Досліджується гідродинаміка при дегазації вуглеводневої газорідинної суміші (УГЖС) в оригінальних вертикальних сепараторах з кутовий полицею. Отримано розрахункові залежності, що зв'язують основні експлуатаційні параметри і конструктивні розміри, зокрема довжину і кут нахилу гвинтової полки. Для ефективної сепарації суміші в тонкому шарі, поточному гвинтовими площині з невеликим кутом нахилу, необхідна значна довжина. Для нефтегазосепаратори з гвинтовою полицею довжина виявилася на 30-40% більше, ніж для традиційних вертикальних нефтегазосепаратори з похилою полицею. Відповідно на 20-30% підвищується якість сепарації. Бібліогр. 5. Іл. 1.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Шишкін Микола Дмитрович, Балтаньязов Ильнур Вінуровіч


ANALYTICAL RESEARCH OF HYDRODYNAMICS AT DEGASIFICATION OF HYDROCARBON GAS-LIQUID COMPOUND IN VERTICAL SEPARATORS

The hydrodynamics at degasification of hydrocarbon gas-liquid compound in original vertical separators with angular flange is investigated. The calculated dependences connecting the basic operational parameters and the constructive sizes, in particular length and the screw flange angle are received. For effective separation of the mixture in the thin layer flowing on the screw plane with a small inclination, the considerable length is necessary. For oil and gas separators with a screw flange the length is 30-40% more than for the traditional vertical oil and gas separators with an inclined flange. The quality of separation certainly increases by 20-30%.


Область наук:

  • хімічні технології

  • Рік видавництва: 2009


    Журнал: Вісник Астраханського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Аналітичне дослідження гідродинаміки при дегазації вуглеводневої газорідинної суміші в вертикальних сепараторах'

    Текст наукової роботи на тему «Аналітичне дослідження гідродинаміки при дегазації вуглеводневої газорідинної суміші в вертикальних сепараторах»

    ?УДК 665.622: 66.066.6

    Н. Д. Шишкін, І. В. Балтаньязов

    АНАЛІТИЧНА ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРОДИНАМІКИ ПРИ ДЕГАЗАЦІЇ вуглеводневих газорідинної суміші В ВЕРТИКАЛЬНИХ сепаратора

    Вступ

    Один з основних процесів підготовки нафти - поділ вуглеводневої газорідинної суміші (УГЖС) в промислових сепараторах, які є частиною установки комплексної підготовки нафти. Від ефективної роботи сепараторів багато в чому залежить якість промислової підготовки нафти. Досить широке застосування отримали вертикальні нефтегазосепарато-ри з плоскими похилими полками [1, 2]. Для підвищення пропускної здатності вертикальних сепараторів запропонований сепаратор з вертикальною гвинтовий підігрівається полицею [3]. Попередні оцінки показали, що при однакових розмірах корпусу площа в сепараторі з суцільною гвинтовою полицею на 10-20% більше, ніж в сепараторах з похилими полицями. Це призводить до відповідного збільшення продуктивності або до підвищення якості сепарації при тій же продуктивності, а підігрів самих полиць додатково збільшує швидкість або якість сепарації за рахунок зниження в'язкості УГЖС на 15-30% [4]. Однак для більш точної оцінки параметрів нового типу сепаратора, основним з яких є його ефективність, необхідно теоретично і експериментально дослідити гідродинаміку і теплообмін при дегазації УГЖС.

    Метою роботи було аналітичне дослідження гідродинаміки при дегазації УГЖС в оригінальних вертикальних сепараторах з гвинтовою полицею.

    При поділі рухомого шару газорідинної суміші в деякому обсязі, газова фаза складається з бульбашок, принесених з трубопроводу, а також зародилися безпосередньо в обсязі. Як правило, ці два види пухирців присутні в сепараторі. Якщо суміш досить збіднена розчиненими газами, що може бути, наприклад, на останньому щаблі сепарації, то в обсязі присутні в основному бульбашки першого типу. Для суміші, збагаченої розчиненим газом, наприклад, на першому місці сепаратора або в трубопроводі, в обсязі присутні бульбашки двох типів. З огляду на сказане вище, можливі два випадки. У першому випадку заносяться з потоком бульбашки не ростуть, а просто видаляються з обсягу. У другому випадку присутні принесені, а також зароджуються в обсязі бульбашки. Обидва типи бульбашок, на відміну від першого випадку, ростуть за рахунок дифузії в них розчиненого газу [4].

    Розглянемо ділянку (один з витоків) гвинтовий полки, розгорнувши його в площині довжиною Ь і висотою Н, в якому потік рухається по похилій, практично плоскій поверхні (рис.).

    Схема течії УГЖС на ділянці гвинтовий полки нефтегазосепаратори

    Нехай на вході задано розподіл бульбашок по радіусах n0 (r). Бульбашки між собою не взаємодіють. Відповідний розподіл на виході позначимо через nj (r). Для оцінки ефективності відділення бульбашок від рідини використовуємо передавальну функцію [5]:

    K (r) = ni (r) / no (r). (1)

    Якщо відома передавальна функція, то по заданому розподілу на вході можна знайти розподіл бульбашок на виході. Функція K (r) залежить від швидкості рідини, швидкості

    підйому бульбашки радіусом r, в'язкості ЦЖ і т. п. Тому в даному випадку основна

    задача полягає у визначенні передавальної функції. Стандартний профіль поздовжньої швидкості і за умови, що поперечна швидкість в шарі мала, можна оцінити з диференціального рівняння

    ЦЖ d2u / dy2 = -p * g sin а. (2)

    Інтегруючи його при граничних умовах

    і = 0 при у = 0, du / dy = 0 при у = Н, а також використовуючи умова збереження об'ємної витрати Q, отримуємо

    і = H2 pxg sin а [-0,5 (у / Н) 2 + y / Н] / ц *;

    H = (3цж Q / РЖТ Sin af. (3)

    Зокрема, середня по висоті шару швидкість

    й = І2pxg sin а / 3цж.

    Траєкторія рівномірного руху бульбашки в шарі в припущенні, що щільність газу значно менше щільності рідини - рг << рж і що він рухається зі стоксовой швидкістю, описується наступними рівняннями:

    dx / dt = і - 2 r2pw g sin a / 9цж; dy / dt = 2r2p ^ g cos a / 9 ЦЖ

    при значеннях

    x (0) = 0; y (0) = y0. (4)

    Введемо безрозмірні змінні: безрозмірну довжину Х = х / Н; безрозмірну швидкість V = u ^ / H2p ^ g; безрозмірний радіус бульбашки газу R = r / r0; відносний радіус бульбашки газу? 2 = 9H2 / 2r02; безрозмірну висоту потоку Y = y / H, де r0 - деякий характерний радіус, наприклад середній радіус бульбашок на вході.

    Перетворимо рівняння (4), привівши їх до безрозмірного вигляду:

    dX / dY = (? 2V - R2sin а) / R2cos а;

    V = (X - 0,5X2) sin a. (5)

    Розглянемо траєкторію руху бульбашки радіусом r, що знаходиться на вході в точці з координатами x = 0; у = у0. Проинтегрировав рівняння (5), отримаємо

    R2Xcos a =? 2sin a [(Y2 - Y ^) / 2 - (Y3 - Y30) / 3] + R2 (Y - Y0) sin a. (6)

    Відстань від входу, на якому спливає бульбашка, можна отримати з рівняння (6) при відносній висоті потоку Y = 1:

    ХКР =? 2tg a [(1 - Y20) / 2 - (1 -Y30) / 3] / R2 + tg a (1 - Y0). (7)

    В цьому випадку можна знайти такий радіус бульбашки R ^, який, перебуваючи в початковий момент в точці (0, 0), спливе в точці з координатами L і Н:

    R ^ = [? 2tg a / 6 (Xl - tg a)] 172 при Xl = L / H. (8)

    Оскільки відносна довжина XL >> 1 і кут нахилу гвинтової поверхні а порівняно невеликий (а ~ 6-10 °), то рівняння (8) можна привести до виду

    ДКР я (п Р2А / 1080 Xl) 1/2. (10)

    Сенс поняття критичного радіуса ЛКР полягає в наступному. Якщо на вхід надходять бульбашки різного радіусу, то все бульбашки з радіусом більше критичного (R > ЛКР) за час перебування в шарі довжиною L і висотою Н встигають спливти і видаляються з обсягу, в той час як частина бульбашок з радіусом R < R ^ понесеться потоком. Якщо число бульбашок в одиниці об'єму на вході однорідно по висоті, то ставлення числа бульбашок радіусом г, яких віднесло потоком з обсягу, до числа бульбашок того ж радіуса на вході одно передавальної функції К (г), яка, в свою чергу, дорівнює 70кр. Слід зазначити: 70кр - таке значення безрозмірною ординати на вході (при Х = 0), що бульбашка радіусом R, перебуваючи на вході в точці з координатами (0, Г0кр), спливає в точці (XL, 1). Значення Г0кр можна знайти з рішення кубічного рівняння (6).

    Рішення має громіздкий вигляд і незручно для подальшого використання. Тому оцінимо 70кр, замінивши параболічний профіль швидкості (3) однорідним: u = sin а / 3 [5]. Повторюючи викладки, отримуємо

    70кр = 1 - 3R2 Xl / p2tg а; R ^ (9 ^ Q / 2 рж g L) v \ (11)

    Порівнюючи рівняння (10) і (11), бачимо, що заміна параболічного профілю швидкості в однорідний призводить до збільшення критичного радіуса в V2 рази. З формули (11) знайдемо значення безрозмірною координати:

    70кр = 1 - (R / R ^) 2. (12)

    В цьому випадку передавальна функція набуде вигляду

    [1 - (rRj2, R < R \ р

    кр />--КР> (13)

    K (R) = 0, R > RKp.

    Знаючи значення передавальної функції К (Л), можна визначити обсяг газу, що буря потоком. Маси газу в бульбашках на вході і виході з сепаратора будуть відповідно рівні:

    Мо = Рг jv no (V) dV;

    М = Рг? УКпа (У) с1У. (14)

    про

    Ефективність сепарації суміші можна охарактеризувати коефіцієнтом ефективності [1]:

    П = 1 - М / Мо, (15)

    який, з урахуванням рівняння (13), набуде вигляду

    V,

    \ (1 - г2 / ЛР) Упоау

    л = 1 -0 ------ --------------, (16)

    Vn0dV

    де критичний радіус бульбашки ЛКР пов'язаний з його обсягом (вважаємо бульбашка сферичним) співвідношенням

    Укр = 4лЛ3кр / 3. (17)

    0

    оо

    Таким чином, з отриманих формул слід, що для ефективної сепарації суміші в тонкому шарі, поточному гвинтовими площині з невеликим кутом нахилу, необхідна значна довжина. Розрахунки, виконані для відомих типорозмірів сепараторів, показали, що для нефтегазосеператоров з гвинтовою полицею при рівних інших умовах, зокрема при тій же висоті і діаметрі сепаратора, довжина виявляється більше на 30-40%, ніж для традиційних вертикальних нефтегазосепаратори з похилою полицею. Відповідно на 20-30% підвищується якість сепарації. Подальше дослідження особливостей гідродинаміки, тепло- і масообміну при дегазації УГЖС дозволить більш детально вивчити і змоделювати цей процес. Отримані розрахункові залежності будуть перевірятися експериментально на лабораторній установці.

    висновок

    Розглянуто аналітична модель процесу сепарації нафти від газу в нефтегазосепара-торі з гвинтовою полицею. Отримано розрахункові залежності, що зв'язують основні експлуатаційні параметри і конструктивні розміри. Показано, що для ефективної сепарації суміші в тонкому шарі, поточному гвинтовими площині з невеликим кутом нахилу, необхідна значна довжина. Для нефтегазосеператоров з гвинтовою полицею довжина виявилася на 30-40% більше, ніж для традиційних вертикальних нефтегазосепаратори з похилою полицею. Відповідно на 20-30% підвищується якість сепарації. Отримані розрахункові залежності будуть перевірені експериментально на лабораторній установці.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. ЛутошкінГ. С. Збір і підготовка нафти, газу і води. - М .: ТОВ ТИД «Альянс», 2005. - 319 с.

    2. Обладнання для видобутку нафти і газу / В. Н. Іванівський, В. Н. Даріщев, А. А. Сабіров і ін. - М .:

    Вид-во «Нафта і газ» РГУ нафти і газу ім. І. М. Губкіна, 2003. - 792 с.

    3. Пат. на корисну модель № 559874. нефтегазосепаратори / Шишкін Н. Д., Іванов Н. А.

    4. Шишкін Н. Д., Балтаньязов І. В. Удосконалення конструкцій вертикальних сепараторів для

    промислової підготовки нафти // Укр. Астрахан. держ. техн. ун-ту. - 2008. - № 6. - С. 58-63.

    5. Синайський Е. Г. Поділ двофазних багатокомпонентних сумішей в нафтогазопромислового обладнання. - М .: Нафта і газ, 1990. - 268 с.

    Стаття надійшла до редакції 23.06.2009

    ANALYTICAL RESEARCH OF HYDRODYNAMICS AT DEGASIFICATION OF HYDROCARBON GAS-LIQUID COMPOUND IN VERTICAL SEPARATORS

    N. D. Shishkin, I. V. Baltaniazov

    The hydrodynamics at degasification of hydrocarbon gas-liquid compound in original vertical separators with angular flange is investigated. The calculated dependences connecting the basic operational parameters and the constructive sizes, in particular length and the screw flange angle are received. For effective separation of the mixture in the thin layer flowing on the screw plane with a small inclination, the considerable length is necessary. For oil and gas separators with a screw flange the length is 30-40% more than for the traditional vertical oil and gas separators with an inclined flange. The quality of separation certainly increases by 20-30%.

    Key words: vertical oil and gas separators, screw flange, analytical model, throughput capacity, quality of separation.


    Ключові слова: Вертикальні нефтегазосепаратори. ГВИНТОВІ ПОЛИЦІ /АНАЛІТИЧНА МОДЕЛЬ /ПРОПУСКНА ЗДАТНІСТЬ /ЯКІСТЬ СЕПАРАЦІЇ /VERTICAL OIL AND GAS SEPARATORS /SCREW FLANGE /ANALYTICAL MODEL /THROUGHPUT CAPACITY /QUALITY OF SEPARATION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити