Выбор термодинамического пакета в Aspen HYSYS для моделирования вскипания водной фазы при термомеханической дегидратации тяжелых нефтей

Введение

Процессы термомеханической дегидратации и обессоливания высоковязких тяжелых нефтей и стабильных водоуглеводородных эмульсий на установках подготовки нефти (УПН) часто сопровождаются критическими технологическими сбоями. Перегрев эмульсии приводит к резкому вскипанию диспергированных капель воды, что вызывает разрушительное вспенивание в сепараторах и гидроудары. Для предотвращения таких аварийных режимов необходимо еще на стадии проектирования надежно прогнозировать температуру начала парообразования водной фазы, «запертой» внутри нефтяной матрицы. В данном исследовании проводится исчерпывающий методологический анализ эффективности выбора различных термодинамических пакетов в Aspen HYSYS для точного прогнозирования точки кипения водной фазы, «запертой» внутри нефтяной матрицы.

Проблема моделирования эмульсий в стационарных симуляторах

Основная фундаментальная инженерная проблема моделирования эмульсий в стационарных симуляторах заключается в том, что расчетное ядро HYSYS по умолчанию оперирует концепцией гомогенного парожидкостного равновесия (VLE), которая не учитывает поверхностное натяжение и может давать серьезные сбои при наличии сильного межмолекулярного взаимодействия резко полярной (вода) и неполярной (тяжелые углеводороды) фаз, стабилизированных природными ПАВ (асфальтенами, смолами). В реальной эмульсии водные капли окружены межфазными адсорбционными слоями, создающими дополнительное капиллярное давление и препятствующими коалесценции. Стандартный VLE-подход рассматривает фазы как гомогенные объемы, находящиеся в равновесии, и игнорирует эти эффекты, что приводит к существенным ошибкам в расчете температуры начала парообразования.

В рамках решения задачи инженерами были последовательно протестированы и сравнены классические кубические уравнения состояния (Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong) и специализированные модели, способные учитывать ассоциацию полярных молекул (например, Cubic Plus Association — CPA, Statistical Associating Fluid Theory — SAFT и их модификации). Моделировался процесс постепенного изобарического нагрева водонефтяной эмульсии в кожухотрубном теплообменном аппарате до момента достижения давления насыщенных паров скрытой водной фазы (начало образования паровых пузырей).

Методология и тестируемые термодинамические пакеты

В таблице представлены основные тестируемые термодинамические пакеты, особенности их применения в HYSYS и характерные проблемы при расчете эмульсий.

Результаты валидации

Тщательная валидация проводилась алгоритмическим путем: в HYSYS строились фазовые огибающие (Phase Envelopes) для исследуемых смесей, и полученные кривые температур кипения сравнивались с экспериментальными лабораторными данными по термомеханическому разрушению реальных промысловых эмульсий. Такой подход позволил количественно оценить отклонения каждой модели от экспериментальных данных и выявить области температур и давлений, в которых стандартные кубические уравнения состояния дают наибольшие погрешности.

Исследование четко выявило, какие именно термодинамические пакеты и их модификации наиболее точно предсказывают скрытую теплоту парообразования и температуру начала кипения воды под слоем тяжелой нефти с учетом давления в аппарате. В частности, было установлено, что учет ассоциативных взаимодействий и капиллярных эффектов критически важен для корректного описания фазового поведения стабильных водоуглеводородных эмульсий, стабилизированных асфальтенами и смолами.

Заключение

Итоговым результатом стала разработка аргументированного руководства для технологов по выбору уравнения состояния в Aspen HYSYS при проектировании печей и теплообменников для УПН. Руководство содержит практические рекомендации по выбору термодинамического пакета в зависимости от состава эмульсии, рабочих давлений и температур, а также методику калибровки модели по лабораторным данным. Это позволяет на стадии проектирования надежно предотвратить эффект взрывного вскипания и обеспечить стабильность фазовой сепарации.

Источник

Источник

Теги

• #AspenHYSYS
• #Thermodynamics
• #Emulsions
• #PhaseEquilibrium
• #ProcessDesign

Источник: https://www.mdpi.com/2227-9717/14/11/1766

#AspenHYSYS #Thermodynamics #Emulsions #PhaseEquilibrium #ProcessDesign