Помощь студентам в учебе
Моделирование процесса сепарации многокомпонентных систем с учетом содержания в составе смеси полярных веществ
|
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки 3
Введение 4
1 Литературный Обзор 6
1.1 Технологии подготовки природного и попутного нефтяного газа 6
1.1.1 Требования к подготовке углеводородного газа 6
1.1.2 Низкотемпературная сепарация 7
1.1.3 Низкотемпературная конденсация 11
1.1.4 Низкотемпературная абсорбция 13
1.2 Гидратообразование природного газа в процесс подготовки и транспортировки 14
1.3 Моделирующие программные комплексы для расчетов процессов сепарации
газа 15
1.3.1 Aspen HYSYS и Unisim Design 15
1.3.2 GIBBS 18
1.3.3 РН-СИМТЕП 21
1.3.4 AEROSYM 23
1.3.5 Schlumberger Symmetry 24
1.4 Термодинамические уравнения состояния 26
1.4.1 Уравнение состояния Soave-Redlich-Kwong 28
1.4.2 Уравнение состояния Peng Robinson 31
1.4.3 Уравнение состояния CPA 32
4 Финансовый Менеджмент 60
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 60
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности
и ресурсосбережения 61
4.3 Диаграмма Исикавы 63
4.4 Мера готовности научной разработки и разработчика к коммерциализации 64
4.5 Выбор предпочтительного метода коммерциализации 66
4.6 Инициация проекта 67
4.6.1 Цель и результаты проекта 67
4.6.2 Организационная структура проекта 69
4.7 Ограничения и допущения проекта 70
4.7.1 Иерархическая структура работ проекта с индексами работ 70
4.7.2 Диаграмма Гантта 70
4.8 Бюджет научного исследования 73
4.8.1 Сырье, материалы, комплектующие 73
4.8.2 Специальное оборудование для научных работ 74
4.8.3 Основная заработная плата 74
4.8.4 Себестоимость проекта 76
4.9 Оценка сравнительной эффективности исследования 77
4.10 Вывод по разделу финансовый менеджмент 79
5 Социальная Ответственность 80
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
5.2 Производственная безопасность 83
5.2.1 Отсутствие или недостаток необходимого искусственного освещения .... 84
5.2.2 Статические физические перегрузки, связанные с рабочей позой 91
5.2.3 Перечень факторов, связанных с нервно-психическими перегрузками,
умственной работой, монотонией 91
5.2.4 Поражение электрическим током 93
5.3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 94
5.3.1 Воздействие на селитебную зону и литосферу 94
5.3.2 Воздействие на атмосферу 95
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 95
5.5 Вывод по разделу социальная ответственность 97
Заключение 99
Список использованных источников 101
Приложение А Hydrate structure, formation and inhibition 107
Приложение Б интерфейс разработанного программного модуля 125
Приложение В сравнение расчетов процессов сепарации в hysys и python 127
Введение 4
1 Литературный Обзор 6
1.1 Технологии подготовки природного и попутного нефтяного газа 6
1.1.1 Требования к подготовке углеводородного газа 6
1.1.2 Низкотемпературная сепарация 7
1.1.3 Низкотемпературная конденсация 11
1.1.4 Низкотемпературная абсорбция 13
1.2 Гидратообразование природного газа в процесс подготовки и транспортировки 14
1.3 Моделирующие программные комплексы для расчетов процессов сепарации
газа 15
1.3.1 Aspen HYSYS и Unisim Design 15
1.3.2 GIBBS 18
1.3.3 РН-СИМТЕП 21
1.3.4 AEROSYM 23
1.3.5 Schlumberger Symmetry 24
1.4 Термодинамические уравнения состояния 26
1.4.1 Уравнение состояния Soave-Redlich-Kwong 28
1.4.2 Уравнение состояния Peng Robinson 31
1.4.3 Уравнение состояния CPA 32
4 Финансовый Менеджмент 60
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 60
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности
и ресурсосбережения 61
4.3 Диаграмма Исикавы 63
4.4 Мера готовности научной разработки и разработчика к коммерциализации 64
4.5 Выбор предпочтительного метода коммерциализации 66
4.6 Инициация проекта 67
4.6.1 Цель и результаты проекта 67
4.6.2 Организационная структура проекта 69
4.7 Ограничения и допущения проекта 70
4.7.1 Иерархическая структура работ проекта с индексами работ 70
4.7.2 Диаграмма Гантта 70
4.8 Бюджет научного исследования 73
4.8.1 Сырье, материалы, комплектующие 73
4.8.2 Специальное оборудование для научных работ 74
4.8.3 Основная заработная плата 74
4.8.4 Себестоимость проекта 76
4.9 Оценка сравнительной эффективности исследования 77
4.10 Вывод по разделу финансовый менеджмент 79
5 Социальная Ответственность 80
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
5.2 Производственная безопасность 83
5.2.1 Отсутствие или недостаток необходимого искусственного освещения .... 84
5.2.2 Статические физические перегрузки, связанные с рабочей позой 91
5.2.3 Перечень факторов, связанных с нервно-психическими перегрузками,
умственной работой, монотонией 91
5.2.4 Поражение электрическим током 93
5.3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 94
5.3.1 Воздействие на селитебную зону и литосферу 94
5.3.2 Воздействие на атмосферу 95
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 95
5.5 Вывод по разделу социальная ответственность 97
Заключение 99
Список использованных источников 101
Приложение А Hydrate structure, formation and inhibition 107
Приложение Б интерфейс разработанного программного модуля 125
Приложение В сравнение расчетов процессов сепарации в hysys и python 127
Объектом исследования в работе является процесс сепарации природного газа. Независимо от качества добываемого природного газа или газа, выделяющегося при промысловой подготовке нефти и конденсата, в обязательном порядке газ, природный или попутный, проходит стадию сепарации в газосепараторах. На начальных этапах подготовки из газа выпадают тяжелые компоненты - углеводороды С5+ и попутно добываемая вода при рабочих термобарических условиях. На последующих стадиях подготовки, необходимо обеспечить точку росы по углеводородам и воде по СТО Газпром 089-2010 «Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия» [1], что чаще всего реализуется путем охлаждения газа до температур ниже минус 20 C и отделением выпавшего конденсата в газосепараторах. При этом, на стадии проектирования установки важно понимать долю газа, конденсата и воды, выделяющихся при заданных термобарических условиях, а также составы фаз.
Во-первых, это необходимо для оценки полноты выделения тяжелых углеводородов, во-вторых, это необходимо для расчета потерь ингибитора гидратообразования - метанола, с водой и углеводородным конденсатом, и в- третьих, для оценки габаритов и исполнения основного и вспомогательного оборудования. Чаще всего эти расчеты выполняются в моделирующих программных комплексах по уравнениям состояния, которые являются математическим описанием поведения углеводородных компонентов в смесях при определенных температурах и давлениях.
Уравнения состояния отражают связь между макроскопическими физическими величинами, такими как температура, давление, объем, химический потенциал, энтропия, внутренняя энергия, энтальпия и т.д. для термодинамической системы [2].
Классическое уравнение состояния - уравнение состояния идеального газа (чаще уравнение Менделеева-Клапейрона) - устанавливает зависимость термодинамических параметров для идеальных газов, однако углеводородные системы с полярными компонентами при термобарических условиях на нефтяных и газовых месторождения не являются идеальными, поэтому для описания таких систем были разработаны кубические уравнения состояния, основанные на большом числе экспериментальных данных по равновесиям двух- и более компонентных углеводородных систем.
Наиболее часто используемые уравнения состояния для расчета углеводородных систем - уравнение Soave-Redlich-Kwong (SRK) [3], разработанное в 1972 году и его более поздняя модификация - уравнение Peng Robinson (PR) 1976 года [4]. В обоих уравнениях для расчета долей и составов фаз необходимо решить кубическое уравнение, коэффициенты которого зависят от физических свойств индивидуальных углеводородов - критические температуры, критические давления, молярные массы, ацентрические факторы, а также от параметров системы - температуры и давления. Коэффициенты рассчитываются по правилам смешения, зависящих от состава исходной системы.
Для расчета водометанольных равновесий с углеводородными системами позже в оригинальное уравнение Peng Robinson были внесены модификации от 1985 года [5], в нем учитывается активность полярных компонентов в водных растворах. Наиболее современное уравнение для расчета водометанольных равновесий с углеводородами - Cubic-plus-association (CPA) [6], разработанное специально для нефтегазового сектора и учитывающее активности и ионные силы для расчета водных систем с полярными углеводородами, такими как спирты и кислоты.
Наиболее часто применяемыми программными комплексами, в которых проводят расчеты процессов сепарации по уравнениям состояния, являются импортные Aspen HYSYS или Unisim Design, которые на данный момент недоступны в РФ, что ставит актуальным вопрос создания собственного программного модуля для расчета процессов сепарации природного и попутного нефтяного газа.
Во-первых, это необходимо для оценки полноты выделения тяжелых углеводородов, во-вторых, это необходимо для расчета потерь ингибитора гидратообразования - метанола, с водой и углеводородным конденсатом, и в- третьих, для оценки габаритов и исполнения основного и вспомогательного оборудования. Чаще всего эти расчеты выполняются в моделирующих программных комплексах по уравнениям состояния, которые являются математическим описанием поведения углеводородных компонентов в смесях при определенных температурах и давлениях.
Уравнения состояния отражают связь между макроскопическими физическими величинами, такими как температура, давление, объем, химический потенциал, энтропия, внутренняя энергия, энтальпия и т.д. для термодинамической системы [2].
Классическое уравнение состояния - уравнение состояния идеального газа (чаще уравнение Менделеева-Клапейрона) - устанавливает зависимость термодинамических параметров для идеальных газов, однако углеводородные системы с полярными компонентами при термобарических условиях на нефтяных и газовых месторождения не являются идеальными, поэтому для описания таких систем были разработаны кубические уравнения состояния, основанные на большом числе экспериментальных данных по равновесиям двух- и более компонентных углеводородных систем.
Наиболее часто используемые уравнения состояния для расчета углеводородных систем - уравнение Soave-Redlich-Kwong (SRK) [3], разработанное в 1972 году и его более поздняя модификация - уравнение Peng Robinson (PR) 1976 года [4]. В обоих уравнениях для расчета долей и составов фаз необходимо решить кубическое уравнение, коэффициенты которого зависят от физических свойств индивидуальных углеводородов - критические температуры, критические давления, молярные массы, ацентрические факторы, а также от параметров системы - температуры и давления. Коэффициенты рассчитываются по правилам смешения, зависящих от состава исходной системы.
Для расчета водометанольных равновесий с углеводородными системами позже в оригинальное уравнение Peng Robinson были внесены модификации от 1985 года [5], в нем учитывается активность полярных компонентов в водных растворах. Наиболее современное уравнение для расчета водометанольных равновесий с углеводородами - Cubic-plus-association (CPA) [6], разработанное специально для нефтегазового сектора и учитывающее активности и ионные силы для расчета водных систем с полярными углеводородами, такими как спирты и кислоты.
Наиболее часто применяемыми программными комплексами, в которых проводят расчеты процессов сепарации по уравнениям состояния, являются импортные Aspen HYSYS или Unisim Design, которые на данный момент недоступны в РФ, что ставит актуальным вопрос создания собственного программного модуля для расчета процессов сепарации природного и попутного нефтяного газа.
В ходе магистерской диссертации был проведен литературный обзор технологий подготовки природного и попутного нефтяного газа с точки зрения осушки до точки росы по воде и углеводородам с применением процессов сепарации, рассмотрены процессы гидратообразования газа для обозначения актуальности и важности определения оптимального расхода подачи метанола, приведены основные моделирующие программные комплексы, позволяющие рассчитывать процессы сепарации углеводородных систем с полярными компонентами для обоснования целесообразности разработки собственного программного модуля, а также выделения основных конкурентов и требований к собственной разработке. Также был приведен математический аппарат основных термодинамических уравнений состояния реального газа, применяемых для расчета углеводородных систем.
В разделе 2 магистерской диссертации был приведен математический аппарат и алгоритм расчета уравнения состояния Пенга-Робинсона для расчета процессов сепарации с учетом полярных компонентов, а также расчет основных констант и величин, вытекающих из уравнения состояния.
В разделе 3 магистерской диссертации приведено сравнение составов фаз, их долей, расхода ингибитора гидратообразования, критических параметров системы, рассчитанных в программном комплекса Aspen HYSYS и в разработанном расчетном модуле процессов сепарации по уравнению Пенга- Робинсона с учетом полярных компонентов. По результатам сравнения делаем вывод о высокой сходимости расчетов в разработанном модуле. Погрешность расчета составов фаз не более 5% по углеводородным компонентам, не более 10% по неуглеводородным газам, не более 20-30% по полярным компонентам. Погрешность по полярным компонентам объясняется их низкой концентрацией, отличие в концентрациях проявляется в 3-4 знаках. Выявленные погрешности зависят от неучтенных моделей уноса в HYSYS, которые не относятся к уравнению состояния, а также от использования различных баз бинарных коэффициентов.
Погрешность расчета параметров фазовой кривой не превышает 3%. Рассчитанная подача метанола по СТО Газпром 3.1-3-010-2008 «Методика расчета норм расхода химреагентов по газодобывающим предприятиям ПАО «Газпром» находится между двумя наиболее часто используемыми моделями расчета подачи метанола в HYSYS - HYSYS PR CSM и HYSYS CPA CSM.
В разделе 4 приведен финансовый менеджмент разработанного программного решения, обозначены основные конкуренты, конкурентные преимущества, рассчитаны интегральные критерии эффективности проекта, его бюджет и временные рамки разработки и реализации.
В разделе 5 приведена социальная ответственность, рассмотрены основные вредные и опасные производственные факторы на рабочем месте при разработке и использовании программного модуля, приведены мероприятия по снижению их влияния, рассмотрены экологические аспекты влияния деятельности по разработке программного модуля на окружающую среду, основные чрезвычайные ситуации, которые могут произойти на рабочем месте, а также мероприятия по их предупреждению и ликвидации.
В разделе 2 магистерской диссертации был приведен математический аппарат и алгоритм расчета уравнения состояния Пенга-Робинсона для расчета процессов сепарации с учетом полярных компонентов, а также расчет основных констант и величин, вытекающих из уравнения состояния.
В разделе 3 магистерской диссертации приведено сравнение составов фаз, их долей, расхода ингибитора гидратообразования, критических параметров системы, рассчитанных в программном комплекса Aspen HYSYS и в разработанном расчетном модуле процессов сепарации по уравнению Пенга- Робинсона с учетом полярных компонентов. По результатам сравнения делаем вывод о высокой сходимости расчетов в разработанном модуле. Погрешность расчета составов фаз не более 5% по углеводородным компонентам, не более 10% по неуглеводородным газам, не более 20-30% по полярным компонентам. Погрешность по полярным компонентам объясняется их низкой концентрацией, отличие в концентрациях проявляется в 3-4 знаках. Выявленные погрешности зависят от неучтенных моделей уноса в HYSYS, которые не относятся к уравнению состояния, а также от использования различных баз бинарных коэффициентов.
Погрешность расчета параметров фазовой кривой не превышает 3%. Рассчитанная подача метанола по СТО Газпром 3.1-3-010-2008 «Методика расчета норм расхода химреагентов по газодобывающим предприятиям ПАО «Газпром» находится между двумя наиболее часто используемыми моделями расчета подачи метанола в HYSYS - HYSYS PR CSM и HYSYS CPA CSM.
В разделе 4 приведен финансовый менеджмент разработанного программного решения, обозначены основные конкуренты, конкурентные преимущества, рассчитаны интегральные критерии эффективности проекта, его бюджет и временные рамки разработки и реализации.
В разделе 5 приведена социальная ответственность, рассмотрены основные вредные и опасные производственные факторы на рабочем месте при разработке и использовании программного модуля, приведены мероприятия по снижению их влияния, рассмотрены экологические аспекты влияния деятельности по разработке программного модуля на окружающую среду, основные чрезвычайные ситуации, которые могут произойти на рабочем месте, а также мероприятия по их предупреждению и ликвидации.