Сравнительный анализ условий кипения в промышленных проточных регазификаторах сжиженного углеводородного газа из смесей пропана и бутана Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.6.036

А.П. Усачев, А.В. Рулев СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ КИПЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОТОЧНЫХ РЕГАЗИФИКАТОРАХ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА ИЗ СМЕСЕЙ ПРОПАНА И БУТАНА

Приведен сравнительный анализ условий кипения для основных методов проточной регазификации сжиженного углеводородного газа, состоящего из смесей пропана и бутана. Современные системы искусственной проточной регазификации выполняются в зависимости от схемы движения с кипением сжиженного углеводородного газа в большом объеме и с кипением в трубах.Результаты анализа показывают, что наиболее низкие температуры кипения пропан - бутановых смесей наблюдаются для метода проточной регазификации внутри труб, что обеспечивает для этого случая максимальный температурный напор в системе «теплоноситель -сжиженный углеводородный газ».

Проточные регазификаторы, сжиженный углеводородный газ, смеси пропана и бутана, методы регазификации, кипение в большом объеме, кипение в трубах, сравнительный анализ, жидкая и паровая фаза

A.P. Usachev, A.V. Rulev COMPARATIVE ANALYSIS OF BOILING CONDITIONS IN INDUSTRIAL EVAPORATORS FLOWING FROM LIQUEFIED PETROLEUM GAS PROPANE AND BUTANE MIXTURE

Gives a comparative analysis boiling to the basic methods of running evaporation liquefied petroleum gas, consisting a mixture propane and butane. Modern systems of artificial flow evaporation performed depending on the traffic patterns with boiling liquefied petroleum gas in bulk and with boiling in tubes. The results show that the lowest boiling point of propane - butane mixture are observed for the method flow inside the tubes evaporation, which provides for this case, the maximum temperature difference in the «coolant - liquefied petroleum gas».

Flow evaporators, liquefied petroleum gas, propane and butane mixture, methods evaporation, evaporating in a large volume, boiling in pipes, comparative analysis, liquid and vapor phase

В настоящее время на территории Российской Федерации все большую актуальность приобретают вопросы снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом (СУГ) с высоким содержанием бутановых фракций (БФ). В значительной степени этому способствуют, образовавшиеся на внутреннем рынке, излишки товарных марок СУГ с повышенным содержанием бутанов.

Ускоренное вовлечение товарных марок СУГ с высоким (до 60 мол. %) содержанием БФ требует разработки эффективных конструкций проточных регазификаторов БФ, а также достоверных методов их расчета, в том числе определения температурных и гидродинамических границ для основных методов проточного испарения

Современные системы искусственной проточной регазификации выполняются в зависимости от схемы течения жидкой и паровой фаз: с кипением СУГ в большом объеме; с кипением СУГ в трубах.

В инженерной практике отличить методы проточной регазификации при кипении СУГ в большом объеме и трубах достаточно сложно, учитывая невозможность визуального наблюдения за процессом испарения, а также взаимным расположением границ раздела жидкой и паровой фаз.

Целью данной работы является определение температурных и гидродинамических границ для основных методов проточной регазификации пропан-бутановых смесей СУГ и их последующий сравнительный анализ.

Процесс испарения пропан-бутановой смеси для метода проточной регазификации с кипением СУГ в большом объеме (рис. 1) характеризуется четкой границей раздела паровой и жидкой фаз, поддерживаемой на постоянном уровне с помощью автоматического регулятора. Для этой цели в процессе отбора паровой фазы в сосуд постоянно или периодически подается жидкая фаза состава ^ ж.

Насыщенная жидкость с мольным содержанием пропана ^1ж и температурой ^.б.ь поступающая в большеобъемный испаритель (рис. 1), растворяется в массе кипящей жидкости состава ^2ж, которая находится в равновесии с отбираемыми парами СУГ состава ^3п. Указанный процесс растворения происходит по линии 1-2. При этом поступающая жидкость нагревается от температуры t1= ^.б1 до температуры t2= ^.б при постоянном давлении Р = wnst в большеобъемном испарителе.

Р = const

Р = const

----<U>

А--------------А-

1

0 tp* vp* ipn ip11 100%

100%

Рис. 1. Метод проточной регазификации пропан-бутановой смеси с кипением СУГ в большом объеме

Рис. 2. Метод проточной регазификации пропан-бутановой смеси с кипением СУГ внутри труб

Процесс испарения жидкой фазы происходит по линии 1-2-3, а температура кипения имеет постоянное значение, равное tr6=const.

Процесс испарения пропан-бутановой смеси для метода проточной регазификации с кипением жидкой фазы СУГ внутри труб происходит при неизменном составе с непрерывным изменением границы раздела жидкой и паровой фаз, движущейся парожидкостной смеси.

Процесс испарения смеси «пропан-бутан» в диаграмме «температура - состав» при постоянном давлении Р = const изображается вертикальным отрезком так, как это показано на рис. 2 [1].

Точки 1-4 характеризуют следующие состояния системы: насыщенная жидкость, влажный пар, насыщенный пар, перегретый пар. Каждому состоянию смеси в процессе кипения соответствуют равновесные концентрации пропана в жидкой и паровой фазах.

При этом температура смеси повышается от t1=t Гтр (температура насыщенной жидкости) до

t3= t Г тр (температура насыщенного пара), а при наличии перегрева паров до t4.

Температурные условия кипения tj1 и t^ определяются согласно диаграмме «температура-состав», составленной на основе закона Дальтона-Рауля [2], обеспечивающего необходимую точность при давлениях до 1,6 МПа [3]. Здесь для подсчета давлений насыщенных паров индивидуальных компонентов, то есть пропана и н-бутана используется формула Антуана [4,5].

В результате исследований также установлено, что гидродинамические границы существования методов проточной регазификации с кипением СУГ в большом объеме и внутри труб приближенно можно определить по значению критерия Фруда Fr = w2 /(d • g), где ю - скорость течения парожидкостной смеси СУГ, м/с; d - внутренний диаметр испарительного канала проточного регазификатора, м.

Для определения численных значений критерия Fr, соответствующих гидродинамическим границам существования методов кипения пропан-бутановых смесей СУГ в большом объеме и трубах, были проведены опыты на проточном регазификаторе постоянного диаметра.

В регазификаторе осуществляли полное испарение жидкой фазы за счет теплопритока при ее движении снизу вверх. Опыты проводили при изменении критерия Фруда в диапазоне от 2,710-4 до 5103.

Было установлено, что поддержание Fr > 5,910-3 при движении паров испаренного СУГ внутри вертикального канала обеспечивает температурные условия, свойственные методу регазификации внутри труб, а метод испарения в большом объеме имеет место при значении критерия Фруда - Fr < 5,910-3 (рис. 3). При этом методы проточной регазификации внутри трубы и в большом объеме могут плавно переходить один в другой при изменении критерия Фруда.

Для точного определения температурных границ методов испарения в большом объеме и внутри труб рекомендуются зависимости (1)-(3), приведенные в составе алгоритма (рис. 3). На рисунке используются следующие обозначения: Рсм - абсолютное общее давление смеси, Па105;

Апр, Впр, Спр, Аб, Вб, Сб - коэффициенты, характерные для пропана и н-бутана в определенных пределах температуры.

На основании наиболее точных экспериментальных данных по давлению насыщенных паров пропана и н-бутана, полученных различными исследователями, Тиличеев М.Д. [6] подобрал коэффициенты Апр, Впр, Спр, Аб, Вб, Сб в уравнениях (1)-(3).

Сравнительный анализ методов испарения показывает, что наиболее низкие температуры кипения наблюдаются для случая проточной регазификации внутри труб:

t г

(4)

Iн t к'

*г.тр т V г ’ г ^тр

Это, в свою очередь, обусловливает максимальный температурный напор в системе «теплоноситель (т) - СУГ», то есть:

tт - var(tн, tк)тр = тах. (5)

Выявление гидродинамической границы существования основных методов проточной регазификации пропан-бутановых смесей СУГ.

Определяется значением критерия Фруда: Рг = —— = Бг = 5,9 -10''

ё-е

V_____________________________________________________®___________________У

Рг<Рг

кр

Ж.

При Рг<5,910' имеет место метод проточной регазификации смесей СУГ с четкой границей раздела жидкой и паровой фаз

паровая фаза (2) 2

жидкая фаза {1)

V

Рг>Рг

кр

При Рг>5,910 ’ имеет место метод проточной регазификации смесей _2_ СУГ с непрерывным изменением границ * жидкой и паровой фаз

_паровая фаза (2)

жидкая "фаза (1)

,________________ж___________________________________________________ж___________________ч

Предельные температурные границы кипения основных методов проточной регазификации пропан-бутановых смесей СУГ, характеризующиеся начальной и конечной температурами

кипения , I*

У

г Л

Аналитические зависимости для определения

температурных границ кипения СУГ

в большом объеме (б)

1гб=сош1;

I б находится из уравнения:

^ Д Г! в ^ Д__БПР

ЛЕ ППР г,

р _Ю СБ+1г.6 см 1 ^

)

^2 =

10

(

10

Спр+

Вп

-(1)

-10

р..

Аналитические зависимости для определния температурных границ кипения СУГ

в трубе от г"тр до £тр

4глр=уаг(‘”тр^г.тр);

I" находится из уравнения:

Рем-Ю

Сб+(г.,р

АПР"

ВДР_ у

ГУ 11

Г1Р г.тр________ | 0

(2)

СЕ + СР

10

1 находится из уравнения:

{

Р Ю сб+^

•10

Спр+1

Апр 10 СИР л ВВ ^ СПР + 1г,т(:_ | 0 Ь СН+1г.тт Рем

V )

(3)

Рис. 3. Зависимости по определению гидродинамических и температурных границ существования методов проточной регазификации пропан-бутановых смесей СУГ

Таким образом, по результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Варианты метода проточной регазификации внутри труб и в большом объеме взаимно превращаемы и могут плавно переходить один в другой при изменении критерия Фруда. Поддержание Fr > 5,9-10-3 для паровой фазы обеспечивает температурные условия, свойственные методу регазификации внутри труб, а метод испарения в большом объеме имеет место при значении критерия Фруда Fr < 5,9 -10-3.

2. Результаты сравнительного анализа показывают, что наиболее низкие температуры кипения пропан-бутановых смесей наблюдаются для метода проточной регазификации внутри труб, что обеспечивает для этого случая максимальный температурный напор в системе «теплоноситель - СУГ».

ЛИТЕРАТУРА

1. Усачев А.П. Исследование температурных условий при кипении и конденсации сжиженных углеводородных газов в проточных системах / А.П. Усачев, Б.Н. Курицын, В.П. Богданов // Использование газа в народном хозяйстве: сб. статей ин-та Гипрониигаз. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1974. С. 304-310.

2. Organick B.I. Prediction of hydrocarbon vapor-liquid equilibria / B.I. Organick, G.G. Brown // Chemical Engineering Progress. Symposium, 1952. Ser. 48/2. 97. P. 117-122.

3. Nysewander C.H. Phase Equilibria in hydrocarbon systems / C.H. Nysewander, B.H. Sage, W.N. Lesey // Industrial and Engineering Chemistry, 1940. Vol. 32, № 1. P. 118-123.

4. Thomson G.W. The Antoine equation for vapor-pressure date / G.W. Thomson // Chemical Reviews, 1946. Vol. 38. №1. P. 128-143.

5.Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика / М.Х. Карапетьянц. М.: Химия, 1975. 583 с.

6.Тиличеев М. Д. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов / М. Д. Тили-чеев. М.; Л.: Гостоптехиздат. Вып. 2-4. 1947. 690 с.

Усачев Александр Прокофьевич - Alexander P. Usachev -

доктор технических наук, профессор, Dr. Sc., Professor

кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat, Ventilation, Water Supply

водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» and Applied Fluid Dynamics,

Саратовского государственного технического Gagarin Saratov State Technical University

университета имени Гагарина Ю.А.

Рулев Александр Владимирович - Alexander V. Rulev -

кандидат технических наук, доцент Ph. D., Associate Professor

кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, Department of Heat, Ventilation, Water Supply

водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» and Applied Fluid Dynamics,

Саратовского государственного технического Gagarin Saratov State Technical University

университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 15.11.12, принята к опубликованию 20.02.13