Попутный нефтяной газ

Содержание

Введение и описание установки

Назначение

Устройство и принцип работы

Расчет материального баланса

Расчет статьи расхода

Расчет теплового эффекта реакций

Физическое тепло реагентов

Физическое тепло продуктов

Вывод

Список используемой литературы

Введение и описание установки

Попутный нефтяной газ - смесь углеводородов, получаемых при добыче и сепарации нефти. Это побочный продукт нефтедобычи, состоящий из метана, этана, пропана, изобутана, бутана. Попутно нефтяной газ может включать также другие примеси различного состава и фазового состояния.

ПНГ является ценным углеводородным компонентом, выделяющимся из добываемых, транспортируемых и перерабатываемых содержащих углеводороды минералов на всех стадиях инвестиционного цикла жизни до реализации готовых продуктов конечному потребителю.

Основными путями утилизации ПНГ являются переработка на ГПЗ, генерация электроэнергии, сжигание на собственные нужды, закачка обратно в пласт для интенсификации нефтеотдачи (поддержание пластового давления), закачка в добывающие скважины - использование "газлифта". Так как ПНГ имеет высокую теплотворную способность он является важным сырьем для энергетики. В данной работе сжигание ПНГ используется для отопительной системы, горячего водоснабжения и вентиляции. По типу источника нагрева используется газовый котел марки RS-D

попутный нефтяной газ утилизация

Назначение

Котлы серии RS-D являются водогрейными водотрубными котлами гидронного типа с газоплотной топкой, работающими на попутно нефтяном, природном, сжиженном газе.

Сферы применения: системы отопления и вентиляции, горячее водоснабжение промышленных, административных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных объектов, обеспечение тепловой энергией технологического оборудования.

Котлы RS-D производятся серийно в диапазоне номинальной мощности от 250 кВт до 10000 кВт. Котлы RS-D имеют устойчивые несущие опоры и могут быть установлены на ровном прочном полу без дополнительного фундамента.

Особенности специальная "прощающая" конструкция теплообменника, свободно плавающего в каркасе котла, предусматривает возможность резкого охлаждения и нагрева без возникновения механических напряжений;

эффективная циркуляция теплоносителя по топочным трубам со скоростью 2 м/сек увеличивает интенсивность теплообмена примерно в 8 раз;

благодаря высокой скорости циркуляции воды, в топочных трубах создается турбулентный поток, который в несколько раз снижает отложения накипи на стенках труб;

благодаря применению в топке поперечно-оребренных труб, котел имеет относительно малый вес и низкую тепловую инертность;

исключительно малый водяной объем делает котел более безопасным при превышении рабочего давления или при перегреве воды;

низкое сопротивление газового тракта позволяет расширить диапазон регулирования горелочного устройства;

большой объем топки и низкое тепловое напряжение топочного пространства позволяют поддерживать низкие выбросы CO₂

все сварные швы на топочных трубах вынесены за пределы топки, что облегчает доступ к ним при ремонте котла;

передняя крышка с установленной на ней горелкой может открываться по необходимости вправо или влево, что обеспечивает удобство в обслуживании котла.

Устройство и принцип работы

Котлы серии "RS-D" являются водогрейными котлами с водотрубным скоростным теплообменником. Котлы относятся к классу гидронных, т.е. скорость воды в трубах теплообменника, образующих топку, достигает 2 м/сек. Топка котла образована горизонтальными оребренными трубами, расположенными по окружности и соединенными в змеевик.

- патрубок выхода теплоносителя; 2 - патрубок входа теплоносителя; 3 - выход отработавших газов; 4 - декоративный кожух; 5 - теплоизоляция; 6 - каркас; 7 - теплообменник; 8 - плита передняя; 9 - плита задняя; 10-крышка.

В одном котле, в зависимости от типоразмера, расположено от 1 до 6 параллельных змеевиков. Задняя торцевая стенка топки выполнена в виде плоской плиты с цилиндрической водяной камерой, разделенной по окружности на две отдельные полости, в нее врезаны все трубы теплообменника и патрубки входа и выхода воды. Передняя торцевая стенка топки выполнена в виде плоской плиты с расположенной на ней неохлаждаемой открывающейся крышкой. Крышка изнутри защищена огнеупорным материалом.

Для улучшения омывания дымовыми газами и увеличения интенсивности теплопередачи, снаружи на оребренные трубы топки установлены газовые рассекатели, представляющие собой профильные пластины из жаропрочной стали. Таким образом, топка котла снаружи заключена в герметичный газовый короб. Продукты сгорания из топки котла проходят между оребренными экранными трубами, отдавая им тепло, и попадают в газовый короб, откуда удаляются через газоход. Отличительной особенностью данного котла от водотрубных котлов других производителей является то, что благодаря применению оребренных труб - удалось объединить радиационную и конвективную поверхности нагрева в одно целое, что позволило уменьшить металлоемкость, существенно снизить вес котла и его размеры.

Относительно малый вес и размеры делают котел незаменимым при установке его в блочно-модульных котельных, где габариты и вес имеют решающее значение.

Специальная "прощающая" конструкция теплообменника, свободно плавающего в каркасе котла, предусматривает возможность резкого охлаждения и нагрева без возникновения механических напряжений. Трубы теплообменника выполнены в виде змеевиков, жестко закрепленных только на задней стенке котла, тепловое расширение труб происходит свободно в сторону передней части котла, повороты труб дополнительно компенсируют возможные тепловые перекосы. Повороты труб вынесены за пределы топки, для облегчения доступа к сварным швам при ремонте. По сравнению с жаротрубными реверсивными котлами, топка нашего котла имеет меньшее аэродинамическое сопротивление, так как не все дымовые газы возвращаются назад к передней стенке, а уходят сразу в газоход по всей площади топки, что позволяет подбирать горелки меньшего типоразмера и снижать уровень шума при работе горелки на полной мощности.

Расчет материального баланса

Таблица 1

Расчет статьи прихода:

Уравнения реакции:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2Н₂О, C₂H₆ + 3.5O₂ = 2CO₂ + 3Н₂О₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4Н₂О, i-C₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂ОC₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂О, i-C₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂ОC₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂О, C₆H₁₄ + 9.5O₂ = 6CO₂ + 7Н₂О₇H₁₆ + 11O₂ = 7CO₂ + 8Н₂О, С₈Н₁₈ + 12.5O₂ = 8CO₂ + 9Н₂О

С₉H₂₀ + 14O₂ = 9CO₂ + 10Н₂О

С помощью них рассчитываем теоритическое количество и массу кислорода нужного для поддержания горения:

По уравнению 1 следует, что n (CH₄) =2n (O₂) =41,778*2=85,714кмоль

(O₂) =85,741*32=2742,848кг

По уравнению 2 следует, что n (C₂H₆) =3,5n (O₂) =16,071*3,5=56,249кмоль

(O₂) =56,249*32=1799,968кг

По уравнению 3 следует, что n (C₃H₈) =5n (O₂) =13,393*5=66,965кмоль

(O₂) =66,965*32=2142,88кг

По уравнению 4 следует, что n (i-C₄H₁₀) =6,5n (O₂) =1,786*6,5=11,609кмоль

(O₂) =11,609*32=371,488кг

По уравнению 5 следует, что n (O₂) =2,946*6.5=19,149кмоль(O₂) =19,149*32=612,768кг

По уравнению 6 следует, что n (O₂) =1,339*8=10,712кмоль

(O₂) =10,712*32=342,784кг, уравнение 7 аналогично.

По уравнению 8 следует, что n (O₂) =9,5*0,893=8,484кмоль

(O₂) =8,484*32=271,488кг

По уравнению 9 следует, что n (O₂) =11*0,446=4,906кмоль

(O₂) =4,906*32=156,992кг

По уравнению 10 следует, что n (O₂) =0,089*12,5=1,1125кмоль

(O₂) =1,1125*32=35,600кг

По уравнению 11 следует, что n (O₂) =0,089*14=1,246кмоль

(O₂) =1,246*32=39,872

Всего n (O₂) =276,8585кмоль, m (O₂) =8859,472кг

Данные заносятся в таблицу 1.

Расчет статьи расхода

Уравнения реакции:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2Н₂О, C₂H₆ + 3.5O₂ = 2CO₂ + 3Н₂О₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4Н₂О, i-C₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂ОC₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂О, i-C₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂ОC₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂О, C₆H₁₄ + 9.5O₂ = 6CO₂ + 7Н₂О₇H₁₆ + 11O₂ = 7CO₂ + 8Н₂О,

С₈Н₁₈ + 12.5O₂ = 8CO₂ + 9Н₂О

С₉H₂₀ + 14O₂ = 9CO₂ + 10Н₂О

По уравнению 1 следует, что n (CH₄) =n (CO₂) =42,857кмоль, m (CO₂) =42,857*44=1885,708кг

(CH₄) =2n (Н₂О) =42,857*2=85,714кмоль, m (Н₂О) =85,714*18=1542,852кг

По уравнению 2 следует, что n (CO₂) =16,071*2=32,142кмоль m (CO₂) =32,142*44=1414,248кг

(Н₂О) =16,071*3=48,213кмоль, m (Н₂О) =48.213*18=867,834кг

По уравнению 3 следует, что n (CO₂) =13,393*3=40,179кмоль, m (CO₂) =40,179*44=1767,876кг

(Н₂О) =13,393*4=53,572кмоль, m (Н₂О) =53,572*18=964,296кг

По уравнению 4 следует n (CO₂) = 7,144кмоль, m (CO₂) =314,336кг

(Н₂О) = 8,93кмоль, m (Н₂О) =160,740кг

По уравнению 5 следует, что n (CO₂) = 11,784кмоль, m (CO₂) =265,140кг

(Н₂О) = 14,73 кмоль, m (Н₂О) =265,14кг

По уравнению 6 следует, что n (CO₂) =6,695 кмоль, m (CO₂) =294,58кг

(Н₂О) = 8,034 кмоль, m (Н₂О) =144,612кг

Уравнение 7 аналогично 6.

По уравнению 8 следует, что

(CO₂) = 5,358 кмоль, m (CO₂) =235,752 кг

(Н₂О) =6,251 кмоль, m (Н₂О) =112,518 кг

По уравнению 9 следует, что n (CO₂) =3,122 кмоль, m (CO₂) =137,368 кг

(Н₂О) =3,568 кмоль, m (Н₂О) =64,224 кг

По уравнению 10 следует что, n (CO₂) = 0,712 кмоль, m (CO₂) =31,328кг

(Н₂О) =0,801кмоль, m (Н₂О) =14,418кг

По уравнению 11 следует что, n (CO₂) =0,801кмоль, m (CO₂) =35,244кг

(Н₂О) =0,89кмоль, m (Н₂О) =16,02кг

Всего n (CO₂) =157,489 кмоль,

(CO₂) =6929,500 кг, n (Н₂О) =238,737 кмоль, m (Н₂О) =4297,300 кг

Данные заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Название

кмоль

кг

СО₂

∑157,489

∑6929,500

Н₂О

∑238,737

∑4297,300

N₂+редкие

2,232

62,496

H₂O

2,321

41,778

Итого

11331,074

Все полученные данные заносятся в таблицу 3.

Таблица 3 Материальный баланс процесса

Расчет теплового эффекта реакций

По закону Гесса тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

ΔН_реак= (nCO₂+H₂O) - (C_nH_2n+2)₄ + 2O₂ = CO₂ + 2Н₂О

ΔН_реак = (-393510 +2* (-241840)) +74850= - 802340кДж/кмоль₂H₆ + 3.5O₂ = 2CO₂ + 3Н₂О

ΔН_реак = (2* (-393510) +3* (-241840)) +84670= - 1427870кДж/кмоль₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4Н₂О

ΔН_реак = (3* (-393510) +4* (-241840)) +103900= - 2043990 кДж/кмольC₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂О

ΔН_реак = (4* (-393510) +5* (-241840)) +131600= - 2651640 кДж/кмольC₄H₁₀ + 6.5O₂ = 4CO₂ + 5Н₂О

ΔН_реак = (4* (-393510) +5* (-241840)) +124700= - 2658540 кДж/кмольC₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂О

ΔН_реак = (5* (-393510) +6* (-241840)) +154500 = - 3264090 кДж/кмольC₅H₁₂+ 8O₂ = 5CO₂ + 6Н₂О

ΔН_реак = (5* (-393510) +6* (-241840)) +146400= - 3272190 кДж/кмоль₆H₁₄ + 9.5O₂ = 6CO₂ + 7Н₂О

ΔН_реак = (6* (-393510) +7* (-241840)) +167190= - 3886750 кДж/кмоль₇H₁₆ + 11O₂ = 7CO₂ + 8Н₂О

ΔН_реак = (7* (-393510) +8* (-241840)) +187820= - 4877110 кДж/кмоль

С₈Н₁₈ + 12.5O₂ = 8CO₂ + 9Н₂О

ΔН_реак = (8* (-393510) +9* (-241840)) +208400= - 5116240 кДж/кмоль

С₉H₂₀ + 14O₂ = 9CO₂ + 10Н₂О

ΔН_реак = (9* (-393510) +10* (-241840)) +300000= - 5659990 кДж/кмоль

Физическое тепло реагентов

Физическое тепло реагентов может быть найдено по формуле Q_ф=nct.

Количество реагентов берется по данным материального баланса. (Табл.1, табл.2, табл.3). Теплоемкости веществ:

.        С (Н₂О) = 75,31 Дж/моль*град,

2.       С (N₂) = 29,10 Дж/моль*град,

.        С (СН₄) =35,79 Дж/моль*град,

.        С (С₂Н₆) =52,70 Дж/моль*град,

.        С (С₃Н₈) = 73,51 Дж/моль*град,

.        С (i-С₄Н₁₀) =96,82 Дж/моль*град,

.        С (С₄Н₁₀) =97,78 Дж/моль*град,

.        С (i-С₅Н₁₂) =120,6 Дж/моль*град,

.        С (С₆Н₁₄) =146,7 Дж/моль*град,

.        С (С₇Н₁₆) =170,8 Дж/моль*град,

.        С (С₈Н₁₈) =194,9 Дж/моль*град,

.        С (С₉Н₂₀) =214,8 Дж/моль*град,

.        С (О₂) =29,36 Дж/моль*град.

Физическое тепло компонентов материального потока на входе в аппарат:

.        Q=3495,890 кДж

2.       Q=1351,986 кДж

.        Q=30677,04 кДж

.        Q=16938,8 кДж

.        Q=19690,388 кДж

.        Q=3458,41 кДж

.        Q=5761, 198 кДж

.        Q=3229,668 кДж

.        Q=3283,828 кДж

.        Q=2620,062 кДж

.        Q=1523,536 кДж

.        Q=346,322 кДж

.        Q=382,922 кДж

.        Q=162571,31 кДж

Общее количество физического тепла на входе в аппарат составляет 255330,782кДж

Суммарная величина статей прихода тепла

Статьями прихода тепла экзотермической реакции является тепло экзотермической реакции и физическое тепло реагентов:

+255330,782= 35916080,782 кДж

Температуру в зоне реакции принимаем за 1300єС.

Теплоемкости продуктов реакции при T=1300єС:

Формула пересчета теплоемкости для определенной температуры:

_р=a+bT+c/T² и C_p=a+bT+cT²+dT³

С (Н₂О) = 30,00+10,71*1300*10^-3+ ( (0,33*10⁵) /1300²) =43,943 Дж/моль*град

С (СО₂) =44,14+9,04*10^-3*1300- ( (8,53*10⁵/1300²) =55,387 Дж/моль*град

С (N₂) =27,87+4,27*10^-3*1300=33,421 Дж/моль*град

С (Н₂О) = 43,943 Дж/моль*град

Физическое тепло продуктов

Физическое тепло компонентов материального потока на выходе из аппарата:

=43,943*1300*238,737= 13638065,99 кДж=55,387*1300*157,489= 11339696,22 кДж=33,421*2,232*1300=96974,373 кДж=43,943*2,321*1300=132589,21 кДж

Теплота испарения воды:

∆Н_испра=40680,0 кДж/моль

.        ∆Н_испра=40680,0*238,737=9711821,16 кДж

2.       ∆Н_испра=40680,0*2,321=94418,28 кДж

Общее количество физического тепла на выходе в аппарат составляет 35013565,233кДж

Полученные данные представляем в таблице 4

Таблице 4

Потери тепла в данном случае составляют 2,5% от прихода.

Зная общее количество тепла, можем найти приближенную мощность котла для этого 1 джоуль [Дж] = 0.000000278 киловатт [кВт]

Мощность котла: 35013565,233кДж=35013565233Дж*0.000000278=9725.99кВт=9,7МВт

По полученному значению мощности газового котла, выбираем котел: RS-D10000

Характеристики котла приведены в табл 5.

Таблица 5

Вывод

Данная технология направлена на расширение сырьевой базы посредством решения проблемы утилизации ПНГ. Преимущество этой технологии в том, что утилизация ПНГ на получение тепла может проводиться непосредственно на местах нефтедобычи, обеспечивая тепловые и энергетические нужды установки и производственного помещения. Достоинством данного вида газопереработки является простота технологической установки, высокий КПД. Нет нужды дополнительно очищать ПНГ после очищения от серы и углекислого газа. Недостатки данной установки в загрязняющих выбросах атмосферу и необходимость чистки оборудования.

Список используемой литературы

1. Основы расчетов в химической технологии: метод. указания к решению задач и выполнению расчетов в курсовых работах / сост.к. т. н., доцент Т.И. Эпова, к. х. н., Н.Н. Пономарева. - Тольятти: ТГУ, 2007. - 112