CC BY
72
УДК 622.323 ББК 35.113
Ю. С. Вязовой, В. И. Гулевич
ПРОЦЕССЫ, ПРОХОДЯЩИЕ ПРИ ОТДУВКЕ В НЕФТЕГАЗОВЫ1Х СЕПАРАТОРАХ
Yu. S. Vyazovoy, V. I. Gulevich
THE PROCESSES OCCURRING IN THE PURGING OF GAS SEPARATORS
Отдувка позволяет сократить остаточное содержание газа в нефти до минимальных величин. Рассматриваются причины применения этой технологии и механизм взаимодействия газовых пузырьков в жидкости. Дана модель и описание процесса коагуляции.
Ключевые слова: сепарация, отдувка, коагуляция, нефтегазовый сепаратор.
Purging reduces the residual gas in oil to minimum quantities. The causes of this technology application and the mechanism of interaction of gas bubbles in the liquid are considered. The model and the description of the coagulation process are given.
Key words: separation, purging, coagulation, oil and gas separator.
Нефть, добываемая на промыслах, содержит в себе растворенный газ. Перекачивать и хранить ее в таком виде нецелесообразно, поэтому газ отделяют. Аппараты, в которых проходит этот процесс, называются нефтегазовыми сепараторами [1]. В основном применяются горизонтальные аппараты, принцип их работы одинаков и основан на объединении газовых пузырьков в толще жидкости. Однако такой способ выделения газа несовершенен, т. к. оставшийся в нефти газ уносит с собой некоторое количество легких углеводородов. По этой причине все еще актуален поиск новых способов отделения газа [2].
Одним из эффективных способов отделения попутного газа является отдувка, т. е. проти-воточная подача газа навстречу жидкости, стекающей по плоскости контактной насадки (рис.). Жидкость движется сверху по каналу, образованному зигзагообразными перегородками 2, и попадает на решетку 1, на ней делится, образуя пленочный 3 и капельный 4 потоки. Газовый поток поднимается снизу и, дробясь, взаимодействует и увлекает с собой растворенный газ [3]. В [4] рассматривается технологический процесс подготовки нефти на морской нефтедобывающей платформе, описаны преимущества применения сепаратора с контактной насадкой.
Устройство контактной насадки: 1 - вертикальная решетка; 2 - зигзагообразная перегородка;
3 - пленочный поток; 4 - капельный поток; 5 - клиновидный гидрозатвор
Анализ литературы позволяет сделать вывод, что наиболее целесообразным и практически обоснованным [5] является применение аппаратов с контактной насадкой, расположенных
на последней ступени. Это обусловлено тем, что жидкость на последней ступени уже частично дегазирована и есть возможность подавать продувочный углеводородный газ с предыдущих ступеней сепарации без применения компрессоров.
К настоящему моменту созданы и эксплуатируются аппараты, предназначенные для очистки товарной нефти от сероводорода. В рамках данной работы рассматривается процесс удаления растворенного газа из нефти, поступившей на последнюю ступень сепарации.
В последнее время все большее внимание уделяется механизмам взаимодействия газовых пузырьков в нефти. При относительно близком расположении пузырьков друг к другу важную роль в динамике пузырьков начинает играть их взаимодействие, в результате которого они могут притягиваться друг к другу.
Целью наших исследований являлось описание модели взаимодействия газовых пузырьков в нефти, а также содержания газа в различных слоях жидкости.
Поскольку в статичном слое жидкости на газовые пузыри действуют противоположно направленные подъемная сила (равная весу вытесненной нефти) и сила трения, пропорциональная радиусу, динамической вязкости и скорости всплытия, то существует такой диаметр пузырька газа, при котором подъемна сила уравновесится с силой трения. Следовательно, для того чтобы отделить газ, заключенный в мелких пузырьках, необходимо пропускать сквозь толщу жидкости более крупные газовые пузыри, а т. к. эффективность пропускания сквозь толстый слой жидкости (~ 0,3-0,5 м) окажется невысокой, нефть и газ следует пускать противотоком друг другу в специальных насадках, позволяющих распределить нефть тонким слоем.
Рассмотрим модель взаимодействия пузырьков в ламинарном потоке [6]. Примем, что константа коагуляции К пропорциональна сечению захвата пузырьком объемом V пузырьков объемом V. Взаимодействие пузырьков обусловлено, с одной стороны, разностью скоростей движения относительно жидкости за счет различных размеров, а с другой - молекулярными силами взаимодействия. Сближение пузырьков на больших расстояниях происходит за счет разности их размеров, а на малых начинает действовать сила Ван-дер-Ваальса, обеспечивающая эффективный захват пузырьков.
Пусть каждое сближение пузырьков приводит к их слиянию. Сближение пузырьков проводится на основе анализа траекторий относительного движения пузырьков. Уравнения безынерционного движения пузырька радиусом а относительно большого пузырька радиусом Ь записываются в виде
где Е - гидродинамическая сила, действующая на пузырек; Ет - сила молекулярного взаимодействия; га - радиус-вектор центра пузырька радиусом а в системе координат, связанной с центром второго пузырька радиусом Ь; иа - скорость движения пузырька радиусом а относительно пузырька радиусом Ь.
В рассматриваемом движении все силы, а следовательно, и траектории движения пузырька лежат в плоскости, проходящей через линию центров и параллельной скорости потока на бесконечности.
Предположим, что маленький пузырек а не искажает поле скоростей жидкости, обтекающей большой пузырек Ь. Тогда
Для простой оценки силы ^ при малых зазорах 5 между поверхностями пузырьков воспользуемся выражением
На малых расстояниях силу молекулярного притяжения пузырьков можно представить в виде
1/2
F = Г— m * „2
a • b
52(а + Ь)
где Г - постоянная Гамакера, имеющая порядок 10-19 Дж.
Теперь уравнения движения пузырька радиусом а, с учетом выражений для действующих на него сил, можно записать в виде
1 + o,3
(к +1)3 •( R - к -1)
dR f 1 и 0
-----= I--------1 I cos 0-
d t І R
S,
(к +1)^( R - к -1)2
(1)
h 1V 0
R-----= I 1---I sin 0,
d t ^ R J
R = R0; 0 = 0o при т = 0,
где безразмерные коэффициенты равны:
d r t U¥-1 i a о
R = -; t = ——; k = -; =
b
Г
a
b
4-я-mL• b
2 '
Без учета вязкого сопротивления и молекулярного взаимодействия траектории движения совпадают с линиями тока:
1
[R (R -1)]2 • sin 0 = C .
Используя выражение (1), можно сделать вывод, что в случае, когда учитывается вязкое сопротивление, сечение столкновения уменьшается. Таким образом, учет вязкости без учета силы Ван-дер-Ваальса уменьшает радиус сечения захвата в 1,6 раза и, следовательно, частоту коагуляции в 2,6 раза.
Число зародившихся в единицу времени в единице объема пузырьков Ы„ оценим по известному выражению для чистой жидкости:
Nn = Z1 • exp j -~h~t | V 6 • Z (3 - b )• я m • exp
16•яX 2
3•к•T(Dp2)
(2)
где Zl - число молекул в 1 см3 жидкости; X - молекулярная теплота испарения при температуре Т; к - постоянная Больцмана; £ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Ь = Др/р; Ар = р -р ¥ (р >р ¥); т - масса молекулы.
Концентрация растворенного газа распределена по глубине смеси неравномерно и убывает с увеличением глубины. Это объясняется тем, что число пузырьков в единице объема с уменьшением глубины возрастает, т. к. к зарождающимся пузырькам присоединяются другие, всплывающие из нижних слоев. В нижней области объема жидкости смесь обедняется лишь за счет всплытия пузырьков, поэтому верхние слои жидкости менее обеднены газом. Уравнение (2) преобразуется к виду
—\Л
Эр1
at
(ар1)
(3)
у
Решение уравнения (3) имеет вид
1 + (Л- 1)т/>-о (р^о -Р1Р)
р=
1-Л
ехр
f. ±л
yo
при Лф 1, при Л =1.
к
Характерное время изменения концентрации в окрестности дна сосуда в у0 раз больше, чем около поверхности. Это значит, что равновесие у поверхности устанавливается быстрее, чем возле дна.
Обозначим поток газа с единичной площади поверхности смеси как IG. Из условия баланса массы столба смеси единичного сечения
IG =-0,5 • Н^ .
G dt
Эффективность сепарации объема смеси можно охарактеризовать параметром п, равным отношению количества выделившегося за время t газа к полному количеству газа, которое может выделиться к моменту установления равновесия:
1 _ h = 1 - J Ар d X.
0
Полученная зависимость позволяет оценить характерное время установления равновесия в смеси.
В заключение следует отметить, что на процесс объединения газовых пузырьков влияют как силы молекулярного притяжения, так и силы взаимодействия, обусловленные разностью диаметров больших и маленьких пузырей. Кроме того, в массивных слоях жидкости процесс установления равновесия будет длительным за счет того, что нижние слои жидкости обедняются медленнее верхних, в которых происходит объединение пузырьков, всплывающих из нижних слоев и пузырьков, содержащихся в этом объеме. Это подтверждает идею, заложенную в основу разработки: продувочный углеводородный газ позволит интенсифицировать процесс удаления из нефти растворенного газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляева В. Я. Нефтегазовое строительство. - М.: Омега-Л, 2005. - 744 с.
2. Stewart M., Arnold K. Gas-Liquid and Liquid-Liquid separators. - Burlington, USA: Gulf Professional
Publishing, 2008. - 226 p.
3. Вязовой Ю. С., Гулевич В. И. Повышение эффективности работы промыслового вертикального нефтегазового сепаратора // Энергия молодежи - ресурс развития нефтегазовой отрасли: сб. тез. докл. IV открытой науч.-практ. конф. молодых специалистов и работников ООО «Газпром добыча Астрахань». - Астрахань: Факел, 2011. - С. 18-19.
4. Вязовой Ю. С., Гулевич В. И. Расчет нефтегазового сепаратора с гофрированной насадкой для нефтедобывающей платформы // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа: материалы II науч.-практ. конф., 9 сентября 2011 г. / Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2011. - С. 102-105.
5. Технологии очистки нефти от сероводорода / Р. З. Сахабутдинов, А. Н. Шаталов, Р. М. Гарифуллин
и др. // Нефтяное хозяйство. - 2008. - № 7. - С. 82-85.
6. Синайский Э. Г., Ляпина Е. Я., Зайцев Ю. В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 621 с.
Статья поступила в редакцию 6.04.2012 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Вязовой Юрий Сергеевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; [email protected].
Vyazovoy Yuriy Sergeyevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Machinery and Equipment Oil and Gas Field"; [email protected].
Гулевич Владимир Игоревич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук; доцент кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; [email protected].
Gulevich Vladimir Igorevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Machinery and Equipment Oil and Gas Field", [email protected].
