СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ЛЕГКОКИПЯЩИХ ПРИ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SEPARATING MIX OF FLUIDS LOW BOILING AT DIFFERENT TEMPERATURE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к химической, нефтяной и газовой отраслям промышленности и может быть использовано при добыче, подготовке и переработке нефти, газа, газового конденсата, а также при переработке смеси легкокипящих при разных температурах жидкостей (далее смесь) в химической технологии.
Для транспорта и рационального использования смеси ее необходимо разделить на объектах добычи нефти и газа на газовую и жидкую фазы.
Известен способ ректификации для разделения смеси многокомпонентных легкокипящих жидкостей в ректификационных колоннах (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: «Химия», 1971, с.522-525), внутренняя конструкция которых выполнена в виде тарелок. В них достигается разделение смеси на отдельные компоненты. Однако эти аппараты громоздки и не очень удобны для применения на нефтепромыслах, особенно на малых и удаленных месторождениях.
Известно устройство для разделения углеводородных смесей (патент RU №2105591, кл. B01D 3/32, от 1996.11.22, опубл. 1998.02.27), содержащее две частично размещенные одна в другой ректификационные колонны, снабженные патрубками для ввода смеси и вывода разделенных потоков, причем часть верхней колонны расположена с зазором в обечайке, установленной в средней части нижней колонны, при этом нижняя колонна отделена от верхней перегородкой, выполненной в виде гидрозатвора, соединенного по жидкости со штуцерами орошения верхней колонны, а один из выходов нижней колонны соединен со средней частью верхней колонны через теплообменник.
Эти аппараты также громоздки, сложны по конструкции и дороги, поэтому использовать их для разделения смеси легкокипящих жидкостей на объектах добычи и подготовки нефти и газа представляется нецелесообразным.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является сепаратор для разделения нефтегазовой смеси (а.с. SU №816494, кл. B01D 19/00, от 1977.07.22, опубл. 30.03.1981), включающий корпус, патрубок ввода смеси, кольцевой трубчатый коллектор с наклоненными навстречу друг другу штуцерами и размещенными на них распылителями, размещенными под углом 30° по вертикали и 60° по горизонтали относительно оси коллектора навстречу друг другу, при этом коллектор соединен трубчатой перемычкой с патрубком входа смеси.
Поток нефтегазовой смеси вводится через патрубок в кольцевой коллектор, равномерно распределяется по штуцерам и через механические распылители подается в сепаратор с образованием конусообразных жидкостных факелов, направленных навстречу друг другу. В сепараторе производится разделение нефтегазовой смеси на нефть и газ в поле сил гравитации.
Однако конструкция не позволяет осуществить подачу в сепаратор смеси под давлением, превышающим давление насыщенных паров, чтобы не допустить ее «кипения» до входа смеси в сепаратор и нарушение технологического режима.
Задачей данного технического решения является создание способа и устройства для разделения смеси на газовую и жидкую фазы с целью полезного использования разделенных фаз, устранения источников вредного воздействия на окружающую среду и уменьшения затрат на борьбу с последствиями таких воздействий.
В результате решения данной задачи появляется возможность получения технических результатов, состоящих в том, что описываемые способ и устройство обеспечивают разделение смеси на газовую и жидкую фазы с требуемым распределением углеводородных компонентов между ними при минимальных энергетических и материальных затратах.
Поставленная цель достигается тем, что в способе разделения смеси легкокипящих при разных температурах жидкостей, включающем подачу смеси в устройство, распыление, разделение на газовую и жидкую фазы, очистку выделенной газовой фазы от капель жидкой фазы, вывод разделенных газовой и жидкой фаз из устройства, согласно изобретению с целью обеспечения требуемого разделения компонентов на жидкую и газовую фазы смесь подают в устройство при заданной температуре и под давлением, превышающим давление насыщенных паров, распыляют, из распыленного потока отводят легкокипящие испаряющиеся компоненты, одновременно направляют распыленный поток на поверхности теплообмена, нагревают для получения заданного соотношения разделения потока на газовую и жидкую фазы. Отводят газовую фазу в зону для газа, а жидкую фазу в зону для сбора жидкости.
В устройстве для разделения смеси, включающем корпус, установленный в нем узел приема и распыления смеси, штуцера для вывода газовой и жидкой фаз, согласно изобретению узел приема и распыления смеси смонтирован в вертикальном люке, выполненном в корпусе устройства, и представляет собой цилиндрическую обечайку с установленными в ней теплообменником, штуцером ввода смеси и механизмом регулировки расхода (МРР) смеси.
Штуцер ввода смеси установлен в корпусе устройства вертикально или горизонтально и представляет собой трубу, часть которой перфорирована отверстиями, например, цилиндрической формы. Размеры и количество отверстий определяются расчетом в зависимости от заданного расхода смеси, давления исходной смеси и давления в корпусе устройства. Количество отверстий принимается увеличенным по сравнению с расчетным для компенсации возможных изменений расхода смеси в результате заиливания, засорения части отверстий механическими частицами (окалина и пр.). Перфорированный участок штуцера ввода смеси располагается выше максимально допустимого уровня жидкой фазы в устройстве.
Тип теплообменника выбирается конструктивно в зависимости от расположения штуцера ввода смеси (вертикально или горизонтально) и от требуемой поверхности теплообмена, определяемой расчетом. Это может быть, например, трубчатый, пластинчатый или другого исполнения теплообменник с оребрением, без оребрения и т.п. Теплообменник служит для создания требуемого температурного режима в зоне распыления смеси и местах коалесценции жидкой фазы, а также для создания температурного режима непосредственно в жидкой фазе, в которую он погружен своей нижней частью. Образующуюся газовую фазу отводят из узла приема и распыления смеси в газовое пространство корпуса устройства двумя путями: через зазор между внутренней поверхностью цилиндрической части люка и кожухом обечайки и через окна, выполненные в нижней части кожуха обечайки. Образующаяся жидкая фаза стекает вниз по внутренней поверхности кожуха обечайки и элементам теплообменника (поверхностям теплообмена), например трубам и ребрам, при этом в ребрах предусмотрены специальные щели, отверстия и (или) пазы.
МРР представляет собой трубчатый узел с приводом перемещения трубы, установленный вертикально или горизонтально соосно со штуцером ввода смеси и соосно или перпендикулярно кожуху обечайки узла приема и распыления смеси. Соединение трубчатого узла МРР с трубой штуцера ввода смеси выполнено по принципу «труба в трубе» по переходной посадке. При этом обеспечивается условие безыскровой работы этого соединения при перемещении внутренней или наружной трубы, например, запрессовкой бронзовой втулки на посадочную поверхность одной из труб, применением полимерного покрытия посадочных поверхностей (фторопласт) и т.п. При перемещении, например, наружной трубы (трубчатого узла МРР) относительно неподвижной внутренней трубы (штуцера ввода смеси) происходит плавная, без возникновения опасности гидравлического удара, регулировка количества отверстий на внутренней трубе из положения «закрыто» в положение «открыто» для выхода смеси (вариант перемещения внутренней трубы относительно неподвижной наружной не показан). Вид перемещения труб относительно друг друга выбирается конструктивно и может быть, например, возвратно-поступательным, при этом наружная труба выполняется без каких-либо отверстий (глухой), а отверстия на внутренней трубе располагаются в несколько горизонтальных или наклонных рядов. Расстояние между отверстиями определяет шаг регулировки по количеству открытых отверстий.
Другим возможным видом перемещения труб относительно друг друга является вращение наружной трубы, при этом отверстия на внутренней трубе располагаются в несколько горизонтальных рядов, отверстия рядов смещены по окружности относительно другого ряда. Наружная труба в зоне взаимодействия с внутренней перфорирована, например, сквозными щелями. Каждая щель предназначена для открытия «своего» отверстия. При этом размер щелей по вертикали составляет не менее диаметра отверстий в штуцере ввода смеси, а по окружности меняется от ряда к ряду до обеспечения полного открытия всех отверстий в ряду. Расстояние между центрами двух смежных отверстий определяет шаг регулировки по количеству открытых отверстий.
Возможны другие виды перемещения труб относительно друг друга, например возвратно-поступательное с одновременным вращением (движение по винтовой линии).
Индикатором количества открытых отверстий может служить любое известное устройство, например механический лимб со стрелкой в зоне видимости оператора привода МРР. Часть трубчатого узла выведена за крышку люка (вариант вертикального расположения трубчатого узла), выполненного в корпусе устройства через уплотнение любого известного типа для подвижных соединений, с учетом применяемого вида перемещения (возвратно-поступательное, вращение, возвратно-поступательное с вращением), например сальниковое, и закреплена на ней с возможностью требуемого перемещения. Детали привода регулирования открытия отверстий, находящиеся за пределами корпуса устройства, после завершения пуска и вывода на режим устройства разделения смеси фиксируются и закрываются откидным, уплотненным по разъему кожухом.
При установке МРР вертикально и соосно со штуцером ввода смеси и кожуху обечайки узла приема и распыления смеси привод перемещения труб относительно друг друга закреплен на крышке люка и закрыт кожухом. При установке МРР горизонтально соосно со штуцером ввода смеси и перпендикулярно кожуху обечайки узла приема и распыления смеси привод перемещения труб относительно друг друга закреплен на корпусе устройства. Привод перемещения труб может быть любого известного типа, например, в случае возвратно-поступательного перемещения - с использованием гидро- или пневмоцилиндра двухстороннего действия, либо передачи рейка-шестерня, либо винтовой передачи.
На фиг.1 изображен общий вид (продольный разрез) устройства для разделения смеси (штуцера технологические и для установки контрольно-измерительных приборов и автоматики не показаны); на фиг.2 - узел приема и распыления смеси в варианте вертикального расположения МРР; на фиг.3 - узел приема и распыления смеси (горизонтальный разрез, штуцер ввода смеси не показан); на фиг.4 - вариант соединения труб с использованием возвратно-поступательного перемещения их относительно друг друга в трех положениях - «закрыто», «промежуточном» (открыт первый ряд отверстий) и «открыто»; на фиг.5 - вариант соединения труб с использованием вращательного перемещения их относительно друг друга; на фиг.6, 7, 8 - развертка поверхности сопряжения наружной трубы трубчатого узла МРР и внутренней трубы штуцера ввода смеси (для варианта соединения труб, изображенного на фиг.5) в трех положениях - «закрыто», «промежуточном» (открыт первый ряд отверстий) и «открыто» соответственно. На фиг.6, 7, 8 стрелкой показано направление вращения наружной трубы трубчатого узла МРР.
Устройство (фиг.1) состоит из корпуса 1 с люком 2, в корпусе 1 установлены узел приема и распыления смеси (фиг.2, 3), пеногаситель 3, штуцер 4 для вывода газовой фазы с каплеуловителем 5, штуцер 6 для вывода жидкой фазы с антизавихрителем 7. Также на корпусе имеется ряд технологических штуцеров и штуцеров для установки контрольно-измерительных приборов и автоматики (на фиг.1 не показаны).
Узел приема и распыления смеси (фиг.2, 3) состоит из штуцера 8 ввода смеси, обечайки 9, теплообменника 17 и МРР 10.
Штуцер 8 ввода смеси (показан вариант вертикального расположения узла приема и распыления смеси) выполнен в виде трубы 11, на нижнем конце которой установлены фланцы 12 и 13, а верхний конец закрыт заглушкой 14 (фиг.4, 5). Фланец 12 предназначен для крепления к корпусу 1, а фланец 13 - к линии подачи смеси. Верхний конец трубы 11 перфорирован отверстиями 15, например, цилиндрической формы. Размеры и количество отверстий 15 определяются расчетом. Отверстия 15 могут быть расположены в несколько рядов по длине окружности трубы 11 и их взаимное расположение таково, что имеется возможность плавной, без возникновения опасности гидравлического удара, регулировки их количества из положения «закрыто» в положение «открыто».
Обечайка 9 (фиг.2) выполнена в виде кожуха 16 с прикрепленным к ней теплообменником 17 в центре которого расположен штуцер ввода смеси 8. Кожух 16 смонтирован в люке 2 корпуса 1 с образованием зазора 18 для выхода газообразной фазы из зоны распыления смеси. То же назначение имеют окна 19, выполненные в нижней части кожуха 16. Жидкая фаза коалесцирует на трубках 20 и ребрах 21 теплообменника 17 и кожухе 16 и стекает вниз через отверстия 22 и пазы 23 (фиг.3), выполненные в ребрах 21.
МРР смеси 10 представляет собой трубчатый узел, верхняя часть которого (на фиг.2 не показана) выведена за крышку люка 2 через уплотнение 24 любого известного типа для подвижных соединений (например, сальниковое) и закреплена на ней с возможностью перемещения приводом. Соединение двух труб - трубы 11 штуцера 8 ввода смеси и нижней части 25 (трубы) трубчатого узла механизма 10 - выполнено по принципу «труба в трубе» по переходной посадке. Для обеспечения безыскровой работы такого соединения при взаимном перемещении может быть использована, например, бронзовая втулка 26 (фиг.4, 5), запрессованная на посадочную поверхность одной из труб (например, на трубу 11), применение полимерного покрытия посадочных поверхностей труб 11 и 25 (фторопласт) и т.д.
Индикатором количества открытых отверстий 15 служит механический лимб со стрелкой, установленный вне корпуса устройства в зоне видимости оператора привода МРР или любое другое известное устройство, однозначно вытекающее из его назначения. Стрелка закреплена на подвижной трубе 25. Детали МРР, находящиеся за пределами корпуса 1 устройства, закрываются откидным, уплотненным по разъему кожухом 26.
Привод перемещения труб относительно друг друга может быть любого известного типа, например, в случае возвратно-поступательного перемещения - с использованием гидро- или пневмоцилиндра двухстороннего действия, либо передачи рейка-шестерня, либо винтовой передачи.
Устройство работает следующим образом.
Открывают запорный клапан (на фиг.1 не показан) на подводящем трубопроводе смеси до устройства, при этом запорный клапан (на фиг.1 не показан), находящийся непосредственно на входе в узел приема и распыления смеси, должен быть закрытым. При таком положении проверяют давление смеси в подводящем трубопроводе - оно должно быть выше давления начала «кипения» смеси при установленной температуре. Убедившись, что давление не снижается, открывают запорный клапан на входе в узел приема и распыления смеси и впускают смесь в штуцер 8 ввода смеси. При этом давление в штуцере 8 должно сохраниться выше точки «кипения» смеси, как и в подводящем трубопроводе, поэтому смесь вплоть до подхода к отверстиям распыления 15, находящимся в закрытом положении, сохраняется в жидком состоянии.
С помощью привода постепенно открывают необходимое количество отверстий 15 в трубе 11 (например, с шагом 5 отверстий). Количество открытых отверстий 15 указывается стрелкой на лимбе.
Выходя через отверстия 15 трубы 11 непосредственно (в случае возвратно-поступательного перемещения труб) либо через щели 27 (фиг.5, 6, 7, 8) в пространство обечайки 9 узла приема и распыления смеси (из зоны высокого давления в зону низкого давления), струи смеси распыляются, образуется дисперсный поток, из которого испаряются легкокипящие компоненты. В результате этого температура смеси в обечайке 9 падает и испарение легкокипящих компонентов смеси замедляется.
Поскольку при таком способе разделения в жидкой фазе еще сохраняются легкокипящие компоненты, то для улучшения качества разделения жидкую фазу дополнительно подогревают теплообменником 17. Для этого дисперсный поток направляют на поверхности теплообмена (трубки 20 теплообменника 17) и нагревают его для получения заданного давления насыщения. Трубки 20 теплообменника 17 при ударе о них струй дисперсного потока подогревают их, обеспечивая испарение легкокипящих компонентов, и изменяют направление движения струй, обеспечивая их интенсивное перемешивание. При этом из жидкой фазы дополнительно выделяются легкокипящие компоненты. Происходит дополнительное разделение дисперсного потока на газовую и жидкую фазы в созданных условиях.
Часть выделенной газовой фазы выходит из верхней части обечайки 9, ударяется о крышку люка 2 и направляется через зазор 18 в газовое пространство устройства, остальная часть газовой фазы выходит в газовое пространство устройства через окна 19, выполненные в нижней части кожуха 16.
Неиспарившаяся часть жидкой фазы коалесцирует на трубках 20, ребрах 21 и кожухе 16 с образованием на них жидкой пленки. Пленка, стекая с них, попадает в зону сбора жидкости корпуса 1 устройства через отверстия 22 и пазы 23, выполненные в ребрах 21 теплообменника 17, и выводится из корпуса 1 устройства через штуцер 6 с установленным на нем антизавихрителем 7. Выделенная газовая фаза проходит пеногаситель 3 и выводится из корпуса 1 устройства за счет избыточного давления в нем через штуцер 4, предварительно пройдя каплеуловитель 5.
По мере заполнения газового пространства устройства легкокипящими компонентами давление смеси на входе в устройство и давление в его газовом пространстве принимают постоянные заданные значения, и технологический процесс достигает термодинамического фазового равновесия.
После завершения пуска и наладки устройства откидной кожух 26 закрывают.
Способ разделения смеси углеводородов, содержащей легкокипящие жидкости, осуществляется следующим образом.
Исходную смесь подают в устройство при заданной температуре и под давлением, превышающим давление насыщенных паров, распыляют, получают дисперсный поток, отводят из него легкокипящие компоненты смеси, испаряющиеся за счет ввода необходимого количества тепла и разности давлений в подводящем трубопроводе и в устройстве. Одновременно распыленный поток направляют на поверхности теплообмена, нагревают для получения заданного соотношения разделения дисперсного потока на газовую и жидкую фазы. Выводят газовую фазу в газовую зону устройства, а жидкую фазу в зону для сбора жидкости. Выводят разделенные фазы из устройства.
Такие способ и конструкция устройства обеспечивают максимально эффективное разделение смеси на газовую и жидкую фазы с необходимым распределением компонентов жидкости в фазах при минимальных энергетических затратах.
3
3
В качестве примера рассмотрим способ разделения широкой фракции легких углеводородов (далее ШФЛУ) на газовую и жидкую фазы с давлением насыщенных паров жидкой фазы не более 66,7 кПа, обеспечивающим возможность вернуть ее в состав нефти в пропорциях 75/25 мас.% при расходе 300 м/сутки при плотности 520 т/м.
В рассматриваемом примере ШФЛУ, имеющую температуру плюс 80,5°С и давление 1,91 МПа, подают через отверстия узла приема и распыления смеси. При этом давление в корпусе устройства составляет 0,3 МПа, а температура - плюс 25°С. При выходе ШФЛУ через отверстия распыления из зоны высокого давления в зону низкого давления происходит интенсивное испарение ее компонентов с поглощением тепла. Необходимая для ведения технологического процесса температура плюс 25°С поддерживается теплообменником, обеспечивающим подвод тепла в количестве 700 МДж/ч и разделение ШФЛУ на газовую и жидкую фазы в пропорциях 75/25 мас.% с истинным давлением насыщенных паров при смешивании ее жидкой части с нефтью 60,99 кПа.
В таблице приведены результаты расчетов для вариантов смешивания полученной в процессе сепарации жидкой фазы ШФЛУ с нефтью согласно заданным параметрам в зависимости от давления в сепараторе (п.1 таблицы) и количества дополнительно подводимого в сепаратор тепла (п.2 таблицы).
Анализ результатов расчета позволяет сделать вывод, что получение смеси жидкой фазы ШФЛУ и нефти, отвечающей требованиям товарной нефти по давлению насыщенных паров не более 66,7 кПа, возможно при обеспечении параметров технологического процесса по варианту 2:
Избыточное давление в устройстве, МПа,
0,2
Количество подводимого тепла, МДж/ч,
700
№ п/п
Параметры
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
1
Избыточное давление в сепараторе, МПа
0,30
0,20
0,30
0,25
0,25
0,25
0,20
2
Подвод тепла в сепаратор, МДж/ч
800
700
700
700
1000
0
0
3
Температура в сепараторе, °С
34,65
25,27
33,12
29,41
34,21
19,57
15,3
4
Массовый расход паровой части ШФЛУ, кг/ч
4840
4840
4605
4717
5415
3086
3226
5
Станд. расход газа (STD_м<sup>3</sup>/ч)
2238
2243
2144
2192
2463
1505
1570
6
Стандартная плотность [Gas] (кг/м<sup>3</sup>)
2,219
2,214
2,203
2,208
2,259
2,098
2,102
7
Низшая теплотворная способность паровой части ШФЛУ, МДж/м<sup>3</sup>
102,0
101,8
101,3
101,5
103,7
96,67
96,86
8
Число Воббе паровой части ШФЛУ, МДж/м<sup>3</sup>
82,22
82,14
81,96
82,04
82,86
80,22
80,29
9
Массовый расход смешанной нефти, кг/ч
161103,4
161103,4
161339,2
161226,3
160528,5
162857,5
162717,5
10
Истинное давление пара смешанной нефти при 37,8°С, кПа
62,29
60,99
66,63
63,96
51,64
103
98,05
11
Количество жидкой фазы ШФЛУ, мас.%
24,96
24,96
28,61
26,86
16,04
52,15
50,00
12
Количество ШФЛУ в нефти, мас.%
1
1
1,14
1,08
0,65
2,06
1,98