Лекция4 - Томский политехнический университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет
1
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕПАРАТОРОВ
доцент каф. ХТТ
Tomsk, 2013
Бешагина Е.В.
Теоретические основы технологии и
конструкции аппаратов
2
 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.
3
По характеру действующих сил сепараторы
делятся на:
 гравитационные, разделение фаз в которых происходит
за счет разности плотностей жидкости газа или твердых
частиц газа.
 насадочные сепараторы, в которых фазы разделяются за
счет сил тяжести и инерции.
 центробежные, разделение в которых происходит за
счет центробежных и инерционных сил.
4
 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.
5
 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.
6
 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.
7
 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.
8
Эффективность работы
отбойных насадок зависит от
нескольких факторов,
основными из которых
являются:
 допустимая скорость
набегания газа,
 определенное количество
жидкости, поступающей с
газом,
 равномерная загрузка
насадки по площади ее
поперечного сечения.
9
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.
10
Рисунок 1 - Схема устройства горизонтального сепаратора
Внутрикорпусные устройства
сепараторов
11
Рис. 2 - Входная перегородка
Рис 4 - Лопастной каплеотбойник
Рис 3 - Центробежное входное устройство
Рис 5 - Сетчатый каплеотбойник
Рис 6 - Антизавихрители
Конструктивные особенности сепараторов
российского производства
12
 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
13
Рис 7 - Модель сепарации в системе нефть/газ/вода
14
В процессе трёхфазной сепарации одновременно
должны осуществляться четыре процесса:
 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.
15
Рис 8 - Устройство трехфазного сепаратора
16
Рис 9 - Устройство вертикального трехфазного сепаратора
Внутрикорпусные устройства
трехфазных сепараторов
17
Рис 11 – Коалисцирующее устройство
Материальный баланс
18
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
По условию задан газовый фактор равный 80 м3/м3 , примем расход газа
равным величине газового фактора, таким образом, расход газа равен 80
м3/сутки.
Рассчитаем Qводы из отношения:
где w – начальная обводненность нефти, % масс.
19
Тепловой расчет
20
Целью теплового расчета является определение толщины тепловой
изоляции.
из tст  tиз 
 из 
н

t
из
 tокр 
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
21
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.
22
Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации
рассчитываем z для каждого компонента смеси газа.
Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:
z  1  0.73 пр  0.18 пр
 где ,- приведенные температура и давление, соответственно.
Для того, чтобы вычислить расход газа в условиях сепарации
необходимо расход газа при стандартных условиях умножить на
плотность газа при стандартных условиях и поделить на плотность
газа в условиях сепарации.
23
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.
24
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:
25
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:
26
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
27
28
29
30
Основы расчета насадочной
ректификационной колонны
31
Для построения термодинамической теории процесса
ректификации требуется определенная его
идеализация, различная для тарельчатой и
насадочной колонны. Для тарельчатой колонны
используется концепция теоретической
тарелки, для насадочной же эта концепция мало
приемлема и должна замениться концепцией
единицы переноса, потому что в насадочной
колонне, в отличие от тарельчатой, происходит
непрерывный контакт фаз.
32
Число единиц переноса (ЧЕП) по i-тому компоненту Npi
определяется следующим образом:
yкi
N pi
dyi
  *
,
y yi  yi
нi
где y* - равновесная концентрация; y – рабочая концентрация;
yн, yк – начальная и конечная концентрации.
В дифференциальной форме:
dyi
 yi*  yi .
dN p
33
Вывод расчетного уравнения для режима полного
орошения сложной насадочной колонны предложен
Андервудом. На любом уровне насадочной колонны в
режиме полного орошения встречные фазы должны
максимально отступать от состояния равновесия,
поэтому составы газовой и жидкой фазы должны быть
одинаковыми.
Для произвольного компонента это запишется в виде:
yi  xi .
Из уравнения равновесия:
y i*  k i x i .
34
Заменяя константу равновесия относительной летучестью
ki   i k э ,
где kэ – константа равновесия эталонного компонента;
можем преобразовать уравнение к виду:

1  d ln x i
 1  k э .

 i  dN p

Если написать n уравнений по числу компонентов системы, то во
всех этих уравнениях правые части будут одинаковыми. Поэтому
можно попарно приравнять их левые части и для двух любых
произвольных компонентов записать
 1  d ln x j

1  d ln x i


1 
 1 .




 i  dN p
  j  dN p

35
Диаметр насадочной колонны определяется по скорости паров в
свободном сечении колонны в точке захлебывания по
эмпирической корреляции Шервуда:
Y  A exp(4 X ) ,
1/ 4
 L
X  
G 
 п

 ж
1/ 8

 ;

w 2 a  п 0,16
Y

ж ;
3
gVc  ж
a – удельная поверхность насадки, м2/м3;
Vc – ее свободный объем;
w – скорость захлебывания, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
ρп, ρж – плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3;
μж – динамическая вязкость жидкости, Па * с.
36
Удельную поверхность и объем насадки определяем из таблицы
37
Определяем высоту насадочной колонны. Ее можно найти двумя
способами:

по высоте единиц переноса (ВЕП);

используя концепцию теоретической тарелки.
Наиболее приемлемым является расчет высоты насадочной части
колонны по высоте единицы переноса (ВЕП). В этом случае
для каждой из частей колонны:
H  N0  h0 ,
где N0 – число единиц переноса данной части колонны; h0 – высота
единицы переноса (ВЕП) этой части.
Высота единицы переноса рассчитывается по уравнению:
hx
h0  h y  ,
A
L и G – мольные потоки жидкой и паровой фаз;m – тангенс угла наклона
касательной к линии равновесия в средней точке части колонны.