Стабилизация газового конденсата АГКМ

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Российский государственный университет  нефти и газа имени И.М. Губкина

 

 

 

Факультет               Химической технологии и экологии

Кафедра                  Газохимии

                                                                  

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Стабилизация газового конденсата АГКМ

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверил:

  

Выполнил:

асс., Козлов А.М. 

 

Голоскокова А.Ю.

(должность, фамилия, инициалы)

  

(студент, фамилия, инициалы)

 

    
   

Группа ХТ-09-02

(Подпись, дата)

  

(Подпись, дата)


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

Содержание

 

1 Теоретические основы 3

2 Схема стабилизационной колонны 4

3 Исходные данные 5

4 Технологический расчет стабилизационной колонны 7

4.1 Материальный баланс колонны в расчете на 500000 т сырья 7

4.2 Определение давлений, температур  и числа тарелок в колонне 7

4.3 Расчет флегмового  и парового чисел 16

4.4 Материальный и тепловой балансы колонны стабилизации 18

4.5 Определение основных размеров колонны 19

4.5.1 Диаметр колонны 19

4.5.2 Высота колонны 21

4.5.3 Диаметры штуцеров 22

5    Список использованных источников 23

 

 

 

  1. Теоретические основы

 

Сырой газовый конденсат, выносимый газом в виде капельной жидкости из скважины по своему составу более тяжелый и содержит углеводороды от этана (в малых количествах) до додекана и выше. Технология переработки этого конденсата включает процессы: стабилизации, обезвоживания и обессоливания; очистки от серосодержащих примесей; перегонки и выделения фракций моторных топлив (с последующим их облагораживанием).

По мере выработки газового месторождения количество выносимого из пласта конденсата уменьшается, а по составу он становится более легким. Это необходимо учитывать при проектировании технологических установок для его переработки. Газовые конденсаты стабилизируют и перерабатывают двумя методами: ступенчатой дегазацией или ректификацией в стабилизационных колоннах.

Схема ступенчатой дегазации не позволяет обеспечить полное извлечение легколетучих углеводородов (до гексана) и поэтому они в последующем теряются (выветриваются) из конденсата второй ступени в емкостях.

Стабилизация в ректификационных колоннах получила большее распространение, так как позволяет исключить потери ценных углеводородов и предотвратить загрязнение ими атмосферы.

Колонна стабилизации входит в установку стабилизации газового конденсата АГКМ.

 

  1. Схема стабилизационной колонны

 


  1. - теплообменник нагрева сырья
  2. - ректификационная колонна
  3. - конденсатор-холодильник
  4. - рефлюксная емкость
  5. - трубчатая печь
 

Рисунок 1.1 – Схема стабилизационной колонны 

  1. Исходные данные

 

В данной работе приведен расчет ректификационной колонны для стабилизации нестабильного газового конденсата при следующих исходных данных: нестабильный газовый конденсат имеет следующий состав (масс. доли) (таблица 1):

Таблица 1

Компонент

Состав

C2H6

0,005

C3H8

0,0905

и-С4H10

0,059

C4H10

0,0886

и-C5H12

0,0896

C5H12

0,0889

C6H14 и выше

0,5784

Итого:

1


 

Константы Антуана для каждого компонента (таблица 2):

Таблица 2

Компонент

A

B

C

CH4

6,30181

320,303

255,84

C2H6

6,81882

661,088

256,54

C3H8

6,83054

813,864

248,116

и-С4H10

6,82825

916,054

243,783

C4H10

6,88032

968,098

242,555

и-C5H12

6,78967

1020,012

233,097

C5H12

6,83732

1075,816

233,359

C6H14 и выше

6,87776

1171,53

224,366


 

Нормальный бутан в дистилляте должен содержаться в количестве φD=0,98

масс. доли; содержание всего пентана и более тяжелых углеводородов в стабильном конденсате должно составлять φR=0,99 масс. доли; начальная температура охлаждающей воды tB=20⁰C; давление в эвопарционную зону колонны πэв=115480,98 мм рт. ст.; сырье в колонну подается в виде кипящей жидкости; мольная доля отгона e'=0,4; производительность аппарата по сырью Gc=61274,5 кг/ч (мощность установки – 500000 т/г).

 

  1. Технологический расчет стабилизационной колонны

4.1 Материальный баланс колонны в расчете на 500000 т сырья

 

Материальный баланс стабилизационной колонны приведен в таблице 3.

 

Таблица 3

 

Материальный баланс

Потоки

Обозначение

% масс. на конденсат

На 500000 сырья

Приход

конденсат

F

100

500000

Итого:

100

500000

Расход

Фр. СН4-С4Н10

D

30,28

151400

Стабильный конденсат

W

69,72

348600

Итого:

100

500000


4.2 Определение давлений, температур и числа тарелок в колонне

Для последующего расчета зададимся следующими данными [1]:

  • Температура ввода сырья tвв = 51 °C;
  • Давление в секции питания Рс = 15,396 МПа = 115481 мм рт ст;
  • Перепад между тарелками DР = 5 мм рт ст;
  • Температура холодного орошения to = 20 °C;
  • Мольная доля отгона е’ = 0,4;

 

Пересчет температуры ввода  сырья в колонну по заданной доле отгона:

При подаче сырья в колонну в паро-жидкостном состоянии температура сырья  рассчитывается методом последовательных приближений по уравнению:

           (1)

Расчет представлен  в таблице 2. В результате получили:

-температура  ввода сырья:                   tF = 51 °C;

- средний  молекулярный вес сырья:               MF =74,257;          (2)

- молекулярная  масса жидкой фазы:           Мж.ф.= 74,054;        (3)

- молекулярная масса паровой фазы:          Мп.ф = 60,625;        (4)

- массовая  доля отгона:              e =0,3275;                                    (5)

Данные расчета  приведены в таблице 4.

 

 

Таблица 4 

 

Давление в секции питания

tвв=

51

  

πэв=

15,396

Мпа

115480,9841

мм рт ст

        

Компонент

Xif

M

Xif/M

X'if

Pi, па

Pi,мм рт ст

Ki

X*if

Y*if

Y*M

X*M

C2H6

0,005

30

0,0002

0,0124

478710,8996

478710,8996

4,1454

0,0056

0,0233

0,6987

0,1686

C3H8

0,0905

44

0,0021

0,1527

255852,3018

255852,3018

2,2155

0,1527

0,3384

14,8889

6,7202

и-С4H10

0,059

58

0,0010

0,0755

164007,0402

164007,0402

1,4202

0,0755

0,1073

6,2221

4,3811

C4H10

0,0886

58

0,0015

0,1134

148448,2361

148448,2361

1,2855

0,1134

0,1458

8,4573

6,5791

и-C5H12

0,0896

72

0,0012

0,0924

90934,4680

90934,4680

0,7874

0,0924

0,0728

5,2391

6,6534

C5H12

0,0889

72

0,0012

0,0917

80745,2577

80745,2577

0,6992

0,0917

0,0641

4,6158

6,6014

C6H14 и выше

0,5784

93

0,0062

0,4618

55126,2436

55126,2436

0,4774

0,4618

0,2205

20,5027

42,9500

Итого:

1

  

0,0135

1,0000

      

1,0000

1,0000

60,62461

74,05377


 

 

 

 

 

Расчет  проводится с использованием метода температурной границы деления смеси (результат приведен в таблице 5).

Минимальное число теоретических тарелок Nmin определяется по уравнению Фенске:

 

;                             (6)

где - коэффициент распределения суммарной фракции, состоящей из

компонентов, отбираемых преимущественно в дистиллят (компоненты до границы деления);

- коэффициент распределения  суммарной фракции, состоящей  из

компонентов, отбираемых преимущественно в остаток (компоненты после границы деления);

- относительные летучести  компонентов, коэффициенты распределения  которых равны, соответственно, и .

Коэффициенты и рассчитываются по уравнениям:

 

;                 (7)

 

 

                  (8)

Относительная летучесть ae компонента, имеющего коэффициент распределения Y e = 1, лежащего на температурной границе деления смеси, определяется в первом приближении по уравнению:

 

                     (9)

Мольная доля отбора дистиллята от сырья:

 

;                            (10)

 

коэффициент распределения i-го компонента между дистиллятом и остатком, который можно рассчитать из уравнения Фенске:

 

;                             (11)

 

Относительные летучести, значения которых будут использованы для расчета минимального числа теоретических тарелок во втором приближении, определяются по уравнениям:

 

                  (12)

 

                     (13)

Используя приведенные выше уравнения, для  каждого последующего

приближения определяются: минимальное число  теоретических тарелок , относительная летучесть компонента на границе деления, мольные

концентрации  каждого компонента в дистилляте и в остатке,коэффициенты распределения, относительные летучести. При расчете найденные значения и на следующем шаге расчета используются в качестве первого приближения, и выполняется такое число приближений, чтобы

 . В используемой программе задана точность расчета = 0,0001.

Оптимальное число теоретических тарелок  в колонне определяется по

уравнению:

Nопт = 1,7 Nmin + 0,7;          (14)

Число реальных тарелок определяется с учетом эффективности  выбранного типа тарелок:

Np = Nопт /h ;                                          (15)

где h - коэффициент полезного действия тарелки: для клапанной тарелки - 0,35.

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Компонент

x'if

αi

  

значения

ψi

y'iD

x'iw

  

значения

y'iD*Mi

yiD

x'iw*Mi

xw

     

ψm

98

      

ψm

98,01

        

C2H6

0,0124

8,6839

ψk

0,020

35027624,7971

0,0349

0,0000

ψk

0,0202

1,0467

0,0204

0,0000

0,0000

C3H8

0,1527

4,6412

αm

2,9252

22236,7510

0,4305

0,0000

αm

2,9252

18,9436

0,3694

0,0009

0,0000

и-С4H10

0,0755

2,9751

αk

1,4207

119,5586

0,2098

0,0018

αk

1,4207

12,1659

0,2372

0,1018

0,0012

C4H10

0,1134

2,6929

Nmin

11,7513

37,0593

0,3048

0,0082

    

17,6796

0,3448

0,4771

0,0055

и-C5H12

0,0924

1,6496

αε

1,9802

0,1169

0,0157

0,1346

    

1,1322

0,0221

9,6884

0,1115

C5H12

0,0917

1,4647

ε'

0,3547

0,0289

0,0040

0,1399

    

0,2912

0,0057

10,0702

0,1159

C6H14 и выше

0,4618

1

Nопт

20,6772

0,0003

0,0002

0,7156

    

0,0217

0,0004

66,5482

0,7659

 

1,0000

  

Nраб

59,0777

  

1,0000

1,0000

    

51,2808

1,0000

86,8866

1,0000

     

Nк

28,3060

                  
     

No

30,7717

                  
     

Nk/No

0,9199

                  
     

ε

0,2450

                  

Воспользовавшись расчетными данными  таблицы 5 принимаем:

  • Количество тарелок в концентрационной части Nk = 28;
  • Количество тарелок в отгонной части N0 = 31.

 

 

 

 

 

Пересчет температуры  верха колонны:

Температура верха колонны рассчитывается методом последовательных приближений  по уравнению изотермы паровой фазы:

                             (16)

Где ki – константа фазового равновесия i-го компонента при температуре и давлении верха колонны:         ki = Pi / Pверха .

-температура верха:                   tверха = 39,44 °C;

Пересчет температуры  низа колонны:

Температура низа колонны рассчитывается методом последовательных приближений  по уравнению изотермы жидкой фазы:

                             (17)

Где ki – константа фазового равновесия i-го компонента при температуре и давлении низа колонны:         ki = Pi / Pниза

Расчет представлен в таблице 3. В результате получили:

-температура низа:                   tниза = 97,39 °C;

Данные расчета приведены в таблице 6 и таблице 7.

 

 

 

Таблица 6

Компонент

y'iD

P

Ki

x'Di

X*M

    
           

tB

39,4403

C2H6

0,0349

38482,7150

0,3328

0,0084

0,2516

    

C3H8

0,4305

10006,0490

0,0865

0,3482

15,3229

πB

115622,5143

и-С4H10

0,2098

3925,2000

0,0339

0,4943

28,6691

    

C4H10

0,3048

2800,8559

0,0242

0,1258

7,2983

    

и-C5H12

0,0157

1114,3422

0,0096

0,0163

1,1748

    

C5H12

0,0040

782,8930

0,0068

0,0060

0,4301

    

C6H14 и выше

0,0002

273,4560

0,0024

0,0010

0,0917

    
     

Итого:

1,0000

53,2384

    

 

Таблица 7

Компонент

x'iw

Рн

Ki

YW

Y*M

    
           

tH

97,3888

C2H6

0,0000

89323,15346

0,77452

3,472E-08

1,04149E-06

πH

115327,1257

C3H8

0,0000

29851,11181

0,258839

2,255E-04

0,009922757

    

и-С4H10

0,0018

13906,80335

0,120586

9,520E-03

0,552167027

    

C4H10

0,0082

10777,10569

0,093448

0,0345883

2,006121953

    

и-C5H12

0,1346

5049,728433

0,043786

0,2651373

19,08988302

    

C5H12

0,1399

3842,75057

0,03332

0,2097148

15,09946513

    

C6H14 и выше

0,7156

1724,627634

0,014954

0,4815374

44,78298033

    
     

Итого:

1,00072

81,54054126

    

 

Молекулярная масса: дистиллята MD = 53,2,

      остатка MW = 81,5.

 

4.3 Расчет флегмового и парового чисел

 

Таблица 8

 

Компонент

αi

y'iD

θ

Rmin

C2H6

8,6839

0,0349

4,8196

-0,9216

C3H8

4,6412

0,4305

3,0885

0,2869

и-С4H10

2,9751

0,2098

2,7815

2,2235

C4H10

2,6929

0,3048

1,7817

-0,0992

и-C5H12

1,6496

0,0157

1,5271

-0,7883

C5H12

1,4647

0,0040

1,2073

-0,9770

C6H14 и выше

1,0000

0,0002

  

-0,9998


 

Оптимальное мольное флегмовое число определяется по уравнению:

Rопт = 1,35*Rmin + 0,35                      (18)

Расчет Rmin приведен в таблице 8.

Rопт = 3,3517.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9

Компонент

αi

θ

x'iw

Sмин

C2H6

8,6839

4,8196

0,0000

0,0000

C3H8

4,6412

3,0885

0,0000

0,0001

и-С4H10

2,9751

2,7815

0,0018

0,0270

C4H10

2,6929

1,7817

0,0082

0,0243

и-C5H12

1,6496

1,5271

0,1346

1,8118

C5H12

1,4647

1,2073

0,1399

0,7959

C6H14 и выше

1,0000

  

0,7156

0,7156


 

Минимальное мольное паровое число  в отгонной секции колонны определяется по уравнению Андервуда (расчет приведен в таблице 9):

 

= - ;            (19)

 

;                       (20)

. 

4.4 Материальный и тепловой балансы колонны стабилизации

Таблица 10

Потоки

обозначение

расход кг/ч

температура ˚С

Молекулярная масса

Плостность

Энтальпия

Кол-во тепла

Обозначение

п

ж

Приход

Сырье:

  

61274,5000

  

74,2565

0,6452

        

паровая фаза

GF

23431,3688

51,0000

60,6246

0,5952

117,2890

  

1649084,0362

QF

жидкая фаза

gF

37843,1312

51,0000

74,0538

0,6445

  

26,9131

Пары из кип

GW

90709,9291

97,3888

81,5405

0,6675

133,2948

52,7416

7306974,8947

QB

                   

Расход:

Дистиллят

D

15010,1719

39,4403

51,2808

0,5527

114,8267

  

1723568,1197

QD

Остаток

W

46264,3281

97,3888

86,8866

0,6822

  

52,1674

2413488,4967

QW

                   

Горячее орошение

gгор

52230,0047

39,4403

53,2384

0,5623

114,3024

22,0374

4819002,3146

Qd1

Холодное орошение

gхол

46319,6249

20,0000

18,0000

1,0000

  

10,2644

  

Qd2

                   

Пары под верх тарелкой конц.секции

GN-1

67240,1765

              

жидкость стек. С ниж тар отг  сек

g1'

136974,2572

              

 

 

4.5 Определение основных размеров колонны

4.5.1 Диаметр колонны

 

Наиболее нагруженным по пару сечением колонны будет сечение под  ее нижней отгонной тарелкой, оно принимается  за расчетное. Диаметр колонны рассчитывается по формуле:

                             (21)

 

Секундный объем паров в расчетном  сечении при температуре tR=97,3888 ⁰C и давлении πR=15,375 МПа определяется по формуле:

               (22)

 

Допустимую  скорость газа в расчетном сечении  находят по формуле:

 

                      (23)

 

Коэффициент С’ определяется по уравнению:

 

                          (24)

 

Где а С=0,12 определяется по графику, изображенному на рисунке 1 при расстоянии между тарелками

Тогда диаметр  колонны равен:

D = 2,7 м.                                                 (25)

Рисунок 1 - График С=f(pn), используемый при определении допустимой скорости пара в колонне с клапанными тарелками

Для сравнения определяем диаметр колонны по ее сечению над верхней укрепляющей тарелкой.

Расчет  ведется аналогично уже изложенному  определению диаметра колонны в  наиболее нагруженном поперечном сечении  колонны:

Допустимая  скорость паров:

                            (26)

 

Секундный объем паров:

                        (27)

 

Диаметр колонны в ее верхнем поперечном сечении:

D = 2,01 м.                 (28)

 

По ГОСТ 9617-76 установлен ряд внутренних диаметров  для сосудов и аппаратов. Диаметр колонны окончательно принимается по нижнему сечению аппарата – он равен Dк = 2800 мм.

 4.5.2 Высота колонны

 

На основе практических данных расстояние между верхним днищем колонны и ее верхней укрепляющей тарелкой принимается следующее: h1=1,2 м; высота секции питания h3=1,3 м; расстояние между нижним днищем и нижней отгонной тарелкой h5=3 м (для обеспечения трех-четырехминутного запаса флегмы внизу колонны). Высота колонны равна:

Для концентрационной части

 

                                   (29)

 

Для отгонной части:

 

                                  (30)

 

Полная  высота колонны: