Расчет сепараторов на пропукную способность.

Любой тип сепараторов должен рассчитываться на пропускную способность как по газу, так и по жидкости. Сравнительно легко поддаются расчету вертикальные гравитационные сепараторы и гидроциклонные.

 

Расчет вертикального гравитационного сепаратора

Количество газа, выделяющегося в сепараторе, определяется по формуле

, (3.5)

где V_г - количество газа, проходящего через сепаратор при нормальных условиях, м³/сут;

α - коэффициент растворимости газа в нефти, Па;

Q_н - количество нефти, проходящей через сепаратор, м³/сут;

Р₁ и Р_о - соответственно давление в сепараторе и нормальное давление (101,3∙10³), Па;

Т₁ и Т₂ - соответственно термодинамическая температура в сепараторе и нормальная (273 грК);

z - коэффициент сжимаемости газа.

Поделив правую часть уравнения (3.5) на число секунд в сутках и на площадь сечения сепаратора F = π∙D² / 4, можно найти среднюю скорость газа в сепараторе:

, (3.6)

Из выражения (3.6) можно определить диаметр сепаратора:

, (3.7)

 

Средняя скорость газа в сепараторе W^г_ср должна быть несколько меньше расчетной скорости оседания частиц жидкости W_ч, определяемой формулой Стокса:

а) Re ≤ 1

, (3.8)

где d - диаметр оседающей или всплывающей частицы (жидкости, газа), м;

ρ_ж и ρ_г – соответственно, плотность жидкости и газа в условиях сепаратора, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

μ_г - абсолютная вязкость газа, Па∙с.

 

б) 2 < Re≤500, формула Алена:

, (3.9)

в) Re > 500, формула Ньютона - Ритингера:

, (3.10)

Условие осаждения частицы:

 

W_ч - W_г > 0 (3.11)

 

На практике при расчетах принимается:

 

W_ч =1,2∙W_г (3.12)

 

Пропускная способность вертикального сепаратора по газу связана со скоростью газа следующим уравнением:

 

, (3.13)

 

где W_г - скорость подъема газа в вертикальном сепараторе, м/с;

F - площадь поперечного сечения сепаратора, м;

Р₁ и Р_о - соответственно давление в сепараторе и нормальное давление (101,3∙10 ³), Па;

Т₁ и Т₂ - соответственно рабочая температура в сепараторе и нормальная (273 К);

z - коэффициент сверхсжимаемости газа.

Отсюда:

, (3.14)

 

Подставив уравнения (3.8) и (3.14) в (3.12) получаем:

или

, ; (3.15)

Расчет вертикальных гравитационных сепараторов по жидкости сводится к выполнению условия, чтобы скорость подъема уровня жидкости W_ж в них была меньше скорости всплывания газовых пузырьков, т.е.

 

W_н < W_г (3.16)

 

Скорость всплывания пузырьков газа W_г в жидкости можно определять по формуле Стокса (3.8), заменив в ней динамическую вязкость газа μ_г на динамическую вязкость жидкости μ_н.

Учитывая соотношение (3.16), пропускную способность вертикального сепаратора по жидкости можно записать в следующем виде:

< (3.17)

или

(3.18)

 

После подстановки в формулу (3.18) величин F = π∙D²/4, g = 9,81м/с², и соотношения W_г = 1,2∙W_н, получим:

, ; (3.19)

 

3.2.2 Расчет горизонтального гравитационного сепаратора по газу

В условиях горизонтального сепаратора:

(3.20)

где W_н - скорость оседания частиц нефти, м/с;

W_г - скорость газа в сепараторе, м/с;

h - расстояние по вертикали от верхней образующей до уровня нефти в сепараторе, м;

h = (0,5 – 0,55)D;

L - длина сепаратора, м.

Подставив в (3.20) выражения для скоростей (3.8) и (3.14), получаем уравнения для определения пропускной способности по газу:

, ; (3.21)

 

При расчетах сепараторов на пропускную способность плотность газов в условиях сепаратора рассчитывается по формуле:

, (3.22)

 

где ρ_о - плотность газа при Н.У., кг/м³;

Р, Р_о - соответственно давление в сепараторе и давление при Н.У. (Р_о = 0,1013 МПа = 1,033∙9,81∙10 ⁴ Па);

Т, Т_о - соответственно абсолютная температура в сепараторе, и абсолютная нормальная температура (273 К).

 

Типовые задачи

Типовая задача 3.2

При прохождении нефтегазовой смеси через штуцер в сепараторе образуются капли нефти диаметром 30 мкм. Смесь находится под давлением 2 МПа при 293 К. Найти скорость осаждения капель нефти и определить пропускную способность вертикального гравитационного сепаратора по газу, если его диаметр 0,9м, ρ_н = 800 кг/м³ ρ_ог = 1,21 кг/м³, Z = 1, μ_г = 0,000012 Па∙с (вязкость газа в рабочих условиях).

 

Решение:

1. Определим плотность газа в условиях сепаратора:

=

2. Рассчитаем скорость осаждения капли нефти заданного диаметра:

=

3. Рассчитать пропускную способность сепаратора по газу можно по нескольким формулам (3.5, 3.13, 13.14, 13.15). Для (3.13 и 13.14) необходимо знать скорость газа. Поскольку должно выполняться условие W_н = 1,2∙W_г, чтобы происходило осаждение капель нефти, отсюда:

W_г = W_н / 1,2 = 0,0318/1,2 = 0,0265 м/сек

4. Пропускная способность по газу:

=

 

Типовая задача 3.3

 

Пропускная способность по газу вертикального сепаратора диаметром 0,8 м равна 5∙10⁴ м³/сут. Установить, будет ли происходить оседание капель нефти диаметром 80 мкм в потоке газа, если давление в сепараторе 4 МПа, температура 300 К, плотность нефти 780 кг/м³, плотность газа (при Н.У.) 1,20 кг/м³, вязкость газа в рабочих условиях 0,000012 Па∙с (кг/м3), Z = 0,7.

 

Решение:

Условием осаждения капель нефти является:

Wн > Wг

1. Определим скорость газа:

= =

2. Определим скорость оседания частицы (капли нефти) по формуле Стокса:

где =

Сравним скорость частицы и скорость газа:

 

W_н = 0,2088 м/с, W_г = 0,0221 м/с, W_н / W_г = 9,45

 

Если частица нефти заданного диаметра не осаждается при данных параметрах режима сепаратора, то рассчитайте:

а) величину давления сепарации, при котором частица заданного диаметра будет осаждаться;

б) минимальный диаметр частицы, которая будет осаждаться в заданных условиях

 

Типовая задача 3.4

Через вертикальный сепаратор диаметром 0,9 м проходит нефть вязкостью 10 сП (10∙10^-3 Па∙с) и плотностью 0,8 г/см³ в количестве 200 т/сут. Определить скорость подъема уровня нефти в сепараторе (без учета времени, затрачиваемого на сброс) и диаметр пузырьков газа, которые поднимутся при этой скорости. В сепараторе поддерживается режим: давление 1,962 МПа (20 кгс/см²), температура 300 К, плотность газа 21,8 кг/см³.

 

Решение:

Условием всплытия пузырьков газа:

W_н < W_г

1. Определяем скорость подъема уровня нефти:

= =

2. Скорость подъема пузырьков газа должна превышать скорость подъема уровня нефти в 1,2 раза. Отсюда:

W_г = 1,2∙W_н = 1,2∙0,00455 = 0,00546 м/с

 

3. Диаметр пузырьков газа, которые поднимутся при данной скорости подъема уровня нефти, рассчитываем из формулы Стокса:

=

Типовая задача 3.5

Определить производительность горизонтального сепаратора по газу, если его диаметр равен 0,9 м, длина 4,5 м. Расстояние от верхней образующей до уровня нефти 0,45 м. Рабочее давление 10 кгс/см², температура 300 К. Капельки нефти, оседающие в потоке газа, имеют диаметр 25 мкм, относительная плотность газа по воздуху ρ' = 0,95, вязкость газа 0,000011 Па∙с, Z = 0,95; плотность нефти 780 кг/м³, плотность воздуха (при С.У.) 1,205 кг/м³.

Решение:

1. Определим плотность газа при С.У.:

ρ_о = ρ'∙ρ_в = 0,95∙1,205 = 1,145 кг/м³

2: Определим плотность газа в рабочих условиях:

=

3. Определим производительность:

 

Задания для самостоятельной работы по теме 3.2

Задача 3.2

При прохождении нефтегазовой смеси через штуцер в сепараторе образуются капли нефти диаметром d, мкм. Смесь находится под давлением P, МПа при T, К. Найти скорость осаждения капель нефти и определить пропускную способность вертикального гравитационного сепаратора по газу, если его диаметр D. Известны плотность нефти, плотность газа и его вязкость, фактор сверхсжимаемости, z=1.

Исходные данные

 

Задача 3.3

Известна пропускная способность по газу вертикального сепаратора, его диаметр, давление и температура в аппарате. Установить, будет ли происходить оседание капель нефти определенного диаметра и плотности в потоке газа известной плотности и вязкости, z=1.

Исходные данные

 

Задача 3.4

Через сепаратор проходит известное количество нефти с ивестной плотностью и вязкостью. Определить скорость подьема уровня нефти в сепараторе (время на сброс нефти не учитивать) и диаметр пузрьков газа, которые поднимуться при этой скорости, если Re=1.

Диаметр, режим работы сепаратора и плотность газа при Н.У. известны.

Исходные данные

 

Задача 3.5

Определить производительность горизонтального сепаратора по газу, если известны его диаметр, длина, расстояние от верхней образующей до уровня нефти, рабочее давление и температура. Известны также диаметр капель нефти, плотность газа по воздуху, вязкость газа, плотность газа, Z, плотность нефти. Сравнить с производительностью вертикального сепаратора тех же габаритных размеров. Рабочие условия одинаковы,z=1.

Исходные данные

 

Задача 3.6

Определить внутренний диаметр сепаратора при известных: диаметре капелек и плотности нефти, динамической вязкости, температуре и плотности газа (ρ_г при Н.У.), давлении в сепараторе, пропускной способности по газу, z=1.

Исходные данные

 

Таблица3.1

Исходные данные к разделу 3.2

Параметр	Варианты
Давление сепарации, МПа	0,70	0,35	0,50	0,60	0,40	0,45	0,55	0,20	0,24	0,15
Температура сепарации, ^оС
Диаметр сепаратора, м	2,0	1,6	1,2	1,6	3,4	2,0	3,4	3,0	1,6	2,4
Диаметр капли нефти, (з.3.2) мкм
Плотность нефти, кг/м^3
Плотность газа при НУ, кг/м^3	1,80	0,75	0,90	1,2	0,88	0,84	0,70	0,80	0,67	1,1
Вязкость газа, Па*с, 10^-5	3	1,3		1,8	1,5	1,2	1,6	1,1	1,4	1,0
Пропускная способность по газу, м^3/сут ∙10^2
Диаметр капли нефти, (з.3.3) мкм
Вязкость нефти, Па*с, 10^-3	0,248	0,5		0,7	0,7	0,6		0,84	0,8	0,3
Количество нефти, т/сут.
Длина сепаратора, м	8,5	6,8	5,4	6,8	15,3	8,5	15,3	13,0	6,8	11,0
Диаметр капли нефти, (з.3.5) мкм
Диаметр капли нефти, (з.3.6) мкм

 

Параметр	Варианты
Давление сепарации, МПа	3,7	0,4	0,5	0,2	0,1	0,4	0,4	0,6	0,2	0,2
Температура сепарации, ^оС
Диаметр сепаратора, м	2,4	1,6	1,2	3,0	3,4	2,0	2,4	3,0	3,4	1,2
Диаметр капли нефти (з.3.2), мкм
Плотность нефти, кг/м^3
Плотность газа при НУ, кг/м^3	1,3	0,88	0,7	0,8	1,9	1,2	0,9	1,4	1,2	1,2
Вязкость газа, Па*с, 10^-5	1,2	1,5	1,6	1,3	1,3	1,2	1,1	1,2	1,2	1,2
Пропускная способность по газу, м^3/сут 10^2
Диаметр капли нефти, (з.3.3) мкм
Вязкость нефти, Па*с, 10^-3	0,248			0,7	0,7	0,6		0,84	0,8	0,3
Количество нефти, т/сут.			1593,6
Длина сепаратора, м	11,0	6,8	5,4	13,0	15,3	8,5	11,0	13,0	15,3	5,4
Диаметр капли нефти, (з.3.5) мкм
Диаметр капли нефти, (з.3.6) мкм

 

Параметр	Варианты
Давление сепарации, МПа	0,5	0,7	0,35	0,3	0,6	0,4	0,45			0,8
Температура сепарации, ^оС
Диаметр сепаратора, м	3,4	2,0	2,4	3,0	3,4	1,2	2,4	1,6	1,2	3,0
Диаметр капли нефти, (з.3.2) мкм
Плотность нефти, кг/м^3
Плотность газа при НУ, кг/м^3	0,9	1,8	0,75	1,7	1,2	0,9	0,84	1,21	1,3	0,9
Вязкость газа, Па*с, 10^-5			1,3	1,4	1,8		1,8	1,5	1,7
Пропускная способность по газу, м^3/сут 10^2
Диаметр капли нефти, (з.3.3) мкм
Вязкость нефти, Па*с, 10^-3			1,5	0,5		2,5		2,37	0,499
Количество нефти, т/сут.
Длина сепаратора, м	15,3	8,5	11,0	13,0	15,3	5,4	11,0	6,8	5,4	13,0
Диаметр капли нефти, (з.3.5) мкм
Диаметр капли нефти, (з.3.6) мкм

 

Параметры	Варианты
Давление сепарации, МПа	0,8	0,3	0,5	0,2	0,1	0,4	0,4	0,6	0,2	0,2
Температура сепарации, ^оС
Диаметр сепаратора, м	2,0	2,4	3,0	3,4	1,2	2,4	1,6	1,2	3,0	3,4
Диаметр капли нефти (з.3.2), мкм
Плотность нефти, кг/м^3
Плотность газа при НУ, кг/м^3	1,5	1,2	0,7	0,8	1,9	1,2	0,9	1,4	1,2	1,2
Вязкость газа, Па*с, 10^-5	1,3	2,5	1,3	1,4	1,8		1,8	1,5	1,7
Пропускная способность по газу, м^3/сут 10^2
Диаметр капли нефти (з.3.3), мкм
Вязкость нефти, Па*с, 10^-3	0,5		1,5	0,5		2,5		2,375	0,499
Количество нефти, т/сут.					1792,8		4183,2	1593,6
Длина сепаратора, м	8,5	11,0	13,0	15,3	5,4	11,0	6,8	5,4	13,0	15,3
Диаметр капли нефти, (з.3.5) мкм
Диаметр капли нефти, (з.3.6) мкм