Техника и технология сепарации нефти от газа

где х1, х2, …, xп — молярные концентрации соответствующих компонентов в жидкой фазе, доли единицы.

Пусть упругости насыщенных паров компонентов при заданной температуре Q1, Q2, …, Qп. Давление паров такой смеси по закону Рауля будет

 

,

 

 

 

или

,

 

где x1Q1, x2Q2, …, xnQn — парциальные давления компонентов в жидкой фазе.

Определив давление паров жидкой смеси р, концентрацию всех компонентов в равновесной паровой фазе можно найти по уравнению

 

.

 

Если же известен состав паровой фазы, то состав равновесной жидкой фазы можно также определить, используя уравнение Дальтона—Рауля.

Пусть задан состав паровой фазы смеси

 

,

 

где y1, y2, …, yп — молярные концентрации углеводородов в паровой фазе, доли единицы.

Определить общее давление в системе, как в предыдущем случае нельзя, так как неизвестен состав жидкой фазы. Давление ларов смеси по данным состава паровой фазы можно определить, исходя из следующего.

Для каждого компонента можно написать

 

, , .

 

Суммируя концентрации компонентов в жидкой фазе, получим

 

.

 

Отсюда давление паров смеси, если известен состав паровой фазы, можно определить из соотношения

 

.

(1.2.11)

 

 

Определив по этой формуле давление паров смеси р, концентрацию компонентов в жидкой фазе находят из соотношения

 

 

.

 

Решение двухфазных многокомпонентных систем, при котором определяются только составы паровой и жидкой фаз. не позволяет определить молярные доли паровой и жидкой фаз, рассчитать материальный баланс работы сепараторов, конденсаторов, испарителей, разделительных колонн, процессов сжатия и охлаждения углеводородных газов [3].

 

3. Уравнения фазовых концентраций

 

Пусть N-компонентная смесь состава ηi разделилась на паровую фазу состава уi и находящуюся с ней в равновесии жидкую фазу состава xi. Молярная доля паровой фазы равна V, а жидкой фазы — L. Запишем уравнение материального баланса для i-го компонента смеси

 

.

(1.3.1)

 

 

Поскольку V + L = 1, то заменим в уравнении (1.3.1) L на (1–V). Кроме того, учтем определение (1.1.1) и заменим уi, на произведение Kixi. Тогда из уравнения (1.3.1) получим

 

(1.3.2)

 

и

 

.

(1.3.3)

 

 

Уравнения (1.3.2) и (1.3.3) называют уравнениями фазовых концентраций компонентов смеси. Они позволяют определить молярные доли компонентов в паровой и жидкой фазах смеси состава ηi при заданных значениях коэффициентов распределения Ki и известном значении молярной доли паровой фазы V.

Поскольку и , то и с учетом выражений (1.3.2) и (1.3.3) можно записать следующее уравнение для расчета молярной доли паровой фазы V смеси состава ηi при заданных значениях Кi:

 

.

(1.3.4)

 

 

Уравнение (1.3.4) также называется уравнением фазовых концентраций. Функция F(V) является монотонно убывающей, поскольку

 

.

(1.3.5)

 

 

Это свойство функции F(V) используется при решении задач расчета парожидкостного равновесия многокомпонентных систем. В частности, в зависимости от значения корня функции F(V) получают следующие критерии фазового состояния смеси состава ηi, соответствующие заданным коэффициентам распределения.

1. V < 0. Этот случай соответствует однофазному ненасыщенному жидкому состоянию. F(0) < 0 и, следовательно, необходимым критерием того, что при заданных значениях коэффициентов распределения смесь находится в ненасыщенном жидком состоянии, является выполнение условия

 

.

(1.3.6)

 

 

2. V = 0. Этот случай соответствует насыщенному жидкому состоянию (точка кипения). F(0) = 0.

Имеем следующее необходимое условие однофазного насыщенного жидкого состояния:

 

.

(1.3.7)

 

3. 0 < V < 1. Этот случай соответствует двухфазному парожидкостному состоянию. F(0) > 0, F(1) < 0. Следовательно, необходимые условия двухфазного состояния имеют вид

 

; .

(1.3.8)

 

4. V = 1. Этот случай соответствует однофазному насыщенному состоянию (точка росы). F(l) = 0. Отсюда следует необходимое условие существования смеси в насыщенном газовом состоянии

 

.

(1.3.9)

 

5. V > 1. Этот случай соответствует однофазному ненасыщенному газовому состоянию. F(l) > 0. Отсюда вытекает необходимое условие существования смеси в ненасыщенном газовом состоянии

 

.

(1.3.10)

 

Подчеркнем, что полученные критерии идентификации фазового состояния смеси являются необходимыми, но не достаточными. Критерии (1.3.7), (1.3.8), (1.3.9) являются достаточными только в том случае, если коэффициенты распределения соответствуют составам равновесных фаз, т.е. тем составам, при которых летучести каждого компонента в паровой и жидкой фазах равны. Неравенства (1.3.6) и (1.3.10) используются только как вспомогательные критерии в процессе решения задач расчета давления начала кипения и давления начала конденсации многокомпонентной системы методом последовательных приближений. Очевидно, что входящие в неравенства (1.3.6) и (1.3.10) значения коэффициентов распределения не могут соответствовать равновесным составам фаз, так как эти неравенства являются критериями однофазного ненасыщенного состояния смеси, т.е. того состояния, при котором фазовое равновесие невозможно [2].

 

2. Конструкции двухфазных сепараторов.

 

Принцип действия сепарационных процессов основан на изменении фазовых соотношений систем при изменении параметров системы, т. е. это процесс извлечения легких углеводородов многократным или однократным испарением при снижении давления.

Попутный газ отделяют от нефти в два этапа, разделенных во времени и пространстве: первый этап осуществляется при промысловой подготовке нефти в сепараторах различного давления гравитационным разделением. Полного отделения газа при этом не происходит. В нефти остается в растворенном состоянии до 1,5—2,0 % углеводородов С|—С4. Для более глубокого извлечения легких фракций нефть направляют на специальные стабилизационные установки, в состав которых входят ректификационные колонны. Продуктами этих установок являются стабильная нефть и газоконденсат.

Повышение давления в сепараторе приводит к уменьшению рабочего газового фактора, плотности, молекулярной массы и теплоты сгорания выделяющегося газа, а также к уменьшению содержания в нем тяжелых углеводородов. Нефть при этом становится менее плотной и вязкой, в ней увеличивается содержание легких углеводородов.

Состав отсепарированного газа в зависимости от давления меняется следующим образом: при увеличении давления в сепараторе уменьшается содержание пропана, бутанов, пентанов и высших углеводородов, увеличивается содержание метана.

На количество и состав выделяющегося газа существенно влияет температура сепарации. С повышением температуры увеличивается количество выделяющегося газа, а также содержание в нем тяжелых углеводородов. При изменении режима сепарации на практике, как правило, температуру нефтегазовой смеси искусственно не меняют. Поэтому влияние температуры на процесс сепарации связано с изменением температуры окружающей среды и дебита скважины.

На унос углеводородов с газом влияет также расход нефти в сепараторах, особенно при сепарации в вертикальных гравитационных сепараторах. Увеличение расхода нефти приводит к резкому возрастанию уноса газа вместе с нефтью, так как часть газа не успевает выделиться. Количество уносимого газа тем больше, чем выше скорость движения нефти. При сепарации больших количеств газонефтяной смеси приходится увеличивать число сепараторов.

Газовый фактор сепарируемой нефти оказывает такое же влияние на качество сепарации, как и изменение расхода нефти.

С увеличением газового фактора повышается унос газа вместе с нефтью при постоянной пропускной способности сепаратора [4].

В нефтяных сепараторах любого типа различают следующие четыре секции (рис. 1).

I. Основная сепарационная  секция, служащая для выделения  из нефти газа. На работу сепарационной  секции большое влияние оказывает  конструктивное оформление ввода  продукции скважин (радиальное, тангенциальное, использование различного рода  насадок – диспергаторов, турбулизирующих  ввод газожидкостной смеси).

II. Осадительная секция, в  которой происходит дополнительное выделение пузырьков газа, увлеченных нефтью из сепарационной секции. Для более интенсивного выделения окклюдированных пузырьков газа из нефти последнюю направляют тонким слоем по наклонным плоскостям, увеличивая тем самым длину пути движения нефти, т.е. эффективность ее сепарации. Наклонные плоскости рекомендуется изготовлять с  небольшим порогом, способствующим выделению газа из нефти.

III. Секция сбора нефти, занимающая самое нижнее положение  в сепараторе и предназначенная  как для сбора, так и для  вывода нефти из сепаратора. Нефть  может находиться здесь или  в однофазном состоянии, или в  смеси с газом – в зависимости  от эффективности работы сепарационной  и осадительной секций и времени пребывания нефти в сепараторе.

Рисунок 1 – Общий вид и детали вертикального сепаратора [5]:

I– основная сепарационная секция; II – осадительная секция; III – секция сбора нефти; IV – каплеуловительная секция; 1 – корпус; 2 – раздаточный коллектор; 3 – поплавок; 4 – дренажная труба; 5 – наклонные плоскости; 6 – ввод газожидкостной смеси; 7 – регулятор давления "до себя"; 8 – выход газа; 9 – перегородка, выравнивающая скорость газа в жалюзийном каплеуловителе; 10 – жалюзийный каплеуловитель; 11 –  регулятор уровня; 12 – сброс нефти; 13 – сброс грязи; 14 – люк; 15 – заглушки; 16 – предохранительный клапан

 

IV. Каплеуловительная секция, расположенная в верхней части  сепаратора и служащая для  улавливания мельчайших капелек  жидкости, уносимых потоком газа.

На рисунке 1 показаны общий вид и разрез сепаратора с жалюзийной насадкой 10. Сепаратор работает следующим образом. Нефтегазовая смесь под давлением поступает через патрубок 6 к раздаточному коллектору 2, имеющему по всей длине щель для выхода смеси. Из щели нефтегазовая смесь попадает на наклонные плоскости 5, увеличивающие путь движения нефти к облегчающие тем самым выделение окклюдированных пузырьков газа. В верхней части сепаратора установлена каплеуловительная насадка 10 жалюзийного типа, сечение которой показано на том же рисунке. Капельки нефти, отбиваемые в жалюзийной насадке 10, стекают в поддон и по дренажной трубе 4 направляются в нижнюю часть сепаратора.

Каплеулавливающая насадка 10 может быть различной конструкции. Работа ее должна основываться на следующих принципах: 1) столкновении потока газа с различного рода перегородками; 2) изменении направления потока; 3) изменении скорости потока; 4) использовании центробежной силы; 5) использовании коалесцирующей набивки (различного рода металлических сеток).

Рисунок 2 – Общий вид и разрез горизонтального сепаратора [5]:

1 – ввод газонефтяной  смеси; 2 – диспергатор; 3 – наклонные  плоскости; 4 – жалюзийная насадка-каплеуловитель; 5 – перегородка для выравнивания потока газа; 6 – выход газа; 7 – люк; 8 – регулятор уровня; 9 – поплавковый уровнедержатель; 10 – сброс грязи; 11 – перегородка для предотвращения прорыва газа; 12 – сливная трубка

 

На рисунке 2 приведены общий вид и разрез горизонтального сепаратора, в котором частицы жидкости оседают под действием как гравитационных, так и инерционных сил. Этот сепаратор работает следующим образом. Нефтегазовая смесь, подаваемая в патрубок 1, вначале попадает в диспергатор газа 2, где происходит дробление (диспергирование) нефтегазовой смеси. Диспергирование нефти приводит к существенному увеличению поверхности контакта нефть-газ, в результате чего происходит интенсивное выделение газа из нефти. Однако глубокое отделение газа от нефти получается в том случае, когда выделившийся в трубопроводе газ отделяется от нефти до подхода к сепаратору. После диспергатора из газа под действием гравитационных сил значительная часть капельной нефти оседает на наклонные плоскости 3, а незначительная часть ее в виде мельчайших капелек уносится основным потоком газа. Для изменения структуры потока наклонные плоскости следует выполнять с уступами (порогами), способствующими выделению газа из жидкости.

Основной поток газа вместе с мельчайшими частицами нефти, не успевшими осесть под действием силы тяжести, встречает на своем пути жалюзийную насадку 4, в которой происходят "захват" (прилипание) капелек жидкости и дополнительное отделение их от газа; при этом образуется пленка, стекающая в поддон, из которого по трубе 12 она попадает под уровень жидкости, в сепараторе.