СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ РАЗНОЙ ПЛОТНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SEPARATING IMMISCIBLE LIQUIDS OF DIFFERENT DENSITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к технологии и оборудованию для гравитационного разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности и может использоваться в газовой, нефтяной, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности. Изобретения могут найти применение в составе технологического оборудования установок низкотемпературной сепарации и абсорбционной осушки газа, например, при проведении процесса разделения смеси жидкость-жидкость (эмульсии) на водометанольный раствор (тяжелая фаза) и углеводородный конденсат (легкая фаза) или водный раствор гликоля (тяжелая фаза) и углеводородный конденсат (легкая фаза), соответственно.
Разделители несмешивающихся жидкостей разной плотности известны давно и широко используются в нефтегазовой отрасли [1]. В сущности, они являются гравитационными отстойными резервуарами и имеют следующее ставшее традиционным конструктивное исполнение. Горизонтально расположенный цилиндрический корпус оснащен штуцерами входа газожидкостной смеси, выхода газа, вывода легкой и тяжелой фаз. Устройство содержит зону входа исходной смеси, может предусматривать зону коагуляции, в которой происходит укрупнение мелкодисперсных капель, зону отстаивания, узлы вывода разделенных тяжелой и легкой фаз. В зависимости от качественного и количественного состава исходной смеси, месторасположения разделителя в технологической схеме установки, аппараты могут быть снабжены соответствующими внутренними элементами, например, коалесцирующими, способствующими повышению производительности, эффективности, сокращению массогабаритных характеристик оборудования.
3
3
Существующие в настоящее время разделители достаточно успешно работают с эффективностью выделения тяжелой фазы с легкой фазы до величины 250-350 г/м. Однако гарантированного обеспечения эффективности разделения до величин, не превышающих 180-200 г/м, для углеводородного конденсата различного природного и территориального происхождения и водометанольных и водогликолевых растворов различной концентрации, по содержанию одной из фаз в другой (так называемый унос одной из фаз с другой), на вышеназванных аппаратах достичь затруднительно.
В целом, недостаточная производительность и эффективность разделения смесей жидкость-жидкость в существующих аппаратах приводит к снижению технико-экономических показателей производства, в частности, из-за повышенного уноса (безвозвратных потерь) одной жидкой фазы с другой или дополнительным материальным и временным затратам для получения более чистых разделенных фаз (легкой и тяжелой).
В свое время были проведены исследования по применению коалесцирующих элементов в фазных разделителях на примере смеси конденсат - диэтиленгликоль [2]. Результаты этих исследований показали, что гравитационные разделители по эффективности разделения смеси уступают разделителям, оснащенным коалесцирующими элементами из полимерных колец в 2 раза, а с элементами из стекломата в 8-10 раз. Материалы, использованные при изготовлении коалесцирующих колец - полиамид П-12-10 НИИПМ, полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, показали достаточную механическую прочность и стойкость к химическому воздействию примененных сред.
Тем не менее, данный способ разделения несмешивающихся жидкостей с применением коалесцирующих элементов требует постоянного усовершенствования для повышения эффективности процесса и качества разделенных фаз.
Известен способ разделения несмешивающихся жидкостей (патент RU №2294787 от 10.03.2007), в котором качественное разделение несмешивающихся жидкостей достигают за счет предотвращения перераспределения разделяемых потоков по высоте тонкого слоя. Согласно данному способу, исходную смесь жидкостей равномерно распределяют по сечению потока с последующим гравитационным ее разделением в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока. По всей длине области гравитационного разделения смеси организуют зоны, представленные в виде отдельных блоков тонкослойных элементов, причем каждый блок выполнен в виде наклонных пластин, образующих тонкослойные каналы. Формируемый в каждой зоне между наклонными пластинами тонкий слой уменьшают последовательно от зоны к зоне по направлению горизонтального движения потока.
Недостатком данного способа является повышенная металлоемкость устройства (разделителя) и повышенная трудоемкость изготовления блоков наклонных пластин, при этом названный показатель (трудоемкость изготовления) все более возрастает по мере перехода (необходимости производства) блока наклонных пластин с большим межпластинчатым расстоянием к блоку наклонных пластин с меньшим межпластинчатым расстоянием. Указанное обстоятельство требует дополнительных капитальных затрат на изготовление устройства с множеством внутренних элементов, а также вынуждает эксплуатирующую организацию нести повышенные текущие затраты, в отношении их ремонтопригодности.
Известен другой способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство для его осуществления (варианты) (патент RU №2536143 от 20.12.2014), согласно которому также используются процессы гравитационной сепарации с отводом легких фракций вверх, а тяжелых - вниз. При этом в сепарационную емкость добавлены буферный блок, гасящий скорость входного потока и распределяющий его равномерно по всей ширине емкости, а также тонкослойный отстойник, в котором процесс разделения интенсифицируется за счет отстаивания в тонком слое. Для оптимизации процесса сепарации за счет регулировочного устройства в зависимости от отношения легкой и тяжелой фаз регулируют положение границы раздела легкой и тяжелой фракций. Имеется выгрузной узел для вывода разделенных легкой и тяжелой фракций и узел удаления мехпримесей.
Недостатками такого способа является то, что конструкция применима для строго определенного технологического процесса - разделения смеси нефти, воды и мехпримесей, в результате размыва содержимого нефтешламового бассейна, а именно процесса периодического и без большого избыточного давления. Такой процесс разделения сложен, требует большого количества последовательных промежуточных операций (расчетов, регулировок, настроек, включения/выключения дополнительного оборудования), и тем более выполняемых вручную.
Известно устройство для разделения несмешивающихся жидкостей с разной плотностью (патент RU №2014870 от 30.06.1994), которое состоит из емкости с входным и выходным патрубками. В емкости находятся поплавок с отводным патрубком, закрепленным на нем и соединенным с подвижным трубопроводом для отвода легкой фазы. Поплавок имеет нулевую плавучесть в легкой жидкости, а отводной патрубок установлен в продольном канале и жестко закреплен у верхней кромки на боковой поверхности поплавка. Для улучшения текучести вязкой жидкости поверхность поплавка может быть выполнена обогреваемой.
Плавучесть поплавка достигается подбором грузов, что является одним из недостатков данного устройства, так как это вызывает затруднения при эксплуатации и сложно реализовать на практике. Кроме того, этому устройству присуще низкая эффективность процесса разделения, так как отсутствуют зоны коагуляции и отстаивания. Поплавок покрывает практически всю поверхность жидкости, что приводит к малой производительности устройства по легкой фазе. Более того, устройство предназначено для смесей с очень небольшим содержанием легкой фазы, именно поэтому поплавок выполнен так, что занимает почти всю поверхность емкости, вытесняя собой легкую фазу в небольшой объем сбоку от поплавка, которая затем удаляется через отводной патрубок. Также, при работе устройства в холодное время года для того чтобы придать жидкости лучшую текучесть и ее гарантированный слив, на поверхность поплавка устанавливают электрообогревательные элементы. Это требует наличия внешнего источника питания, и, соответственно, повышает энергозатраты, а также дополнительных мероприятий, связанных с техникой безопасности, что, в условиях подготовки таких, обычных для газонефтепереработки, разделяемых сред как углеводородный конденсат, достаточно дорого.
При проведении заявителем информационного поиска, способов и устройств разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности, характеризующихся всей совокупностью существенных признаков предлагаемых технических решений, не выявлено.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение является создание способа и устройства для его осуществления, простого по конструкции и надежного в работе, обеспечивающего эффективное разделение несмешивающихся жидкостей разной плотности практически в автоматическом режиме.
Поставленная задача решается за счет предлагаемого способа разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности, в котором такие известные технологические приемы как, подача исходной газожидкостной смеси через узел входа, равномерное распределение смеси по сечению потока и направление в узел коагуляции с последующим гравитационным разделением в зоне отстаивания, сепарацию легкой фазы через сепарирующую насадку, вывод тяжелой фазы, вывод легкой фазы через отводной патрубок соединенный с поплавком узла слива, в зоне вывода легкой фазы придают поплавку обтекаемую форму с выпуклой частью обращенной навстречу потоку жидкости, плавно разделяют поток жидкости при горизонтальном движении, по меньшей мере, на два направления, увеличивают длину зоны отстаивания, кроме этого, регулируют величину погружения отводного патрубка относительно уровня жидкости и непрерывно выводят верхний слой легкой фазы. При проведении процесса разделения согласно настоящему изобретению для повышения качества разделения при сборе и выводе легкой фазы организуют дополнительную многостадийную сепарацию легкой фазы путем размещения дополнительных сепарирующих насадок.
Одну из дополнительных стадий сепарации осуществляют с помощью размещения дополнительной сепарирующей насадки в виде поперечной перегородки установленной в корпусе наклонно к горизонтали между штуцером вывода тяжелой фазы и узлом слива легкой фазы, а другую дополнительную стадию сепарации осуществляют с помощью размещения дополнительной сепарирующей насадки охватывающей наружную поверхность отводного патрубка вплотную или с зазором и располагают выше его верхней кромки.
Также успешное выполнение поставленной задачи решается с помощью устройства для разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности, которое включает горизонтально расположенный цилиндрический корпус, содержащий узел входа газожидкостной смеси, узел коагуляции, зону отстаивания с патрубком вывода тяжелой фазы и узлом вывода легкой фазы выполненным в виде закрепленного на стойке поплавка с отводным патрубком, соединенным с подвижным гибким трубопроводом. Отличия устройства от известных заключаются в том, что поплавок выполнен обтекаемой формы и содержит выпуклую часть, обращенную навстречу потоку жидкости, торцовую часть, образованную секущей поперечной плоскостью, внутреннее свободное пространство, в котором размещен отводной патрубок и перекрытое расположенной в торцовой части сепарирующей насадкой, при этом отводной патрубок выполнен с возможностью регулирования величины погружения относительно уровня жидкости для непрерывного отбора верхнего слоя легкой фазы.
Также, задача имеет положительное решение, если отдельные элементы устройства, как частная форма конструктивного исполнения, будут характеризоваться следующими признаками:
- выпуклая часть поплавка образована сторонами, по меньшей мере, половины многоугольника, или формой полукруга, или выполнена в виде U-образной формы, или в виде подковообразной формы, или в виде арочной формы;
- отводной патрубок выполнен, предпочтительно, в виде конусной воронки;
- по периметру верхней кромки отводного патрубка выполнены пазы, или вырезы, или прорези;
- сепарирующая насадка выполнена в виде мелкоячейстой сетки или объемного мата;
- для повышения качества разделенных фаз и осуществления многостадийной сепарации, содержит дополнительные сепарирующие насадки, выполненные из мелкоячеистой сетки или объемного мата;
- одна из дополнительных сепарирующих насадок выполнена в виде поперечной перегородки расположенной наклонно к горизонтали и установлена в корпусе между патрубком вывода тяжелой фазы и узлом вывода легкой фазы;
- другая дополнительная сепарирующая насадка охватывает наружную поверхность отводного патрубка вплотную или с зазором, расположена выше его верхней кромки и прикреплена к поплавку кронштейнами.
Технический результат, полученный от изобретений, заключается в возможности максимального сбора исключительно верхнего слоя легкой фазы независимо от уровня жидкости при непрерывном функционировании устройства и с различным расходом исходной смеси, и, соответственно, повышении качества выводимых разделенных фаз.
Более подробно изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
фиг. 1 - общий вид устройства для разделения несмешивающихся жидкостей;
фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1;
фиг. 4 - фрагмент общего вида с дополнительными сепарирующими перегородками;
фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 4;
фиг. 6 - выносной элемент Г на фиг. 4.
Устройство, в котором реализуется способ разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности, как показано на фиг. 1, представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический корпус 1 с торцовыми, например эллиптическими, днищами 2 и люком-лазом 3. Устройство оснащено штуцером 4 для подачи исходной газожидкостной смеси, штуцером 5 отвода тяжелой фазы, штуцером 6 отвода легкой фазы, штуцером 7 для вывода газа дегазации. Устройство разделено на зоны ввода исходной газожидкостной смеси, коагуляции, гравитационного разделения (отстаивания) и вывода тяжелой и легкой фаз, и содержит следующий комплект внутренних устройств, а именно, узел входа 8 исходной смеси, узел коагуляции 9, узел слива 10 легкой фазы.
Узел слива 10 легкой фазы содержит следующие конструктивные элементы и их взаимное расположение (фиг. 2, фиг. 3). Поплавок 11 соединен со стойкой 12. Во внутреннем свободном пространстве поплавка размещен отводной патрубок 13, соединенный гибким гофрированным трубопроводом 14 со штуцером вывода легкой фазы 6, и прикрепленный посредством кронштейна 15 к стойке 12. Поплавок 11 имеет обтекаемую форму выпуклой частью обращенной навстречу потоку жидкости, торцовую часть, образованную секущей поперечной плоскостью и внутреннее свободное пространство. Форма выпуклой части поплавка образована сторонами, например, по меньшей мере, половины многоугольника, или выполнена в виде полукруга, или U-образной формы, или в виде подковообразной формы, или в виде арочной формы. Поплавок 11 посредством гибких элементов 20 прикреплен к корпусу 1 в конце зоны отстоя, что позволяет постоянно оставаться на уровне жидкости несмотря на возможные колебания уровня.
Отводной патрубок 13 выполнен с возможностью регулирования величины заглубления относительно уровня жидкости для непрерывного отбора верхнего слоя легкой фазы.
Внутреннее свободное пространство поплавка отделено сепарирующей насадкой 16, которая прикреплена к торцовой части поплавка 11. Для возможности регулировки глубины погружения отводной патрубок 13 с кронштейном 15 соединен со стойкой 12 через резьбовой регулировочный механизм, состоящий из ходового винта 17, направляющих 18, гайки 19.
Устройство может содержать дополнительные сепарирующие насадки 21 и 22 (как показано на фиг. 4). Сепарирующая насадка 21 (показана на фиг. 4 и фиг. 6) выполнена в виде поперечной перегородки и установлена в корпусе 1 между штуцером 5 вывода тяжелой фазы и узлом 10 слива легкой фазы. Установленная наклонно к горизонтали и прикрепленная к корпусу 1, она препятствует проникновению частиц тяжелой фазы, но позволяет свободно проникать частицам легкой фазы. Наклон перегородки создает оптимальную траекторию потоку тяжелой фазы и способствует лучшему ее направлению в зону штуцера 5 отвода тяжелой фазы.
Сепарирующая насадка 22 (показана на фиг. 5) охватывает наружную поверхность и расположена выше верхней кромки отводного патрубка 13 и может быть размещена как вплотную к отводному патрубку 13, так и с зазором. Сепарирующая насадка 22 крепится к поплавку кронштейнами 23.
В частном случае конструктивного исполнения, по периметру верхней кромки отводного патрубка 13 выполнены пазы 24 (фиг. 6а), или вырезы (фиг. 6б), или прорези (фиг. 6в).
Сепарирующая насадка 16 и дополнительные сепарирующие насадки 21 и 22 могут быть выполнены в виде мелкоячеистой сетки или объемного мата.
Для сепарирующих насадок, выполненных в виде мелкоячеистой сетки, в зависимости от свойств жидкостной смеси, наиболее оптимальными параметрами могут быть выбраны такие как: материал - медно-никелевый; размеры ячеек сетки - от 0,04 мм из проволоки диаметром 0,03 мм до 0,094 мм из проволоки диаметром 0,055 мм.
Способ разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности и устройство для его осуществления работают следующим образом.
Исходная жидкостная смесь поступает в корпус 1 разделителя через патрубок 4 в узел входа 8. В данном узле исходная жидкостная смесь распределяется по поперечному сечению аппарата и подготавливается к процессу разделения тяжелой и легкой фаз в узле коагуляции 9, где происходит собственно процесс коагуляции при котором отдельные капли тяжелой фазы укрупняются и попадают в зону отстаивания, и под воздействием гравитации постепенно концентрируются в нижних слоях жидкостной смеси. Аналогично, в узле коагуляции 9 капли легкой фазы также укрупняются и постепенно концентрируются в верхних слоях. Тем самым, в узле коагуляции 9 в целом создаются условия для эффективного разделения каждой из фаз.
Далее, за узлом коагуляции, в зоне отстаивания, происходит выделение тяжелой и легкой фаз в самостоятельные слои жидкости. В зависимости от того, насколько эффективно работает узел коагуляции, зона отстоя может быть больше (длиннее) или меньше (короче). Тяжелая фаза собирается в нижней зоне аппарата и выводится через штуцер 5, легкая - в верхней зоне расположения узла слива легкой фазы 10. Поток легкой фазы, достигнув поплавка 11, раздваивается и огибает его, а затем попадет в его внутреннее пространство через сепарирующую насадку 16 к отводному патрубку 13 и далее из него по гибкому трубопроводу 14 выводится из разделителя через штуцер 6 отвода легкой фазы. По мере движения к отводному патрубку 13 потока легкой фазы от него отделяются остаточные капли тяжелой фазы, как на гравитационном участке, так и при прохождении через сепарирующую насадку 16 и оседают в нижние слои жидкости.
В случае, когда в соответствии с технологическим регламентом требуется получить более чистый продукт по легкой фазе, целесообразно осуществлять многостадийную сепарацию и применять в устройстве дополнительные сепарирующие насадки 21 и 22, работа которых аналогична сепарирующей насадке 16.
Глубина погружения отводного патрубка легкой фазы относительно верхнего уровня жидкости может настраиваться (так называемая тонкая подстройка) при помощи регулировочного механизма. При вращении гайки 19 за счет ходового винта 17 изменяется расстояние между отводным патрубком 13 и стойкой 12. Направляющие 18 препятствуют поворачиванию отводного патрубка 13 относительно стойки 12.
В случае, когда содержание тяжелой фазы в смеси значительно превышает содержание легкой фазы, то для эффективного съема верхнего слоя легкой фазы достаточно применить в конструкции узла слива 10 отводной патрубок 13, по периметру верхней кромки которого выполнены пазы, или вырезы, или прорези.
Наличие пазов, или вырезов или прорезей по периметру верхней кромки отводного патрубка 13, расширяет технологические возможности работы устройства и приводит к дополнительному положительному эффекту. А именно, это позволяет осуществлять слив верхнего слоя легкой фазы в широких диапазонах расхода, от самых минимальных до значительных, причем возможно изменять величину слива как линейно (в случае применения пазов или прорезей), так и квадратично (в случае применения вырезов, которые могут быть выполнены как зубчатыми, так и волнообразными).
Для расширения технологических возможностей и повышения эффективности проведения процесса разделения при одновременном сокращении габаритных характеристик устройства, в зоне вывода легкой фазы целесообразно установить несколько параллельно расположенных поплавков 11 с отводными патрубками 13.
Выбранная обтекаемая форма поплавка обеспечивает наименьшее лобовое сопротивление при движении вокруг него верхнего слоя легкой жидкости и разделение потока, по меньшей мере, на два направления, также гарантирует сохранение ламинарного характера течения потока, то есть неперемешивание с нижележащими слоями. Наличие свободно-проходимой торцовой части поплавка обеспечивает единственную возможность поступления легкой фазы к отводному патрубку.
Более того, обычно нерабочая или «мертвая» зона, расположенная у торцового днища аппарата в данном процессе разделения максимально задействована. Тем самым, траектория движения верхних слоев данной фазы максимально увеличивается, и, следовательно, максимально увеличивается время освобождения легкой фазы от оставшихся капель тяжелой фазы, что увеличивает эффективность работы разделителя.
Включение в процесс разделения зону, расположенную возле торцового днища разделителя и увеличение времени отстаивания повышает эффективность процесса и позволяет добиться таких же результатов при меньших массово-габаритных характеристиках устройства.
В предложенном техническом решении для потока легкой фазы путь к отводному патрубку искусственно удлинен - сначала при огибании его вокруг поплавка, а затем при повороте на 180° вовнутрь поплавка. Такое разделение потока жидкости, по меньшей мере, на два направления (в случае, если установлен один поплавок), способствует увеличению длины зоны отстаивания без увеличения общей длины устройства, или возможном сокращении габаритов аппарата.
Вне зависимости от гидродинамического характера движения жидкостей в зоне отстоя, уровня жидкости при непрерывном функционировании устройства, уровня раздела легкой и тяжелой фаз в аппарате, расхода исходной смеси и соотношения разделяемых фаз, настоящее техническое решение позволяет гарантированно отводить исключительно верхний слой легкой фазы без ее возможного смешения с тяжелой фазой.
Реализация подобного технического решения позволит снизить до минимума безвозвратные потери ценного углеводородного сырья и/или ингибиторов гидратообразования.
Все признаки настоящего изобретения могут быть реализованы в конкретные известные технологические приемы и конструктивные элементы (детали, сборочные единицы) присущие процессам разделения несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, с использованием традиционных методов изготовления аппаратов.
Таким образом, изобретения обеспечивают повышение качества выводимых из аппарата разделенных жидкостей, при этом позволяют сам процесс разделения выполнить максимально надежным и эффективным.
Источники информации
1. Зиберт Г.К. «Перспективные технологии и оборудование для подготовки и переработки углеводородных газов и конденсата», М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2005, стр. 160, рис. 3.1.
2. Зиберт Г.К., Гибкий В.И. «Исследование коалесцирующих элементов для разделения трехфазных смесей», журнал «Химическое и нефтяное машиностроение», №6, 1985.