Подогрев газа на ГРС
При редуцировании газ охлаждается, что способствует гидратообразованию. Гидратообразование является область, расположенная левее равновесных кривых (рис. 9). Если газ не насыщен влагой и парциальное давление водяных паров меньше упругости паров гидрата, то кристаллогидраты образовываться не будут. Для исключения гидратообразования перед дросселированием газ подогревают в теплообменниках. Температура подогрева должна быть такой, чтобы влагосодержание насыщенного газа не опускалось ниже влагосодержания газа, поступающего на ГРС. В этом случае при дросселировании влага не будет выпадать из газа. Действительную температуру подогрева принимают несколько больше полученной из расчета. Теплообменники устанавливают на ГРС, в качестве теплоносителя используют горячую воду. При расчете используют зависимость влагосодержания насыщенного природного газа от давления и температуры.
Рис. 9. График образования гидратов природных газов в зависимости от температуры и давления
Следует напомнить, что влагосодержание — это количество водяных паров в кг, которое содержится в 1 кг (1 м3) сухого газа. Так как водяной пар занимает весь объем смеси, влагосодержание можно определить как отношение плотности водяного пара к плотности сухого газа. Если пар в смеси находится в насыщенном состоянии, то его влагосодержание будет иметь максимальное значение. Если считать, что смесь водяных паров и газа подчиняется законам идеальных газов, тогда количество насыщенных водяных паров в 1 м3 смеси и их парциальное давление полностью определяются температурой и не зависят от давления. В этом случае влагосодержание легко рассчитать по таблицам насыщенного водяного пара. Содержание водяных паров в сжатых горючих газах больше рассчитанного, так как поведение смесей водяного пара с природным газом отклоняется от законов идеальных газов и тем больше, чем выше давление смеси, ниже ее температура и больше молекулярная масса газа.
На графике (см. рис. 2) показана зависимость влагосодержания насыщенного природного газа от температуры при различных давлениях. В данном случае влагосодержание приведено к нормальным условиям, т. е. 0ºС и 101,3 кПа. График построен для природного газа. Влагосодержание, отнесенное к 1 кг сухого газа (Wм),определяется отношением плотности пара ρп к плотности сухого газа ρс.г, т. е. Wм=ρп/ρc.г. Если влагосодержание отнести к 1 м3 сухого газа, тогда получим следующее соотношение:
Wυ=Wмρc.г=ρп
Следовательно, влагосодержание Wυ, отнесенное к 1 м3 совпадает с абсолютной влажностью. Пересчет влагосодержания Wυ на нормальные условия Woυ с учетом приведенного выше выражения производят следующим образом:
где ; ρc.г, pг, Т и ρо.c.г, po, То - соответственно плотность, давление и температура газа, а также плотность, давление и температура при нормальных условиях.
Эту же формулу используют для определения действительного влагосодержания газа по влагосодержанию, отнесенному к объему при 0 °С и 101,3 кПа, который выбирают по графику (см. рис. 9.2) для заданных температуры и давления смеси насыщенного водяного пара и природного газа.
Пример 3.1. Определить влагосодержание насыщенного природного газа при температуре 0 °С и давлении 6 МПа (абс.) по таблицам водяного пара и по графику рис. 2.
Считая, что смесь водяного пара с природным газом подчиняется законам идеальных газов, влагосодержание насыщенного газа зависит только от температуры. По таблицам насыщенного водяного пара находим, что при t=0º Cρ″=Wυ=0,004847 кг/м3, рн = 0,612 кПа. Следовательно, парциальное давление природного газа будет равно: ргаз=5999,388 кПа.
По графику (см. рис.2) вычисляем абсолютную влажность, приведенную к нормальным условиям при t=0ºC и р=6 МПа, т. е. Woυ = 0,12 г/м3.
По формуле приводим табличное значение влагосодержания к нормальным условиям:
Приведенный расчет показывает отклонение парогазовой смеси от законов идеальных газов. Действительно, содержание насыщенных водяных паров в природном газе больше величины, подсчитанной в таком предположении, что парогазовая смесь подчиняется законам идеальных газов.
При дросселировании газа его объем увеличивается (газ расширяется). На преодоление сил межмолекулярного притяжения необходимо затратить определенную энергию, которая пойдет на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул. Частично эта энергия компенсируется за счет уменьшения кинетической энергии теплового движения молекул газа, в результате чего температура газа снижается (положительный эффект Джоуля — Томсона). Снижение температуры при дросселировании [напомним, что этот процесс протекает при постоянной энтальпии (i = const)] характеризуют дифференциальным температурным эффектом дросселирования Дi:
Для природного газа в области значений давлений и температур, которые имеют место при его редуцировании на ГРС, среднее значение дифференциального дроссельного эффекта принимают равным:
Дi = 5,5 град/МПа.
Таким образом, при дросселировании газа снижаются не только его давление, но и температура, соответственно изменяется и влагосодержание, насыщающее газ. Возможность выпадения конденсата при дросселировании можно определить графически (см. рис. 2). Для этого определяют температуру газа для промежуточных значений давления при дросселировании от начального до конечного давления. Температуру отсчитывают от температуры газа, поступающего на ГРС, считая, что при снижении давления газа на 1 МПа его температура снижается на 5,5 °С. По полученным данным на графике зависимости влагосодержания насыщенного газа от температуры и давления (см. рис. 2) строят кривую изменения состояния газа. Эта кривая дает зависимость влагосодержания насыщенного газа от давления и температуры, изменяющихся в процессе дросселирования. Если влагосодержание насыщенного газа, поступившего на ГРС, соответствующее его температуре точки росы, ниже полученной кривой, то газ в процессе дросселирования будет превращаться в ненасыщенный. Если же она будет выше минимума кривой, то из газа будет выпадать влага и образовываться кристаллогидраты. Для исключения гидратообразования газ необходимо подогреть на такую величину Δt, чтобы кривая влагосодержания насыщенного газа при дросселировании лежала выше влагосодержания насыщенного газа, поступающего на ГРС. Значение Δt определяют подбором, строя несколько кривых дросселирования для различных начальных температур.
Пример 9.3.2.Определить необходимый подогрев газа для предотвращения гидратообразования и рассчитать теплообменник при следующих данных Q0=20 000 м3/ч, рнач = 4МПа (абс.), ркон = 0,5 МПа (абс.).
Решение.
1. Определим величину необходимого подогрева газа, считая, что точка росы газа, поступающего на ГРС, равна 0 °С. Промежуточные значения давления и температура приведены в табл. 3.1.
По данным приведенной таблицы на графике зависимости Wоυ=f(t, p) построены кривые изменения влагосодержания насыщенного газа при дросселировании для различных начальных температур, которые приведены на рис 9.2. Из рассмотрения рисунка следует, что при подогреве газа на 4° минимум кривой совпадает с начальной абсолютной влажностью насыщенного газа, поэтому минимальный подогрев, предотвращающий выпадение конденсата, составляет 4 °С Если газ подогреть на 6 °С, то минимуму кривой будет соответствовать относительная влажность, равная.
а относительная влажность газа, выходящего из ГРС, составит
Таким образом, температуру подогрева газа можно принять Δt=6°С.
2.Рассчитываем поверхность нагрева теплообменника. Первоначально определим количество тепла Q0, необходимого для нагрева газа.
Q = Q0 ρ0 ср Δt = 0,73·2,5·103·6 = 61000 Вт = 61 кВт,
где ρ0 — плотность газа при нормальных условиях, равная 0,73 кг/м3; сp— массовая теплоемкость газа при постоянном давлении, кДж/(кг·град), равная 2,5.
К установке принимаем теплообменник ВНИИГаза. Коэффициент теплопередачи теплообменника k=175—230 Вт/(м2·град). Среднюю логарифмическую разность температур рассчитаем при следующих температурах греющей воды: tг=85°C, Тохл = 50°С. В этом случае при противотоке большая и малая разности температур будут соответственно равны:
Δtб = 85 — 6 = 79°С; Δtм = 50 — 0 = 50°С;
Таблица 9.3.1
Промежуточные значения давления и температуры
Давление МПа (абс.) | Температуpa газа, °С | |||
3,5 | —2,75 | —0,75 | — 1,25 | 3,25 |
—5,5 | —3,5 | — 1,5 | 0,5 | |
2,5 | —8,25 | —6,25 | —4,25 | —2,25 |
—11 | —9 | —7 | —5 | |
1,5 | —13,75 | —11,75 | —9,75 | —7,75 |
—16,5 | —14,5 | —12,5 | —10,5 | |
0,5 | —19,25 | —17,25 | —15,25 | —13,25 |
Необходимая площадь поверхности теплообменника равна:
Принимаем теплообменник конструкции ВНИИГаза с поверхностью нагрева 5 м2.
Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 7367;