Моделирование технологического процесса очисткой попутного газа в среде UniSim Design | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 октября, печатный экземпляр отправим 23 октября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №19 (309) май 2020 г.

Дата публикации: 10.05.2020

Статья просмотрена: 1178 раз

Библиографическое описание:

Ишпекбаев, А. К. Моделирование технологического процесса очисткой попутного газа в среде UniSim Design / А. К. Ишпекбаев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 19 (309). — С. 28-33. — URL: https://moluch.ru/archive/309/69851/ (дата обращения: 08.10.2024).



В данной статье сделан обзор и смоделирован технологический процесс очисткой попутного газа в среде UniSim Design. Модель состоит двух частей — модели установившегося состояния и динамической модели. Показаны результаты подбора регуляторов и переходные характеристики.

Ключевые слова: сырой газ, технологический процесс, динамическое моделирование, компонентный состав, попутный газ.

Рациональная утилизация добываемого попутного нефтяного газа является одной из наиболее актуальных задач в области энерго- и ресурсосбережения. В целях предотвращения загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ и сокращения эмиссии парниковых газов, образующихся при сжигании попутного нефтяного газа, устанавливаются жесткие требования к объемам сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках.

Одним из наиболее перспективных вариантов промысловой утилизации попутного нефтяного газа сернистой нефти является его использование для выработки электрической и тепловой энергии на газопоршневых или турбинных станциях для обеспечения энергией предприятия. Однако наличие в составе попутного газа сероводорода H2S не позволяет применять его в качестве топливного газа большинства энергоустановок и значительно сокращает срок службы печей подогрева нефти и паровых котлов на промыслах. Кроме того, он также содержит СО2 и различные меркаптаны [1].

Сероводород — токсичный газ, вызывающий химическую и электрохимическую (в присутствии воды) коррозию металлов. При определенных условиях протекает сульфидное растрескивание металлов. Отмечается коррозионное действие газа с содержанием 0,025 % H2S и выше, этот процент считается «порогом» коррозионной концентрации сероводорода, ниже которого присутствие H2S считается «следами». Однако наличие других факторов (высокое давление, присутствие H2O, O2) могут привести к коррозии и при меньшем содержании сероводорода. Таким образом, очистка углеводородного газа от сероводорода вызывается не только требованиями санитарно-гигиенического порядка, но и диктуется производственной необходимостью.

К тому в отечественной литературе малое количество исследований на данную тему. В особенности это касается систем управления, моделей и оптимизации процессов. Для исследования различных структур систем управления необходимо разработать подходящую эталонную модель, отражающий реалистичный технологический процесс очистки попутного газа.

В данной статье рассматривается построение модели технологического процесса в среде UniSim Design, исследование системы управления технологическим процессом путем симулирования различных сценариев.

Основным назначением рассматриваемой установки является очистка нефтяного газа, поступающего с сепаратора нефти и газа, от содержащихся в нём кислых компонентов (Н2S и СО2), циркулирующим раствором диэтаноламина (ДЭА). Кроме ДЭА также используются моноэтаноламин (МЭА), метилдиэтаноламин (МДЭА) и другие сорбенты. Термины попутный и сырой газ в данном контексте являются взаимозаменяемыми.

Технологический процесс очистки попутного газа от сероводорода можно условно разделить на две ступени:

− абсорбирование кислых компонентов в колонне-абсорбере;

− регенерация сорбента в колонне-регенераторе.

Рассмотрим подробно эти ступени. Попутный газ, выделенный из нефти в сепараторе все еще содержит в себе капли воды и жидких углевородов, которые отрицательно влияют на процесс абсорбции. Поэтому поток газа (1) проходит через сепаратор-каплеотбойник (І). Далее сырой газ вводится в нижнюю часть колонны-абсорбера (ІІ). В верхнюю часть абсорбера подается питающий поток ДЭА (2), который протекая через тарелки, контактирует с восходящим потоком газа. Таким образом ДЭА впитывает в себя кислые компоненты находящиеся в газах. О размерах колонны для эффективного прохождения процесса проведены множество исследований [2].

Очищенный газ (4) выводится с верхней части колонны и далее направляется на установку фракционирования газа. Насыщенный кислыми компонентами ДЭА (3) выводится с куба колонны и, проходя через емкость для понижения давления (ІІІ) и теплообменник (ІV), охлаждается путем нагревания регенерированного амина (2). Далее подается в верхнюю часть колонны-регенератора (V), и скапливается в кубе. Насыщенный ДЭА с куба нагревается за счет пара в ребойлере (VІІІ) и обратно возвращается в десорбер. При нагревании кислые компоненты (5) разделяются от ДЭА и выводятся с верхней части колонны-регенератора (рис.1).

Рис. 1. Упрощенная технологическая схема процесса аминовой очистки: І — сепаратор-каплеотбойник, ІІ — абсорбер, ІІІ — емкость для понижения давления, ІV — теплообменник, V — регенератор, VІ — резервуар для хранения сорбента, VІІ — конденсатор, VІІІ — ребойлер; 1 — сырой газ, 2 –регенированный амин, 3 — насыщенный амин, 4 — обессеренный газ, 5 — кислый газ, 6 — вода, 7 — жидкие углеводороды, 8 — кислые компоненты

Очищенный ДЭА (2), выводится из ребойлера и, проходя вышеупомянутый теплообменник (ІV), скапливается в резервуаре для хранения (VІ),. Далее в ДЭА добавляется вода (6) для поддержания оптимальной концентрации раствора. Подготовленный раствор подается в верхнюю часть абсорбера. В разных процессах концентрация раствора различается [3].

Были построены две модели в среде UniSim Design по данной технологической схеме: модель установившегося состояния и динамическая модель.

Модели установившегося состояния (steady-state models) широко используются в промышленности, став обыденной или даже более необходимой практикой. Моделирование установившегося состояния является ключевым для концептуализации процесса, проектирования и оценки, и является действительно зрелый технологический инструмент. Тем не менее, устойчивое состояние является идеалистическим определением, используемым инженерами как представление «проектных» условий, которые не всегда выполняются из-за изменений в сырье, спецификации продукта, изменения в производительности из-за требований маркетинга и присущего динамического поведения процессов.

Наиболее существенным отличием между стационарным и динамическим моделированием является то, что устойчивое состояние предполагает, что переменные постоянны по времени. Это означает, что в установившемся режиме накопление в системе отсутствует, поэтому общая масса и потребляемая энергия соответствуют его выходу. И наоборот, динамические модели учитывают скорость накопления массы и энергии в системе, что позволяет определить, сколько времени потребуется для достижения стабильного состояния, начиная с заданного начального состояния.

Создание модели состоит из трех основных этапов:

 Setup;

 Steady-state simulation (симулирование установившегося состояния);

 Dynamic simulation (симулирование динамической модели)

Шаг Setup заключается в выборе компонентов и материалов для данного технологического процесса, Fluid Package — пакета решения. В данном случае компонентами являются: N2, CO2, H2S, CH4 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан), i-C4H10 (изобутан), n-C4H10 (н-бутан), i-C5H12 (изопентан), n-C5H12 (н-пентан), C6H14 (гексан), C7H16 (гептан), H2O, ДЭА (диэтаноламин).

Компонентный состав потока сырого газа указан в таблице 1.

Таблица 1

Компонентный состав сырого газа

Компонент

Сырой газ, моль%

Вода

0,09

Сероводород

9,61

Двуокись углерода

2,41

Азот

1,21

Метан

66,34

Этан

12,14

Пропан

5,79

Сумма бутанов

1,65

Сумма пентанов

0,52

Сумма гексанов и выше

0,24

Сумма меркаптанов

0,00

Компонентный состав обессеренного газа на выходе из абсорбера указан в таблице 2.

Таблица 2

Компонентный состав обессеренного газа

Компонент

Содержание, моль%

Метан

74,8

Этан

13,18

Пропан

6,41

Изобутан

1,01

Бутан

1,94

Изопентан

0,39

Пентан

0,33

Гексан

0,15

Метилмеркаптан

0,13

Этилмеркаптан

0,15

Сероводород

0,00

Вода

0,20

Построенная модель в установившемся состоянии полностью исполняет свои функции, а именно содержание H2S в обессеренном газе равна 0,00 моли. Результаты модели в установившемся состоянии указаны на рис. 2.

Рис. 2. Результаты моделирования установившегося состояния

Для проведения динамического моделирования были внесены некоторые изменения в схему. Были добавлены насосы, клапана, и следующие регуляторы:

 V100-LC — регулятор уровня в сепараторе V-100 путем управления расходом дренажа жидких углеводородов;

 Flash-TK-LC — регулятор уровня в сепараторе V-101 путем управления расходом выпуска газов при снижении давления;

 LIC-100 — регулятор уровня в резервуаре регенерированного амина V-101 путем управления расходом добавочной воды;

 LIC-100@COL2 — регулятор уровня регенерированного амина в ребойлере регенератора путем управления расходом выпуска регамина;

 Cond-LC — регулятор уровня конденсата в конденсаторе регенератора путем управления расходом орошения;

 TIC-100 — регулирование температуры регенерированного ДЭА;

 TIC-103@COL2 — регулирование температуры рецикла регенерированного ДЭА в куб регенератора;

 PIC-100@COL1 — регулирование давления очищенного газа на выходе из абсорбера;

 PIC-100@COL2 — регулирование давления кислого газа на выходе из регенератора;

 FIC-100 — регулирование расхода ДЭА на абсорбер.

Видоизмененная технологическая схема предоставлена на рис. 3.

Рис. 3. Технологическая схема для динамического моделирования

Результатами динамического моделирования являются переходные процессы — реакция объекта на возмущающее воздействие. Одним из возмущающх возйдействий на установку является изменения расхода подаваемого газа. На рис. 4 и 5 показаны изменения в системе при изменении расхода газа.

Рис. 4. Реакция характеристик абсорбера на изменение расхода сырого газа с 1000 на 1250 (кгмоль/ч)

Рис. 5. Реакция на изменение расхода газа с 1250 на 1500 (кгмоль/ч). Скачок в содержании Н2S в составе кислого газа

Из результатов проведенных экспериментов можно сделать вывод что подобранные контроллеры управляют технологическим процессом приемлемым образом. К тому же результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего исследования более сложных регуляторов (APC, MPC).

Литература:

  1. Мазгаров, А. М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода / А. М. Мазгаров, О. М. Корнетова. — Казань: Казанский университет, 2015. — 70 c. — Текст: непосредственный.
  2. Modeling study on CO2 and H2S simultaneous removal using MDEA solution / Nejad,Ghaffar Tohid [и др.]. — // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. — 2016. — № 34. — С. 344–355.
  3. Dynamic modelling and analysis of post-combustion CO2 chemical absorption process for coal-fired power plants / A. Lawal [и др.]. — // Fuel. — 2010. — № 89. — С. 2791–2801.
  4. Honeywell, UniSim Design tutorials and applications, Honeywell, 2010.
  5. Al-Naumani, Y. H. Gas Phase Train in Upstream Oil & Gas Fields: Part-I Model Development / Y. H. Al-Naumani, J. A. Rossiter, S. J. Bahlawi. — // IFAC-PapersOnLine. — 2016. — № 49–7. — С. 875–881.
Основные термины (генерируются автоматически): сырой газ, установившееся состояние, технологический процесс, попутный газ, управление расходом, динамическое моделирование, компонентный состав, обессеренный газ, регулятор уровня, динамическая модель.


Похожие статьи

Численное моделирование процессов теплообмена на примере кожухотрубного теплообменного аппарата

В статье рассматривается численное моделирование процессов теплопередачи на примере кожухотрубного теплообменного аппарата (ТОА). Производится сравнение расчетов проведенным в программной среде MS Excel c расчетами, полученными при численном моделиро...

Разработка системы управления процессом дробления карбида кремния

В статье рассмотрены технологические особенности процесса дробления карбида кремния и приведены варианты систем регулирования параметрами процесса.

Управление технологическим процессом получения модифицированной серы с использованием пропана в качестве охладителя

В работе рассмотрены способ производства модифицированной серы с применением газа в качестве охладителя на ключевом технологическом этапе, описаны преимущества предложенной технологии, разработана технологическая схема предполагаемой установки, предс...

Исследование процесса передачи тепла между потоками биореакторов в трехступенчатой биогазовой установке

Статья описывает процесс передачи теплоты от одного вещества-теплоносителя к другому теплоносителю. Актуальность работы использование математических моделей, численных методов, специализированных пакетов и компьютеров является необходимым условием ре...

Использование программного обеспечения Unisim Design в моделировании промысловых сетей сбора и объектов подготовки нефти и газа

В статье рассмотрены осложнения при добыче и транспортировке нефти и газа — актуальная проблема нефтегазовых предприятий. В целях прогнозирования образования газогидратов, асфальтосмолопарафиновых отложений, а также для оптимизации промысловых сетей ...

Разработка автоматизированной системы управления процессом получения формальдегида

В статье предложен вариант выбора средств автоматизации и микропроцессорного контроллера для системы автоматизированного управления процессом получения формальдегида.

Обзор математических моделей рабочих процессов газового двигателя и известные результаты их использования

Известные модели смесеобразования и сгорания чрезвычайно разнообразны. Существенные различия взглядов авторов касаются, в частности, характера течения в топливной струе, распределения масс топлива в ее объеме, наличия в струе характерных зон, учета о...

Моделирование процесса разделения фракций реакционной массы установки каталитического крекинга

Рассматривается работа узла фракционирования реакционной массы установки каталитического крекинга. Исследование проводилось с использованием моделирующей системы Honeywell UniSim Design, в которой сформировали модель установки. Модель используется с ...

Математическое моделирование ректификационной колонны в среде Chemcad

В работе приведено математическое описание процесса ректификации. На основе математического описания разработана математическая модель ректификационной колонны, используемой при атмосферной перегонке нефти и предлагается алгоритм построения автоматич...

Моделирование термодинамических свойств кислого газа процесса Клауса

В статье авторы проводят вычисление свойств смесей кислых газов различного состава, используя программный пакет COMSOL Multiphysics®.

Похожие статьи

Численное моделирование процессов теплообмена на примере кожухотрубного теплообменного аппарата

В статье рассматривается численное моделирование процессов теплопередачи на примере кожухотрубного теплообменного аппарата (ТОА). Производится сравнение расчетов проведенным в программной среде MS Excel c расчетами, полученными при численном моделиро...

Разработка системы управления процессом дробления карбида кремния

В статье рассмотрены технологические особенности процесса дробления карбида кремния и приведены варианты систем регулирования параметрами процесса.

Управление технологическим процессом получения модифицированной серы с использованием пропана в качестве охладителя

В работе рассмотрены способ производства модифицированной серы с применением газа в качестве охладителя на ключевом технологическом этапе, описаны преимущества предложенной технологии, разработана технологическая схема предполагаемой установки, предс...

Исследование процесса передачи тепла между потоками биореакторов в трехступенчатой биогазовой установке

Статья описывает процесс передачи теплоты от одного вещества-теплоносителя к другому теплоносителю. Актуальность работы использование математических моделей, численных методов, специализированных пакетов и компьютеров является необходимым условием ре...

Использование программного обеспечения Unisim Design в моделировании промысловых сетей сбора и объектов подготовки нефти и газа

В статье рассмотрены осложнения при добыче и транспортировке нефти и газа — актуальная проблема нефтегазовых предприятий. В целях прогнозирования образования газогидратов, асфальтосмолопарафиновых отложений, а также для оптимизации промысловых сетей ...

Разработка автоматизированной системы управления процессом получения формальдегида

В статье предложен вариант выбора средств автоматизации и микропроцессорного контроллера для системы автоматизированного управления процессом получения формальдегида.

Обзор математических моделей рабочих процессов газового двигателя и известные результаты их использования

Известные модели смесеобразования и сгорания чрезвычайно разнообразны. Существенные различия взглядов авторов касаются, в частности, характера течения в топливной струе, распределения масс топлива в ее объеме, наличия в струе характерных зон, учета о...

Моделирование процесса разделения фракций реакционной массы установки каталитического крекинга

Рассматривается работа узла фракционирования реакционной массы установки каталитического крекинга. Исследование проводилось с использованием моделирующей системы Honeywell UniSim Design, в которой сформировали модель установки. Модель используется с ...

Математическое моделирование ректификационной колонны в среде Chemcad

В работе приведено математическое описание процесса ректификации. На основе математического описания разработана математическая модель ректификационной колонны, используемой при атмосферной перегонке нефти и предлагается алгоритм построения автоматич...

Моделирование термодинамических свойств кислого газа процесса Клауса

В статье авторы проводят вычисление свойств смесей кислых газов различного состава, используя программный пакет COMSOL Multiphysics®.

Задать вопрос