Математическое моделирование процессов переработки нефтяного газа в трубчатом реакторе в синтетическую нефть и ее транспорт в трубопроводах

2.2.Кинетическая модель синтеза Фишера-Тропша.27.

2.3.Математическая модель трубчатого реактора синтеза Фишера-Тропша с фиксированным слоем катализатора.32.

2.4.Свойства газообразных веществ и их смесей.39.

2.5.Свойства жидких продуктов синтеза Фишера-Тропша. 40.

2.6.0пределение констант кинетической модели синтеза.60.

2.7.Результаты численного моделирования реактора и их обсуждение.61.

2.8.Выводы по данной главе.72.

2.9.

Список литературы

73.

Глава 3. Образование парафиновых отложений при транспортировке продуктов синтеза Фишера-Тропша в нефтепроводах.76.

3.1.

Введение

76.

3.2.Термодинамическая модель образования твердых парафинов из синтетической нефти.77.

3.2.1.Потенциал Гиббса системы жидкий раствор — твердая фаза.82.

3.2.2.Расчет коэффициента фугитивностей компонентов.86.

3.2.3.Расчет фугитивности твердых компонентов.88.

3.2.4.Расчет коэффициентов активности.89.

3.2.5.Результаты расчетов.90.

3.3.Математическая модель образования твердых парафиновых отложений в турбулентном потоке в каналах круглого сечения.92.

3.3.1 .Параметры k — s модели турбулентности.97.

3.3.2.Реализация численного алгоритма расчета.98.

3.3.3.Тестирование к — 8 моделей турбулентностей.100.

3.3.4.Результаты численного моделирования и их обсуждение.106.

3.4.Выводы по данной главе.116.

3.5.

Список литературы

117.

Выводы.

Современные экономические и экологические требования, предъявляемые к утилизации нефтяного газа, содержащегося в добываемой нефти, обуславливают необходимость создания новых технологий, обеспечивающих квалифицированную переработку органического сырья.

Один из возможных инновационных способов заключается в получении из нефтяного газа жидких углеводородов (синтетической нефти) с использованием синтеза Фишера-Тропша (двухстадийная технология GTL (газ в жидкость)). Разработкой данной технологии занимаются такие известные зарубежные компании, как Sassol, Shell, Conoco, Exxon Mobil, BP Amoco и другие. В то же время в нашей стране все больше компаний начинают интересоваться данной технологий. Ряд компаний (Газпром, Лукойл) заявили о намерении строительства пилотных установок получения синтетической нефти и чистого моторного топлива по методу Фишера-Тропша. Немаловажной стороной данного вопроса является рассмотрение возможности транспортировки получаемой синтетической нефти отдельно или в составе добываемой нефти по уже существующей системе нефтяных трубопроводов.

Для проведения первой стадии технологии GTL в настоящее время рассматриваются варианты как чисто паровой конверсии нефтяного газа с целью получения синтез-газа, так и парокислородной конверсии. Выбор типа конверсии связан с жесткими требованиями к составу синтез-газа, используемого в процессе синтеза Фишера-Тропша на второй стадии рассматриваемой технологии.

Вторая стадия технологии основана на разработанном в начале прошлого века методе Фишера-Тропша. Эта стадия заключается в получении парафиновых углеводородов из синтез-газа, преимущественно нормального строения. Перспективным в настоящее время является разработка процесса синтеза Фишера-Тропша на кобальтовых катализаторах в реакторе с фиксированным слоем. Это связано с тем, что кобальтовые катализаторы, по сравнению с железными катализаторами, которые широко используются в промышленности, обладают большей производительностью при низких давлениях и температурах и отсутствием углеводородов и ароматических и кислородсодержащих соединений в продуктах синтеза. Выбор типа реактора с фиксированным слоем катализатора обусловлен как технологическими особенностями ведения синтеза на кобальтовых катализаторах, так и сложностями управления и масштабирования других типов реакторов, используемых в данном процессе (slurry реактор, реактор с псевдоожиженным слоем катализатора).

Необходимость использования системы существующих нефтяных трубопроводов для транспортировки продуктов синтеза отдельно, либо в составе добываемой нефти накладывает жесткие требования, предъявляемые к составу продуктов. Эти требования связаны в первую очередь с наличием тяжелых углеводородов, которые могут выпадать на стенки трубопроводов и насосного оборудования при транспортировке, что может приводить к увеличению перепада давления в трубопроводе и износу насосного оборудования.

Таким образом, актуальным является разработка единого подхода при математическом моделировании процессов термодинамики и тепломассопереноса во всей технологической цепочке.

Целью настоящей работы является: • Разработка методов математического моделирования процессов утилизации нефтяного газа с целью получения жидких углеводородов (искусственной нефти) о Разработка метода термодинамического расчета равновесного состава продуктов конверсии нефтяного газа для паровой, углекислотной и кислородной конверсий, а также комбинации нескольких видов конверсии в одном процессе о Создание методов математического моделирования двухмерной аэродинамики и тепломассопереноса в трубчатом реакторе с неподвижным слоем катализатора с учетом граничных эффектов • Разработка методов математического моделирования транспорта искусственной нефти с учетом образования отложений о Разработка методов расчета теплофизических свойств жидких продуктов синтеза с числом атомов углерода выше 20 о Создание термодинамической модели образования твердых парафиновых отложений из жидкого раствора синтетической нефти о Разработка математической модели процессов тепломассопереноса при турбулентном течении искусственной нефти в трубопроводах с учетом образования парафиновых отложений.

1.4. Выводы по данной главе.

• Описана методика определения равновесного состава в замкнутой системе на основе поиска минимума энергии Гиббса.

• Методика используется для расчета конверсии нефтяного газа и метана в среде водяного пара, кислорода, углекислого газа.

• Представлены результаты расчетов конверсии нефтяного газа и метана в различных средах.

• Проведено сопоставление степени превращения метана, селективности оксида углерода и суммарных тепловых эффектов при конверсии метана и нефтяного газа.

• Показано, что требуемый состав синтез-газа и оптимальные энергозатраты получаются при комбинированном использовании нескольких способов конверсии нефтяного газа.