В настоящее время в процессах утилизации попутных нефтяных газов в основном используются процессы фракционирования углеводородных газов [2, 3], сжигания в газоэлектрогенераторах [3] и синтеза моторных топлив посредством технологии GTL [9]. Но большие капитальные затраты, трудоемкость монтажных, пусконаладочных работ и наличие выбросов продуктов горения в случае с сжиганием газа в газоэлектрогенераторах затрудняют использование вышеперечисленных способов на удаленных и небольших месторождениях.
Качественной заменой традиционных процессов переработки углеводородных газов может стать газодинамический метод разделения. Газодинамический метод разделения газовых смесей заключается в придании потоку газа высоких скоростей (вплоть до сверхзвуковых) с целью получения статической температуры, которая заведомо ниже температуры торможения на входе в трубу. К газодинамическим аппаратам относят трубы Ранка – Хилша, 3-S сепараторы, резонансные трубы Спрингера, пульсационные трубы и т.д. В нашей стране в процессах переработки попутных нефтяных газов наибольшее распространение получили 3-S сепараторы и вихревые трубы Ранка ? Хилша. Но в силу высокой производительности, возможности получать холодный и горячий потоки, простотой конструкции и изготовления вихревые трубы нашли большее распространение [4, 5].
Вихревые трубы Ранка – Хилша – простые аппараты без движущихся элементов, предназначенные для разделения высоконапорного закрученного потока газа на две фракции – охлажденную и подогретую. Эффект температурной сепарации газа впервые был описан французским инженером Ж. Ранком в 30-х годах прошлого века. Более детальное изучение процесса и поиск способов совершенствования конструкции вихревых труб начался с работ немецкого исследователя Р. Хилша.
На сегодняшний день существует множество типов вихревых труб, различающихся как конструктивно, так и по назначению. В процессах переработки природного и попутного газа используются двухконтурные и трехпоточные вихревые трубы [6, 12].
а б
Рис. 1. Основные закручивающие устройства: а – тангенциальное закручивающее устройство; б – винтовое закручивающее устройство
Общий недостаток установок с использованием двупоточных вихревых труб заключается в том, что слой конденсата, который образуется на стенках камеры энергоразделения, движется в сторону горячего конца трубы, разогревается вместе с общей массой газа и испаряется. Это обстоятельство понижает эффективность фазоразделения в системах с использованием двупоточной ВТ.
Более эффективное удаление жидкости осуществляется трехпоточными вихревыми трубами. Так холодопроизводительность двухпоточной вихревой трубы при µ = 0,7 составила 19 °С, а трехпоточной трубы ? 26 °С [7]. Кроме того, существует возможность эксплуатации трехпоточных вихревых труб при малых перепадах давлениях (? < 2), т.е. в дозвуковом режиме истечения газа из сопла [8].
Большое значение в работе вихревых труб имеет тип закручивающего устройства и его конструкция. От способа закрутки газа, формы соплового ввода, угла ввода высоконапорного газа во многом зависит холодопроизводительность вихревых труб и доля конденсируемой влаги/тяжелых углеводородов. Традиционно для закрутки высоконапорного газа используется тангенциальное закручивающее устройство (ТЗУ), но данный способ закрутки имеет ряд недостатков (рис. 1, а):
– необходимость соосного расположения закручивающего устройства, камеры энергоразделения и диафрагмы отвода холодного потока;
– раздельное изготовление соплового ввода и закручивающей улитки вызывает потери давления на входе и высокий уровень шума.
На наш взгляд, использование винтовых закручивающих устройств (ВЗУ) позволит решить вышеописанные проблемы и увеличить холодопроизводительность вихревой трубы [11] (рис. 1, б).
В данной работе нами была проведена работа по поиску оптимальной конструкции винтового закручивающего устройства путем моделирования течения газа при помощи CFD-анализа (CFD – computer fluid dynamic). Несмотря на то, что исследования эффекта Ранка –Хилша методом CFD анализа начались сравнительно недавно, было опубликовано большое число работ, в которых описана возможность применения средств CFD-анализа к моделированию вихревых труб [13, 14, 15]. Анализ работ по моделированию процесса термической сепарации показал, что внимание многих исследователей сосредоточено только на процессах, происходящих в камере энергоразделения. Зачастую исследуемые модели вихревых труб упрощаются и не рассматриваются процессы в сопловом вводе вихревой трубы. К тому же в случае с ВЗУ процесс термической сепарации начинается непосредственно в закручивающем устройстве, и масштаб изменения температуры газа будет оказывать влияние на холодопроизводительность вихревой трубы и формирование пленки конденсата [11].
В качестве объекта исследования была выбрана проточная часть вихревой трубы со следующими параметрами:
– внутренний диаметр камеры энергоразделения 30 мм;
– диаметр канала отвода охлажденного газа 14 мм;
– угол ввода газа варьировался от 65 до 75°;
– длина камеры энергоразделения составила 300 мм;
– длина и ширина прямоугольного соплового канала составила соответственно 20,4 и 3,8 мм (рис. 1).
Рабочим телом был выбран воздух при 27 °С. Моделирование течения газа описывалось системой трехмерных уравнений Навье – Стокса, уравнениями состояния и энергии. В качестве модели турбулентности выступала стандартная k-? модель. Математическая модель состояла из следующих уравнений.
Число элементов расчетной сетки составило около 1 млн. На входе задавалось граничное условие Bulk Mass Flow 0,3 kg/s. На горячем и холодном концах задавалось граничное условие Static Pressure 0,1 MPa.
Выбор оптимальной геометрии проводился путем сравнения векторных полей скоростей в винтовом закручивающем устройстве. Так, при рассмотрении винтового закручивающего устройства с углом ввода высоконапорного газа в 65° была отмечена неравномерность поля скоростей и наличие «застойных» зон на входе в ВЗУ (рис. 3). На рис. 4 представлено векторное поле скоростей на котором так же заметна «застойная» зона на входе в ВЗУ и резкое увеличение скорости газа в области выхода из закручивающего устройства.
Рис. 2. Проточная часть исследуемой вихревой трубы
Математическая модель для описания течения газа в вихревой трубе
|
Уравнение |
Математическое выражение |
|
Сохранения массы |
|
|
Сохранения энергии |
|
|
Сохранения импульса |
|
|
Состояния |
P? = RT |
|
Модель турбулентной вязкости |
|
|
Генерация турбулентной кинетической энергии |
|
|
Коэффициент диффузии |
|
Рис. 3. Распределение векторного поля скоростей на входе в ВЗУ с углом ввода газа 65°
Рис. 4. Распределение векторного поля скоростей на входе в ВЗУ с углом ввода газа 70°
Подобное скачкообразное и неравномерное распределение скоростей в самом ВЗУ и на выходе приводит к следующим негативным последствиям. Во-первых, снижается холодопроизводительность вихревой трубы вследствие потерь энергии движения газа. Во-вторых, неравномерное распределение конденсата и его унос в приосевую область из-за скачкообразного характера поля скоростей на выходе газа из ВЗУ. В-третьих, вместе с неравномерным распределением скоростей происходит неравномерное распределение полей температур и давлений, что так же негативно сказывается на процессе образования пленки конденсата в пристеночной области.
Изначально было сделано предположение, что неравномерное течение возникает из-за острых кромок винтового канала. Для проверки этого острые края существующей модели ВЗУ были сделаны более пологими (рис. 5). Моделирование течения газа показало, что заметного улучшения течения в этом случае не наблюдается.
Рис. 5. Модель ВЗУ с пологими кромками входа и выхода газа
Рис. 6. Распределение векторного поля скоростей на входе в ВЗУ с углом ввода газа 75°
Рис. 7. Стабилизация поля скоростей по длине закручивающего устройства
Рис. 8. Вид проточной части вихревой трубы с тангенциальным вводом газа
Отрицательные результаты были получены также при создании зазора между закручивающим устройством и стенкой вихревой трубы, изготовление спирали канала закрутки с переменным шагом, различными вариациями формы закручивающего канала и увеличением длинны закрутки.
Следующим шагом исследования стало моделирование ВЗУ с максимально возможным углом ввода газа 75°. Моделирование показало практически полное исчезновение возмущений на выходе из закручивающего устройства (рис. 6). Также необходимо отметить, что увеличение длины участка закрутки положительно влияет на стабилизацию поля скоростей потока, которая начинается на 2–3 витках канала.
Значительно уменьшить «застойную» зону на входе газа в закручивающее устройство удалось тангенциальным вводом газа в вихревую трубу (рис. 8). При этом важно задать газу такое направление движения, которое совпадало бы с направлением закрутки каналов ВЗУ (рис. 9).
Рис. 9. Уменьшение «застойной» зоны на входе в ВЗУ, путем тангенциального ввода газа в вихревую трубу
Таким образом, из результатов моделирования различных конструкций винтового закручивающего устройства можно сделать следующие выводы. Во-первых, течение газа в ВЗУ имеет сложную структуру, и в случае использования вихревой трубы в качестве высокоскоростного низкотемпературного сепаратора необходимо добиваться равномерного распределения скоростей на входе и на выходе из ВЗУ для формирования слоя конденсата в пристеночной области. Во-вторых, наилучшие результаты по формированию равномерного поля скоростей показывают ВЗУ с максимально возможным углом ввода газа в 75°. С увеличением участка закрутки газа степень стабилизации потока увеличивается, однако с увеличением длины участка закрутки увеличивается и длина канала отвода холодного потока, из-за чего увеличивается температура охлажденного газа вследствие торможения газа о стенки канала. Кроме того, в вихревой трубе с углом ввода газа 75° отличается высокой холодопроизводительностью [1]. В-третьих, значительное уменьшение «застойных» зон возможно посредством тангенциального введения газа в вихревую трубу.
Рецензенты:
Ахметов А.Ф., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология нефти и газа», Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа;
Гильмутдинов А.Т., д.т.н., профессор кафедры технологии нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа.