МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВО «КНИТУ»)
Кафедра Машин и аппаратов химических производств
Дисциплина Машины и аппараты химических производств
Тема курсового проекта Ректификационная установка для разделения смеси этанол--вода (колонна)
Курсовой проект
Руководитель проекта А.С. Поникаров
Студент Р.Э. Каюмова
Нормоконтролер А.С. Поникаров
Казань 2020
Содержание
Введение
1. Описание основного оборудования
2. Технологический расчет
2.1 Исходные данные
2.2 Материальный баланс
2.3 Определение размеров аппарата
2.4 Гидравлический расчет
3. Механический расчет
3.1 Выбор конструкционных материалов
3.2 Определение толщина стенки корпуса
3.3 Определение толщины стенки эллиптических днищ
3.4 Выбор штуцеров
3.5 Расчет укрепления отверстий в аппарате
4. Безопасность жизнедеятельности
4.1 Основные опасные факторы производства
4.2 Мероприятия, обеспечивающие снижение уровня опасности производства
4.3 Взрывопожароопасные и токсические свойства сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства
Список литературы
Введение
После прорыва воды в составе скважинной продукции появляется третья несмешивающаяся фаза - вода. Поддержание пластового давления при разработке месторождения с помощью заводнения неизбежно приводит к повышению концентрации воды в скважинной продукции. При достижении определённого критического уровня обводнённости дальнейшая эксплуатация месторождения становится нерентабельной. Поэтому правильная конфигурация системы транспортировки, очистки и закачки воды позволяет увеличить время разработки месторождения, а соответственно и более полно извлечь нефть. Увеличение расстояния между скважинами и системой подготовки нефти неизбежно приводит к необходимости строительства установок по предварительному разделению фаз на пути от куста скважин к установке подготовки нефти.
Установка предварительного сброса воды располагается в интервале от куста скважин до ЦПС и позволяет увеличить пропускную способность уже существующей системы нефтесбора. Таким образом, задача разделения трёх фаз неизбежно возникает в процессе разработки месторождения. Данную операцию можно осуществить последовательно в двух сепараторах (нефть/газ и нефть/вода) или же использовать один трёхфазный сепаратор.
1. Описание основного оборудования
Трёхфазные сепараторы, позволяют разделить три несмешивающихся фазы (газ/нефть/вода) на составляющие компоненты. Модель процесса, происходящего в данном оборудовании представлена на рис. 1.1.
Рисунок 1.1 - Модель сепарации в системе нефть/газ/вода
Самое большое различие между процессами двух и трёхфазной сепарации аключается в образовании дисперсной зоны между слоями нефти и воды. Данная зона состоит из очень маленьких капелек одной фазы, диспергированной в другой фазе; она не является чисто нефтяной или же водной, а занимает промежуточной положение между ними (Цилиндр 1). Дисперсная зона является нестабильной и в течение определённого времени за счёт процессов коалесценции происходит постепенный переход диспергированных капелек жидкости в непрерывную фазу (Цилиндр 2). За счёт этого происходит частичное «размывание» дисперсной зоны, что, в конечном счете, приводит к полному разделению фаз в системе нефть-вода (Цилиндр 3). Таким образом, дисперсная зона играет роль «переправы» между двумя несмешивающимися жидкостями: осаждающиеся капли воды переходят в водную фазу, а капли нефти поднимаются через слой воды в нефтяную фазу. Пузырьки газа, находящиеся как в нефтяной, так и в водной фазах, поднимаются вверх.
Таким образом, пузырёк газа, поднимаясь из жидкой фазы с большей плотностью, должен последовательно преодолеть зону воды, дисперсную зону и слой нефти.
Таким образом, в процессе трёхфазной сепарации одновременно должны
осуществляться четыре процесса:
* Пузырьки газа поднимаются в слое воды и нефти
* Капли воды осаждаются в слое нефти
* Капли нефти поднимаются в слое воды
* В дисперсной зоне происходит коалесценция капель дисперсной фазы с соответствующей непрерывной зоной.
И только через достаточно долгий период времени (цилиндр 3) происходит практически полное разделение фаз и система приходит в состояние термодинамического равновесия. Следует подчеркнуть, что присутствие дисперсной зоны приводит к значительному увеличению сложности расчёта размера оборудования. Во многих случаях использование времён удерживания нефти и газа в сепараторе позволяет значительно упростить данные расчёты, хотя принципиально возможно описание системы с помощью вычисления скоростей осаждения/всплытия капелек дисперсной фазы в непрерывной фазе.
Рисунок 1.2 - Принцип работы трехфазного сепаратора
На рисунке 1.2 представлено принципиальное устройство и технологические особенности работы трёхфазного сепаратора, в частности, показано, что на входе в сепаратор происходит постепенное разделение смеси на газовую и дисперсную зону, которая затем постепенно размывается.
На данном рисунке показано, что скважинная продукция поступает в емкость сепаратора и ударяется о входную перегородку, что приводит к резкому снижению импульса потока. Первичное разделение жидкости и газа происходит именно на данной перегородке; также как и в случае двухфазной сепарации, после прохождения многофазной смеси через входную перегородку, капли жидкости будут уноситься потоком газа в составе жидкой фазы, а пузырьки газа - всплывать из жидкости. В большинстве случаев в конструкции входной перегородки предусмотрена установка переточной трубы, которая подаёт двухфазную смесь нефть-вода ниже уровня раздела фаз газ-нефть.
Внутрикорпусные устройства активно используются для повышения эффективности работы сепараторов.
Коалесцирующие устройства - это специальные устройства, которые помещают в сепаратор для увеличения диаметра частиц дисперсной фазы, в результате чего увеличивается скорость их осаждения. Таким образом, с помощью данных устройств можно уменьшить размеры сепаратора. Коалесцирующее устройство может представлять собой набивочный материал пластинчатого типа с поперечным потоком или набивку матричного типа.
Переливные перегородки. Как уже было упомянуто ранее, отличительной особенностью процесса трёхфазной сепарации является образование дисперсной зоны между слоями нефти и воды. Конструкция выходной перегородки имеет принципиальное значение для точного разделения фаз, при этом жидкость из дисперсной зоны не должна попасть в выходные патрубки сепаратора. Поэтому для контроля межфазного уровня необходимо измерить разницу плотностей нефти и воды. Наличие эмульсий может препятствовать такому измерению. Уровни нефти или воды можно измерить плавающими датчиками уровня, которые сочетают простоту конструкционного решения и надежность в процессе эксплуатации.
Рассмотрим основные типы переливных перегородок, которые используются в конструкции трёхфазного сепаратора.
Простая переливная перегородка. Переливная перегородка является простой по конструкции и относительно недорогой. Она позволяет легко различать водную и нефтяную фазы в течение относительно короткого периода времени. Однако при этом необходимо обеспечить точный контроль межфазного уровня, а наличие отсека сбора нефти сокращает объем части сепаратора, предназначенной для сепарации.
Емкость и переливная перегородка. В данной конструкции нефть и межфазные уровни фиксируются соответственно перегородками для нефти и воды. В связи с этим используются только плавающие датчики уровня. В данном примере отсек сбора воды сокращает объем части сепаратора, предназначенный для сепарации.
Емкость и вертикальная труба: альтернативная конструкция предусматривает откачку нефти и воды с помощью насосов по вертикальным трубам вверх аппарата. Регуляторы уровня нефти и воды используются для контроля за включением/отключением насоса. [1]
2. Технологический расчет
2.1 Исходные данные
Газовый фактор Г = 80 м3/м3
Расход нефти QН = 3000 м3/сут
Обводненность нефти x = 21,1 % (масс.)
Таблица 2.1 Компонентный состав газа.
|
Компонент |
Масс.% |
М, г/моль |
|
|
С4Н10 |
25 |
58 |
|
|
i-С4Н10 |
5 |
58 |
|
|
С2Н16 |
30 |
30 |
|
|
С3Н18 |
25 |
44 |
|
|
СН4 |
15 |
16 |
2.2 Материальный баланс
Расчет проведем по методике, описанной в [2].
Сепарация 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.
Qсырья = Qнефти + Qводы + Qгаза;
По условию задан газовый фактор равный 80 м3/м3 , примем расход газа равным величине газового фактора, таким образом, расход газа равен 80 м3/сутки. Рассчитаем Qводы из отношения
,
где w - начальная обводненность нефти, % масс.
,
Решаем данное уравнение, зная из условия, что начальная обводненность равна 21,1 % масс., а расход нефти равен 3000 м3/сутки.
Получаем, что
Qв = 283, 593 м3/сутки
Таким образом,
Qсырья =80+283,593+3000 =3363,593 м3/сутки
2.3 Определение размеров аппарата
Основной целью технологического расчета является определение диаметра и высоты сепаратора. Тип сепаратора, был задан первоначально, таким образом, необходимо определите размеры трёхфазного сепаратора для разделения смеси нефти, газа и воды.
Для проведения расчётов необходимо перевести все величины в стандартную систему измерений (СИ).
,
,
Для того чтобы рассчитать расход газа в условиях сепарации, необходимо учесть сжимаемость газа. С помощью уравнения состояния идеального газа рассчитаем плотности газа при стандартных условиях и в условиях сепарации.
,
,
где - плотность, кг/м3;
P - давление в сепараторе, Па;
M - молекулярная масса, г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;
T - температура в сепараторе, K;
z - коэффициент (фактор) сжимаемости газа.
Для того чтобы рассчитать плотность газа необходимо знать его молекулярную массу и коэффициент сжимаемости газа, для этого необходим состав газа.
Рассчитываем молекулярную массу смеси газов по формуле (11)
,
,
Рассчитаем плотность газа при стандартных условиях:
,
Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации рассчитываем z для каждого компонента смеси газа.
Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:
,
где- приведенные температура и давление, соответственно.
Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К, используют выражение для расчета приведенной температуры:
,
Приведенной давление (Па) рассчитывается по уравнению Льюиса:
,
где Мr - средняя молекулярная масса;
К - константа, которая равна 6,3 - 6,4.
Рассчитываем плотность каждого газа. Для расчета плотности смеси газов используем принцип аддитивности:
где см - плотность смеси газов, кг/м3;
i - плотность i-го компонента, кг/м3;
yi - объемная доля i-го компонента в смеси.
Таким образом, плотность газа в условиях сепарации составит:
,
Для того чтобы вычислить расход газа в условиях сепарации необходимо расход газа при стандартных условиях умножить на плотность газа при стандартных условиях и поделить на плотность газа в условиях сепарации.
,
,
Производительность сепаратора по газу, как и в случае двухфазного сепаратора, определяется максимальной скоростью газа, при которой капли нефти успеют осесть в газовой среде.
Данную скорость можно вычислить на основании уравнения Саудер-Брауна.
,
Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при горизонтальной ориентации сепаратора и наличии лопастного каплеотбойника принимают равным 0,12 м/с.
,
Таким образом, зная скорость и расход газа, мы можем посчитать минимальную площадь сечения, необходимую для газовой фазы.
,
,
Вычислим скорость осаждения капли воды в слое нефти. Зададим дополнительное условие на размер капель воды в слое нефти, которые должны быть больше, чем 500 нм (обводнённость нефти после сепарации должна быть не более 10 %).
,
где dp - диаметр капли воды, м;
сd - плотность дисперсной фазы, кг/м3;
сс - плотность непрерывной фазы, кг/м3 ;
мс - вязкость нефти, Па*с;
л - поправочный коэффициент;
,
Тогда скорость осаждения капли воды в слое нефти равна: