Russian Federation
The paper evaluates the effect of the liquid droplet content in the gas stream on the efficiency of the separation process
gas-liquid flow, drip liquid, separation, and constrained precipitation
Разделение газо-жидкостных систем широко распространено в нефтегазодобыче и нефтегазопереработке, и влияет на качество получаемых продуктов. В связи с этим актуальной задачей является повышение надежности методик по расчету и проектированию газожидкостных сепараторов.
Одними из наиболее распространенных устройств для разделения газа и жидкости являются горизонтальные полые газожидкостные сепараторы. Сепарация углеводородного газа – ключевой этап подготовки сырья к транспортировке и переработке. Она позволяет отделить газ от капельной жидкости (углеводородного конденсата, воды и механических примесей). Эффективность этого процесса напрямую зависит от множества факторов, среди которых особенно важно содержание капельной жидкости в исходном газовом потоке.
В работах [1-5] предложена методика расчета длины зоны сепарации аппарата, предназначенного для отделения капельной жидкости от газа. В расчетах принимались следующие исходные данные: диаметр аппарата (
) варьировался от 1,2 до 5,2 м, объемный расход газа (
=56530 м3/ч), плотность газа (
) 3,03 кг/м3, коэффициент динамической вязкости газа (
) 0,011×10-3 Па×с, плотность жидкости (
) 926 кг/м3. По опытным данным в нефтяных трапах преобладают капли диаметром (
) 100 мкм (0,1 мм), однако для сепараторов природных газов таких данных нет. Поэтому в работе произвольно задавались рядом значений от 0,05 до 0,8 мм.
Время осаждения капелек жидкости в зоне сепарации может быть определено:
|
|
(1) |
где 
– скорость осаждения, м/с.
Для определения скорости осаждения, входящей в формулу (1), предварительно рассчитывался критерий Архимеда (
) по значению которого определялся режим осаждения капелек жидкости в сепараторе, а затем, в зависимости от режима осаждения, рассчитывался критерий Рейнольдса (
) по соответствующей формуле.
Скорость осаждения капелек жидкости в сепараторе рассчитывалась [6]:
Далее по формуле (1) определялось время осаждения капелек жидкости, длина зоны сепарации: 
где 
– линейная скорость газа.
Рисунок 1 – Блок схема алгоритма расчета длины зоны сепарации
На рисунке 1 представлена блок-схема алгоритма расчета длины зоны сепарации. В качестве исходных данных для расчета принимались следующие: , , , , , и g, где g – ускорение силы тяжести. Затем рассчитывался критерий Архимеда, по значению которого определялся режим осаждения. Из литературных данных [7, 8], известно, что при 
, или при 
, где 
– это коэффициент формы (принимался равным 1), имеет место ламинарный режим осаждения. Переходный режим возникает при 
500, или при 
. Турбулентный режим наблюдается при 
, или при 
. Затем рассчитывался критерий Рейнольдса ( ) в зависимости от режима по соответствующей формуле (рисунок 1), далее определялась скорость осаждения капелек жидкости , время осаждения 
, линейная скорость газа 
и длина зоны сепарации 
.
Расчет выполнялся с помощью средств Microsoft Office Excel. Результаты расчетов для аппарата диаметром 
представлены в таблице 1. Расчет производился для диаметра капелек жидкости от 0,05 мм до 0,8 мм. При диаметре капелек жидкости до 0,05 мм и меньше будет наблюдаться ламинарный режим осаждения, при диаметре от 0,8 мм и больше – турбулентный режим, при диаметре от 0,08 мм до 0,7 мм – переходный режим.
Таблица 1
Результаты расчетов для аппарата D=3,2 м
|
|
0,05 |
0,08 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
|
|
28,3 |
116,1 |
226,7 |
1813,9 |
6121,8 |
14510,9 |
28341,6 |
48974,2 |
77769,3 |
116087,1 |
|
Режим |
ламинарный |
переходный |
турбулентный |
|||||||
|
|
1,6 |
4,6 |
7,4 |
32,5 |
77,5 |
143,5 |
231,4 |
342,1 |
475,9 |
593,1 |
|
|
0,11 |
0,21 |
0,27 |
0,59 |
0,94 |
1,30 |
1,68 |
2,07 |
2,47 |
2,69 |
|
|
28,0 |
15,5 |
12,0 |
5,4 |
3,4 |
2,5 |
1,9 |
1,5 |
1,3 |
1,2 |
|
|
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
|
7,04 |
3,89 |
3,01 |
1,37 |
0,86 |
0,62 |
0,48 |
0,39 |
0,33 |
0,30 |
По результатам расчетов по блок схеме (рисунок 1) построена графическая зависимость длины зоны сепарации от диаметра капель жидкости (рисунок 2) при разных значениях диаметров аппаратов.
Рисунок 2 – Зависимость длины зоны сепарации от диаметра капель при различных значениях диаметров аппарата
Однако, выполненный расчет не учитывает стесненного осаждения капелек жидкости в газе. Скорость осаждения капелек жидкости в газе определяется критерием Архимеда, являющимся мерой отношения подъемной силы к вязкостным силам. Значение критерия Архимеда определяется разностью плотностей фаз. Стесненное осаждение может быть учтено плотностью газожидкостного потока: 
. Примем, что в газовом потоке содержится 1 % капельной жидкости по объему, тогда газосодержание 
=0,99.
Критерий Архимеда с учетом плотности газожидкостного потока:
Поскольку небольшое количество жидкости, как правило, не оказывает существенного влияния на вязкость газовой смеси, которая в первую очередь определяется другими факторами, такими как температура, давление и природа самого газа, поэтому вязкость определялась только по газовой фазе, без учета капельной жидкости. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Результаты расчетов с учетом стесненного осаждения капель жидкости
|
|
0,05 |
0,08 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
|
Ar |
113,5 |
465,0 |
908,2 |
7265,9 |
24522,3 |
58126,8 |
113529,0 |
196178,1 |
311523,5 |
465014,7 |
|
Режим |
переходный |
турбулентный |
||||||||
|
|
4,5 |
12,3 |
19,8 |
87,5 |
208,7 |
386,6 |
586,5 |
771,0 |
971,6 |
1187,1 |
|
|
0,08 |
0,14 |
0,18 |
0,39 |
0,62 |
0,87 |
1,05 |
1,15 |
1,25 |
1,33 |
|
|
39,7 |
23,2 |
18,0 |
8,1 |
5,1 |
3,7 |
3,0 |
2,8 |
2,6 |
2,4 |
|
|
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
|
10,00 |
5,84 |
4,53 |
2,05 |
1,29 |
0,93 |
0,76 |
0,70 |
0,65 |
0,60 |
Рисунок 3 – Зависимость длины зоны сепарации от диаметра капель при различных значениях диаметра аппарата в условиях стесненного осаждения
По результатам расчетов по блок схеме (рисунок 1) построена графическая зависимость (рисунок 3) с учетом стесненного осаждения капелек жидкости в газе.
В работе сопоставлены результаты 2-х расчетов длины зоны сепарации при газосодержании 
и 
(таблица 3).
Таблица 3
Сравнение расчетов
|
|
0,05 |
0,08 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
|
( |
7,04 |
3,89 |
3,01 |
1,37 |
0,86 |
0,62 |
0,48 |
0,39 |
0,33 |
0,30 |
|
( |
10,00 |
5,84 |
4,53 |
2,05 |
1,29 |
0,93 |
0,76 |
0,70 |
0,65 |
0,60 |
|
Увеличение |
29,6 |
33,4 |
33,5 |
33,2 |
33,3 |
33,3 |
36,8 |
44,3 |
49,2 |
50,0 |
Очевидно, что с увеличением количества капельной жидкости в газе возрастает время осаждения, а следовательно, и длина зоны сепарации. Увеличение количества капельной жидкости в газе может приводить к увеличению времени осаждения по нескольким причинам, связанным с динамикой системы, взаимодействием частиц и физическими процессами:
- Стесненное осаждение. При высокой концентрации капель в газе возможно стесненное осаждение, когда частицы начинают влиять друг на друга. Это может замедлять скорость осаждения из-за трения между каплями и их взаимных столкновений. В таких условиях время, необходимое для осаждения всех частиц, увеличивается;
- Увеличение числа столкновений и коалесценции. С ростом количества капель возрастает вероятность их столкновений и коалесценции (укрупнения). Этот процесс может, как ускорять, так и замедлять общее время осаждения в зависимости от конкретных условий;
- Изменение аэродинамических условий. При увеличении концентрации капель в газе могут возникать более сложные потоки и турбулентность, что влияет на траекторию движения и скорость осаждения. Например, при стесненном движении частиц возможно образование зон с разной скоростью осаждения, что усложняет общий процесс;
- Влияние на распределение давления и скорости потока. При высокой концентрации капель может происходить вытеснение газа или изменение распределения давления в объеме, что влияет на скорость и направление движения капель. Это, в свою очередь, может увеличить время, необходимое для их осаждения;
- Изменение условий на границе раздела фаз. Наличие поверхностно-активных веществ, примесей или изменение температуры и давления может влиять на подвижность границы раздела фаз, сопротивление движению капель и, соответственно, на скорость их осаждения.
Таким образом, увеличение количества капелек в газе создает более сложные условия для осаждения, что может приводить к замедлению этого процесса по сравнению с ситуацией с меньшим количеством частиц, а при расчете газожидкостных сепараторов следует учитывать количество капельной жидкости в газовом потоке.
1. Podoplelov, E.V. Metodika rascheta fakel'nogo separatora / E.V. Podoplelov, L.S. Fedorov // Sovremennye tehnologii i nauchno-tehnicheskiy progress. – 2025. – № 12. – S. 57-58.
2. Podoplelov, E.V. Algoritm rascheta dliny zony separacii apparata dlya otdeleniya kapel'noy zhidkosti ot gaza / E.V. Podoplelov, L.S. Fedorov // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2025. – № 22. – S. 92-95.
3. Podoplelov, E.V. Modelirovanie fakel'nogo separatora vysokogo davleniya / E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev, K.P. Kachan // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2024. – № 18. – S. 95-101.
4. Podoplelov, E.V. Raschet dliny zony separacii gravitacionnogo gazovogo separatora / E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev, R.D. Loyko // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2024. – № 21. – S. 136-139.
5. Ershov, E.V. Raschet dliny zony gravitacionnogo osazhdeniya fa-kel'nogo separatora / E.V. Ershov // Problemy geologii i osvoeniya nedr. Tru-dy XXIX Mezhdunarodnogo molodezhnogo nauchnogo simpoziuma imeni akademika M.A. Usova, posvyaschennogo 80-letiyu Pobedy v Velikoy Otechestvennoy voyne. – 2025. – T. II. – S. 104-106.
6. Naboka, V.V. Metodicheskie ukazaniya po vypolneniyu laboratornyh rabot po kursu "Processy i apparaty himicheskoy tehnologii" / V.V. Naboka, E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev, V.M. Solomonova. – Angarsk : AnGTU, 2018. – 44 s.
7. Rybalko, L.I. Processy i apparaty himicheskoy tehnologii. Uchebnoe posobie s primerami resheniya zadach / L.I. Rybalko, E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev. – Angarsk : AGTA, 2009. – 134 s.
8. Rybalko, L.I. Programma, primery i zadachi po kursu processov i apparatov himicheskoy tehnologii. Uchebnoe posobie / L.I. Rybalko, E.V. Podoplelov, L.V. Schukina. – Angarsk : AGTA, 2007. – 120 s.
