УДК 622.276

Оценка влияния различных параметров на улавливание капельной жидкости в сепараторе циклонного типа

Сайфуллин Ринат Ильфатович – магистрант Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Исламов Марсель Касимович – кандидат технических наук, доцент Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Аннотация: Целью входных сепараторов на УКПГ является удаление из газожидкостной смеси механических примесей и капельной жидкости. Широкое применение нашли сепараторы центробежного типа. Для изучения зависимости различных параметров на влияние улавливания капельной жидкости построена модель движения частицы в поле центробежных сил. Рассмотрены как параметры влияют на процесс сепарации.

Ключевые слова: установка комплексной подготовки газа (УКПГ), входной сепаратор, центробежный сепаратор, капельный унос.

Целью входных сепараторов на УКПГ является удаление из газожидкостной смеси, приходящей с кустов скважин, механических примесей и капельной жидкости перед дальнейшей подготовкой на установке комплексной подготовки газа и предотвращения износа оборудования.

Важность улавливания механических примесей на входных сепараторах заключается в их негативном абразивном воздействии на трубопроводы и оборудование УКПГ.

Актуальность улавливания как можно большего числа капельной жидкости заключается в том, что:

• капельная жидкость увеличивает гидравлические сопротивления по длине технологических трубопроводов из-за своей большей плотности и вязкости по сравнению с газом.
• жидкая фаза имеет большую удельную теплоемкость и при движении по технологическим линиям УКПГ часть холодопроизводительности затрачивается на охлаждение жидкой фазы, что не является эффективным использованием. Так как снижение температуры используется как раз для конденсации паровой фазы в жидкую. Дальнейшее охлаждение жидкой фазы для ее сепарации уже не требуется.

Сепараторы центробежного типа нашли широкое применение в нефтяной и газовой промышленности. Они имеют ряд достоинств таких как:

• высокая производительность;
• устойчивость к забиванию механическими примесями;
• наличие раздельного отвода для газовой и жидкой фаз;
• высокая надежность.

Но не лишены и недостатков:

• повышенные требования к точности изготовления;
• ограниченность по жидкостным нагрузкам;
• значительные гидравлические сопротивления.

Очистка газа осуществляется в циклонных и в центробежных прямоточных элементах. В циклонах основная закрутка происходит относительно поперечной оси, в центробежных – относительно продольной.

Для анализа эффективности удаления механических примесей и капельной жидкости составим математическую модель ВГЦ. Принципиальная схема модели представлена на рисунке 1.

Основой модели служит математическая модель осаждения частиц жидкости под действием центробежной силы. [3]

Здесь сделаны следующие допущения:

1. Рассматривается движение обособленной капли жидкости;
2. Капля жидкости считается шарообразной, недеформируемой;
3. При всем движении она не соприкасается с другими каплями, соответственно не укрупняется и не размельчается;
4. Во время прохождения циклона не происходят процессы испарения и конденсации.

Рисунок 1. Схема моделируемого процесса в ВГЦ: d₁ – диаметр входной трубы, d₂ – диаметр выходной трубы, D – диаметр циклона, Q_гжс – расход ГЖС, P₁ – давление на входе в циклон, P₂ – давление на выходе из циклона, T₁ – температура газа на входе в циклон, T₂ – температура газа на выходе из циклона, W_a – скорость газа и частиц в аксиальном направлении, вдоль оси вихря, W_τ – тангенциальная скорость потока, W_di – скорость движения частицы под действием центробежной силы.

 

Условием улавливания частицы является выполнение равенства:

,           (1)

где W_di – скорость движения частицы под действием центробежной силы, м/с;

D – диаметр циклона, м;

d₂ – диаметр выходной трубы, м;

W_a – аксиальная составляющая скорости, м/с;

H – высота циклона, м.

Отдельно вычисляются левая и правая сторона неравенств и сравниваются согласно условию.

Произведена оценка влияния различных параметров на улавливание капельных частиц в циклоне.

При увеличении расхода газа эффективность улавливания в циклоне снижается, так как при неизменной скорости движения частиц в поле центробежных сил растет критерий улавливания – минимальная относительная скорость частиц для улавливания (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость улавливания частиц от расхода газа.

Изменение температуры потока не оказывает влияния на качество улавливания частиц по заданной модели. (рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость улавливания частиц от температуры потока.

С ростом давления растет эффективность улавливания в циклоне из-за влияния давления на плотность газовой фазы. А увеличение плотности газовой фазы влечет снижение аксиальной скорости потока вдоль оси завихрения (рисунок 4).

Рисунок 4. Зависимость улавливания частиц от давления.

Увеличение диаметра циклона приводит к уменьшению эффективности улавливания частиц. С одной стороны, снижается аксиальная скорость, что благоприятно для улавливания. Но с другой стороны растет расстояние, которое необходимо пройти частице для достижения периферии циклона. Влияния увеличения пути на эффективность выше, следовательно с ростом диаметра эффективность снижается (рисунок 5).

Рисунок 5. Зависимость улавливания частиц от диаметра циклона.

С ростом высоты циклона растет расстояние, которое необходимо пройти газу для выхода с циклона, увеличивается время нахождения в циклоне. Соответственно, растет эффективность (рисунок 6).

Рисунок 6. Зависимость улавливания частиц от высоты циклона.

Список литературы

1. Арнольд К., Стюарт М. Справочник по оборудованию для комплексной подготовки газа. Промысловая подготовка углеводородов / Перевод с английского. – М.: ООО «Премиум Инжиниринг». – 2009. – 630 с.
2. Бекиров Т.М. Сбор и подготовка к транспорту природных газов / Т.М. Бекиров, А.Т. Шаталов. – М.: Недра, 1986 – 261 с.
3. Запорожец Е.П. Математическая модель двухфазного струйного течения в массообменных вихревых элементах / Е.П. Запорожец, Г.К. Зиберт, Е.Е. Запорожец, Л.П. Холпанов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 1999. – . С. 10-12.
4. Зиберт Г.К. Технологические процессы и методы расчета оборудования установок подготовки углеводородных газов / Г.К. Зиберт, Е.П. Запорожец, А.Г. Зиберт, И.М. Валиуллин, И.Н. Андреева. – Москва: РГУ нефти и газа И. М. Губкина. – 2015. – 447 c.