Классификация нефтегазовых технологических процессов.

I. В зависимости от законов, определяющих скорость их протекания:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся: перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, отстаивание (разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести), центрифугирование (в поле центробежных сил), фильтрование (под действием разности давлений при движении через пористый слой) и перемешивание жидкостей.

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров.

3. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризуются переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз и описываются законами массопередачи. К этой группе процессов относятся абсорбция, перегонка, ректификация, экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция и сушка.

4. Химические (реакционные) процессы, определяются законами химической кинетики. Химические реакции сопровождаются обычно переносом массы и энергии, соответственно скорость химических процессов зависит от гидродинамических условий. Скорость реакций подчиняется законам макрокинетики.

5. Механические процессы, описываются законами механики твердых тел. К ним относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ. Также к механическим процессам можно отнести процессы переработки химических продуктов в изделия – прессование, литье, экструзия и др.

II. По способу организации:

1. Периодические (все стадии протекают в одном месте, но в разное время).

2. Непрерывные (все стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве).

3. Комбинированные (к ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически или наоборот).

III. В зависимости от изменения рабочих параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени:

1. Установившиеся (стационарные) – параметры постоянны во времени.

2. Неустановившиеся (нестационарные) – параметры переменны во времени. По распределению времен пребывания частиц среды, различают следующие теоретические модели аппаратов непрерывного действия:

− идеального вытеснения ИВ (все частицы равномерно распределены по

площади поперечного сечения аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню, время пребывания частиц одинаково);

− идеального смешения ИС (частицы сразу же полностью перемешиваются, т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата, во всех точках объема мгновенно выравниваются значения характеризующих параметров, время пребывания частиц неодинаково);

− промежуточного типа (время пребывания более равномерно, чем в ИС, но никогда не выравнивается, как в ИВ).

Основные цели расчета процессов и аппаратов:

1) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы;

2) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей;

3) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объема аппаратов;

4) вычисление основных размеров аппаратов.

Последовательность расчетов:

− расчет и анализ статики процесса (рассмотрение данных о равновесии), исходя из чего определяют направление протекания и возможные пределы осуществления процесса;

− нахождение предельных значений параметров процесса для вычисления его движущей силы;

− составление материальных и энергетических балансов;

− расчет кинетики процесса, определяющей скорость его протекания;

− определение рабочей поверхности или объема аппарата.

Материальный и тепловой балансы – законы сохранения массы и энергии для физико-химических процессов.

Материальный баланс - количество поступающих веществ ∑Gн должно быть равно количеству веществ ∑Gк, получаемых в результате проведения процесса, в практических условиях неизбежны необратимые потери веществ ∑Gп:

 

∑Gн =∑Gк +∑Gп.

Тепловой баланс – количество теплоты ∑Qн, введенной в процесс, равно количеству теплоты ∑Qк, выведенной из процесса, включая необратимые потери в окружающую среду ∑Qп:

 

∑Qн =∑Qк +∑Qп.

Движущая сила (разность потенциалов) – для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, создаваемой с помощью насосов, компрессорных машин, за счет различия уровней жидкостей или плотностей;

для теплообменных – разностью температур поверхностей стенок (при теплопроводности), поверхности стенки и жидкости, или наоборот (при теплоотдаче), теплоносителей, омывающих разделяющую их стенку (при теплопередаче); для массообменных разностью между рабочей и равновесной, или наоборот, концентрациями распределяемого компонента в данной фазе.

Основное уравнение процесса в общем виде:

 

M = U А К τ;,

где М – количество перенесенного вещества или тепла; U - движущая сила; А – величина, к которой относят интенсивность процесса (рабочая поверхность, рабочий объем); К – коэффициент скорости процесса, учитывает все отклонения реального процесса от данной упрощенной зависимости, отражает влияние всех факторов, не учтенных остальными величинами, является мерой интенсивности процесса.

Интенсивность процесса (М/Аτ) – результат, отнесенный к единице времени и единице величины А:

 

 

Плотность потока – количество рассматриваемой субстанции М (массы вещества, теплоты и т.д.), проходящей в единицу времени τ через единицу площади F произвольной поверхности

 

плотность любого потока q, как правило, прямо пропорциональна градиенту движущей силы процесса qrad U:

 

q = K qrad U

Моделирование – метод исследования, при котором вместо непосредственного интересующего нас процесса или явления, протекающего в каком-то объекте (натуре), изучается соответствующий процесс на другом объекте (модели).

Основные задачи моделирования:

1) исследование новых процессов;

2) проектирование новых производств;

3) оптимизация отдельных аппаратов и технологических схем;

4) выявление резервов мощности и отыскание наиболее эффективных путей модернизации производств;

5) оптимальное планирование действующих производств;

6) разработка автоматизированных систем управления проектируемыми и действующими производствами.

Физическое моделирование – исследуемый объект (модель) отличается от натуры масштабом, меняются используемые вещества, температурные условия и т.п., однако физическая природа явления остается неизменной.

Математическое моделирование – моделирующий процесс может отличаться от моделируемого по физической природе. Процесс исследуется путем решения систем уравнений, описывающих его. При этом выясняется влияние на него различных технологических параметров: температуры, давления, концентрации. Исследования проводятся на теоретической или идеальной физической модели. Математическая модель – приближенное описание какого-либо явления или процесса внешнего мира, выраженное с помощью математической символики.

Подобие процессов – основа теории подобия, являющейся теоретической базой курса процессов и аппаратов. Процессы подобны между собой только в том случае, если соблюдается подобие: геометрическое и временное, полей физических величин, начальных и граничных условий. Подобие характеризуется константами и инвариантами подобия:

а) константа подобия

,

 

где к₁ – безразмерный масштабный множитель, выражающий отношение однородных сходственных величин подобных систем;

б) инвариант подобия

 

,

 

где inv – отношение сходственных величин в пределах каждой подобной системы.

Симплекс подобия – инвариант подобия, выраженный отношением двух однородных физических величин

 

Критерий подобия – инвариант подобия, выраженный отношением двух разнородных физических величин, характеризующих изучаемый процесс, т.е. представляет собой безразмерный комплекс, например, критерий Рейнольдса

 

Согласно основным теоремам подобия процессы будут подобны, если они имеют одинаковые критерии подобия и описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями. Эти уравнения путем метода теории подобия преобразуются в обобщенные критериальные уравнения, явный вид которых находится экспериментальным путем.

Процесс термодинамический – любое изменение термодинамического состояния системы о(сновные виды термодинамических процессов представлены в табл.1).

Таблица 1

Субстанциональная производная – (от слова субстанция, что означает

материя) – полная производная, характеризующая изменение величины, как во времени, так и в пространстве, состоит из локального изменения величины во времени и конвективного ее изменения по всем трем координатам:

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что является целью, предметом и задачами дисциплины «Управление нефтегазовыми производственными процессами»?

2. Дайте определение процесса и технологии.

3. Как классифицируются основные процессы нефтегазовой технологии (в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания; по способу организации; в зависимости от изменения параметров во времени)?

4. Сформулируйте общие принципы расчета процессов и аппаратов.

5. Запишите материальный и энергетический балансы процесса.

6. Что такое движущая сила, скорость и интенсивность процесса?

7. Представьте основное уравнение процесса в общем виде.

8. Перечислите основные задачи моделирования процессов.

9. Дайте определения физическому и математическому моделированию.

10. Что называют коэффициентом подобия, инвариантом, симплексом и критерием подобия?

11. Перечислите основные термодинамические процессы и дайте их краткую характеристику.

 

Для определения характеристики нефтяного и газового пласта необходимо знать:

1) гранулометрический (механический) состав пород;

2) пористость;

3) проницаемость;

4) капиллярные свойства;

5) удельную поверхность;

6) механические свойства (упругость, пластичность, сопротивление разрыву, сжатию и другим видам деформаций);

7) тепловые свойства (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность);

8) насыщенность пород водой, нефтью и газом в различных условиях.