ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СЕПАРАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

OVERVIEW OF DESIGN SOLUTIONS OF GAS-LIQUID SEPARATORS APPLIED TO OIL PREPARATION

Olesya Kuptsova

senior Lecturer at Sakhalin State University

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Uliana Novikova

senior Lecturer at Sakhalin State University

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Denis Novikov

senior Lecturer at Sakhalin State University

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Подготовка скважинной продукции на промыслах является комп­лексной задачей, сочетающей в себе баланс между степенью очистки углеводородного сырья и надёжностью работы нефтегазопромыслового оборудования.

Известно множество технологий и аппаратов для сепарации нефти и газа, а также патентных решений, которые так и не были реализованы в аппаратном виде.

Производители нефтегазопромыслового оборудования в основном, конструируют сепараторы по традиционной схеме. Применение инновационного подхода, на основе патентных решений, как правило, затруднено из-за отсутствия достаточного количества испытаний.

Цель настоящей статьи заключается в обзоре интересных проектных решений, которые могли бы найти свою реализацию в аппаратном исполнении.

Традиционные конструкции сепараторов предполагают наличие нескольких секций. В вертикальном сепараторе осадительная секция обычно имеет диаметр сосуда. В горизонтальном эта секция занимает лишь половину сосуда, так как нижняя часть занята жидкостью. В двух­цилиндровом горизонтальном сепараторе для этой цели используется объем верхнего цилиндра. В сферических сосудах для осадительной секции используется почти весь внутренний объем.

Ранее проводились работы по исследованию подобных сепарацион­ных элементов различных модификаций (с аксиальными, улиточными и тангенциальными завихрителями, с различными внутренними устрой­ствами: центральными цилиндрическими втулками, сферическими телами и патрубками рециркуляции) [1]. Исследования вышеперечисленных конструкций определили практически все достоинства и недостатки элементов.

Создание оптимальной конструкции центробежного сепарационного элемента на основе ранее известных моделей и проведенных иссле­дований, в том числе и авторских, позволит в значительной степени улучшить его гидравлические характеристики и повысить или сохранить эффективность разделения фаз при более высоких производительностях по газу.

Согласно законам Рауля и Дальтона константа равновесия опреде­ляется отношением молярных долей компонента в равновесных газовой и жидкой фазах или отношением парциального давления компонента к общему давлению системы.

При конструировании центробежных сепараторов следует учитывать основные факторы, которые оказывают влияние на процесс сепарации.

Более подробно изучить влияние конструктивных особенностей на процессы, происходящие внутри центробежного элемента, возможно только при детальном их изучении.

Процесс сепарации фаз внутри трубчатых элементов сепараторов осуществляется при движении среды в закрученном потоке. С целью придания газожидкостному потоку вращательно-поступательного движения было разработано и апробировано множество различных конструкций завихрителей, но благодаря простоте изготовления, ком­пактности и надежности в эксплуатации наибольшее распространение получили сепараторы с аксиальными и тангенциальными завихрителями.

Аксиальные завихрители изготавливаются из ряда направленных лопа­стей (рекомендуется 4-8) плоской или профильной формы, образующих каналы для прохода газового потока. В основании лопасти крепятся к центральному телу, которое помимо конструктивных выполняет и другие необходимые функции, описываемые далее. Степень закрутки потока определяется углом наклона лопастей завихрителя к поперечному сечению патрубка.

Тангенциальный завихритель выполнен в виде ряда лопастей плоской или профильной формы, расположенных по образующей цилиндра под углом друг к другу. У таких центробежных сепараторов степень закрутки определяется отношением суммарной площади щелей Sщ к площади поперечного сечения патрубка Sсеч.

Применение в обоих завихрителях профилированных лопаток позволяет снизить гидравлическое сопротивление в 1,5 раза. Учитывая всю сложность проектирования и изготовления этих элементов следует уделить им особое внимание.

В тангенциальных завихрителях, изменяя площадь зазора щели, можно в широком диапазоне варьировать углом закрутки, а, следова­тельно, и скоростью тангенциального потока.

Sщ/Sсеч=t.                                                                     (1)

где:   Sщ – суммарная площадь щелей, м²;

Sсеч – площадь поперечного сечения патрубка, м².

При коэффициенте t = 0,95 тангенциальная скорость потока превышает среднюю осевую скорость в 2 раза, а при t = 0,8 – в 3 раза. Но нужно учитывать, что чем больше значение t, тем ближе макси­мальное значение тангенциальной скорости к стенке патрубка. Поэтому уменьшение значения отношения площадей ниже 0,95 не повышает эффективность завихрителей в результате образования вторичного уноса.

Примечание: D_вт - диаметр втулки; D_зх - диаметр завихрителя; β - угол наклона лопатки к оси завихрения; α - угол наклона лопатки к поперечному сечению патрубка.

Рисунок 1. Аксиальный завихритель

Примечание: Dзх - диаметр завихрителя; h - высота зазора; b - ширина зазора; α - угол лопатки

Рисунок 2. Тангенциальный завихритель

Так, экспериментальным путем было установлено, что наибольшая эффективность сепарации в сепараторах с аксиальными завихрителями, расположенными в патрубках диаметром 70-120 мм, достигается при величине b = 0,9-1,0 и α = 30°-40°, что объясняется особенностью распределения скоростей в патрубке.

Сепараторы с тангенциальным завихрителем обладают большей эффективностью сепарации за счет ввода газа через боковые танген­циальные прорези. Капли еще на входе приобретают тангенциальную скорость, а следовательно быстрее достигают стенки патрубка.

Диаметр патрубка оказывает незначительное влияние на эффективность сепарации. Так, при диаметре 50 мм эффективность сепарации составляет 99,9 %, а при диаметре 300 мм - 99 %. Поэтому диаметр патрубка подбирается с учетом расхода газа.

По проведенным исследованиям длины сепарационного патрубка уста­новлено, что с увеличением длины от 150 до 350 мм эффективность сепарации резко возрастает, а при дальнейшем увеличении длины остается почти постоянной. Поэтому длину патрубка центробежного элемента принимаем равной трём его диаметрам.

Характерной особенностью центробежных элементов является наличие зоны обратных потоков в центральной части патрубка. Величина зоны обратных потоков возрастает с увеличением степени закрутки газового потока. В центральной зоне патрубка, где центробежный фактор разделения оказывает меньше влияния, осевая составляющая скорости потока весьма мала и чаще всего направлена в противоположную сторону. При наличии в зоне сепарации центрального тела обеспечивается более равномерная закрутка потока. Диаметр его подбирается относительно диаметра обечайки патрубка: D_цт=0,4-0,5h.

Установка центрального тела исключает возникновение противо­токов и завихрений в центральной части аппарата, перекрывая зону низких и отрицательных скоростей движения газа.

В случае установки рециркулирующего патрубка внутри аппарата за­крученный поток, огибая его, создает дополнительные завихрения, которые нарушают стабильность потока. Расположение над патрубком сферического центрального элемента позволяет обеспечить более стабильную и равномерную закрутку потока, а также увеличить тангенциальную скорость в этой зоне, что позволит увеличить эффек­тивность сепарации. В зоне располагаемой сферы пленка жидкости на обечайке незначительной толщины, поэтому возникновение волн на поверхности и унос исключены.

Преимущество такого сепаратора состоит в том, что спектр применения его значительно расширяется за счет установки в аппарате двух ступеней центробежной сепарации.

Поставленная задача достигается тем, что в газожидкостном сепа­раторе, состоящего из корпуса с патрубками, входа газожидкостной смеси и выхода газа и жидкости, размещенного в корпусе коагулятора (первая ступень сепарации), установленного перед патрубком выхода газа каплеотбойника (вторая ступень сепарации) и дренажных трубок, новым является то, что между основанием коагулятора и стенкой корпуса установлен распределительный короб Г-образного профиля, горизонтальный элемент которого соединен со стенкой корпуса, а верти­кальный элемент соединен с основанием коагулятора таким образом, что полость, образованная стенкой корпуса и распределительным коробом, соединена с полостью патрубка входа газожидкостной смеси. При этом распределительный короб выполнен многосекционным. Между распредели­тельным коробом и стенкой корпуса установлена вертикальная перегородка. Распределительный короб выполнен в виде кольца диаметром 0,8-0,9 диаметра корпуса и высотой 1,5‑4,0 диаметра патрубка входа газожидкостной смеси. На основаниях коагулятора и каплеотбойника установлены центробежные элементы. Верхний торец центробежных элементов коагулятора расположен на уровне горизонтального элемента распределительного короба, а основание каплеотбойника расположено на расстоянии 0,5 - 1,5 диаметра корпуса от основания.

Установка внутри корпуса газожидкостного сепаратора Г-образного распределительного короба, внутренняя полость которого соединена с полостью патрубка входа газожидкостной смеси, обеспечивает гашение колебаний входных потоков, поступающих на разделение, что устраняет вихреобразование и вторичный унос жидкости с газом. Выполнение распределительного короба в виде нескольких секций упрощает сборку короба и его монтаж внутри сепаратора.

Размещение между распределительным коробом и стенкой корпуса вертикальной перегородки также способствует гашению кинетической энергии потока, что устраняет вихреобразование и вторичный унос.

Выполнение распределительного короба в виде кольца диаметром 0,8- 0,9 диаметра корпуса и высотой 1,5 - 4,0 диаметра патрубка входа газожидкостной смеси обеспечивает беспрепятственный проход газожид­костной смеси, разделенной на два потока, в пространство, образованное между корпусом и распределительным коробом до вертикальной пере­городки, при этом снижается до минимума проскок потока в зону входа в центробежные элементы коагулятора. Установка на основаниях коагулятора и каплеотбойника центробежных элементов позволяет за счет центробежных сил и сил инерции достичь пеногашения и осуществить грубое фазовое разделение потока в коагуляторе и тонкое - в каплеотбойнике.

Газожидкостный сепаратор представлен на рисунке 3 как в общем виде, так и в разрезе А-А и работает следующим образом. Газожидкостная смесь поступает в центробежный двухступенчатый сепаратор через боковой входной патрубок 2, которая, ударяясь о внутреннее кольцо 3, разделяется на два потока, огибающих его до вертикальной пере­городки 4, служащей для гашения колебаний входных потоков.

Расположение верхнего торца центробежных элементов коагулятора на уровне горизонтального элемента распределительного короба исклю­чает попадание отдельных капель жидкости на короб, а также снижает вторичный унос жидкости с газом. Кроме того, такое конструктивное выполнение обеспечивает удобство обслуживания сепаратора и не меняет его габаритных размеров.

Примечание: 1 - корпус; 2 - патрубок входа газожидкостной смеси; 3 - патрубок выхода газа; 4 - патрубок выхода жидкости; 5 - первая ступень сепарации (коагулятор); 6 - вторая ступень сепарации (каплеотбойник); 7 - центробежные сепарационные элементы; 8 - распределительный короб; 9 - полость; 10 - перегородка; 11 дренажные патрубки

Рисунок 3. Газожидкостный сепаратор

Размещение основания каплеотбойника на расстоянии 0,5-1,5 диаметра корпуса от основания коагулятора обеспечивает стабилизацию потока в этом пространстве. Газожидкостная смесь, проходя путь от входного патрубка до вертикальной перегородки, под действием центробежных сил и сил инерции поддается грубому фазовому разделению, где жидкая фаза по внутренней стенке корпуса 1 стекает вниз, а газовая с неотделенной жидкостью поступает в коагулятор - пеногаситедь 5. В коагуляторе - пеногасителе, в каждом центробежном элементе 6 под действием центробежных сил потока происходит процесс пеногашения и фазового разделения, после которого отделенная жидкость стекает по отводящему патрубку 8, а газ поступает в капле­отбойник 7, состоящий из пакета таких же центробежных элементов 6, на тонкую доочистку, после чего газовая фаза отводится через верхний патрубок вывода газа 9, а жидкая стекает по отводящему патрубку 8 в нижнюю часть сепаратора, где по мере заполнения отводится через патрубок вывода жидкости 10.

Также возможны варианты подачи газожидкостного потока в сепаратор через патрубок, расположенный тангенциально по отношению к обечайке, как это показано на рисунке 5. В этом случае, газожид­костный поток двигается от патрубка входа по спирали вниз, где происходит грубая сепарация потока. Основная часть крупнодисперсных частиц жидкости осядет в нижней части сепаратора, в накопителе, а газ с мелкодисперсными каплями или примесями устремится в вверх через коагулирующую ступень для более тонкой очистки. Устройство тангенциального ввода может быть выполнено как с Г- образным распределительным коробом, так и с фигурными коробами простой и сложной конфигурации рисунок 4.

Примечание: 1 - обечайка(корпус); 2 - патрубок входа; 3 - распредели­тельный короб; 4 - раструб; 5 - диффузор; 6 - цилиндрическая вставка; 7 - торообразная вставка; 8 - коалесцирующая ступень; 9 - кольцеобразная пластина; 10 - дренажный патрубок; 11 - каскадные цилиндры; 12 – соедини­тельные кольца; 13 - полый конус; 14 - полотно; 15 - сепарационные элементы; 16 - дренажный отвод

Рисунок 4. Устройство тангенциального ввода с фигурным коробом

Рисунок 5. Распределительное устройство сепаратора с коалесцером и ступенью центробежной сепарации

Список литературы:

1. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград ХИМИЯ, 1991. – 353 с.
2. Патент №2153915 - Газожидкостный сепаратор.