книги / Переработка нефтяных и природных газов

Расчетом десорбера заканчивается расчет количества и соста­ вов всех материальных потоков, после чего приступают к расчету рекуперативного теплообмена, в результате которого определяют нагрузки на теплообменники и уточняют нагрузки на пропановые холодильники.

Ра с ч е т р е к у п е р а т и в н о г о

те п л о о б м е н а

Первый узел теплообмена — это узел охлаждения и конденсации сырого газа, включающий регенеративные теплообменники Т-1, Т-2, Т-3 и пропановый испаритель Х-1. Сырой газ перед пропано­ вым испарителем Х-1 охлаждают холодными потоками сухого и остаточного газа, а также конденсата из С-1 после дросселирова­ ния.

1.Определяют фазность сырого газа при температуре входа

втеплообменник Т-1 — tDX и давлении на входе.

2.При известных параметрах остаточного газа из АОК на входе в теплообменник Т-1 Gn, уи7, tn и выходе из него G17, уи7, ^вых определяют количество тепла, снимаемого в Т-1, QT.J.

Температура на выходе из теплообменника Т-1 задается из условия технически допустимой разницы температур. Обычно для

теплообменников «газ—газ» At принимается равной 7—8 °С.

3. Из теплового баланса Т-1 находят энтальпию и темпера­ туру сырого газа на выходе из Т-1

4.При известных параметрах сухого газа на входе G9, Уьз, tg

ивыходе Gg, уis, /вых из теплообменника Т-2 определяют коли­

чество тепла, снимаемого в Т-2, QT-2-

Перепад температур на горячем конце теплообменника Т-2 выбирается аналогично п. 2.

5. Из теплового баланса Т-2 находят энтальпию / 2 и темпера­ туру сырого газа на выходе из Т-2

6. Рассчитывают температуру и фазовое состояние конденсата после дросселирования на дросселе Д-1: 4, G5, г/,$, Ls, Xis. Расчет ведут по алгоритму ОК—ОИ с использованием теплового баланса (см. рис. IV-25.)

7. По заданному перепаду температур на горячем конце тепло­ обменника Т-3 находят температуру конденсата на выходе из Т-3

—U-

где D T ( 3 ) принимается равным 7—8 °С.

8. По найденным параметрам конденсата на входе и выходе из теплообменника Т-3 определяют тепловую нагрузку на Т-3 —

где 1 6 — общая энтальпия материального потока 6; i4 — энтальпия конденсата.

9. Из теплового баланса Т-3 находят энтальпию и темпера­ туру потока сырого газа после Т-3

10. Определяют уточненную нагрузку на пропановый испари­

тель Х-1 — Qx-i

(IV. 119)

Второй узел теплообмена — подогрев насыщенного абсорбента и конденсата до заданной температуры ti4 тощим абсорбентом в теп­ лообменниках Т-4 и Т-5 для подачи в АОК.

11.Рассчитывают температуру насыщенного абсорбента после дросселя Д-2 — tn .

12.Для расчета теплообменника Т-4 не хватает исходной ин­ формации: известна только температура и состав потока 11. По этому для упрощения расчета принято допущение о равенстве температур конденсата после теплообменника Т-3 и насыщенного абсорбента после Т-4

*12 = *6 = *13

Это допущение несущественно, так как оно как бы перераспре­ деляет теплообменивающиеся поверхности между теплообменни­ ками Т-4 и Т-5. Суммарная площадь‘теплообмена их остается не­ изменной. Определяют количество тепла, снимаемого в теплооб­ меннике Т-4 — QT-4 (так как в процессе дросселирования энталь­ пия системы не меняется).

13. По заданному перепаду на холодном конце теплообмен­ ника Т-4 вычисляют температуру и энтальпию тощего абсорбента на выходе из Т-4 — fa и U6

322

15. Проверяют перепад температур на горячем конце тепло­ обменника Т-4

*з$ — *12

Если он меньше заданного (DT (4)), температуру t35 вычисляют из соотношения

*35= *12 + П Т { 4 )

16. Рассчитывают нагрузку на теплообменник Т-5 по разности энтальпий насыщенного абсорбента при температуре входа и вы­ хода из теплообменника

17. Из теплового баланса теплообменника Т-5 находят эн­ тальпию и температуру тощего абсорбента на входе в Т-5 — /34, /34,

18. Проверяют перепад температур t34 — U4. Если он меньше заданного (D T (5)), то температуру тощего абсорбента на входе в Т-5 корректируют с учетом заданного перепада

Корректируют ранее рассчитанную в п. 14 энтальпию и темпе­ ратуру тощего абсорбента на выходе из Т-5

19. Если температуру tSb корректировали по п. 18, то необхо­ димо уточнить из теплового баланса энтальпию и температуру тощего абсорбента на выходе из Т-4 — 1зв иJ S6

20. Так как при расчете абсорбера и АОК температура тощего абсорбента была принята равной нулю, то необходимо уточнить тепловые нагрузки на пропановые испарители Х-2 и Х-3

где At — разность энтальпий тощего абсорбента при нуле и t36.

Q'X -2 — нагрузка на пропановый испаритель Х-2 при условии, что тощий абсор­ бент поступает при 0 °С; Q'x ,3 — нагрузка на пропановый испаритель Х-3 при тех же условиях.

Эта разность энтальпий распределяется между Х-2 и Х-3 про­ порционально количеству абсорбента.

Третий узел, теплообмена: подогрев низа АОКНазначение этого узла — обеспечить подачу рассчитанного количества тепла в АОК за счет регенерации тепла тощего абсорбента и через допол­

нительный теплообменник Т-9 (если не хватит высокопотенциаль­ ного тепла).

21. По тепловым погрузкам на теплообменники Т-6 и Т-7 — QT -6, QT -7, полученным из расчета АОК, и параметром потоков 18

26. Если соблюдается условие п. 25, то разность температур между потоками 31 и 20 для организации эффективного теплооб­ мена между ними недостаточна и устанавливать теплообменник Т-7 нецелесообразно. В этом случае тепло в низ АОК подводят с помощью печи, которая на схеме указана как теплообменник Т-9. Тепловая нагрузка на печь QT-9 = QT-7, а параметры потоков 31

и32 равны между собой: t3i — t3г и i3i = i32 .

27.Если условие п. 25 не соблюдается, т. е. перепад'температур потоков 31 и 20 таков, что установка теплообменника Т-7

целесообразна, печь Т-9 из схемы исключается, т. е. QT-9 = 0. В этом случае определяют энтальпию потока 31, а по энтальпии — его температуру

29. Если оба или одно из условий п. 28 не соблюдается, то теплообменник Т-8 устанавливать в схеме нецелесообразно. В этом случае естественно, что параметры потока 25 равны пара­ метрам потока 24, т. е. t23 = t34

G25 = (*24 и ^25 — ^24

Так как в случае отсутствия теплообменника Т-8 в схеме ме­ няются исходные данные для расчета узла подвода тепла в АОК, необходимо провести коррекцию его расчета.

Если из условий п. 25 и 26 теплообменник Т-7 исключен из схемы и в схему включена печь Т-9, то уточняют температуру fa из условий

Ьг ~ h i ~ ho* Ьг = h i = ho* h s ~ h o Q T -6

324

По известной энтальпии и составу потока 33 определяют его температуру Далее расчет продолжают с п. 31. Если по усло­ виям п. 25 и 26 теплообменник Г-7 в схеме работает, то в этом слу­ чае тепловая нагрузка на него в связи с исключением из схемы теплообменника Т-8 изменяется, так как изменилась температура входного потока U i. Поэтому рассчитывают необходимость допол­ нительного подвода тепла в схему — от печи Т-9. Проверяют усло­ вие

h i > ho: h i < ho'’ h i ~ ho

Если t3j > Uo, это означает, что рассчитанное выше количество тепла, переданное в АОК в теплообменнике Г-7, завышено, и часть его должна быть восполнена печью

Если U i < t .3o, то имеется избыток тепла, и теплообменники Т-7 и Т-6 необходимо пересчитать. В этом случае приравнивают

По известному составу и энтальпии is3 определяют температуру 1зз. Если tei = teo, то далее расчет ведут с п. 31.

30. Если условия п. 28 выполняются, то рассчитывают тепло­ обменник Т-8.

По известному составу и энтальпии потока 25 определяют его температуру Далее расчет продолжают с п. 31.

31. Уточняют нагрузку на печь десорбера, так как в резуль­ тате расчета теплообменника Т-8 уточнилась температура tgg

где (?„еч — необходимая тепловая нагрузка на печь с учетом нагрузки на Т-9,

полученная из расчета десорбера.

На этом технологический расчет схемы НТА заканчивается. По приведенному алгоритму можно вести проектный и пове­

рочный расчет схемы НТА.

Назначение проектного расчета — определить значения варьи­ руемых параметров технологической схемы, при которых обеспе­ чивается заданная, входящая в состав исходных данных степень извлечения целевого компонента в целом по схеме.

325

Для предварительного задания общего расхода абсорбента по схеме ее просчитывают при трех произвольных расходах абсор­ бента, на основании которого строят кривую зависимости между расходом абсорбента и коэффициентом извлечения целевого ком­ понента. По этой кривой при заданной степени извлечения опреде­ ляют первое задаваемое значение расхода абсорбента, которое затем в процессе расчета уточняют.

Для распределения абсорбента между абсорбером и АОК за­ даются значением <рц в абсорбере примерно на 5% выше, чем в це­ лом по схеме (с учетом последующих потерь в АОК). По принятому коэффициенту извлечения в абсорбере с использованием диаграммы Крейсера определяют предварительный расход абсорбента на аб­ сорбцию. Остальной поток направляют в АОКПри поверочном расчете по описанному алгоритму определяют действительную степень извлечения целевого компонента, а также тепловые и ма­ териальные потоки.

РАСЧЕТ СХЕМЫ НТР

Схема НТР (рис. IV.34) имеет сравнительно простую, разомкну­ тую по материальным потокам структуру. В схеме имеется лишь один тепловой рецикл — исходный газ охлаждается обратным потоком «сухого» газа. Поэтому моделирование такой схемы не вызывает особых трудностей. Алгоритм расчета описанной схемы НТР с двумя вводами питания заключается в следующем.

1. По заданному коэффициенту разделения ф рассчитывают разделение исходного потока газа 1 на два потока: 3 и 4. Темпе­ ратуру обоих потоков принимают равной температуре после компримирования.

2. По описанной ранее модели (обобщенная модель расчета колонных аппаратов) при заданных числе тарелок, номерах таре­ лок питания, температуре в рефлюксной емкости Е-1 и качестве нижнего продукта и при найденных параметрах питающих пото­ ков 3 и 4 рассчитывают процесс деэтанизации в ректификационной колонне К‘1. В результате расчета получаем параметры потоков

6 и 7, количество снимаемого холода холодильником Х-1 и

*количество подводимого в низ ректификационной колонны К-1

Этепла.

Рис. IV .34.

326

Таким образом, расчет схемы практически начинается с расчета колонны К-1, поскольку только он дает нам необходимые исходные данные для расчета регенеративиого^теплообмена. Все остальные пункты расчета представляют собой расчет рекуперативного теп­ лообмена, необходимого для определения нагрузки на холодиль­ ник Х-1.

3.По описанному ранее модулю расчета теплообменника (см. рис. IV.21) при найденных параметрах потоков 3 и 6 и заданном минимальном перепаде температур на концах теплообменника рассчитывают процесс теплообмена в Т-2. В результате расчета получают параметры потоков 5 и 8.

4.При найденном потоке 8 и заданном потоке 1 и минимальном перепаде температур на концах теплообменника рассчитывают процесс теплообмена в Т-1. В результате расчета получают пара­ метры потоков 2 и 9.

5.Проверяют условие равенства найденной температуры по­ тока 2 (а следовательно, и найденных температур потоков 3 и 4) и температуры потока 3, которая в п. 3 принимается при расчете теплообменника Т-2. Если температуры не равны, то с новым зна­ чением температуры потока 3 возвращаются к п. З.Если условие равенств температур соблюдается, то переходят к п. 6.

6.Проверяют условие равенства найденной температуры по­ тока 4 и температуры потока 4, которая в п. 2 принимается при расчете процесса деэтанизации. Если температуры не равны, то,

Х-1. Для этого от значения Qx-i, найденного в п. 2, вычитают коли­ чество холода, снимаемого в Т-2 (т. е. разницу теплосодержаний потоков 3 и 5), так как процесс деэтанизации рассчитывали в п. 2 при температуре питающего потока 5, равной температуре по­ тока 3.

При получении всех необходимых параметров процесса расчет заканчивают.

В данном случае приведен поверочный расчет схемы НТР. При проектном расчете обычно задаются коэффициентом извлече­ ния целевого компонента. В этом случае по известному коэффи­ циенту извлечения можно определить примерные составы верх­ него и нижнего продукта, а по составу верхнего продукта — необ­ ходимую температуру в рефлюксной емкости как температуру точки росы верхнего продукта. Если в процессе расчета получен­ ные составы верхнего и нижнего продукта сильно отличаются от принятых, то задаются новым значением температуры верхнего продукта, соответствующим полученному составу его, и расчет повторяют.

Таким образом, алгоритм расчета остается практически тем же.

327

Глава 3

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ, РЕЖИМОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ГПЗ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ГПЗ

Эффективное использование капитальных вложений возможно только при условии принятия и реализации в проектах оптималь­ ных решений на всех уровнях: размещение заводов, перерабаты­ вающих нефтяной газ и газ газоконденсатных месторождений, выбор технологической схемы и ее структуры, выбор оборудова­ ния и параметров технологического режима. Это особенно важно при строительстве заводов, в местах, близких к добыче газа.

Особенность в расположении ГПЗ обусловливает ряд предъяв­ ляемых к ним противоречивых требований. С одной стороны, ГПЗ по сути предприятия горного типа, т. е. длительность их существо­ вания и их производительность определяются объемами и сроками существования соответствующего нефтяного или газоконденсат­ ного месторождения. Поэтому ГПЗ должны быть возможно менее капиталоемкими и трудоемкими, и обеспечивать быструю окупае­ мость капиталовложений. С другой стороны, технология перера­ ботки газа достаточно сложна, а в связи с размещением ГПЗ, вследствие горного характера производства, в местах с малораз­ витой инфраструктурой возникают повышенные требования к на­ дежности оборудования и уровню автоматизации предприятия, что требует значительных капитальных и трудовых вложений в их сооружение. Все эти особенности делают сложным проектирование ГПЗ и относительно дорогостоящим строительство и эксплуатацию предприятий.

Вследствие изложенного требования к эффективности выбора технологии и техники ГПЗ существенно возрастают.

Для оптимизации технологий и техники переработки газа на всех указанных выше уровнях наряду с проведением эксперимен­ тов и промышленных обследований необходимо широкое привле­ чение современных методов математического моделирования и си­ стемного анализа технологических процессов, средств информа­ ционной и вычислительной техники с целью создания и промышлен­ ной реализации системы автоматизированного проектирования и оптимизации ГПЗ (САПРО—ГПЗ).

САПРО—ГПЗ включает следующее.

1. Целостный комплекс математических моделей всех процес­ сов и оборудования ГПЗ. В гл. 1 настоящего раздела были опи­ саны все модели, практически необходимые для расчетов процес­ сов и оборудования ГПЗ.

328

2.Целостный комплекс программ всех процессов и оборудова­ ния ГПЗ, разработанных на основании указанных моделей и реа­ лизующих эти модели.

3.Банк теплофизических свойств углеводородных систем и других веществ, необходимых при расчете процессов переработки газа.

4.Банк данных по оборудованию газоперерабатывающих заводов, который содержит исчерпывающие технические сведения

окаждом виде оборудования и аппаратуры, арматуры и приборов, позволяющие либо выбрать нужное оборудование, аппарат, арма­ туру, прибор, либо сделать вывод о необходимости разработки нового оборудования, нового аппарата, арматуры, прибора.

5.Банк экономических данных о применяемых в газопереработке оборудовании, аппаратуре, арматуре, приборах, материа­ лах, реагентах, энергоресурсах.

6.Организующий алгоритм, позволяющий либо при заданном порядке расчета рассчитать технологическую схему любой фикси­ рованной структуры, либо сам устанавливающий оптимальный порядок расчета и реализующий его.

7.Организующая программа, созданная на основании органи­ зующего алгоритма и реализующая его.

8.Математические модели и программы, обеспечивающие син­

тез технологических схем ГПЗ оптимальной структуры, в част­ ности на основании их эксерго-экономического анализа.

9. Обобщающая математическая модель, описывающая всю сложную систему «сбор нефтяного газа — межпромысловый транс­ порт газа — переработка газа». Основные расчетные задачи САПРО—ГПЗ показаны на рис. IV.35.

Оптимизация газоперерабатывающих заводов усложняется двумя факторами: многомерностью задачи поиска экстремума, сложностью расчета целевой функции ГПЗ, равной сумме опти­ мальных значений целевых функций для элементов завода. В ка­ честве целевой функции оптимизации для ГПЗ и его элементов принимают приведенные затраты

П3 = С + ЕК

где С — себестоимость продукции; Е — нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений, равный для газоперерабатывающей промышленности 0,17; К — капитальные вложения.

Алгоритмы расчета и оптимизации оборудования ГПЗ в свою очередь также сложны по составу. При разработке их приходится создавать тепловые, массообменные, гидромеханические, конструк­ тивные, экономические и другие модели, корректно описывающие работу оборудования. Для упрощения оптимизации сложных систем обычно применяют два взаимоисключающих подхода: 1) либо корректно и всесторонне рассматривают синтез и оптими­ зацию системы в целом, пренебрегая качеством моделей нижнего уровня (в частности, оборудования); 2) либо с помощью сложных и

32»

Рис. IV .35.

Классификация, иерархия и взаимосвязь задач оптимизации ГПЗ.

совершенных моделей осуществляют оптимизацию оборудования, не оптимизируя синтез системы в целом. Применительно к ГПЗ авторами предложено корректно и достаточно просто совместить оба подхода при оптимизации систем, в частности схем газопереработки на всех уровнях, т. е. и на нижнем, на уровне оборудова­ ния, и на верхних уровнях режимов, структур, технологических

330