Глава 4

Лекция 5.1

Аппараты гравитационного разделения сред – сепараторы, разделители, отстойники

Сепараторы являются обязательным элементом любой технологической схемы промысловой подготовки нефти и газа на нефтяных и газоконденсатных месторождениях, а также составной частью оборудования в процессах переработки нефти. Сепараторы для разделения жидких сред используются как для отделения капель воды из нефти или нефтепродуктов, так и для отделения капель нефтепродуктов из сточных вод.

Классификация газожидкостных сепараторов

1.Сепаратор газ/жидкость – аппарат, предназначенный для механического отделения капельной жидкости от газового потока, например отделение газокондесата из природного газа.

2.Сепаратор жидкость/жидкость – аппарат, предназначенный для механического разделения двух несмешивающихся жидкостей друг от друга, например: отделение капельной воды от нефти на установках подготовки нефти; отделение капельных нефтепродуктов при очистке сточных вод (нефтеловушки).

3.Сепаратор трёхфазный – аппарат, предназначенный для механического разделения трёхфазного потока (жидкость, в смеси с другой, несмешивающейся жидкостью и газом), например для отделения газа и воды от нефти на установках подготовки нефти.

Скорость движения капель под действием сил тяжести

Формула Стокса (ламинарный режим, Re<1)

Примерные значения скорости осаждения капель в различных системах:

Осаждение капель жидкости в гравитационном сепараторе происходит в основном за счет сил гравитации (в центробежных сепарационных элементах – циклонах, вихревых трубках – под действием центробежных сил). В таких аппаратах вследствие различной плотности двух жидкостей, капли этих жидкостей опускаются на дно, либо поднимаются вверх под действием

Выражение для расчета скорости движения частиц применимо лишь в тех случаях, если диаметр капель достаточно велик для того, чтобы осаждение определялось в первую очередь силой тяжести. Влиянием других явлений, таких, как броуновское движение, а также влиянием конвекции потока, вызываемой температурными градиентами также можно пренебречь. В целом, это применимо для случаев, когда диаметр капель больше 30 мкм.

Дисперсия классифицируется как первичная, если большая часть диспергированных капель крупнее данного значения. В противном случае она классифицируется как вторичная дисперсия.

Как видно из приведенной выше таблицы, в простых отстойниках можно отделять капли не менее 150-500 мкм. Для повышения эффективности сепарации применяются различные виды внутренних устройств, способствующих удалению капель меньших размеров.

Виды сепараторов

1.Гравитационные сепараторы, не содержащие внутренних устройств (отстойники).

2.Пластинчатые (жалюзийные) сепараторы

3.Сетчатые коалесцеры

4.Циклонные сепараторы.

Сравнительная таблица характеристик различных видов сепараторов:

ГЛОССАРИЙ

1.Сепаратор газ/жидкость – аппарат, предназначенный для механического отделения капельной жидкости от газового потока, например отделение газокондесата из природного газа.

2.Сепаратор жидкость/жидкость – аппарат, предназначенный для механического разделения двух несмешивающихся жидкостей друг от друга, например: отделение капельной воды от нефти на установках подготовки нефти; отделение капельных нефтепродуктов при очистке сточных вод (нефтеловушки).

3.Сепаратор трёхфазный – аппарат, предназначенный для механического разделения трёхфазного потока (жидкость, в смеси с другой, несмешивающейся жидкостью и газом), например для отделения газа и воды от нефти на установках подготовки нефти.

4.Внутренние устройства – устройства, конструктивно располагаемые в корпусе аппарата и служащие повышению эффективности разделения фаз. Типы внутренних устройств, применяемых в сепараторах: входное распределительное устройство, успокоительная перегородка, переливная перегородка, насадка жалюзийная, насадка сетчатая, выходной штуцер.

4.1.Входное распределительное устройство – устройство, предназначенное для ввода обрабатываемой среды в сепаратор и равномерного распределения потока по рабочему сечению аппарата.

4.2. Успокоительная перегородка – проницаемая (обычно перфорированная) перегородка, служащая, во-первых, для уменьшения степени турбулизации потока, вовторых, для повышения равномерности распределения потока по рабочему сечению аппарата.

4.3.Переливная перегородка – непроницаемая перегородка, не полностью перекрывающая сечение аппарата, служащая для разделения внутреннего объёма сепаратора на секции различного функционального предназначения.

4.4.Жалюзийная коалесцирующая насадка – внутреннее устройство, предназначенное для удаления крупных капель жидкости из газового потока. Жалюзийная насадка представляет собой пакет тонких зигзагообразных пластин или пластин волнистого профиля, установленных на равном расстоянии друг от друга. При движении потока через узкие проходы между жалюзийными пластинами инерционные силы, действующие на поворотах, обеспечивают отбрасывание капель жидкости на поверхность пластин, образуя на них тонкую пленку. Отделение и стекание осевшей жидкости в основном происходит на сгибах жалюзийных пластин, либо через специальные карманы.

Допустимо использование термина «пластинчатая коалесцирующая насадка»

4.5. Жалюзийный тонкослойный осадитель – внутреннее устройство, предназначенное для удаления крупных капель из потока жидкости. Жалюзийная насадка представляет собой пакет тонких плоских пластин или пластин волнистого профиля, установленных на равном расстоянии друг от друга. При движении потока через узкие проходы между жалюзийными пластинами происходит осаждение капель жидкости на поверхности пластин за счет сил гравитации. Отделение и стекание осевшей жидкости в основном

происходит на входных участках жалюзийных пластин, либо через перфорацию на осадительных пластинах.

Допустимо использование термина «пластинчатый тонкослойный осадитель».

4.6.Сетчатая насадка – внутреннее устройство, предназначенное для коалесценции мелких капель в более крупные и удаление их из потока. Сетчатая насадка представляет собой набивку из плетёной плоской и объёмной сеток, чаще всего металлической или полимерной.

4.7.Фильтрующая насадка – внутреннее устройство, предназначенное для коалесценции особо мелких капель в более крупные и удаление их из потока. Фильтрующая насадка представляет собой набивку (маты) из тонковолокнистых материалов, в виде плоских пакетов, либо в виде трубчатых фильтрующих патронов.

4.8.Циклонные сепарационные элементы – внутреннее устройство, в которых отделение капель из потока происходит за счет центробежных сил. Применяются в системах газ/жидкость. Разновидности – циклоны с тангенциальным входом, прямоточные циклоны (вихревые трубки).

4.9. Секция сбора жидкости – служит для приёма и отвода жидкости. Может располагаться внутри рабочего объёма аппарата, либо выполнена в виде выносного сборника.

4.10. Выходной штуцер – штуцер вывода отсепарированной фазы из аппарата. Может комплектоваться внутренним сборным коллектором, либо колпачковым устройством для предотвращения попадания противоположной фазы в выходной штуцер.

Примечание: жалюзийная коалесцирующая насадка и жалюзийный тонкослойный осадитель по своей конструкции похожи друг на друга, и в ряде случаев взаимозаменяемы. Их отличие – в области применения и действующих физических факторах. Так, жалюзийная коалесцирующая насадка используется в сепараторах газ/жидкость для укрупнения и осаждения капель жидкости за счет действия сил инерции.

Жалюзийный тонкослойный осадитель используется в сепараторах жидкость/жидкость для ускорения осаждения капель жидкости за счет сил гравитации вследствие разности плотностей.

Пластинчатый тонкослойный осадитель (системы жидкость/ жидкость)

Пластинчатые тонкослойные осадители применяются для сепарации первичных эмульсий с размерами капель более 30 мкм.

Пластинчатая (жалюзийная) насадка представляет собой пакет тонких плоских пластин или пластин волнистого профиля, установленных на равном расстоянии h друг от друга. При движении потока через узкие проходы между жалюзийными пластинами происходит осаждение капель жидкости на поверхности пластин за счет сил гравитации. Отделение и стекание осевшей жидкости происходит по желобам жалюзийных пластин. Для этого пакеты пластин устанавливают под наклоном поперек сечения сепаратора (см. рис. 1.). На практике величина зазора между пластинами выбирают в интервале h = 20÷50 мм (меньшие значения h соответствуют малым концентрациям дисперсной фазы, чем выше содержание дисперсной фазы, тем больше устанавливается ширина зазора).

Высокая эффективность тонкослойных осадителей перед простыми гравитационными отстойниками обуславливается следующими причинами:

1)При движении жидкости между пластинами расстояние, которое должна пройти капля, равно зазору между пластинами. В то время, как в простых гравитационных сепараторах это расстояние равно высоте уровня жидкости в сепараторе, т.е. примерно равно половине диаметра аппарата.

2)Пакеты параллельных пластин подавляют циркуляционные течения в вертикальной плоскости в объеме сепаратора, что уменьшает вероятность их вторичного уноса потоком сплошной фазы.

Выход легкой жидкости

Выход тяжелой жидкости

Рис.1. Горизонтальный сепаратор с тонкослойным осадителем (схема).

Вариант конструктивного исполнения тонкослойного осадителя показан на рис. 2. Опорная рама представляет собой сборную (на болтах) решетку. На вертикальных стойках выполнены щелевые пазы, расположенные «ёлочкой», в которые с торца вставляются осадительные пластины.

Подобная конструкция позволяет собирать внутренние устройства сепаратора внутри корпуса, с подачей комплектующих через смотровые люки.

Рис.2. Вариант конструктивного исполнения тонкослойного осадителя.

Рис.3. Блочное исполнение тонкослойного осадителя.

Блочная конструкция тонкослойного осадителя (см. рис.3) позволяет производить сборку отдельных блоков в заводских условиях, окончательно осадитель собирается в корпусе аппарата из отдельных блоков. Размеры блоков выбираются таким образом, чтобы обеспечить возможность их подачи через стандартный люк-лаз Ø600 мм.

Рис.4. Открытый пластинчатый осадитель – нефтеловушка.

Рис.5. Полимерный блок тонкослойного осадителя.

Выбор материала для пластин тонкослойного осадителя определяется лиофильностью (т.е. хорошей смачиваемостью) по отношению к жидкости диспергированной фазы. Так, для осаждения капель водного раствора из углеводородных жидкостей используются пластины из нержавеющей стали, стеклопластики. Для осаждения капель нефтепродуктов из водной среды – нержавеющая сталь, пластмассы (полипропилены, поликарбонаты).

Толщина пластин должна обеспечивать хорошую жесткость конструкции (пластины не должны прогибаться или вибрировать). На практике, толщина пластин из нержавеющей стали выбирают в интервале 0.6 ÷ 1.0 мм. Иногда, для увеличения жесткости осадителя применяют профилированные пластины с поперечной волнистостью (см. рис.5), это позволяет уменьшить их толщину и, соответственно, материалоёмкость. Однако, при использовании профилированных пластин существенно (примерно вдвое) уменьшается максимально допустимая скорость жидкости в осадителе.

На практике рабочая длина пластин принимается в интервале от 0.3 до 1.5 м. Если расчетное значение Lmin выходит за эти пределы, то корректируется принятое значение Re на шаге №6 и вычисления повторяются.

9.Принимая во внимание, что площадь поперечного проходного сечения пакета пластин обычно составляет 80÷90% от площади полного поперечного сечения аппарата, получаем выражение для минимального диаметра аппарата

√

Выход Т.Ф.

Схема аппарата

2 этап – уточненный расчет сепаратора.

1.Принимаем рабочее значение диаметра аппарата (из типового ряда) и рабочую длину пластин (округляя с шагом 100 мм).

2.Общая длина аппарата La складывается из:

длины пластин,

длины входного участка, в котором устанавливается одна-две успокоительных перегородки из перфорированных пластин (Lвх ~ 0.6 Da, но не менее 500 мм),

длины сепарационного участка после пластин (Lвх ~ 1.5 Da но не менее Lпл+650 мм)

Предпочтительно выдерживать следующее отношение 2.5<La<6.0

3.Определяем площадь проходного сечения пластин и горизонтальную скорость

протока

4.Определяется время сепарации и граничный диаметр капель. Все капли, больше граничного будут гарантированно оседать на пластинах.

√

5.Для определения эффективности выбираем интервал размеров капель для построения нормально-логарифмического распределения. Рекомендуется выбирать интервал в диапазоне от 0.1 cp до 5.0 cp. Данный интервал разбивается на ряд фракций по размерам (20÷30 фракций).

6.Для каждой фракции находится значение плотности распределения капель по размерам для нормально-логарифмического закона:

Значение дисперсии распределения принимаем равным =0.5

7.Для каждой фракции находится скорость осаждения капель по уравнению Стокса.

8.Эффективность осаждения каждой фракции определяется, как

{

9.Распределение капель по размерам на выходе пакета пластин

10. Общая расчетная эффективность сепаратора определяется, как

∑( )

Если расчетная эффективность сепаратора не удовлетворяет требованиям, то принимаются новые значения длины пластин, или диаметра аппарата, или зазора между пластинами и повторяются вычисления по шагам 1-10.