Россия
В работе выполнен расчет длины зоны сепарации горизонтального гравитационного газового сепаратора нефтяного месторождения, предназначенного для отделения капельной жидкости от газа, сбрасываемого на факел
сепаратор, газ, нефть, гравитационное осаждение, каплеуловитель
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. Базлов, М.Н. Подготовка природного газа и конденсата к транспорту / М.Н. Базлов, А.И. Жуков, Т.С. Алексеев. – М.: Из-во «Недра», 1968. – 215 с.
2. Щербин, С.А. Технологический расчет и оценка эффективности фа-кельного сепаратора высокого давления компрессорной станции Сузунского месторождения / С.А. Щербин, Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев // Вестник Ангарского гос. техн. университета. – 2018. – № 12. – С. 130-135.
