СПОСОБ СЕПАРАЦИИ ПОТОКА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ
METHOD FOR SEPARATION OF THE FLOW OF A MULTICOMPONENT MEDIUM

Изобретение относится к способам низкотемпературной сепарации потока многокомпонентной среды.
Из уровня техники известен способ работы и устройство газожидкостного сепаратора, содержащего корпус с перегородками, разделяющими его на камеры ввода и вывода газа и камеры накопления и слива жидкости, сепарационный элемент с завихрителем, сообщающий камеру ввода газа с камерой вывода газа и камерой накопления жидкости, и сливную трубу, сообщающуюся камеру накопления жидкости с камерой слива жидкости, снабженного дополнительными сепарационными элементами с завихрителями, сообщающими камеру ввода газа с камерой вывода газа и камерой накопления жидкости, при этом сепарационные элементы или часть их со стороны камеры ввода газа снабжены управляемыми клапанами, приводы которых выведены за корпус, при этом при сепарации для переключения клапанов снимают заглушку и, вращая вал кривошипа, приводят колпак в возвратно-поступательное движение, перемещаясь вверх, колпак перекрывает прорези в корпусе сепарационного элемента, а при перемещении вниз открывает их, при этом сепаратор патрубком подключают в линию сбора газа, за счет тангенциального ввода газа через патрубок в камере ввода газа предварительно отделяют капельную жидкость и механические включения, например песок, при этом на входе в сепарационные элементы газ на завихрителях закручивают вновь и производят окончательную очистку газа, при этом очищенный газ подают в камеру вывода газа и далее в отводящий патрубок, отделенную жидкость в виде пленки через кольцевой зазор направляют в камеру накопления жидкости, при этом наличие нескольких сепарационных элементов с клапанами обеспечивает плавную регулировку сепаратора на любой расход газа, высокое качество очистки которого обеспечивается практически при любом количестве подключенных к сепаратору скважин (Патент RU №2162727, МПК B01D 45/12, В04С 3/06, 2001).
5+
К основным недостаткам известного способа работы газожидкостного сепаратора относятся низкая эффективность сепарации, обусловленная отсутствием возможности отделения жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С от общего газового потока, низкая эффективность закручивания газового потока в завихрителях, а также сложность одновременного управления приводами клапанов.
Известно устройство и способ работы газодинамического сепаратора, в котором газожидкостной поток после придания ему дополнительной тангенциальной составляющей скорости в завихрителе и прохождения через конфузор подают в регулируемое отверстие диффузора для выхода газожидкостной смеси, приподнимая регулятор, который, таким образом, парит в восходящем потоке, при этом в щели между регулятором и диффузором создается критическое сечение, жидкость, движущуюся в виде капель по периферии сопла и жидкость, в виде пленки сконденсировавшуюся на стенках сопла, направляют в щели, а затем в патрубки, при этом очищенный от влаги газ подают вверх через диффузор, при снижении напора газожидкостной смеси на входе в сопло регулятор опускают ниже под действием силы тяжести, автоматически уменьшая критическое сечение сопла, а при увеличении напора, регулятор приподнимают, увеличивая критическое сечение, причем оптимальное значение массы регулятора для каждого напора газожидкостной смеси определяют по номограмме и либо используют готовый регулятор подходящей массы из набора, либо утяжеляют/облегчают имеющийся регулятор, что позволяет варьировать массу регулятора, изменяя площадь критического сечения сопла (Патент RU №149911, МПК B01D 45/12, 2015).
Основными недостатками известного способа являются создание регулятором дополнительного сопротивления газожидкостному потоку, низкая эффективность улавливания сконденсировавшейся фракции, а также существование возможности запирания критического сечения сопла.
Известен термогазодинамический сепаратор, способ работы которого заключается в подаче через патрубок исходного многокомпонентного углеводородного газа на завихритель для закручивания потока, после чего многокомпонентный углеводородный газ направляют в сопло Лаваля, а затем в сепарационную камеру, где конденсируют и отделяют углеводородные компоненты от газовой фазы за счет центробежной силы, после чего конденсат отводят в сборник конденсата, из которого газовую фазу отбирают через патрубки в эжекторную камеру, а очищенный газовый поток подают в диффузор для снижения скорости и восстановления давления, при этом термогазодинамический сепаратор дополнительно содержит поперечные перегородки, каждая из которых выполнена из двух частей, первая из которых жестко соединена с корпусом, вторая расположена внутри первой и выполнена съемной, а сопло, сепарационная камера и диффузор установлены последовательно внутри вторых частей поперечных перегородок и выполнены съемными для обеспечения возможности их замены, что позволяет изготавливать проточную часть термогазодинамического сепаратора, состоящую из сопла, сепарационной камеры и диффузора, с геометрическими размерами, соответствующими каждой конкретной производительности (Патент RU №74308, МПК B01D 45/12, B01D 53/26, 2008).
Недостатками известного способа работы термогазодинамического сепаратора является необходимость длительного останова оборудования с целью его реорганизации при изменении параметров газового потока, сложность регулирования производительности, обусловленная полной заменой проточной части, низкая эффективность отвода сконденсировавшейся фракции.
5+
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится способ сепарации многокомпонентной среды, заключающийся в подаче упомянутого потока в устройство, содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, при этом устройство для закручивания потока среды выполняют в виде конического шнека, который размещают в конфузорной части канала, при этом внутри указанного устройства закручивания устанавливают с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело, которое выполняют в виде цилиндра с профилированной конической выходной частью, причем поверхность конической выходной части выполняют эквидистантной поверхности указанного конфузорного участка канала, при этом в отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости устанавливают полый конус, причем упомянутую полость соединяют с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком профилированного канала, предпочтительно, цилиндрическим, при этом при сепарации потоку многокомпонентной среды придают ускорение и вращательное движение путем пропускания его через лопатки конического шнека, установленного в конфузорной части, после чего вращающийся поток направляют через цилиндрический участок профилированного канала подачи потока, который выполняют таким образом, что в нем скорость многокомпонентного газового потока повышается до сверхзвуковых значений, при этом статическое давление достигает минимальных значений, а статическая температура понижается до значений ниже температуры точки росы, и обеспечивают конденсацию в дисперсном многокомпонентном газовом потоке жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С, после чего производят расширение газа и выделение жидкой фракции тяжелых углеводородов в виде капель жидкости в пристеночный слой на периферии соплового канала сепарации за счет центробежных сил, при этом отсепарированный газ направляют далее по центральной части канала, а жидкую фракцию тяжелых углеводородов, движущуюся в пристеночном слое, направляют в кольцевой зазор узла отбора капель и/или твердых частиц, после чего скопившуюся жидкость удаляют из выходной полости, причем обеспечивают непрерывную циркуляцию части газового потока из канала отбора жидкой фракции в область цилиндрического участка профилированного канала газового потока и обеспечивают унос жидкости из узла отбора жидкой фракции в выходной патрубок, предотвращая запирание жидкости в упомянутом канале, при этом изменяющиеся параметры потока многокомпонентной среды обеспечивают в требуемых заданных пределах путем изменения местоположения в цилиндрической части канала профилированного центрального тела (Патент RU №2736135, МПК F25J 3/00, F15D 1/02, 2020 - прототип).
К основным недостаткам известного способа относятся малый диапазон регулирования производительности, негативное влияние введения профилированного центрального тела в цилиндрический участок соплового канала на расчетный режим работы устройства для сепарации, создание дополнительного сопротивления предварительно закрученному потоку и последующее снижение эффективности разделения посредством введения линии рециркуляции непосредственно в цилиндрический участок соплового канала.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании способа сепарации потока многокомпонентной среды, в котором отсутствуют указанные недостатки, и при его использовании имеется возможность регулирования производительности сепаратора в широком диапазоне при изменении исходных рабочих параметров многокомпонентной среды, при этом не требуется введение профилированного центрального тела в сопловой аппарат, в процессе регулирования производительности нет необходимости в длительном останове оборудования, а также отсутствуют дополнительные сопротивления газовому потоку, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.
5+
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе сепарации потока многокомпонентной среды, заключающемся в том, что при сепарации поток многокомпонентной среды подают в устройство для сепарации, содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, при этом при сепарации поток многокомпонентной среды закручивают и придают ускорение путем пропускания через конфузорный участок, после чего поток многокомпонентной среды пропускают через критическое сечение сверхзвукового сепаратора, в котором увеличивают скорость потока многокомпонентной среды до звуковых значений в данной среде, после чего поток многокомпонентной среды подают в диффузорный участок, в котором обеспечивают значение скорости упомянутого потока выше скорости звука в данной среде, при этом в упомянутом потоке снижают статическое давление до минимальных значений, а статическую температуру - до значений ниже температуры точки росы, и организуют конденсацию в дисперсном потоке многокомпонентной среды жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С в виде капель жидкости, обеспечивают его расширение, согласно изобретению, устройство для сепарации выполняют состоящим из, как минимум, двух профилированных каналов подачи потока, геометрические размеры проточных частей которых выполняют из условия обеспечения требуемых параметров течения потока очищаемой многокомпонентной среды, причем упомянутые профилированные каналы располагают, предпочтительно, параллельно и, преимущественно, вокруг общей оси вращения, исходя из условия расположения входных частей в одной плоскости, при этом на входе в устройство для сепарации размещают с возможностью вращения диск с каналами для направления потока в определенный профилированный канал, при этом на входе в устройство для сепарации устанавливают входной коллектор с подводящим патрубком, а на выходе устанавливают отводящий коллектор с отводящим патрубком конденсата и связанные с профилированными каналами отводящие патрубки очищенного потока, при этом диффузорный участок выполняют с переходом от меньшего угла раствора к большему, причем в части с большим углом раствора диффузорного участка, на выходе из профилированного канала, устанавливают полый конус, внутри которого выполняют конфузорно-диффузорный переход, при этом, при сепарации поток многокомпонентной среды подают во входной коллектор, из которого направляют в профилированный канал, геометрия проточной части которого выбрана из условия обеспечения исходных параметров потока, причем открытие профилированного канала предварительно осуществляют поворотом упомянутого диска вокруг оси, при этом в профилированном канале организуют завихрение потока многокомпонентной среды с более высокой периферийной пристеночной плотностью, окружной скоростью и радиальным градиентом давления, по сравнению с аналогичными параметрами в приосевой области, и придают ускорение посредством пропускания через конфузорный участок, а, после расширения упомянутого потока в диффузорном участке, направляют отсепарированную жидкую фракцию тяжелых углеводородов в пристеночный периферийный слой диффузорного участка за счет центробежных сил, а затем - в кольцевую полость с частью газа и далее - в полость отводящего коллектора, из которого ее отбирают через отводящий патрубок конденсата, при этом основной отсепарированный газовый поток направляют в конфузорно-диффузорный переход полого конуса, откуда через отводящий патрубок очищенного потока его отбирают для дальнейшего использования.
В варианте применения предложенного способа устройство для сепарации дополнительно оснащают емкостью с ингибитором и струйным насосом, причем подводящий патрубок входного коллектора устройства соединяют со струйным насосом, при этом организуют процесс рециркуляции газа, заключающийся в смешивании части газа, отбираемого из отводящего патрубка конденсата, с потоком многокомпонентной среды в струйном насосе, при этом в струйный насос из емкости дополнительно направляют ингибитор, при этом регулируют расход упомянутых ингибитора и части газа, отбираемого на рециркуляцию.
В варианте применения предложенного способа устройство для сепарации дополнительно оснащают емкостью с ингибитором, и струйным насосом, причем подводящий патрубок входного коллектора соединяют со струйным насосом, а входной коллектор устройства для сепарации оснащают форсунками, которые располагают соосно профилированным каналам, и дополнительным диском с каналами, который соосно и симметрично имеющемуся диску располагают на внутренней стороне входного коллектора, при этом смешивают часть газа, отбираемого из отводящего патрубка конденсата с потоком многокомпонентной среды в струйном насосе, а ингибитор подают в форсунки, при этом посредством вращения дополнительного диска открывают или перекрывают подачу ингибитора из указанных форсунок, причем требуемый расход ингибитора из входного коллектора осуществляют через линию сброса обратно в емкость, при этом регулируют расход ингибитора и части газа, отбираемого на рециркуляцию.
В варианте применения предложенного способа каналы в диске располагают с возможностью одновременной подачи потока многокомпонентной среды в два и более профилированных канала.
В варианте применения предложенного способа вращение диска осуществляют при помощи электродвигателя, преимущественно, шагового.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез устройства для реализации предложенного способа сепарации многокомпонентной среды; на фиг. 2 показан поперечный разрез А-А устройства для реализации предложенного способа; на фиг. 3 показан поперечный разрез Б-Б устройства для реализации предложенного способа; на фиг. 4 показан выносной элемент В - разрез диффузорного участка профилированного канала с установленным в нем полым конусом; на фиг. 5 показан продольный разрез устройства для сепарации, снабженного струйным насосом и емкостью с ингибитором, при условии подачи ингибитора в струйный насос, на фиг. 6 показан продольный разрез устройства для сепарации, снабженного струйным насосом, форсунками и емкостью с ингибитором, при условии подачи ингибитора в форсунки.
Предложенный способ может быть реализован при помощи устройства, имеющего следующие конструктивные особенности.
Устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит, как минимум, два профилированных канала 1 подачи потока с конфузорными 2, диффузорными 3 и расположенными между ними критическими сечениями 4, устройства 5 для закручивания потока среды, установленные в каналах. На входе в устройство для сепарации установлен диск 6 с каналами для направления потока в определенный профилированный канал, а также закреплен входной коллектор 7 с подводящим патрубком 8. В выходной части диффузорных участков 3, в части с большим углом раствора, установлены полые конусы 9 с кольцевыми зазорами 10 между внутренней поверхностью диффузорных участков и наружными поверхностями упомянутых конусов 9. Внутри полых конусов 9 выполнены конфузорно-диффузорные переходы 11. При этом на выходе из упомянутого устройства закреплен отводящий коллектор 12 с отводящим патрубком 13 конденсата и связанные с профилированными каналами 1 отводящие патрубки 14 очищенного потока.
В варианте исполнения (фиг. 5) устройство дополнительно снабжено емкостью 15 с ингибитором и струйным насосом 16. Полость отводящего патрубка 13 конденсата, а также емкость 15 с ингибитором соединены магистралями со входной частью струйного насоса 16, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура, соответственно, 17 и 18.
В варианте исполнения (фиг. 6) устройство дополнительно снабжено емкостью 15 с ингибитором, насосом 19 ингибитора и струйным насосом 16. Входной коллектор 7 оснащен форсунками 20, которые установлены соосно профилированным каналам 1, и дополнительным диском 21 с каналами, который установлен соосно и симметрично имеющемуся диску 6. Полость отводящего патрубка 13 конденсата соединена магистралью со входной частью струйного насоса 16, а емкость 15 с ингибитором соединена магистралью с насосом 19 ингибитора и форсунками 20, при этом в упомянутых магистралях установлена запорно-регулирующая арматура, соответственно, 17 и 18, при этом входной коллектор 7 соединен линией сброса 22 с емкостью 15 с ингибитором.
В варианте исполнения устройства диск соединен с валом электродвигателя 23, преимущественно, шагового.
Предложенный способ сепарации потока многокомпонентной среды реализуется следующим образом.
5+
Поток многокомпонентной среды под действием входного давления подают через подводящий патрубок 8 во входной коллектор 7, из которого упомянутый поток направляют в один или более профилированные каналы 1, геометрия проточной части которых выбрана из условия обеспечения исходных параметров потока. Открытие определенного канала предварительно осуществляют поворотом диска 6 вокруг оси. В профилированном канале 1, при помощи завихрителя 5, осуществляют завихрение потока многокомпонентной среды с более высокой периферийной пристеночной плотностью, окружной скоростью и радиальным градиентом давления, по сравнению с аналогичными параметрами в приосевой области, после чего придают ускорение путем пропускания через конфузорный участок 2, затем поток многокомпонентной среды пропускают через критическое сечение 4, в котором увеличивают скорость потока многокомпонентной среды до звуковых значений в данной среде. Далее упомянутый поток направляют в диффузорный участок 3, в котором обеспечивают значение скорости упомянутого потока выше скорости звука в данной среде, при этом в потоке многокомпонентной среды снижают статическое давление до минимальных значений, а статическую температуру - до значений ниже температуры точки росы, и организуют конденсацию в дисперсном потоке многокомпонентной среды жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С в виде капель жидкости, обеспечивают его расширение, после чего направляют отсепарированную жидкую фракцию тяжелых углеводородов в пристеночный периферийный слой диффузорного участка 3 за счет центробежных сил, а затем - в кольцевую полость 10 с частью газа и далее - в полость отводящего коллектора 12. Отбор жидкой фракции тяжелых углеводородов из отводящего коллектора 12 осуществляют через отводящий патрубок 13 конденсата. Основной отсепарированный газовый поток из диффузорного участка 3 подают в конфузорно-диффузорный переход 11 полого конуса 9, после чего отбирают для дальнейшего использования через отводящий патрубок 14 очищенного потока.
В варианте применения предложенного способа (фиг. 5) при сепарации организуют процесс рециркуляции газа, при котором часть газа, отбираемого из отводящего патрубка 13 конденсата смешивают в струйном насосе 16 с потоком многокомпонентной среды. С целью предотвращения гидратообразования, из емкости 15 в струйный насос 16 подают ингибитор. При этом регулирование расхода части газа, отбираемого на рециркуляцию, осуществляют при помощи запорно-регулирующей арматуры 17, а регулирование расхода ингибитора - при помощи запорно-регулирующей арматуры 18.
В варианте применения предложенного способа (фиг. 6) при сепарации организуют процесс рециркуляции газа, при котором часть газа, отбираемого из отводящего патрубка 13 конденсата смешивают в струйном насосе 16 с потоком многокомпонентной среды. С целью предотвращения гидратообразования, из емкости 15 при помощи насоса 19 в форсунки 20 подают ингибитор, при этом посредством вращения дополнительного диска 21 открывают или перекрывают подачу ингибитора из указанных форсунок 20, причем требуемый расход ингибитора из входного коллектора осуществляют через линию сброса 22 обратно в емкость 15. Регулирование расхода части газа, отбираемого на рециркуляцию, осуществляют при помощи запорно-регулирующей арматуры 17, а регулирование расхода ингибитора - при помощи запорно-регулирующей арматуры 18.
В варианте применения предложенного способа вращение диска осуществляют при помощи электродвигателя 23, преимущественно, шагового.
Применение предложенного способа сепарации потока многокомпонентной среды позволит обеспечить возможность регулирования производительности сепаратора в широком диапазоне при изменении исходных рабочих параметров многокомпонентной среды, при этом не требуется введение профилированного центрального тела в сопловой аппарат, в процессе регулирования производительности нет необходимости в длительном останове оборудования, а также отсутствуют дополнительные сопротивления газовому потоку, оказывающие негативное влияние на расчетный режим работы устройства для сепарации.