Математическое моделирование гидрогазодинамических процессов при конденсации паровоздушной смеси

Математическое моделирование гидрогазодинамических процессов при конденсации паровоздушной смеси в трубе «Снится — или ничего, или что-то интересное. Нужно учиться и бодрствовать так же: или никак, или интересно» . Фридрих Ницше

Содержание • • Краткая история развития попутного нефтяного газа Системный анализ: – – • Моделирование процессов: – – – – – • • Наименование, объект и предмет исследования. Актуальность работы Элементы новизны. Полезность результатов Общая информация о жидкостных пленках Технические проблемы моделирования Постановка задачи Параметры расчета. Моделирование массообмена Теплообмен при пленочной конденсации пара Процесс конденсации. Скорость фазового перехода Обзор моделей поведения пленок при идеальных и реальных условиях Динамика поверхностных волн Влияние режима течения на теплообмен и конденсацию Сравнение эффективности массообмена при различных типах волнообразования Результаты двухмерного моделирования Экспериментальная установка. Акты испытаний Выводы исследования 2

Краткая история развития ПНГ О вопросе использования попутного нефтяного газа (ПНГ) сейчас немало говорят и пишут. Специфика добычи попутного газа заключается в том, что он является побочным продуктом нефтедобычи. Потери попутного нефтяного газа (ПНГ) связаны с неподготовленностью инфраструктуры для его сбора, подготовки, транспортировки и переработки, отсутствием потребителя. В этом случае попутный нефтяной газ просто сжигается на факелах. В зависимости от района добычи с 1 т нефти получают от 25 до 800 м 3 попутного нефтяного газа. СК – скважина; ГЗУ – групповая замерная установка; СПС– сепаратор первой ступени; НС – насосная станция; ЦПС – центральный пункт сбора; «Схема добычи нефти и ПНГ на месторождении без ГПЗ» . 3

Наименование работы – Повышение эффективности использования попутного нефтяного газа Объект исследования – Технологии и устройства для конденсирования попутного нефтяного газа в широкие фракции легких углеводородов Предмет исследования – Моделирование гидрогазодинамических процессов при конденсации пара в трубе средствами САПР (CAE) ANSYS inc. (СFX) Актуальность – Исследование течений жидкости со свободной поверхностью – одно из фундаментальных направлений гидродинамики. Изучение теплообмена, конденсации и массообмена в стекающих пленках вязкой жидкости – классическая задача этого направления. На сегодняшний день пока не существует теорий, в полной мере, описывающих массообмен в стекающих пленках. Исследование массообмена в пленочных течениях позволит найти наиболее Эффективные режимы течений, что повысит эффективность массообменных аппаратов, что, несомненно, будет являться неотъемлемой частью эффективного энергопользования и одним из важнейших показателей уровня промышленного развития страны. 4

Элементы новизны – 1. Средствами САПР (CAE) ANSYS inc. (СFX) впервые исследована гидромеханика течения жидкостной пленки и теплообмен при конденсации парогазовой смеси в трубе. 2. Впервые найдены и теоретически описаны характеристики волновых режимов. 3. Создана оригинальная модель ламинарного, волнового и турбулентного режима. 4. Определены характеристики, при которых массообмен проходит наиболее эффективно. 5. Найдены оптимальные с точки зрения массообмена режимы течения. 6. Решена задача определения зависимости толщины слоя вязкой жидкости на поверхности стенки трубы и скорости стекания жидкости от конструктивных изменений массообменного аппарата. 7. В результате проведения эксперимента, подтверждено конденсирование газа в экспериментальной установке и выявлена жидкая фракция легких углеводородов. Практическая ценность работы и реализация ее результатов – 1. Полученные результаты позволяют значительно сократить затраты на проведение экспериментальных исследований по массообмену и в ряде случаев даже заменить их теоретическими предсказаниями. 2. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при проектировании конденсаторов (ПНГ) или теплообменников с конденсацией любой другой газовой смеси. 3. Применение оптимальных температурных, скоростных и волновых режимов позволит оптимизировать параметры существующих массообменных установок и увеличить их эффективность до нескольких раз. 5

Информация о жидкостных пленках Пленочный тип течения по существу представляет собой жидкость, стекающую по гладкой твердой поверхности под действием силы тяжести или иной силы. Толщина пленки всегда оказывается значительно меньше ее ширины, и, следовательно, течение можно рассматривать как двумерное. Изучение процессов переноса в жидких пленках составляет основу моделирования абсорбционных и ректификационных насадочных колонн, испарителей, теплообменников. Исследование массообмена в пленочных течениях позволит найти наиболее эффективные режимы течений, что повысит эффективность массообменных аппаратов. 6

Постановка двухмерной задачи «Конденсация и массоперенос жидкостной пленки» 7

Теплообмен при пленочной конденсации пара Пленка конденсата является большим термическим сопротивлением передаче тепла фазового перехода от поверхности конденсации к стенке. Определение коэффициента теплоотдачи сводится к определению толщины пленки конденсата , которая может быть получена из анализа условий его течения. 8

Процесс конденсации Скорость фазового перехода Количество вещества, конденсирующегося на единицу поверхности в единицу времени. Давление насыщенных паров воды T, С Р, 274 293 313 333 353 373 393 610, 8 2940 7400 20200 48500 101325 198480 9

1 м/с 5 м/с 10 м/с 20 м/с 30 м/с 10

2 м/с 5 м/с 8 м/с 10 м/с 15 м/с 20 м/с 30 м/с

Динамика поверхностных волн Переход от ламинарного течения пленки к турбулентному определяют по величине числа Рейнольдса пленки. 1. Обычный режим вязкого течения жидкости с относительно постоянной толщиной пленки и числах Re не превышающих 20 ÷ 120; 2. Волновой режим течения при Re > 20 ÷ 120 , когда наряду с поступательным движением в жидкости возникает волновая компонента; 3. При Re примерно равном 1600 волновой режим течения переходит в турбулентный. 12

Ряд факторов, влияющих на конденсацию • • • Влияние перегрева пара – Насыщение пара происходит только у стенки по мере его охлаждения, а в дали от стенки он может оставаться перегретым Влияние содержания в паре неконденсирующихся газов – При наличии в паре воздуха или других неконденсирующихся газов теплоотдача при конденсации снижается. Так как на холодной стенке конденсируется только пар, а воздух остается. При отсутствии конвекции воздух скапливается около стенки и оказывает значительное препятствие движению пара к стенке Влияние состояния поверхности – Если поверхность шероховата или покрыта слоем окисла, то вследствие дополнительного сопротивления течению толщина пленки увеличивается, а коэффициент теплоотдачи снижается Влияние скорости и направления течения пара – Если движение газа совпадает с направлением течения пленки, поток газа ускоряет движение конденсата, ее толщина уменьшается, и коэффициент теплоотдачи возрастает При движении газа в противоположном направлении, течение пленки тормозится, толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается. Это происходит до тех пор, пока динамическое воздействие газа не превысит силу тяжести. Влияние компоновки поверхности конденсирования – Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи книзу уменьшается вследствие утолщения пленки. Для увеличения среднего значения теплоотдачи на расчетном расстоянии возможна установка конденсатоотводов, что значительно увеличивает 13 среднее значение коэффициента теплоотдачи по высоте трубки.

Влияние интенсивности охлаждения на распределение конденсатной пленки при постоянной скорости течения паровоздушной смеси 10 [м/с] 2500 [Вт/М 2·K] 14

Распределение скоростей по толщине смеси 0, 0018 м/с 2, 853 м/с 0, 0068 м/с 5 м/с 7, 56 м/с 0, 151 м/с 8 м/с 12, 05 м/с 0, 218 м/с 10 м/с 15, 197 м/с 0, 449 м/с 15 м/с 22, 26 м/с 0, 758 м/с 20 м/с 29, 575 м/с 1, 497 м/с 44, 017 м/с 30 м/с 15

Распределение температуры 2 м/с по стенке трубы и парогазовой смеси 5 м/с 8 м/с 10 м/с 15 м/с 20 м/с 30 м/с 16

Выводы исследований • • • Решение задачи- в моделировании процесса, который не удавалось выполнить ранее. Использование результатов и закономерностей, выдвинутых в диссертационном исследовании проектировании, существенно повышает производительность и снижает массогабаритные размеры теплообменных аппаратов. Моделирование показало, что для каждого режима течения существует критическое число Рейнольдса, при котором достигается максимум коэффициента массоотдачи на данном режиме течения. Решена задача определения зависимости толщины слоя вязкой жидкости на поверхности стенки трубы и скорости стекания жидкости от температуры, интенсивности охлаждения трубы, скорости паровоздушной смеси и сил гравитации. Установлено, что на волновом режиме течения, происходит увеличение интенсивности теплоотдачи по сравнению с расчетом Нуссельта для ламинарной пленки жидкости. Лишь за счет волнистости тепловая проводимость пленки увеличивается на 21%. Сравнение результатов эксперимента и расчетных исследований позволяет сказать, что для используемого диапазона скоростей газовой фазы на входе (1… 30 м/с), волновой характер течения пленки конденсата является более устойчивым и оптимальным, с точки зрения теплообмена, массопереноса и экономических затрат на производство узла конденсирования газовой фазы. 17

Экспериментальная установка

19

Ориентировочный расчет экономической эффективности для одного из месторождений Теплота сгорания ШФЛУ составляет в 40 -44 МДж/кг. Таким образом, сжигание в течение суток полученного из 1000 м 3 ПНГ ШФЛУ (~500 кг) позволяет получить тепловую мощность 280 -300 к. Вт. Если использовать ШФЛУ для получения электроэнергии, то возможно получение мощности 140 -150 к. Вт. При цене электроэнергии 3, 5 руб/к. Втч снижение затрат на электроэнергию составит: 3, 5 руб/к. Втч * 150 к. Вт * 24 ч = 12600 руб в сутки или свыше 4, 5 млн рублей в год. А для УПН «Мишкино» с 17000 м 3 ПНГ в сутки: 4, 5 млн * 17 = 76, 5 млн рублей в год. 22

Спасибо за внимание!