Задача 1 вар.1 нефтехимия

Задача №1 Выбор типоразмера и определение необходимого количества
гравитационных сепараторов для отделения газа от нефти (1-я ступень
сепарации).
Исходные данные:
Nскв. = 48 – количество добывающих скважин;
qn = 44 т/сут. – средний дебит одной скважины по нефти;
Гф = 92 м3/т. – средний газовый фактор (газонасыщенность пластовой нефти);
ρн.д = 870 кг/м3 – плотность нефти дегазированной;
μн.д = 5,6 мПа × с – вязкость нефти дегазированной;
Рсеп.1 = 0,45 МПа – давление сепарации (1ая ступень);
Тсеп = 284 К – температура сепарации;
μг.с = 0,01 мПа × с – вязкость газа при условиях сепарации;
Lк=17,4 км – длина нефтесборного коллектора;
Рсеп.2 = 0,12 МПа – давление в сепараторах 1-ой ступени (ЦСП);
рнас=17 МПа – давление насыщения нефти газом;
∆Н=68 м – повышение отметки ЦСП над ДНС;
Кз = 1,2 – коэффициент запаса по производительности (пропускной
способности) нефтесборного коллектора, доли единиц;
ρго =1,32 кг/м3 – плотность газа (стандартные условия);
Основные положения.
Технологический
(гидравлический)
расчет
гравитационных
сепараторов ведется на пропускную способность по газу и (или) по жидкости.
В первом случае газ рассматривается в виде сплошной фазы (сплошного
потока), поднимающейся снизу вверх в сепараторе, а жидкость – в виде
отдельных капель, опускающихся в потоке газа в нижнюю часть аппарата. При
расчете на пропускную способность по жидкости она рассматривается в виде
сплошной фазы, а газ – в виде отдельных пузырьков, всплывающих в
опускающемся или поднимающемся слое жидкости.
Условие разделения фаз при расчете сепаратора на пропускную
способность по газу
𝑊ч ≥ 𝑉г
(1)
где: Wч - скорость падения капли (частицы) жидкости под действием силы
тяжести в неподвижном газе; Vг - скорость восходящего газового потока.
Скорость опускания частицы жидкости в восходящем потоке газа
𝑊оп = 𝑊ч − 𝑉г .
Условие разделения фаз при расчете сепаратора на пропускную
способность по жидкости
Wп  Vж
(2)
где: Wп - скорость всплывания газового пузырька в неподвижной жидкости;
Vж - скорость опускания или подъема слоя жидкости в сепараторе. Скорость
подъема (всплывания) пузырька газа в опускающейся жидкости Wвс  Wп  Vж ,
в поднимающемся слое жидкости Wвс  Wп  Vж .
Скорость падения шарообразной частицы жидкости в неподвижном
газе может быть определена по следующим формулам:
а) при размере частиц не более 80 мкм
Wr 
d 2r  ж  г   g
18  г
(формула Стокса),
(3)
где: dr – размер (диаметр) частицы, м; ж и г – плотность жидкости и газа при
условиях сепарации, кг/м3;  г – динамическая (абсолютная) вязкость газа при
условиях сепарации, Па  с ; g – ускорение свободного падения, м/с2;
б) для частиц размером 300-800 мкм (формула Аллена)
d1r,14  ж  г   g 0, 71
Wr  0,153 
,
 0г , 43  0г , 71
0 , 71
где:  г – кинематическая вязкость газа;
в) для частиц размером более 800 мкм (формула Ньютона)
(4)
 d  ж  г   g 

Wr  1,74   r

г


0,5
(5)
При расчетах диаметр частиц можно принять равным 100 мкм. Для
нахождения Wr следует выполнить вычисления по формуле Стокса, задавшись
тремя значениями dr (например 50,65 и 80 мкм), и по формуле Алена
(например, при dr = 300, 350 и 400 мкм), построить график изменения Wr от dr
и по этому графику определить Wr при dr = 100 мкм.
Скорость восходящего потока газа
Vг  Qг / F ,
(6)
где: Qг – объемный расход газа в сепараторе; F – площадь сечения сепаратора
в плоскости, нормальной к потоку газа.
Очевидно что
Q г  Q го 
P0 T z
 
P T0 z 0
(7)
где: Qго – объемный расход газа, приведенный к нормальным (T0 = 273 К) или
к стандартным (T0 = 293 К) условиям;
P0 и T0 – атмосферное давление и нормальная (или стандартная) температура;
P и T –давление и температура газа в сепараторе;
Z0 и Z – коэффициенты сверхсжимаемости газа при нормальных
(стандартных) условиях и при P, T.
Отношение Z / Z0 для условий первой ступени сепарации можно принять
равным 0,95.
Скорость всплывания газового пузырька в неподвижной жидкости
Wп 
d п2  ж  г   g
18   ж
(8)
где: dп – диаметр пузырька;
 г – динамическая вязкость жидкости.
При расчете сепаратора на пропускную способность по жидкости
диаметр пузырька газа можно принять равным 0,6 мм.
Скорость опускания или подъема слоя жидкости в сепараторе
Vж  Qж / F ,
где:
(9)
Qж – объемный расход жидкости.
Решение.
Для выбора сепаратора необходимо рассчитать его нагрузку по
газу, которую можно определить по методике ступенчатого разгазирования
нефти [1].
Количество газа, выделяющееся из каждой тонны нефти в сепараторе,
приведенное к нормальным условиям, может быть рассчитано по формуле
G = ГT R [D1 (1 + R) — 1],
где ГТ — газонасыщенность пластовой нефти, м 3/т, объем газа приведен к
нормальным условиям;
p1
p S 20
R
,
lg( 10 p S 20 )
lg
pS20 — давление насыщения нефти при 20°С, МПа;
D1  4.06(  н  г  1,045) ,
 н   н 1000 ,
 н —плотность дегазированной нефти при 20°С и атмосферном давлении, кг/м 3;
 г — относительная (по воздуху) плотность газа однократного разгазирования
нефти.
Рассчитывают вспомогательные коэффициенты
0,45
11,4
R
 0,68
lg( 10 11,4)
lg
 н  870 1000  0,87 ,
г 
 го 1,32

 1,095 ,
 в 1,205
 в - плотность воздуха при 20°С
D1 = 4,06 (0,87*1,095 — 1,045) = -0,37.
Зная
вспомогательные
коэффициенты,
находят
количество
газа,
выделяющееся из каждой тонны нефти при условиях в газонефтяном
сепараторе,
G = ГT R [D1 (1 + R) — 1]=92 (—0,68) [(—0,37) (1 —0,68) — 1] = 69,97 м3/т.
Суточный дебит всех скважин Qн = qн . Nскв = 44 . 50 = 2200 т/сут,
или Qнv = Qн./ρ = 2200/0,86 = 2558 м3/сут.
Количество газа, поступающего в сепаратор в свободном состоянии вместе с
нефтью
Qго  G  Qн  69,97  2558  178983,26 м 3 / сут .
Плотность газа при температуре и давлении в сепараторе
г  го 
0,45 293
P T0 z 0
   1,32 

 0,95  5,8кг / м 3 .
P0 T z
0,1 284
С учетом формул (6), (7) и условия (1) при Vг  Wч (при dч не более 80 мкм по
ф-ле Стокса) определяется внутренний расчетный диаметр вертикального
гравитационного сепаратора
при dч= 50 мкм
(50 10 6 ) 2 870  5,8  9,81
d r2   ж   г   g

 0,12 м / с ;
Wч 
18   г
18  0,0110 3
 1,474 10 5  Qго  P0  T  Z 

Dв  
Vг  P  T0  Z 0


Wч =0,12 м/с
0,5
 1,474 10 5 178983,26  0,1  284  0,95 

 
0,12  0,45  293 1


0,5
 2,12 м .
Dв =2,12 м
при dч= 65 мкм
Wч =0,2 м/с
Dв =1,64 м
при dч= 80 мкм
Wч =0,3 м/с
Dв =1,34 м
С учетом формул (6), (7) и условия (1) при Vг  Wч (при dч 300-800 мкм по ф-ле
Аллена) определяется внутренний расчетный диаметр вертикального
гравитационного сепаратора
 г - кинематическая вязкость
при dч = 305 мкм
d r1,14   ж   г 
0, 71
Wч  0,153
 g 0,71
 г 0, 43  г 0,71
 1,474 10 5  Qго  P0  T  Z 

Dв  
Vг  P  T0  Z 0


Wч =0,80м/с
Dв =0,82 м
при dч = 350 мкм
Wч =0,93м/с
Dв =0,76 м
при dч = 410 мкм
Wч =1,12м/с
Dв =0,69 м
0,5
(300 10 6 )1,14 870  5,8  9,810, 71
 0,80 м / с ;
(0,01 10 3 / 5,8) 0, 43 5,8 0, 71
0 , 71
 0,153
 1,474 10 5 178983,26  0,1  284  0,95 

 
0,80  0,45  293 1


0,5
 0,82 м .
Строим график изменения Wч от dч
График изменения Wч от dч
1,25
1,05
0,85
0,65
0,45
0,25
0,05
50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260 275 290 305 320 335 350 365 380 395 410
График изменения Wч от dч
Полиномиальная (График изменения Wч от dч)
по данному графику определяем Wч при dч=100 мкм, Wч = 0,4 м/с
определяется внутренний расчетный диаметр вертикального гравитационного сепаратора
 1,474 10 5  Qго  P0  T  Z 

Dв  
V

P

T

Z
г
0
0


Выбирается
0,5
 1,474 10 5 178983,26  0,1  284  0,95 

 
0,4  0,45  293 1


ближайший
больший
стандартный
0,5
 1,16 м
размер
(диаметр)
сепаратора
(табл. 1).
Характеристика вертикальных сепараторов
Таблица 1
Условный
диаметр
сепаратора, м
Рабочее давление
(максимальное),
МПа
0,4
0,6
1,6
0,6
1,6
0,6
0,8
Максимальная
пропускная
способность по
газу, тыс. м3/сут
80,0
100,0
180,0
175,0
Высота корпуса,
м
3,525
3,630
3,630
3,710
1,6
0,6
1,6
0,6
1,6
0,6
0,6
1,0
1,2
1,4
1,6
320,0
275,0
500,0
400,0
730,0
540,0
720,0
3,720
3,810
3,820
3,900
3,920
4,000
4,110
Подходит сепаратор: D = 1,2 м; Р = 0,6 МПа; Н = 3,9 м; Qго = 400000 м3/сут.
Определяется расчетный диаметр горизонтального гравитационного
сепаратора
1,474 105  Qго  P0  T  Z  1,474 10 5 178983,26  0,1  284  0,95 

 
Dг 
0,4  3  0,45  293 1
Vг  L  P  T0  Z0


0,5
 0,67 м .
где L – длина сепаратора – расстояние между входным и выходным
патрубками сепаратора, м (можно принять L = 3 м).
Выбирается стандартный диаметр сепаратора (табл. 2).
Характеристика сепараторов типа НГС
Таблица 2
Сепарационная
установка
Максимальное
рабочее
давление, МПа
Диаметр
сепаратора,
м
НГС 6-1400
НГС 16-1400
НГС 6-1600
НГС 16-1600
НГС 6-2200
НГС 16-2200
НГС 6-2600
НГС 16-2600
НГС 6-3000
НГС 16-3000
0,6
1,6
0,6
1,6
0,6
1,6
0,6
1,6
0,6
1,6
1,4
1,4
1,6
1,6
2,2
2,2
2,6
2,6
3,0
3,0
Пропускная способность
(максимальная)
по
по газу,
жидкости,
тыс. м3/сут.
м3/сут
150,0
2000,0
260,0
2000,0
340,0
5000,0
590,0
5000,0
600,0
10000,0
1000,0
10000,0
1000,0
20000,0
1800,0
20000,0
1500,0
30000,0
2700,0
30000,0
Подходит сепаратор: D = 1,4 м; Р = 1,6 МПа; L = 3,0 м; Qго = 260000
м3/сут.; Qж = 2000 м3/сут.
По результатам расчета на пропускную способность по газу выбирается
сепаратор с меньшими габаритами – вертикальный.
Определяется
пропускная
способность
выбранного
сепаратора
на
пропускную способность по жидкости
Qж  86400  F  Wп , м3/сут,
(13)
где F – площадь зеркала (поверхность раздела газовой и жидкой фаз) в
сепараторе.
При расчете сепаратора на пропускную способность по жидкости диаметр
пузырька газа можно принять равным 0,6 мм.
F
Wп 
D 2
4

3,14 1,2 2
 1,13 м 2 ;
4
d п2   ж   г   g (0,6 10 3 ) 2 (860  5,8)  9,81

 0,021 м с
18   ж
18  8 10 3
Qж  86400 1,13  0,021  2050 м 3 сут
Пропускная способность сепаратора по жидкости, полученная по (13),
оказалась меньше общего количества нефти, получаемой из скважин (по
заданным условиям задачи). Определим размер (диаметр) газовых пузырьков,
при котором выполняется условие
2
D 2 d п (  ж   г ) g
,
Q ж  86400  F р  Wп  86400

4
18   ж
приняв пропускную способность сепаратора равной заданному количеству
нефти.
Отсюда d п 
Qж   ж
2558  8 10 3

 0,7 10 3 м  0,7 мм .
2
2
3768

1
,
2
(
860

5
,
8
)
9
,
81
3768D (  ж   г ) g