій зоні.

Ймовірність дифузії молекул води до межі контакту в i-ій зоні, з огляду на рівнобіжність і незалежність подій, визначається формулою:

, (5)

де - ймовірності дифузії води у краплях і плівках i-ої зони до межі контакту фаз.

Ці ймовірності описано у вигляді відношень кількості ДЕГ, із якого молекули води встигли дифундувати на поверхню розділу фаз, до загальної кількості ДЕГ у вигляді крапель і плівки. Вони подані формулами:

і , (6)

де і - кількості ДЕГ, що знаходяться в i-ій зоні у вигляді крапель і плівки, м3; і - такі ж кількості ДЕГ, із яких молекули води не встигли вийти до межі фаз, м3.

Насичення віддувочного газу парою води є останньою визначальною подією. Чинник насичення впливає на витрати ДЕГ і віддувочного газу, розміри РВА, його опір і температурний режим.

Ступінь максимально можливого насичення газу описується за формулою:

, (7)

де - ймовірність (ступінь) насичення газу в i-ій зоні. Вона визначається відповідно виразу:

, (8)

де - ступінь насичення віддувочного газу в одному прошарку дроту i-ої зони.

Ймовірність насичення газу водяною парою в одному прошарку насадки i-ої зони при пошаровому урахуванні визначиться за формулою:

, (9)

де і - фактична і необхідна поверхні масопередачі в i-ій зоні, м2.

Після аналізу ймовірностей здійснення елементарних подій (3), (5) і (8) визначалася ефективність процесу в i-ій зоні (2), а потім і загальна (1). Необхідна ефективність описується за рівнянням:

, (10)

де хд.р і хд.н -концентрації води в регенерованому і насиченому ДЕГ, мас.долі, що задаються вихідними даними.

Математична модель процесу регенерації ДЕГ у РВА являє собою систему рівнянь (1), (3), (5) і (8).

Для забезпечення припустимого гідравлічного опору виконано гідравлічний розрахунок РВА по газовій фазі.

За економічною відзнакою варіанти розрахунку на ЕОМ порівнювалися значеннями приведених витрат на регенерацію 1 м3 ДЕГ.

У п'ятому розділі описано алгоритм і програму розрахунку на ЕОМ процесу регенерації ДЕГ у РВА.

На підставі математичної моделі розроблена програма "REGEN" на мові TURBOBASIC. Вона дозволяє визначати ефективність регенерації в заданих умовах роботи РВА і розраховувати оптимальні параметри при необхідній ефективності.

Порівняння експериментальних даних за ефективностю регенерації при подачі віддувочного газу з розрахунками на ЕОМ за програмою "REGEN" показує, що розрахунковий критерій Фішера більше табличного (Fp=2,21 > Fт =2,1) при довірчій ймовірності 95 %. Відхилення розрахованих на ЕОМ ефективностей регенерації від експериментальних значень не перевищують 15 %, а середнє відхилення за усіма експериментам дорівнює 4,78 %. Такі результати підтверджують адекватність математичної моделі реальним умовам.

Досліджено 25 параметрів, які характеризують властивості ДЕГ, віддувочного газу і РВА та впливають на роботу апарата й ефективність процесу регенерації. Результати обробки даних експерименту показали, що в умовах експлуатації керованими і найбільш значимими є лише три: температура процесу, питома витрата віддувочного газу і частота обертання ротора. При проектуванні додаються діаметр дроту насадки, радіус ротора і його ширина.

Ефективність регенерації починає зростати при температурах процесу 70-80 але потрібних значень вона досягає лише в діяпазоні 110-140°С. При температурах вище 150 °С концентрація ДЕГ підвищується незначно і крива наближається до 100% кількісті ДЕГ у розчині. Найбільш переважна температура процесу знаходиться в межах 110-140 °С.

Віддувочний газ у процесі регенерації зменшує парціальний тиск водяної пари і сприяє переходу води з рідинної фази в парову. Вплив витрати віддувочного газу виявився значимим у кожному з розглянутих елементарних подій, що відбуваються в РВА. Необхідна ефективність досягається при питомих витратах газу 60-150 м3г /м3д . При більш низьких температурах процесу потрібна більша витрата і навпаки. Так, при 80 °С необхідна ефективність може бути досягнута при витратах газу 160-200 м3г /м3д , а при 130 °С буде потрібно усього 80-100 м3г/м3д. Проте, при зниженні питомої витрати газу менше 30 м3г/м3д навіть при температурах 150°С не забезпечується необхідна ефективність. Таке підтверджується і лабораторними експериментами.

Частота обертання ротора впливає на відрив крапель від насадки, визначає їхній розмір, швидкість і траєкторію руху, а також поверхню контакту ДЕГ з віддувочним газом, але не робить помітного впливу на ефективність. Так, при збільшенні частоти від 400 до 3000 об/хв вона підвищується усього на 1-1,5 %.

Діаметр дроту насадки і радіус ротора відносять до тих характеристик РВА, що не можуть змінюватися в ході процесу. Від них залежить об'єм насадки, можлива поверхня масопередачі і розміри РВА. Діаметр дроту в межах 0,3-0,4 мм є найбільш прийнятним для одержання максимальної ефективності процесу. Зі збільшенням радіуса ротора ефективність регенерації зростає, але зростають і витрати. Для досягнення необхідної концентрації з витратою ДЕГ 2 м3/год радіус повинен бути в межах 0,3-0,4 м.

Ширина ротора залежить від необхідної продуктивності апарата.

Розв'язання задачі оптимізації параметрів процесу регенерації зводилося до визначення мінімуму критерія оптимальності - приведених витрат Zпр, грн/м3, із безлічі ефективних сполучень значень впливаючих параметрів (t, °C; Lг/Gд, м3г/м3д, w, об/хв; Rр.н м; dпр, м; Gд, м3/г; хд.н, %мас.). Оптимальні рішення виконано з вико-ристанням математичного програмування за допомогою методу випадкових чисел.

При спільному розгляданні кривих Zпр=f ( t ) і Э=f ( t ) (рис. 6) очевидно, що при температурах 110-140 °С ефективність досягає значень Этр. При подальшому зростанні температури ефективність майже не збільшується, а витрати зростають, тобто процес стає економічно невигідним.

Рис. 6. Залежність приведених витрат і ефективності від температури

1- Zпр при Lг/Gд=100 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

2- Zпр при Lг/Gд=150 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

3- Zпр при Lг/Gд=200 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

4- Zпр при Lг/Gд=100 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

5- Zпр при Lг/Gд=150 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

6- Zпр при Lг/Gд=200 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

7- Э при Lг/Gд=100 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

8- Э при Lг/Gд=150 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

9- Э при Lг/Gд=200 м3г /м3д і Rр.н=0,3м

10- Э при Lг/Gд=100 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

11- Э при Lг/Gд=150 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

12- Э при Lг/Gд=200 м3г /м3д і Rр.н=0,4м

На рис.7 наведені залежності приведених витрат і ефективності від питомої витрати віддувочного газу Zпр= f (Lг/Gд) і Э= f (Lг/Gд) для фіксованих температур і радіусів ротора 0,3 і 0,4 м.

При зростанні питомої витрати газу відбувається зростання і Zпр і Э. При Lг/Gд=130-200 м3г /м3д ефективність досягає необхідних значень, а при подальшому зростанні Lг/Gд майже не збільшується і навіть починає знижуватися. Це пояснюється збільшенням швидкості газу в РВА і зменшенням часу контакту ДЕГ з віддувочным газом.

Перетин кривих Э з горизонталлю Этр визначає точку, що на осі Lг/Gд відповідає мінімальній витраті віддувочного газу, а на осі Zпр визначаються значення мінімальних приведених витрат.

Частота обертання ротора в досліджуваному діяпазоні 400-3000 об/хв не робить помітного впливу на ефективність. Мінімальна частота обертання ротора повинна забезпечити швидкість руху ДЕГ по насадці, при котрій краплі і плівка переборюють опір газового потоку без гальмування або підвисання. Шляхом розрахунків і за даними експериментів встановлено мінімальне відношення w /(Lг/Gд )=2 хв-1, при якому не виникає захлинання РВА. Максимальне значення w обмежується конструкційними вимогами до апарату і гідравлічним опором. Тому частота обертання ротора обмежується значеннями 400-1500 об/хв.

Рис.7. Залежність приведених витрат

і ефективності від питомої витрати

віддувочного газу

1- Zпр при t=120 °С і Rр.н=0,3 м

2- Zпр при t=130 °С і Rр.н=0,3 м

3- Zпр при t=140 °С і Rр.н=0,3 м

4- Zпр при t=120 °С і Rр.н=0,4 м

5- Zпр при t=130 °С і Rр.н=0,4 м

6- Zпр при t=140 °С і Rр.н=0,4 м

7- Э при t=120 °С і Rр.н=0,3 м

8- Э при t=130 °С і Rр.н=0,3 м

9- Э при t=140 °С і Rр.н=0,3 м

10- Э при t=120 °С і Rр.н=0,4 м

11- Э при t=130 °С і Rр.н=0,4 м

12- Э при t=140 °С і Rр.н=0,4 м

У результаті досліджень і аналізу встановлено, що діяпазони конструкційних і технологічних параметрів, що забезпечують одержання необхідної ефективності регенерації при мінімальних витратах, наступні: Rр. н= 0,3-0,5 м ; dпр= 0,3-0,4 мм ; t = 110-140 °С ; Lг /Gд = 130-200 м3г/м3д ; w =400-1500 об/хв.

У шостому розділі наведені результати дослідно-промислових випробування регенерації ДЕГ продуктивністю 2 м3/г в умовах Шебелинського газоконденсатного родовища. Випробування були спрямовані на підтвердження високої ефективності процесу, уточнення технологічних параметрів роботи апарата і допоміжного обладнання, удосконалювання схеми установки, а також на розробку технічних умов для промислової серії апаратів.

В умовах промислу самий значимий вплив на ступінь регенерації також робили температури ДЕГ і об'ємна витрата віддувочного газу, роль якого виконували продукти згоряння природного газу.

Здійснення процесу при низьких початкових концентраціях ДЕГ (57,7-75,0 %мас), температурах ДЕГ 120 °С і віддувочного газу 350-400 °С призводило до значного збільшення концентрації (до 80-89 %мас). Ряд експериментів був проведений при подачі ДЕГ, нагрітого у вогневому підігрівачі до температури 130-140 °C, а віддувочний газ подавався зі зниженою до 200-250 °C температурою. У цих випадках досягалася концентрація ДЕГ до 90 %мас., що свідчить про можливість зниження температури віддувочного газу і підтверджує відповідність дослідно-промислових випробувань і лабораторних експериментів.

Підвищена питома витрата віддувочного газу (200-400 м3г/м3д) і низькі вихідні концентрації пояснюють значне збільшення (на 17-26 %) концентрації регене-рованого ДЕГ, на відміну від лабораторних експериментів - (2,5-4 %мас.).

Випробування показали, що концентрацію регенерованого ДЕГ, рівну 99 % при початковій 57,7 %, можна досягти усього за три цикли регенерації (кількість проходжень ДЕГ через РВА): 57,7 и 81-84 и 91-94 и 98-99 %мас. Таке значне зростання концентрації підтверджує високу інтенсивність процесу.

Проведено порівняння РВА з колонними десорберами. При збільшенні концентрації ДЕГ із 57,7 до 84 %мас., РВА по масообмінній спроможності еквівалентний тарілчастій колонні з числом робочих тарілок від 16 до 46 шт. Окрім високої ефективності, РВА забезпечує швидку стабілізацію процесу з виходом на необхідний режим. Відзначено економічну і технологічну доцільність використання РВА для регенерації ДЕГ.

Математична модель і програма розрахунку процесу на ЕОМ разом з вибором оптимального варіанту дозволили розробити параметричний ряд РВА для різних об'ємних витрат ДЕГ при його початковій концентрації 97 і кінцевій 99,9 %.

Параметричний ряд, який потрібний для проектування нових і модернізації існуючих установок регенерації ДЕГ у системах сушіння природного газу, надано в таблиці.

Таблиця

Параметричний ряд РВА для регенерації діетіленгліколю

Найменування параметрів Один. вимірю-вання Типорозміри РВА з продуктивностю, м3/г

РВА 1.0 РВА 2.0 РВА 5.0 РВА 10.0 РВА 20.0

Температура процесу °С 110 114 114 117 129

Питома витрата газу м3г/м3д 133 142 166 184 151

Частота обертання об/хв 510 639 622 1204 1367

Діаметр ротора м 0,66 0,7 0,99 0,96 1,0

Ширина ротора м 0,18 0,25 0.40 0,56 0,70

Товщина насадки м 0,18 0,202 0,344 0,332 0,357

Діаметр дроту мм 0,3 0,31 0.39 0,33 0,38

Діаметр корпуса РВА м 0,76 0,8 1,1 1,06 1,10

Опір РВА Па 292 424 691 2132 2865

У випадку зміни вихідних даних виконується перерозрахунок РВА за програмою "REGEN" з одержанням відповідного техніко-економічного паспорта процесу.

З А Г А Л Ь Н І В И С Н О В К И

1. Теоретично обгрунтовано й експериментально доведено, що для підвищення ефективності регенерації діетіленгліколю при сушінні природного газу доцільно застосовувати роторні відцентрові апарати, які створюють розвинену і постійно відновлювану поверхню масопередачі і активну взаємодію фаз.

2. Механізм регенерації ДЕГ у РВА подано, як принципово нову математичну модель, що створена на основі ймовірнісного методу й описано як добуток трьох послідовних умовно-залежних подій. Перша з них визначає поверхню контакту фаз, що масообмінюються, друга - дифузію молекул води з крапель і плівок ДЕГ до межі фаз, третя - кінетику насичення віддувочного газу водяною парою.

3. Запропоновано методику розрахунку поверхні контакту віддувочного газу з ДЕГ, що розподіляється в об'ємі насадці у вигляді крапель і плівок, які рухаються уздовж радіуса ротора під дією відцентрових сил по складній траєкторії, подібної спіралі Архімеда.

4. Створено програму "REGEN", що дозволяє визначати на ЕОМ оптимальні конструкційні розміри апарата на стадії проектування (радіус ротора, його ширину і діаметр дроту насадки) і технологічні параметри поточного процесу (температуру, питому витрату віддувочного газу і частоту обертання ротора), що забезпечують необхідну ефективність регенерації при мінімальних витратах.

5. Ефективна робота роторного десорбера можлива при швидкостях обертання ротора в межах 400-1500 об/хв і відношеннях числа обертів ротора до питомої витрати віддувочного газу w /(Lг/Gд) >2 хв -1, коли не виникає захлинання апарата.

6. Промислові іспити установки на Шебелинському газоконденсатному родовищі показали її технологічність при низьких енергетичних витратах, підтвердили можливість глибокої регенерації ДЕГ до концентрацій 99,5 % і вище (на 0,5-1 % більше, ніж у колонних десорберах), що дозволяє сушити природний газ до низьких температур (- 30 °С) точок роси. Економічний ефект від упровадження роторних десорберів на установках регенерації тільки двох підземних сховищах газу України складе 117 тис.крб. в цінах 1989 року.

7. Розроблено параметричний ряд РВА продуктивністю від 1 до 20 м3/г, який забезпечує вихідну концентрацію ДЕГ на рівні 99,9 %мас.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Капитонов Р.В., Качан А.В., Настека В.И. Гидравлические характеристики нетрадиционных завихрителей // Газовая промышленность.- 1988.- №2.- С.28-30.

2. Губар В.Ф., Качан О.В. Використання роторних відцентрових аппаратів для очищення газів та повітря. // Вісник ДонДАБА. Вип. 99-1 (15), - Макіївка: 1999.- С. 85-88.

3. Губарь В.Ф., Качан А.В., Регенерация диэтиленгликоля в роторном центробежном аппарате // Науч.-техн. сборник "Коммунальное хозяйство городов". Вып. 20, ч.I.- К.: Техника, 1999. С. 121-125.

4. Качан А.В. Математическая модель регенерации диэтиленгликоля в роторном центробежном аппарате // Вестник ДонГАСА. Вып. 2000-3 (23).- Макеевка, 2000.- С. 130-134.

5. Губарь В.Ф., Качан А.В.,Разработка параметрического ряда в роторных центробежных аппаратов для регенерации диэтиленгликоля // Науч.-техн. сборник "Коммунальное хозяйство городов". Вып. 25.- К.: Техника, 2000. С. 161-164.

6. Захаров В.И., Асеева Н.Т., Качан А.В. Контроль за режимом работы отопительных котельных с целью рационального расходования газа //Реф.ж. Строительство и архитектура.- М., 1983. Деп. в ВИНИТИ. Сер. 53, вып. 12, №4355.

7. Капитонов Р.В., Качан А.В., Кузнецова Н.П. Анализ работы оборудования для очистки раствора диэтаноламина на Оренбургском ГКМ //Подготовка, переработка и использование газа. Экспресс-информация.- М., ВНИИЭгазпром , 1987.-№9.- С.5-6.

8. Качан А.В., Ляшенко И.Н., Климов К.И. Разработка роторного центробеж-ного аппарата для регенерации гликолей // Труды Всес. конф. "Машины и установки для добычи и транспорта нефти, газа и газового конденсата".- Сумы, 1988.- С.41.

9. Климов К.И., Качан А.В. Очистка газов и воздуха в роторном центробежном аппарате // Труды Всес. науч.-техн. семинара "Применение аппаратов "мокрого типа" для очистки отходящих газов от твёрдых и газообразных вредных примесей"- М.: Цинтихимнефтемаш, 1988.- С.38-39.

10. Климов К.И., Качан А.В. Роторные центробежные аппараты для процессов сепарации и массопередачи // Труды VIII Всес. конф. "Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса"- Сумы: Цинтихимнефтемаш.- 1989.-Ч.I.- С.166.

11. Кравченко В.А., Климов К.И., Мамистов В.В., Качан А.В. Интенсификация процессов массопередачи с помощью центробежных аппаратов // Труды VIII Всес. конф. "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах"- Ленинград: НПО ЦКТИ.- 1990.- Т.III.- С.302-303.

АННОТАЦИЯ

Качан А.В. Повышение эффективности регенерации диэтиленгликоля при осушке природного газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2001.

Диссертация посвящена экспериментально-теоретическому обоснованию интенсификации и повышению эффективности регенерации диэтиленгликоля в роторном центробежном аппарате (РЦА) с подачей отдувочного газа.

Надёжное функционирование газотранспортных систем зависит от подготовки газа, в том числе и от качества его осушки. Глубина осушки определяется совершенством технологических схем и эффективностью аппаратов. Установлено, что работающие в настоящее время колонные десорберы не всегда позволяют получить концентрацию ДЭГ на уровне 99,5-99,9 % масс. Кроме того, они громоздки, металлоёмки, требуют больших затрат теплоты, инерционны. Перспек-тивным направлением повышения эффективности регенерации ДЭГ является использование устройств и аппаратов, создающих условия для интенсивного массообмена.

Интенсифицировать процесс регенерации диэтиленгликоля предложено в роторных центробежных аппаратах (РЦА), которые создают развитую и постоянно обновляющуюся поверхность массопередачи и активное взаимодействие фаз.

Разработана программа и методика исследований на экспериментальном стенде по методу "чёрного ящика". Проведены эксперименты на различных режимах и установлены диапазоны основных управляющих параметров.

Теоретически сформулирован и раскрыт механизм регенерации ДЭГ в РЦА путём разделения процесса на три последовательных условно-зависимых события, описывающих: образование необходимой поверхности ДЭГ в виде капель и смачивающих насадку пленок для их встречи и контакта с отдувочным газом; диффузию молекул воды из глубины жидкостных образований к поверхности раздела фаз; переход водяных паров через межфазную границу и насыщение ими отдувочного газа.

Обоснован выбор метода моделирования процесса регенерации ДЭГ в РЦА. За основу принят вероятностный метод. Математическая модель процесса создана на основе вероятностного объединения трёх событий, позволяющих одновременно учитывать гидродинамическую, кинетическую и равновесную составляющие процесса массопередачи.

Разработаны алгоритм и программа "REGEN", позволяющая определять эффективность регенерации в заданных условиях работы РЦА и рассчитывать оптимальные параметры при требуемой эффективности. По результатам расчёта выдаётся технико-экономический паспорт процесса регенерации ДЭГ в РЦА.

Исследовано влияние 25 параметров на эффективность регенерации в РЦА. Из них выбраны 5 наиболее влияющих. Результаты обработки данных отсеивающего эксперимента показали, что в условиях эксплуатации управляемыми и наиболее значимыми являются лишь три: температура процесса, удельный расход отдувочного газа и частота вращения ротора. При проектировании добавляются диаметр проволоки насадки, радиус ротора и его ширина.

Осуществлён выбор критерия оптимизации и найдены оптимальные пределы параметров процесса. Решение задачи оптимизации сводилось к нахождению мини-мума критерия оптимальности – приведенных затрат Zпр. Получены диапазоны конструкционных и технологических параметров, обеспечивающих требуемую эффективность регенерации при минимальных затратах,

Определены критерии и граничные значения работоспособности роторных десорберов. Устойчивость работы обеспечивается при скоростях вращения ротора 400-1500 об/мин, а захлёбывание аппарата исключается при отношениях числа оборотов к удельному расходу отдувочного газа более 2 мин-1.

Создана и испытана опыгно-промышленная установка производительностью 2м3/ч в условиях Шебелинского ГКМ. Показана высокая технологичность аппарата при низких энергетических затратах, получены концентрации ДЭГ 99,5- 99,9 %. Обосновано преимущество РЦА при сравнении с колонными десорберами.