Сепарация газа. Сапарация нефти и газа Теоретические основы технологии и конструкции аппаратов

Название	Сапарация нефти и газа Теоретические основы технологии и конструкции аппаратов
Дата	11.01.2023
Размер	1.09 Mb.
Формат файла
Имя файла	Сепарация газа.pptx
Тип	Документы #880799

Сапарация нефти и газа

Теоретические основы технологии и конструкции аппаратов

Сепарацией газа от нефти называют процесс отделения от жидкой фазы (нефти) газообразной фазы.
Сепарация происходит при снижении давления и повышении температуры, а также вследствие молекулярной диффузии углеводородных и других компонентов, содержащихся в нефти, в пространство с их меньшей концентрацией, находящееся над нефтью.

Отделение нефти от газа и воды в различных сепараторах производится с целью:

получения нефтяного газа, который используется как химическое сырье или как топливо;
уменьшения перемешивания нефтегазового потока и снижения за счет этого гидравлических сопротивлений;
уменьшения пенообразования (оно усиливается выделяющимися пузырьками газа);
уменьшения пульсаций давления в трубопроводах при дальнейшем транспорте нефти от сепараторов первой ступени до установки подготовки нефти (УПН).

по назначению: замерные и сепарирующие;
по геометрической форме: цилиндрические, сферические;
по положению в пространстве: вертикальные, горизонтальные и наклонные;
по характеру основных действующих сил: гравитационные, инерционные, центробежные, ультразвуковые и т.д.
по технологическому назначению нефтегазовые сепараторы делятся на:
- двухфазные - применяются для разделения продукции скважин на жидкую и газовую фазу;
- трехфазные - служат для разделения потока на нефть, газ и воду;
- сепараторы первой ступени сепарации – рассчитаны на максимальное содержание газа в потоке и давление I ступени сепарации;
- концевые сепараторы - применяются для окончательного отделения нефти от газа при минимальном давлении перед подачей товарной продукции в резервуары;
- сепараторы-делители потока – используются, когда необходимо разделить выходящую из них продукцию на потоки одинаковой массы;

Сепараторы условно можно подразделить на следующие категории:

- сепараторы с предварительным отбором газа: раздельный ввод жидкости и газа в аппарат увеличивает пропускную способность данных аппаратов по жидкости и газу;
по рабочему давлению:
высокого давления 6МПа;
среднего давления 2,5 – 4МПа;
низкого давления до 0,6МПа;
вакуумные (давление ниже атмосферного).

Основная сепарационная секция. Предназначается для отделения основной части жидкости (нефти, газового конденсата, воды) от входящего газожидкостного потока, для обеспечения высокоэффективной предварительной сепарации и равномерного распределения потока по сечению аппарата применяют конструктивные устройства:
тангенциальный ввод потока, при котором жидкость под действием центробежной силы отбрасывается к стенке сосуда и стекает по ней, а газ распределяется по сечению аппарата и выводится;
отражательные устройства (пластины прямоугольной или круглой формы, полусферы), устанавливаемые на входе в сепаратор;
встроенный циклон, устанавливаемый на входе в горизонтальный сепаратор;
конструкции, позволяющие осуществить раздельный ввод газа и жидкости в сепаратор.

Осадительная секция. В этой секции в газонефтяных сепараторах происходит дополнительное выделение пузырьков газа из жидкости. В газовых сепараторах жидкость в данной секции отделяется под действием гравитационных сил, а газ движется в сосуде с относительно низкой скоростью. В газовых сепараторах некоторых конструкций для снижения турбулентности применяют различные устройства — пластины, цилиндрические и полуцилиндрические поверхности.

Секция сбора жидкости. Служит для сбора жидкости, из которой почти полностью в предыдущих секциях выделился газ при температуре и давлении в сепараторе. Однако некоторое количество газа в ней имеется. Для сепараторов объем данной секции выбирают так, чтобы он позволил удержать отсепарированную жидкость в течение времени, необходимого для выхода пузырька газа на поверхность и вторичного попадания в газовый поток.

Секция каплеулавливания. Предназначена для улавливания частиц жидкости в уходящем из сепаратора газе.
Секция состоит обычно из отбойных устройств (насадок) различного вида — керамических колец, жалюзи, пакетов из плетеной проволочной сетки и т. д. Критерием эффективности отделения капельной жидкости от газа является величина удельного уноса жидкости, которая должна находиться в пределах от 10 до 50 мг/м3 газа.

допустимая скорость набегания газа,
определенное количество жидкости, поступающей с газом,
равномерная загрузка насадки по площади ее поперечного сечения.

В конструкциях сепараторов должны предусматриваться элементы, предотвращающие образование пены и гасящие ее, а также снижающие вредное влияние пульсации газожидкостного потока на сепарацию жидкости и газа.
Рисунок 1 - Схема устройства горизонтального сепаратора

Внутрикорпусные устройства сепараторов

Рис. 2 - Входная перегородка

Рис 3 - Центробежное входное устройство

Рис 4 - Лопастной каплеотбойник

Рис 5 - Сетчатый каплеотбойник

Рис 6 - Антизавихрители

Конструктивные особенности сепараторов российского производства

конструкция входной трубы для предварительного дегазирования нефти,
наличием трубы для образования капель, активизирующей их слияние до осаждения
конструкцией аппаратов, препятствующих уносу газа, устанавливаемых над основным сепаратором.

Трехфазная сепарация

Рис 7 - Модель сепарации в системе нефть/газ/вода

пузырьки газа поднимаются в слое воды и нефти,
капли воды осаждаются в слое нефти,
капли нефти поднимаются в слое воды,
В дисперсной зоне происходит коалесценция капель дисперсной фазы с соответствующей непрерывной зоной.

Рис 8 - Устройство трехфазного сепаратора

Рис 9 - Устройство вертикального трехфазного сепаратора

Внутрикорпусные устройства трехфазных сепараторов

Рис 11 – Коалисцирующее устройство

Материальный баланс

Сепарация по своей физической сущности является сочетанием физических и массообменных процессов, протекающих между газовой и жидкой фазами, содержащими большое количество компонентов, т.е. является сложным многокомпонентным процессом.

Qсырья = Qнефти + Qводы + Qгаза

Рассчитаем Qводы из отношения:

где w – начальная обводненность нефти, % масс.

Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение толщины тепловой изоляции.

где

δиз – толщина тепловой изоляции;
λиз – коэффициент теплопроводности материала изоляции;
αн – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух);
tст ,tокр , tиз – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя.

Коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по приближенному уравнению: αн =9,74+0,07∙Δt = 9,74+0,07∙10=11,14 Вт/м2∙К,

где Δt= tиз – tокр, С.

Затем выбирают изоляционный материал.

Аппаратурный расчет

Основной целью технологического расчета является определение диаметра и высоты сепаратора.

Например:Qнефти перевести из м3/сут в м3/сек.

Для того чтобы рассчитать расход газа в условиях сепарации, необходимо учесть сжимаемость газа. С помощью уравнения состояния идеального газа рассчитаем плотности газа при стандартных условиях и в условиях сепарации.

где  - плотность, кг/м3; P – давление в сепараторе, Па;Mr – молекулярная масса, г/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; T – температура в сепараторе, K;z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации рассчитываем z для каждого компонента смеси газа.

Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:

где ,- приведенные температура и давление, соответственно.

Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при горизонтальной ориентации сепаратора и наличии лопастного каплеотбойника принимают равным 0,12 м/с.

Таким образом, зная скорость и расход газа, можем посчитать минимальную площадь сечения, необходимую для газовой фазы.

Расчет производительности сепараторов по нефти осуществляется на основании времени удержания газонефтяной смеси в сепараторе. Согласно рекомендациям время удержания должно быть меньше одной минуты. Задаем дополнительное условие: граница раздела фаз сепаратора проходит через его середину. Соответственно, расход нефти через сепаратор с эффективной длиной Leff и с D будет описываться следующим уравнением: Отношение длины сепаратора к диаметру называется коэффициентом стройности сепаратора. Для стандартных сепараторов данное соотношение обычно остается примерно постоянным и равно 3,5. С учетом того, что эффективная длина сепаратора обычно равна ¾ от общей длины сепаратора, следующие выражение для диаметра в зависимости от времени удержания газонефтяной смеси в сепараторе может быть получено: На основании полученного выражения для зависимости диаметра сепаратора от времени удержания газонефтяной смеси, могут быть получены основные геометрические характеристики сепараторов, а именно, длина и объем

Расчет количества газа, выделившегося по ступеням сепарации

Суммарное количество газа (свободного и растворенного), содержащегося в нефти и поступающего на первую ступень сепарации, определяется по формуле:

где Г - газовый фактор, м3/ м3;

QН - дебит нефти, м3/сут;

Количество газа, оставшегося в растворенном состоянии в нефти VР и поступающего из первой ступени во вторую, согласно закону Генри, равно:

где α- коэффициент растворимости газа в нефти при температуре и давлении в сепараторе, м2/н;

Р1, Р2…- давления на первой, второй и т.д. ступенях сепарации, Па.

Дебит отсепарированного газа на первой ступени будет равен:

Дебит свободного газа, отсепарированного на второй ступени, будет равен:

Для точных определений необходимо иметь кривую изменения α от давления, построенную на основе анализа глубинной пробы нефти соответствующей скважины.

где VГ - количество газа, поступающего из скважины, м3/сут;

V1, V2…- количество газа, сепарируемого соответственно при давлениях Р1, Р2…, м3/сут;

Расчет вертикального гравитационного сепаратора по газу

При расчете гравитационных сепараторов по газу принимаются следующие допущения:

частица (твердая или жидкая) имеет форму шара;
движение газа в сепараторе установившееся, т.е. такое, когда скорость газа в любой точке сепаратора независимо от времени остается постоянной, но по абсолютному значению может быть разной;
движение частички принимается свободным, т.е. на нее не оказывают влияние другие частицы;
скорость оседания частицы постоянная, это тот случай, когда сила сопротивления газовой среды становится равной массе частицы.

Исходя из принятых допущений, рассмотрим силы действующие на частицу, осаждающуюся в газовой среде:

где m - масса частицы; g - ускорение силы тяжести, м/с2; ρч - плотность частицы.

Поскольку частица шарообразна, ее объем равен:

Тогда:

Силу сопротивления газа R при свободном оседании частицы можно представить в следующем виде:

где ξ - коэффициент сопротивления среды, являющийся функцией критерия Рейнольдса;

ρГ - плотность газа, кг/м3;

WЧ - линейная скорость частицы, м/с;

SЧ - площадь сечения частицы, π·d2/4.

Исходя из 4-го допущения, в момент, когда R уравновесит силы тяжести и частица будет двигаться равномерно ускорение будет равно 0.

FТЯЖ - FА- R = 0,

Т.е. исходя из равновесия сил, действующих на частицу, можно записать: Р = R.

Отсюда:

Из этого уравнения можно определить коэффициент сопротивления ξ:

Для ламинарного движения частиц (Rе < 2) коэффициент сопротивления рассчитывается по формуле:

где νг - кинематическая вязкость газа:

т.е. сопротивление среды пропорционально вязкости;

μг - динамическая вязкость газа, , Па * с.

Уравнение для расчета скорости оседания шарообразной частицы в газовой среде (формула Стокса):

где μг - динамическая вязкость газа, кг/м.с(Па·с);

d - диаметр частицы, м;

ρч – плотность частицы в условиях сепаратора, кг/м3;

νг- кинематическая вязкость газа в условиях сепаратора, м2/с.

В промысловых сепараторах Rе для частицы значительно выше, чем 2.

При значениях числа Rе от 2 до 500 зависимость коэффициента сопротивления ξ представляется эмпирическим уравнением:

Для расчета используем формулу Аллена:

Для турбулентного режима движения при значениях числа Rе более 500 (до 2·105), коэффициент сопротивления ξ для шарообразной частицы становится постоянным и равным 0,44. Для расчета используем уравнение Ньютона-Ритингера:

Пропускная способность вертикального сепаратора по газу определяется в зависимости от допустимой скорости движения газа:

где V- пропускная способность по газу при Н.У.,т.е.:P0 = 1,033 . 9,81·104, Па = 1,01·105, Па = 0,1013 МПа;

Т0 = 273 К;

внутренняя площадь сечения вертикального сепаратора, м2;

D - внутренний диаметр сепаратора, м;

Р - давление в сепараторе, Па;

Т - абсолютная температура в сепараторе, К;

Z - коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального при рабочих условиях в сепараторе.

WГ - скорость подъема газа в вертикальном сепараторе, м/с.

Отсюда:

Итак, выпадение частицы происходит при условии WЧ - WГ > 0.

На практике при расчетах применяется

Подставив выражения скоростей в данное уравнение, получаем:

Или

По этой формуле можно определить пропускную способность V верт сепаратора, если задаться dmin капелек жидкости, которые будут осаждаться при выбранных условиях (Р, Т), и диаметром сепаратора D. Обычно принимают d = 10- 4 м.

Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости

Количество увлекаемых пузырьков газа зависит от трех факторов:

вязкости нефти;
давления в сепараторе
скорости подъема уровня нефти в сепараторе, т.е. от времени пребывания нефти в сепараторе.

Для лучшего выделения окклюдированных пузырьков газа необходимо, чтобы:

безводная нефть вводилась в сепараторы в высокодисперсном состоянии,
движение ее в сепараторе происходило тонким слоем по длинному пути,
скорость подъема нефти в секции сбора нефти была меньше скорости всплывания газовых пузырьков, т.е.

Учитывая соотношение скоростей, пропускную способность вертикального сепаратора по жидкости можно записать в следующем виде:

или

после подстановки в формулу и g, получим:

dпузырьков1-2 мм.

Для определения плотности газа необходимо пользоваться следующей формулой:

где ρ0 - плотность газа при Н. У., кг/м3; Р, Р0 - давление в сепараторе и давление при Н.У., Па; Т0, Т - абсолютная нормальная температура (Т0 = 273 К) и абсолютная температура в сепараторе (Т = 273+t, К); Z - коэффициент сверхсжимаемости.

Эффективность процесса сепарации нефти от газа

Эффективность работы сепаратора оценивается двумя показателями:

количеством капельной жидкости, уносимой потоком газа из каплеуловительной секции;
количеством газа, уносимого потоком нефти (жидкости) из секции сбора нефти.

Коэффициенты уноса определяют по формулам:

где qЖ – объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком нефтяного газа из сепаратора, м3/ч;

qГ - объемный расход окклюдированного газа, уносимого потоком жидкости, м3/ч;

QГ - объемный расход газа на выходе из сепаратора, м3/ч;

QЖ - объемный расход жидкости на выходе из сепаратора, при рабочих температуре и давлении, м3/ч.

Чем меньше величина этих показателей, тем эффективнее работа сепаратора.

По практическим данным приняты временные нормы, по которым

Кж  50 см3/1000 м3 газа и КГ  0,02 м3/м3.

Эффективность процесса сепарации зависит от:

средней скорости газа в свободном сечении сепаратора.
времени задержки жидкости в сепараторе τЗ: чем больше время пребывания жидкости в сепараторе, тем большее количество захваченных нефтью пузырьков газа успеют выделиться из нее в сепараторе, тем самым уменьшив КГ.
физико-химических свойств нефти и газа: вязкости, поверхностного натяжения, способности к пенообразованию.
Конструктивных особенностей сепаратора: способ ввода продукции скважин, наличие полок, каплеуловительных насадок и др.
Уровня жидкости в сепараторе. Слой жидкости внизу сепаратора является гидрозатвором, чтобы газ не попал в нефтесборный коллектор.
Расходов нефтегазовой смеси: при большом расходе увеличивается коэффициент уноса газа, т.к. весь газ не успевает выделиться. Для уменьшения КГ следует увеличить количество сепараторов.При высоком газовом факторе увеличение коэффициента уноса возможно и при небольшом расходе.
Давления и температуры в сепараторе.