Нефтегазовый сепаратор дл растворенного газа

НЕФТЕГАЗОВАЯ СЕПАРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
Слащев Юрий Владимирович
Астраханский государственный технический университет
Основой современной энергетики является нефть и природный газ. Одним из
основных процессов промысловой подготовки нефти является сепарация нефти
от газа в сепараторах различных типов [1,2]. Для повышения эффективности
процесса сепарации может быть применён эффект поглощения мелких
пузырьков растворённого газа за счёт пропускания через слой нефти более
крупных пузырьков рабочего газа.
Целью работы является оценка размеров пузырьков рабочего газа и
разработки схемы установки для реализации предложенного процесса.
Рассмотрим процесс дегазации в горизонтальном нефтегазовом сепараторе.
При попадании нефти в сепаратор часть попутного газа свободно отделяется от
нефти. Часть газа остается в нефти в растворенном виде. Это имеет место, если
размеры газового пузырька таковы, что подъёмная сила оказывается меньше,
чем сила трения, обусловленная вязкостью нефти. Если сила трения больше
подъёмной силы, то пузырьки газа совершают хаотическое тепловое движение,
оставаясь в нефти. Очевидно, что для подъёма пузырька газа необходимо
соблюдать условие
Fп
Fтр ,
(1)
где Fп  подъёмная сила, Н; Fтр  сила трения, Н.
Движущей является подъёмная сила, равная весу нефти, вытесненной
пузырьком:
Fп   gVп ,
(2)
где   плотность нефти, кг/м 3 ; Vп  объём пузырька газа, м 3 .
Препятствует ей сила трения, которая определяется по формуле [3]
Fтр  6 rr , Н ,
(3)
где   динамическая вязкость, Па·c; r  радиус пузырька, м;   скорость
всплытия пузырька, м/c.
Из сравнения формул (2) и (3) видно, что с ростом радиуса пузырька газа
подъёмная сила растёт значительно быстрее, чем сила трения. Радиус пузырька
увеличивается от слияния с другими пузырьками, от диффузии паров нефти в
него и за счёт теплоты трения.
1
Для случая равенства этих сил, при котором пузырёк начинает двигаться
вверх со скоростью, например, v = 0, 1· 10 6 м/с, плотности нефти, равной
ρ = 800 кг/м 3 , динамической вязкости η = 0,0212 Па  с , радиус пузырька
r = 0,0348 мм. Растворённый газ имеет меньшие размеры и не может выйти на
поверхность самостоятельно, поскольку объём пузырька растворённого газа
недостаточен для создания подъёмной силы, превышающей силу трения,
поэтому для дегазации необходимо создавать условия. Во-первых, это –
повышение температуры нефти, требующее значительных затрат тепловой
энергии. Во-вторых, пропускание через нефть более крупных пузырьков
рабочего газа. Это тот же нефтяной газ, подаваемый через перфорированные
трубы, например, из спечённых металлических шариков. При этом давление
рабочего газа должно незначительно превышать сумму давлений газа в
сепараторе и гидростатического давления слоя нефти на уровне
перфорированных труб. Давление должно быть достаточным для выхода
пузырьков газа из нефти без вспенивания, т.е. только для дегазации, но не
выноса вспененной нефти.
Эффект прилипания пузырьков газа друг к другу возникает при движении
большого пузырька рабочего газа вверх и прохождении его вблизи маленького
пузырька растворенного газа (рис. 1).
Рост и всплытие пузырька газа в нефти
Рис.1
Fтр. – сила трения, Н; Fп. – подъемная сила, Н; Fсбл. – сила сближения, Н.
2
Взаимодействие пузырьков, приводящее к их столкновению и
последующему слиянию, обусловлено, с одной стороны, разностью скоростей
их движения относительно жидкости за счет разных размеров, а с другой
стороны молекулярными силами взаимодействия между пузырьками. За счёт
разности в скоростях происходит сближение пузырьков на относительно
больших (по сравнению с радиусами пузырьков) расстояниях. На малых
расстояниях сближению пузырьков способствуют молекулярные силы
притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Кроме того на малых расстояниях
возникают силы сопротивление вязкой жидкости при вытеснении тонкого слоя,
разделяющего сближающиеся пузырьки.
Сила межмолекулярного взаимодействия, направленная вдоль линии центра
пузырьков:
F  Г m  (a  b) /  2  (a  b),
(4)
где Г m  постоянная Гамакера ( Г m  10 19 Дж ); a, b  радиусы пузырьков, м (a  b);
  расстояние между поверхностью и сближающимся пузырьком, м;
При касании пузырьков образуется общая граница раздела между ними,
которая увеличивается в диаметре под действием сил поверхностного
натяжения пузырьков, растягивающих поверхность контакта. Толщина её
уменьшается до размера молекулы, выпучивается внутрь большего пузырька,
поскольку давление в меньшем пузырьке больше, чем в большом, согласно
закону Лапласа – Юнга:
p
где
2
,
r
(5)
р  давление газа в пузырьке, Па; σ – коэффициент поверхностного
Дж
натяжения, 2 ; r – радиус пузырька, м.
м
Он рвётся от силы давления меньшего пузырька, а пузырьки сливаются в один.
Установка (рис.2) содержит компрессор 1, сепаратор 2, перфорированные
трубы 3 и газосборник 4, образующие циркуляционный контур.
3
Рис. 2
1 – компрессор; 2 – сепаратор; 3 – перфорированные трубы; 4 – газосборник
Нефтегазовый сепаратор работает следующим образом. Рабочий газ из
компрессора 1 подаётся в сепаратор 2 через перфорированные трубы 3, а
отсепарированный газ собирается в накопительном газосборнике 4, из которого
поступает в компрессор и в сеть. Подача газа осуществляется компрессорами
7 ВКГ 50/7, в количестве 2  3 м 3 на одну тонну нефти.
На предлагаемую нефтегазовую сепарационную установку подана заявка на
полезную модель и получено положительное решение на выдачу патента.[5].
Предложенные процесс и установка сепарации нефти от газа позволят
улучшить качество нефти, ее показатели.
Список литературы:
1. Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. – М.:ООО ТИД
«Альянс», 2005. – 319 с.
2. Оборудование для добычи нефти и газа / В.Н. Ивановский, В.Н. Дарищев,
А.А. Сабиров и др. – М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.
Губкина, 2003. – 792 с.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике. М.: Мир, 1985.
4. Мильштейн Л.М., Бойко С.И., Запорожец Е.П. Нефтегазопромысловая
сепарационная техника: Справочное пособие/Под ред. Л.М. Мильштейна.
– М.: Недра, 1992. – 236 с.
5. Краснов В.А., Шишкин Н.Д., Слащев Ю.В. Заявка на полезную модель
«Нефтегазовый сепаратор» № 2010106896 от 24.02.2010.
4