Расчет вертикального гравитационного сепаратора по газу
Еще до входа в сепаратор газ, выделившийся из нефти в результате снижения давления, представляет полидисперсную систему, в которой собственно газ является дисперсионной средой, а частицы нефти (и воды при наличии ее в продукции скважины), диспергированные в газе - дисперсной фазой. Такую дисперсную систему называют аэрозолем.
В сепараторе диспергирование нефти увеличивается вследствие расширения потока, удара нефти о внутренние поверхности нефтегазового сепаратора и расширения газа. Вследствие этого в сепарационной и осадительной секциях дисперсность системы увеличивается. Частицы дисперсной фазы имеют различные размеры - от характерных для тумана и пыли до более крупных. Последние относительно быстро опускаются вниз вместе с основной массой нефти, более мелкие могут образовывать псевдоожиженный или кипящий слой различной высоты, а самые мелкие частицы увлекаются потоком газа из нефтегазового сепаратора.
Осаждение частиц из газа в гравитационном сепараторе происходит в основном по двум причинам: вследствие резкого снижения скорости газового потока и вследствие разности в плотностях газовой и жидкой (твердой) фаз.
Для эффективной сепарации необходимо, чтобы расчетная скорость движения газового потока в сепараторе была меньше скорости осаждения жидких и твердых частиц, движущихся под влиянием силы тяжести во встречном потоке газа, т.е.
.
Высокую степень очистки газа от капельной и твердой взвеси в гравитационном сепараторе можно получить при условии, что скорость газа будет близка к нулю. В реальных условиях эффективность сепарации в гравитационных сепараторах при скорости движения газа более 0,5 м/сек резко падает и составляет лишь 70% капельной жидкости, находящейся во взвешенном состоянии.
Практика эксплуатации гравитационных сепараторов показала, что оптимальной скоростью газа является 0,1 м/с при давлении 5,87 МПа/м2 (60 кГс/см2).
Пропускную способность гравитационных сепараторов по газу обычно определяют в зависимости от допустимой скорости движения газа, при которой происходит осаждение капелек жидкости минимального размера, принятого для расчета. Допустимая скорость движения газа WГ определяется из условия равновесия сил, действующих на частицу, и силы сопротивления среды, возникающей при движении этой частицы.
При расчете гравитационных сепараторов по газу принимаются следующие допущения:
1) частица (твердая или жидкая) имеет форму шара;
2) движение газа в сепараторе установившееся, т.е. скорость газа в любой точке сепаратора независимо от времени остается постоянной, но по абсолютному значению может быть разной;
3) движение частички принимается свободным, т.е. на нее не оказывают влияние другие частицы;
4) 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:
1) 
где m - масса частицы; g - ускорение силы тяжести, м/с2; ρч - плотность частицы.
Поскольку частица шарообразна, ее объем равен
где d - диаметр частицы.
Тогда :
(4.5)
2) Силу сопротивления газа R при свободном оседании частицы можно представить в следующем виде:
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.
3) Исходя из четвертого допущения, в момент, когда R уравновесит силы тяжести и частица будет двигаться равномерно
FТЯЖ - FА- R = 0, (4.6)
ускорение равно нулю.
Т.е. исходя из равновесия сил, действующих на частицу, можно записать: Р = R.
Отсюда:
(4.7)
Из этого уравнения можно определить коэффициент сопротивления ξ:
. (4.8)
Для ламинарного движения частиц (Rе < 2) коэффициент сопротивления рассчитывается по формуле:
(4.9)
где νг - кинематическая вязкость газа:
(4.10)
т.е. сопротивление среды пропорционально вязкости;
μг - динамическая вязкость газа, 
, Па ∙ с.
Если подставить (4.9) и (4.10) в формулу (4.8) для ξ:
, (4.11)
то отсюда можно получить уравнение для расчета скорости оседания шарообразной частицы в газовой среде (формула Стокса):
(4.12)
где μг - динамическая вязкость газа, (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:
. (4.13)
Подставляя данное уравнение в формулу (4.8), получаем формулу Аллена:
, (4.14)
из которой следует, что влияние вязкости среды на скорость оседания частицы снижается.
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. Подставляя это значение в формулу (4.8), получим уравнение Ньютона-Ритингера:
, (4.15)
из которого следует, что вязкость среды не оказывает влияния на скорость оседания частицы.
Как определить скорость потока газа?
Пропускная способность вертикального сепаратора по газу определяется в зависимости от допустимой скорости движения газа:
(4.16)
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;
- 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.
Отсюда:
(4.17)
Итак, выпадение частицы происходит при условии WЧ - WГ > 0.
На практике при расчетах принимается, что
. (4.18)
Подставив выражения скоростей в данное уравнение, получаем:
(4.19)
или
(4.20)
По этой формуле можно определить пропускную способность V вертикального сепаратора, если задаться минимальным диаметром капелек жидкости d, которые будут осаждаться при выбранных условиях (Р, Т), и диаметром сепаратора D. Обычно принимают d = 10- 4 м.
Дата добавления: 2016-03-05; просмотров: 1664;