Автореферат (1172965), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Частичнаярастворимость компонентов трех- и четырехкомпонентных систем следует из частичнойрастворимости пар азот-этан и азот-пропан. Метан образует взаимно растворимыебинарные смеси как с азотом, так и с этаном и пропаном.При расчетах фазового равновесия были выявлены такие составы смесей, длякоторых при определенных термобарических условиях наблюдается расслоение жидкойфазы. На рисунке 10 представлены кривые фазового равновесия для трехкомпонентнойсмеси азот-метан-пропан, с фиксированным мольным содержанием азота 0,2 иразличными сочетаниями долей метана и пропана.
Из диаграммы видно, что кривыекипения смеси с содержанием азота 0,2, метана 0,1 и пропана 0,7 (смесь 0,2:0,1:0,7);20смеси 0,2:0,2:0,6 и смеси 0,2:0,3:0,5 имеют точки перегиба в области температур отминус 130 °С до минус 150 °С. Как показали исследования бинарных смесей азот-этан иазот-пропан, перегибы на кривых кипения вблизи критической точки азотасвидетельствуют о наличии области сосуществования двух несмешивающихся жидких игазовой фаз.2018Критическая линия1614Давление, МПа0,2:0,5:0,30,2:0,6:0,20,2:0,4:0,4120,2:0,3:0,50,2:0,2:0,60,2:0,1:0,70,2:0,7:0,110864Азот2МетанПропан0-200-150-100-50050100Температура, СРисунок 10 - Р-Т диаграмма фазового равновесия смесей азот-метан-пропан(сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указан молярный состав смеси азот:метан:пропан; пунктирныелинии – кривые насыщения чистых компонентов; пунктирная линия с маркерами –критическая линия)Составы смесей, для которых определяется трехфазная область, представлены втаблице 1 и выделены жирным курсивом.
Анализ таблицы 1 позволяет сделать вывод отом, что увеличение доли азота в смеси ведет к расслоению жидкой фазы. Аналогичноеявление можно наблюдать при содержании азота 0,2 и 0,3, но при увеличении долипропана свыше 0,5 и 0,2 соответственно. При содержании азота в смеси на уровне10 % мол.
для любых сочетаний долей метана и пропана расслоение жидкой фазы ненаблюдается.Полученные нами результаты исследований коэффициентов фазового равновесияпоказывают следующее. Распределение компонентов азота, метана и пропана междуфазами в значительной мере зависит одновременно от состава трехкомпонентной смеси,21давления и температуры.
При этом следует отметить, что наиболее значительноизменяется коэффициент фазового равновесия азота (значения имеют максимальныевеличины), коэффициент фазового равновесия пропана изменяется незначительно, акоэффициент фазового равновесия метана, в основном, незначительно увеличивается.Таблица 1 – Исследованные молярные составы смесей азот-метан-пропан0,1С10,10,20,30,40,50,60,70,80,2С30,80,70,60,50,40,30,20,1С10,10,20,30,40,50,60,7С30,70,60,50,40,30,20,1Содержание азота0,30,40,50,6Содержание метана (С1) и пропана (С3)С10,10,20,30,40,50,6С30,60,50,40,30,20,1С10,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С10,10,20,30,4С30,40,30,20,1С10,10,20,30,70,8С3 С1 С3 С1 С30,3 0,1 0,2 0,1 0,10,2 0,2 0,10,1Для исследования четырехкомпонентных смесей нами были выбраны смеси,состоящие из азота, метана, этана и пропана. Изменение содержания каждого изкомпонентов производились от 0,1 до 0,7 с шагом 0,1. У части смесей при определенныхтермобарических условиях также наблюдалось расслоение жидкой фазы.
На рисунке 11представлена часть кривых равновесия смесей с фиксированным содержанием азота 0,2.У смесей с содержанием азота 0,2, метана 0,1, этана 0,1 и пропана 0,6 (смесь0,2:0,1:0,1:0,6), а также смесей 0,2:0,1:0,2:0,5 и 0,2:0,2:0,1:0,5 наблюдается перегиб илинеопределенностькривыхравновесиявблизикритическойточкиазота,свидетельствующий о расслоении жидкой фазы. Анализ исследованных смесей показал,что с увеличением доли азота в смеси от 0,2 и выше имеет место образование двухнесмешивающихся жидких и одной газовой фаз. Увеличение доли этана оказываетменьшее влияние на расслоение жидкой фазы, чем увеличение доли пропана в смеси. Втаблице 2 приведены исследованные нами составы четырехкомпонентных смесей.Рядом с названием компонента через двоеточие указано его содержание в смеси.
Дляэтана (С2) и пропана (С3) содержание в смеси указано в столбцах таблицы. Жирнымкурсивом выделены составы, у которых наблюдается образование трехфазной системы,у остальных составов расслоение жидкой фазы не определяется. Желтым цветомвыделены ячейки, составы из которых использованы при построении Р-Т диаграммы нарисунке 11.22Таблица 2 – Исследованные молярные составы смесей азот-метан-этан-пропанАзот: 0,1Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,6 Метан: 0,7С20,10,20,30,40,50,60,7С30,70,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,50,6С30,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1Азот: 0,2С20,1С30,1Азот: 0,7Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,6 Метан: 0,1С20,10,20,30,40,50,6С30,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1Азот: 0,3С30,1С20,1С30,1Азот: 0,6Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,1 Метан: 0,2С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1Азот: 0,4С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1Азот: 0,5Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1С30,123160,2:0,3:0,1:0,40,2:0,2:0,1:0,50,2:0,4:0,1:0,3140,2:0,5:0,1:0,20,2:0,6:0,1:0,1Давление, МПа120,2:0,1:0,2:0,50,2:0,1:0,1:0,61080,2:0,1:0,3:0,40,2:0,1:0,4:0,30,2:0,1:0,5:0,20,2:0,1:0,6:0,164АзотМетан2ЭтанПропан0-200-150-100-50050100Температура, СРисунок 11 - Р-Т диаграмма фазового равновесия смесей азот-метан-этан-пропан(сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указан молярный состав смеси азот:метан:этан:пропан; пунктирные линии – кривые насыщения чистых компонентов)Нами была также исследована зависимость констант фазового равновесиякомпонентов от температуры, давления и состава 4-хкомпонентной смеси.
С этой цельюбыли выбраны две четырехкомпонентных смеси, у одной из которых наблюдаетсяобразование двух несмешивающихся жидких и одной газовой фаз, а у другой нет.Первая из них содержит 0,2 мольных доли азота, 0,2 метана, 0,1 этана и 0,5 пропана(состав 0,2:0,2:0,1:0,5). Другая содержит 0,2 мольных доли азота, 0,5 метана, 0,2 этана и0,1 пропана (состав 0,2:0,5:0,2:0,1). Для этих смесей были рассчитаны коэффициентыфазового равновесия при давлении 3, 5 и 7 МПа. На рисунке 12 представленазависимость коэффициентов фазового равновесия компонентов смеси от температурыдля первой смеси, на рисунке 13 – для второй.Результаты проведенных нами исследований зависимости коэффициентовфазового равновесия от их состава, температуры и давления четырехкомпонентныхсистем, как и в случае двух- и трехкомпонентных систем, указывают на распределениекомпонентов между фазами и целесообразность учета данного изменения составасистем при разработке технологических процессов производства СПГ.24Коэффициент фазового равновесия1614Азот1210864Метан2Этан0-150-100-50Пропан500Температура, СРисунок 12 – Зависимость коэффициентов фазового равновесия азота, метана,этана и пропана от температуры для смеси состава 0,2:0,2:0,1:0,5 и давлений 3 МПа(сплошные линии), 5 МПа (пунктирные линии) и 7 МПа (точечные линии)Коэффициент фазового равновесия141210Азот864Метан2Этан0-140-120-100-80-60-40-20 Пропан 0Температура, СРисунок 13 – Зависимость коэффициентов фазового равновесия азота, метана,этана и пропана от температуры для смеси состава 0,2:0,5:0,2:0,1 и давлений 3 МПа(сплошные линии), 5 МПа (пунктирные линии) и 7 МПа (точечные линии)25Результаты проведенных термодинамических исследований показывают, что припроектировании и модернизации технологических процессов производства СПГнеобходимо учитывать присутствие в газовой смеси азота и его влияние на состояниеравновесия системы, а также рассматривать и учитывать образование и условияравновесия трехфазной системы, что часто вызывает отклонения реальныхтермодинамических параметров системы от расчетных.
Также полученные результатыимеют значение при выборе технологического давления в установках подготовки исжижения газа для обоснования выбора надкритического значения технологическогодавления с целью предотвращения течения двухфазных потоков в системе.В третьей главе рассматриваются технологические основы комплексногообоснования производства СПГ на основе проведенных термодинамическихисследований. Термодинамические свойства углеводородных смесей, входящих в составсырьевого газа, играют определяющую роль в выборе параметров технологическихпроцессов комплекса СПГ.Приведен анализ основных современных технологических и техническихрешений подготовки газа и производства СПГ, предложены направлениясовершенствования технологических процессов производства СПГ.Проведенное нами расчетное исследование динамики охлаждения смесейкомпонентов природного газа позволило сделать вывод о том, что энергоэффективностьпроцесса охлаждения природного газа зависит от состава газа и выбранного давления.Так как основу природного газа составляют метан, этан и пропан (бутаны после очисткигаза от тяжелых углеводородов присутствуют в незначительном количестве: суммауглеводородов С4+ не должна превышать 2,5 %), в качестве модели для дальнейшихисследований была выбрана смесь данных компонентов.Известно, что чистые вещества конденсируются при постоянной температуре ипри заданном давлении.
Кривая охлаждения чистого метана при произвольновыбранном докритическом давлении 2 МПа приведена на рисунке 14 (состав смесиметан:этан:пропан 1,0:0:0). При данном давлении температура конденсации метанасоставляет минус 108 °С. Для перевода метана из газообразного состояния в жидкое приданной температуре необходимо от каждого киломоля метана отвести 5,5 МДж теплоты.Процесс конденсации метана представлен на диаграмме горизонтальным отрезком наизотерме минус 108 °С.Как видно, увеличение содержания этана смещает начало конденсации смеси вобласть более высоких температур. Такое же влияние оказывает добавление пропана.Также можно отметить, что добавление в смесь более высококипящих компонентовувеличивает общее количество отводимой теплоты в процессе конденсации. На весьпроцесс охлаждения от температуры 20 °С (температура окружающей среды),конденсации и переохлаждения до температуры минус 160 °С требуется отвод теплотыдля смеси, содержащей:− 100 % метана – 13,93 Мдж/кмоль;− 96 % метана, 3 % этана и 1 % пропана - 14,38 МДж/кмоль;26− 92 %метана, 7 % этана и 1 % пропана – 14,76 Мдж/кмоль;− 88 % метана, 11 % этана и 1 % пропана – 15,14 Мдж/кмоль;− 84 % метана, 11 % этана и 5 % пропана – 15,81 Мдж/кмоль.Отводимая теплота, кДж/кмольРисунок 14 – Кривые охлаждения смесей метана, этана и пропана разного составапри давлении 2 МПа(над кривыми указан молярный состав смеси метан:этан:пропан)Таким образом, нами установлено, что более жирный газ требует более высокихэнергозатрат на отвод теплоты при его сжижении по сравнению с процессомсжижения сухого газа.Для исследования влияния давления на процесс охлаждения и конденсации былавыбрана смесь, содержащая 92 % метана, 7 % этана и 1 % пропана.
Рассматривалсяпроцесс охлаждения смеси от температуры 20 °С до минус 160 °С при давлении 2; 3,7;5; 7 и 10 МПа. Кривые охлаждения смеси для разных значений давления представленына рисунке 15. Охлаждение смеси при давлениях 2; 3,7 и 5 МПа приводит кобразованию двухфазного потока в зависимости от температуры и давления системы:при давлении 2 МПа двухфазная область соответствует интервалу температур от минус69 до минус 104 °С; при давлении 3,7 МПа - от минус 60 до минус 85 °С; при давлении 5МПа - от минус 58 до минус 73 °С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
