ВЕРТИКАЛЬНЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ СЕПАРАТОР
VERTICAL GAS AND OIL SEPARATOR

Изобретение относится к оборудованию для разделения гетерогенных сред, а именно к области разделения нефтегазовой смеси на нефть и газ, в основе которой лежат сепарационные и массообменные процессы, и может быть использовано в отраслях нефтяной и газовой промышленности.
Поступающая на сепарацию нефтегазовая смесь характеризуется своим метастабильным состоянием, т.к. содержит в себе окклюдированный (находящийся в смеси в свободном диспергированном виде) и растворенный газ. Поэтому эффективный массоперенос газа из этой смеси требует проведения взаимоисключающих условий ее сепарации с получением очищенного от нефти газа и очищенной от газа нефти, т.к. эффективный массоперенос растворенного газа из смеси требует ее активного перемешивания, диспергирования и турбулизации, а эффективный массоперенос окклюдированного газа, наоборот, требует придания ей ламинарного режима движения, устранения дробления, перемешивания и снижения скорости движения.
Известные концевые сепараторы работают при давлении, близком к атмосферному (0,105-0,12) МПа, и температуре (10-45)°С. В них поступает нефть с невысоким остаточным газовым фактором от 3 до 18 для легких нефтей. Причем, поступающая в сепараторы нефть не успевает расслоиться на сплошные фазы в трубопроводе, поскольку дросселируется непосредственно перед сепаратором.
Известен способ разделения нефтегазовой смеси, предусматривающий ее подачу в корпус сепаратора и последующую технологическую обработку в нем, а именно: распределение, предварительное и окончательное разделение, а также сбор и отведение отсепарированных продуктов (Патент №1799278, приоритет от 28.02.1990 г. ).
Этот известный способ разделения нефтегазовой смеси технологически прост.
Недостатком этого известного способа разделения нефтегазовой смеси является его малая эффективность из-за неэффективности его процессов разделения, обусловленных отсутствием условий для глубокого разделения смеси из-за необеспеченности условий ее пленочного истечения, предполагающего возможность выхода из нее газа, а также длительность процесса окончательного разделения смеси, требующего ее продолжительного отстаивания в горизонтальном емкостном аппарате.
Известно устройство для разделения нефтегазовой смеси, содержащее вертикальный цилиндрический корпус со своими зонами предварительной обработки нефтегазовой смеси и сбора предварительно отсепарированных продуктов, а именно: зоны распределения и предварительного разделения нефтегазовой смеси и зон сбора и отведения предварительно отсепарированных продуктов со своими разнесенными по высоте корпуса сепаратора патрубками: патрубком выхода предварительно отсепарированного газа, патрубком ввода на обработку в корпус разделяемой смеси и патрубком вывода из корпуса отсепарированной нефти, а также горизонтальный отстойник для окончательного разделения смеси (Патент №1799278, приоритет от 28.02.1990 г. ).
Это известное устройство характеризуется простотой конструкции.
Недостатком этого известного устройства является его громоздкость, обусловленная использованием отдельно стоящего горизонтального отстойника для окончательного разделения нефтегазовой смеси, и неэффективность, обусловленная отсутствием конструктивных элементов для глубокого разделения смеси.
Известно также массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для встречного прохождения нефти и газа, с вертикально установленными на них секционирующими пластинами трапецеидальной формы, формирующими между своими торцами и поверхностями зигзагообразных перегородок пропускные окна для истечения газа и его равномерного распределения по зигзагообразным каналам каждой перегородки, и со своими вертикальными контактно-распределительными стержнями, плотно примыкающими к зигзагообразным перегородкам (Патент на полезную модель РФ №139121 от 03.09.2013 г. ).
Это известное массообменное устройство обеспечивает качественное отделение газа от нефтегазовой смеси, однако до своего появления оно не использовалось в нефтегазовых сепараторах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является вертикальный нефтегазовый сепаратор, содержащий цилиндрический корпус со своими следующими сверху вниз технологическими зонами обработки нефтегазовой смеси, накопления и отведения отсепарированных продуктов, а именно: зоной скопления и отведения окончательно отсепарированного газа, закрытой кольцевой зоной предварительного разделения смеси, зоной окончательного разделения продуктов, полученных при предварительном разделении, на нефть и газ и зоной скопления и отведения отсепарированной нефти, а также со своими разнесенными по высоте корпуса сепаратора патрубками: расположенным в верхней части корпуса патрубком вывода окончательно отсепарированного газа, расположенным ниже тангенциальным патрубком ввода обрабатываемой смеси в кольцевую зону предварительного разделения смеси и расположенным в днище корпуса патрубком вывода из корпуса отсепарированной нефти (Патент на полезную модель №101936, опубл. 10.02.2011 г. ).
Этот наиболее близкий к заявляемому вертикальный нефтегазовый сепаратор по сравнению с описанным выше аналогом компактен из-за проведения в нем одном всех технологических операций по сепарации нефтегазовой смеси.
Недостатком этого наиболее близкого по технической сущности вертикального нефтегазового сепаратора являются неэффективность, обусловленная отсутствием конструктивных элементов для глубокого разделения смеси, обеспечивающих возможность очищения предварительно отсепарированного газа от остатков смеси в нем и очищения предварительно отсепарированной жидкости от газовых остатков в ней.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности сепарационного процесса и его интенсификации за счет проведения процесса предварительного сепарирования смеси в закрытой зоне с обеспечением в ней раздельного сбора каждого отсепарированного продукта и последующей их окончательной сепарации путем противоточного массообмена в насадке с развитой массообменной поверхностью и элементами, обеспечивающими ее перемешивание и турбулизацию.
Указанный технический результат достигается тем, что вертикальный нефтегазовый сепаратор, содержащий цилиндрический корпус со своими следующими сверху вниз технологическими зонами обработки нефтегазовой смеси, накопления и отведения отсепарированных продуктов, а именно: зоной скопления и отведения окончательно отсепарированного газа, закрытой кольцевой зоной предварительного разделения смеси, зоной окончательного разделения продуктов, полученных при предварительном разделении, на нефть и газ и зоной скопления и отведения отсепарированной нефти, а также со своими разнесенными по высоте корпуса сепаратора патрубками: расположенным в верхней части корпуса патрубком вывода окончательно отсепарированного газа, нижерасположенным на цилиндрической части корпуса сепаратора патрубком вывода предварительно отсепарированного газа из зоны предварительного разделения нефтегазовой смеси; тангенциальным патрубком ввода обрабатываемой смеси в кольцевую зону предварительного разделения смеси и расположенным в днище корпуса патрубком вывода из корпуса отсепарированной нефти, дополнительно снабжен газопроводом со своим газораспределителем, подводящим предварительно отделенный от смеси газ из кольцевой зоны корпуса сепаратора в его зону окончательного разделения предварительно отсепарированных продуктов, и противоточной массообменной насадкой, установленной в зоне окончательного разделения предварительно отсепарированных продуктов, при этом закрытая кольцевая зона предварительного разделения смеси в корпусе сепаратора сформирована обечайкой, сопряженной с внутренней поверхностью корпуса сепаратора с образованием симметричной его оси кольцевой с ситообразным днищем камеры с двумя сопряженными зонами из предварительно отсепарированных продуктов: зоной скопления и отведения предварительно отсепарированной смеси и зоной скопления и отведения предварительно отсепарированного газа.
Использование противоточной массообменной насадки для окончательного разделения предварительно разделенной нефтегазовой смеси, выполненной из вертикальных перекрестно установленных сепарирующих секций, каждая со своими вертикально установленными зигзагообразными перегородками, образующими сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для встречного прохождения предварительно отсепарированных продуктов, с вертикально установленными секционирующими пластинами трапецеидальной формы, формирующими между своими торцами и поверхностями зигзагообразных перегородок пропускные окна для истечения предварительно отсепарированного газа и его равномерного распределения по сечению секций, и со своими вертикальными контактно-распределительными стержнями, плотно примыкающими к зигзагообразным перегородкам, способствует глубокому разделению предварительно разделенной нефтегазовой смеси.
Выполнение зигзагообразных перегородок массообменной насадки с соотношением Н/А в пределах 0,6÷2,0, где Н - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, способствует появлению наиболее устойчивых динамических пленок смеси с наименьшим дроблением их на капли, а радиусы гиба этих перегородок в пределах 5÷20 мм предотвращают срыв пленок в месте гиба перегородок, обеспечивают сплошность пленки смеси и ее сохранение на поверхности перегородок в местах их гиба.
Размещение вертикальных контактно-распределительных стержней друг от друга на расстоянии в пределах 12÷28 мм позволяет предотвратить срыв динамически свободных пленок смеси за каждым стержнем в направлении движения жидкости, т.к. их динамическая устойчивость обуславливается действием сил поверхностного натяжения: с одной стороны, пленка «цепляется» за жидкость, стекающую по стержням, а с другой - за жидкость, стекающую по стенке зигзагообразной перегородки.
Выбор высоты пропускного окна между торцом секционирующей пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки в пределах 0,15÷0,30 А позволяет обеспечить дополнительное выравнивание движения газа по сечению аппарата за счет его горизонтального перетока через окна, что в целом положительно влияет на увеличение производительности сепаратора по газу при работе на пенящихся жидкостях.
В совокупности все выбранные параметры массообменной насадки способствуют наиболее эффективному разделению смеси в сепараторе.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах:
фиг. 1 - вертикальный нефтегазовый сепаратор;
фиг. 2 - секция массообменной насадки;
фиг. 3 - узел сопряжения вертикальной секционирующей пластины с зигзагообразной перегородкой.
Вертикальный нефтегазовый сепаратор содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1) со своими следующими одна под другой сверху вниз зонами обработки нефтегазовой смеси и сбора отсепарированных продуктов: зоной сбора и отведения отсепарированного газа 2; закрытой кольцевой зоной предварительного разделения нефтегазовой смеси 3; зоной распределения смеси 4, зоной окончательного разделения смеси 5, зоной распределения предварительно отсепарированного газа 6 и зоной сбора и отведения отсепарированной нефти 7 со своими размещенными на различных уровнях по высоте корпуса 1 сепаратора патрубками: расположенным в его верхней части патрубком 8 выхода отсепарированного газа из корпуса 1; нижерасположенным на цилиндрической части корпуса 1 патрубком 9 вывода из зоны предварительного разделения нефтегазовой смеси 3 корпуса 1 предварительно отсепарированного газа; тангенциальным патрубком 10 ввода нефтегазовой смеси на обработку; патрубком 11 вывода из корпуса отсепарированной нефти и патрубком 12 ввода в корпус предварительно отсепарированного газа, а также охватывающую зону предварительного разделения нефтегазовой смеси 3 обечайку 13, сопряженную с внутренней поверхность корпуса 1 сепаратора с образованием симметричной его оси закрытой камеры 14 с зоной предварительного разделения нефтегазовой смеси 3 со своими смежными зонами скопления и отведения предварительно отсепарированных продуктов, а именно: зоны скопления и отведения предварительно отсепарированной нефтегазовой смеси 15 и зоны скопления и отведения предварительно отсепарированного газа 16. Обечайка 13 в своей нижней части имеет отверстия 17 для равномерного распределения в корпусе сепаратора 1 предварительно отсепарированной смеси.
Под обечайкой 13 расположена формирующая собой зону окончательного разделения смеси 5 массообменная насадка 18 из вертикально расположенных сепарирующих секций 19, каждая со своими образующими сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для встречного прохождения предварительно отсепарированных продуктов вертикально установленными зигзагообразными перегородками 20 (фиг. 2) и плотно примыкающими к ним вертикальными контактно-распределительными стержнями 21.
Зигзагообразные перегородки 20 содержат вертикально расположенные секционирующие пластины 22 трапецеидальной формы, формирующие между своими торцами и поверхностями зигзагообразных перегородок пропускные окна 23 (фиг. 3) для истечения предварительно отсепарированного газа и его равномерного распределения по сечению секций 19.
За пределами корпуса 1, сбоку, установлен газопровод 24 (фиг. 1), отводящий газ из кольцевой камеры 14 во внутреннее пространство корпуса под массообменной насадкой 18 с помощью газораспределителя 25.
Вертикальный нефтегазовый сепаратор работает следующим образом.
Сплошной поток нефтегазовой смеси поступает тангенциально через патрубок 10 горизонтально ориентированным потоком в закрытую камеру 14 зоны предварительной сепарации смеси 3 корпуса 1, закручивается в ней под действием центробежных сил и, сталкиваясь с поверхностью обечайки 13 внутри корпуса 1, в динамическом вихревом режиме турбулизируется, при этом заключенный в ее оболочки газ высвобождается и из-за разности удельных весов отсепарированных продуктов газ поднимается в зону скопления и отведения предварительно отсепарированного газа 16 верхней части камеры 14 и выходит через патрубок 9 в газопровод 24, а из него через патрубок 12 в газоразделитель 25 под массообменной насадкой 18 и затем в зону своего распределения 6 корпуса 1.
Оставшаяся в камере 14 нефтегазовая смесь, теряя часть своей кинетической энергии, опускается вниз, проникает сквозь отверстия 17 обечайки 13 и струйками стекает в зону распределения смеси 4 внутреннего пространства корпуса 1, равномерно рассеивается по нему и поступает в зигзагообразные каналы массообменной насадки 18, образованные зигзагообразными перегородками 20, стекая вниз по их поверхностям и поверхностям контактно-распределительных стержней 21 и вертикальных секционирующих пластин 22 в виде пленок и падающих капель.
При движении смеси по секциям 19 массообменной насадки 18 создаются благоприятные условия для массопереноса газа из нефти, а также для выделения пузырькового газа из пленки нефти.
Высокоразвитая поверхность секций массообменной насадки 18 способствует интенсификации процесса массообмена в сепараторе.
Вертикальные контактно-распределительные стержни 21 служат эффективными сепарирующими элементами, так как капли дисперсной смеси образуют на них гораздо более устойчивую кольцеобразную пленку, чем на сепарирующих поверхностях перегородок 20, где кривизна поверхности существенно меньше. Кольцеобразная пленка отсепарированной смеси на них беспрепятственно отводится, не подвергаясь опасности срыва ее потоком смеси или газа. В точке сопряжения этих перегородок 20 с вертикальными контактно-распределительными стержнями 21 смесь из-за изменения направления своего движения, обтекающего перегородки 20, турбулизуется и делится ими на части, истекающие пленкой как по самим этим контактно-распределительным стержням 21, так и по разделенным частям поверхностей противолежащих зигзагообразных перегородок 20. При этом осуществляется постоянно частичный переток смеси со стенок зигзагообразных каналов на стержни 21 и обратно, а также перемешивание пленок смеси, текущих по соседним перегородкам 20.
Предварительно отсепарированный в камере 14 газ после своего равномерного распределения газораспределителем 25 в зоне 6 корпуса 1 поступает снизу в массообменную насадку 18.
В процессе массообмена стекающая вниз смесь насыщается тяжелыми углеводородными компонентами предварительно отсепарированного газа, а поднимающийся вверх предварительно отсепарированный газ освобождается от остатков смеси в нем и концентрирует в себе высвободившиеся из смеси легкие газовые компоненты.
Отвод смеси по стержням 21 массообменной насадки 18 происходит более эффективно за счет повышенной стабильности кольцевых пленок, а другая часть смеси, огибающая эти стержни 21 под воздействием идущего снизу газа, образует двухсторонние свободнопадающие вибрирующие пленки с поверхностью массообмена, многократно превышающую площадь контактных элементов.
При этом предварительно отсепарированный газ, поднимаясь по зигзагообразным каналам секций 19 насадки 18, постоянно меняет свою скорость истечения, попадая в разные зоны: от узкой в расширенную и изменяя при этом направление своего движения зигзагообразными перегородками 20 и, перераспределяясь через пропускные окна 23, турбулизируется и в таком виде контактирует с постоянно обновляемой поверхностью пленок смеси, дополнительно интенсифицируя процесс, не нарушая пленочного истечения смеси. Движущийся противотоком навстречу смеси газ не позволяет каплям смеси упасть вертикально, а отклоняет и отбрасывает их в сторону смежной перегородки, обеспечивая, тем самым, орошение всей поверхности насадки. Поднимаясь вверх по каналу, газ поддерживает одни свободно падающие пленки и разрывает другие с выходом их них газа.
Пропускные окна 23 способствуют турбулизации газа и равномерному распределению его по зигзагообразному каналу за счет резкого изменения направления газа, препятствуя быстрому уносу капель смеси и увеличивая длительность взаимодействия их с газом, создавая оптимальные условия для сепарации нефтегазовой смеси.
Таким образом, при окончательном разделении смеси в массообменном устройстве 18 осуществляется пленочное течение жидкости при высокой турбулентности внутри текущих пленок и постоянном обновлении их поверхности.
Преимуществом предлагаемой конструкции сепаратора является эффективность процесса сепарации, сочетающего в себе и эффективный массоперенос окклюдированного газа из смеси за счет ее активного перемешивания, диспергирования и турбулизации при предварительном сепарировании в закрытой камере, обеспечивающем раздельный сбор и отведение предварительно отсепарированных продуктов, и последующий эффективный окончательный массоперенос из предварительно отсепарированных продуктов остатков неотделенных от них фракций: остатков газа, растворенного в предварительно отсепарированной смеси, и остатков смеси в предварительно отсепарированном газе, за счет придания смеси ламинарного режима движения в противоточной массообменной насадке с пленочным истечением смеси при высокой турбулентности внутри ее текущих пленок и постоянном обновлении их поверхности.
Предложенный вертикальный нефтегазовый сепаратор успешно прошел испытания и в настоящее время готовится к использованию на предприятиях нефтяной и газовой промышленности.