1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕПАРАТОРОВ Tomsk, 2013 Министерство образования и науки Российской Федерации Национальный исследовательский Томский политехнический университет доцент каф. ХТТ Бешагина Е.В.

2 Теоретические основы технологии и конструкции аппаратов Сепарацией газа от нефти называют процесс отделения от жидкой фазы (нефти) газообразной фазы. Сепарация происходит при снижении давления и повышении температуры, а также вследствие молекулярной диффузии углеводородных и других компонентов, содержащихся в нефти, в пространство с их меньшей концентрацией, находящееся над нефтью.

3 По характеру действующих сил сепараторы делятся на: гравитационные, разделение фаз в которых происходит за счет разности плотностей жидкости газа или твердых частиц газа. насадочные сепараторы, в которых фазы разделяются за счет сил тяжести и инерции. центробежные, разделение в которых происходит за счет центробежных и инерционных сил.

4 Основная сепарационная секция. Предназначается для отделения основной части жидкости (нефти, газового конденсата, воды) от входящего газожидкостного потока, для обеспечения высокоэффективной предварительной сепарации и равномерного распределения потока по сечению аппарата применяют конструктивные устройства: тангенциальный ввод потока, при котором жидкость под действием центробежной силы отбрасывается к стенке сосуда и стекает по ней, а газ распределяется по сечению аппарата и выводится; отражательные устройства (пластины прямоугольной или круглой формы, полусферы), устанавливаемые на входе в сепаратор; встроенный циклон, устанавливаемый на входе в горизонтальный сепаратор; конструкции, позволяющие осуществить раздельный ввод газа и жидкости в сепаратор.

5 Осадительная секция. В этой секции в газонефтяных сепараторах происходит дополнительное выделение пузырьков газа из жидкости. В газовых сепараторах жидкость в данной секции отделяется под действием гравитационных сил, а газ движется в сосуде с относительно низкой скоростью. В газовых сепараторах некоторых конструкций для снижения турбулентности применяют различные устройства пластины, цилиндрические и полуцилиндрические поверхности.

6 Секция сбора жидкости. Служит для сбора жидкости, из которой почти полностью в предыдущих секциях выделился газ при температуре и давлении в сепараторе. Однако некоторое количество газа в ней имеется. Для сепараторов объем данной секции выбирают так, чтобы он позволил удержать отсепарированную жидкость в течение времени, необходимого для выхода пузырька газа на поверхность и вторичного попадания в газовый поток.

7 Секция каплеулавливания. Предназначена для улавливания частиц жидкости в уходящем из сепаратора газе. Секция состоит обычно из отбойных устройств (насадок) различного вида керамических колец, жалюзи, пакетов из плетеной проволочной сетки и т. д. Критерием эффективности отделения капельной жидкости от газа является величина удельного уноса жидкости, которая должна находиться в пределах от 10 до 50 мг/м 3 газа.

8 Эффективность работы отбойных насадок зависит от нескольких факторов, основными из которых являются: допустимая скорость набегания газа, определенное количество жидкости, поступающей с газом, равномерная загрузка насадки по площади ее поперечного сечения.

9 В конструкциях сепараторов должны предусматриваться элементы, предотвращающие образование пены и гасящие ее, а также снижающие вредное влияние пульсации газожидкостного потока на сепарацию жидкости и газа.

10 Рисунок 1 - Схема устройства горизонтального сепаратора

11 Внутрикорпусные устройства сепараторов Рис. 2 - Входная перегородка Рис 3 - Центробежное входное устройство Рис 4 - Лопастной каплеотбойникРис 5 - Сетчатый каплеотбойникРис 6 - Антизавихрители

12 Конструктивные особенности сепараторов российского производства конструкция входной трубы для предварительного дегазирования нефти, наличием трубы для образования капель, активизирующей их слияние до осаждения конструкцией аппаратов, препятствующих уносу газа, устанавливаемых над основным сепаратором.

13 Трехфазная сепарация Рис 7 - Модель сепарации в системе нефть/газ/вода

14 В процессе трёхфазной сепарации одновременно должны осуществляться четыре процесса: пузырьки газа поднимаются в слое воды и нефти, капли воды осаждаются в слое нефти, капли нефти поднимаются в слое воды, В дисперсной зоне происходит коалесценция капель дисперсной фазы с соответствующей непрерывной зоной.

15 Рис 8 - Устройство трехфазного сепаратора

16 Рис 9 - Устройство вертикального трехфазного сепаратора

17 Внутрикорпусные устройства трехфазных сепараторов Рис 11 – Коалисцирующее устройство

18 Материальный баланс Сепарация по своей физической сущности является сочетанием физических и массообменных процессов, протекающих между газовой и жидкой фазами, содержащими большое количество компонентов, т.е. является сложным многокомпонентным процессом. Qсырья = Qнефти + Qводы + Qгаза По условию задан газовый фактор равный 80 м 3 /м 3, примем расход газа равным величине газового фактора, таким образом, расход газа равен 80 м 3 /сутки. Рассчитаем Qводы из отношения: где w – начальная обводненность нефти, % масс.

19

20 Тепловой расчет Целью теплового расчета является определение толщины тепловой изоляции. где δиз – толщина тепловой изоляции; λиз – коэффициент теплопроводности материала изоляции; αн – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух); tст,tокр, tиз – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя. Коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по приближенному уравнению: α н =9,74+0,07Δt = 9,74+0,0710=11,14 Вт/м2К, где Δt= t из – t окр, С. Затем выбирают изоляционный материал.

21 Аппаратурный расчет Основной целью технологического расчета является определение диаметра и высоты сепаратора. Например:Qнефти перевести из м3/сут в м3/сек. Для того чтобы рассчитать расход газа в условиях сепарации, необходимо учесть сжимаемость газа. С помощью уравнения состояния идеального газа рассчитаем плотности газа при стандартных условиях и в условиях сепарации. где - плотность, кг/м3; P – давление в сепараторе, Па;Mr – молекулярная масса, г/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; T – температура в сепараторе, K;z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

22 Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации рассчитываем z для каждого компонента смеси газа. Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров: где, - приведенные температура и давление, соответственно. Для того, чтобы вычислить расход газа в условиях сепарации необходимо расход газа при стандартных условиях умножить на плотность газа при стандартных условиях и поделить на плотность газа в условиях сепарации.

23 Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при горизонтальной ориентации сепаратора и наличии лопастного каплеотбойника принимают равным 0,12 м/с. Таким образом, зная скорость и расход газа, можем посчитать минимальную площадь сечения, необходимую для газовой фазы.

24 Расчет производительности сепараторов по нефти осуществляется на основании времени удержания газонефтяной смеси в сепараторе. Согласно рекомендациям время удержания должно быть меньше одной минуты. Задаем дополнительное условие: граница раздела фаз сепаратора проходит через его середину. Соответственно, расход нефти через сепаратор с эффективной длиной L eff и с D будет описываться следующим уравнением:

25 Отношение длины сепаратора к диаметру называется коэффициентом стройности сепаратора. Для стандартных сепараторов данное соотношение обычно остается примерно постоянным и равно 3,5. С учетом того, что эффективная длина сепаратора обычно равна ¾ от общей длины сепаратора, следующие выражение для диаметра в зависимости от времени удержания газонефтяной смеси в сепараторе может быть получено:

26 На основании полученного выражения для зависимости диаметра сепаратора от времени удержания газонефтяной смеси, могут быть получены основные геометрические характеристики сепараторов, а именно, длина и объем

27

28

29

30

31 Основы расчета насадочной ректификационной колонны Для построения термодинамической теории процесса ректификации требуется определенная его идеализация, различная для тарельчатой и насадочной колонны. Для тарельчатой колонны используется концепция теоретической тарелки, для насадочной же эта концепция мало приемлема и должна замениться концепцией единицы переноса, потому что в насадочной колонне, в отличие от тарельчатой, происходит непрерывный контакт фаз.

32 Число единиц переноса (ЧЕП) по i-тому компоненту N pi определяется следующим образом: где y* - равновесная концентрация; y – рабочая концентрация; y н, y к – начальная и конечная концентрации. В дифференциальной форме:

33 Вывод расчетного уравнения для режима полного орошения сложной насадочной колонны предложен Андервудом. На любом уровне насадочной колонны в режиме полного орошения встречные фазы должны максимально отступать от состояния равновесия, поэтому составы газовой и жидкой фазы должны быть одинаковыми. Для произвольного компонента это запишется в виде: Из уравнения равновесия:

34 Заменяя константу равновесия относительной летучестью где kэ – константа равновесия эталонного компонента; можем преобразовать уравнение к виду: Если написать n уравнений по числу компонентов системы, то во всех этих уравнениях правые части будут одинаковыми. Поэтому можно попарно приравнять их левые части и для двух любых произвольных компонентов записать

35 Диаметр насадочной колонны определяется по скорости паров в свободном сечении колонны в точке захлебывания по эмпирической корреляции Шервуда: a – удельная поверхность насадки, м2/м3; Vc – ее свободный объем; w – скорость захлебывания, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; ρп, ρж – плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3; μж – динамическая вязкость жидкости, Па * с.

36 Удельную поверхность и объем насадки определяем из таблицы

37 Определяем высоту насадочной колонны. Ее можно найти двумя способами: по высоте единиц переноса (ВЕП); используя концепцию теоретической тарелки. Наиболее приемлемым является расчет высоты насадочной части колонны по высоте единицы переноса (ВЕП). В этом случае для каждой из частей колонны: где N0 – число единиц переноса данной части колонны; h0 – высота единицы переноса (ВЕП) этой части. Высота единицы переноса рассчитывается по уравнению: L и G – мольные потоки жидкой и паровой фаз;m – тангенс угла наклона касательной к линии равновесия в средней точке части колонны.