Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости

Контроль пропускной способности сепараторов по нефти вызывается необходимостью уменьшения количества газа, в виде пузырьков увлекаемого нефтью из сепаратора, особенно, когда вязкость нефти или нефтяной эмульсии высокая. Количество увлекаемых пузырьков газа зависит от трех факторов: 1) вязкости нефти; 2) давления в сепараторе и 3) скорости подъема уровня нефти в сепараторе, т.е. от времени пребывания нефти в сепараторе. При одновременном увеличении вязкости нефти, поступающей в сепаратор, скорости ее подъема и давления в сепараторе, количество уносимых нефтью пузырьков газа из сепаратора будет увеличиваться.

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 и чтобы скорость подъема нефти в секции сбора нефти была меньше скорости всплывания газовых пузырьков, т.е.

Всплывание пузырьков газа из нефти в сепараторе происходит в основном за счет разницы в плотностях этих фаз. Поэтому скорость всплывания газового пузырька можем определить по формуле Стокса (4.12) с заменой в ней вязкости газа на вязкость жидкости.

Учитывая соотношение скоростей (4.18), пропускную способность вертикального сепаратора по жидкости можно записать в следующем виде:

(4.21)

или

(4.22)

после подстановки в формулу и g, получим:

. (4.23)

Допустимый диаметр пузырьков обычно 1-2 мм.

При расчетах сепараторов на пропускную способность приходится иметь дело с плотностью газа в условиях сепаратора. Для определения плотности необходимо пользоваться следующей формулой:

(4.24)

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.

Расчет горизонтального сепаратора по газу

Д

Рис.4.2. Схема горизонтального сепаратора

опустим, капелька нефти "м" движется в потоке газа. Путь, пройденный капелькой по оси Х:

(4.25)

по оси Y:

(4.26)

где h - расстояние по вертикали от верхней образующей до уровня нефти в сепараторе, h≈(0.5÷0.55)·D.

Если из уравнения (4.25) выразить время движения капли, и подставить в (4.26), получим уравнение, описывающее траекторию движения частицы:

(4.27)

Если считать, что частица достигает поверхности жидкости в момент, когда Y=0, а X=l:

(4.28)

При этих условиях из (4.28) имеем:

(4.29)

(4.30)

Скорость осаждения частицы выразим по формуле Стокса (4.12):

м/с

а скорость газа:

, м/с.

Подставив выражения для W_Ч и W_Г в (4.30), имеем:

(4.31)

Отсюда пропускная способность по газу:

,м³/сут. (4.32)

Эффективность процесса сепарации нефти от газа

Эффективность работы сепараторов влияет на стабильный режим работы всей газосборной системы: капли нефти и воды, унесенные газом из сепаратора, могут выпасть в газопроводе, образуя жидкостные пробки, привести к образованию гидратных пробок и просто уменьшить сечение газопровода, снизив тем самым его пропускную способность.

Эффективность работы сепаратора оценивается двумя показателями:

1. количеством капельной жидкости, уносимой потоком газа из каплеуловительной секции;

2) количеством газа, уносимого потоком нефти (жидкости) из секции сбора нефти.

Коэффициенты уноса определяют по формулам:

(4.33)

(4.34)

г

Рис.4.3. Степень очистки газа от жидкости и твердых частиц в зависимости от скорости газа и давления

де q_ж – объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа, м³/ч;

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

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

Q_ж - 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 К_ж  50 см³/1000 м³ газа и К_г  0,02 м³/м³.

Эффективность процесса сепарации зависит от следующих факторов:

1. средняя скорость газа в свободном сечении сепаратора. Значения W_max^г – для различных конструкций сепараторов могут изменяться от 0,1 до 0,55 м/с. Степень очистки газа от жидкости в зависимости от скорости газа представлена на рис.4.3.

2) время задержки жидкости в сепараторе τ_З: чем больше время пребывания жидкости в сепараторе, тем большее количество захваченных нефтью пузырьков газа успеют выделиться из нее в сепараторе, тем самым уменьшив К_г.

3) физико-химические свойства нефти и газа: вязкость, поверхностное натяжение, способность к пенообразованию.

Для невспенивающейся нефти время задержки изменяется от 1 до 5 мин. Для вспенивающейся – от 5 до 20 мин. Выбор конкретного τ_З для различных условий сепарации производится только по результатам исследования уноса жидкости и газа.

Нефть тем легче подвергается процессу разгазирования, чем меньшим поверхностным натяжением она обладает на границе с газом (паром).

4) конструктивные особенности сепаратора: способ ввода продукции скважин, наличие полок, каплеуловительных насадок и др.

5) уровень жидкости в сепараторе. Слой жидкости внизу сепаратора является гидрозатвором, чтобы газ не попал в нефтесборный коллектор.

6) расход нефтегазовой смеси: при большом расходе увеличивается коэффициент уноса газа, т.к. весь газ не успевает выделиться. Для уменьшения К_г следует увеличить количество сепараторов. При высоком газовом факторе увеличение коэффициента уноса возможно и при небольшом расходе.

7) давление и температура в сепараторе. Влияние давления сепарации: при повышении давления сепарации диаметр пузырька газа уменьшается при сохранении его веса. Отсюда следует, что при повышении давления сепарации увеличится унос нефтью мелких и в то же время более тяжелых пузырьков, которые при низком давлении всплывают в слое нефти, так как по формуле Стокса (4.12) скорость всплытия связана с квадратом диаметра пузырька. Следовательно, при повышении давления сепарации коэффициент уноса газа увеличится. Это хорошо иллюстрируется рис.4.3.

Повышение температуры нефти приведет к снижению ее вязкости и, следовательно, к увеличению скорости всплытия пузырька газа. Следовательно, повышение температуры приведет к уменьшению коэффициента уноса газа нефтью К_г.