Russian Federation
The work calculates the length of the separation zone of a horizontal gravitational gas separator of an oil field, designed to separate droplet liquid from gas discharged to a flare
separator, gas, oil, gravitational deposition, droplet catcher
Гравитационные газовые сепараторы широко применяются на нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятиях для очистки попутного нефтяного газа, природного газа, воздуха и других газообразных сред от капельной влаги. Сепараторы могут входить в состав факельных систем, установок подготовки газа, а также газораспределительных сетей и газорегуляторных пунктов. Газовый сепаратор представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат с эллиптическими днищами (рис. 1). Для эффективного обезвоживания газа внутри сепаратора имеются брызгоотбойник и узел фильтров и каплеуловители. Газ поступает через входной штуцер и проходит сначала через брызгоотбойник, где происходит первичное отделение капельной жидкости. Дальнейшее отделение капельной влаги осуществляется в зоне гравитационного осаждения и в каплеуловителях, установленных на выходе из сепаратора. Под действием силы тяжести капельная жидкость оседает в нижнюю часть сепаратора и отводится снизу через штуцер для выхода жидкости. Очищенный газ выходит через штуцер, расположенный в верхней части корпуса.
В работе поставлена цель: рассчитать требуемую длину зоны сепарации (L) горизонтального гравитационного газового сепаратора и время осаждения капель жидкости (
) в зависимости от их размера. В качестве объекта исследования взят горизонтальный газовый сепаратор с внутренним диаметром (D) корпуса 3,2 м. В расчетах принимались следующие исходные данные: объемный расход (Vг) 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.
Рисунок 1 – Схема гравитационного газового сепаратора:
1 – брызгоотбойник; 2 – узел фильтров; 3 – зона гравитационного осаждения; 4 – каплеуловители; А – вход технологического газа; Б – выход технологического газа; В – выход жидкости; Г – дренаж
В горизонтальном газовом сепараторе капли жидкости, уносимые потоком газа, движутся вдоль оси сепаратора и вниз – под действием силы тяжести, осаждаясь внизу сепаратора (рис. 2). За высоту осаждения (H) принимается максимальная высота, т.е. диаметр газового сепаратора (D).
Рисунок 2 – Движение капли жидкости
Время осаждения капель жидкости в зоне сепарации может быть определено:
|
|
(1) |
где 
– скорость осаждения, м/с.
Для определения скорости осаждения, входящую в формулу (1), необходимо предварительно рассчитать критерий Архимеда (
) и критерий Рейнольдса (
). Критерий Архимеда определялся по формуле:
где: 
– ускорение силы тяжести, м/с2, 
– диаметр капель жидкости, м. По опытным данным Р. И. Щищенко [1], 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 0,08 до 0,7 мм, для которых определялись значения критерия Архимеда. По результатам расчетов значения критерия Архимеда (табл. 1) соответствовали переходному режиму осаждения и находились в интервале 
, где 
– коэффициент формы (для шарообразных капель 
).
Таблица 1
Результаты расчета длины зоны сепарации при различных значениях диаметра капель жидкости
|
|
0,08 |
0,1 |
0,142 |
0,15 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
|
|
116,1 |
226,7 |
649,2 |
765,2 |
1813,9 |
6121,8 |
14510,9 |
28341,6 |
48974,2 |
77769,3 |
|
|
4,6 |
7,4 |
15,6 |
17,5 |
32,5 |
77,5 |
143,5 |
231,4 |
342,1 |
475,9 |
|
|
0,21 |
0,27 |
0,4 |
0,42 |
0,59 |
0,94 |
1,3 |
1,68 |
2,07 |
2,47 |
|
|
15,5 |
12 |
8 |
7,5 |
5,43 |
3,4 |
2,5 |
1,9 |
1,5 |
1,3 |
|
|
30,21 |
23,41 |
15,68 |
14,73 |
10,6 |
6,67 |
4,8 |
3,72 |
3,02 |
2,53 |
Зависимость между и следующая [2]:
|
|
(2) |
где 
– коэффициент сопротивления. Для переходного режима определяется по формуле:
|
|
(3) |
Подставив (3) в (2) и выразив относительно получим:
Скорость осаждения:
Далее по формуле (1) определялось время осаждения капель жидкости, а затем длина зоны сепарации из соотношения: 
где 
– линейная скорость газа.
Результаты расчета приведены в таблице 1. Рассчитаны: критерий Архимеда , критерий Рейнольдса , скорость осаждения и время осаждения капель жидкости , длина зоны сепарации 
при различных значениях диаметра капель жидкости 
.
По результатам расчетов получены графические зависимости, представленные на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 – Зависимость диаметра капель от длины зоны сепарации
Рисунок 4 – Зависимость диаметра капель от времени осаждения
В заключении можно сделать следующий вывод: с уменьшением диаметра капель жидкости кривые на рисунках 3 и 4 приобретают пологий характер, что приводит к увеличению времени осаждения, а, следовательно, и к значительному увеличению требуемой длины зоны сепарации. Поэтому улавливание более мелких капель целесообразно осуществлять в газовом сепараторе с помощью фильтров и каплеуловителей.
1. Bazlov, M.N. Podgotovka prirodnogo gaza i kondensata k transportu / M.N. Bazlov, A.I. Zhukov, T.S. Alekseev. – M.: Iz-vo «Nedra», 1968. – 215 s.
2. Scherbin, S.A. Tehnologicheskiy raschet i ocenka effektivnosti fa-kel'nogo separatora vysokogo davleniya kompressornoy stancii Suzunskogo mestorozhdeniya / S.A. Scherbin, E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev // Vestnik Angarskogo gos. tehn. universiteta. – 2018. – № 12. – S. 130-135.
