VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Одним из перспективных методов снижения потерь от испарений нефти и нефтепродуктов, является рекуперация паров углеводородов, посредством эффекта Ранка-Хилша, реализуемого в трехпоточной вихревой трубе. Вихревой эффект, или эффект Ранка реализуется в процессе течения интенсивно закрученного потока по асимметричному каналу, на торцевых поверхностях которого устанавливаются ограничительные элементы – дроссель на «горячем» и диафрагма с центральным отверстием на «холодном» концах трубы. При определенном сочетании режимных и конструктивных управляющих параметров из отверстия диафрагмы истекает некоторая охлажденная часть исходного закрученного потока, а из дросселя – другая подогретая часть [1]. Для исследования процесса вихревой рекуперации на кафедре нефтегазового дела и нефтехимии ДВФУ разработана и сконструирована лабораторная установка (рис. 1) [2].

Рисунок 1 - Сконструированная лабораторная установка

Основным объектом исследования на стенде является трехпоточная вихревая труба (ТВТ) с низкотемпературным сепарационным узлом (рис 2). Сопло было исполнено в виде улитки «по Меркулову» с площадью проходного сечения 11,27 мм², высотой 2,5 мм и шириной 6 мм.

Рисунок 2 – Исследуемая ТВТ

Основная функция ТВТ - это получение углеводородного конденсата, который образуется вследствие охлаждения паровоздушной смеси (пары углеводородов), и его выделение из газового потока. Одним из основных показателей эффективности установки, является количество отсепарированного углеводородного конденсата, который будет отделяться в ТВТ [2].Для оценки количества углеводородного конденсата, который может быть получен в результате работы вихревой трубы, в данной работе предлагается метод расчета процесса конденсации углеводородного газа в ТВТ, с учетом экспериментальных данных полученных при работе вихревой трубы на воздухе.

В качестве расчетной смеси принята смесь следующего состава:

Таблица 1 - Компонентный состав исследуемой смеси.

Компонент	w, об,%	w, m,%	X0,%
N2	73,8	64,1	73,4
CO2	14	19,3	14,1
O2	4	4,0	4,2
C3H8	5,6	7,8	5,8
н-C4H10	2,5	4,8	2,5

Данная смесь моделирует состав ПВС в танкера по у.в., которые содержатся в нем в наибольшем количестве. Данную смесь наиболее просто создать в лабораторных условиях применив баллоны с пропан-бутаном и углекислым газом. Содержание инертных газов принято исходя из условий эксплуатации нефтяных танкеров, правил транспортировки углеводородов морским транспортом и рабочих параметров их системы инертных газов.

Рассматривая процессы конденсации компонентов газа в вихревой трубе, в том числе в ТВТ, необходимо, прежде всего, иметь в виду, что теоретически в ней имеется две зоны охлаждения газа и, соответственно, две зоны возможного появления капельной жидкости. Первая зона находится в сопловом вводе и является следствием известного термодинамического закона и том, что в скоростном потоке газа имеет место понижение температуры "движущегося градусника". При этом газ охлаждается до статической (термодинамической) температуры, более низкой, чем температура торможения (полная температура). Вторая зона конденсации должна находиться в охлажденных приосевых слоях вынужденного вихря, где из-за потери окружной скорости определяющую роль играет не статическая температура, а температура торможения. Температура формирующегося холодного потока (вынужденного вихря) начинает снижаться в районе дросселя (конца вихревой камеры) и достигает минимального значения на срезе диафрагмы. В ходе экспериментов, проведенных на влажном воздухе, наблюдалась конденсация воды в сопловом канале и на диафрагме, что соответствует предложенным выше теоретическим зонам охлаждения.

Процесс конденсации во второй зоне охлаждения происходит за счет изменения внутренней энергии той части основного потока, которая впоследствии станет холодным потоком. Схема данного процесса показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - схема изменения внутренней энергии в холодном потоке.

До попадания в вихревую трубу поток имеет температуру t_в и внутреннюю энергию . После выхода из трубы, температура потока понизилась до t_х, что говорит о том, что его внутренняя энергия также понизилась до U_х, на величину ΔU_х. Условно можно представить, что изменение внутренней энергии было вызвано тем, что от данного потока была отведена теплота Q_х= ΔU_х. Дальнейшие расчеты будем вести исходя из данной замены. Холодный поток имеет объёмный расход V_х'[м³/с], который измеряется после выхода холодного потока из ТВТ. За время работы установки τ[с], объём газа, прошедший по холодному потоку V[м³] будет равен:

, (1)

в свою очередь масса данного объёма газа G[кг] будет равна:

, (2)

где ρ_х[кг / м³] - это плотность газа в холодном потоке при давлении P_х[Па], измеряемом за ТВТ. В результате прохождения газа через ТВТ, температура холодного потока понизится на Δt_х[⁰C], равную разности между температурой газа на входе в ТВТ t_в[⁰C] и температурой холодного потока на выходе из ТВТ t_х[⁰C]:

. (3)

Температура понижается, как было сказано выше, за счёт условного отведения теплотыQ_х[Дж]за время τ,от объема газа V, образующего холодный поток в ТВТ. Количество теплоты, забираемой у охлаждаемого газа, проходящего по холодному потоку, в единицу времени характеризуется хладопроизводительностью ТВТ N_х[Вт]. Таким образом:

. (4)

В случае, если температура холодного потока опускается до температуры конденсации газа t_кх [⁰C], которая справедлива для давления P_х, то дальнейшего понижения температуры газа не происходит, и отвод от газа тепла идёт на превращение газа в жидкость. В данном случае, количество теплоты Q можно представить как:

, (5)

где Q_охл [Дж] - количество теплоты, идущее на охлаждение газа объёмом V_х от температуры t_в до температуры t_кх, а Q_конд[Дж] - количество теплоты, идущее на превращение паров углеводородной компоненты массы X_х[кг] в жидкость. X_х

Код для цитирования: Скопировать