Материал: Проект расчета сепаратора

Проект расчета сепаратора

Содержание

Введение

1. Теоретические основы технологии и конструкции аппаратов

1.1 Влияние формы сепаратора на его конструкцию

.2 Горизонтальные сепараторы

.3 Сепараторы с насадкой

. Материальный баланс

. Тепловой расчет

4. Аппаратурный расчет

4.1 Технологический расчет

4.2 Механический расчет

4.3 Гидравлический расчет

5. Технологическая схема процесса сепарации. Автоматизация процесса

Заключение

Список использованной литературы

Введение

С момента начала промышленной добычи нефти было разработано очень большое количество вариантов технологических схем подготовки скважинной продукции. Как правило, на каждом месторождении реализована своя, особенная схема, которая была реализована. В настоящее время происходит непрерывное совершенствование оборудования, аппаратов, материалов, приборов, применяемых при проектировании и строительстве объектов подготовки компонентов скважинной продукции. Но при всем совершенствовании «железа», принципы проведения технологического процесса, компоновки технологических схем остаются неизменными и базируются на глубоком понимании инженера-технолога физико-химических свойств поступающего сырья (с учетом возможности их изменения), требований к качеству основной и побочной продукции производства. [1]

Основными задачами систем подготовки скважинной продукции являются:

. Прием продукции от добывающих скважин

. Разделение многофазного потока на составляющие компоненты (три фазы - нефть, газ и вода)

. Подготовка нефти, газа и воды к последующему транспорту или утилизации в соответствии с предъявляемыми требованиями.

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.

. Теоретические основы процесса

Одним из наиболее распространенных видов аппаратуры в объектах промыслового сбора, подготовки нефти и газа к транспорту являются сепараторы. Предназначаются эти аппараты для отделения газа от жидкости, жидкости от газа, а в некоторых случаях оба процесса могут сопровождаться разделением жидких фаз, отличающихся своими плотностями (нефть - вода, бензин - вода). [2]

По характеру действующих сил сепараторы делятся на:

1.  Гравитационные, разделение фаз в которых происходит за счет разности плотностей жидкости газа или твердых частиц газа.

2.  Насадочные сепараторы, в которых фазы разделяются за счет сил тяжести и инерции.

3.  Центробежные, разделение в которых происходит за счет центробежных и инерционных сил.

По форме и положению в пространстве сепараторы делятся на: цилиндрические горизонтальные с одной или двумя емкостями; цилиндрические вертикальные; сферические.

Существует множество сепараторов различных конструкций, но все они, как правило, состоят из следующих секций.

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.

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.

Кроме функций, выполняемых описанными секциями, 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.

.1 Горизонтальные сепараторы

На Рисунке 1 схематически изображено устройство горизонтального двухфазного сепаратора. Поток флюида поступает в емкость сепаратора и ударяется о входнуют перегородку, что приводит к резкому снижению импульса потока. Первичное разделение жидкости и газа происходит именно на данной перегородке. Под действием силы тяжести более крупные капли жидкости, унесенные газом, падают на границу раздела фаз. [1]

Рисунок 1. Схема устройства горизонтального сепаратора

Жидкость, протекая через емкость, отстаивается в секции сбора жидкости в течение некоторого времени, необходимого для того, чтобы увлеченные жидкостью пузырьки газа успели всплыть на поверхность и присоединиться к основному объему газа. Эта секция также обеспечивает буферный объем в случае наличия пульсаций входного потока. Затем жидкость покидает емкость через клапан регулировки уровня, который управляется уровнемером. Уровнемер регистрирует повышение уровня в емкости и соответственно клапан открывается.

Газ, после прохождения через перегородку, течет горизонтально по секции вторичной сепарации над жидкостью. В то время, когда газ протекает через эту секцию, более мелкие капли жидкости, оставшиеся в газе после каплеотбойника, оседают под действием силы тяжести и попадают на границу раздела фаз. Однако некоторая часть капель жидкости имеет такой маленький диаметр, что они практически не могут осесть за время прохождения газа через секцию гравитационной сепарации. Перед тем, как газ покинет емкость, он проходит через коалесцирующую секцию или каплеотбойник. В этой секции могут применяться металлические сетки, пакеты рифленые пластины, а также другие насадки, которые улавливают мелкие капли жидкости, помогая им коагулировать и, увеличиваясь в размере, падать на границу раздела фаз.

Давление в емкости контролируется клапаном регулировки давления, который устанавливается на линии выхода газа. Датчик давления регистрирует отклонение давления в емкости от нормального и подает сигнал на открытие или закрытие клапана. Таким образом, управляя расходом потока газа, покидающего емкость, поддерживается требуемое давление в емкости. Обычно горизонтальные сепараторы эксплуатируются с уровнем жидкости в емкости 50%, что также обеспечивает максимальную площадь поверхности раздела фаз.

.2 Сепараторы с насадкой

Для увеличения производительности сепараторов, повышения эффективности и качества сепарации применяются отбойные насадки различных типов.

Отбойные насадки устанавливаются в секции влагоулавливания и в верхней части колонных аппаратов.

Капли жидкости в насадках осаждаются в основном под действием сил инерции. Роль турбулентного переноса капель относительно мала. На рисунке ё показаны насадки, общность процессов в которых заключается в способе отделения капельной жидкости из газового потока и отвода ее из насадки. При работе сепаратора на элементах этих насадок постепенно укрупняются капельки жидкости, образуя в нижней части насадок пленку жидкости, из которой формируются капли, под действием силы тяжести периодически стекающие вниз. Поток газа действует на эти капли и пленку жидкости, и при определенной скорости газового потока нормальная работа сепаратора нарушается в результате прекращения стекания капель вниз, увлечения жидкости в направлении движения газового потока и срыва пленок с верхней кромки насадок. [3]

Широкое распространение в зарубежной практике, а в последние годы и в отечественной, в качестве устройств для отделения капель жидкости от газа или пара получили вязаные проволочные сетки. Эффективность проволочных отбойников, по данным зарубежных источников, превышает 99% в широком диапазоне скоростей.

При малых скоростях газового потока капли жидкости проходят между проволочками, что определяет малую эффективность отбойника. При высоких скоростях газа жидкость накапливается в отбойнике и наблюдается вторичный унос.

2. 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.

Расчет процесса сепарации должен включать:

—    расчет фазового равновесия;

—      расчет однократного испарение компонентов смеси.

В общем виде материальный баланс процесса сепарации двухфазной смеси можно записать в следующем виде:

(1)

где F - количество исходного сырья, кг/час; - количество паровой фазы кг/час; - количество жидкой фазы кг/час.

Для i - го компонента системы материальный баланс запишется следующим образом:

 (2)

где u_i, x₁, y_i - мольные доли i -го компонента в исходном потоке и полученных жидкой и паровой фазах соответственно.

Схема тепловых и материальных потоков представлена на рисунке 2.

Для определения содержания i -го компонента в жидкой и паровой фазах необходимо провести расчет однократного испарения по уравнениям (3), (4) при выполнении условия (5).

Рисунок 2. Схема потоков в сепараторе

В условиях равновесия

,(3)

Результаты расчета однократного испарения смеси углеводородов были проведены с помощью HYSYS и приведены в приложении А табл. А1.

3. Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение толщины тепловой изоляции.

Толщину тепловой изоляции рассчитываем по формуле (13) [5]

, (13)

где δ_из - толщина тепловой изоляции;

λ_из - коэффициент теплопроводности материала изоляции;

α_н - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух);

t_ст ,t_окр , t_из - соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя.

Принимаем:

t_ст= 9,25⁰С;

t_окр=30 ⁰С;

t_из=20 ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по приближенному уравнению [5]:

α_н =9,74+0,07∙Δt = 9,74+0,07∙(-10)=9,04 Вт/м²∙К, (14)

Δt= t_из - t_окр=20-30=-10⁰ С.

В качестве изоляционного материала выбираем солевит

λ_из = 0.098 Вт/м²∙К , тогда

=.

. Аппаратурный расчет

.1 Технологический расчет

Основной целью технологического расчета является определение диаметра и высоты сепаратора.

Формулы расчета основных конструктивных элементов находятся в зависимости от типа сепаратора и от расположения отбойной насадки.

Для установки подготовки нефти задаемся горизонтальным сепаратором.

При известной производительности сепаратора по газу можно рассчитать площадь поперечного сечения сепаратора с отбойными насадками [6]:

 (15)

Где W₁ - допустимая скорость газа в сепараторе, м/с

 (16)

где V_Г - производительность сепаратора по газу, м³/сут;

j - живое сечение отбойной насадки, м2/м2;

ρ_Н, ρ_Г - плотности нефтяной смеси и газа, соответственно, в рабочих условиях, кг/м³;

Р, Р₀ - абсолютное давление при сепарации и абсолютное атмосферное давление, соответственно, кгс/см²;

Т, Т₀ - абсолютная температура при сепарации и абсолютная стандартная температура, соответственно, К; , z₀ - коэффициенты сжимаемости газа в рабочих условиях и в стандартных условиях;

Необходимое качество сепарации - удельный унос жидкости для сепараторов без отбойных насадок принимается по табл. 3 при различных значениях коэффициента v_g или определяется по формуле [6]:

 (17)

Унос жидкости вместе с газом [6]:

 (18)

н - производительность по нефти, кг/сут.;

v_g, B - постоянный коэффициент, зависящий от необходимой степени очистки газа в сепараторах без отбойных и с отбойными насадками, м/с; - содержание нефти в общем потоке газонефтяной смеси, % (мас); - удельный унос жидкости, кг/кг; _y - унос жидкости вместе с газом, кг/сут;

r₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/нм3;

Плотность компонентов газа при рабочих условиях определяется по следующей формуле[7]:

 (19)

где ρ₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

Р, Р₀ - давление в сепараторе и давление при нормальных условиях, Па;

Т₀, Т - абсолютная нормальная температура (Т₀ = 273 К) и абсолютная температура в сепараторе (Т = 273+t, К);- коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:

, (20)