авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Разработка научных основ повышения эффективности технологий и способов защиты окружающей среды при переработке сероводородсодержащих газов и сернистых нефтей

-- [ Страница 4 ] --

За время одного опыта (5 - 6 мин) концентрация формальдегида изменяется незначительно из-за его избытка (по сравнению со стехиометрическим количеством), поэтому в уравнении (2) можно принять А=А0, где А0 - началь­ная концентрация формальдегида. Тог­да решение уравнения (2) можно записать в явном виде:

,

где .

Следовательно, изменение во вре­мени количества Q поглощенного из газовой фазы сероводорода определя­ется формулой:

.

Таким образом, получаем

.

Экспериментально обоснован механизм взаимодействия сероводорода с формальдегидом, предложен новый класс катализаторов реакции – третичные амины. Предлагаемый процесс позволяет не только осуществлять эффективную очистку газов от сероводорода, но и получать ценные продукты, в частности сорбенты. По результатам математического моделирования нестационарных лабораторных экспериментов определе­ны физико-химические и гидродинамические параметры процесса взаимодействия сероводорода с формаль­дегидом в газожидкостном объеме. Расчет опытно-промышленной уста­новки (колонны барботажного типа с противотоком фаз) на основе дан­ных, полученных в результате экспе­риментов и математического моделирования, и проведенные на ней ис­пытания показали высокую эффек­тивность процесса как по извлечению сероводорода из газовой фазы, так и получению сорбента (полиметиленсульфида).

Анализ существующих установок первичной подготовки нефти показывает, что для стабилизации нефти в промысловых условиях в настоящее время требуются такие аппараты и технологические приемы, которые позволяют получить нефть с наибольшим содержанием ценных бензиновых фракций и с наименьшим содержанием тяжелых фракций и сернистых соединений при сокращении капи­тальных и энергетических затрат.

Содержание легких углеводородов (С2-С6) в добываемой нефти составляет 6-8 % мас., а иногда достигает 15 % и более. Одним из перспективных направлений стабилизации нефти и газового конденсата является использование центробежных сил. Использование гидроциклонов - малогабаритных, простых по устройству и высокоэффективных аппаратов позволяют интенсифицировать рабо­ту системы первичной подготовки нефти. Дальнейшее развитие блочно-габаритной установки стабилизации нефти видится в оснащении ее модулем очистки газа и легких углеводородов от сопутствующего им сероводорода.

На основе принципиальной схемы гидроциклонной стабилизации нефти, приведенной на рис. 4, разработаны ряд схем стабилизации нефти с очисткой полученного при этом газа от сероводорода, что позволяет повысить экологическую безо­пасность таких установок с одновременным получением полезных серосодержащих органических соединений, например биоцида для нефтяной и газовой промышленности.

 Принципиальная схема-17

Рис. 4. Принципиальная схема гидроциклонной стабилизации нефти.

1 – мультигидроциклон; 2 – емкость-сборник; 3 – конденсатор-холодильник; 4 – газосепаратор; 5 – резервуар; I – нестабильная нефть; II – стабильная нефть; III – газ с капельной нефтью; IV – газ, насыщенный легкими углеводородами; V – сухой газ; VI – ШФЛУ.

На опытной установке исследовано влияние конструктивных и режимных параметров гидроциклона на выход легких углеводородов и сероводорода в зависимости от давления, температуры и длины сливной камеры при стабилизации нефти. Установлены закономерности стабилизации нефти в гидроциклоне. Для эффективного удаления сероводорода из нефти найдены оптимальные гидродинамические условия, способствующие максимальному выделению сероводорода и легких углеводородов. Чем выше температура нефти, поступающей в гид­роциклон, тем меньшее давление необходимо для достижения наибольшего сепарационного эффекта. В ходе экспериментальных работ было определено оптимальное значение длины сливной камеры по критерию максимума выделения газовых компонентов из нефти при давлении на входе в гидроциклон 0,35 МПа и температуре 90°С (рис. 5).

В процессах стабилизации нефти получены полезные химические серосодержащие продукты - бактерициды нефти (для профилактики заражения пласта сульфатвосстанавливающими бактериями), сорбенты тяжелых металлов для очистки промышленных стоков и экологического мониторинга и т.д.

Рис. 5. Кривые зависимости выделения газовых компонентов из нефти от длины сливной камеры. Давление на входе в гидроциклон 0,35 МПа, температура 90°С; 1 – нестабильный бензин; 2 – газ; 3 – H2S.

Описанный способ стабилизации нефти может быть осуществлен в сочетании с традиционными методами, например, стабилизации нефти в сепараторах низкого давления. Другие сочетания с традиционной технологией заключаются в использовании гидроциклона для вторичного отбензинивания стабилизированной в ректификационной колонне нефти. На основании исследования конструктивных параметров гидроциклона предлагается принципиальная схема комплексной установки подготовки сероводородсодержащей нефти (рис. 6), скомпонованная из высокопроизводительных аппаратов, обеспечивающих более эффективную технологию ста­билизации нефти.

Особенностью описанных процессов стабилизации нефти является то, что интенсификация процесса дегазации нефти достигается одновременно с утилизацией сероводорода с получением дополнительного количества серосодержащих товарных продуктов.

Кроме того, показано, что проблема очистки сбросных вод также может быть решена за счет ис­пользования реагентов-нейтрализаторов на основе аминов и формальдегида. Результаты опытных ис­пытаний подтверждают данные лабораторных ис­следований.

 Принципиальная схема комплексной-19

Рис. 6. Принципиальная схема комплексной установки подготовки сероводородсодержащей нефти.

1 – теплообменник; 2 – сепаратор первой ступени; 3 – сепаратор второй ступени; 4 – печь; 5 – мультигидроциклон; 6 – емкость-каплеуловитель; 7 – конденсатор-холодильник; 8 – газосепаратор; 9 – абсорбер; 10 – массообменная насадка; 11 – дозировочный насос; 12 – емкость для реагента-нейтрализатора.

I - сероводородсодержащая нефть; II – газ высокого давления; III – газ низкого давления; IV – сточные воды; V – промывочные воды; VI – товарная нефть; VII – легкие углеводороды; VIII –сероводородсодержащий углеводородный газ; IX – реагент-нейтрализатор сероводорода; X – биоцид-продукт; XI – очищенный сухой газ.

Применение новых технологических схем позволяет повысить производительность установок, снизить их металлоемкость, улучшить качество подготовки нефти за счет эффективного удаления сероводорода при одновременном снижении затрат на подготовку нефти.

Пятая глава посвящена утилизации сероводорода с получением коллоидной серы. Экологическая эффективность технологии газоочистки, во многом зависит от характера получаемых в процессе конечных продуктов. К таким продуктам относится и коллоидная сера – важная малотоннажная товарная серосодержащая продукция.

В работе показано, что газ, полученный после стадии окисления в каталитическом процессе, в процессе конденсации переходит в жидкую высокодисперсную систему. Размер частиц дисперсной фазы составляет 10-7 -10-9 м. В условиях рассматриваемого процесса (T=250-300оC, P=0,05 МПа) это взвешенные в газе пары молекулярной серы, образованные в мицеллы. Молекулы серы состоят из замкнутой цепочки шести-восьми атомов S6-S8. Средний параметры мицеллы – это размеры элементарной ячейки, около 1,1 нм и число формульных единиц молекул S6-S8 в ячейке шесть.

Коагуляция золя серы в нашем случае вызвана понижением температуры системы в конденсаторе. Конденсатор представляет собой барботажную колонну, где полученные в реакторе продукты в газовой фазе контактируют с водой при 50-85°С. Водный раствор не содержит стабилизаторов, и возможно образование дисперсий субмикронных размеров – до 100 мкм. Процесс агрегации происходит в газовой фазе с последующей конденсацией агрегатов на поверхности раздела газ-вода и происходит совместная конденсация паров вещества, образующих дисперсную фазу и дисперсную среду на охлажденной поверхности с образованием лиозоли.

Показано, что описание процессов конденсации кинетическими методами имеет ограничения при расчете распределения дисперсных частиц по размерам. Это отсутствие кинетических данных для расчета констант скоростей агрегации дисперсной фазы.

В диссертации разработан метод имитационного компьютерного моделирования процессов конденсации серы с решением задачи определения технологических параметров конденсации – температуры и времени конденсации в соответствии с требованиями однородности дисперсной фазы, получением частиц коллоидной (товарной) серы требуемого размера 0,5-5 мкм, получением плотной структуры кластеров серы и селективностью процесса.

Разработан комплекс программ, реализующий следующий алгоритм агрегационной модели. В локальный объем случайным образом запускается большое количество частиц. Генерируются случайные блуждания частиц и моделируются столкновения, агрегирование и фрагментация кластеров, с последующим вовлечением кластеров в процесс блуждания и агрегирования с возможностью образования кластерной сети. Описанный алгоритм реализуется путем компьютерного моделирования.

Основные физико-химические допущения и идентификация параметров агрегационной модели проведена по экспериментальным данным процессов агрегации серы. В качестве выходных параметров рассчитывали характеристики структуры образуемых кластеров – удельную плотность и распределение кластеров по размерам.

Изображение фрагмента кластерной системы, полученное при компьютерной имитации в двумерной решеточной модели кластер-кластерной агрегации серы представлено на рис. 7.

Рис. 7. Фрагмент кластерной системы, полученный при компьютерной имитации в модели кластер-кластерной агрегации серы

Применительно к процессу конденсации серы задача состоит в определении технологических параметров проведения процесса, при которых достигается:

1) увеличение доли извлечения серы из газовой фазы в процессе конденсации;

2) получение частиц коллоидной дисперсности в интервале размеров 0,5-5 микрон;

3) получение заданной структуры кластеров серы (например, плотной или рыхлой).

Управляющими являются два основных параметра – время пребывания серосодержащего газа в конденсаторе и температура конденсации, обеспечивающие заданные требования.

В указанных постановках задач проведено имитационное моделирование процессов конденсации серы. Вычислительные эксперименты по расчету распределения кластеров по размеру проводили при различных начальных концентрациях серы в газовой фазе на входе в конденсатор: So = 4; 7; 10%об.; при температурах от 60 до 100oС c шагом 10; времени конденсации от 60 до 300 сек. с шагом 30.

С использованием математической модели конденсации серы установлены две стадии агрегации – быстрая и медленная. Кривая распределения кластеров по размерам характеризуется двумя выраженными максимумами (рис. 8 и рис. 9).

Первый максимум соответствует стадии быстрой агрегации. Образуется много мелких кластеров примерно одинакового размера. Дальнейшее агрегирование происходит медленно. На медленной стадии появляется еще один максимум на кривой распределения.

 Распределение кластеров по-21

Рис. 8. Распределение кластеров по размерам при различных значениях времени конденсации. T=70oC; So=7%об. (статистика по результатам 5 расчетов).

 Распределения кластеров по-22

Рис. 9. Распределения кластеров по размерам при различных температурах конденсации. So=7 % об; =180 сек (статистика по результатам 5 расчетов).

В вычислительных экспериментах по исследованию влияния факторов модели на состав и структуру образуемых кластеров установлены следующие закономерности протекания процесса конденсации серы.

1) С увеличением начальной концентрации серы в газе на входе в конденсатор, образуются более плотные кластеры при прочих одинаковых значениях параметров конденсации (рис. 10, рис. 11).

Рис. 10. Распределение кластеров по размерам при различных начальных концентрациях серы на входе в конденсатор. T=70oC; =60 с (статистика по результатам 5 расчетов)

 Изменение удельной плотности-24

Рис. 11. Изменение удельной плотности кластеров при различных начальных концентрациях серы на входе в конденсатор. =180 с (статистика по результатам 5 расчетов)

2) С увеличением времени конденсации кривая распределения кластеров по размерам смещается в сторону больших размеров кластеров (рис. 8). При более высоком содержании серы в газе на входе в конденсатор образуются более крупные кластеры.

3) С увеличением температуры конденсации кривая распределения смещается в сторону больших размеров кластеров (рис. 9).

4) С уменьшением температуры конденсации (увеличение теплосъема) образуются более мелкие и плотные кластеры (рис. 9 и рис. 11).

Расчеты с использованием математической модели позволили рассчитать оптимальное значение температуры конденсации по критерию максимума выхода коллоидной серы с размерами от 1 до 5 мкм. Оптимальная температура составляет 70±3 oС, с долей выхода коллоидной серы размером 1-5 мкм 93±2% от общего количества сконденсированной серы, оптимальное время пребывания газа в конденсаторе 120-180 с. Температура 70oС соответствует также достаточно высокой удельной плотности кластеров, что улучшает эксплуатационные свойства – устойчивость коллоидной системы в водных растворах.

Для найденных оптимальных значений параметров конденсирования были выполнены лабораторные эксперименты по конденсации серы. По результатам экспериментов определялась массовая доля коллоидно-дисперсных частиц серы с размерами менее 5 мкм методом ультрацентрифугирования, которая составила около 90 %, что соответствует расчетным значениям на математической модели и свидетельствует о ее адекватности.

Испытания процесса получения коллоидной серы проведены на опытной установке переработки кислых газов в кипящем слое катализатора на Шкаповском ГПЗ. Изучено влияние количества компонентов катализатора в процессе окисления и выявлено, что наибольший выход коллоидной высокодисперсной серы достигается при использовании катализатора с содержанием оксида хрома 16 – 18% масс., оксида магния 4,5 – 5,5% масс., оксида ванадия 3,5 – 4,2% масс. Исследования показывают, что окисление сероводорода проходит более эффективно при объемном соотношении H2S : O2 = 1 : 0,5 и при температурах 250-300°С. Наиболее благоприятной температурой воды для получения однородной коллоидной массы серы является 75°С. Проведенные исследования показывают, что предлагаемый метод позволяет использовать сероводородсодержащие углеводородные газы с нефтеперерабатывающих заводов для получения высокодисперсной коллоидной серы, находящей широкое применение в нефтехимической промышленности и сельском хозяйстве. Метод не чувствителен к изменению концентрации сероводорода, поэтому на его основе предлагается создать малогабаритные передвижные установки для использования их на тех предприятиях, где отходящие сероводородсодержащие газы сжигаются на факелах.

Шестая глава посвящена дальнейшему совершенствованию процесса гетерогенно-каталитического окисления сероводорода в направлении повышения устойчивости работы реакторного узла. Возможность управления температурным режимом окисления, режимом кипящего слоя катализатора и поддержание требуемого отношения сероводорода к кислороду являются важными условиями стабильного функционирования процесса.

В соответствии с Правилами обеспечения безопасности взрыво - и пожароопасных объектов ПБ 09-540-03 система управления технологическим процессом (ТП) должна решать следующие задачи:

1.Постоянный контроль за параметрами процесса и их поддержание на заданном уровне;

2. Постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварий;

3. Выбор и реализация оптимальных управляющих воздействий;

4. Постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта;

5. Действие средств управления и противоаварийной защиты, прекращающих развитие опасной ситуации (мягкий вывод аварийной ситуации на безопасный режим);

6. Проведение операций без аварийного пуска, останова и всех для этого переключений.

Для решения этих задач структура системы управления ТП должна содержать центральный промышленный компьютер, подсистему измерения, контроля и сигнализации, подсистему автоматического регулирования ТП и подсистему противоаварийной защиты.

Повышение надежности самой системы автоматизации может быть обеспечено при использовании интеллектуальных датчиков и цифровых регуляторов на управляющем компьютере. С этой точки зрения рассмотрены основные функции, выполняемые подсистемами, на основе которых определены предъявляемые к ним требования по точности и быстродействию.

Проанализировано влияние погрешностей измерения на процесс регулирования соотношения кислород – сероводород. Установлено, что из-за погрешностей измерения соотношение между объемными расходами кислорода и сероводорода может быть установлено с погрешностью 4,4 %. Предложено увеличить объемный расход кислорода на 5 %, чтобы исключить возможность неполного окисления сероводорода.

Качество и надежность подсистемы регулирования и стабилизации, управляемой от компьютера, определяется, прежде всего, параметрами регулятора. В работе рассматривается единый подход проектирования аналоговых и цифровых регуляторов с контурами упреждающего управления по опорному значению и возмущению и контуром обратной связи, позволяющий использовать модели при реализации систем автоматического регулирования на управляющем компьютере. Блок-схему обобщенного дискретного регулятора можно представить тремя составляющими — контур упреждения по опорному значению, контуров обратной связи по выходу процесса и контур упреждения по измеренному возмущению (рис. 12)

 Блок-схема обобщенного дискретного-25

Рис. 12. Блок-схема обобщенного дискретного регулятора.

Уравнение обобщенного дискретного регулятора приобретает следующий вид



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.