CC BY
749
УДК 665.622:66.066.6
Н. Д. Шишкин, И. В. Балтаньязов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ
Перед транспортировкой нефти на нефтеперерабатывающий завод производится ее промысловая обработка. Одним из основных процессов подготовки нефти является разделение углеводородной газожидкостной смеси (УГЖС) в промысловых сепараторах, являющихся частью установки комплексной подготовки нефти [1, 2]. От эффективной работы сепараторов во многом зависит качество промысловой подготовки нефти.
Целью работы являлся анализ существующих вертикальных сепараторов и создание усовершенствованной конструкции сепаратора, позволяющей существенно увеличить производительность и качество дегазации УГЖС.
В нефтяных сепараторах любого типа различают четыре секции (рис. 1).
I. Основная сепарационная секция, служащая для отделения нефти от газа. На работу се-парационной секции большое влияние оказывает конструктивное оформление ввода продукции скважин (радиальное, тангенциальное, использование различного рода насадок - диспергаторов, турбулизирующих ввод газожидкостной смеси).
II. Осадительная секция, в которой происходит дополнительное выделение пузырьков газа, увлеченных нефтью из сепарационной секции. Для более интенсивного выделения окклюдированных пузырьков газа из нефти последнюю направляют тонким слоем по наклонным плоскостям, увеличивая тем самым длину пути движения нефти и эффективность ее сепарации. Наклонные плоскости рекомендуется изготовлять с небольшим порогом, способствующим выделению газа из нефти.
III. Секция сбора нефти (внизу сепаратора) предназначена как для сбора, так и для вывода нефти из сепаратора. Нефть может находиться здесь или в однофазном состоянии, или в смеси с газом - в зависимости от эффективности работы сепарационной и осадительной секций, а также от вязкости нефти и времени ее пребывания в сепараторе.
IV. Каплеуловительная секция, расположенная в верхней части сепаратора или вынесенная за его пределы и служащая для улавливания мельчайших капелек жидкости, которые поток газа несет в газопровод.
Технически совершенным будет тот сепаратор, который при прочих равных условиях обеспечивает более высокую степень очистки газа и жидкости и, кроме того, имеет большую производительность с минимально необходимыми затратами металла на его изготовление. Эффективная очистка газа от капельной жидкости и жидкости от пузырьков газа происходит в таких сепараторах, как правило, при больших значениях скоростей движения газа и жидкости по сечению сепаратора, т. е. при большой производительности.
Степень технического совершенства сепаратора характеризуется тремя показателями:
1) минимальным диаметром капель жидкости, задерживаемых в сепараторе;
2) максимально допустимой величиной средней скорости газового потока в свободном сечении или каплеуловительной секции сепаратора;
3) временем пребывания жидкости (нефти или нефтяной эмульсии) в сепараторе, за которое происходит допустимое отделение свободного газа от жидкости.
Наиболее эффективным и технически совершенным сепаратором является такой, из которого не выносится капельная жидкость и пузырьки газа, при этом время задержки нефти в сепараторе и расход металла на его изготовление должны быть минимальными. Кроме того, в таком сепараторе должно устанавливаться фазовое равновесие между газом и нефтью. При разделении нефти и газа в сепараторе следует стремиться к тому, чтобы создавать большую поверхность контакта между фазами и не допускать чрезмерного уноса капельной жидкости и окклюдированных пузырьков газа из сепаратора. Увеличение поверхности контакта между нефтью и газом существенно сокращает время, необходимое для достижения равновесного состояния системы при данных температуре и давлении.
Именно поэтому эффективное выделение газа из нефти в сепараторе может быть только при мелкодисперсном состоянии нефтегазовой смеси, которое обеспечивается, как правило, или
насадками форсуночного типа, или специальными диспергаторами. В данном случае в объеме сепаратора образуется мелкодисперсная нефтегазовая смесь, состоящая в основном из капелек нефти размером от 1 до 2 мм. Размер капель нефти в сепараторах - это функция отношения й = / (о/Ар), где о - межфазное натяжение, а Ар - разность плотности фаз. При большом отношении образуются крупные капли и, следовательно, уменьшается поверхность раздела фаз, что приводит к ухудшению массопередачи.
Как указывалось, пропускную способность сепараторов определяют по двум показателям: по количеству газа, прошедшего через них, и по количеству поступающей в них нефти. Контроль пропускной способности сепараторов по нефти вызван необходимостью существенного уменьшения или сведения к нулю количества пузырьков газа, увлекаемых из сепараторов нефтью.
Пропускная способность по нефти для вертикальных сепараторов будет определяться по формуле [2]:
бн < 4800 5 й2 (рн - рг) £/Цн (1)
где 5 - площадь зеркала нефти, м2; й - диаметр пузырьков газа, м; рн и рг - плотность нефти и газа в сепараторе, кг/м3; g - ускорение силы тяжести; цн - динамическая вязкость нефти, кг/(м • с).
Анализ формулы (1) показывает, что в сепараторах, имеющих более развитые поверхности, по которым тонким слоем движется газированная нефть, эффективность сепарации увеличивается, а для нефтей с малой вязкостью унос пузырьков газа может быть равен нулю.
На рис. 1 показан общий вид и разрез известного типа сепаратора с наклонными полками.
Деталь 9
ооооо
°о°о°о°<Р
OooVb
о а о
Ооо оО ООООО
Сечение детали 10
13
a-a -ЛД/\7\А-
-ЛЛАЛА-„-ЛЛЛЛЛ-
Рис. 1. Вертикальный сепаратор: 1 - корпус; 2 - раздаточный коллектор; 3 - поплавок;
4 - дренажная труба; 5 - наклонные плоскости; 6 - ввод газожидкостной смеси;
7 - регулятор давления «до себя»; 8 - выход газа; 9 - перегородка для выравнивания скорости газа;
10 - жалюзийный каплеуловитель; 11 - регулятор уровня; 12 - сброс нефти;
13 - сброс грязи; 14 - люк; 15 - заглушки
Сепаратор работает следующим образом. Нефтегазовая смесь под давлением на устьях скважин или давлением, развиваемым насосами дожимной насосной станции, поступает через
патрубок к раздаточному коллектору 2, имеющему по всей длине щель для выхода смеси. Из щели нефтегазовая смесь попадает на наклонные плоскости 5, увеличивающие путь движения нефти и облегчающие тем самым выделение окклюдированных пузырьков газа. В верхней части сепаратора установлена каплеуловительная насадка 10 жалюзийного типа, сечение которой показано на том же рисунке. Основной поток газа вместе с мельчайшими частицами нефти, не успевшими выпасть под действием силы тяжести, встречает на своем пути жалюзийную насадку 10, в которой происходят «захват» (прилипание) капелек жидкости и дополнительное вы-саждение их из газа; при этом образуется пленка, стекающая по дренажной трубке 4 в секцию сбора нефти III, из которой по трубе 12 она выводится из сепаратора. Недостатком известных типов нефтегазосепараторов с наклонными полками является маленькая площадь сепарации.
Принципиальная схема усовершенствованного сепаратора с винтовой подогреваемой полкой [3], предложенного нами, показана на рис. 2.
3
Рис. 2. Вертикальный сепаратор с винтовой подогреваемой полкой: 1 - корпус;
2 - патрубок для входа нефти; 3 - патрубок для выхода газа; 4 - жалюзийный каплеуловитель;
5 - труба; 6 - винтовая подогреваемая полка; 7 - регулятор давления «до себя»;
8 - патрубок для выхода нефти; 9 - патрубок для выхода воды и шлама; 10 - нагревательный элемент
Сепаратор содержит корпус 1 с патрубком для входа 2 и выхода нефти 8, патрубок для выхода газа 3, патрубок для выхода воды и шлама 9, жалюзийный каплеуловитель 4, сплошную винтовую подогреваемую полку 6 и нагревательный элемент 10. В корпусе 1 размещена сплошная винтовая полка 6 с направляющими и выступами, над которой расположен входной патрубок для нефти 2. Сверху вертикально расположен жалюзийный каплеуловитель 4, патрубок для выхода газа 3 образует отдельный отсек. Снизу корпуса установлен патрубок для выхода воды и шлама 9, над которым расположен нагревательный элемент 10. Патрубок для выхода нефти 8 расположен ниже уровня нефти. Устройство работает следующим образом: поток нефти попадает через патрубок 2, достигает сплошной винтовой полки 6 с направляющими, которые помогают продукту равномерно растекаться, и выступами, которые завихряют газожидкостной поток, что увеличивает выход газа с капельками воды. Постепенно подогреваясь на винтовой
полке и сливаясь, газожидкостный поток разделяется на газообразную и жидкую фазы. Газовая фаза, как более легкая, улетучивается кверху. Там она проходит через жалюзийный каплеулови-тель 4 и поступает в патрубок для выхода газа 3. Капельки жидкости сливаются с каплеуловите-ля и выходят через трубу 5. Нефть, слившаяся на дно сепаратора, дополнительно нагревается топочным устройством 10 и отстаивается. Количество нефти контролируется регулятором уровня. Чистый продукт выходит через патрубок 8, а вода и шлак удаляются из сепаратора через сливной патрубок для шлама 9.
Нагревом достигаются две цели: разность плотности нефти и воды увеличивается, а вязкость нефти уменьшается. Оба эти фактора в соответствии с законом Стокса увеличивают скорость, с которой водные частицы, содержащиеся в нефти, оседают. Нефть, обладая более низкой плотностью, поднимается на поверхность водяной фазы. Уровень нефти, а также уровень раздела фаз «вода-нефть» автоматически регулируются и измеряются посредством датчиков уровня, подающих сигнал соответственно на входной клапан и клапан сброса воды. В ходе процесса происходит также отделение газа, который направляется непосредственно вверх в газовую секцию. Выделившийся газ с капельками жидкости поднимается на верх сепаратора. Там он проходит жалюзийный каплеуловитель и попадает в патрубок для выхода газа. Капельки воды, оставшиеся на каплеуловителе, стекают в патрубок для выхода воды. В нагретой нефти начинают осаживаться на дно сепаратора вода и шлам, которые выходят через патрубок для шлама и воды. Очищенная нефть поступает в трубу для выхода нефти.
Площадь сепарации у нефтегазосепаратора с винтовой подогреваемой полкой может быть определена по формуле
й = П[ (г2 + Ъ2) - (гт2 + Ь 2/2)к , (2)
где Ь - шаг витка; k - число шагов; гс, гт - радиусы сепаратора и центральной трубы.
Результаты расчетов по формуле (2) показывают: при одинаковых размерах корпуса площадь в сепараторе со сплошной винтовой полкой на 10-20 % больше, чем в сепараторах с наклонными полками, что приводит к соответствующему увеличению производительности или к повышению качества сепарации при той же производительности. Отсутствие застойных газовых зон под полками и подогрев самих полок дополнительно увеличивают скорость или качество сепарации за счет снижения вязкости УГЖС на 15-30 %. Исследование особенностей тепло-и массообмена при дегазации УГЖС в предлагаемом типе вертикального сепаратора с винтовыми полками позволит более детально изучить, смоделировать и оптимизировать этот процесс.
Заключение
Анализ литературы показывает, что степень совершенства сепаратора характеризуется тремя показателями: минимальным диаметром капель жидкости, задерживаемых в сепараторе, максимально допустимой величиной средней скорости газового потока и временем пребывания УГЖС в сепараторе. Количество увлекаемых пузырьков газа зависит от трех факторов: вязкости нефти, давления в сепараторе и времени пребывания этой нефти в сепараторе. Пропускная способность по нефти для вертикальных сепараторов зависит от площади зеркала испарения, динамической вязкости нефти, диаметра пузырьков газа, а также разности плотности нефти и газа в сепараторе. Для повышения пропускной способности вертикальных сепараторов предложен сепаратор с вертикальной винтовой подогреваемой полкой. При одинаковых размерах корпуса площадь в сепараторе со сплошной винтовой полкой на 10-20 % больше, чем в сепараторах с наклонными полками, что приводит к соответствующему увеличению производительности или к повышению качества сепарации при той же производительности, а подогрев самих полок дополнительно увеличивает скорость или качество сепарации за счет снижения вязкости УГЖС на 15-30 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оборудование для добычи нефти и газа / В. Н. Ивановский, В. Н. Дарищев, А. А. Сабиров и др. - М.:
Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003. - 792 с.
2. Лутошкин Г. С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 319 с.
3. Пат. на полезную модель № 559874. Нефтегазосепаратор / Шишкин Н. Д., Иванов Н. А.
Статья поступила в редакцию 3.10.2008
PERFECTION OF DESIGNS OF VERTICAL SEPARATORS FOR TRADE PREPARATION OF OIL
N. D. Shishkin, I. V. Baltanyazov
Oil capacity for vertical oil-gas separators depends on the area of evaporation, dynamic viscosity of oil and density difference of oil and gas in the separator. A new design of a vertical separator with a screw heating shelf is offered to increase this capacity. The area of heat and mass transfer in the separator with an entire screw shelf is 10-20 % more than in separators with inclined shelves, and it leads to corresponding increase in productivity, and the heating of the shelves in addition increase separation speed in 15-30 % at the expense of decrease in oil viscosity.
Key words: capacity, vertical oil-gas separators, screw heating shelf, separation speed.
