Газожидкостный сепаратор
GAS-LIQUID SEPARATOR

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разделения нефти и газа при сборе продукции скважин.
Известен центробежный газожидкостный сепаратор (патент RU №2311945, МПК 8 B01D 45/12, опубликовано в бюл. №33 от 10.12.2007 г.), содержащий вертикальный корпус, разделенный горизонтальной перегородкой, делящей корпус на камеры, тангенциальный ввод разделяемой смеси, расположенный под перегородкой, осевую трубу, осевой выходной патрубок, экранирующую пластину, расположенную под осевой трубой, рециркуляционную трубу, размещенную по оси корпуса ниже осевой трубы, при этом корпус снизу дополнительно оснащен патрубком вывода отстоя, отстойной камерой со сливным патрубком, установленным снизу радиально, и концентрично установленным стаканом, внутренняя полость которого сообщена снизу с патрубком вывода отстоя, а верхние края оснащены экранирующей пластиной, выполненной с небольшим наклоном вниз от верхних краев стакана к стенкам корпуса, относительно которого экранирующая пластина установлена по периметру с зазором, при этом перегородка установлена в корпусе по периметру с зазором и герметично соединена с осевой трубой, сообщенной непосредственно с тангенциальным вводом и оборудованной снизу воронкой с рециркуляционной трубой, причем нижняя часть рециркуляционной трубы вставлена в стакан, а камера, расположенная ниже перегородки, сообщена с осевым выходным патрубком телескопически вставленной в него с зазором трубкой.
Недостатком данного сепаратора являются:
- во-первых, низкая эффективность разделения газожидкостной смеси (ГЖС) вследствие того, что газожидкостная смесь тангенциально поступает в трубу и по внутренним стенкам трубы и воронки капли жидкости с газом стекают в стакан, откуда неотсепарированный и неуспевший отделиться из жидкости газ вместе с жидкостью сливается через сливной патрубок, установленный в нижней части вертикального корпуса;
- во-вторых, низкое качество отсепарированного газа, попадающего в осевой выходной патрубок газа, обусловленное попаданием в него частиц жидкости из осевой трубы вследствие высокой скорости сепарации в первой камере внутри осевой трубы, при этом газ попадает в стакан, не успев выделится из ГЖС. Кроме того, в конструкции отсутствуют элементы, препятствующие попаданию капель в трубопровод отвода газа (конусный экран, брызгоунос).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газожидкостный сепаратор (патент RU №2306966, МПК 8 B01D 19/00, опубликовано в бюл. №27 от 27.09.2007 г.), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, трубопроводы подвода газожидкостной смеси и отвода газа и жидкости, при этом корпус разделен конической перегородкой на входную и каплеотбойную камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом, соединяющим корпус сепаратора с трубопроводом отвода газа, причем входная камера снабжена сливными трубами и концентрично установленной каплеотбойной камерой с завихрителем, конусной нижней частью и сливными трубами, нижние концы которых расположены ниже концов сливных труб входной камеры и установлены в гидрозатворный стакан в нижней части корпуса, причем устройство снабжено винтовой полкой, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры в пределах трубопровода отвода газа, при этом между корпусом и каплеотбойной камерой, выше патрубка подвода газожидкостной смеси и ниже верхней кромки каплеотбойной камеры, установлена сужающаяся книзу воронка, верхняя кромка которой соединена с сетчатым стаканом, охватывающим трубопровод подвода газожидкостной смеси и каплеотбойную камеру, причем ниже трубопровода отвода газа установлен экран, а корпус между сетчатым стаканом и конической перегородкой разобщен кольцевыми сетчатыми перегородками.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая эффективность разделения ГЖС на газ и жидкость, так как тангенциально закрученный на входе поток ГЖС разбивается о сетчатый стакан только напротив центробежного ввода в направлении, перпендикулярном вертикальному цилиндрическому корпусу сепаратора, при этом влияние центробежных сил ниже, т.е. в процессе перемещения ГЖС сверху вниз минимально, поэтому жидкость стекает вертикально вниз, увлекая за собой частицы газа, не успевшие выделится вместе с жидкостью в сливные трубы, и далее в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса сепаратора, откуда сливаются с жидкостью;
- во-вторых, низкое качество отсепарированного газа, обусловленное низкой интенсивностью процесса коалесценции, т.е. укрупнение капель жидкости, выделяющихся из газа, при этом внутри сепаратора выше трубопровода подвода газа на входе в каплеотбойную камеру в газовом пространстве образуется пена, которая попадает в каплеотбойную камеру и далее в трубопровод отвода газа. Кроме того, конусный экран, расположенный на входе в трубопровод отвода газа, предотвращает брызгоунос только на входе трубопровод отвода газа, при этом брызги по газоуравнительному трубопроводу свободно попадают в трубопровод отвода газа;
- в-третьих, низкая надежность, обусловленная засорением сетчатого стакана в процессе работы механическими примесями (песком, шламом, и т.д.) и, как следствие, преждевременный выход из строя с необходимостью очистки или замены сетчатого стакана.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности разделения газожидкостной смеси на газ и жидкость, а также повышение качества отсепарированного газа и повышение надежности работы устройства.
Поставленная техническая задача решается газожидкостным сепаратором, содержащим вертикальный цилиндрический корпус, трубопроводы подвода газожидкостной смеси, отвода газа и жидкости, при этом корпус разделен конической перегородкой на входную и каплеотбойную камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом, соединяющим корпус сепаратора с трубопроводом отвода газа, причем входная камера снабжена сливными трубами и концентрично установленной каплеотбойной камерой с завихрителем в виде винтовой полки, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры в пределах трубопровода отвода газа, конусной нижней частью и сливными трубами, нижние концы которых расположены ниже концов сливных труб входной камеры и установлены в гидрозатворный стакан в нижней части корпуса, конусный экран, установленный ниже трубопровода отвода газа, и сетчатый стакан, размещенный в корпусе.
Новым является то, что газожидкостной сепаратор снабжен сепарирующим шнеком, установленным на наружной поверхности каплеотбойной камеры с радиальным зазором по отношению к сетчатому стакану, выполненному коническим сужающимся сверху вниз, при этом площадь проточной части шнека уменьшается в осевом направлении от входа к выходу, а угол наклона лопастей шнека на выходе меньше девяноста градусов, причем внутри сетчатого стакана ниже шнека к сетчатому стакану закреплен кольцевой диск с площадью проточной части, меньшей площади проточной части на выходе шнека, при этом выше трубопровода подвода газожидкостной смеси установлен лабиринтный сепарационный элемент, выполненный в виде трех размещенных параллельно кольцевых сетчатых перегородок с уменьшающимися снизу вверх размерами ячеек сетки, причем две кольцевые сетчатые перегородки закреплены снаружи к каплеотбойной камере, а между двумя кольцевыми сетчатыми перегородками к вертикальному цилиндрическому корпусу закреплена одна кольцевая сетчатая перегородка, при этом в кольцевых сетчатых перегородках перпендикулярно им и концентрично вертикальному цилиндрическому корпусу закреплены взаимообращенные друг к другу чередующиеся короткие и длинные кольцевые пластины, причем в трубопроводе отвода газа за газоуровнительным трубопроводом установлен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток со скошенным снизу сегментом.
На фигуре схематично изображен газожидкостной сепаратор.
Газожидкостной сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, трубопроводов подвода газожидкостной смеси (ГЖС) 2, отвода газа 3, отвода жидкости 4.
Вертикальный цилиндрический корпус 1 разделен конической перегородкой 5 на входную 6 и каплеотбойную 7 камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом 8, соединяющим корпус 1 сепаратора с трубопроводом отвода газа 3.
Входная камера 6 снабжена сливными трубами 9 и концентрично установленной каплеотбойной камерой 7 с завихрителем, выполненным в виде винтовой полки 10, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры 7 в пределах трубопровода отвода газа 3, конусной нижней частью 11 и сливными трубами 12.
Сливные трубы 9 и 12 соответственно входной камеры 6 и каплеотбойной камеры 7 установлены в гидрозатворный стакан 13 в нижней части корпуса 1, причем сливные трубы 12 каплеотбойной камеры 7 расположены ниже сливных труб 9 входной камеры 6.
Газожидкостной сепаратор снабжен сепарирующим шнеком 14, установленным на наружной поверхности каплеотбойной камеры 7 с радиальным зазором по отношению по отношению к сетчатому стакану 15, выполненному коническим сужающимся сверху вниз и размещенному в корпусе 1.
1
2
Площадь проточной части шнека 14 уменьшается в осевом направлении от входа к выходу, т.е. S>S,
1
где S - площадь проточной части на входе в шнек 14, м;
2
S - площадь проточной части на выходе из шнека 14, м.
Угол наклона лопастей шнека на выходе меньше девяноста градусов.
3
2
2
3
Внутри сетчатого стакана 15 ниже шнека 14 к сетчатому стакану 15 закреплен кольцевой диск 16 с площадью проточной части S, меньшей площади S проточной части на выходе шнека 14, т.е. S>S.
2
где S - площадь проточной части на выходе из шнека 14, м;
3
S - площадь проточной части кольцевого диска 16, м.
Выше подвода газожидкостной смеси 2 установлен лабиринтный сепарационный элемент, выполненный в виде трех размещенных параллельно кольцевых сетчатых перегородок 17', 17'', 17''', с уменьшающимися снизу вверх размерами ячеек сетки, например: 17'' (0,4⋅0,4 мм); 17''' (0,3⋅0,3 мм); 17' (0,2⋅0,2) мм, т.е. по ходу сепарации газа. Две кольцевые сетчатые перегородки 17' и 17'' закреплены снаружи к каплеотбойной камере 7. Между двумя кольцевыми сетчатыми перегородками 17' и 17'' к вертикальному цилиндрическому корпусу 1 закреплена одна кольцевая сетчатая перегородка 17''.
В кольцевых сетчатых перегородках 17', 17'', 17''' перпендикулярно им и концентрично вертикальному цилиндрическому корпусу 1 закреплены взаимообращенные друг к другу чередующиеся короткие 18 и длинные 19 кольцевые пластины.
Конусный экран 20 установлен ниже трубопровода отвода газа 3.
В трубопроводе отвода газа 3 за газоуровнительным трубопроводом 8 установлен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток 21 со скошенным снизу сегментом.
Газожидкостной сепаратор работает следующим образом.
1
2
Газожидкостная смесь ГЖС (см. фигуру) через трубопровод подвода ГЖС 2 подается во входную камеру 6 сепаратора, где поток ГЖС поступает на вход сепарирующего шнека 14, площадь проточной части которого уменьшается в осевом направлении от входа к выходу, т.е. S>S. Это позволяет обеспечить отсутствие градиента давления в проточной части шнека или иметь требуемый градиент давления, что наряду с повышенной меридиональной скоростью приводит к улучшению проходимости проточной части сепаратора для газообразной среды.
Проходя через сепарирующий шнек 14, газожидкостная смесь закручивается и на периферии разбивается о сетчатый стакан 15, выполненный коническим сужающимся сверху вниз, при этом происходит разделение жидкой и газообразной сред с последующим отводом разделенных компонентов за сетчатым стаканом 15 над конической перегородкой 5, при этом жидкость стекает вниз, а газ поднимается вверх.
3
2
2
3
Минуя сепарирующий шнек 14, вращающееся кольцо жидкости сталкивается с кольцевым диском 16, площадь проточной части S которого меньше площади S проточной части на выходе шнека 14, т.е. S>S. Это приводит к тому, что из вращающегося кольца жидкости дополнительно выдавливаются газовые каверны и отдельные пузырьки газа к периферии, где они будут выводиться через сетчатый стакан на коническую перегородку 5, не препятствуя течению жидкости. Все это приводит к более интенсивному выделение газа из жидкости, что значительно повышает эффективность разделения ГЖС.
В отличие от прототипа, где поток ГЖС разбивается о сетчатый стакан, забивая его механическими примесями, в предлагаемом устройстве угол наклона лопастей шнека 14 на выходе меньше девяноста градусов, это приводит к лучшей проходимости через шнек 14 в осевом направлении механических примесей, т.е. ближе к центру шнека 14. Это позволяет минимизировать попадание механических примесей на сетчатый стакан 15 и исключает преждевременное засорение сетчатого стакана, что позволяет продлить срок службы сетчатого стакана 15 до очистки или его замены, что повышает надежность работы газожидкостного сепаратора.
Капли жидкости по конической перегородке 5 стекают вниз в сливные трубы 9 и в гидрозатворный стакан 13. Из гидрозатворного стакана 13 жидкость переливается и попадает в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора, откуда сливается через трубопровод отвода жидкости 4.
Газ, выделившийся из ГЖС на сепарирующем шнеке 14 и содержащий частицы жидкости, поднимается вверх и в верхней части корпуса 1 сначала проходит через лабиринтный сепарационный элемент, в котором газ с частицами жидкости движется сначала в направлении от периферии к центру между чередующимися короткими 18 длинными 9 кольцевыми пластинами, заключенными между кольцевыми сетчатыми перегородками 17'' и 17'''. Достигнув наружной стенки каплеотбойной камеры 7, поток газа с частицами жидкости меняет направление движения на 180° и движется в направлении от центра к периферии между чередующимися короткими 18 и длинными 19 кольцевыми пластинами, заключенными между кольцевыми сетчатыми перегородками 17''' и 17'.
Чередующиеся короткие 18 и длинные 19 кольцевые пластины установлены параллельно, что вынуждает поток газа с каплями жидкости изменить направление несколько раз внутри лабиринтного сепарационного элемента.
При изменении направления течения газа капли жидкости, обладающие большей плотностью и импульсом, продолжают движение по прямолинейной траектории и ударяются о поверхности коротких 18 и длинных 19 кольцевых пластин. Задержанные капли коалесцируют, укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности коротких 18 и длинных 19 кольцевых пластин сквозь кольцевые сетчатые перегородки 17', 17'', 17''' с уменьшающимися снизу вверх размерами ячеек сетки 0,4⋅0,4 мм; 0,3⋅0,3 мм, 0,2⋅0,2 мм и через сетчатый стакан 15 и коническую перегородку 5, сливную трубу 9 в гидрозатворный стакан 13.
В результате происходит сепарации газа с выделением частиц жидкости (до 80%) за счет коалесценции, т.е. укрупнение капель жидкости, выделяющихся из газа, благодаря чему ускоряется процесс сепарации газа.
Далее очищенный в лабиринтном сепарационном элементе от частиц жидкости газ поступает внутрь каплеотбойной камеры 7, где по винтовой полке 10 закручивается в поток, происходит выделение остатков капель жидкости (20%) из газа, при этом капли жидкости осаждаются на поверхность каплеотбойной камеры 7 и далее по ее конусной части 11 стекают через сливную трубу 12 в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора и далее отводятся через трубопровод отвода жидкости 4, при этом конусный экран 20 предотвращает брызгоунос капель в трубопровод отвода газа 3. Газ, выделяющийся из жидкости, находящейся в нижней части вертикального цилиндрического корпуса 1, через газоуравнительный трубопровод 8 выводится в трубопровод отвода газа 3.
Сливные трубы 9 и 12 входной 6 и каплеотбойной 7 камер, соответственно, установлены в гидрозатворный стакан 13 на разных уровнях, сливная труба 12 ниже сливной трубы 9, что предотвращает прорыв газа из входной камеры 6 в газовое пространство сепаратора.
В случае поступления брызг вместе с газом в трубопровод отвода газа 3 через газоуравнительный трубопровод 8 в конструкции предлагаемого сепаратора предусмотрен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток 21 со скошенным снизу сегментом, при этом капли разбиваются о кольцевые лопатки 21 и через их скошенные снизу сегменты и газоуравнительный трубопровод 8 стекают обратно в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора.
В предлагаемом сепараторе благодаря наличию в его конструкции лабиринтного сепарационного элемента повышается качество отсепарированного газа, так как исключается образование пены в газовом пространстве на входе в каплеотбойную камеру за счет увеличения площади поверхности, по которой перемещается газ, содержащий частицы жидкости, что дает время для разрушения пузырьков пены, при этом происходит интенсификация процесса коалесценции, сопровождающаяся укрупнением капель и их стеканием в нижнюю часть корпуса сепаратора.
Предлагаемый газожидкостной сепаратор позволяет:
- повысить эффективность разделения газожидкостной смеси;
- повысить качество отсепарированного газа, поступающего в трубопровод отвода газа;
- повысить надежность работы устройства.