Россия
В работе приведен расчет пропускной способности факельного сепаратора, на основе которого определена оптимальная нагрузка сепаратора по газу, обеспечивающая эффективное отделение газа от капельной жидкости. Предложена новая методика расчета длины зоны сепарации, позволяющая оптимизировать расчет и снизить металлоемкость сепаратора
факельный сепаратор, газовые выбросы, гравитационное осаждение, коэффициент уноса жидкости, пропускная способность
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 (
) 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 данные
|
Наименование параметра, единица измерения |
Значение |
|
Производительность по газу, м3/ч |
7280…56530 |
|
Рабочее давление, МПа (изб.) |
0,2…0,23 |
|
Рабочая температура, °С |
5…140 |
|
Допустимая массовая концентрация жидкости в газе на выходе из сепаратора, г/м3 |
0,001 |
|
Унос свободного газа жидкостью, не более, % |
0,01 |
|
Плотность газа при рабочих условиях, кг/м3 |
2,5…3,57 |
|
Вязкость газа при рабочих условиях, сПз |
0,0078…0,011 |
Состав газа на входе в сепаратор приведен в таблице 2.
Таблица 2 – Компонентный состав газа на входе в сепаратор, % мол.
|
Наименование компонента |
Состав газа |
|
|
Метан |
СН4 |
82,04…98,31 |
|
Этан |
С2Н6 |
0,08…4,51 |
|
Пропан |
С3Н8 |
0,03…5,28 |
|
и-Бутан |
i-C4H10 |
0,01…1,53 |
|
н-Бутан |
n- C4H10 |
0,02…2,24 |
|
и-Пентан |
i- C5H12 |
0,01…0,56 |
|
н-Пентан |
n- C5H12 |
0,01…0,50 |
|
н-Гексан |
n- C6H14 |
0,04…0,72 |
|
Азот |
N2 |
1,06…1,82 |
|
Диоксид углерода |
CO2 |
0…0,30 |
|
Вода |
H2O |
0…1,26 |
|
Метанол |
CH3OH |
0…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]:
где: 
– объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора, м3/ч; 
– объемный расход газа на выходе из сепаратора, м3/ч.
Объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора:
где: 
– допустимая массовая концентрация жидкости в газе на выходе из сепаратора; 
кг/м3 – плотность жидкости [3-4].
.
Полученное значение коэффициента уноса жидкости хорошо согласуется с практическими данными, в соответствии с которыми коэффициент уноса жидкости составляет 
≤ 50 см3/1000 м3 газа ( ≤ 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:
или
где: 
– допустимая скорость газа, м/с; 
– 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]:
,
где: 
– оптимальная скорость газа при 
, для 
; =0,1 м/с; 
– абсолютное давление в сепараторе (
).
=0,426 м/с.
Рабочая скорость газа при максимальной производительности по газу составит:
Допустимую скорость газа можно определить по эмпирической формуле:
где: 
– плотность газа, кг/м3; 
– постоянный коэффициент. Значение для вертикальных сепараторов принимается равным 0,047. Для горизонтальных аппаратов с длиной сепарационной камеры не более 3 м 
[2].
Для горизонтальных сепараторов длиной более 3 м при определении допустимой скорости газа вводится поправочный коэффициент (множитель) 
:
где 
– фактическое расстояние между патрубками входа и выхода газа, м.
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:
Производительность сепаратора в расчете по оптимальной скорости газа:
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:
|
|
(1) |
где 
– скорость осаждения, м/с.
Для определения скорости осаждения, входящей 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 (таблица 3) соответствовали переходному режиму осаждения и находились в интервале 
, где 
– коэффициент формы (для шарообразных капель 
).
Результаты расчета длины зоны сепарации при различных значениях диаметра капель жидкости и производительности по газу приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Результаты расчетов
|
|
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 |
|
(при 56530 м3/ч) |
30,21 |
23,41 |
15,68 |
14,73 |
10,6 |
6,67 |
4,8 |
3,72 |
3,02 |
2,53 |
|
(при 12328 м3/ч) |
6,59 |
5,11 |
3,42 |
3,21 |
2,31 |
1,45 |
1,05 |
0,81 |
0,66 |
0,55 |
|
(при 7280 м3/ч) |
3,89 |
3,01 |
2,02 |
1,9 |
1,36 |
0,86 |
0,62 |
0,48 |
0,39 |
0,33 |
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, длина зоны сепарации: 
где 
– линейная скорость газа.
Результаты расчета приведены в таблице 3. Рассчитаны: критерий Архимеда , критерий Рейнольдса , скорость осаждения , время осаждения капель жидкости и длина зоны сепарации 
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.
1. Базлов, М. Н. Подготовка при-родного газа и конденсата к транспорту / М. Н. Базлов, А. И. Жуков, Т. С. Алексеев. – М. : Изд-во «Недра», 1968. – 215 с.
2. Леонтьев, С. А. Технологический расчет и подбор стандартного оборудования для установок системы сбора и подготовки скважинной продукции: учебное по-собие / С. А. Леонтьев, Р. М. Галикеев, М. Ю. Тарасов. – Тюмень : Тюм ГНГУ, 2015. – 124 с.
3. Ульянов, Б. А. Процессы и аппараты химической технологии. В примерах и задачах: учебное пособие / Б. А. Улья-нов, В. Я. Бадеников, В. Г. Ликучев. – Ан-гарск : АнГТУ, 2006. – 743 с.
4. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К. Ф. Павлов, П. Г. Ро-манков, А. А. Носков. – М. : Альянс, 2006. – 576 с.
5. Щербин, С. А. Технологический расчет и оценка эффективности факельного 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.
6. Подоплелов, Е. В. Анализ эффективности работы факельного сепаратора высокого давления / Е. В. Подоплелов, С. А. Щербин, А. А. Глотов // Современные технологии и научно-технический прогресс. – 2022. – № 9. – С. 41–42.
7. Подоплелов, Е. В. Расчет длины зоны сепарации гравитационного газового сепаратора / Е. В. Подоплелов, А. И. Де-ментьев, Р. Д. Лойко // Сборник научных трудов Ангарского гос. техн. университета. – 2024. – № 21. – С. 136–139.
8. Подоплелов, Е. В. Моделирование горизонтального гравитационного газового сепаратора / Е. В. Подоплелов, А. И. Дементьев, Р. Д. Лойко // Современные технологии и научно-технический прогресс. – 2024. – № 11. – С. 56–57.
