Интенсификация процесса улавливания тонкодисперсной фазы при разделении газожидкостных систем

Приложение.dwg

Газожидкостная смесь
электроприводная задвижка
изолирующие фланцы или вставки
расширительная камера
клапан регулирующий "до себя
клапан регулирующий "после себя
Условные обозначения
МД 17.40-461-806.18.04.02.04.02СТ
Установка промысловой подготовки нефти Схема технологическая
МД 17.40-461-806.18.04.02.04.06
Перспективные разработки
- корпус; 2 - устройство подачи; 3 - патрубок отвода жидкости; 4 - газоотвод; 5 - отсекающая тарелка; 6 - отверстие тарелки; 7 - отражатель; 8 - ребра; 9 - центральная пружина Рисунок 1 - Схема центробежного сепаратора (ПМ 155459
– входной патрубок; 2 – цилиндрическая часть корпуса; 3 – выходной патрубок; 4 – коническая часть корпуса; 5 –бункер; 6 – манжета; 7 – пружина; 8 – балка; 9 – дополнительная труба i2.3625
Рисунок 2 - Схема циклона (Заявка №2016143270
Для камеры уровнемера
Техническая характеристика q*;1 Аппарат предназначен для разделения газожидкостной смеси 2 Объем аппарата номинальный 3
м³ 3 Производительность 3350 м³ч 4 Рабочее давление 0
МПа 5 Температура среды не более 100°С 6 Среда в аппарате - газоконденсатная смесь
в том числе с содержанием HS и CO до 6% об.
Технические требования 1 Газосепаратор должен изготавливаться в соответствии с требованиями ОСТ 26-02-2059-79
техническими требованиями ОСТ 26-291-94 документацией
утверждённой в установленном порядке 2 Выбор сварочных материалов при изготовлении газосепараторов и контроль сварных швов в зависимости от материального исполнения и условий эксплуатации газосепараторов производить в соответствии с ОСТ 26-291-94 3 Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в горизонтальном положении под давлением 0
в вертикальном - наливом 3 Требования к материалам
виды их испытаний должны соответствовать ОСТ 26-291-94 4 Материал аппарата - сталь 20 ГОСТ 5520-79; материал труб сливных
подогревателя 1012 ГОСТ 4543-71 5 *размеры для справок
МД 17.40.-461-806.18.04.02.04.11СБ
Газосепаратор центробежный Чертеж общего вида
Для теормопреобразователя
Для манометра показывающего
Для указателя уровня
Центробежный газосепаратор Эффективность разделения газодисперсных систем в центробежном сепараторе повышается за счет прикрепления к газоотводящей трубе цилиндрической пружины
на которой свободно подвешены
отсекающая тарелка и отражатель. Коэффициент жесткости пружины: i0
где k - коэффициент упругости пружины
Нм; М - масса отсекающей тарелки
кг; m - масса отражателя
кг; с - скорость звука в очищаемом газе
мс; h - высота корпуса
Вибрация поверхностей и режим растяжения-сжатия пружины с большой амплитудой приводит к тиксотропному разжижению жидкостей
уменьшению их эффективной вязкости
что уменьшает возможность зависания капель жидкости на этой поверхности и повышает производительность.
Циклон Разработана конструкция циклона для улавливания твердых частиц и капель жидкости из газового потока
которая позволяет уменьшить энергозатраты за счет создания резонансного режима работы циклона. Выполнение дополнительной трубы над выходным патрубком переводит режим работы циклона в резонансный. Длина дополнительной трубы: i3.5458
где l - длина дополнительной трубы
м; - число Архимеда; m - масса циклона с балкой
уловленными частицами
каплями и дополнительной трубой
кг; а - упругость пружины
Нм; ln - длина осевого выходного патрубка
s*; Это приводит к вибрации циклона с большой амплитудой
под действием которой слой уловленных частиц и капель на стенках циклона снижает свою эффективную вязкость
разрушается и непрерывно удаляется из циклона в бункер без использования дополнительных устройств."

Интенсификация процесса улавливания тонкодисперсной фазы.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Волгоградский государственный технический университет»
Факультет Химико-технологический
Кафедра «Процессы и аппараты химических и пищевых производств»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к магистерской диссертации на тему
«Интенсификация процесса улавливания тонкодисперсной фазы при
разделении газожидкостных систем»
Направление: «Энерго- и ресурсосберегающие процессы .
в химической технологии нефтехимии и биотехнологии» .
Теоретические основы процесса9
1 Классификация неоднородных систем и основные методы разделения9
2 Механизмы разделения неоднородных систем10
3 Выбор метода разделения18
Аппаратурное оформление процесса разделения газовых и жидкостных неоднородных систем в центробежном поле19
1 История развития процесса газоочистки и классификация газосепараторов19
2 Перспективные направления совершенствования конструкции газосепараторов28
3 История развития и классификация гидроциклонов38
Описание технологической схемы процесса газосепарации при промысловой подготовке нефти44
Технологический и конструктивный расчет газосепаратора48
1 Технологический расчет основных параметров аппарата48
2 Расчет геометрических размеров и определение толщин стенок основных элементов газосепаратора50
Экспериментальные исследования процесса разделения жидких неоднородных систем55
1 Определение гидравлической крупности частиц тонкодисперсной фазы55
2 Экспериментальные исследования в центробежном поле61
Математическое моделирование экспериментальных данных по разделению систем70
Предлагаемые новые технологические решения усовершенствования технологического оборудования76
Обеспечение безопасности и экологичности производственного процесса79
1 Производственная безопасность79
2 Экологическая безопасность проектируемого производства88
3 Обеспечение устойчивой работы промышленного предприятия в условиях чрезвычайных ситуаций90
Технико-экономическое обоснование проектного решения92
1 Стоимость зданий и сооружений92
2 Стоимость оборудования92
3 Расчет численности промышленно-производственного персонала94
4 Определение себестоимости продукции95
5 Расчет потребности в оборотных средствах101
6 Определение экономической эффективности проектируемого предприятия102
Результативность разработок и исследований108
Список использованных источников111
Разделение гетерогенных газожидкостных систем – наиболее распространенные процессы в нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности а также в различных теплоэнергетических системах. Разработка высокоэффективной техники разделения гетерогенных потоков – сепараторов пылеуловителей гидроциклонов и др. обеспечивает защиту технологических установок от загрязнений повышает эффективность ведения процессов и экологическую чистоту производств.
Проблемы повышения эффективности и надежности сепарационного оборудования являются одними из ключевых в решении задач по улучшению работы промышленных теплоэнергетических систем установок по подготовке и переработке жидких и газообразных многокомпонентных углеводородных продуктов уменьшения энергопотребления технологических установок габаритов и массы оборудования составляющих основные статьи ресурсосбережения в промышленности.
На современных производствах где технологические режимы подвержены колебаниям по производительности рабочему давлению соотношению фаз и т.д. должна обеспечиваться высокая эффективность сепарации.
Наиболее перспективным видом оборудования является аппараты и устройства в которых для разделения гетерогенных смесей используются центробежные силы.
Целью работы является интенсификация процесса разделения газожидкостных систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– изучить теоретические основы процесса выделения тонкодисперсной фазы из газовых и жидкостных гетерогенных систем;
– провести анализ научно-технической и патентной литературы для оценки современного состояния проблемы;
– разработать перспективные конструкции аппаратов для разделения гетерогенных газожидкостных систем;
– рассмотреть технологическую схему промысловой подготовки нефти как пример включения газосепаратора в технологический процесс;
– провести расчет основных технологических параметров и геометрических размеров аппарата;
– разработать методику проведения экспериментальных исследований и экспериментальную установку для изучения процесса улавливания тонкодисперсной фазы из жидкостного потока;
– рассмотреть экологичность и промышленную безопасность производства;
– рассчитать технико-экономические показатели производства.
Теоретические основы процесса
1 Классификация неоднородных систем и основные методы разделения
Неоднородные (гетерогенные) системы – это системы состоящие из двух и более фаз которые практически не смешиваются и не реагируют химически друг с другом. Неоднородные системы состоят из дисперсной т.е. распределенной внутренней фазы и дисперсионной среды – сплошной внешней среды в которой во взвешенном состоянии находятся частицы дисперсной фазы [53]. Разновидности дисперсных систем представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Разновидности дисперсных систем
Название дисперсной системы
взвешенные твердые частицы
взвешенные капли другой жидкости
аэрозоли (дымы и пыли)
взвешенные капли жидкости
Суспензии и аэрозоли могут быть классифицированы в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы (таблицы 2 3).
Таблица 2 – Классификация суспензии в зависимости от размера взвешенных твердых частиц
Размер твердых частиц мкм
Таблица 3 – Классификация суспензии в зависимости от размера взвешенных твердых частиц
Для большинства технологических процессов необходимо разделение дисперсных систем. Наибольшее распространение в химической технологии получили механические методы разделения неоднородных систем. Основными методами разделения являются осаждение и фильтрование (рисунок 1). Для разделения тонкодисперсных систем применяют коагуляцию и флотацию.
Рисунок 1 – Классификация механических методов разделения
2 Механизмы разделения неоднородных систем
Дисперсная фаза состоит из мельчайших частиц–зародышей которые продолжают увеличиваться посредством коагуляции иили конденсационного роста и агломерации. Рост частиц происходит до определенных размеров и определяется множеством обстоятельств: расходом гетерогенной смеси размерами и конструкцией трубопровода содержанием тонкодисперсной фазы в сплошной среде физико-химическими свойствами фаз наличием или отсутствием изменений термобарических условий (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема первой стадии процесса разделения – слипание частиц
В аппарате происходит отделение образовавшихся агломератов из среды. Для этого используются различные устройства в которых происходит выделение частиц из сплошной среды под действием силы тяжести инерции или адгезии (рисунок 3). При сепарации жидкости (дегазация выветривание) происходит выделение образовавшихся пузырьков газа из жидкости. В динамике процесс выделения одной фазы из другой протекает не полностью т.е. существует капельный и пузырьковый унос [16].
а – осаждение под действием силы тяжести; б – осаждение под действием центробежных сил; в – осаждение с помощью сетчатой решетки;
г – осаждение под действием сил инерции
Рисунок 3 – Схема второй стадии процесса разделения – осаждение
2.1 Гравитационное осаждение
Разделение происходит за счет сил тяжести а эффективность разделения тем выше чем больше размер и масса частиц.
Если плотность дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды то взвешенные частицы под действием силы тяжести оседают на дно. Если же плотность взвешенных частиц меньше плотности жидкости то они всплывают вверх под действием силы которая определяется по закону Архимеда.
Скорость осаждения частиц в жидкой среде определяется по формуле Стокса:
где с и 0 – динамическая вязкость неоднородной системы и очищенной жидкости Па·с;
с0 – объемная концентрация взвешенных частиц кгм3;
– объемная доля жидкой фазы;
d – диаметр частицы м;
ρтв и ρ – плотность соответственно твердых частиц и чистой воды кгм3.
При гравитационном осаждении частиц аэрозолей создаётся соответствующий режим движения загрязненного воздуха в аппарате с учетом размера частиц их плотности и т. д.
2.2 Осаждение в электрическом поле
Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом и электризации взвешенных в газе частиц. Проходя электрическое поле частицы аэрозолей получают заряд. Двигаясь к электродам противоположного знака они осаждаются на них.
2.3 Разделение за счет сил инерции
Инерционное осаждение основано на том что частицы аэрозолей и взвешивающая среда ввиду значительной разности плотностей обладают различной инерцией. Аэрозольные частицы двигаясь по инерции отделяются от газовой среды. К основным представителям инерционных сухих пылеуловителей относят жалюзийные устройства циклоны одиночные и групповые мультициклоны [78].
При разделении неоднородных систем в аппаратах на пути потока устанавливаются пакеты пластин улавливающие частицы дисперсной фазы. Наиболее распространены пластины уголковые желобчатые жалюзийные с карманами для сбора частиц жалюзийные с переменными геометрией и сечением каналов.
2.4 Разделение в центробежном поле
Разделение неоднородных систем в центробежном поле с физической точки зрения можно рассматривать как процесс свободного или стесненного осаждения взвешенных частиц в сплошной среде под действием центробежного силового поля. Взвешенные частицы могут быть твёрдыми или жидкими. В первом случае процесс осуществляют в центрифугах а во втором – в сепараторах [77].
Иллюстрацию того как радиальная скорость влияет на траекторию движения частиц можно увидеть на рисунке 4.
Здесь сплошная фаза с уносимыми дисперсными частицами поступает в верхнюю часть аппарата и закручивается. В результате действия центробежной силы и силы тяжести частица движется по дугообразной траектории [76].
Рисунок 4 – Траектория движения тонкодисперсной частицы под действием центробежной силы и силы тяжести
Рассмотрим процесс разделения в центробежном поле на примере гидроциклонов и газосепараторов.
В гидроциклоне когда в него тангенциально поступает разделяемая смесь через входной патрубок и приобретает круговое движение возникают значительные центробежные силы которые во много раз превышают силу тяжести и под действием которых более тяжелая фаза движется от оси гидроциклона к его стенкам по спиральной траектории вниз и через нижнюю насадку выбрасывается из гидроциклона (рисунок 5) [21]. Более легкая фаза движется во внутреннем спиральном потоке направленном вверх и выбрасывается из гидроциклона через патрубок для отвода верхнего продукта [74]. Вблизи оси гидроциклона центробежные силы настолько сильно возрастают что появляется воздушный столб из-за разрыва жидкости.
Твердая частица поступая в гидроциклон вместе с потоком пульпы вовлекается во вращательное движение вокруг оси гидроциклона; одновременно частица двигается в осевом и радиальном направлениях со скоростью зависящей от соотношения между действующими на нее силами [1].
– крупнодисперсные частицы; 2 – мелкодисперсные частицы; 3 – частицы вовлеченные во вращательное движение
Рисунок 5 – Схема движения частиц дисперсной фазы в гидроциклоне
Чем тоньше частицы и чем меньше разница между их плотностью жидкой фазы пульпы (воды) тем ближе совпадают траектории их движения с линиями тока жидкости. Самые тонкие частицы движутся в гидроциклоне почти так же как частицы жидкости и распределяются между песками и сливом в том же соотношении что и жидкость.
На частицу в гидроциклоне действуют:
силы динамического давления жидкости и трения на
поверхности раздела частица-жидкость зависящие от
кинематической и турбулентной вязкости;
архимедова сила зависящая от плотности суспензии;
подъемная сила возникающая в турбулентном потоке;
силы связанные с турбулентной вязкостью;
силы сопротивления возникающие при ударе о другие частицы и о стенки гидроциклона.
Для процесса разделения в гидроциклоне характерны большие скорости жидкости которая подается в аппарат под давлением что объясняет появление турбулентных пульсаций и вихрей. Течение жидкости носит турбулентный характер. Небольшие частицы вовлекаются с тем или иным отставанием по фазе и амплитуде в пульсационное движение среды и совершают вместе с ней интенсивное диффузионное перемещение по потоку.
Сепарация газа может быть основана на изменении термодинамического равновесия газового (газоконденсатного) потока вследствие снижения температуры и давления; на способе гравитационного разделения фаз потока происходящего за счёт разности плотностей газа капельной жидкости и твёрдых механических примесей; на инерционном разделении фаз газового (газоконденсатного) потока за счёт действия центробежной силы при тангенциальном вводе потока вгазовый сепараторили вследствие изменения направления потока в самомсепараторепри радиальном вводе потока [2 3].
В конструкциях сепараторов отделение газа от жидких и твёрдых примесей основано на выпадении частиц при малых скоростях движения газового (газоконденсатного) потока в результате действия сил тяжести или инерционных (центробежных) сил возникающих при криволинейном движении потока [9].
На реальных установках комплексной подготовки газа сепаратор является аппаратом для физического разделения газожидкостной смеси на фазы. Изменение термобарических условий при которых нарушается фазовое равновесие сопровождаемое выделением из газа жидкости или наоборот происходит до сепараторов: в теплообменниках запорно-регулирующей арматуре эжекторах инжекторах различного рода охлаждающих устройствах включая детандеры в местах смещения различных потоков в том числе при подаче различных реагентов [49 57].
В современной сепарационной технике как правило используется комбинация устройств с различными принципами действия. Это позволяет повысить степень разделения фаз. Но о стопроцентной степени разделения можно говорить с некоторой долей допущения лишь при очень незначительных объемных расходах на входе аппаратов. Практически расходы через аппараты значительно больше а значит больше и унос. При подготовке газа наибольшую проблему создает унос капельной жидкости. Унесенный жидкостью газ по существующей в настоящее время технологии как правило возвращается в газопровод. Унос жидкости с газом безвозвратен [61].
В настоящее время хорошим качеством сепарации газа считается унос жидкости порядка 1020 граммов на 1000 нм3 газа. Косвенно о величине уноса капельной жидкости с товарным газом говорит превышение точки росы газа сепарации над температурой в концевом сепараторе (при условии равенства давлений). Практически при хорошем качестве сепарации точка росы по углеводородам выше температуры в концевом сепараторе на 5÷7ºС. При идеальной сепарации она будет равна температуре сепарации. Величина капельного уноса зависит от множества факторов основными из которых можно считать расход конструкцию сепаратора и его размеры условия каплеобразования в подводящем трубопроводе термобарические условия и физико-химические свойства сепарируемой газожидкостной смеси. Предсказать величину капельного уноса при изменении одного или нескольких вышеупомянутых факторов можно либо экспериментально либо путем создания гидродинамических моделей процессов и аппаратов подготовки газа и газового конденсата. Первый вариант является чрезвычайно трудоемким и затратным. Кроме того экспериментальное изучение не всегда возможно и не универсально по своей сути. Напротив математическое моделирование с опорой на экспериментальные данные и с использованием компьютерных технологий позволяет успешно решать данную задачу [12 13].
3 Выбор метода разделения
Механизмы осаждения взвешенных частиц подразделяются на гравитационный инерционный зацепления диффузионный центробежный и электростатический. Выбор механизма разделения зависит от плотности и размеров улавливаемых частиц. Частицы размерами менее 50 мкм наиболее эффективно улавливаются в центробежных аппаратах и различными фильтрами. Причем за счет центробежных сил могут улавливаться частицы с размерами до 1 мкм а в фильтрах до 001 мкм и менее [14 33 60 62]. Учитывая эти обстоятельства ниже рассмотрены конструкции аппаратов сочетающие центробежное разделение с другими механизмами [28 35 43].
Многие существующие устройства сепарации с использованием одного принципа разделения обычно громоздки имеют высокую стоимость оборудования низкую эффективность разделения требуют высокого расхода энергии и высоких эксплуатационных расходов
Повышение точности и эффективности разделения реализуется в конструкциях комбинированных аппаратов.
Аппаратурное оформление процесса разделения газовых и жидкостных неоднородных систем в центробежном поле
1 История развития процесса газоочистки и классификация газосепараторов
В дореволюционной России природный газ не использовался хотя отмечалось его наличие. Только после Октябрьской революции 1917 года советское правительство поставило задачу о возможностях использования газа добываемого вместе с нефтью. До конца 30-х годов 20-го века Советская Россия не имела самостоятельной газовой промышленности она была сопутствующей нефтяной промышленности а месторождения газа открывались исключительно в процессе разведки и добычи нефти.
Разведка газовых месторождений началась в 1939 году в Саратовской области: в 1940-м году нашли газ а в 1941-м году была поставлена первая рабочая скважина. Нехватка топлива возникшая в начале Великой Отечественной войны 1941 – 1945 гг.. заставила с максимальной интенсивностью заняться разведкой и добычей природного газа. Уже в 1941 году в Саратовской и Куйбышевской областях началась промышленная добыча природного газа. Суточная производительность одной газовой скважины равнялась 800 тыс. м3 газа. Эксплуатация этих месторождений положила начало газовой индустрии [29].
Со временем бурный рост темпов развития газодобывающей и перерабатывающей промышленности привел Россию на первое место в мире по добыче газа.
Одной из важнейших стадий переработки природного и попутного газа является его очистка от механических примесей и капельной влаги.
Конструкции и принцип работы современных центробежных газосепараторов основаны на циклонном процессе. Циклонный процесс получил свое название отциклонов – аппаратов для отделения пылей.Применяют циклонный процесс и для отделения от газа капель жидкости.
Идея центробежного разделения веществ была выдвинута в 1877 году Делавалем он продемонстрировал возможность отделения сливок от молока. Он обнаружил что путем вращения чана с молоком с частотой 6000 обмин приводимого в движение с помощью ременной передачи от парового двигателя можно быстро отделить частицы жира составляющие около 9% объема молока. Затем можно было снять сливки в верхней части чана и удалить обезжиренное молоко из его нижней части.
В начале ХХ века в США возникает идея использования центробежных сил для очистки газов от механических примесей. В 1886 году американский инженер О. М. Мерсе предлагает конструкцию циклона-пылеулавителя которая позволяет удалять твердые частицы из газа с помощью закручивания потока в корпусе аппарата.
Первый циклон состоял из цилиндро-конического корпуса тангенциального входного патрубка и штуцеров для отвода очищенного газа и выведения механических примесей в сборник для пыли. Аппарат работал в непрерывном режиме однако выгрузка механических примесей из приемного бункера осуществлялась периодически по мере его заполнения.
В основе работы аппарата заложен принцип использования центробежной силы которая возникает во время закручивания потока газа в корпусе аппарата. Под действием этой силы твердые частицы отбрасываются к стенке циклона и осаждаются в пылесборник а очищенный газ удаляется через верхний патрубок. Основными достоинствами данного аппарата являются простота и надежность конструкции а также отсутствие вращающихся частей что делает процесс очистки энергоэффективным.
Большой вклад в изучение аппаратов с закрученными потоками внес инженер Майзель который описал работу циклона следующим образом: «Работа циклона основана на центробежной силе. В цилиндрический сосуд с коническим дном подается по касательной с большой скоростью газ. Взвешенные частицы в результате вращения газа отбрасываются к стенкам и падают вниз а газ уходит вверх через центрально расположенную трубу. При меньших размерах взвешенных частиц степень очистки в циклоне значительно падает. Для уменьшения завихрения циклонам придают вид простой или сложной улитки».
Для нефтеперерабатывающей промышленности была предложена конструкция циклонного аппарата с радиальным вводом потока газа. Изобретателем этой конструкции был Файфель. Особенность его изобретения заключается в том что газ с твердыми примесями подается в аппарат через тангенциальное отверстие расположенное в средней части корпуса циклона. Очищенный газ отводится через отверстие находящееся в верхней крышке аппарата. В ходе такого разделения происходит концентрирование механических примесей а затем эта пыль отводится через щелевые отверстия в торцевых крышках. Основным недостатком такой конструкции является низкая надежность аппарата из-за быстрого забивания отверстий для отвода концентрата пыли [54].
Современные центробежные газосепараторы имеют сходную конструкцию. Газ содержащий капли жидкости поступает через тангенциальное входное отверстие в аппарат приобретая вращательное движение. За счет центробежных сил капли жидкости выносятся из потока газа и оседают на стенках аппарата и стекают в виде пленки вниз и выводится из аппарата через слив. Очищенный газ выходит в газоотводящую трубу в верхней части аппарата.
Газосепараторы — аппараты для отделения от газа жидкости (нефти углеводородного конденсата капельной влаги) и механических примесей. Газосепараторы являются обязательным элементом любой технологической схемы подготовки нефти на промыслах и газа устанавливаются на компрессорных станциях сборных и газораспределительных пунктах [32 48].
В зависимости от вида обрабатываемой продукции газосепараторы делятся на газонефтяные (применяют для разделения нефти и нефтяного газа) и газовые (для отделения природного газа от капель и пленки конденсата воды и твердых частиц). Сепараторы классифицируются по основным функциональным и конструктивным признакам (рисунок 6).
Рисунок 6 –Классификация сепараторов по основным функциональным и конструктивным признакам
Газосепараторы как правило имеют следующие секции: ввода газожидкостной смеси обеспечивающую равномерное ее распределение в аппарате и максимальное отделение крупных капель жидкости; отстойную предназначенную для коагуляции мелких капель жидкости и их отделения; каплеуловительную обеспечивающую окончательную очистку газа и заданную эффективность сепарации; сбора отсепарированной жидкости [67].
Основным параметром характеризующим степень отделения жидкости от газа является коэффициент эффективности равный отношению количества Qул жидкой фазы уловленной в газосепараторе к количеству Qвх жидкой фазы содержащейся в потоке газа на входе в аппарат ( = Qул Qвх) [48].
Газосепаратор может быть выполнен как автономный аппарат или как встроенная секция вертикальных колонных аппаратов многофункционального назначения.
В газонефтяной смеси поступающей на центральный пункт сбора содержится значительное количество механических примесей. В этих условиях наиболее рационально применение вертикальных сепараторов имеющих хороший естественный сток. Эллиптическое днище этих сепараторов обеспечивает сток жидкости и твердых примесей в нижнюю часть аппарата и их отвод в дренажную систему. Кроме того в вертикальных сепараторах удобно регулировать уровень жидкости. Такие сепараторы требуют мало места для установки однако значительная высота создает трудности при монтаже и эксплуатации [51].
Наиболее важной является классификация по механизму осаждения взвешенных частиц.
Гравитационные газосепараторы просты по конструкции но громоздки и металлоемки. Эффективность разделения газожидкостного потока в таких газосепараторах тем выше чем больше размер капель жидкости в газовом потоке и ниже его скорость ( = 75 ÷ 90 % скорость газа vг= 005 ÷ 02 мс). В гравитационных сепараторах [26] представляющих собой большие горизонтальные или вертикальные емкости разделение фаз происходит за счет силы тяжести. Поскольку размеры капель попадающих в сепаратор из подводящего трубопровода малы то для их эффективного удаления из потока только за счет силы тяжести требуется длительное время и как следствие этого сепараторы имеют большие размеры.
Наиболее распространены в промышленности инерционные сетчатые и центробежные газосепараторы.
Инерционные газосепараторы ( = 95 ÷ 99 % скорость газа
vг= 02÷10 мс) различаются конструкцией пакетов пластин их компоновкой и конфигурацией а также расположением патрубков входа и выхода газа (рисунок 7). Для повышения производительности сепараторов пакеты пластин могут быть двухсекционными [68].
а – общий вид; б-д – типы каплеуловительной насадки; б – уголковая;
в – желобчатая; г – жалюзийная с карманами для сбора частиц;
д – жалюзийная с переменными геометрией и сечением каналов;
– корпус; 2 – распределительное устройство; 3 – пакеты каплеуловительной надасадки; 4 – труба для отвода жидкости; 5 – успокоительная решетка
Потоки: I – исходный газ II – очищенный газ III – жидкость
Рисунок 7 – Инерционный газосепаратор
Перспективны струнные пакеты представляющие собой набор рамок с намотанной на них проволокой диаметром 03 ÷ 05 мм. Основное их применение – предварительное отделение газа от жидкости. В промышленности инерционные газосепараторы используют на установках низкотемпературной сепарации в качестве входных промежуточных и концевых ступеней сепарации [51].
Коэффициент эффективности сетчатых газосепараторов (рисунок 8) определяется в основном конструкцией сетчатых пакетов их расположением в корпусе аппарата и может достигать 995 ÷ 998 % при скоростях газа в 3 ÷ 5 раз больших чем в гравитационных.
– корпус; 2 – сетчатый коагулятор; 3 – сетчатый отбойник (демистер);
– успокоительная решетка
Потоки: I – исходный газ; II – очищенный газ; III – жидкость
Рисунок 8 – Сетчатый газосепаратор
Высокая эффективность этих газосепараторов обусловливается большой поверхностью контакта сепарирующих элементов с газожидкостным потоком. Вертикальные сетчатые газосепараторы применяют на промыслах в качестве концевых сепараторов в установках низкотемпературной сепарации промежуточных и концевых сепараторов при очистке газа от жидкости перед подачей его на факел [32].
В центробежных газосепараторах для преобразования поступательного движения потока во вращательное используют завихрители (рисунок 9). Основным преимуществом их является высокая рабочая скорость газа в корпусе центробежного элемента [68]. Благодаря действию центробежных сил из газового потока можно выделить капли жидкости диаметром более 10 ÷20 мкм. Коэффициент эффективности газосепаратора при высоком давлении колеблется от 80 до 99 %.
а – с регулируемым завихрителем; б – с центробежными прямоточными элементами; 1 – корпус; 2 – сетчатый отбойник; 3 – труба для отвода очищенного газа; 4 – диафрагма; 5 – регулируемый завихритель;
– центробежные прямоточные элементы; 7 – труба для отвода жидкости;
Рисунок 9 – Центробежные газосепараторы
Отдельные конструкции оснащены регулируемым завихрителем предназначенным для поддержания эффективной скорости сепарации при изменении производительности и давления в некоторых используют прямоточные центробежные элементы. Центробежные элементы снабжены каналами рециркуляции и могут обеспечить эффективную очистку газа при их расположении как горизонтальном так и вертикальном (с движением потока сверху вниз или снизу вверх). Применяют в основном в качестве входных и промежуточных ступеней очистки на установках промысловой подготовки газа а также на магистральных газопроводах [32 48].
На сегодняшний день известно большое количество различного типа конструкций сепарационной техники которая обеспечивает решение локальных задач по разделению гетерогенных смесей. В таблице 4 приведены примеры использования сепарационной техники в зависимости от содержания жидкости или капельной влаги в газе [17].
Таблица 4 – Область применения аппаратов в зависимости от содержания жидкости в газовом потоке и режима течения
Содержание жидкости более 200 мгнм3
Содержание жидкости до 200 мгнм3
Крупно-дисперс-ные примеси
Мелко-дисперсные примеси
Пустотелые аппараты (гравитацион-ная сепарация)
Разделители с тонкослойной насадкой
Жалюзийные сепараторы
Инерционные сепараторы
Центробежные сепараторы
Наибольший интерес для дальнейших исследований представляет центробежный газосепаратор так как его конструкция наиболее универсальна проста для модификаций и аппарат работает в широком диапазоне производительности [15].
2 Перспективные направления совершенствования конструкции газосепараторов
В нефтяной промышленности для отделения попутного газа от нефти широко используется сепарационное оборудование.
При эксплуатации сепарационного оборудования возможны потери нефти. Потери нефти из-за несовершенства сепарационного оборудования в основном связаны с тем что в сепараторах не всегда удается снизить унос нефти вместе с газом до минимума в результате чего газ вместе с частью нефти может поступать в негерметичные резервуары.
Сепараторы для разделения газожидкостных систем обладают рядом недостатков таких как недостаточная эффективность и производительность разделения газа и жидкости большая металлоемкость низкая ремонтопригодность и надежность работы аппарата [27].
Повышение эффективности работы сепараторов достигается за счет различных конструктивных изменений и новых технических решений. Так например в газосепараторе простейшей конструкции (рисунок 10) в нижней части аппарата установлен стакан внутренняя полость которого сообщена снизу с патрубком вывода отстоя.
Верхние края стакана оснащены экранирующей пластиной выполненной с небольшим наклоном вниз от верхних краев стакана к стенкам корпуса. Небольшой угол наклона экранирующей пластины к корпусу позволяет обеспечить наиболее интенсивное отделение газа на экранирующей пластине за счет тонкопленочного течения газожидкостной смеси что обеспечивает вторую ступень сепарации газа [36].
– корпус; 2 – перегородка; 3 – тангенциальный вход; 4 – осевая труба;
– осевой выходной патрубок; 6 – экранирующая пластина;
– рециркуляционная труба; 8 – сливной патрубок; 9 – патрубок вывода отстоя; 10 – отстойная камера; 11 – стакан; 12 – зазор от пластины;
– зазор от перегородки; 14 – воронка; 15 – камера; 16 – полость аппарата;
– зазор; 18 – трубка
Рисунок 10 – Схема центробежного газожидкостного сепаратора
В газосепараторе процесс отделения капель жидкости может проходить в несколько стадий. Например в аппарате с ударно-инерционным устройством [39] на первом этапе капли отделяются за счет удара об отбойник затем за счет центробежной силы внутри устройства и на третьем этапе за счет расширения газа и силы тяжести (рисунок 11).
В таком аппарате газ содержащий аэрозольные жидкие и твердые частицы через входной патрубок 2 поступает в корпус 1 и ударяется в отбойник 9 так происходит начальный этап отделения жидких и твердых частиц и делится на два потока. Один поток заходит в верхнюю секцию 6 центростремительного сепарационного узла 5 и закручивается ее лопатками 16 против часовой стрелки.
– вертикальный корпус; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок;
– сливной патрубок; 5 – центростремительный сепарационный узел;
– верхняя; 7 – нижняя секция; 8 – центральная труба; 9 – отбойник;
– горизонтальная сегментная перегородка; 11 – отверстие;
13 – сплошные перегородки - вертикальная и горизонтальная;
– полость неочищенного газа; 15 – полость очищенного газа
Рисунок 11 – Схема газосепаратора с ударно-инерционным устройством
Другой поток заходит в нижнюю секцию 7 и лопатками закручивается по часовой стрелке. Инерционные силы возникающие в результате раскрутки а также столкновение двух противоположно закрученных потоков вызывают отделение основной массы жидких и твердых аэрозолей. Дополнительное отделение аэрозолей от газа происходит при его расширении когда он выходит из верхней 6 и нижней 7 секций.
Образовавшаяся жидкость с присутствующими в ней твердыми частицами (пульпа) под действием сил гравитации стекает по внутренним стенкам центральной трубы 8. Третий этап отделения аэрозолей происходит за счет адиабатического расширения газа выходящего из центральной трубы 8 в полость очищенного газа 15.
Очищенный газ выходит через выходной патрубок 3 а пульпа удаляется через сливной патрубок 4.
Многие существующие устройства сепарации газ-жидкость с использованием одного принципа разделения обычно громоздки имеют высокую стоимость оборудования низкую эффективность разделения требуют высокого расхода энергии и высоких эксплуатационных расходов
Повышение точности и эффективности разделения реализуется в конструкциях комбинированных сепараторов.
В патенте [41] разработана конструкция комбинированного газожидкостного сепаратора с перегородками который имеет простую структуру прост в изготовлении его легко мыть легко подключать и т.д. (рисунок 12).
– загрузочное отверстие; 2 – колонна; 3 – модуль разделяющих перегородок; 4 – направляющая труба; 5 – сборник жидкости; 6 – сток;
– штуцер выхода жидкости; 8 – распределительное устройство;
– разделяющее сито; 10 – катетер; 11 – перегородка
Рисунок 12 – Эскиз комбинированного газожидкостного сепаратора с перегородками
Авторы указывают следующие преимущества использования перегородок: нижняя перегородка снабжена отдельным катетером поэтому разделение происходит избегая нижней части перегородки где идет сбор жидкости; с использованием перегородки разделяющей каплеотбойник который улавливает газоконденсат содержанием менее 10 гт улучшается разделение газовой и жидкой эффективности и точности сепарации.
Другая конструкция комбинированного газосепаратора представлена на рисунке 13 [35]. Как показал анализ работы различных по конструкции сепараторов эффективность их работы может быть значительно повышена за счет более рационального подвода очищаемого газа к сепарационным устройствам. Были проведены исследования и расчеты [2] в результате которых можно сделать вывод что наиболее рациональным является размещение под тарелкой с прямоточно-центробежными сепарационными элементами газораспределительного устройства. Размещение расширяющегося по ходу потока очищаемого газа диффузорного осесимметричного канала позволяет резко повысить турбулентность потока газа на участке от патрубка входа неочищенного газа до входного сечения газораспределительного устройства. Далее подача газа по осесимметричному расширяющемуся по ходу потока каналу позволяет дополнительно выровнять профиль скоростей. Установленные в газораспределительном устройстве направляющие решетки оказывают дополнительное стабилизирующее воздействие на поток газа.
Рассматриваемый газосепаратор работает следующим образом. Неочищенный газ через патрубок 2 подается в корпус 1 и поступает под газораспределительное устройство 9. Далее через газораспределительное устройство 9 неочищенный поток газа поступает в прямоточно-центробежные сепарационные элементы 7. В последних поток неочищенного газа разбитый на множество потоков закручивается что вызывает отделение от газа дисперсной фазы в частности примесей жидких сред. Отделившиеся примеси стекают с тарелки сепарационных элементов 7 в нижнюю часть корпуса и удаляются из корпуса через патрубок 4 выхода жидкости. Частично очищенный от примесей газ из прямоточно-центробежных сепарационных элементов 7 далее поступает в фильтрующую секцию 6 где в результате перемешивания отдельные потоки газа преобразуются в единый поток с достаточно равномерным градиентом скоростей.
– корпус; 2 – патрубок; 3 – патрубок выхода газа; 4 – патрубок выхода жидкости; 5 – входная фильтрующая секция; 6 – выходная фильтрующая секция; 7 – сепарационные элементы; 8 9 10 – газораспределительное устройство; 11 – решетка; 12 – полки; 13 – кольцевые сетчатые насадки;
– газораспределительная решетка
Рисунок 13 – Схема комбинированного газосепаратора
Далее этот поток газа поступает в кольцевые сетчатые насадки 13 где происходит окончательная очистка или что более правильно осушка газа от преимущественно жидкостных примесей. Осушенный газ выходит через патрубок 3 а отделившаяся жидкость с тарелок сливается в нижнюю часть корпуса и удаляется через патрубок 4.
Для расчета эффективности разработанного газосепаратора использовался энергетический метод [19]. Выполнены расчеты осушки газа (удаление жидкой дисперсной фазы) в разработанном сепараторе. Получено что для частиц размером более 2 ÷ 3 мкм эффективность при интенсивном гидродинамическом режиме составляет не менее 97 ÷ 98 % .
Аналогичный газосепаратор был разработан в Норвежском технологическом университете (NTNU). В газо-жидкостном сепараторе происходит каплеулавливание сетчатой насадкой под действием центробежных сил [76].
Разработан также комбинированный сепаратор осушки газов от капельной влаги обеспечивающий высокую эффективность очистки [43]. Технический результат достигается за счет того что в сепараторе введены внутренняя труба в которой последовательно расположены направляющая решетка секция нерегулярных металлических насадок трубки с ленточным завихрителем и сетчатый демистер (рисунок 14).
Направляющая решетка представляет собой проницаемую поперечную перегородку из металлического листа с отверстиями. В качестве контактных устройств в насадочной секции используются нерегулярные насадки «Инжехим-2000» [19 43 72].
Рассматриваемый сепаратор работает следующим образом. Исходная газожидкостная смесь поступает во внутреннюю трубу 1 сепаратора через патрубок 3. Далее смесь минуя направляющую решетку 4 где происходит выравнивание потока поступает на секцию нерегулярных насадок 5 где происходит укрупнение капель жидкости. После секции насадок смесь проходит через трубки с ленточным завихрителем 6.
– внутренняя труба; 2 – корпус; 3 – патрубок; 4 – направляющая решетка;
– нерегулярные насадки; 6 – ленточный завихритель; 7 9 – патрубки;
I – газ и жидкая фаза; II – газ; III – жидкая фаза
Рисунок 14 – Комбинированный сепаратор осушки газов от капельной влаги
Жидкая фаза осаждается на внутренней стороне стенок трубок за счет центробежной силы (при скорости газа Wг> 30 мс) созданной ленточным завихрителем и стекает в нижнюю часть аппарата под действием силы тяжести. Через патрубок 7 отделенная жидкость покидает аппарат. Очищенный газ через сетчатый демистер 8 предотвращающий вторичный унос жидкой фазы покидает внутреннюю трубу 1 и выходит из аппарата через патрубок 9.
Еще одним примером использования центробежных элементов в газосепараторе для окончательной очистки газа от жидкости является конструкция газожидкостного сепаратора представленная на рисунке 15 [38].
Газожидкостная смесь поступает в корпус 1 через патрубок входа 2 на распределитель 3 при этом поток теряет кинетическую энергию и отделяется от основной массы жидкости которая стекает в нижнюю часть корпуса 1.
– корпус; 2 – патрубок входа; 3 – распределитель; 4 – патрубок выхода газа; 5 – патрубок выхода жидкости; 6 – полотно; 7 – перевернутый усеченный конус; 8 – центробежный элемент; 9 – дренажные трубки;
– короб; 11 – воронкообразные элементы; 12 – днище короба;
– сливная труба; 14 – гидрозатвор
Рисунок 15 – Центробежный газожидкостный сепаратор
Затем газожидкостной поток поступая через тонкослойные каналы образованные воронкообразными элементами 11 проходит следующую ступень разделения на газ и жидкость и при выходе из каналов газ с остатками жидкости попадает в центробежные элементы 8. В центробежных элементах 8 от газа отделяются остатки жидкости и отсепарированный газ выводят через патрубок выхода 4 а жидкость сливается через дренажные трубки 9 на днище 12 короба 10 сюда же стекает жидкость скоагулированная и стекающая по воронкообразным элементам 11 далее эта жидкость через сливную трубу 13 и гидрозатвор 14 стекает в низ корпуса 1 и далее выводится через патрубок выхода 5.
Конструктивному усовершенствованию кроме формы аппарата и типов внутренних узлов и устройств подвергаются также узлы входа и выхода.
Доказано что эффективность сепарации зависит от конструкции входного и выходного патрубков. Об этом можно сделать вывод на основании опытных данных полученных в результате экспериментов в которых для одной и той же колонны использовались входные и выходные секции различных конструкций [79].
При определенных условиях выходной патрубок влияет на поведение потока внутри центробежного аппарата. Это в свою очередь может привести к плохому нарастанию закрученного потока в центральной части циклона и существенно уменьшить эффективность. Например при установке длинного изогнутого выходного патрубка эффективность сепарации увеличивается по отношению к эффективности при установке короткого патрубка [19].
3 История развития и классификация гидроциклонов
Идея использования центробежных сил с целью разделения была впервые опробована для решения задачи удаления пыли из воздушных потоков. В 1885 году были выданы первые американские и немецкие патенты на такие устройства (воздушные циклоны) компании Knickerbocker США.
В 1891 году E. Bretney получил свой первый патент на гидроциклон - предшественника всех современных гидроциклонов. Он имел тангенциальный ввод конус и песковую насадку закрытого типа поэтому было необходимо периодически разгружать ее от сгущенной суспензии. Этот первый гидроциклон был изготовлен из низкоуглеродистой стали и не имел никакого футеровочного слоя [23].
Между 1891 и 1939 годами были выдано сравнительно большое число патентов на различные конструкции гидроциклонов. Однако это не привело к их широкому коммерческому использованию. Одно из первых сведений о промышленном использовании гидроциклонных установок в это время было упоминание о гидроциклоне диаметром 16 метра который был установлен на фосфатной обогатительной фабрике в США в 1914г.
Первое широкое коммерческое использование гидроциклонов началось к концу 30-х годов XX века в бумажной промышленности с целью сепарации бумажной пульпы. И только в 1939 году Голландской государственной добывающей компанией (DSM) было начато использование гидроциклонов для очистки угля. В тоже время компанией Powell Duffryn из Великобритании были начаты испытания по использованию гидроциклонов в обогатительной цепочке перед грохочением. Этой же компанией был получен патент на гидроциклон со сменной песковой насадкой с целью противостояния абразивному износу.
Самый плодотворный период развития гидроциклонной тематики был с 1939 по 1948 годы когда компания DSM и M. G. Driessen совместными усилиями добились эффективного использования гидроциклонов в процессе обогащения угля. Также в 40-е годыгидроциклоныначали промышленно использоваться для очистки воды удаления твердых включений из буровых растворов а также для сгущения в процессе обогащения полезных ископаемых. В 1944 г. компания Humphrey Investment используя опубликованные научные работы M. G. Driessen изобрела центрифигу Humphrey – первый промышленный гидроциклон большого диаметра с цилиндрической частью так как первые гидроциклоны DSM не имели цилиндрической части вплоть до 1948г.
Следует отметить что патенты компании DSM были приобретены компанией Stamicarbon N. V. которая в свою очередь передала лицензию на производство гидроциклонов таким компаниям как Heyl Patterson для использования в процессе обогащения угля и Dorr (позже – Dorr Oliver) для использования в процессе обогащения других полезных ископаемых. Компания Dorr начала массовый выпуск своих гидроциклонов под маркой Dorrclone в 1948 г [23].
В то же время компания Stamicarbon продолжила свои исследования в этой тематике и в 1948 году получила патент на технологию использования гидроциклонов для разделения жидкостей а также патент на регулируемую песковую насадку гидроциклона выполненную из эластомерных материалов.
К концу 40-х годов когда интерес добывающих компаний к гидроциклонам стал расти другие компании кроме Dorr стали начинать производство гидроциклонов. Так в 1948 году American Cyanamid начала экспериментировать c гидроциклонами DSM маленького диаметра и продолжала свою работу в этом направлении вплоть до 1950 года когда передала все права на технологию Kelly Krebs. После чего он уволился из American Cyanamid и основал свою собственную компанию – Equipment Engineers (позже – Krebs Engineers) в Сан-Франциско Калифорния. Именно эта компания начиная с 50-х годов стала лидером в производстве гидроциклонов захватив рынок у компаний-пионеров в этой области - в первую очередь у Dorr Oliver. Тогда же в 50-х годах Krebs Engineers начинают экспериментировать с эвольвентым типом питания а также с различными видами резиновых футеровок гидроциклонов [47].
Следует отметить что принципиальная конструкция гидроциклонов значительно не изменилась с 50-х годов XX века. В СССР массовое производство гидроциклонов началось в 1959 году.
Классификация гидроциклонов по различным признакам представлена на рисунке 16 [46].
Рисунок 16 – Классификация газосепараторов
Рассмотрим основные типы конструкций газосепараторов.
Цилиндроконические гидроциклоны получившие наибольшее распространение в промышленности отличаются: числом выдаваемых продуктов (два или три); способом установки (вертикальные горизонтальные и наклонные); конструкцией верхней разгрузочной части когда верхний продукт отводится из цилиндрической части гидроциклона непосредственно через отводной патрубок или через промежуточную сливную камеру; способом установки и конструкцией питающего патрубка; конусностью (=5÷90°); относительной высотой цилиндрической части (02÷04 диаметра гидроциклона); конструкцией нижних насадок; материалами из которых изготавливается гидроциклон или футеровкой внутренней поверхности; способом регулировки работы гидроциклона (ручной или автоматический); способом отвода верхнего и нижнего продуктов (под уровень отводимых продуктов или свободный).
Цилиндроконические гидроциклоны бывают [17] безнапорные (открытые) и напорные. Безнапорные используются для выделения оседающих и грубодисперсных всплывающих примесей. Напорные гидроциклоны используются для сгущения шламов образующихся на сооружениях механической очистки сточных вод (рисунок 17а).
а – цилиндроконический гидроциклон: 1 – питающий патрубок; 2 – сливной патрубок; 3 – цилиндрическая часть корпуса; 4 – коническая часть корпуса;
– шламовый патрубок; 6 – шламовый бункер;
б – цилиндрический гидроциклон: 1 – корпус; 2 – входной патрубок;
– патрубок для ввода сгущенной фракции; 4 – спиральная вставка;
– крышка; 6 – сливной патрубок; 7 – ось поворотная
Рисунок 17 – Схемы гидроциклонов различной конструкции
Цилиндрические гидроциклоны состоят из двух гидроциклонов: основного – цилиндрического и перечистного – конического (рисунок 17б). Они применяются для обогащения крупнозернистых смесей при первичной стадии обогащения. Гидроциклоны данного типа изготавливаются одно- и многоступенчатые [25].
Батарейные гидроциклоны и мультигидроциклоны отличаются числом элементарных циклонов в батарее конструкцией размером и компоновкой способами питания и отвода продуктов (рисунок 18).
а – с круговым расположением гидроциклонов в батарее;
б – с последовательным расположением гидроциклонов в батарее
Рисунок 18 – Мультигидроциклоны
Винтовые гидроциклоны отличаются конструкцией направляющего устройства (рисунок 19). По оси гидроциклона установлена винтовая вставка направляющая поток жидкости по спирали. Главным отличием от других аппаратов является подача исходной жидкости которая подается сверху оборудования.
Турбогидроциклоны (центриклоны) отличаются от обычных гидроциклонов наличием турбинки установленной внутри аппарата а так же конструкцией турбинки и способом отвода продуктов [74]. Это особенные аппараты сочетающие в себе центрифугу и гидроциклон (рисунок 19). Напор который необходим для функционирования оборудования создается турбиной. Аппараты конструкционно сложны поэтому в промышленности используются редко [73].
I – винтовой гидроциклон; II – турбогидроциклон:
а – гидроциклон; б в г – различные конструкции турбинок
Рисунок 19 – Схемы гидроциклонов с вспомогательными устройствами
Описание технологической схемы процесса газосепарации при промысловой подготовке нефти
Из нефтяных скважин в общем случае добывается сложная смесь состоящая из нефти попутного нефтяного газа воды и механических примесей (песка окалины и проч.). В таком виде транспортировать продукцию нефтяных скважин по магистральным нефтепроводам нельзя.
Во-первых вода - это балласт перекачка которого не приносит прибыли.
Во-вторых совместное течение нефти газа и воды несет большие потери давления на преодоление сил трения чем при перекачке одной нефти. Кроме того газовые шапки защемленные в вершинах профиля и скоплений воды в пониженных точках трассы создают сопротивление. В-третьих минерализованная пластовая вода вызывает ускоренную коррозию трубопроводов и резервуаров а частицы мехпримесей - абразивный износ оборудования.
Промысловая подготовка нефти заключается в обезвоживании дегазации обессоливании и стабилизации нефти.
Обессоливание нефти— удаление минеральных солей путем смешения предварительно обезвоженной нефти с пресной водой с последующим повторным обезвоживанием.
Стабилизация нефти— отделение легких фракций (пропан-бутанов и части бензиновых) для снижения потерь при транспортировке по магистральным трубопроводам и хранении в резервуарах. Стабилизация нефти осуществляется методами горячей сепарации или ректификации.
Основные процессы обезвоживание и дегазация осуществляются в нефтегазосепараторе. При этом вместе с попутным газом из нефтегазосепаратора происходит унос капель нефти и влаги поэтому этот газ поступает в газосепаратор для отделения остаточной жидкой тонкодисперсной фазы которая затем собирается и возвращается в нефтегазосепаратор.
В технологической схеме используется сетчатый газосепаратор однако в силу высокой вязкости нефти целесообразно будет заменить сетчатый газосепаратор на центробежный газосепаратор с вибрирующим каплеотбойником.
В рабочем режиме газожидкостная смесь от существующих месторождений по трубопроводам поступает на существующую распределительную гребенку сборного пункта-1 (СП1). От сборного пункта-2 (СП2) дегазированная жидкость проходит оперативный узел замера нефти и также поступает на распределительную гребенку [6].
Для защиты трубопроводов и оборудования от коррозии предусмотрена подача ингибитора коррозии в общий коллектор после гребенки.
Далее газожидкостная смесь давлением 03-10 МПа через фильтры поступает на прием мультифазных насосов 8. Затем газожидкостная смесь от 8 через накопительно-буферную емкость 3 с давлением 25 – 39 МПа транспортируется по существующему нефтепроводу диаметром 200 мм на промежуточную дожимную мультифазную насосную станцию 7.
Накопительно-буферная емкость 3 предусмотрена для обеспечения подачи жидкости на прием мультифазного насоса 8 с целью устранения теплового эффекта компрессии при длительном проходе газовой пробки.
Схемой предусмотрена также подача дегазированной жидкости от СП2 на прием мультифазного насоса 8.
В аварийной ситуации вся газожидкостная смесь от распределительной гребенки давлением 03 – 10 МПа подается в нефтегазосепаратор 2. После сепарации в 2 выделившийся газ под давлением 02 – 05 МПа поступает в газосепаратор 5 а нефтеводяная смесь давлением 02 – 05МПа через фильтры подается на прием консольных насосов Н-112. После насосов жидкость давлением 24 – 29 МПа при параллельной работе насосов через узел замера направляется в нефтепровод.
Схемой предусмотрена обвязка насосов 8 для работы в двух режимах:
– последовательно (из насоса в насос) в пусковой период для сдвига газожидкостной смеси в трубопроводе;
– параллельно (один – рабочий второй – резервный) для подачи жидкости на цех подготовки и перекачки нефти(ЦППН) при отказе работы МФНС 7.
Попутный газ от 5 сбрасывается на факел высокого давления через узел замера. Также на факел осуществляется сброс газа от предохранительных клапанов 2 и 6.
На факельном газопроводе проектом предусмотрена расширительная камера. Выпавший в расширительной камере конденсат собирается в конденсатосборнике. При заполнении конденсатосборника жидкость откачивается передвижным агрегатом [6].
Сброс дренажа от 5 2 6 и насосов осуществляется в дренажную емкость 4. При достижении максимального уровня в 4 откачка производится погружным насосом 11 на прием 2 (в аварийном режиме) или на прием 7 (при переходе на рабочий режим) [45].
После ввода в эксплуатацию 7 аппараты 2 и 5 освобождаются от жидкости в дренажную емкость 4.
Емкость дренажная 4 служит для приема дренажа от аппаратов и трубопроводов при их отключении и опорожнении а также для сбора утечек от нефтяных насосов.
Факельная установка высокого давления предназначена для аварийного сжигания газа поступающего от 2 5 и 6 при ремонтных работах 7 а также для сжигания газа при аварийном срабатывании предохранительных клапанов аппаратов.
В состав установки типа УФУ-150УХЛ входят:
- оголовок факельный с газовым затвором и запальником;
- труба факельная с тремя растяжками;
Перед каждым пуском факельная система должна быть продута газом. В качестве продувочного газа используется инертный газ.
Для розжига факела необходимо открыть задвижку на линии подачи топливного газа и нажать кнопку на пульте управления расположенного за обвалованием факела.
Выбор труб технологических трубопроводов сборного пункта произведен согласно ПБ 03-585-03 с учетом условий эксплуатации и параметров транспортируемой среды.
Толщины стенок приняты минимальными на основании расчетных значений и запаса на коррозию с учетом номенклатуры заводов-изготовителей.
Для нефтепроводов и газопроводов приняты трубы стальные бесшовные горячедеформированные по ГОСТ 8732-78* сталь 20 группы В.
Для дренажных трубопроводов приняты трубы стальные электросварные гидравлически испытанные термообработанные по ГОСТ 10704-91 сталь 10 группы В.
Технологический и конструктивный расчет газосепаратора
1 Технологический расчет основных параметров аппарата
Оптимальная скорость газа в свободном сечении сепаратора (уравнение Саудер – Брауна) [4]:
где kс – коэффициент пропорциональности определяемый формой завихрителя kc = 01 03 (принять 015); г опт = 3 5 мс.
Примем производительность аппарата Q = 3350 м3ч. Тогда из формулы [20]:
диаметр цилиндрической части аппарата:
Общая степень очистки. Определение диаметра частиц улавливаемых с эффективностью 50% (эффективный диаметр) [4]:
где d=50 – диаметр частиц улавливаемых с эффективностью 50%;
ж – плотность капель жидкости;
г – динамический коэффициент вязкости газа;
Х1 Х2 – параметры общей степени очистки:
где Rц – радиус цилиндрической части;
H – сепарационной зоны.
Гидравлическое сопротивление сводится к определению гидравлического сопротивления в завихрителе [22]:
где – угол наклона лопасти завихрителя к оси патрубка;
где qmж qmг – массовые расходы поступающих в аппарат жидкости и газа соответственно.
В области рабочих значений qmж обычно pжpг поэтому значением pж пренебрегают:
Тепловой расчет. Определение толщины тепловой изоляции [24]:
где tст tиз tокр – температура наружной стенки аппарата наружной поверхности изоляции и окружающей среды;
λиз - коэффициент теплопроводности материала изоляции Втм·К;
н – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду:
Выбираем для изоляции материал солевит с λиз = 0098 Втм·К.
Температуры: tст = 90 С (принимаем на 10 С ниже температуры среды) tиз = 40 С (принято в соответствии с СП 61.13330.2012) tокр = 25 С .
2 Расчет геометрических размеров и определение толщин стенок основных элементов газосепаратора
Рисунок 20 – Расчетная схема центробежного газосепаратора
Таблица 5 – Исходные данные
Диаметр аппарата D м
Температура рабочей среды t С
Давление рабочее p МПа
Прибавка к расчетной толщине стенки с мм
2.1 Определение геометрических размеров аппарата
Допускаемое напряжение:
Приведенное давление:
По номограмме для D = 05 м определенного и полученного приведенного давления определяем объем аппарата V = 025 м [16].
Длина цилиндрической части корпуса:
Высота эллиптического днища крышки:
Суммарная высота аппарата:
2.2 Расчет цилиндрической оболочки под внутренним давлением
Рисунок 21 – Расчетная схема цилиндрической оболочки аппарата нагруженной внутренним давлением
Рассчитаем допускаемое напряжение в рабочем состоянии:
при гидравлическом испытании:
Определим расчетное давление:
где pг – гидравлическое давление
Так как 000004906 > 003 МПа то гидростатическое давление не учитываем отсюда МПа [30]. Пробное давление при гидравлических испытаниях:
Расчетная толщина стенки:
Исполнительная толщина стенки:
Допускаемое давление:
Прочность конструкции обеспечена т.к. [p][p]и (1275МПа 2028МПа) значит исполнительной толщиной стенки следует считать 3мм.
2.3 Расчет эллиптической крышки (днища) под внутренним давлением
Рисунок 22 – Расчетная схема эллиптической оболочки
Расчет толщины стенки эллиптической оболочки нагруженной внутренним давлением:
В рабочем состоянии:
Так как 1281 МПа 2033 МПа то исполнительной толщиной стенки следует считать Sэ = 3 мм.
Экспериментальные исследования процесса разделения жидких неоднородных систем
1 Определение гидравлической крупности частиц тонкодисперсной фазы
1.1 Методика проведения эксперимента
В качестве модельной среды используется суспензионный поливинилхлорид.
К сточным водам производства ПВХ относится вода отработанная в процессе полимеризации винилхлорида различные виды конденсатов образующихся на стадиях дегазации ПВХ и улавливания незаполимеризовавшегося винилхлорида а также вода после промывки технологического оборудования на всех стадиях производства.
Наибольшее количество сточных вод образуется при полимеризации винилхлорида суспензионным способом так как большая часть участвующей в процессе полимеризации воды выделяется на центрифуге в виде фугата (маточника).
Сточные воды производства ПВХ представляют собой малоконцентрированную суспензию частиц твердой фазы (ПВХ) диаметром от 10 до 1000 мкм и концентрацию около 10÷70 мгм3 [69 70].
Взвесь образованная частицами суспензионного ПВХ в воде является полидисперсной системой. Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется во времени. Вследствие агломерации частиц она может изменяться в несколько раз по сравнению с теоретической. Способность к агломерации зависит от концентрации формы размера и плотности взвешенных частиц а также от соотношения частиц различного диаметра и вязкости среды. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем.
Для исследования кинетики осаждения взвеси в сточной воде производства суспензионного ПВХ создана экспериментальная установка и разработана методика экспериментальных исследований.
Задачей исследования является выявление возможности разделения неоднородных систем содержащих взвешенные твердые частицы суспензионного ПВХ в воде.
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 23.
Рисунок 23 – Схема экспериментального оборудования
Пять мерных цилиндров объемом 1 л одновременно наполняют исследуемой шламовой водой и с помощью мешалок воду интенсивно перемешивают в течение 1 минуты. Суспензия в первом цилиндре используется для определения начального содержания взвешенных веществ.
В остальных четырёх цилиндрах суспензия отстаивается по истечении определённых заранее намеченных промежутков времени пипеткой производит отбор проб шламовой воды из разных цилиндров (рисунок 24). Пробы отбирают из исследуемого объема на глубине h от зеркала жидкости в цилиндре.
Отобранные в разные моменты времени пробы суспензии фильтруют через бумажные фильтры средней плотности. Предварительно фильтры сушат в сушильном шкафу при 105 °C до постоянной массы охлаждают и взвешивают. После фильтрования проб шламовой воды фильтр вновь сушат охлаждают и взвешивают.
Рисунок 24 – Осадок и тонкодисперсная взвесь в воде
Результаты эксперимента усреднялись по трем параллельным опытам. Извлечение твердой фазы определялось весовым методом с помощью лабораторных весов CAScoux220 с точностью до 01 мг.
Количество взвешенных частиц ПВХ в исходной суспензии составляло 10 гл.
Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с помощью программы в Microsoft Excel.
Содержание взвеси в отдельных пробах шламовой воды рассчитывают по привесам фильтров гл:
где М1 М2 – масса бумажного фильтра до и после фильтрования пробы суспензии г;
V – объем отбираемой пробы суспензии л.
Количество выпавшей взвеси определяют как разность между количеством взвешенных веществ в исходной суспензии и количеством взвешенных веществ в суспензии в момент отбора пробы гл:
где cн – начальное содержание взвешенных веществ в суспензии гл;
сi – содержание взвешенных веществ в суспензии на глубине отбора пробы пипеткой из анализируемого объема гл.
Гидравлическую крупность рассчитывают из формулы Стокса (1).
Скорость осаждения частицы в вязкой среде определяется по формуле мс:
где h – путь пройденный частицей за время анализа - глубина отбора пробы пипеткой из анализируемого объема м;
1.2 Анализ результатов эксперимента
Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 6.
В результате проведенных экспериментальных исследований получены зависимости характеризующие кинетику выпадения взвеси из сточных вод в системах координат: продолжительность отстаивания - процент выпавшей взвеси от начального ее содержания; продолжительность отстаивания – гидравлическая крупность частиц; продолжительность отстаивания – масса выпавших частиц (рисунки 25 26 27).
Таблица 6 – Результаты экспериментальных исследований
Диаметр частицы d мм
Рисунок 25 – Кинетика процесса осаждения
Рисунок 26 – График зависимости скорости осаждения от времени отстаивания
Рисунок 27 – График зависимости концентрации выпавшего осадка от времени отстаивания
Анализ результатов экспериментальных исследований показывает:
масса выпавших в осадок частиц составляет не более 18% от первоначального содержания частиц в суспензии;
скорость осаждения частиц размером 02÷04 мм остается постоянной на протяжении небольшого временного интервала 5 мин. а затем резко падает и для частиц меньшего размера требуется достаточно большое время разделения;
частицы размером 02÷04 мм осаждаются за счет гравитационных сил а частицы меньшего размера остаются в столбе жидкости в качестве взвеси.
Таким образом обеспечение высокой интенсивности протекания процесса разделения суспензии ПВХ возможно при проведении его в поле центробежных сил например в гидроциклонах.
2 Экспериментальные исследования в центробежном поле
2.1 Методика проведения эксперимента
Эффективная сепарациячастицтвёрдой фазы из жидкостного потока возможна при проведении процесса в гидроциклонах (рисунок 28) которые являются конструктивно простыми надежными и одновременно высокоэффективными аппаратами позволяющими проводить процесс разделения в режиме пленочного течения.
Рисунок 28 – Гидроциклон лабораторной установки
Эксперимент проводился на базе лабораторной установки предназначенной для исследования протекания в гидроциклоне процесса разделения в поле центробежных сил [11].
Неоднородная система представляет собой взвесь суспензионного ПВХ в воде с концентрацией для трех различных опытов соответственно
гл 10 гл 15гл и 20 гл. Для корректного контроля разницы начальной массы и массы уловленной тонкодисперсной фазы в каждом опыте использовалось по 20 л суспензии.
На рисунке 29 представлена схема лабораторной установки для отделения тонкодисперсной фазы при разделении гетерогенных систем. Подача загрязненной воды к гидроциклону осуществляется центробежным насосом ЦБН по трубам гидравлической системы из емкости где происходит постоянное перемешивание неоднородной системы [11].
Рисунок 29 – Схема экспериментальной установки
После разделения в гидроциклоне очищенная вода подается в емкость шлам стекает в дренажную емкость расположенную под гидроциклоном. Для регулирования подачи загрязненной воды к гидроциклону предусмотрен запорный вентиль 2. Вентили 4 и 1 закрываются при заполнении установки через верх при заполнении с помощью центрального водоснабжения для промывки установки краны 4 и 6 закрываются 1 и 7 открываются. Контроль давления в системе осуществляется манометром.
Рисунок 30– Экспериментальная установка
После разделения суспензии для сбора оставшегося в трубах и гидроциклоне суспензионного ПВХ через установку прогоняется чистая вода собранные твердые частицы считаются уловленными при разделении. Шлам пропускается через фильтры для отделения уловленного осадка и высушивается в сушильном шкафу. Осадок взвешивается на лабораторных весахCAScaux220 с точностью до 01 мг.
2.2 Результаты эксперимента
Эксперимент проводился при tвозд = 20С давление на входе 4 кгссм2 на выходе 25 кгссм2. Испытания проводились для трех значений концентрации суспензионного ПВХ в воде по 3 параллельных опыта.
Таблица 7 – Результаты эксперимента
Концен-трация начальная гл
Масса нач. ч-ц в 20 л раствора г
Масса уловленных частиц М1 г
Масса уловленных частиц М2 г
Масса уловленных частиц М3 г
По сравнению с результатами разделения отстаиванием где для концентрации 10 гл степень очистки составила 18% при центробежном осаждении она увеличилась почти в 4 раза и составила 68%. При этом в гидроциклоне улавливаются частицы размером до 03 мм.
Рисунок 31 – График зависимости степени очистки неоднородных систем от концентрации дисперсной фазы
По виду графика (рисунок 31) можно предположить что зависимость степени очистки неоднородных систем от концентрации дисперсной фазы имеет степенной характер и при некотором значении концентрации степень очистки достигает минимального значения и далее остается постоянной.
Аппроксимируем полученную зависимость с помощью метода наименьших квадратов. Принимаем = y и с=x.
Таблица 8 – Данные для аппроксимации
Аппроксимация проводится по уравнению y = axb где коэффициенты а и b вычисляются по формулам:
Искомая зависимость степени очистки от концентрации имеет вид:
Произведем расчет параметров гидроциклона [34]:
)Скорость движения суспензии во входном патрубке:
где qV – производительность по очищаемой жидкости м3ч;
RП – эквивалентный диаметр питающего патрубка м.
)Тангенциальная окружная скорость суспензии:
где RН – внутренний радиус цилиндрической части гидроциклона м;
L – высота сепарационной зоны м.
)Скорость центробежного осаждения частиц номинального диаметра:
)Число Лященко для частиц номинального диаметра:
)Число Архимеда определяется методом половинного деления из трансцендентного уравнения Тодеса:
)Номинальный диаметр частиц (уловленных на 100 %):
)Число Рейнольдса для частиц номинального диаметра:
)Для фракций частиц диаметром меньше номинального число Архимеда и число Рейнольдса:
)Скорость осаждения частиц диаметром меньше номинального в центробежном поле:
)Так как время пребывания частиц каждой фракции должно равняться времени их осаждения то можно записать уравнение:
где R(i) – радиус траектории для частиц d(i) Rв Ri Rн.
)Приравнивая правые части последнего уравнения и уравнения времени осаждения из пункта 5 получается пропорция:
)При условии равномерного распределения частиц каждой фракции на входе в гидроциклон по кольцевому сечению выходит что левая часть пропорции численно равна локальной степени улавливания частиц данной фракции тогда локальная степень улавливания для частиц d(i) – й фракции:
)Концентрация уловленных частиц каждой фракции:
)Общая степень улавливания:
где m – число фракций.
Для проведения сравнительного анализа результатов эксперимента со значениями полученными в результате расчета гидроциклона по известным теоретическим зависимостям разработана автоматизированная программа расчета основных технологических параметров гидроциклона в MS Excel.
Одним из основных графиков расчета гидроциклона является график плотности распределения частиц по фракциям (рисунок 32) на котором указан номинальный диаметр частиц. В данном расчете d0= 2233 мкм.
Рисунок 32 – Гистограмма фракционного состава
Рисунок 33 – График плотности распределения частиц по фракциям
Как видно из графиков 32 и 33 чем меньше диаметр частиц тем больше доля всегда улавливаемых частиц следовательно работа гидроциклона будет эффективна.
Проведенный сравнительный анализ экспериментальных и расчетных по стандартной методике данных показал что разработанная программа расчета может быть рекомендована для инженерных расчетов технологических и конструктивных параметров. При этом отклонение не превышает 20%.
На рисунке 34 показан график зависимостей степени очистки и номинального диаметра d0 уловленных частиц от производительности qv.
Рисунок 34 – График зависимости = f (qv); d0 = f (qv)
Из графика видно что при значении производительности qv = 15 м3ч степень очистки меньше требуемой = 08 а при производительности qv = 20 м3ч значение степени очистки становится близкое к 085. Следовательно при такой производительности все частицы в аппарате будут уловлены.
Математическое моделирование экспериментальных данных по разделению систем
Обработка экспериментальных данных при использовании корреляционного и регрессионного анализа дает нам возможность построить статистическую математическую модель в виде уравнения регрессии. Например в инженерной и научной деятельности мы можем определить зависимость концентрации от температуры [18].
Корреляционный анализ основывается на предпосылке о том что переменные величины y (выходной параметр) и xi (факторы) являются случайными величинами и между ними может существовать так называемая корреляционная связь при которой с изменением одной величины изменяется распределение другой. Для количественной оценки тесноты связи служит выборочный коэффициент корреляции [5].
О наличии или отсутствии корреляции между двумя случайными величинами качественно можно судить по виду поля корреляции поместив экспериментальные точки на координатную плоскость.
В ходе выполнения экспериментального исследования были получены значения массы осадка от времени осаждения. Для исследования было произведено основных опытов (m) = 5 число параллельных опытов (mp) = 3.
Полученные данные представлены в таблице 9.
Таблица 9 – Экспериментальные данные
Выполнен корреляционный анализ по полученным данным зависимости массы осаждаемых частиц от времени t = f (M).
Рисунок 35 – График зависимости t от Mе (Meср- экспериментальные данные среднее значение в трех параллельных опытах)
Результаты анализа приведены в таблицах 10 11 12.
Таблица 10 – Ошибка в каждой точке в линеаризованном виде
В рассматриваемом случае расчетное число Кохрена составило 0725. Табличное значение критерия Кохрена при m = 3 и n = 5 равно 07679. Значение расчетного критерия меньше табличного следовательно проведенные опыты считаются воспроизводимыми. Ошибка опыта S02 = 00016. Сумма s2 = 256·10-2.
Таблица 11 – Результаты расчета программы
По полученным данным построим график зависимости M от .
Рисунок 36 – График зависимости массы частиц от времени в нелинеализированной системе координат
Среднее значение t линеаризованной системы tc = 0984; среднее значение M линеаризованной системы Mс = 3897; сумма значений t( сумма значений M( сумма произведений t(i)*M(i) линеаризованной системы StM= 18614.
Коэффициент корреляции r = 0958.
Коэффициенты по МНК: a = - 4247; b = 0705; аbo = 1944; bbo = 07056. Расчетное значение критерия Фишера Fr = 257 . Табличное значение критерия Фишера Ft= 259 Fr Ft - модель адекватна. Ошибка опыта so2 = 00016 - среднее значение ошибки опыта.
Полученные результаты средних значений массы Mt1 теоретических значений Mе и нелинеаризованной относительной ошибки del занесены в таблицу 11.
Таблица 12 – Теоретический график усредненный и отклонение
где Mt1 – среднее значение М;
Mе – теоретическое значение М;
del – нелинеаризованная относительная ошибка найденная МНК.
Расчетное значение критерия Стьюдента: ta =203221 ; tb = 1288238. Табличное значение критерия Стьюдента St = 247 ta и tb > St - коэффициенты значимы.
Рисунок 37 – Сравнение теоретических значений с экспериментальными
Рассчитанные значения коэффициентов а и b и в случае МНК и МНОК составили: а = - 4247 b = 0705 следовательно точность методов МНК и МНОК одинаковая.
Для нелианизированной системы координат математическая модель полученная МНОК неадекватна так как расчетный коэффициент Фишера (= 299) превышает его табличное значение (= 259) при заданных m и n ().
Расчетные коэффициенты Стьюдента при m = 3 и n = 5 в случае:
)МНК: ta0 = 12987 tb0 = 2157
)МНОК: ta0 = 12882 tb0 = 2032
Следовательно значимость коэффициентов рассчитанных по МНК выше чем при МНОК.
Коэффициент корреляции r вычисляется по формуле (25) по значениям функций отклика области эксперимента [31].
- среднее значение функции отклика в области исследования.
Выборочный коэффициент корреляции r по абсолютной величине не превосходит единицы.
Для независимых случайных величин коэффициент корреляции равен нулю но он может быть равен нулю для некоторых зависимых величин которые при этом называются некоррелированными. Для случайных величин имеющих нормальное распределение отсутствие корреляции означает и отсутствие всякой зависимости.
Расчетный коэффициент корреляции при n = 5 и m = 3 составил 099 что соответствует сильной связи между переменными t и M.
По проведенному корреляционному анализу экспериментальной зависимости массы осадка М от времени t (три параллельных опыта по 5 измерений) можно сделать следующие выводы:
Коэффициент корреляции R = 0958 это значит что зависимость
t = f(M) прямая и высокая.
Критерий Кохрена рассчитанный в линеаризованном виде
Grp = 0725 Grt = 07679 следовательно дисперсия опытов однородна и воспроизводимость хорошая.
Критерий Фишера рассчитанный по МНК Frp = 257 Frt = 259 следовательно математическая модель адекватна.
Предлагаемые новые технологические решения усовершенствования технологического оборудования
На основании проведенного анализа конструкций газосепараторов была разработана конструкция центробежного сепаратора [42] которая позволяет увеличить эффективность сепарации за счет вибрации отражателя в резонансном режиме с высокой амплитудой. Основные задачи разработки предлагаемой конструкции: уменьшение адгезии капель жидкости к поверхности материала отражателя тиксотропное разжижение высоковязких и неньютоновских жидкостей и снижение их эффективной вязкости (рисунок 38).
– корпус; 2 – устройство подачи; 3 – патрубок отвода жидкости;
– газоотвод; 5 – отсекающая тарелка; 6 – отверстие тарелки;
– отражатель; 8 – ребра; 9 – центральная пружина
Рисунок 38 – Схема центробежного сепаратора
Поставленные задачи решаются с помощью установки цилиндрической пружины соединяющей центральную газоотводящую трубу и отражатель которая позволяет создавать резонансный колебательный режим поверхностей отражателя и отсекающей тарелки за счет изменения упругости пружины под действием их массы и движения воздуха внутри корпуса сепаратора [10].
Вибрация поверхностей и режим растяжения-сжатия пружины с большой амплитудой приводит к тиксотропному разжижению жидкостей уменьшению их эффективной вязкости что уменьшает возможность зависания капель жидкости на этой поверхности и повышает производительность.
Коэффициент упругости цилиндрической пружины определяется выражением:
где k – коэффициент упругости пружины Нм;
М – масса отсекающей тарелки кг;
m – масса отражателя кг;
с – скорость звука в очищаемом газе мс;
h – высота корпуса м.
Разработана конструкция циклона (рисунок 39) для улавливания твердых частиц и капель жидкости из газового потока которая позволяет уменьшить энергозатраты за счет создания резонансного режима работы циклона.
Выполнение дополнительной трубы над выходным патрубком переводит режим работы циклона в резонансный. Это приводит к вибрации циклона с большой амплитудой под действием которой слой уловленных частиц и капель на стенках циклона снижает свою эффективную вязкость разрушается и непрерывно удаляется из циклона в бункер без использования дополнительных устройств.
– входной патрубок; 2 – цилиндрическая часть корпуса; 3 – выходной патрубок; 4 – коническая часть корпуса; 5 –бункер; 6 – манжета;
– пружина; 8 – балка; 9 – дополнительная труба
Рисунок 39 – Схема циклона
Длина дополнительной трубы:
m – масса циклона с балкой уловленными частицами каплями и дополнительной трубой кг;
а – упругость пружины Нм;
ln – длина осевого выходного патрубка м.
Обеспечение безопасности и экологичности производственного процесса
Процесс промысловой подготовки нефти является сложным технологическим процессом по физико-химической основе. В процессе участвуют токсичные и взрывоопасные вещества: нефть попутный нефтяной газ и нефтепродукты. Центральный узел нефтегазосепарации предполагает работу с нагретыми до 100С веществами под избыточным давлением следовательно существует опасность разрыва оборудования перелива нефти и загазованности территории. Приведенные факторы требуют предусмотреть мероприятия по контролю за технологическим процессом и предотвращению аварийных ситуаций.
Согласно Федеральному закону "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ проектируемый объект является опасным. Опасными технологическими процессами являются процессы проходящие при повышенных давлениях вакууме высокой температуре с участием токсичных горючих и взрывоопасных веществ. Согласно приложению к Приказу МЧС России от 28.02.2003 № 105 «Об утверждении требований по предупреждению чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения» проектируемый объект относится к 4 классу опасности.
1 Производственная безопасность
1.1 Характеристика опасных веществ
Опасными веществами на проектируемом объекте являются пожаровзрывоопасные вещества: нефть попутный газ. Характеристика вредных веществ находящихся в технологическом процессе представлена в таблице 13 [7].
Таблица 13 – Характеристика вредных веществ
Помещение наружная установка с наличием вещества
Темпе-ратура плавле-ния кипения
Агрегатное состояние
Воздействие на организм
Меры и средства защиты людей
Технологи-ческое оборудование
Общетоксический сенсибилизирующий. Возможны отравления сернистыми соединениями и парами летучих составляющих
Изолирую-щие дыхательные аппараты эвакуация из опасной зоны
Изолирую-щие дыхательные аппараты
1.2 Категория объекта по степени взрывопожароопасности
Показатели пожароопасности и токсичности сырья представлены в таблице 14.
Таблица 14 – Показатели пожароопасности и токсичности сырья
Специальные огнестойкие склады
Изолированные отделения огнестойких складов
Проектируемые трубопроводы выполнены с соблюдением действующих норм и правил взрыво- и пожароопасности и обеспечивают безопасную эксплуатацию запроектированных объектов.
Электробезопасность. Вопросы электробезопасности при эксплуатации электроустановок разработаны в соответствии с ССБТ ГОСТ 12.1.019-79 «Электробезопасность. Термины и определения». Проводятся организационные технические мероприятия и средства обеспечивающие защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока и электрической дуги в соответствии с требованиями ССБТ ГОСТ 12.1.009-76 «Электробезопасность. Общие требования».
Для обеспечения защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям использованы защитные оболочки аппаратуры ограждения и предупредительные знаки безопасности. Нетоковедущие металлические материалы которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции заземлены и оснащены системой защитного отключения. Работы в действующих электроустановках могут выполнять работки имеющие специальное образование имеющие допуск и наряд на проведение работ [55].
Характеристика объектов по классам взрывоопасных зон и по категориям взрывопожарной и пожарной опасности приведена в таблице 15.
1.3 Обеспечение безопасности технологического процесса
Для производственного процесса предусмотрено применение автоматических систем контроля воздуха сигнализации о превышении допустимых концентраций мероприятия по снижению загазованности средства коллективной и индивидуальной защиты. Необходим профессиональный отбор и обучение работающих безопасным приемам труда на обеспечение работающих средствами защиты и спецодежды и на правильном их применении [64 65].
Рабочим проектом предусмотрены все мероприятия предписанные нормами технологического проектирования строительными нормативами и правилами устройств и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов обеспечивающие безаварийную технологию производства:
) для предотвращения разлива нефти все технологические площадки запроектированы с твердым покрытием и бордюрным камнем высотой 15 см;
Таблица 15 – Характеристика наружных установок
Категория производственных сооружений по пожаро- и взрывоопасности согласно СНИП-20902-85
Классификация рабочих зон по пожарной взрывной опасности по ПУЭ-85
Класс опасности помещения по опасности поражения электрическим током ПУЭ-85
Степень огнестойкости производственных сооружений
Категория взрывоопасной смеси
Уровень и вид взрыво-защиты электро-оборудования
Накопительно-буферная емкость
Помещение лаборатории
Без повышенной опасности
) для защиты от разрушения при превышении давления аппараты оснащены предохранительными клапанами отрегулированными на давление меньше расчетного давления аппаратов сброс с предохранительных клапанов осуществляется на факел.
) для предотвращения перелива нефти на всех емкостях предусмотрена сигнализация верхнего предельного уровня в операторную; на сепараторе предусмотрено автоматическое регулирование уровня;
) на СП для опорожнения оборудования и трубопроводов для сбора утечек через уплотнения насосов предусмотрена установка дренажной емкости с погружным насосом автоматически включающимся при максимальном уровне в емкости;
) для предотвращения взрывов от загазованности предусмотрена установка газоанализаторов на технологических площадках с выводом сигнала 20% НКПВ по месту и в операторную;
) на СП при аварии на нефтепроводе СП - КЦППН предусмотрено дистанционное переключение потока на работу в аварийном режиме;
) предусмотрено автоматическое отключение подачи нефти в трубопровод внешнего транспорта с СП при падении давления в нем ниже допустимого;
) предусмотрено управление электроприводными задвижками из операторной;
) для предотвращения возникновения статического электричества предусмотрено заземление оборудования и трубопроводов [44];
) для предупреждения образования в факельной системе взрывоопасной смеси в проекте исключена возможность подсоса воздуха и предусмотрена непрерывная подача продувочного газа в факельный коллектор; в качестве продувочного газа использован инертный газ;
) для защиты подземных емкостей от почвенной коррозии предусмотрена электрохимическая защита с помощью магниевых протекторов для эффективной работы которых устанавливаются на подводящих (отводящих) трубопроводах электроизолирующие вставки.
1.4 Обеспечение безопасной работы основного оборудования
Безопасность конструкции газосепаратора обеспечена конструктивными решениями аппарата надежностью конструкции применением встроенных в конструкцию средств защиты работающих выполнением эргономических требований. Конструкция аппарата исключает самопроизвольное опрокидывание и выбрасывание рабочей среды движущиеся части отсутствуют [63 66].
На газосепараторе установлены датчики уровня на высоте 1м и 2м и двухканальный вторичный преобразователь передающий сигнал на пусковой аппарат для управления расходом выходного потока. На обвязке газосепаратора установлены датчики давления в том числе сигнализатор превышения рабочего давления. Указываются сроки и виды технического освидетельствования испытания на герметичность и регистрации газосепаратора. Газосепаратор оснащен запорной и предохранительной аппаратурой люками для внутреннего осмотра а также дренажной линией для удаления жидкости. На газосепараторе установлены два предохранительных устройства каждое из которых обеспечивает безаварийную работу аппарата. Предохранительные устройства на конденсатосборнике установлены в верхней части аппарата. Сбрасываемый предохранительными устройствами газ отводится на факел (свечу) установленные за пределами территории установки на расстоянии 25 м от ограждения.
Основные нарушения технологического режима приводящие к аварийным ситуациям меры предупреждения и ликвидации аварий приведены в таблице 16 [58 59].
Таблица 16 – Основные нарушения технологического режима приводящие к аварийным ситуациям
Наименование участка
Вид аварийной ситуации
Причины возникновения аварии
Мероприятия по предотвращению возникновения аварийной ситуации
Мероприятия по ликвидации аварийной ситуации
Узел нефтегазо-сепарации
Разрыв аппаратов порыв технологических трубопроводов
Превышение расчетного давления; старение внутренняя или внешняя коррозия
Аппараты оснащены предохранительными клапанами отрегулированными на давление меньше расчетного давления аппаратов сброс с предохранительных клапанов осуществляется на факел.
Для защиты от внешней коррозии надземные трубопроводы и аппараты покрываются краской а подземные - антикоррозионной изоляцией
Оповестить диспетчера применить СИЗ аппарат исключить из схемы сбросить из аппарата давление произвести осмотр и ремонт
Возникновение загазованности территории
Частичная разгерметизация оборудования
Предусмотрена установка газоанализаторов на технологических площадках с выводом сигнала 20% ПДВ по месту и в операторную
Оповестить диспетчера
эвакуировать персонал
Перелив нефти в технологических аппаратах
Превышение допустимого уровня рабочей среды в аппаратах
На всех емкостях предусмотрена сигнализация верхнего предельного уровня в операторную; на сепараторе предусмотрено автоматическое регулирование уровня
Оповестить диспетчера применить СИЗ. Установка ограждений препятствующих дальнейшему распространению загрязнения. Распыление сорбентов. Меха-нический сбор нефтепродуктов
Взрыв оборудования и коммуникаций
Неисправность КИПиА невыполнение планово-предупредительного ремонта. Возможность появления источников воспламенения превышение давления температуры.
Установлены ограждения вокруг аппаратов проведение осмотра и ремонта согласно плану сосуды и трубопроводы имеют предохранительные клапана сигнализаторы довзрывных концентраций автоматические регуляторы расхода температуры давления.
Оповестить диспетчера применить СИЗ эвакуировать персонал. Отключение оборудования обесточивание цепи. Пожаротушение сбор нефтепродуктов
1.5 Производственная безопасность
Таблица 17 – Перечень профессий по группам производственных процессов и рекомендации по условиям труда [52]
Наименование производственного процесса участка
Наименование профессий
Группа производственных процессов по санитарной характеристики согласно СНиП 2.09.04–87
Категория тяжести работ по ССБТ ГОСТ 12.1.005–88
Разряд и подразряд зрительных работ по СНиП II–23–95
Узел нефтегазосепарации
Таблица 18 – Микроклиматические параметры по ССБТ ГОСТ 12.1.005–88
Категория работ по тяжести
Расход воды на наружное пожаротушение определяется исходя из следующих данных [56]:
число пожаров в год – n (n=1);
продолжительность тушения пожара – t (t = 1) ч;
расход воды – q (q = 002 м3с).
Количество воды на наружное пожаротушение
Расход воды на внутреннее пожаротушение определяется исходя из следующих данных:
число пожаров в год –
продолжительность тушения пожара – t1 (ч);
расход воды – q1 (м3с).
Количество воды на внутреннее пожаротушение:
Итого на пожарные нужды расходуется воды:
Таблица 19 – Количество первичных средств пожаротушения и необходимый расход воды для наружного и внутреннего пожаротушения
Наименование помещений сооружений и установок
Единица измерения защищаемой площади м2
Первичные средства пожаротушения
Расход воды на пожаротуш.
Пенные огнетушители:
Воздушно–пенные ОХП–10 ОВП–10 ОП–5 ОВП–100
Аэрозольные и углекислотно–бромэтиловые огнетушители ОУБ–7
Порошковые огнетушители
Ящик с песком объемом 05; 1; 3 м3
Войлок кошма или асбест 1х1; 1х15; 2х2 м
Бочка с ведром объемом не менее 02 м3
Ручные ОУ–2; ОУ–5; ОУ–8
Передвижные ОУ–25 ОУ–80 ОУ–400
Отдельно стоящие газосепараторы
2 Экологическая безопасность проектируемого производства
Таблица 20 – Характеристика газовых выбросов сточных вод и твердых отходов
Вредные выбросы и отходы производства
Источники образования
Количество отходов тгод
Таблица 21 – Перечень загрязняющих веществ выбрасываемых в атмосферу в рабочем режиме работы предприятия
Количество вр.в-ва на ед. продукции гкг
Макс. конц. вр. в-ва в приземном слое мгм3
Углеводороды предельные С1-С5
Углеводороды предельные С6-С10
Таблица 22 – Количественный и качественный состав сточных вод
Источник образования сточных вод
Количество выбрасываемых сточных вод м3час
Действит. кол. сбрасываемых стоков гчас
Факт. концентрация мгл
2.3 Утилизация отходов
Характеристика отходов и способов их удаления (складирования) при эксплуатации (рабочий режим) представлена в таблице 23.
Таблица 23 – Характеристика отходов и способов их удаления (складирования) при эксплуатации (рабочий режим)
Наименование отходов
Место образования отходов (производство цех технологический процесс установка)
Класс опасности отходов
Характеристика отходов
Количество отходов (всего) тгод
Использование отходов тгод
Предполагаемый способ утилизации отходов
Передано другим предприятиям
Засклади-ровано в накопителях шламохрани-лищах на полигонах
Шлам очистки емкостей от нефти
С5Н12- С16Н34 взвешенные вещества
Накопитель технологических отходов ТПП
Обтирочный материал загрязненный маслами (содержание масел менее 15%)
Твердые; целлюлоза (С12Н22-О11)
3 Обеспечение устойчивой работы промышленного предприятия в условиях чрезвычайных ситуаций
При проектировании производства предусмотрена возможность его устойчивой работы в условиях чрезвычайных ситуаций. Под устойчивой работой предприятия понимается его способность обеспечивать безопасность жизнедеятельности рабочих и служащих выпускать продукцию в запланированном объеме и номенклатуре а также восстанавливать производство в минимально короткие сроки.
Основные требования к устойчивому функционированию промышленного объекта в условиях чрезвычайных ситуаций и пути его повышения формулируется в соответствии со следующими положениями.
)Надёжность защиты рабочих и служащих от последствий стихийных бедствий аварий катастроф: наличие защитных сооружений планы эвакуации накопление хранение и поддержание в готовности средств индивидуальной защиты обучение персонала к применению средств и способов защиты.
)Способность инженерно-технического комплекса объекта противостоять в определённой степени этим воздействием: рассредоточенное размещение зданий цехов складских помещений на объекте закрепление важных производственных зданий обвалования ёмкости с АХОВ сооружения над технологическим оборудованием специальных устройств (кожухов зонтов шатров) защищающих его от повреждения обломками от разрушающихся конструкций.
)Надёжность системы снабжения объекта всем необходимым для производства продукции (сырьем топливом электроэнергией газом водой). Предусматривается поступление энергии на объект с двух вводов и наличие аварийного источника закольцовывание системы газоснабжения наличие запорной арматуры с дистанционным и автоматическим управлением наличие резервного источника водоснабжения.
)Устойчивость и непрерывность управления производством: наличие на предприятии защищенных пунктов управления диспетчерских пунктов АТС системы оповещения.
)Подготовленность промышленного предприятия к ведению спасательных и других неотложных работ по восстановлению нарушенного производства. Разрабатываются планы первоочередных восстановительных работ по нескольким вариантам возможного повреждения и разрушения объекта с использованием сил самих объектов имеющихся строительных материалов перераспределения рабочей силы помещений и оборудования.
Технико-экономическое обоснование проектного решения
Целью организационно-экономического обоснования является расчет технико-экономических показателей проектируемого производства и определение его экономической эффективности.
1 Стоимость зданий и сооружений
При определении стоимости зданий должны быть учтены затраты на строительство производственных административно-бытовых и складских помещений.
Показатели по стоимости зданий и сооружений проектируемого производства представлены в таблице 24.
Таблица 24 – Стоимость зданий и сооружений проектируемого производства
Стоимость на 31.12.16 руб.
Сумма амортизации руб.
2 Стоимость оборудования
Сметная стоимость основного и вспомогательного оборудования рассчитывается в таблице 25:
Таблица 25 – Сметная стоимость основного и вспомогательного оборудования
Наименование оборудования
Стоимость единицы руб.
Всего стоимость руб.
Транспортно-заготовительные и складские расходы тыс. руб.
Стоимость монтажа трубопроводов и спецработ тыс. руб.
Итого сметная стоимость тыс.руб.
Норма амортизации %.
Сумма амортизации тыс. руб.
Основное оборудование
Установка подачи ингибитора коррозии
Итого по основному оборудованию:
Вспомогательное оборудование
Сигнализация световая
Итого по вспомогательному оборудованию
Производственный инвентарь и инструменты
Итого по производств.инвентарю и инструментам
Сводная стоимость затрат на строительство проектируемого производства Кос рассчитывается в таблице 26.
Таблица 26 – Сводная стоимость затрат на строительство
Наименование объектов
Сметная стоимость тыс.руб.
Объекты основного и вспомогательного назначения
1 Здания и сооружения
2 Основное и вспомогательное оборудование
3 Производственный инвентарь и инструменты
3 Расчет численности промышленно-производственного персонала
3.1 Расчет численности основных и вспомогательных рабочих
При расчете численности рабочих различают явочную и списочную численность. Явочная численность основных рабочих-повременщиков рассчитывается на основе норм обслуживания:
где НОБС – норма обслуживания.
m – число рабочих мест (число стадий).
d – количество смен в сутки d=2.
Списочная численность включает явочную и подменную численность необходимую для обслуживания производства в период предоставления рабочим выходных дней отсутствия на работе по причинам законных невыходов и т.д.
где КНЕПР – коэффициент пересчета.
Коэффициент пересчета для непрерывного производства определяется следующим образом:
где FКАЛ – календарный фонд рабочего времени (2060 ч.)
FЭФ – эффективный годовой фонд времени работы рабочего (часы) принимаем Fэф = 1860 ч.
Вспомогательные рабочие (слесари электрики и т.п.) являются подрядными работниками и привлекаются к работам на установке в случае необходимости по договору с подрядной организацией.
Таблица 27 – Данные по определению численности рабочих
Число рабочих в смену
Явочное число рабочих
Коэффициент пересчета
Списочное число рабочих
2 Помощник оператора
Итого основных рабочих
3.2 Расчет численности руководителей и специалистов
Штатная численность руководителей и специалистов определяется исходя из организационной структуры управления производством.
Штатная численность руководителей и специалистов представлена в таблице 28.
Таблица 28 – Штатная численность руководителей и специалистов
Наименование должностей
Число штатных единиц
4 Определение себестоимости продукции
4.1 Расчет затрат на сырье и материалы топливо и энергию
Расчет годовой потребности и стоимости сырья материалов топлива энергии сведены в таблице 29.
Таблица 29 – Расчет годовой потребности и стоимости сырья топлива энергии
Наименование сырья материалов топлива энергии ед.измерен.
Норма расхода на единицу продукции
Годовой расход в натуральных единицах
Планово-заготовительная цена за единицу руб.
Стоимость годового расхода тыс.руб.
Основное сырье и материалы
2 Ингибитор коррозии
4.2 Расчет затрат на оплату труда
Расчет затрат на оплату труда производственных рабочих
Затраты на оплату труда проектируемого предприятия рассчитывается из ранее определенной численности работающих по категориям тарифных ставок и должностных окладов.
Годовой тарифный фонд зарплаты рассчитывается следующим образом:
ТЭФ – годовой эффективный фонд рабочего времени;
Ci – часовая тарифная ставка рабочего данного разряда.
Рабочие работающие в 2-х сменном режиме получают доплату за работу в ночное времяв размере 40% часовой тарифной ставки за каждый час работы в соответствующей смене.
где ФТАР – тарифный фонд заработной платы руб;
m – количество смен.
Доплата рабочим за работу в дни государственных праздников:
где ССМ – сменная тарифная ставка рабочего соответствующего разряда;
n – число праздничных дней в году;
Процент дополнительной зарплаты к фонду основной зарплаты (ЗДОП):
где tНЕВЫХ– время невыходов на работу по причине отпусков дни.
ТНОМ – номинальный фонд времени одного работника по балансу рабочего времени дни.
Результаты расчета фонда оплаты труда рабочих проектируемого производства сведены в таблице 30.
Расчет фонда оплаты труда руководителей специалистов служащих
Фонд оплаты труда руководителей специалистов служащих рассчитывается исходя из должностных окладов и количества штатных единиц.
К фонду зарплаты по должностным окладам прибавляются доплаты за работу в вечерние и ночные часы за работу в праздничные и выходные дни.
Мастера руководители участков и других подразделений специалисты служащие работающие в 2-х сменном режиме получают доплату за работу в ночное время в размере 40% от должностного оклада за отработанное время в соответствующей смене. Мастерам руководителям специалистам работающим в праздничные дни производится удвоение дневного оклада:
где М – месячный оклад.
Дополнительная заработная плата этой категории работников определяется следующим образом:
где ЗОСН – основной фонд зарплаты тыс.руб.
ТКАЛ – календарный фонд времени дни.
Таблица 30 – Расчет годового фонда оплаты труда рабочих
Тариф-ный разряд рабочего
Часовая тарифная ставка руб.коп.
Списоч-ная числен-ность чел.
Эффектив-ный фонд времени работы час.
Подле-жит отработ-ке всеми рабочи-ми чел.дни.
Тариф-ный фонд зарплаты
Фонд основ-ной зарплаты руб.
Фонд дополнительной зарплаты руб.
Общий фонд зарплаты руб.
За работу в ночное время
За вред.условия труда
За работу в праздничные дни
За работу в вечер.время
2. Помощ-ник опера-тора
Результаты расчета фонда оплаты труда руководителей специалистов и служащих сведены в таблице 31.
Таблица 31 – Расчет фонда оплаты труда руководителей специалистов
Наимено-вание должнос-тей
Число штат-ных еди-ниц
Фонд зарпла-ты за 11 мес. руб.
Дополнительная зарплата руб.
Общий фонд оплаты труда тыс.руб.
За работу в вечер-нее и ночное время
Результаты расчета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования сведены в таблицу 32.
Таблица 32 – Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования
Амортизация производственного оборудования и транспортных средств
Эксплуатация оборудования и транспортных средств
% от стоимости оборудования и транспортных средств
Износ малоценных и быстро изнашивающихся инструментов и приспособлений
% от стоимости оборудования
Заработная плата внештатных рабочих (слесари электромонтеры)
Отчисления на страховые взносы
% от затрат по предыдущим статьям
4.5 Общепроизводственные расходы
Результаты расчета общепроизводственных расходов в таблице 33.
Таблица 33 – Смета цеховых (общепроизводственных) расходов
Содержание аппарата управления
1 Заработная плата руководителей специалистов служащих
2 Отчисления на страховые взносы
Амортизационные отчисления по зданиям сооружениям инвентарю
Содержание зданий сооружений инвентаря
1 Заработная плата рабочих обслуживающих здания и сооружения
% от стоимости зданий сооружений
% от заработной платы всего персонала цеха
% от суммы по статьям 1-4
Затраты по статье ''общезаводские расходы'' определяются в размере 10% от суммы всех расходов на предел (разность между цеховой себестоимостью и стоимостью сырья и материалов).
Затраты по статье ''прочие производственные расходы'' определяются в размере 18% от общезаводских расходов.
Стоимость попутной продукции исключается из себестоимости целевого продукта.
Затраты по статье ''внепроизводственные расходы'' определяются в размере 08% от производственной себестоимости продукции [75].
Проектная калькуляция себестоимости сведена в таблицу 34.
Таблица 34 – Проектная калькуляция себестоимости
Статьи в калькуляции
Планово-заготовительная цена руб.
Затраты на годовой выпуск
Себестоимость единицы продукции
Норма расхода нат. ед.
Сырье и основные материалы
Энергия на технологические цели
Затраты на оплату труда производственных рабочих
Отчисление на страховые взносы
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
Итого: цеховая себестоимость
Общезаводские расходы
Итого: производственная себестоимость
Внепроизводственные расходы
Итого: полная себестоимость
5 Расчет потребности в оборотных средствах
Оборотные средства проектируемого производства представлены в таблице 35. Норма запаса принимается равной одному дню.
Таблица 35 – Оборотные средства
Малоценный инвентарь
Незавершенное производство
Расходы будущих периодов
Итого нормируемых оборотных средств
Ненормированные оборотные средства
Итого всех оборотных средств
Эффективность использования оборотных средств определяется коэффициентом оборачиваемости КОБ и продолжительностью одного оборота ТОБ. Коэффициент оборачиваемости:
где РП – полная себестоимость реализованной продукции руб.год;
Д – среднегодовой остаток оборотных средств руб.
Для вновь проектируемого производства среднегодовой остаток оборотных средств равен общей сумме оборотных средств проектируемого производства.
Продолжительность одного оборота определяется как
6 Определение экономической эффективности проектируемого предприятия
Выручка от продаж продукции определяется как
где В – годовой выпуск продукции нат.ед.;
Цед– цена за ед. продукции 1089055рубтонна.
Прибыль от продаж определим как разность выручки от продаж и себестоимости продукции:
Сумма налога на прибыль составляет 20% или 103453004 тыс.руб.
Определение прибыли показано в таблице 36.
Таблица 36 – Образование и распределение прибыли предприятия
Наименование показателя
Выручка от продаж продукции
Себестоимость продукции
Прибыль от продаж продукции
Для определения экономической эффективности проектируемого предприятия рассчитаем его основные технико-экономические показатели и сравним с аналогичными показателями производства-аналога.
Рентабельность продукции
Рентабельность производства определим как отношение прибыли от продаж к среднегодовой стоимости основных производственных фондов и среднего остатка оборотных средств: 321%.
Фондоотдача основных производственных фондов:
Определение чистого приведенного эффекта по формуле
где ЧП – чистая прибыль;
IC – величина инвестиций;
R–коэффициент дисконтирования 18%;
Величина инвестиций
IC = 3250406 + 125050269 = 125082773 тыс. руб.
Расчет приведенного эффекта приведен в таблице 37.
Таблица 37 – Расчет приведенного эффекта тыс.руб
Дисконтирование при R=18%
Таким образом NPV = 4324521 тыс.руб.
Определение срока окупаемости проектируемого производства
Величина инвестиций IC = 125050269+3250406 =125082773 тыс.руб. срок окупаемости
Комплексный анализ основных технико-экономических показателей проектируемого производства и производства-аналога представлен в таблице 38.
Таблица 38 – Технико-экономические показатели проектируемого производства
Наименование показателей
Проекти-руемое производ-ство
Производ-ство – аналог
Годовой выпуск продукции
1 Натуральных единиц в год тонн
2 В стоимостном выражении тыс.руб
1 Единицы продукции тыс.руб
2 Годового выпуска тыс.руб
Прибыль от продаж продукции тыс.руб
Уровень рентабельности
Фонд оплаты труда на одного работающего в год тыс.руб
Выработка продукции в стоимостном выражении на одного работника тыс.рубчел
Фондоотдача основных фондов рубруб
Коэффициент оборачиваемости оборотных средств обгод
На основании проведения комплексного анализа основных технико-экономических показателей проектируемого производства и производства-аналога можно сделать вывод что проектируемое производство является экономически эффективным.
В представленной работе были изучены теоретические основы основные методы и механизмы процессов разделения гетерогенных газожидкостных систем.
В результате проведенного литературно-патентного обзора выявлено что наиболее перспективным видом оборудования является аппараты и устройства в которых для разделения гетерогенных смесей используются центробежные силы.
В ходе обзора научной научно-технической учебной и справочной литературы предложена классификация газосепараторов.
Для исследований и разработок выбран центробежный газосепаратор так как его конструкция наиболее универсальна проста для модификаций и аппарат работает в широком диапазоне производительности.
Разработана конструкция нового центробежного сепаратора в котором для предотвращения вторичного уноса предусмотрен отсекатель капель дисперсной фазы работающий в режиме резонанса и имеющий определенные преимущества перед используемыми внутренними устройствами подобного типа.
В работе приведен пример включения центробежного газосепаратора в технологическую схему установки промысловой подготовки нефти.
Усовершенствована конструкция циклона для разделения тонкодисперсных жидкостных систем.
Использование новых разработок в сепараторах и циклонах на промышленных объектах позволит повысить эффективность очистки газа от примесей.
На конструкции центробежного сепаратора и циклона получены патенты на полезную модель.
Разработаны алгоритм и программа расчетов на ЭВМ эффективности газожидкостной сепарации.
В ходе расчета были определены основные технологические и геометрические параметры центробежного газосепаратора.
Получено аналитическое выражение закона связывающего производительность с давлением в аппарате и критической скоростью газа.
Технологический расчет показал что оптимальная скорость газа в свободном сечении сепаратора составляет 475 мс. При таком значении скорости производительность Q = 3350 м3час. Диаметр частиц улавливаемых с эффективностью 50% составляет 224 мкм.
Для изучения улавливания тонкодисперсной фазы из жидкостного потока была разработана методика проведения экспериментальных исследований и экспериментальная установка для определения дисперсного состава неоднородной системы и эффективности разделения в гидроциклоне.
Для исследования эффективности разделения дисперсной системы в гидроциклоне была разработана автоматизированная программа в приложении MS Excel.
Сравнительный анализ результатов расчета по программе и экспериментальных данных показал что расхождение теоретических и опытных данных не превышает 18% следовательно для инженерных расчетов эффективности разделения неоднородных систем в гидроциклоне можно использовать разработанную программу.
Результативность разработок и исследований
Результаты работы отражены в следующих публикациях
Интенсификация работы технологического оборудования Дзиневская Е. В. Лыско Ю. А. Голованчиков А. Б. Шагарова А. А Фундаментальные и прикладные исследования в технических науках в условиях перехода предприятий на импорто-замещение: проблемы и пути решения: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. – В 2 т. – Т. 2. – Уфа: Издательство УГНТУ 2015. – С. 103-104.
Дзиневская Е.В. Экспериментальные исследования кинетики осаждения взвеси в сточной воде производства суспензионного ПВХ Е. В. Дзиневская К. Е. Казакова А. А. Шагарова Статья направлена на 10-ю Всероссийскую научно-практическую конференцию с международным участием 24-26 мая 2017 г. г. Бийск
Центробежный газосепаратор Дзиневская Е. В. Горбаченко В. И.Голованчиков А. Б. Шагарова А. А. Сборник тезисов докладов по внутривузовскому смотру-конкурсу научных конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ; редкол.: В.А.Навроцкий (отв. ред.) [и др.];ВолгГТУ. – Волгоград 2015. – С 101 - 102.
Расчет газосепаратора Дзиневская Е. В. Шагарова А. А. России – творческую молодежь: тезисы докладов VII региональной научно-практической конференции г. Камышин 22-23 апреля 2015 г. – Т.1 – С. 127-128.
Дзиневская Е.В. Применение резонансного эффекта для интенсификации работы технологического оборудования Е.В. Дзиневская Ю.А. Лыско XX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград 8-11 дек. 2015 г.) : тез. докл. редкол.: А.В. Навроцкий (отв. ред.) [и др.] ; Комитет молодёжной политики Волгогр. обл. Совет ректоров вузов Волгогр. обл. ВолгГТУ. - Волгоград 2016. - C. 57-59.
Дзиневская Е.В.Циклон Е.В. Дзиневская А.Б. Голованчиков А.А. Шагарова России – творческую молодёжь : тез. докл. IX регион. науч.-практ. студенч. конф. посвящ. 100-летию со дня рожд. Героя Советского Союза Маресьева Алексея Петровича (г. Камышин 27-28 апр. 2016 г.). В 2 т. Т. 1 ВолгГТУ КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград 2016. - C. 67.
Отдельные разделы работы докладывались на следующих конференциях:
VIII региональная научно-практическая студенческая конференция «России – творческую молодёжь» г. Камышин 22–23 апреля 2015 г.
Смотр-конкурс научных конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ 12 – 15 мая 2015 г.
XX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области ВолгГТУ 8– 11 декабря 2015 г.
Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием Уфа 17 – 18 декабря 2015 г.
Внутривузовская олимпиада «Тябинские чтения» ВолгГТУ
IX региональная научно-практическая студенческая конференция «России – творческую молодёжь» г. Камышин 27–28 апреля 2016 г.
XII Международная научно-практическая конференция «Взаимодействие предприятий и вузов – наука кадры новые технологии»
г. Волжский 26 апреля 2016 г.
Смотр-конкурс научных конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ 10 – 13 мая 2016 г.
54-ая внутривузовская научная конференция 30 января - 3 февраля 2017 г.
10-ая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Технологии и оборудование химической биотехнологической и пищевой промышленности» 24-26 мая 2017 г. г. Бийск.
Смотр-конкурс научных конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ 16-19 мая 2017 г.
По результатам работы получен патент на полезную модель
П. М. 155459 Российская Федерация. Центробежный сепаратор Голованчиков А. Б. Шагарова А. А. Чудин А. С. Дзиневская Е. В. Горбаченко В. И. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУВПО ВолгГТУ. -
№ 201511383605 заявл. 14.04.2015 опубл. 10.10.2015.
Подана заявка на полезную модель №2016143270 от 12.10.2016: Циклон А. Б. Голованчиков П. С. Васильев Е. В. Дзиневская М. И. Ламскова М. И. Филимонов ДоанМиньКыонг; ВолгГТУ.
Список использованных источников
Адельшин А.Б. Энергия потока в процессах интенсификации очистки нефтесодержащих сточных вод. Часть 1. Гидроциклоны. Казань: КГАСА 1996 200 с.
Ахметов С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие С. А. Ахметов Т. П. Сериков И. Р. Кузеев М. И. Баязитов; Под ред С. А. Ахметова. – Санкт-Петербург : Недра 2006. – 868 с.
Баннов П.Г. Процессы переработки нефти П. Г. Баннов. – Москва : Изд. ЦНИИТЭнефтехим 2001. – 415с.
Бабицкий И. Ф. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов И. Ф. Бабицкий Г. Л. Вихман С. И. Вольфсон; Под ред. Е. П. Корсун. – Москва : Недра 1965 – 904с.
Бондарь А.Г. Статюха Г.А. Планирование эксперимента в химической технологии. – Киев: Высшая школа 1978.
ВНТП 3-85 Нормы технологического проектирования объектов сбора транспорта подготовки нефти газа и воды нефтяных месторождений. Миннефтепром.
ГОСТ 12.1.011-78 (СТ СЭВ 2775-80) ССБТ. Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний (с Изменениями 1 2)
ГОСТ 17.2.3.02–78 «Охрана природы. Атмосфера. Правила по установлению нормативов допустимых выбросов вредных веществ промышленных предприятий»
Горная энциклопедия [Электронный ресурс] Т. 4: Ортин — Социосфера ред. Козловский Е. А.
Дзиневская Е.В. Исследование работы лабораторного гидроциклона при различном гранулометрическом составе питания Е.В. Дзиневская А.А. Шагарова Смотр-конкурс научных работ студентов. V Международная конференция-школа по химической технологии ХТ`16 (г. Волгоград 16-20 мая 2016 г.) : тез. докл. редкол.: А.В. Навроцкий (отв. ред.) [и др.] ; Программа развития деятельности студенческих объединений Волгоградский гос. техн. ун-т. - Волгоград 2016. - C. 25-26.
Дунюшкин И. И. Сбор и подготовка скважинной продукции нефтяных месторождений: учебное пособие И. И. Дунюшкин. – Москва : Нефть и газ 2006. – 320 с.
Земенков Ю. В. Сбор и подготовка нефти и газа Ю. В. Земенков Л. А. Маркова. – Москва: Академия 2009. – 160 с.
Зиганшин М.Г. Проектирование аппаратов пылегазоочистки
М. Г. Зиганшин А. А. Колесник В. Н. Посохин. - Москва : Экопресс-ЗМ 1998. - 505 c.
Кафаров В. В. Математическое моделирование основных процессов химических производств: учеб. пособие для вузов. В. В. Кафаров М. Б. Глебов. – Москва : ВШ 1991. – 400 с.
Килинник С.В. Разработка элементов и конструктивных схем для прямоточных центробежных газосепараторов: Авторефер. дис. канд. техн. наук. Краснодар; 2004. - 24 с.
Комплексный подход к разработке моделирующих систем технологии первичной подготовки нефти и газа А. В. Кравцов А. А. Гавриков Н. В. Ушева Н. А. Барамыгина Международная конференция «Информационные системы и технологии». – Томск 2010. – С. 226-230.
Кох Н. А. Влияние геометрии выходного патрубка на процессы протекающие в центробежном сепараторе Н. А. Кох А. К. Леднев Русский инженер. – 2010. – № 3 - 4 (26 - 27) . – С. 46 - 49.
Кузнецов А.А. Кагерманов С.М. Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е пер. и доп. Л. «Химия» 1974. - 344 с.
Кузубова Л.И. Морозов С.В. Очистка нефтесодержащих сточных вод: Аналит. обзор СО РАН ГПНТБ НИОХ. – Новосибирск 1992. – 72 с.
Кравцов А. В.. Ушева Н. В. Бешагина Е. В Мойзес О. Е. Кузьменко Е. А. Гавриков А. А. Технологические основы и моделирование процессов промысловой подготовки нефти и газа: учебное пособие Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета 2012. – 128 с.
Лаптев А.Г. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах А. Г. Лаптев М. И. Фарахов. - Казань: Казанск. гос. энерг. ун-т 2006. - 342 с.
Лаптев А.Г. Гидромеханические процессы в нефтехимии и энергетике: пособие к расчету аппаратов А. Г. Лаптев М. И. Фарахов. – Казань: Изд-во Казанск. гос. ун-та 2008. –729 с.
Магарил Р. З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти: учебное пособие Р. З. Магарил. – Москва : КДУ 2008. – 280 с.
Мильштейн Л.М. Нефтегазопромысловая сепарационная техника Л.М. Мильштейн . – Москва : Недра 1991. – 241 с.
Минигулов P.M. Лаптев А.Г. Тараскин М.М. Внедрение научно-техни- ческих разработок при добыче и подготовке природного газа Вестник Казанско- го государственного энергетического университета. 2009. № 3. С. 8 - 13.
Минигулов Р.М. Очистка газов от жидкой дисперсной фазы комбинированным сепаратором Р. М. Минигулов М. И. Фарахов М. М. Тараскин Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2010. № 3 - 4. - С. 3 - 7.
Мисюля Д. И. Сравнительный анализ технических характеристик циклонных пылеуловителей Д. И. Мисюля и др. Химическая технология неорганических веществ. Трубы БГТУ. – Белгород 2012. - № 3. – С. 154 – 163.
Михалев М.Ф. Третьяков Н.П. Мильченко А.И. Зобнин В.В. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Учебное пособие - М.: Машиностроение 1984. -302 с.
Моделирование технологических процессов с помощью метода наименьших квадратов: метод. указания сост. А.Н.Гайдадин С.А.Ефремова Н.Н.Печурина; ВолгГТУ. – Волгоград 2008. – 16 с.
Оборудование для промысловой подготовки нефти газа и воды: каталог. – Москва: Изд. ЦИНТИхимнефтемаш 1990. – 18 с.
Очистка промышленных газов от пыли В. Н. Ужов А. Ю. Вальдберг Б. И. Мягков И. К. Решидов. - Москва : Химия 1981. - 392 с.
Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии К. Ф. ПавловП. Г. Романков А. А. Носков. – 8-е изд. – Химия 1976. –552 с.
Пат. 2379121 Российская Федерация. Вихревой центробежный сепаратор Систер В. Г.Мартынов Ю. В.Елисеева О. А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО "Московский государственный университет инженерной экологии". - № 200814869915; заявл. 10.12.2008 ; опубл. 20.01.2010.
Пат. CN 203663644 U Ch заявитель и патентообладатель Zhengzhou University.- CN 201420007526 заявл. 07.01.2014 опубл. 25.06.2014.
П.М. 037613 (заявка). Сепаратор осушки газов от капельной влаги А. Г. Лаптев М. М. Башаров М. М. Тараскин А. Р. Исхаков. -
№ 201112549505 ; заявл. 21.06.2011.
ПБ 08-624-03 Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности;
ПБ 03-585-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов
Плановский А.Н. Рамм В.Н. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия 1968. – 848 с.
Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М. «Недра» 1978 232 с.
Попутный газ - добро или зло В. Н. Голдобин Нефть России 2007. – №11.
Применение корреляционного анализа в технологических расчетах: метод. указания сост. А.Н.Гайдадин С.А.Ефремова Н.Н.Бакумова ; ВолгГТУ. –Волгоград 2008. – 16 с.
Санайский Э.Г. Разделение двухфазных многокомпонентных смесей в нефтегазопромысловом оборудовании Э.Г. Санайский. – Москва: Недра 1990. – 272 с.
СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. - М.;Госкомсанэпиднадзор России 2001.-25с
Скотт Кемп Р. Теория и разработка газовых центрифуг: Обзор Американских программ Р. Скотт Кемп. – Science and Global Security 2009. – 19 с.
СНиП 2.09.02-85* Производственные здания
СНиП 2.01.02-85* Противопожарные нормы
Совершенствование фильтрационного оборудования в нефтегазовой промышленности Г. К. Зиберт И. М. Валиуллин К. Ш. Султанов Г. М. Хайрулин Р. М. Минигулов Нефть. Газ. Промышленность. –2007. – № 3(31). – С. 12 - 13.
СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности»
СП 4.13130.2009 «Системы противопожарной защиты. Ограничение распространения пожара на объектах защиты. Требования к объемно-планировочным и конструктивным решениям».
Справочник по распыливающим оросительным и каплеулавливающим устройствам А. Н. Чохонелидзе В. С. Галустов Л. П. Холпанов В. П.Приходько. - Москва : Энергоатомиздат 2002. - 608 с.
Справочник нефтепереработчика: Справочник Под ред. Г.А. Ласточкина Е.Д. Радченко и М..Г. Рудина. – Л.: «Химия» 1986. – 648 с. ил
Сугак Е.В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами Е. В. Сугак Н. А. Войнов Н. А. Николаев. 2-е изд. - Казань : Отечество 2009. - 224 с.
ССБТ ГОСТ 12.1.009-76 «Электробезопасность. Общие требования».
ССБТ ГОСТ 12.1.019-79 «Электробезопасность. Термины и определения».
ССБТ ГОСТ 12.3.002–75. «Процессы производственные. Общие требования безопасности»
ССБТ ГОСТ 12.3.003–74 «Оборудование производственное. Общие требования безопасности»
Технологические основы и моделирование процессов промысловой подготовки нефти и газа: учебное пособие А. В. Кравцов Н.В. Ушева Е.В. Бешагина О.Е. Мойзес Е.А. Кузьменко А.А. Гавриков; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета 2012. – 128 с.
Тронов В. П. Сепарация газа и сокращение потерь нефти – Казаньи: Фэн 2002. – 408с.
Уилки Ч. Поливинилхлорид Ч. Уилки Дж. Саммерс Ч. Даниелс (ред.); пер. с англ.; под ред. Г. Е. Заикова. – СПб: «Профессия» 2007 г. – 728 с.
Ульянов В. М. Поливинилхлорид В. М. Ульянов Э. П. Рыбкин А. Д. Гуткович [и др.]. – М.: «Химия» 1992. – 288 с.
Центробежный газосепаратор Дзиневская Е. В. Горбаченко В. И.Голованчиков А. Б. Шагарова А. А. Сборник тезисов докладов по внутривузовскому смотру-конкурсу научных конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ; редкол.: В.А.Навроцкий (отв. ред.) [и др.] ; ВолгГТУ. – Волгоград 2015. – С 101 - 102.
Чеботарев В. В. Расчеты основных технологических процессов при сборе и подготовке скважинной продукции: учебное пособие В. В. Чеботарев. 2-е изд. – Уфа : УГНТУ 2001. – 328 с.
Чохонелидзе А.Н. Галустов В.С. Холпанов Л.П. Приходько В.П. Справочник по распыливающим оросительным и каплеулавливающим устройствам. М.: Энергоатомиздат 2002. 608 с.
Шестов Р.Н. Гидроциклоны. – Ленинград: Издательство «Машиностроение» 1967. – 78 с
Экономика предприятия: Учебник для вузов [Текст] В.Я. Горфинкель В.А. Швандар [и др.]. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА 2001. – 718с.
G Norwegian University of Science and Technology. – 2012. –96 p.
Flooding and Pressure Drop of Counter Current Dieter Mewes Leibniz The SpringerVDIHeatAtlas. – 2013. – L1. – Р. 156-159.
Gas-Liquid Flow in Vertical Pipes Dieter Mewes Leibniz The SpringerVDIHeatAtlas. – 2010. – L2. – Р. 1164-1167.
J.J.H. Brouwers. Rotational particle separator:n an efficient method to separate micron-sized droplets and particles from fluids J.J.H. Brouwers H.P. van Kemenade J.P. Kroes Filtration journal. – 2012. – 12(1). – P. 49-60.