05.17.08 "Процеси та обладнання хімічної технології"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/18275

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 26

Теоретичні основи процесів тепломасообміну раціонального вилучення геотермальних флюїдів вуглеводневих свердловин
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Фик, Михайло Ілліч
Дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.08 "Процеси та обладнання хімічної технології" (16 – Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-практичну проблему розробки теоретичних основ раціонального вилучення геотермальних флюїдів свердловинами вуглеводневих родовищ, що полягає у застосуванні суміщеного видобування «флюїд-геотепло» для свердловин нафтогазових родовищ, формуванні феноменологічної моделі яка відображає послідовність та взаємозв'язок всіх елементарних субпроцесів такого видобування флюїд-геотермальних ресурсів, розробці математичних моделей цих субпроцесів і на їх основі – математичної моделі суміщеного процесу вилучення «флюїд-геотепло» в цілому. Обґрунтовано раціональну геометричну топологію теплообмінників та встановлено закономірності вилучення геотермальної енергії з пласта-колектора нафти (газу) та приколонного простору, проведення її через перехідну кольматаційну зону "пласт-вибій свердловини" і ліфтування енергії по свердловині та транспортування поверхневими системами до споживача з урахуванням властивостей бокових гірських порід свердловини, колекторів, теплоносіїв, структури підземного теплообмінника, схемотехніки видобування, накопичення та зберігання енергоресурсів, геологічних та технологічних особливостей нафтогазоконденсатних родовищ, зокрема, Дніпровсько-Донецької западини, ресурсо- та теплопродуктивності нафтогазоносних та виснажених пластів-колекторів, що спрямовано на реалізацію суміщеного видобутку "флюїд – геотермальне тепло" як дуальної технології вилучення енергоресурсів. Наукова новизна та практична цінність одержаних результатів полягає у наступному. Розроблена комплексна по-процесна (феноменологічна) модель геотермальної свердловинної системи суміщеного "флюїд-геотепло" вилучення геотермальних флюїдів свердловин, яка включає п′ять субпроцесів: вилучення геотермальної енергії з пласта-колектора та приколонного простору; передачу її через перехідну зону "пласт-вибій свердловини", по свердловині та поверхневими системами до споживача, що дозволило встановити послідовність та взаємозв'язок всіх елементарних процесів трансформації та руху енергії і теплоносія в геотермальній свердловинній системі. Розроблена модель геотермального резервуару газоконденсатної свердловини, яка враховує зміни теплопровідності гірських порід від бортів до вибою свердловини. Ця модель включає уточнені рівняння теплового балансу енергії при радіальній фільтрації продукції свердловини, що містять конвективну та кондуктивну складову теплообміну та теплоприпливу. Це дозволяє у порівнянні з відомими методичними підходами уточнити на 12 – 14% прогноз відбору тепла з геотермального резервуару на вибої газоконденсатної свердловини. Показано, що використання розробленої математичної моделі геотермального резервуару газоконденсатної свердловини, яка враховує зміни теплопровідності гірських порід від бортів до вибою свердловини дозволяє уточнювати до 27% дебіт тепла свердловиною в умовах здійснення термобаричних методів інтенсифікації видобування газоконденсатною свердловиною. Розроблена математична модель геотермальної системи "теплообмінник-гірський масив" за коефіцієнтом перетворення теплоти COP геотермального теплообмінника в привибійній зоні теплоприймання. При цьому встановлено, що ключовими параметрами впливу на коефіцієнт перетворення теплоти COP геотермального теплообмінника є: радіус дренування флюїдів при теплообмінному процесі, радіус трубопроводів з циркулюючим теплоносієм, діаметр кластерного теплообмінника, тепловий опір порід у привибійній зоні теплоприймання. Дана кількісна оцінка впливу цих параметрів на COP. Розроблена математична модель неізотермічного руху газорідинної суміші вуглеводнів у трубопроводі від вибою свердловини до сепараційної установки промислу, яка відрізняється від відомих одночасним урахуванням внутрішнього конвективного теплообміну, інтегрального ефекту Джоуля-Томсона і акомодації енергії. Цє дозволило підвищити точність розрахунку втрат напору по трубопроводу з теплообміном на 4.7% в діапазоні об’ємних витрат 0,5-1 м³/с. На основі використання методу електрогідравлічної аналогії розроблена математична модель процесу транспортування газу в багатонитковому промисловому трубопроводі, яка відрізняєтья від відомих врахуванням впливу теплових насосів і дозволяє визначити інтегральний коефіцієнт трансформації (COP) для мережевої трубопровідної системи; виділено різновид теплового насосу як пристрою з розподіленими параметрами, який являє собою багатонитковий розгалужений продуктопровід, що переносить низькопотенційну теплову енергію з оточуючого середовища у трубопровідний контур. Розроблена теоретико-емпірична формула визначення коефіцієнту Джоуля-Томсона, яка дозволяє оцінити вплив ефекту цього теплового насосу на енергетичні та термобаричні параметри газотранспортних процесів. Показано, що міжнитковий дросель викликає ефект теплового насосу в приймаючій нитці трубопровідного контуру, спричиняє до локального нагріву транспортованого продукту-флюїду в одній зоні і охолодження в іншій і не містить спеціальних вторинних контурів теплопередачі, роль яких виконують окремі ділянки багатониткового трубопроводу. Це дозволило збільшити точність визначення COP на 5-7% в діапазоні сезонних перепадів температур. Вдосконалені методики розрахунку неізотермічного транспортування газоконденсатної суміші шляхом введення температурної поправки і коефіцієнта акомодації в розрахунках гідравлічного опору трубопроводу як системи з розподіленими параметрами. На основі аналізу розрахункових кривих для гідравлічного опору за відомими методиками (формули Колбрука, Лейбензона і ВНІІГАЗу) для ізотермічних і неізотермічних процесів і пропонованої методики показані раціональні області їх застосування. Зокрема, порівняння теоретичного і промислового експериментів показало достатню для інженерної практики точність розрахунку падіння тиску на ділянках нафтогазових шлейфів і дозволяє рекомендувати розроблені аналітичні залежності для впровадження в промисловий інженерії при швидкостях газорідинного потоку в діапазоні 0–50 м/с, шорсткості труб 0,01–0,05 мм і їх діаметрі 100–300 мм. Всі обчислення зроблені для реальних промислових трубопроводів Новотроїцького нафтогазоконденсатного родовища. Удосконалено теоретико-методологічні основи розрахунків внутрішньосвердловинних теплообмінників для боротьби з гідратоутворенням в нагнітальних свердловинах, які включають схему внутрішньосвердловинного теплообмінника і відрізняються тим що як теплоносій в суміщеному процесі вилучення "флюїд-геотепло" використано суміш вуглеводнів, який подається через теплообмінну поверхню нагнітальної свердловини в продуктивний пласт нафтового родовища і математичний апарат для опису процесу утилізації тепла та теплообміну в нагнітальній свердловині. Виконано розрахунок сумарної геотермальної енергії необхідної для реалізації безгідратної роботи нагнітальної свердловини нафтового родовища за запропонованою схемою внутрішньосвердловинного теплообмінника. Встановлено, що потужність однієї геотермальної свердловини розкритої на нафтоносних глибинах Дніпровсько-Донецької западини достатня для ліквідації гідратоутворення в 1 – 3 нагнітальних свердловинах, що обумовлює доцільність їх сумісної роботи. Проаналізовано чотири геометричні топології геотермальних вибійних теплообмінників: І-ІІ – прямолінійні вертикальний гладкий і оребрений трубопровід; ІІІ-IV – кластер у вигляді безлічі гладких і оребрених однотрубних елементів, що являє собою фігуру типу "біляче колесо" або "меридіанна сфера". Встановлено, що найбільш ефективним технічним рішенням що забезпечує збільшення COP свердловинних геотермальних систем є збільшення поверхні теплообмінних труб. Для теплообмінників ІІІ типу розрахункове збільшення COP в порівнянні з гладкими трубами складає 40%, а для ІІІ-IV типу – 95%. Виконаний техніко-економічний аналіз геофізичних досліджень понад 300 промислових нафтогазових свердловин ДДЗ показав, що на базі нафтогазових свердловин ДДЗ можливе створення геотермальних станцій з глибинами буріння або розкриття свердловин до 3 – 4,5 км. При таких глибинах тепловий потенціал 90% геотермальних вод в продуктивних нафтогазових горизонтах кам’яновугільних відкладів не перевищує 108 °С і тому його доцільно використовувати переважно для цілей геотермального теплопостачання. У цьому випадку заміна органічного палива та електрики теплом геотермальних вод та гірських порід виявляється набагато більш вигідною для забезпечення теплопостачання та опалення (в 3 – 5 разів). Дві свердловини з глибин кам’яновугільних відкладів здатні надати 0,4 – 4,5 МВт теплової енергії. Сформульовано принципи побудови топології безгідратного багатониткового газопроводу із перемичками та відгалуженнями, що полягають у активації та регулюванні енерготрансформуючих та теплообмінних процесів на окремих ділянках газопроводу введенням додаткових дроселів перед перемичками та відгалуженнями трубопровідної системи, у зонах загрожених за корко- та гідратоутвореннями. Виконано розрахунок інтегрального коефіцієнта трансформації СОР для пілотної мережевої системи трубопроводів з розподіленими параметрами (6 ділянок довжиною 7 – 43 км) в умовах в УМГ "Харківстрансгаз". Виконана робота може бути використана для створення і розвитку вітчизняної свердловинної геотермально-вуглеводневої енергетики інноваційного типу. Крім того, окремі результати роботи можуть бути використані для інтенсифікації видобування енергоресурсів та продовження експлуатації нерентабельних вуглеводневих свердловин.
Теоретичні основи процесів тепломасообміну раціонального вилучення геотермальних флюїдів вуглеводневих свердловин
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Фик, Михайло Ілліч
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціаль-ністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний техніч-ний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-практичну проблему роз-робки теоретичних основ раціонального вилучення геотермальних флюїдів свердловинами вуглеводневих родовищ на прикладі Дніпровсько-Донецької западини, що полягає у застосуванні суміщеного вилучення-видобування «флюїд-геотепло» для свердловин нафтогазових родовищ, формуванні феноменологічної моделі яка відо-бражає послідовність та взаємозв'язок всіх елементарних субпроцесів такого вилучення-видобування флюїд-геотермальних ресурсів, розробці математичних моделей цих субпроцесів і на їх основі – математичної моделі суміщеного процесу вилучення "флюїд-геотепло" в цілому. Обґрунтовано раціональну геометричну топологію теплообмінників та встановлено закономірності ефективного вилучення геотермальної енергії з пласта-колектора нафти (газу) та приколонного простору, проведення її через перехідну кольматаційну зону "пластвибій свердловини" і ліфтування енергії по свердловині та транспортування поверхневими системами до споживача з урахуванням властивостей бокових гірських порід свердловини, колекторів, теплоносіїв, структури підземного теплообмінника, схемотехніки ефективного видобування, накопичення та зберігання енергоресурсів, геологічних та технологічних особливостей наф-тогазоконденсатних родовищ, зокрема, Дніпровсько-Донецької западини, ресурсо- та теплопродуктивності нафтогазоносних та виснажених пластів-колекторів, що спрямовано на реалізацію суміщеного видобутку "флюїд – геотермальне тепло" як дуально-суміщеної технології вилучення енергоресурсів. Виконана робота може бути використана для створення і розвитку вітчизняної свердловинної геотермально-вуглеводневої енергетики інноваційного типу. Крім того, окремі результати роботи можуть бути використані для інтенсифікації видобування енергоресурсів та продовження експлуатації нерентабельних вуглеводневих свердловин.
Підвищення ефективності процесу сульфатування в трубчастому плівковому реакторі у виробництві поверхнево-активних речовин
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Дзевочко, Альона Ігорівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 "Процеси та обладнання хімічної технології" (16 – хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності процесу сульфатування сумішей органічних речовин у виробництві поверхнево- активних речовин (ПАР) за рахунок створення нового технологічного процесу та обладнання з вирішенням питань енерго- та ресурсозбереження та мінімізації шкідливих викидів в навколишнє середовище. В роботі наведено результати аналітичного огляду з сульфатування органічних речовин. Встановлено, що в Україні в теперішній час промислові підприємства миючих засобів та піноутворюючих складів працюють як правило у неповному циклі, а потужність виробництва ПАР незначна. Показано, що процес сульфатування є основним у виробництві ПАР, на якому можливо досягти необхідних якісних показників. Наведено теоретичні основи процесу сульфатування, застосовувані сульфатуючі агенти. Показано, що останнім часом в якості сульфатуючого агенту використовується газоподібний триоксид сірки, розбавлений осушеним повітрям. Проаналізовано сучасні тенденції розвитку виробництва ПАР, його апаратурно-технологічного оформлення. Враховуючи велику швидкість реакції і значне тепловиділення процес сульфатування органічної речовини передбачає наявність двох конструктивних елементів в апаратурному оформленні: контактного і теплообмінного. З цієї точки зору основне поширення отримали трубчасті плівкові реактори з низхідним потоком реагентів, де використовуються тільки гідродинамічні сили потоків. Взаємодія двофазних потоків, яким є процес плівкового сульфатування органічної речовини газоподібним триоксидом сірки, характеризується різноманіттям хімічних та фізичних явищ, пов’язаних між собою та визначаючих якісні показники процесу. В зв’язку з цим, процес сульфатування в трубчастих плівкових реакторах можливо представити з наступних стадій: процес масопередачі газоподібного триоксиду сірки до поверхні розділу фаз; процес абсорбції триоксиду сірки органічною речовиною з одночасним проходженням екзотермічної хімічної реакції; процес теплообміну між рідинною фазою та газоповітряним потоком; процес теплообміну між рідинною фазою та потоком охолоджувальної води. Розглянуто основні типи математичних моделей, які можливо застосувати при математичному моделюванні процесу сульфатування сумішей органічних речовин газоподібним триоксидом сірки. Показано, що негативним фактором застосовуваних апаратурно-технолоігчних схем є підвищена енерго- та ресурсоємність та недосконалість процесу сульфатування, що призводить до отримання ПАР зі ступенем сульфатування на рівні 90 – 92 %. Відзначена доцільність проведення наукових досліджень процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин, удосконалення математичної моделі трубчастого плівкового реактору, комп’ютерних експериментів процесу з використанням математичної моделі та розрахунку конструктивних особливостей реактора сульфатування і основних технологічних параметрів. Наведено схему експериментальної установки, методику проведення наукових досліджень процесу сульфатування, методику досліджень фізико- хімічних характеристик реакційної маси. Наведено основні фізико-хімічні характеристики вихідної сировини, за основу якої була взята суміш вищого спирту фракції С12 – С14, вищого спирту фракції С8 – С10 та моноетаноламіду вищих жирних кислот кокосової олії. Наведено результати експериментальних досліджень процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин газоподібним триоксидом сірки. Показано вплив основних технологічних параметрів процесу: мольного співвідношення триоксиду сірки до органічної речовини, концентрації триоксиду сірки у газоповітряному потоці, температури реакційної маси на якісні показники отриманих продуктів. Експериментально знайдено фізико-хімічні характеристики реакційної маси (густина та динамічна в’язкість) від ступеня сульфатування та температури. Обробкою експериментальних даних отримані рівняння для їх розрахунку. Сформульований і науково обґрунтований спосіб отримання поверхнево-активної речовини сульфатуванням трьохкомпонентних сумішей органічних речовин, що дало можливість створити новий піноутворюючий склад зі зменшенням його впливу на навколишнє середовище. Удосконалена математична модель процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин газоподібним триоксидом сірки розбавленим осушеним повітрям в трубчастому плівковому реакторі. Розглянуто матеріальні баланси за рідинною та газоповітряною фазах. Проаналізовано додатковий ефект поверхневого натягу на поверхні розділу фаз, вивчені фізичні властивості рідинної фази по висоті реактору. Розглянуто рівняння теплового балансу. Проаналізовано вибір рівнянь розрахунку коефіцієнтів теплопередачі та коефіцієнтів тепловіддачі. Проведено аналіз процесу абсорбції газоподібного триоксиду сірки органічною речовиною з одночасним проходженням екзотермічної реакції. Наведені дані з аналізу процесу масообміну в трубчастому плівковому реакторі. Порівняно результати 5 різних авторів щодо розрахунку коефіцієнта масопередачі за допомогою математичного моделювання, що дозволило обрати необхідне рівняння для розрахунку. Одночасно була показана адекватність математичної моделі реальним експериментальним даним. Проведено системний аналіз процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин методом математичного моделювання. Розраховано зміни основних технологічних параметрів процесу сульфатування в залежності від напряму подачі охолоджувальної води. Показано, що подача охолоджувальної води як прямотечією по всій довжині реактора, так і протитечією є недоцільною. Реактор сульфатування повинен бути виконаний з двохсекційним охолодженням зі співвідношенням верхньої та нижньої секцій 1:2, при чому у верхній секції охолодження протитечією, а в нижній – прямотечією. Наведено дані з розрахунку промислового трубчастого плівкового реактора сульфатування продуктивністю п’ять тис. т./рік. Розроблено алгоритм та програму розрахунку з використанням пакета прикладних програм MatLab. В програмі використаний ітераційний метод та реалізований багатоваріантний розрахунок реактора на задану продуктивність. При продуктивності реактору 5 тис. т./рік він має наступні характеристики: поверхня теплообміну верхньої секції – 8,05 м2, нижньої секції – 16,11 м2, кількість труб – 37 шт. при внутрішньому діаметрі 0,037 м, довжина труб – 5,5 м. Загальний діаметр реактора 0,65 м, загальна довжина – 7,2 м. В ньому досягається ступінь сульфатування – 97,4 % при кольоровості отриманих продуктів – 1 одиниця за йодною шкалою. Результати досліджень показали, що така конструкція реактора володіє стійкістю та параметричною чутливістю. Наведено дані техніко-економічного обґрунтування прийнятих технічних рішень. Результати досліджень дали можливість розробити апаратурно-технологічну схему процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин, яка дозволяє покращити енерго- та ресурсозберігаючі характеристики процесу: по витраті органічної речовини – на 8,8 % на 1 т. ПАР, зниження енергоресурсів – на 85,2 кВт/год на 1 т. ПАР та зменшити шкідливі викиди органічних речовин при використанні ПАР в 6,4 рази на 1 т. ПАР. Розроблена автоматизована система управління даної апаратурно-технологічної схеми з використанням сучасних приладів та засобів автоматизації. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: – вперше встановлено залежність ступеня сульфатування та кольоровості отриманих продуктів від основних технологічних параметрів при сульфатуванні трьохкомпонентних сумішей органічних речовин; – вперше проведений системний аналіз процесів масопередачі, абсорбції з проходженням екзотермічної хімічної реакції та теплообміну методом математичного моделювання, що дало можливість обґрунтувати конструктивні характеристики трубчастого плівкового реактору; – вперше показана можливість проведення процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин в трубчастому плівковому реакторі з низхідним потоком фаз з отриманням високоякісних ПАР та підвищенням ефективності процесу; – удосконалена математична модель процесу сульфатування сумішей органічних речовин у трубчастому плівковому реакторі з низхідним потоком фаз, яка стала основою для його розрахунку; – встановлені та науково обґрунтовані значення технологічних параметрів процесу сульфатування в трубчастому плівковому реакторі, що дало можливість вирішити питання енерго- та ресурсозбереження. Практичне значення отриманих результатів для виробництва поверхнево- активних речовин. На основі отриманих в роботі наукових результатів: запропоновано проводити процес сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин газоподібним триоксидом сірки, розбавленим осушеним повітрям в трубчастому плівковому реакторі з низхідним потоком фаз; розроблено алгоритми і програми для його розрахунку, як складову частину виробництва ПАР потужністю 5 тис. т. ПАР/рік. Отримані наукові результати передані у Державну установу "Науково-дослідний і проектний інститут основної хімії" (м. Харків) для використання при удосконаленні виробництва ПАР та ПП "ПРЕСТІЖ ЛАЙН" для використання при розробці проекту виробництва піноутворюючих складів (м. Харків). Матеріали дисертаційної роботи використано у навчальному процесі кафедри автоматизації технологічних систем та екологічного моніторингу НТУ "ХПІ" в курсах лекцій "Технологічні системи та комплекси", "Комп’ютерне моделювання процесів і систем", "Природоохоронні та енергозберігаючі системи", а також при виконанні бакалаврських і магістерських кваліфікаційних робіт. Результати дисертаційної роботи закладають підґрунтя для отримання високоякісних ПАР та організації їх виробництва в умовах України. Робота є результатом самостійних досліджень Дзевочко А.І. Результати досліджень опубліковано у 15 наукових працях, з них: 5 статей у наукових фахових виданнях України (1 – у виданні, що входить до науково-метричної бази Scopus), 2 патенти України на корисні моделі, 8 тез доповідей в збірниках матеріалів міжнародних та всеукраїнських науково-практичних конференцій.
Підвищення ефективності процесу сульфатування в трубчастому плівковому реакторі у виробництві поверхнево-активних речовин
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Дзевочко, Альона Ігорівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Робота присвячена підвищенню ефективності процесу сульфатування в трубчастому плівковому реакторі у виробництві поверхнево-активних речовин шляхом удосконалення апаратурно-технологічної схеми. Встановлено залежність ступеня сульфатування та кольоровості отриманих продуктів від основних технологічних параметрів при сульфатуванні трьохкомпонентних сумішей органічних речовин. Проведено системний аналіз процесів масообміну, абсорбції з проходженням екзотермічної хімічної реакції та теплообміну методом математичного моделювання. Приведені рекомендації щодо конструктивного оформлення реактору сульфатування та технологічним параметрам процесу. Розроблено алгоритми та програми досліджень та розрахунку трубчастого плівкового реактора з низхідним потоком фаз. Результати досліджень дали можливість розробити апаратурно-технологічну схему процесу сульфатування трьохкомпонентних сумішей органічних речовин, яка дозволяє покращити енерго- та ресурсозберігаючі характеристики процесу: зниження витрати органічної речовини – на 8,8 % на 1 т. ПАР, зниження енергоресурсів – на 85,2 кВт/год на 1 т. ПАР, зменшення шкідливих викидів органічних речовин при використанні ПАР у 6,4 рази на 1 т. ПАР. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів досліджень складе 70,1 млн. грн./рік.
Підвищення ефективності хіміко-технологічного процесу комплексної водневої термобарохімічної технології інтенсифікації видобутку вуглеводнів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Велігоцький, Дмитро Олексійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 − процеси та обладнання хімічної технології (16 – хімічна та біоінженерія). ˗ Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020 р. Аналіз сучасних технологій підвищення видобутку вуглеводнів виявив, що найбільш ефективними та перспективними є методи, які комплексно впливають на продуктивний горизонт, поєднуючи ефективні тепловий, хімічний та механічний впливи на продуктивний горизонт. Однією з найбільш перспективних технологій інтегрованої дії на пласт є технологія комплексного водневого термобарохімічного впливу (КВТБХВ), хіміко-технологічний процес (ХТП) якої ґрунтується на ефекті водневої активації процесів дифузії та фільтрації флюїду в пористому середовищі гірської породи продуктивного горизонту під час протікання складної екзотермічної реакції в свердловині. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності хіміко-технологічного процесу КВТБХВ, зокрема його водневих стадій, шляхом фізичного та математичного моделювання. Для дослідження кінетики термобарохімічних процесів та фізичного моделювання комплексного впливу, в тому числі водневого, на зміну фільтраційно-ємнісних характеристик та проникності гірської породи створено експериментальний комплекс, який дозволяє відтворювати технологічні особливості здійснення хіміко-технологічного процесу технології КВТБХВ. Комплекс забезпечує його протікання в умовах, максимально наближених до реальних пластових, дає можливість не тільки досліджувати кінетику складної гетерогенної хімічної реакції під час перебігу ХТП, але й визначати термобаричний та хімічний впливи рідких та газоподібних продуктів реакції горючо-окислювальних складів і гідрореагуючих речовин (ГОС-ГРР), в тому числі водню, на зміну фільтраційних характеристик кернів гірської породи. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень кінетики ХТП, яка ґрунтується на послідовному змішуванні в реакторі двох технологічних рідин, вимірюванні та фіксації основних параметрів протікання термобарохімічного процесу та відтворює його максимально близько до реального, який відбувається в свердловині. Аналіз одержаних експериментальних графічних залежностей основних параметрів кінетики ХТП, утвореного технологічними рідинами з базовим хімічним складом, дозволив зробити висновки про неефективність його водневих стадій ХТП та необхідність проведення подальших досліджень для вирішення цієї проблеми. Запропоновано методи впливу на характер протікання багатостадійного ХТП термобарохімічного впливу, зокрема його водневих стадій. Тривалість низькотемпературної стадії досягнуто за рахунок використання в складі базової системи ГОС–ГРР суміші до 50 % пасивованих гранул від загальної кількості нітрату амонію. Визначено основні типи швидкореагуючих ГРР на основі лужних металів алюмінію та натрію. Зважаючи на високу хімічну активність цих ГРР, запропоновано та опрацьовано методи їх практичного застосування з використанням захисних оболонок. Експериментально доведено, що додавання до базових технологічних рідин гідрореагуючих речовин на основі алюмінію та натрію дозволяє на низькотемпературній стадії процесу генерувати водень, який виступає як активатор дифузії та фільтрації флюїду в гірській породі, а використання як активатора процесу горіння синтезованого за удосконаленою технологією полімерного нітрилу параціану в кількості 0,7-0,95 %, дозволяє підвищити температуру та тривалість протікання високотемпературної стадії ХТП до рівня, на якому при наявності активованого водню відбуваються процеси часткового гідрокрекінгу важких вуглеводнів безпосередньо в пласті. Відновлено технологічну лінію з синтезу параціану з аміду щавлевої кислоти, визначено параметри його синтезу, які забезпечують покращення показників хімічної чистоти та питомої кількості кінцевого продукту. Удосконалено технологічний регламент синтезу. Розроблено методику оцінки ефективності ХТП, яку засновано на визначенні впливу різних за характером протікання ХТП технології КВТБХВ на відновлення проникності та фільтраційно-ємнісних характеристик закольматованих природних кернів, використання якої дозволяє визначати найбільш ефективний за характером протікання хіміко-технологічний процес для використання на свердловинах, у яких з різних причин зменшилася продуктивність. На створеному експериментальному комплексі в умовах, наближених до пластових, здійснена обробка попередньо закольматованих стійкою до руйнування водонафтовою емульсією кернів рідкими та газоподібними продуктами реакцій, що утворюються в реакторі під час різних за характером протікання ХТП. Експериментально встановлено, що ХТП КВТБХВ з активацією полімерним нітрилом параціану та ГРР на основі алюмінію та натрію є найефективнішим оскільки коефіцієнт відновлення проникності обробленого керну за зазначеним ХТП склав 1,05, що свідчить не лише про відновлення проникності, але й про її збільшення в порівнянні з початковою. Розроблені методи та методики можуть використовуватися для покращення керованості водневих стадій ХТП та визначення ефективності впровадження технології КВТБХВ на свердловинах з різними конструктивними та геолого-технічними характеристиками, а також причинами зменшення продуктивності. З метою подальшого підвищення ефективності впровадження технології запропоновано методику удосконалення якості комп’ютерного 3D моделювання КВТБХВ. Модель ґрунтується на розв’язанні системи рівнянь Нав’є-Стокса, яку описують закони збереження імпульсу, маси та енергії, що дає змогу описувати складні задачі фільтрації, в тому числі моделювати процес КВТБХВ на реальних об’єктах. Закон збереження імпульсу в задачах фільтрації залежно від характеру фільтрації представлено у вигляді законів Дарсі, Форхгеймера та Дарсі з урахуванням дифузії (закон Фіка). В усі рівняння системи, які описують закони фільтрації, входять коефіцієнти проникності. На відміну від більшості задач фільтрації, в яких коефіцієнти проникності є константами, створено методику уточнення комп’ютерної 3D моделі процесу водневого термобарохімічного впливу на продуктивні горизонти свердловин, в якій в математичній моделі ураховуються результати експериментальних досліджень нестаціонарного процесу відновлення проникності гірської породи внаслідок комплексного водневого термобарохімічного впливу. В математичну модель фільтрації замість розрахункових значень або констант проникності додається функція зміни коефіцієнта відновлення проникності від відносного об’єму продуктів реакції ХТП. Експериментальна верифікація удосконаленої комп’ютерної моделі, яка здійснювалася шляхом проведення порівняльного аналізу результатів чисельного моделювання процесу фільтрації продуктів реакції на водневих стадіях КВТБХВ та результатів експериментальних досліджень, проведених на реальних кернах гірської породи, підтвердила суттєве підвищення точності моделювання. Використання удосконаленої й верифікованої моделі дозволяє з високою точністю описувати протікання фільтраційно-дифузійних та тепломасообмінних процесів реальних ХТП під час обробки продуктивних пластів, дає можливість робити прогнозні оцінки щодо результатів обробки. Удосконалену математичну модель покладено в основу комп’ютерної 3D моделі для постадійного комп’ютерного моделювання КВТБХВ з урахуванням кінетики ХТП. Такий підхід набув особливої актуальності за умов, коли завдяки розробленим методам з’явилася можливість керування стадіями, особливо водневими, за тривалістю та температурними рівнями. Розроблено алгоритм підготовки до імплементації технології з урахуванням результатів фізичного й математичного моделювання. Розроблений алгоритм дозволяє визначати кількісні та якісні показники хімічних складів робочих технологічних рідин, які впливають на характер протікання ХТП КВТБХВ, особливо його водневих стадій, та необхідні для створення дизайну обробки кожної окремої свердловини з урахуванням її індивідуальних конструктивних та геолого-технічних характеристик та причин кольматації. За розробленим алгоритмом створено дизайни обробок, за якими виконано дослідно-промислові впровадження технології на свердловинах України, Індії, Грузії та Туреччини. Результати підтвердили високу ефективність удосконалених та використаних ХТП як у вертикальних, так і у горизонтальних свердловинах.
Підвищення ефективності хіміко-технологічного процесу комплексної водневої термобарохімічної технології інтенсифікації видобутку вуглеводнів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Велігоцький, Дмитро Олексійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 − процеси та обладнання хімічної технології. − Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2020 р. Дисертація присвячена підвищенню ефективності хіміко-технологічного процесу комплексної водневої термобарохімічної технології інтенсифікації видобутку вуглеводнів, в основу якого покладено інтегроване використання аномальних властивостей водню як активатора процесів дифузії та фільтрації. Для дослідження кінетики термобарохімічних процесів та фізичного моделювання комплексного впливу, в тому числі водневого, на зміну фільтраційно-ємнісних характеристик та проникності гірської породи створено експериментальний комплекс, який дозволяє відтворювати технологічні особливості здійснення хіміко-технологічного процесу, забезпечує його протікання в умовах, максимально наближених до реальних пластових. Експериментально доведено, що шляхом додавання до базових технологічних рідин гідрореагуючих речовин на основі алюмінію та синтезованого за удосконаленою технологією полімерного нітрилу параціану як активатору горіння, можна впливати на характер протікання водневих стадій хіміко-технологічного процесу. Розроблено методику експериментального визначення найбільш ефективного за характером протікання хіміко-технологічного процесу для використання на свердловинах з різними причинами зменшення продуктивності. Удосконалено комп’ютерну 3D модель багатостадійного процесу водневого термобарохімічного впливу на продуктивні горизонти свердловин, в якій ураховуються результати експериментальних досліджень. Результати дослідно-промислових впроваджень технології комплексного водневого термобарохімічного впливу в Україні та закордоном підтвердили високу ефективність удосконалених та використаних хіміко-технологічних процесів.
Інтенсифікація теплообмінних процесів в технологіях переробки вуглеводнів з використанням нерозбірних пластинчастих теплообмінників
(НТУ "ХПІ", 2017) Юзбашьян, Анна Петрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2018 р. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення інтенсифікації процесу теплопередачі в пластинчастих теплообмінних апаратах спеціальної нерозбірної конструкції, які можуть використовуватися для рекуперації тепла нафтохімічних підприємств. Подальшого розвитку, на основі аналогії переносу тепла та імпульсу, отримав підхід щодо прогнозування теплових та гідравлічних процесів у пластинчастих теплообмінних апаратах нерозбірної конструкції зі спеціально гофрованими квадратними та заокругленими пластинами. Отримано напівемпіричну залежність для визначення тепловіддачі в каналах пластинчастих теплообмінних апаратів з урахуванням збільшення площі поверхні за рахунок гофрування та врахуванням впливу числа Прандтля. Запропоновано фізико-математичну модель, яка базується на концепції "граничного забруднення" та дозволяє встановити термічний опір забруднень поверхні теплопередачі залежно від часу для різних швидкостей потоку і температури поверхні. Розглянуто можливість застосування і виконано порівняльний аналіз двох типів нерозбірних пластинчастих теплообмінних апаратів на позиціях підігріву сирої нафти. Встановлено, що за рахунок використання пластин з різною висотою гофрування по холодній та гарячій стороні в кожухо-пластинчастих теплообмінних апаратах досягнуто ефекту вирівнювання швидкостей в каналах і зменшенню площі поверхні теплопередачі апарату. Наведено можливість використання зайвого тепла нафтопереробного заводу для опалення та гарячого водопостачання з проектуванням двадцятьох індивідуальних теплових пунктів з нерозбірними теплообмінниками.
Інтенсифікація теплообмінних процесів в технологіях переробки вуглеводнів з використанням нерозбірних пластинчастих теплообмінників
(НТУ "ХПІ", 2018) Юзбашьян, Анна Петрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2018 р. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення інтенсифікації процесу теплопередачі в пластинчастих теплообмінних апаратах спеціальної нерозбірної конструкції, які можуть використовуватися для рекуперації тепла нафтохімічних підприємств. Подальшого розвитку, на основі аналогії переносу тепла та імпульсу, отримав підхід щодо прогнозування теплових та гідравлічних процесів у пластинчастих теплообмінних апаратах нерозбірної конструкції зі спеціально гофрованими квадратними та заокругленими пластинами. Отримано напівемпіричну залежність для визначення тепловіддачі в каналах пластинчастих теплообмінних апаратів з урахуванням збільшення площі поверхні за рахунок гофрування та врахуванням впливу числа Прандтля. Запропоновано фізико-математичну модель, яка базується на концепції "граничного забруднення" та дозволяє встановити термічний опір забруднень поверхні теплопередачі залежно від часу для різних швидкостей потоку і температури поверхні. Розглянуто можливість застосування і виконано порівняльний аналіз двох типів нерозбірних пластинчастих теплообмінних апаратів на позиціях підігріву сирої нафти. Встановлено, що за рахунок використання пластин з різною висотою гофрування по холодній та гарячій стороні в кожухо-пластинчастих теплообмінних апаратах досягнуто ефекту вирівнювання швидкостей в каналах і зменшенню площі поверхні теплопередачі апарату. Наведено можливість використання зайвого тепла нафтопереробного заводу для опалення та гарячого водопостачання з проектуванням двадцятьох індивідуальних теплових пунктів з нерозбірними теплообмінниками.
Рекуперативний теплообмін на установці газофракціювання та компримування газохімічного виробництва
(НТУ "ХПІ", 2017) Маатук, Аббасс
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.17.08 «Процеси та обладнання хімічної технології» (16 – Хімічна та біоінженерія) – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2017 р. Процеси поділу і зокрема процеси ректифікації газових і рідких сумішей є одними з найбільш енергоємних у промисловості. За оцінками експертів, до 5% всієї енергії, яка використовується людством, споживається саме в цих процесах. Тому дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі підвищення потужності рекуперації теплової енергії в процесах ректифікації широкої фракції легких вуглеводнів (ШФЛВ) і супутніх їм процесах. В результаті аналітичного огляду публікацій виконана класифікація методів збільшення потужності рекуперації теплової енергії в хіміко-технологічних процесах з метою зниження питомого енергоспоживання в промислових процесах. Розглянуто методи внутрішньої теплової інтеграції ректифікаційних колон, як з інтеграцією теплового насоса (ТН) з колоною, так і без інтеграції ТН. Розглянуто роботи, які пов'язані з застосуванням методів Пінч-аналізу для збільшення потужності процесів рекуперації теплоти на установках хімічних виробництв. Зроблено аналіз робіт, які присвячені збільшенню питомої потужності рекуперації теплоти в територіальних виробничих комплексах (Total Site Integration). В аналізі публікацій окремо відзначені роботи піонерів в області Інтеграції Процесів: професора Б. Линнхоффа, професора Р. Сміта, професора Ї. Клемеша, а також роботи вітчизняних вчених: професора Л. Л. Товажнянського, професора П. О. Капустенко, професора Л. М. Ульєва. Аналіз літературних даних дозволив зробити постановку завдань для збільшення питомої потужності процесу рекуперації теплової енергії на установках ректифікації ШФЛВ з отриманням пропан-пентанової, пропан-гексанової, бутанової і ізобутанової фракцій та підібрати методи їх вирішення. Для вирішення даної задачі був обстежений процес рекуперації теплової енергії у цеху газофракціонування нафтопереробного заводу, що складається з двох ліній ректифікації ШФЛВ. Одна з них – отриманням пропан-пентанової, бутанової фракцій, інша – отриманням пентан-гексанової, бутанової і ізобутанової фракцій. Також в територіальний промисловий комплекс входить установка легкого гідрокрекінгу. За допомогою програмного забезпечення UniSim Design побудовані імітаційні моделі процесів поділу ШФЛУ. Аналіз технологічних процесів, їх регламентів, даних імітаційних моделей дозволив записати потокову таблицю процесів, що досліджуються, ця таблиця є цифровим чинником технологічних потоків, що беруть участь в системі теплообміну установки. Також побудована сіткова діаграма існуючої енерготехнологічної системи установки ректифікації ШФЛВ з отриманням пропан-пентанової і бутанової фракцій і визначена потужність процесів рекуперативного теплообміну на установці Qrec = 1230 кВт. Дані, які отримані у результаті, аналізу, дозволили побудувати складові криві процесу ректифікації для існуючої теплообмінної рекуперативної системи і визначити потужність гарячих QHmin =67274 кВт та холодних утиліт QCmin= 65982 кВт, що процес ректифікації споживає в даний час. Аналіз складових кривих дав можливість визначити мінімальну різницю температур між теплоносіями в теплообмінному обладнанні установки ΔТmin = 30 С. Ця величина є параметром, який показує можливість збільшення потужності рекуперації теплової енергії в процесі. На основі теоретичного аналізу системи технологічних потоків процесу ректифікації ШФЛВ, з застосуванням методів пінч-аналізу, визначено оптимальне значення мінімальної різниці температур між теплоносіями ΔТoptmin = 6 °С, і для цього значення побудована сіткова діаграма та технологічна схема проекту реконструкції системи рекуперативного теплообміну і визначено основні параметри нових теплообмінників. В результаті проекту реконструкції, що було запропоновано, потужність рекуперації теплової енергії стане рівною Qrec = 13575 кВт, тобто збільшиться на 1102 %, потужності гарячих і холодних утиліт будуть рівні QHmin = 54914 кВт, QCmin= 53658 кВт, тобто знизяться на 18,37 % і 18,67% відповідно. Теоретичний аналіз системи теплообміну з допомогою апарату складових кривих дозволив визначить обмежувальний фактор для подальшого збільшення потужності рекуперації теплової енергії. Аналіз інтегрованої системи теплообміну процесу ректифікації ШФЛВ з допомогою Великою складовою кривої (ВСК) дозволив усунути обмежувальний фактор з допомогою створення методу оптимальної інтеграції рекомпресійного теплового насосу (ТН) у вже інтегрований процес ректифікації. Побудовані імітаційні UniSim Design моделі інтеграції ТН в обидва процеси ректифікації, які підтвердили збільшення потужності рекуперації теплової енергії в процесі ректифікації ШФЛВ з отриманням пропан-пентанової і бутанової фракції, у порівнянні до існуючого процесу, на 1590 %, а потужність гарячих і холодних утиліт знижується на 72% і 73% відповідно. При інтеграції теплового насоса в процес ректифікації ШФЛВ з отриманням пентан-гексанової, бутанової і ізобутанової фракцій потужність рекуперації збільшиться від значення 1725 кВт до 21270 кВт, тобто на 1233 %, а споживання гарячих утиліт знизиться від значення 41112 кВт до 22490 кВт, тобто на 53%, холодних утиліт знизиться від значення 42812 кВт до значення 23260 кВт, тобто на 54%. Для подальшого збільшення потужності процесів рекуперації теплової ене-ргії виконано аналіз усього територіального комплексу установок ректифікації ШФЛВ (Total Site інтеграція). За допомогою ВСК процесів ректифікації вперше побудовано тепловий профіль комплексу різних установок ректифікації ШФЛВ, аналіз якого дозволив визначити технологічні потоки, на яких можливо встановити додаткові рекуперативні теплообмінні апарати, що дало можливість збільшити потужність рекуперації теплової енергії на 23,4 МВт. В результаті інтеграції комплексу установок загальна потужність рекуперації теплової енергії збільшилася на 1986 %, а потужність гарячих і холодних утиліт зменшилася на 51% порівняно з утилітами процесів у теперішній час. В дисертації для кожного з запропонованих проектів збільшення потужності рекуперації теплової енергії виконано економічний аналіз. В дисертації також вирішена задача збільшення потужності рекуперації теплоти в існуючій двох-потоковій теплообмінній системі з наявністю утилітних шляхів. Визначено залежності температур теплоносіїв і теплових навантажень на теплообмінному обладнанні від додаткової площі поверхні теплообміну і інтенсивності теплопередачі. Визначено найбільш прийнятне розміщення нової поверхні теплообміну і знайдені значення площі поверхні теплообміну для мінімальної приведеної вартості проекту реконструкції та мінімального терміну окупності. Створено метод, алгоритм і програма розрахунку додаткової площі поверхні теплообміну для двохпотокових систем рекуперації теплової енергії.
Рекуперативний теплообмін на установці газофракціювання та компримування газохімічного виробництва
(НТУ "ХПІ", 2018) Маатук, Аббасс
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2018 р. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі підвищення потужності рекуперації теплової енергії в процесах ректифікації широкої фракції легких вуглеводнів (ШФЛВ) і супутніх їм процесах. За допомогою програмного забезпечення UniSim Design побудовані імітаційні моделі процесів поділу ШФЛВ. Побудова складових кривих процесу ректифікації для існуючої теплообмінної рекуперативної системи дозволили визначити потужність гарячих і холодних утиліт, які процес ректифікації споживає в даний час. В результаті запропонованого проекту реконструкції потужність рекуперації теплової енергії збільшиться на 1102 %, потужності гарячих і холодних утиліт знизяться на 18,37 % і 18,67% відповідно. Аналіз інтегрованої системи теплообміну процесу ректифікації ШФЛВ за допомогою Великої складової кривої (ВСК) дозволив усунути обмежувальний фактор збільшення потужності рекуперації за допомогою створення методу оптимальної інтеграції теплового насосу (ТН) у вже інтегрований процес ректифікації. Побудовані імітаційні UniSim Design моделі інтеграції ТН в обидва процеси ректифікації, які підтвердили збільшення потужності рекуперації теплової енергії в процесі ректифікації ШФЛВ з отриманням пропан пентанової і бутанової фракції, щодо існуючого процесу, на 1590 %, а потужність гарячих і холодних утиліт знижується на 72% і 73% відповідно. При інтеграції теплового насоса в процес ректифікації ШФЛВ з отриманням пентан-гексанової, бутанової і ізобутанової фракцій потужність рекуперації збільшиться на 1233 %, а споживання гарячих і холодних утиліт знижується на 53% і 54% відповідно. За допомогою ВСК процесів ректифікації вперше побудований тепловий профіль комплексу різних установок ректифікації ШФЛВ, аналіз якого дозволив визначити додаткові місця розташування рекуперативних теплообмінників, що дало можливість збільшити потужність рекуперації теплової енергії на 23,4 МВт. В результаті інтеграції комплексу установок загальна потужність рекуперації теплової енергії збільшилася на 1986 %, а потужність гарячих і холодних утиліт зменшилася на 51%. В дисертації також вирішена задача збільшення потужності рекуперації теплоти в існуючій двопотокової теплообмінній системи і створено метод та програма розрахунку додаткової площі поверхні теплообміну для двопотокових систем рекуперації теплової енергії.