На многих предприятиях химической и нефтехимической промышленности эксплуатируются факельные установки для сжигания газовых выбросов. Обычно к газовым выбросам относятся некондиционные газовые смеси, в состав которых входят углеводороды, водород, окись углерода, ацетилен и другие газы, образующиеся при пуске производства, аварийных остановках и нарушениях технологического режима. Сбросы токсичных веществ также направляют на факельные установки. При сбросах без сжигания, даже небольших количеств таких газов, могут создаться недопустимые санитарные условия в близлежащей зоне. Например, при сбросе через трубу высотой 33 м газов, содержащих 10 мг/м3 окиси углерода, радиус опасной зоны составит 330-600 м. Все это обусловливает высокие требования к конструкции и оборудованию факельной установки, которая должна обеспечить полное сжигание газовой смеси без дымо- и сажеобразования. Если сбрасываемые газы содержат капли жидкости или пары, то перед факельной трубой устанавливают сепаратор. Сепаратор может быть отдельно стоящим или может быть соединен с основанием факельной трубы [1]. В работе поставлена задача по определению требуемой длины зоны сепарации (L) горизонтального гравитационного факельного сепаратора и времени осаждения капель жидкости (τос ) в зависимости от их размера. В качестве объекта исследования взят факельный сепаратор высокого давления расположенный на Сузунском месторождении (рисунок 1) представляющий собой горизонтальный цилиндрический аппарат с эллиптическими днищами, объемом 140 м3, с внутренним диаметром корпуса 3200 мм. Для эффективного обезвоживания газа внутри сепаратора имеются брызгоотбойник (1), узел фильтров (2) и каплеуловители (4). 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 (3) 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. Рисунок 1 – Схема аппарата: 1 – брызгоотбойник; 2 – узел фильтров; 3 – зона гравитационного осаждения; 4 – каплеуловители В расчетах принимались данные, представленные в таблице 1. Таблица 1 – Технологические данныеНаименование параметра, единица измеренияЗначениеПроизводительность по газу, м3/ч7280…56530Рабочее давление, МПа (изб.) 0,2…0,23Рабочая температура, °С5…140Допустимая массовая концентрация жидкости в газе на выходе из сепаратора, г/м30,001Унос свободного газа жидкостью, не более, %0,01Плотность газа при рабочих условиях, кг/м32,5…3,57Вязкость газа при рабочих условиях, сПз0,0078…0,011Состав газа на входе в сепаратор приведен в таблице 2.Таблица 2 – Компонентный состав газа на входе в сепаратор, % мол.Наименование компонентаСостав газаМетан СН482,04…98,31ЭтанС2Н60,08…4,51ПропанС3Н80,03…5,28и-Бутанi-C4H100,01…1,53н-Бутанn- C4H100,02…2,24и-Пентанi- C5H120,01…0,56н-Пентанn- C5H120,01…0,50н-Гексанn- C6H140,04…0,72АзотN21,06…1,82Диоксид углерода CO20…0,30ВодаH2O0…1,26МетанолCH3OH0…0,02 Расход газа, поступающего в сепаратор, является одним из основных технологических параметров, влияющих на эффективность отделения жидкости от газа. С увеличением расхода газа возрастает скорость движения потока газа в сепараторе и при превышении некоторого предельного значения скорости начнется унос жидкости газом из сепаратора. Поэтому расчет производился с учетом максимальной производительности по газу 56530 м3/ч. В пределах указанных рабочих условий (температура, давление) наибольшее влияние на физические свойства газа имеет температура. Рабочий диапазон температуры находится в пределах от плюс 5 °С до плюс 140 °С. Таким образом, среднее значение рабочей температуры принималось равным плюс 72,5 °С. Изменения физических свойств газа в рабочем диапазоне давления от 0,22 МПа до 0,23 МПа является незначительным. Таким образом, для расчета физических свойств среды были приняты следующие средние значения параметров состояния газа: температура: плюс 72,5 °С; давление: 0,23 МПа (изб.);плотность газа: 3,03 кг/м3.В факельном сепараторе имеются две зоны (секции): осадительная и отбойная. В осадительной секции поднимающийся газ освобождается от сравнительно крупных частичек жидкости под действием гравитационных сил. В отбойной секции происходит окончательная очистка газа от мелких частичек жидкости под влиянием сил инерции и адгезии. Эффективность процесса сепарации определяется степенью очистки газа от капельной жидкости, что характеризуется коэффициентом уноса жидкости потоком газа Кж.Коэффициент уноса жидкости рассчитывался по следующей формуле [2]:Kж=qжVг, где: qж  – объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора, м3/ч;  Vг  – объемный расход газа на выходе из сепаратора, м3/ч.Объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора:qж=c∙Vгρж, где: c=0,001 г/м3=0,001∙10-3 кг/м3 – допустимая массовая концентрация жидкости в газе на выходе из сепаратора; ρж=926  кг/м3 – плотность жидкости [3-4].qж=0,001∙10-356530926=6,1∙10-5м3/ч. Kж=6,1∙10-556530=1,08∙10-9 .Полученное значение коэффициента уноса жидкости хорошо согласуется с практическими данными, в соответствии с которыми коэффициент уноса жидкости составляет Kж  ≤ 50 см3/1000 м3 газа (Kж  ≤ 5·10-8) [2].В основу расчета сепараторов гравитационного типа положен выбор допустимой скорости газа, при которой осаждаются частицы заданного размера. Расчетная формула при заданном поперечном сечении аппарата S имеет вид:Vг=86400 S Wг , илиVг=67858 D2 Wг , где: Wг  – допустимая скорость газа, м/с; D  – диаметр аппарата, м.Практика эксплуатации гравитационных факельных сепараторов на газоконденсатных месторождениях показала, что при давлении 6,0 МПа оптимальная скорость движения газа в свободном сечении аппарата не должна превышать 0,1 м/с [2]. Если давление в сепараторе иное, оптимальную скорость движения газа в свободном сечении гравитационного сепаратора можно определить по формуле [5]:Wопт=W1опт p1p ,где: W1опт – оптимальная скорость газа при p1 , для p1=6 МПа ; W1опт =0,1 м/с;  p  – абсолютное давление в сепараторе (p=pизб+pатм=0,23+0,1=0,33 МПа ).Wопт=0,1·60,33 =0,426 м/с.Рабочая скорость газа при максимальной производительности по газу составит:W=QS=Q0,785∙D2; W=565300,785∙3,22∙3600=1,95 м/с. Допустимую скорость газа можно определить по эмпирической формуле:Wг=A1ρж-ρгρг∙K0, где: ρг  – плотность газа, кг/м3; A1  – постоянный коэффициент. Значение A1  для вертикальных сепараторов принимается равным 0,047. Для горизонтальных аппаратов с длиной сепарационной камеры не более 3 м A1=0,117  [2]. Для горизонтальных сепараторов длиной более 3 м при определении допустимой скорости газа вводится поправочный коэффициент (множитель) K0 :K0=l30,52=(15,7/3)0,52=2,365, где l  – фактическое расстояние между патрубками входа и выхода газа, м.Wг=0,117926-3,033,03∙2,365=4,83 м/с. По результатам расчетов значение рабочей скорости газа находится в диапазоне между оптимальной и допустимой скоростью газа, следовательно, при максимальной производительности по газу частицы жидкости будут осаждаться под действием силы тяжести.Производительность сепаратора в расчете по допустимой скорости газа:Vг=67858∙3,22∙4,83=3356202,39 м3/сут= =139841,77 м3/ч. Производительность сепаратора в расчете по оптимальной скорости газа:Vг=67858∙3,22∙0,426=296012,88 м3/сут= =12328 м3/ч. Полученные результаты расчета производительности сепаратора подтверждают, что аппарат обеспечит эффективное отделение жидкости от газа при максимальной производительности по газу 56530 м3/ч, поскольку максимальное значение производительности меньше производительности сепаратора в расчете по допустимой скорости газа (139841,77 м3/ч). Значение оптимального расхода 12328 м3/ч входит в интервал производительности по газу 7280…56530 м3/ч и может быть рекомендованным при эксплуатации факельного сепаратора Сузунского месторождения.В горизонтальном факельном сепараторе капли жидкости, уносимые потоком газа, движутся вдоль оси сепаратора и вниз – под действием силы тяжести, осаждаясь внизу сепаратора (рисунок 2). За высоту осаждения (H) принимается максимальная высота, т.е. диаметр факельного сепаратора (D). Требуемая длина зоны сепарации определялась при минимальной производительности по газу 7280 м3/ч (таблица 1), оптимальной производительности – 12328 м3/ч и максимальной производительности – 56530  м3/ч. Рисунок 2 – Движение капли жидкости Время осаждения капель жидкости в зоне сепарации может быть определено:τос=DWос, (1)где Wос  – скорость осаждения, м/с.Для определения скорости осаждения, входящей в формулу (1), необходимо предварительно рассчитать критерий Архимеда (Ar ) и критерий Рейнольдса (Re ). Критерий Архимеда определялся по формуле:Ar=gd3ρг2μг2ρж-ρгρг, где: g  – ускорение силы тяжести, м/с2, d  – 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 d  от 0,08 до 0,7 мм для, которых определялись значения критерия Архимеда. По результатам расчетов значения критерия Архимеда (таблица 3) соответствовали переходному режиму осаждения и находились в интервале 36≤ψ×Ar≤83000 , где ψ  – коэффициент формы (для шарообразных капель ψ=1 ).Результаты расчета длины зоны сепарации при различных значениях диаметра капель жидкости и производительности по газу приведены в таблице 3.  Таблица 3 – Результаты расчетовd , мм0,080,10,1420,150,20,30,40,50,60,7Ar 116,1226,7649,2765,21813,96121,814510,928341,648974,277769,3Re 4,67,415,617,532,577,5143,5231,4342,1475,9Wос , м/с0,210,270,40,420,590,941,31,682,072,47τос , с15,51287,55,433,42,51,91,51,3L , м(при 56530 м3/ч)30,2123,4115,6814,7310,66,674,83,723,022,53L , м(при 12328 м3/ч)6,595,113,423,212,311,451,050,810,660,55L , м(при 7280 м3/ч)3,893,012,021,91,360,860,620,480,390,33  Зависимость между Re  и Ar  следующая [2]:ζ∙Re2=43Ar, (2)где ζ  – коэффициент сопротивления. Для переходного режима ζ  определяется по формуле:ζ=18,5Re0,6. (3)Подставив (3) в (2) и выразив относительно Re  получим:Re=1,443∙Ar18,5. Скорость осаждения:Wос=Re∙μгd∙ρг. Далее по формуле (1) определялось время осаждения капель жидкости, длина зоны сепарации: L=Wг∙τос,  где Wг=4VгπD2  – линейная скорость газа.Результаты расчета приведены в таблице 3. Рассчитаны: критерий Архимеда Ar , критерий Рейнольдса Re , скорость осаждения Wос , время осаждения капель жидкости τос  и длина зоны сепарации L  при различных значениях производительности по газу.По результатам расчетов получены графические зависимости (рисунки 3-6).  Рисунок 3 – Зависимость диаметра капель от длины зоны сепарации (при 56530 м3/ч) Рисунок 4 – Зависимость диаметра капель от длины зоны сепарации (при 12328 м3/ч)  Рисунок 5 – Зависимость диаметра капель от длины зоны сепарации (при 7280 м3/ч)  В заключении можно сделать следующий вывод: с уменьшением диаметра капель жидкости, кривые (рисунок 3-5) приобретают пологий характер, что приводит к значительному увеличению требуемой длины зоны сепарации, особенно это выражено на рисунке 3 при работе сепаратора с максимальной производительностью. Поэтому улавливание более мелких капель, с целью уменьшения металлоемкости факельного сепаратора, целесообразно осуществлять с помощью фильтров и каплеуловителей [6]. С увеличением производительности возрастает линейная скорость газа, однако, на скорость осаждения, а, следовательно, и время осаждения, она не оказывает влияния [7-8], поэтому рисунок 6 можно отнести к работе сепаратора при разных значениях производительности.    Рисунок 6 – Зависимость диаметра капель от времени осаждения  Предложенная в работе методика расчета длины зоны сепарации, исходя из размера капель жидкости, поможет оптимизировать процесс проектирования, позволит создать наиболее технологичный аппарат, который будет в полном объеме удалять капельную жидкость из газожидкостного потока, что тем самым предотвратит явление «горящий дождь», образование сажи и механическое повреждения факела.