Технологічний розрахунок сепараційного

Обладнання

Сепаратори, які використовують на нафтових промислах, класифікують за різними ознаками:

– за призначенням: робочі і вимірні;

– за геометричною формою: циліндричні і кульові;

– за розміщенням у просторі: вертикальні, горизонтальні і похилі;

– за способом розділення фаз: механічні, рідинні і електричні.

Сепаратори з механічним розділенням фаз, як найбільш продуктивні, і які використовують на промислах, поділяють на: гравітаційні; центробіжні (гідроциклонні); інерційні (сепаратори з насадками); фільтраційні.

а) гравітаційні сепаратори

Ефективність роботи сепараторів за ступенем винесення рідини газом із краплевідбійної секції (див. рис.4.3) оцінюється коефіцієнтом сепарації

= · 100% (3.1)

де G_П, G_У , G_В – відповідно маса рідини, яка поступила, уловлена і винесена із сепаратора, т/д.

Процес сепарації ще не достатньо вивчений, щоб можна було точно і надійно розрахувати ступінь ефективності роботи сепараторів для конкретних умов. Тому процес сепарації зводиться до спрощених умов:

1) частинка (тверда або рідка) має форму кульки;

2) рух газу у сепараторі усталений, тобто швидкість газу незалежно від часу постійна в любій точці сепаратора;

3) рух частинки вільний, тобто на неї не діють другі частинки;

4) швидкість осідання частинок постійна, тобто сила опору газового середовища стає рівною масі частинки.

Пропускну здатність гравітаційних сепараторів визначають в залежності від допустимої швидкості руху газу, яку визначають із умови рівноваги сил, які діють на частинку, і сили опору середовища, які виникають при русі цієї частинки. Вважають, що швидкість потоку газу в поперечному перерізі сепаратора ν _г повинна бути менша швидкості осідання частинок в газі ω _ч.

Сили, які діють на частинку у вертикальному гравітаційному сепараторі показані на рис. 3.20.

Сила ваги завжди направлена вниз G. Сила опору R в залежності від напрямку потоку газу може мати різний напрямок, наприклад, згідно схеми вона показана під кутом , У випадку вертикального потоку в залежності від того, чи струмінь газу буде направлений вверх чи вниз, cos = ± 1.

Якщо: ν _г < ω _ч (G > P) – частинка осідає у сепараторі; ν _г = ω _ч (G = P) – частинка зависає (не рухається) у сепараторі; ν _г > ω _ч (G < P) – частинка виноситься із сепаратора.

 

Рис. 3.19 - Схема рушійних сил діючих на

частинку у сепараторі

 

У загальному вигляді, силу, яка рухає частинку в потоці газу можна виразити

P = G - R cos (3.2)

де G – сила ваги частинки в сепараторі; R – сила опору потоку газу; – кут між силами G і R.

Вага частинки в сепараторі рівна

G = , 3.3)

де G – сила ваги частинки у сепараторі, кг; d_ч – діаметр частинки, м; ρ_ч і ρ_Г – відповідно густина частинки і густина газу в умовах сепаратора, кг/м³; g – прискорення земного тяжіння, м/с².

Силу опору газу при падінні частинки в сепараторі, за законом Ньютона, дорівнює

, (3.4)

де R – сила опору газу, кг; ω_ч – лінійна швидкість частинки, м/с; f – площа перерізу по діаметру частинки, м², дорівнює f = π d²/ 4; ξ – коефіцієнт опору середовища, залежить від числа Рейнольдса.

Враховуючи четверте припущення, тобто при рівномірному русі частинки сила опору газового середовища стає рівною дії сили ваги, тоді можна записати рівність G = R

= (3.5)

Лінійну швидкість частинки визначають із рівняння (4.5)

ω_ч = . (3.6)

Для ламінарного руху частинки коефіцієнт опору ξ виходить теоретично (Re = 1)

= = . (3.7)

Якщо підставити вираз (3.7) у рівняння (3.5), то швидкість осідання кульковидної частинки в газовому середовищі визначиться за формулою Стокса

ω_ч = , (3.8)

де ρ_ч - густина частинки, кг/м³; μ_Г - динамічна в’язкість газу, Па с; ρ_Г - густина газу в умовах сепаратора, кг/м³.

При значеннях числа Рейнольдса 2 ÷ 500 коефіцієнта опору представляється емпіричним рівнянням

ξ = 18,5 Re^{– 0,6}. (3.9)

Підставивши дане рівняння у рівність (3.5) і розв’язавши його відносно швидкості осіданні частинки, отримаємо формулу Аллена

ω_ч = . (3.10)

При значеннях числа Re > 500 коефіцієнта опору ξ стає постійним і рівним 0,44. Підставивши дане значення у формулу (4.5), отримаємо рівняння Ньютона

ω_ч = 1,75 . (3.11)

Пропускну здатність вертикального гравітаційного сепаратора для газу вираховують за формулою

Q_Г = , (3.12)

або

Q_Г = 1,96·10⁵ , (3.13)

де Q_Г – пропускна здатність сепаратора для газу при стандартних умовах, тис.м³/д; Р_с – тиск у сепараторі, МПа; Т_с – температура у сепараторі, К; D_c – внутрішній діаметр сепаратора, м; Z_с – коефіцієнт стисливості газу при Р_с і Т_с; υ_опт – оптимальна швидкість газу у сепараторі, υ_опт = 0,8 ω_ч, м/с.

При розрахунках задаються діаметрами частинок і за наведеними формулами (3.8), (3.10) і (3.11) вираховують швидкість ω_ч. Для d_ч < 0,08 мм ω_ч вираховують за формулою Стокса, для d_ч = (0,08 ÷ 0,8) мм – за формулою Аллена, для d_ч > 0,8 мм – за формулою Ньютона.

Пропускну здатність горизонтального гравітаційного сепаратора для газу вираховують за формулою (3.13), в яку додатково вводять коефіцієнт n = /D_c ( - фактична віддаль між патрубками входу і виходу газу, приймають ≥ 3 м).

Q_Г = 1,96·10⁵ n . (3.14)

Розрахунок вертикального гравітаційного сепаратора для рідини оснований на отриманні швидкості підіймання рівня рідини υ_Р в сепараторі меншої за швидкість спливання бульбашок газу ω_б в рідині (υ_Р < ω_б).

За формулою Стокса визначають швидкість спливання бульбашок газу у рідині

ω_б = , (3.15)

де ω_б – швидкість спливання бульбашок газу, м/с; d_б – діаметр бульбашок газу, м.

Швидкість підіймання рівня рідини у вертикальному сепараторі

υ_Р = (3.16)

де Q_Р – витрата рідини, м³/д; υ_Р – швидкість підіймання рівня рідини, м/с.

Із рівності

= (3.17)

визначають пропускну здатність вертикального гравітаційного сепаратора по рідині за формулою

Q_Р = 36964 (3.18)

Пропускна здатність горизонтального гравітаційного сепаратора по рідині дорівнює

Q_Р = 47090 F , (3.19)

де F - площа дзеркала рідини, яка залежить від висоти рівня рідини в сепараторі, м².

Із-за відсутності надійних методів визначення дисперсності крапель рідини у потоці газу, для практичних розрахунків пропускної здатності гравітаційних сепараторів використовують формулу (3.12) і (3.13), в якій оптимальну швидкість газу визначають за формулою

υ_опт = υ₁ , (3.20)

де υ₁ – швидкість газу в сепараторі при тиску Р₁ = 6 МПа, яку приймають υ₁ = 0,1 м/с; Р₂ – тиск газу в сепараторі, при якому знаходять υ, МПа. Практикою встановлено, що існує деяка оптимальна швидкість газу, при якій ефективність сепарації складає 75 ÷ 85%. Подальше зменшення швидкості газу в гравітаційних сепараторах не приводить для частинок розміром 100 мкм помітного збільшення ефективності сепарації, а разом з тим приводить до суттєвого збільшення площі сепараторів, і відповідно, їх маси.

б ) гідроциклонні сепаратори

У циклонному сепараторі сепарація крапель рідини від газу відбувається під дією відцентрової сили. Швидкість руху крапель рідини υ_ц у циклоні вираховують за формулами (3.8), (3.10) і (3.11), в яких прискорення g замінюють на відцентрове прискорення r.

Для діаметрів частинок d_ч < 0,08 мм (формула Стокса)

υ_ц = , (3.21)

Для діаметрів частинок d_ч = 0,08 ­÷ 0,8 мм (формула Аллена)

υ_ц = . (3.22)

Для діаметрів частинок d_ч > 0,8 мм (формула Ньютона)

υ_ц = 1,74 (3.23)

На практиці гідравлічний розрахунок гідро циклонного сепаратора зводиться до визначення діаметру циклона D_ц , а решта розмірів конструктивно залежать від цього діаметру

D_ц = 0,0122 (3.24)

де D_ц – діаметр циклона, м; Q_Г – витрата газу при стандартних умовах, тис.м³/доб; Р₁ і Р₂ - відповідно тиски на вході і виході циклона, МПа; Р_СР = (Р₁ + Р₂) / 2 – середній тиск в циклоні, МПа; Т₁ і Т₂ – відповідно температура на вході і виході циклона, К; Т_СР = (Т₁ + Т₂) / 2 – середня температура в циклоні, К; z_СР - коефіцієнт стисливості газу при Р_СР і Т_СР. Решта позначень аналогічні, як у формулах (3.8 ÷ 3.11).

Втрати тиску = Р₁ – Р₂ у циклоні (вхідному патрубку) визначають за формулою

= ξ 10 ^-6, (3.25)

де - перепад тиску у вхідному патрубку, МПа; υ_Г – швидкість газу у вхідному патрубку циклона, м/с; - густина газу при Р₁ і Р₂, МПа; ξ – коефіцієнт гідравлічного опору, віднесений до вхідного патрубку і не залежить від швидкості газу , а залежить від співвідношення площі поперечного перерізу вихідного і вхідного патрубків (ξ = 2 ÷ 4).

в) сепаратори з насадками

Технологічний розрахунок сепараторів з насадками (інерційних сепараторів) полягає у визначенні швидкості набігання потоку газу, при якій не відбувається зриву і подрібнення крапель рідини, яка осіла у насадці.

Критична швидкість газу у насадці визначається за формулою

W_КР = k (3.26)

де W_КР – критична швидкість у насадці, м/с; - коефіцієнт поверхневого натягу на границі розділу „ газ – рідина”, н/м;

і - густина рідини і газу в умовах сепаратора, кг/м³;

k – коефіцієнт, який характеризує порушення режиму сепарації.

Для вертикального жалюзійного відбійника k = 0,45, для горизонтального сітчастого відбійника k = 0,6. для вертикального сітчастого відбійника k = 0,9.

Сепаратори експлуатують при швидкостях газу менших за критичну швидкість. За номінальну швидкість приймають W_С = (0,8 – 0,85) W_КР.

Пропускна здатність сепараторів з насадками

Q_Г = 2,5 10⁵ F_c W_C (3.27)