Использование GIBBS для моделирования установки получения гелия из природного газа
Определенный интерес к разработке ресурсов природного газа сложного состава, содержащего гелий, (например – в журнале «Газпром», №3, 2012 год, с. 20) позволяет говорить о некоторой возможности строительства в будущем криогенного газоразделительного завода для производства гелия из природного газа. В последние 30 лет такие производства в РФ не строились, последним из построенных подобных производств в СССР можно считать Оренбургский гелиевый завод (И.Л. Андреев. Гелиевая промышленность в России и мировой опыт создания и эксплуатации гелиевого оборудования // Химическое и нефтяное машиностроение. – 1995 - №2.). В литературе (Технология переработки природного газ и конденсата: Справочник: в 2 ч. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002 - ч.1. – с. 199) описана технологическая схема гелиевой установки, перерабатывающей гелийсодержащий природный газ с концентрацией гелия 0.4 и азота 42.75 %. ПО GIBBS, имеющее качественные термодинамические модели дистилляции и многопоточного теплообмена, может быть успешно использовано для моделирования подобных установок глубокой криогенной переработки природного газа. Приведем пример моделирования описанной в литературе установки. Принципиальная технологическая схема моделируемой установки в части систем теплообмена и газофракционирования показана на рисунке:
Рисунок 1 – Принципиальная схема криогенной гелиевой установки
Соответствующая схема моделируемой задачи в GIBBS показа ниже. Особенностью моделирования задачи является увязка по теплу верхней и нижней ректификационных колонн, работающих при разных давлениях, поскольку дефлегматор нижней колонны охлаждается за счет кипения жидкости в кипятильнике верхней колонны. Благодаря высокому содержанию азота в сырье данная установка не только не потребляет жидкий азот со стороны, но и производит его. В данном примере технологические установки очистки и сжижения гелия не рассматриваются.
Рисунок 2 – Расчетная схема задачи в среде GIBBS
Полученный в результате моделирования материально-тепловой баланс близок по показателям к литературным данным и заводским данным.
Таблица 1 – Материально-тепловой баланс криогенной газоразделительной установки.
|
Поток |
Feed |
N2 liq. |
He conc |
Nitrogen |
Methane |
|
|
Доля пара |
мол.доля |
1.00000 |
0.00302 |
1.00000 |
1.00000 |
1.00000 |
|
Температура |
K |
303.00000 |
82.12452 |
300.00724 |
300.00724 |
288.79144 |
|
Давление |
МПа |
5.70000 |
2.55000 |
2.55000 |
0.12000 |
2.20000 |
|
Молярный поток |
кМоль/ч |
6246.36991 |
12.00000 |
29.00005 |
2500.00000 |
3705.36986 |
|
Массовый поток |
кг/ч |
132328.01990 |
334.69088 |
266.19550 |
69902.29412 |
61823.81933 |
|
Объемный поток |
м3/ч |
2603.51430 |
0.43393 |
28.66711 |
51937.81111 |
3837.12665 |
|
Объемный поток жидкости |
м3/ч |
0.42410 |
||||
|
Энтальпия |
кДж/ч |
4.956136E+07 |
-34799.28072 |
176395.64420 |
2.234543E+07 |
2.755265E+07 |
|
Энтропия |
кДж/К/ч |
734257.67859 |
781.53269 |
2717.62213 |
432945.33122 |
376003.40731 |
|
Плотность |
кг/м3 |
50.82669 |
771.29541 |
9.28575 |
1.34588 |
16.11201 |
|
Плотность пара |
кг/м3 |
50.82669 |
20.93486 |
9.28575 |
1.34588 |
16.11201 |
|
Плотность жидкости |
кг/м3 |
788.69027 |
||||
|
Молекулярный вес |
кг/кМоль |
21.18479 |
27.89091 |
9.17914 |
27.96092 |
16.68493 |
|
Стд. объемный поток газа |
нм3/ч |
140000.00000 |
0.81105 |
649.97855 |
56032.54450 |
83048.52073 |
|
Methane |
мол.доля |
0.56370 |
0.00107 |
1.062797E-05 |
0.00236 |
0.94870 |
|
Ethane |
мол.доля |
0.00440 |
0.00742 |
|||
|
Propane |
мол.доля |
0.00020 |
0.00034 |
|||
|
i-Butane |
мол.доля |
1.000000E-04 |
0.00017 |
|||
|
n-Butane |
мол.доля |
1.000000E-04 |
0.00017 |
|||
|
Helium |
мол.доля |
0.00400 |
0.00443 |
0.78439 |
0.00087 |
|
|
Nitrogen |
мол.доля |
0.42750 |
0.99450 |
0.21560 |
0.99677 |
0.04321 |