АБСОРБЕР ОСУШКИ ГАЗА
GAS DRYING ABSORBER

Изобретение относится к технике осушки природного или нефтяного газов и может быть применено преимущественно в системах с высоким давлением и переменным расходом газа.
Согласно данным [1] большинство месторождений Западной Сибири, на долю которых приходится более 90 % добычи ПАО «Газпром», вступило в стадию падающей добычи газа. Стадия падающей добычи является самой энергозатратной и характеризуется в том числе увеличением потерь давления в системах промыслового сбора газа, снижением пластового давления и давления на входе в скважины. Проблема удаления жидкости с забоев скважин становится актуальной, так как постоянно увеличивается число месторождений, вступивших в завершающую стадию разработки. Накопление скважинной жидкости происходящее при скоростях газового потока ниже определенного критического значения серьезно осложняет технологический процесс добычи таза, резко сокращает производительность вплоть до их остановки (самозадавливания). В силу этих причин в последнее время особенно остро стоит проблема комплексного использования низконапорного газа. Одним из путей повышения отбора газа является внедрение новых технологий, направленных на повышение эффективности эксплуатации низкодебитных скважин.
Известен насадочный абсорбер осушки газа (прототип), содержащий входную сепарационную секцию, массообменную, заполненную насадкой секцию, выходную секцию извлечения примеси из газа [патент RU № 2198017, МПК B01D 53/18, опубл. 10.02.2003]. Входная сепарационная секция выполнена в виде установленной со стороны входа газа тарелки с центробежными сепарационными элементами и размещенной над ней в виде слоя пластинчато-сетчатой насадки, над массообменной абсорбционной секцией установлена сепарационно-газораспределительная секция, а между входной сепарационной секцией и массообменной абсорбционной секцией размещена полуглухая тарелка для сбора и отвода отработавшего абсорбента, сообщенная с массообменной абсорбционной секцией и выходной фильтрующей секцией. При этом выходная секция излечения примеси из газа выполнена в виде двух расположенных одна над другой полностью разборных тарелок с кольцевыми сетчатыми насадками, а сетчатые насадки не содержат в своей конструкции тканевых слоев; в этих насадках накопление твердых механических примесей происходит значительно медленнее, чем, например, в фильтр-патронах с тканевыми фильтрами.
Недостатком данного решения является неудовлетворительная равномерность потока по сечению и неудовлетворительное выделение мелких капель влаги и твердых частиц из газа на тарелке с центробежными прямоточными циклонами во входной сепарационной секции в условиях низконапорного газа переменного давления.
При боковом подводе газа во входную секцию, реализованном в прототипе, неравномерность раздачи потоков газа в аксиальном направлении не позволяет эффективно проводить сепарацию капельной влаги, а также обеспечить равномерность потока газа переменного давления после батареи типовых центробежных сепарационных элементов. При неравномерном по сечению распределении входящего в массообменную насадку газа и в дальнейшем в сетчатом сепараторе возникают явления образования застойных зон, «захлебывания», явление дробления, уноса капель или сквозной проход жидкости [2, 3]. Близкое расположение зоны вывода очищенного газового потока и зоны отсепарированной примеси в условиях отсутствия протока газа в область сбора примеси, приводит к интенсивному турбулентному обмену молями газа между этими зонами, к вторичной диспергации отсепарированной примеси и переносу мелких частиц и капель в зону вывода очищенного газа. Кроме того, центробежные сепарационные элементы мало приспособлены к очистке газов в условиях с переменным его расходом.
Газораспределительная пластинчато-сетчатая насадка также имеет малую эффективность сепарации влаги в условиях неравномерной подачи газа. На выходе очищенного газа из тарелки с центробежными сепараторами поле скоростей газа неравномерно, распределение примеси в очищенном газе на входе в пластинчато-сетчатую насадку также неравномерно, поэтому нагрузка по примеси и расходу газа в локальных областях пластинчато-сетчатой насадки будет отличаться. Осаждение примеси в виде капель и твердых частиц на проволоках насадки происходит за счет инерционных сил. В области скоростей 1- 3 м/с обтекания проволок происходит захват частиц размером более 10 мкм, однако при обтекании проволок со скоростями более 3 м/с происходит диспергация жидких частиц и увеличивает их унос. Твердые частицы оседают на проволоках и уменьшают локальные проходные сечения. Поэтому со временем сопротивление сетчатой насадки в её локальных областях будет отличаться, что приведет к еще более неравномерной загрузке проходных сечений сетчатой насадки и выносу примеси в массообменную секцию.
Для абсорберов, работающих в условиях переменного расхода газа, процесс сепарации в центробежных сепарационных элементах и сетчатых сепараторах оказывается практически невозможным вследствие невозможности выдерживания оптимальной скорости потока газа по всему сечению абсорбера.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение степени осушки газа в условиях его неравномерной подачи путем сокращения уноса абсорбента с осушаемым газом и снижения вероятности попадания механических примесей вместе с осушаемым газом в массообменную абсорбционную секцию, уменьшение потерь абсорбента.
Технический результат: расширение арсенала средств осушки газа (абсорберов) в условиях его неравномерной подачи, при одновременном повышении надежности, эффективности и экономичности процесса осушки газа.
Указанная задача решается за счет того, что в абсорбере осушки газа, содержащем входную сепарационную секцию, массообменную абсорбционную секцию с пакетами регулярной структурированной насадки, выходную секцию извлечения абсорбента из газа, и размещенную между входной сепарационной и массообменной абсорбционной секциями полуглухую тарелку для сбора и отвода отработавшего абсорбента, сообщенную с массообменной абсорбционной секцией и выходной сепарационной секцией, расположенную во входной сепарационной секции перегородку с центробежными сепарационными элементами, входная сепарационная секция и выходная секция извлечения абсорбента из газа содержат перегородки, на каждой из которых по периферии размещены центробежные сепарационные элементы, выполненные в виде полуспиральных камер, закрепленных на перегородках центральными патрубками вывода очищенного газа, имеющих патрубки ввода загрязненного газа с поворотными подпружиненными лопатками и связанных патрубками вывода отсепарированной примеси с циклонами, закрепленными на этих перегородках в центре, при этом во входной сепарационной секции к головке центрального циклона прикреплен конический стабилизатор вихря с приемником части вихря, нижняя часть которого погружена в заполненный водой накопитель примеси, а в выходной секции к головке центрального циклона прикреплен конический стабилизатор вихря с приемником части вихря, нижняя часть которого погружена в накопитель уловленного абсорбента, который соединен, в свою очередь, патрубком с полуглухой тарелкой сбора и отвода отработавшего абсорбента.
Повышение эффективности работы абсорбера в условиях неравномерной подачи газа достигается использованием закрепленных на перегородках центробежных сепарационных элементов, выполненных в виде полуспиральных камер в нижней входной сепарационной и верхней выходной секциях извлечения абсорбента из газа, имеющих патрубки ввода загрязненного газа с поворотными подпружиненными лопатками. В данной конструкции центробежных сепарационных элементов подпружиненные лопатки на входе выполняют роль стабилизации газового потока переменного давления, а зоны вывода примеси и выхода очищенного газа значительно удалены друг от друга, следствием чего является снижение количества примеси в прошедшем через них газе, а также уменьшение уноса абсорбента с осушаемым газом на выходе секций.
Полуспиральные камеры с подпружиненными лопатками во входных патрубках, размещенные на перегородках входной и выходной секции, являются концентраторами примеси и обладают повышенной транспортирующей способностью. Полная энергия потока в окружном направлении не меняется, поэтому напор потока в патрубках вывода примесей оказывается таким же, как и во входных патрубках этих камер. При этом центральный циклон работает под таким же напором, как и полуспиральные камеры - концентраторы примеси. Равномерность раздачи газа по концентраторам примеси обеспечивается высоким гидравлическим сопротивлением камер и центрального циклона. Расчеты эквивалентного сопротивления полуспиральных камер показывают, что его величина достаточна, чтобы выполнить условие равномерной раздачи газов по полуспиральным камерам. В условиях переменного расхода газа центростремительные ускорения в зоне сепарации центробежных полуспиральных камер остаются величинами постоянными, так как благодаря перемещению поворотной подпружиненной лопатки сечение входного патрубка в камеру изменяется пропорционально расходу газа. Скорость вывода отсепарированной примеси в выводных периферийных патрубках центробежных полуспиральных камер также постоянна, поэтому окружные скорости дисперсного потока в циклонах также неизменны. Следствием этого процесса является повышение эффективности сепарации примесей абсорбером в условиях переменной подачи газа.
При заявляемой конструкции перегородок с прикрепленными к ней центробежными сепарационными элементами и циклонами, зоны вывода примеси и очищенного газа по высоте находятся на расстояниях в сотни раз превышающих размеры масштаба турбулентности. Поэтому вторичной диспергации отсепарированной примеси не происходит. При этом в центральных циклонах часть потока, примерно его 10-15% с отсепарированной концентрированной примесью попадают в приемники, в которых вращение потока и частиц полностью затухает, а примесь превращается в жидкость и выводится из абсорбера. Это приводит к тому, что эффективность сепарационных процессов оказывается намного выше, чем в прототипе.
К повышению надежности заявляемого абсорбера ведет замена в выходной секции двух расположенных одна над другой тарелок с кольцевыми сетчатыми насадками, представляющими собой набор кассет с сетчатыми сепараторами, на перегородку с центробежными сепарационными элементами, выполненными в виде полуспиральных камер. В полуспиральных камерах и циклонах поддерживаются высокие скорости газа, поэтому отложений твердой примеси не происходит, а высокое гидравлическое сопротивление обеспечивает гидравлическое равновесие всех элементов и равномерное распределение газа по сечению.
Отсутствие необходимости периодической очистки или замены сетчатых сепараторов делает работу абсорбера более экономичной по сравнению с прототипом.
Изобретение поясняется рисунками. На фиг. 1 схематично представлен заявляемый абсорбер осушки газа. На фиг.2 показаны перегородка с полуспиральными камерами и циклоном (разрезы А-А и Б-Б заявляемого абсорбера). На фиг. 3 схематически изображена полуспиральная камера с подпружиненной лопаткой на входе.
Абсорбер осушки газа (фиг.1) содержит входную сепарационную секцию извлечения примеси из газа 1, массообменную абсорбционную секцию, заполненную насадкой 2, и выходную сепарационную секцию извлечения абсорбента из газа 3. Массообменная абсорбционная секция 2 содержит газораспределительную тарелку 4, слой из пакетов регулярной структурированной насадки 5 (высота слоя обычно составляет 4 - 5 м), распределитель абсорбента 6, полуглухую тарелку 7 под насадкой 5 для сбора насыщенного абсорбента. Входная сепарационная секция 1 содержит секционную перегородку 8, на которой закреплены с помощью центральных патрубков вывода очищенного газа 9 полуспиральные камеры 10. На фиг. 2 показано взаимное расположение полуспиральных камер на перегородке 8. На фиг. 3 изображена полуспиральная камера 10, которая крепится к патрубку 9. У полуспиральной камеры 10 имеется входной патрубок 11, в котором закреплена поворотная лопатка 12 с пружиной 13. Полуспиральные камеры 10, расположенные по периферии тарелки 8, выполнены зеркально симметричными и объединены попарно, таким образом, что отсепарированная примесь через патрубки 14 попадает в общий для зеркальных камер патрубок, ведущий к головке центрального циклона 15 входной сепарационной секции. Выходная сепарационная секция 3 содержит аналогичную перегородку 8 с расположенными по периферии полуспиральными камерами 10, патрубки 14 которых, предназначенные для вывода отсепарированной примеси, попарно и через общий патрубок подсоединены к циклону 16 выходной секции. На фиг.1 и фиг.2 изображены головки циклонов 15, 16 с входными и выходными отверстиями для подсоединения к патрубкам вывода очищенного газа 9 и вывода отсепарированной примеси 14. Во входной сепарационной секции 1 (Фиг.1) к головке циклона 15 прикреплен конический стабилизатор вихря 17 с приемником части вихря 18, нижней частью погруженный в накопитель примеси 19, который соединен с патрубком 20 для заполнения накопителя водой в период запуска системы. В верхней выходной сепарационной секции 3 к головке циклона 15 прикреплен конический стабилизатор вихря 21 с приемником части вихря 22, который нижней частью погружен в накопитель уловленного абсорбента 23, который соединен с патрубком нагнетательной линии распределителя 6 для заполнения накопителя абсорбентом в период запуска системы и патрубком 24 перепуска абсорбента в полуглухую тарелку 7 сбора абсорбента в секции 2. Различие между конусами стабилизаторами 17, 21 циклона 15 нижней 1 и циклона 16 верхней 3 секций заключается в форме и размерах; различие между приемниками вихрей с примесями 18, 22 циклонов нижней 1 и верхней 3 секции также состоит в форме и размерах. Форма и размеры этих деталей определяются объемом имеющегося для их монтажа свободного пространства секций 1 и 3.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Перед подачей газа в абсорбер в сепарационной секции 1 накопитель 19 заполняется водой через патрубок 20, а в сепарационной секции 3 накопитель 23 заполняется абсорбентом, например, диэтиленгликолем - ДЭГ, через нагнетательную линию распределителя 6. При этом ДЭГ через распределитель 6 смачивает поверхность насадки 5 и проходит в полуглухую тарелку 7.
Входящий в секцию 1 загрязненный газ с переменным расходом поступает в патрубки 11 полуспиральных камер 10. Далее газ проходит через сужения между концами лопаток 12 и криволинейными стенками полуспиральных камер 10. При повороте потоков газа отсепарированная примесь коагулирует на внешних криволинейных стенках полуспиральных камер 10 и вследствие коалесценции превращается в суспензию, которая проходит с частью газа в патрубки 14 и выводится в головку циклона 15. Очищенный газ из камер 10 выводится через патрубки 9. В циклоне формируется общий вихрь, который распространяется в конусе-стабилизаторе 17. В нем основная часть газа стекает в радиальном направлении к центру и противотоком проходит в патрубок вывода очищенного газа 9, который аналогичен патрубкам 9 вывода очищенного газа в спиральных камерах, а малая часть вихревого потока с примесью проходит в приемник 18, в котором также газ стекает к центру и в противоположном направлении выходит в конус стабилизатор потока 17. Вихрь в приемнике по мере продвижения в нисходящем направлении затухает, примесь превращается в суспензию. При этом в верхней части приемника центростремительные ускорения на порядок превышают ускорения в вихре в области входных патрубков 11 головки циклона 15, что препятствует выносу мелкой примеси в конус-стабилизатор 17. Суспензия поступает в накопитель 19, который образует гидравлический затвор и препятствует поступлению газа из объема секции 1 в приемник 18. Суспензия из накопителя 19 переливается на дно секции 1 и периодически выводится из этой секции через дренажный патрубок. Газ, огибая полуглухую тарелку 7, поступает в секцию 2, проходит через газораспределитель 4, далее через слои из пакетов регулярной структурированной насадки 5, где вступает в контакт с абсорбентом и понижает влагосодержание в виде паров воды. Из-за неравномерных скоростей потоков газа в объеме насадки происходит унос части абсорбента вместе с осушенным газом из абсорбционной секции 2.
Входящий в секцию 3 загрязненный предварительно осушенный газ переменного расхода поступает в патрубки 11 полуспиральных камер 10 перегородки 8, далее проходит через сужения между концами лопаток 12 и криволинейными стенками полуспиральных камер 10. При повороте потоков оставшаяся в потоке газа примесь коагулирует на внешних криволинейных стенках полуспиральных камер 10 и вследствие коалесценции, превращается в пленки, которые проходят с частью газа в патрубки 14, и выводятся в головку циклона 16. В циклоне формируется общий вихрь, который распространяется в конусе-стабилизаторе 21. В нем основная часть газа стекает в радиальном направлении к центру и противотоком проходит в патрубок 9, а малая часть вихревого потока с примесью проходит в приемник 22, в котором газ стекает к центру и в противоположном направлении выходит в конус-стабилизатор потока 21. Вихрь в приемнике по мере продвижения в нисходящем направлении затухает, примесь превращается в жидкий абсорбент (ДЭГ). При этом в верхней части приемника центростремительные ускорения на порядок превышают ускорения в вихре в области входных патрубков 10 головки циклона 16, что препятствует выносу мелкой примеси в конус-стабилизатор 21. Отсепарированный абсорбент (ДЭГ) поступает в накопитель 23, который образует гидравлический затвор и препятствует поступлению газа из объема секции 3 в приемник 22. Жидкий абсорбент (ДЭГ) из накопителя 23 переливается в патрубок 24 и в полуглухую тарелку 7 секции 2 и выводится из абсорбера вместе с ДЭГ, прошедшим через слой из пакетов регулярной структурированной насадки 5, на регенерацию.
Таким образом, заявляемая конструкция абсорбера существенно расширяет арсенал устройств для удаления жидкости и примесей из газа в условиях неравномерных скоростей газового потока, работающих с повышенной эффективностью и надежностью.
Источники информации
1. Епрынцев А.С., Кротов П.С., Нурмакин А.В., Киселев А.Н. Проблемы эксплуатации обводняющихся скважин газовых месторождений в стадии падающей добычи. - ВЕСТНИК ОГУ № 16 (135) / декабрь, 2011, с. 41-45.
2. Кузнецов И.Е., Шмат К.И., Кузнецов С.И. Оборудование для санитарной очистки газов: Справочник / под общ. ред. И.Е. Кузнецова. - К.: Техника, 1989. - 304 с., с. 33.
3. Синайский, Э.Г. Сепарация многофазных многокомпонентных систем / Э. Г. Синайский, Е.Я. Лапига, Ю. В. Зайцев. - Москва: Недра-Бизнесцентр, 2002. - 621 с., c.376, 377, 506.