Сепарация газа и нефти

Сапарация нефти и газа
Теоретические основы технологии и
конструкции аппаратов
2
 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.




Отделение нефти от газа и воды в различных
сепараторах производится с целью:
получения нефтяного газа, который используется как
химическое сырье или как топливо;
уменьшения перемешивания нефтегазового потока и
снижения за счет этого гидравлических сопротивлений;
уменьшения пенообразования (оно усиливается
выделяющимися пузырьками газа);
уменьшения пульсаций давления в трубопроводах при
дальнейшем транспорте нефти от сепараторов первой
ступени до установки подготовки нефти (УПН).
Сепараторы условно можно подразделить
на следующие категории:
4
 по назначению: замерные и сепарирующие;
 по геометрической форме: цилиндрические, сферические;
 по положению в пространстве: вертикальные, горизонтальные и







наклонные;
по характеру основных действующих сил: гравитационные,
инерционные, центробежные, ультразвуковые и т.д.
по технологическому назначению нефтегазовые сепараторы
делятся на:
- двухфазные - применяются для разделения продукции скважин на жидкую и
газовую фазу;
- трехфазные - служат для разделения потока на нефть, газ и воду;
- сепараторы первой ступени сепарации – рассчитаны на максимальное
содержание газа в потоке и давление I ступени сепарации;
- концевые сепараторы - применяются для окончательного отделения нефти
от газа при минимальном давлении перед подачей товарной продукции в
резервуары;
- сепараторы-делители потока – используются, когда необходимо разделить
выходящую из них продукцию на потоки одинаковой массы;
 - сепараторы с предварительным отбором





газа: раздельный ввод жидкости и газа в
аппарат увеличивает пропускную
способность данных аппаратов по
жидкости и газу;
по рабочему давлению:
высокого давления
6МПа;
среднего давления
2,5 – 4МПа;
низкого давления
до 0,6МПа;
вакуумные
(давление ниже
атмосферного).
6
 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.
7
 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.
8
 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.
9
 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.
10
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.
11
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.
12
Рисунок 1 - Схема устройства горизонтального сепаратора
Внутрикорпусные устройства
сепараторов
13
Рис. 2 - Входная перегородка
Рис 4 - Лопастной каплеотбойник
Рис 3 - Центробежное входное устройство
Рис 5 - Сетчатый каплеотбойник
Рис 6 - Антизавихрители
Конструктивные особенности сепараторов
российского производства
14
 конструкция входной трубы для предварительного
дегазирования нефти,
 наличием трубы для образования капель,
активизирующей их слияние до осаждения
 конструкцией аппаратов, препятствующих уносу газа,
устанавливаемых над основным сепаратором.
Трехфазная сепарация
15
Рис 7 - Модель сепарации в системе нефть/газ/вода
16
В процессе трёхфазной сепарации одновременно
должны осуществляться четыре процесса:
 пузырьки газа поднимаются в слое воды и нефти,
 капли воды осаждаются в слое нефти,
 капли нефти поднимаются в слое воды,
 В дисперсной зоне происходит коалесценция
капель дисперсной фазы с соответствующей
непрерывной зоной.
17
Рис 8 - Устройство трехфазного сепаратора
18
Рис 9 - Устройство вертикального трехфазного сепаратора
Внутрикорпусные устройства
трехфазных сепараторов
19
Рис 11 – Коалисцирующее устройство
Материальный баланс
20
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.
Qсырья = Qнефти + Qводы + Qгаза
Рассчитаем Qводы из отношения:
где w – начальная обводненность нефти, % масс.
Тепловой расчет
21
Целью теплового расчета является определение толщины тепловой
изоляции.
из tст  tиз 
 из 
н

t
из
 tокр 
где
 δиз – толщина тепловой изоляции;
 λиз – коэффициент теплопроводности материала изоляции;
 αн – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух);
 tст ,tокр , tиз – соответственно температуры наружной стенки аппарата,
окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя.
Коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по приближенному
уравнению: αн =9,74+0,07∙Δt = 9,74+0,07∙10=11,14 Вт/м2∙К,
где Δt= tиз – tокр, С.
Затем выбирают изоляционный материал.
Аппаратурный расчет
22
Основной целью технологического расчета является определение
диаметра и высоты сепаратора.
Например:Qнефти перевести из м3/сут в м3/сек.
Для того чтобы рассчитать расход газа в условиях сепарации,
необходимо учесть сжимаемость газа. С помощью уравнения
состояния идеального газа рассчитаем плотности газа при
стандартных условиях и в условиях сепарации.
где  - плотность, кг/м3; P – давление в сепараторе, Па;Mr – молекулярная масса,
г/моль;
R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; T – температура в сепараторе, K;z
– коэффициент (фактор) сжимаемости газа.
23
Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации
рассчитываем z для каждого компонента смеси газа.
Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:
z  1  0.73 пр  0.18 пр
 где ,- приведенные температура и давление, соответственно.
Для того, чтобы вычислить расход газа в условиях сепарации
необходимо расход газа при стандартных условиях умножить на
плотность газа при стандартных условиях и поделить на плотность
газа в условиях сепарации.
24
Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при
горизонтальной ориентации сепаратора и наличии лопастного
каплеотбойника принимают равным 0,12 м/с.
Таким образом, зная скорость и расход газа, можем посчитать
минимальную площадь сечения, необходимую для газовой фазы.
25
Расчет производительности сепараторов по нефти
осуществляется на основании времени удержания газонефтяной
смеси в сепараторе. Согласно рекомендациям время удержания
должно быть меньше одной минуты. Задаем дополнительное
условие: граница раздела фаз сепаратора проходит
через его середину. Соответственно, расход нефти через
сепаратор с эффективной длиной Leff и с D будет описываться
следующим уравнением:
26
Отношение длины сепаратора к диаметру называется
коэффициентом стройности сепаратора. Для стандартных
сепараторов данное соотношение обычно остается примерно
постоянным и равно 3,5. С учетом того, что эффективная длина
сепаратора обычно равна ¾ от общей длины сепаратора,
следующие выражение для диаметра в зависимости от времени
удержания газонефтяной смеси в сепараторе может быть
получено:
27
На основании полученного выражения для зависимости диаметра
сепаратора от времени удержания газонефтяной смеси, могут быть
получены основные геометрические характеристики сепараторов, а
именно, длина и объем
28
29
30
31
Расчет количества газа, выделившегося
по ступеням сепарации
32
Суммарное количество газа (свободного и растворенного), содержащегося
в нефти и поступающего на первую ступень сепарации, определяется по
формуле:
3
VГ  Г  QH ,
М
СУТ
где Г - газовый фактор, м3/ м3;
QН - дебит нефти, м3/сут;
Количество газа, оставшегося в растворенном состоянии в нефти VР и
поступающего из первой ступени во вторую, согласно закону Генри,
равно:
3
VР  1  Р1  QH ,
М
СУТ
где α- коэффициент растворимости газа в нефти при температуре и давлении
в сепараторе, м2/н;
Р1, Р2…- давления на первой, второй и т.д. ступенях сепарации, Па.
Дебит отсепарированного газа на первой ступени будет равен:
V1  V Г  VР  ( Г  1  Р1 )  QH
Дебит свободного газа, отсепарированного на второй ступени, будет равен:
V2  (1  Р1   2  Р2 )  QH
где VГ - количество газа, поступающего из скважины, м3/сут;
V1, V2…- количество газа, сепарируемого соответственно при давлениях Р1,
Р2…, м3/сут;
Для точных определений необходимо иметь кривую изменения α от
давления, построенную на основе анализа глубинной пробы нефти
соответствующей скважины.
Расчет вертикального гравитационного
сепаратора по газу
При расчете гравитационных сепараторов по газу
принимаются следующие допущения:
 частица (твердая или жидкая) имеет форму шара;
 движение газа в сепараторе установившееся, т.е. такое,
когда скорость газа в любой точке сепаратора независимо
от времени остается постоянной, но по абсолютному
значению может быть разной;
 движение частички принимается свободным, т.е. на нее
не оказывают влияние другие частицы;
 скорость оседания частицы постоянная, это тот случай,
когда сила сопротивления газовой среды становится
равной массе частицы.
Исходя из принятых допущений, рассмотрим силы действующие на частицу,
осаждающуюся в газовой среде:
FТЯЖ  mЧ  g  VЧ  Ч  g;
FA  VЧ   CP  g  VЧ   Г  g;
PОСЕД  FТЯЖ  FА  VЧ (  Ч   Г )  g ,
где m - масса частицы; g - ускорение силы тяжести, м/с2; ρч - плотность частицы.
Поскольку частица шарообразна, ее объем равен:   d 3
Тогда:
Р
 d
6
3
 ( Ч   Г )  g
6
,
Силу сопротивления газа R при свободном оседании частицы можно представить в
2
следующем виде:
R  
 Г  WЧ
2
 SЧ ,
где ξ - коэффициент сопротивления среды, являющийся функцией критерия
Рейнольдса;
ρГ - плотность газа, кг/м3;
WЧ - линейная скорость частицы, м/с;
SЧ - площадь сечения частицы, π·d2/4.
Исходя из 4-го допущения, в момент, когда R уравновесит силы тяжести и частица
будет двигаться равномерно ускорение будет равно 0.
FТЯЖ - FА- R = 0,
Т.е. исходя из равновесия сил, действующих на частицу, можно записать: Р = R.
Отсюда:
2
3
2
 d
6
 ( Ч   Г )  g   
 Г WЧ
2

 d
4
Из этого уравнения можно определить коэффициент сопротивления ξ:
4 d ( Ч   Г )  g

3
WЧ 2   Г
Для ламинарного движения частиц (Rе < 2) коэффициент сопротивления
рассчитывается по формуле:

24 24 Г


,
Rе WЧ  d
где νг - кинематическая вязкость газа:
2
 Г  Г  , М C
Г
т.е. сопротивление среды пропорционально вязкости;
μг - динамическая вязкость газа, , Па * с.
Уравнение для расчета скорости оседания шарообразной частицы в газовой среде
(формула Стокса):
2
2
4 d 2  ( Ч   Г ) dЧ  ( Ч   Г )  g dЧ  ( Ч   Г )  g
WЧ  


,
3
24   Г
18   Г
18  Г   Г
где μг - динамическая вязкость газа, кг/м.с(Па·с);
d - диаметр частицы, м;
ρч – плотность частицы в условиях сепаратора, кг/м3;
νг- кинематическая вязкость газа в условиях сепаратора, м2/с.
В промысловых сепараторах Rе для частицы значительно выше, чем 2.
При значениях числа Rе от 2 до 500 зависимость коэффициента сопротивления ξ
представляется эмпирическим уравнением:
0.6
  18,5  Re
Для расчета используем формулу Аллена:
WЧ  0,152 
d 1.14  (  Ч   Г ) 0, 71  g 0.71
 Г0, 43   Г 0,71
Для турбулентного режима движения при значениях числа Rе более 500 (до 2·105),
коэффициент сопротивления ξ для шарообразной частицы становится постоянным
и равным 0,44. Для расчета используем уравнение Ньютона-Ритингера:
WЧ  1,75 
d  ( Ч   Г )  g
Г
Пропускная способность вертикального сепаратора по газу определяется в
зависимости от допустимой скорости движения газа:
P T0 1
V  86400  F  WГ    ,
P0 T Z
М3
СУТ
,
где V- пропускная способность по газу при Н.У.,т.е.:P0 = 1,033 . 9,81·104, Па = 1,01·105,
Па = 0,1013 МПа;
Т0 = 273 К;
F
  D2
4 внутренняя площадь сечения вертикального сепаратора, м2;
D - внутренний диаметр сепаратора, м;
Р - давление в сепараторе, Па;
Т - абсолютная температура в сепараторе, К;
Z - коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального при
рабочих условиях в сепараторе.
WГ - скорость подъема газа в вертикальном сепараторе, м/с.
3
Отсюда: W Г  5,4  10 
V T
 Z,
D2  P
М
С
Итак, выпадение частицы происходит при условии WЧ - WГ > 0.
На практике при расчетах применяется
WЧ  1,2  WГ
Подставив выражения скоростей в данное уравнение, получаем:
dЧ 2  ( Ч   Г )  g
V T
 1, 2  5, 4 103  2  Z
18  Г   Г
D P
Или
D 2  P  dЧ  ( Ч   Г )  g

,
Z  T  Г   Г
2
VВЕРТ
М3
СУТ
По этой формуле можно определить пропускную способность V верт
сепаратора, если задаться dmin капелек жидкости, которые будут осаждаться
при выбранных условиях (Р, Т), и диаметром сепаратора D. Обычно принимают d
= 10- 4 м.
Расчет вертикального гравитационного
сепаратора по жидкости
Количество увлекаемых пузырьков газа зависит от трех факторов:
1)
вязкости нефти;
2)
давления в сепараторе
3)
скорости подъема уровня нефти в сепараторе, т.е. от времени пребывания нефти
в сепараторе.
Для лучшего выделения окклюдированных пузырьков газа необходимо, чтобы:

безводная нефть вводилась в сепараторы в высокодисперсном состоянии,

движение ее в сепараторе происходило тонким слоем по длинному пути,

скорость подъема нефти в секции сбора нефти была меньше скорости
всплывания газовых пузырьков, т.е.
W H  WЧ .
Всплывание пузырьков газа из нефти в сепараторе происходит в основном за счет
разницы в плотностях этих фаз. Поэтому скорость всплывания газового пузырька
можем определить по формуле Стокса с заменой в ней вязкости газа на вязкость
жидкости.
Учитывая соотношение скоростей, пропускную способность вертикального
сепаратора по жидкости можно записать в следующем виде:
QH
d Г2 (  H   Г )  g
WН 
 WГ 
86400  F
18   H
или
d Г2 (  H   Г )  g
86400
QH 
F
1.2
18   H
после подстановки в формулу и g, получим:
2 (   )
D2 d Г
H
Г
Q H  30803 
,
dпузырьков1-2 мм.
H
М3
СУТ
Для определения плотности газа необходимо пользоваться следующей формулой:
 Г  0 
P T0 1
  ,
P0 T Z
М3
СУТ
,
где ρ0 - плотность газа при Н. У., кг/м3; Р, Р0 - давление в сепараторе и давление при
Н.У., Па; Т0, Т - абсолютная нормальная температура (Т0 = 273 К) и абсолютная
температура в сепараторе (Т = 273+t, К); Z - коэффициент сверхсжимаемости.
Эффективность процесса сепарации
нефти от газа
Эффективность работы сепаратора оценивается двумя показателями:
1.
количеством капельной жидкости, уносимой потоком газа из каплеуловительной
секции;
2.
количеством газа, уносимого потоком нефти (жидкости) из секции сбора нефти.
Коэффициенты уноса определяют по формулам:
КЖ 
qЖ
QГ
;
К Г  qГ
QЖ
,
где qЖ – объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком нефтяного газа из
сепаратора, м3/ч;
qГ - объемный расход окклюдированного газа, уносимого потоком жидкости, м3/ч;
QГ - объемный расход газа на выходе из сепаратора, м3/ч;
QЖ - объемный расход жидкости на выходе из сепаратора, при рабочих температуре и
давлении, м3/ч.
Чем меньше величина этих показателей, тем эффективнее работа
сепаратора.
По практическим данным приняты временные нормы, по которым
Кж  50 см3/1000 м3 газа и КГ  0,02 м3/м3.
Эффективность процесса сепарации зависит от:
1.
средней скорости газа в свободном сечении сепаратора.
2.
времени задержки жидкости в сепараторе τЗ: чем больше время пребывания
жидкости в сепараторе, тем большее количество захваченных нефтью пузырьков
газа успеют выделиться из нее в сепараторе, тем самым уменьшив КГ.
3.
физико-химических свойств нефти и газа: вязкости, поверхностного натяжения,
способности к пенообразованию.
4.
Конструктивных особенностей сепаратора: способ ввода продукции скважин,
наличие полок, каплеуловительных насадок и др.
5.
Уровня жидкости в сепараторе. Слой жидкости внизу сепаратора является
гидрозатвором, чтобы газ не попал в нефтесборный коллектор.
6.
Расходов нефтегазовой смеси: при большом расходе увеличивается коэффициент
уноса газа, т.к. весь газ не успевает выделиться. Для уменьшения КГ следует
увеличить количество сепараторов.При высоком газовом факторе увеличение
коэффициента уноса возможно и при небольшом расходе.
7.
Давления и температуры в сепараторе.