Автореферат (1172965), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Топчиева; Международной научнопрактической конференции «Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, созданиеи модернизация» (Санкт-Петербург, 2018); 3-й Международной конференции «Арктика2018» (Москва, 20-21.02.2018); 5-й Международной конференции «СПГ КонгрессРоссия 2018» (Москва, 06-08.06.2018); Международной научно-практическойконференции «Инженерная механика в нефтегазовом деле», посвященная 75-летиюфакультета инженерной механики (Москва, 19-20.09.2018); XVI международном форуме«Газ России 2018» (Москва, 07.12.2018); III Региональной научно-техническойконференции «Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отраслиРоссии», посвященной 110-летию А.И.
Скобло и 105-летию Г.К. Шрейбера (Москва, 2426.09.2019).Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 43печатные работы, в том числе 1 монография, 18 статей в ведущих рецензируемыхнаучных журналах, которые включены в перечень ВАК, 4 статьи в научных журналах,9включенных в международные базы цитирования SCOPUS и WoS, 2 статьи взарубежных научных журналах.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пятиглав, заключения, списка использованной литературы, включающего 182 наименования,и трех приложений. Работа изложена на 360 страницах машинописного текста, содержит120 рисунков, 31 таблицу.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отмечено, что инфраструктура СПГ включает объекты производства,хранения, транспортировки и регазификации.
Объекты производства СПГ являютсятехнически и технологически сложными, объединяя целый комплекс оборудования ипроцессов физической и физико-химической переработки газа: сепарацию, абсорбцию,адсорбцию, ректификацию, охлаждение и конденсацию. Производство СПГ – один изнемногих процессов газопереработки, в которых температура конечного продуктанаходится в области криогенных температур, при этом разность между температуройприродного газа на входе в технологическую линию и температурой газа на выходе изнее составляет от 160 до 190 ºС, что обусловливает высокую энергоемкость исложность технологий.При проектировании производства СПГ одной из основных задач является выбортехнологии физико-химической переработки и сжижения природного газа.
При этомнеобходимо учитывать целый ряд факторов, оказывающих влияние напроизводительность, стабильность работы и надежность производственных установок:фазовый и компонентный состав сырьевого газа, климатические условия, проектнаяпроизводительность, наличие энергоресурсов и многие другие. Совокупность этихфакторов влияния делает каждый новый проект производства СПГ, особеннокрупнотоннажный, абсолютно уникальным, с собственным набором оборудования ипроцессов переработки сырьевого газа и его сжижения.Проблема выбора технологии производства СПГ обусловлена тем, что до сих порне существует универсальной методики его проектирования, учитывающей основныефакторы влияния.В первой главе представлен литературный обзор, в котором проведен анализсовременного состояния и характеристик индустрии СПГ, включая производство,хранение, транспортировку и регазификацию СПГ.
Отмечено, что для разработкикомплексного научно-технологического обоснования производства СПГ необходимопровести всесторонний анализ современного мирового состояния технологическихпроцессов производства СПГ, структуры мирового производства СПГ, особенностейтехнологических процессов крупнотоннажного и малотоннажного производства СПГ, иопределить перспективные направления их совершенствования. Осуществление данногокомплексного анализа позволит разработать основные направления повышенияэнергоэффективности оборудования и технологий подготовки и сжижения природногогаза, в т. ч. при эксплуатации производства СПГ в условиях Арктики.10Основываясь на проведенном анализе мировой индустрии СПГ, авторомпредложена структурная схема индустрии, представленная на рисунке 1.Индустрия СПГСредне- ималотоннажнаяКрупнотоннажнаяЗаводыФлотПриемныетерминалыПроизводственныекомплексыСредстватранспортаПриемнораздаточныекомплексыНаземныеНаземныеДля ППНГП**АвтомобильныйКомплексырегазификацииПлавучиеПлавучиеОбщегоназначенияВодныйКриозаправочныекомплексыПрибрежныена ОГТ*Прибрежныена ОГТ*ДляпроизводстватопливаЖелезнодорожныйПеревалочныекомплексы* ОГТ – основание гравитационного типа** ППНГП – покрытие пиковых нагрузок газопотребленияРисунок 1 – Структура мировой индустрии СПГСтруктурная схема индустрии СПГ учитывает деление индустрии на двеподсистемы: крупнотоннажное производство и средне- и малотоннажное производствоСПГ, отличающиеся целями и составными элементами – производственнымикомплексами, средствами транспортировки и приемными терминалами.
Прирассмотрении технологических процессов производства СПГ отмечено, что выбортехнологии переработки и сжижения природного газа при проектированиипроизводственного комплекса СПГ является наиболее важным фактором, оказывающимвлияние на общую эффективность, работоспособность, надежность и стоимость заводаСПГ.Особое внимание уделено проблемам и перспективам малотоннажногопроизводства СПГ. Автором обоснованы роль и значение малотоннажного производстваСПГ для развития регионов РФ, включая Арктический регион.Отмечено, что в условиях конкуренции СПГ с углем, трубным природным газом иальтернативными источниками энергии необходимо повышать конкурентоспособностьСПГ за счет повышения энергоэффективности производства СПГ, включающейприменение более совершенных технологий и оборудования подготовки и сжижениягаза.11Вторая глава посвящена термодинамическим исследованиям фазовых переходовв многокомпонентных смесях углеводородов, в том числе с азотом.Учитывая то, что сырье для производства СПГ представляет собой сложную пофазовому и компонентному составу систему, совершенствование технологическихпроцессов подготовки и сжижения природного газа должно проводиться на основетермодинамических исследований поведения природного газа и его компонентов.
Этопозволит повысить энергоэффективность технологических процессов производства СПГи осуществить комплексное обоснование технологических процессов мало- исреднетоннажного производства и применения СПГ для использования в качествемоторного топлива для различных типов транспорта и обеспечения труднодоступных иудаленных регионов РФ энергоресурсами.Термодинамические исследования индивидуальных углеводородов, бинарных имногокомпонентных систем на основе метана, этана, пропана, бутана и изобутана, в томчисле с азотом, при различных составах и термобарических условиях проводились спомощью уравнения состояния Пенга-Робинсона (PR), с использованием стандартныхправил смешения. Выбор данных компонентов природного газа основан на ихсодержании в составе природного газа и СПГ.Анализ полученных результатов показал, что все бинарные углеводородныесмеси обладают характеристиками растворов взаимно растворимых компонентов.Исследования зависимости констант равновесия бинарных смесей данныхкомпонентов от давления и температуры показали, что давление и температуразначительно влияют на коэффициент фазового равновесия (К) в диапазоне до 1 МПа.Дальнейшее увеличение давления и изменение температуры приводит кнезначительным изменениям величины К.
Также можно отметить, что К зависит отсодержания высококипящего компонента в системе: чем больше его количество, темменьшее значение К и, соответственно, больше содержание высококипящегокомпонента в жидкой фазе.Исследования выявили наличие экстремальных значений констант фазовогоравновесия в зависимости от температуры K(t). Если в смесях метан-этан, метан-пропан,этан-бутан, этан-изобутан точки максимума значений K(t) определяются только придавлениях более 3 МПа, то в смесях метана с бутаном и изобутаном максимумызначения K(t) выявляются уже при давлении более 0,5 МПа. Так, например, для смесейметан-бутан при давлении 0,5 МПа максимальный коэффициент фазового равновесиясоответствует температуре 46 °С, а для давлений от 1 до 5 МПа максимальныйкоэффициент фазового равновесия приходится на довольно узкий диапазон температурот 53 до 58 °С.
Максимальное значение K(t) означает, что содержание низкокипящегокомпонента (НКК) в паровой фазе будет максимальным по отношению к содержаниюНКК в жидкой фазе (см. рисунок 2).12Рисунок 2 - Зависимость коэффициента фазового равновесия метана оттемпературы при различных давлениях и содержании метана в смеси метан-бутан(красным маркером отмечены максимумы кривых K(t))Из этого следует, что существуют оптимальные термобарические параметры Р иТ, при которых разделение компонентов смеси можно проводить наиболееэнергоэффективно. Для смесей метан-изобутан оптимальные термобарическиепараметры находятся в диапазоне температуры от 44 до 48 °С и давления от 1 до 5 МПа.В то же время, для смесей пропан-бутан и пропан-изобутан с ростом температурыкоэффициент фазового равновесия только возрастает.Анализ Р-Т диаграмм фазового равновесия для всех исследованных паруглеводородных компонентов природного газа показал, что чем больше разностькритических температур компонентов смеси, тем выше максимальное критическоедавление для данной пары компонентов (максимум критической линии, рисунок 3).Из этого следует, что двухфазная область пар-жидкость может существовать придавлениях значительно более высоких, чем критические давления компонентов,составляющих смесь.
Полученные результаты фазовых исследований имеютопределяющее значение для выбора технологического давления в установкахподготовки и сжижения газа, так как на практике принято выбирать надкритическоезначение технологического давления, чтобы избегать двухфазных потоков в системе.Также нами были проведены термодинамические исследования бинарных,тройных и четырехкомпонентных смесей азота с метаном, этаном, пропаном, изо- инормальным бутаном с использованием уравнения состояния Пенга-Робинсона.13120,70,60,810Давление, МПаКритическая линия0,50,40,980,30,2640,1МетанПропан20-160 -140 -120 -100 -80-60-40 -200Температура, С20406080100 120Рисунок 3 - P-Т диаграмма фазового равновесия для смесей метан-пропан(сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указано молярное содержание метана в смеси; пунктирные линии– кривые насыщения чистых компонентов; пунктирная линия с маркерами –критическая линия; - экспериментальные данные из литературных источников)Так было найдено, что если бинарная смесь азот-метан обладает типичнымихарактеристиками смеси взаимно растворимых компонентов, то смеси азот-этан, азотпропан, азот-изобутан и азот-бутан демонстрируют совсем другое поведение.Проведенные исследования смеси азот-этан показали, что характер кривыхравновесия, присущий смесям взаимно растворимых компонентов, наблюдается толькоу смесей азот-этан с содержанием азота до 29 % (рисунок 4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
