книги / Переработка нефтяных и природных газов

|лг, Н-с/м2; запыленностью газа, поступающего на очистку, а,„ мг/кг; дисперсным составом механических примесей по фракциям, % масс.; требуемой эффективностью очистки газа т), %; предельной величиной потерь давления в аппарате АР г, кПа.

Ниже приведены некоторые рекомендации по выбору конкрет­ ных аппаратов. Наиболее просты и дешевы аппараты сухой очистки. Для использования на ГПЗ можно рекомендовать ци­ клонные аппараты, которые широко применяют для пылеочистки в разных отраслях промышленности. Несмотря на большое число типов циклонов [7, 8, 9], все они работают по одному принципу и мало отличаются по эффективности. В циклонах за счет вра­ щательно-поступательного движения под действием центробежной силы механические примеси осаждаются на стенку и затем ссы­ паются в бункер. Газ частично попадает в бункер и, освободив­ шись от пыли, возвращается в циклон, где присоединяется к остальной части газа и затем выходит через патрубок вывода очищенного газа.

На рис. V.1 представлена конструкция группового циклона НИИОгаз [7 ], который можно использовать на ГПЗ. Эффектив­ ность циклонов 11 колеблется от 60 до 90% [8]. Коэффициент гид­ равлического сопротивления изменяется в очень больших преде­ лах. Пропускная способность определяется габаритами аппарата. Диаметр аппарата рассчитывают по средней скорости, которая выдерживается в интервале 2—5 м/с.

Фракционную и общую эффективность для каждой конкретной конструкции находят по эмпирическим характеристикам аппара­ тов [7, 8].

Мокрые газоочистительные аппараты обладают более высокой эффективностью, чем сухие, благодаря промывке, газопылевого потока, смачиванию и коагуляции улавливаемых частиц. В ка­ честве орошающей жидкости при очистке газа в условиях ГПЗ целесообразно использовать стабильный конденсат или бензин, получаемые на заводе. В этом случае орошающая жидкость не ухудшает технологический процесс и его эффективность.

Поток перед отделением механических примесей часто сма­ чивают в орошаемых газопроводах, где устанавливают форсунки для создания на пути потока жидкостных завес. Расход жидкости при этом рекомендуют [7] до 0,3 л/м3 газа. При пропускной спо­ собности газопровода 1 млрд, м3 в год и рабочем давлении 0,2 МПа расход жидкости на орошение до 15 м3/ч.

Из мокрых газоочистных аппаратов на ГПЗ в настоящее время начинают применять аппараты ударно-инерционного действия (рис. V.2). Аппарат представляет собой емкость, заполненную в нижней части жидкостью. Через входной газопровод 1 посту^ пает газ с механическими примесями. Газ ударяется о поверх­ ность жидкости, разворачивается на 180°, частицы осаждаются на поверхности жидкости, а очищенный газ направляется к вы­ ходному патрубку 2. Через трубку 3 в аппарат подают очищен-

361

газы

В и д А

Л Газы

/ t

Шидность

Рис. V.2.

Мокрый ударно-инерционный пыле­ уловитель:

1 — входной газопровод; 2 — выходной патрубок; 3 — трубка для подачи очи­ щенной жидкости; 4 — трубка для

выхода жидкости.

Рис. V.I.

Групповой циклон из восьми элементов (вариант ступенчатой компоновки):

1 — входной патрубок; 2 — циклонные элементы; 3 — бункер; 4 — патрубок для вы­

хода газа.

ную жидкость, через трубку 4 — выводят жидкость с механиче­ скими примесями. Такие аппараты позволяют очищать газ от ме­ ханических примесей размером более 20 мкм. С целью выделения из газа механических примесей размером менее 20 мкм его про­ мывают в газопроводе перед аппаратом путем впрыска жидкости (например, с помощью форсунки). В таком случае на выходе из аппарата необходимо устанавливать каплеотбойник.

Размеры такого аппарата выбирают из расчета скорости газа в газопроводе 1 10—20 м/с и скорости газа в аппарате при подъ­ еме к патрубку 2 0,2—0,4 м/с. Потери давления в аппарате состав­ ляют до 1 кПа.

Очистку нефтяного газа в фильтрах на отечественных ГПЗ начинают внедрять только в последнее время. Очистка от меха­ нических примесей в фильтрах приводит к их забиванию и не­ обходимости регенерации. Поэтому перед фильтрами нужно уста­ навливать аппараты более грубой очистки.

Фильтрация происходит за счет инерционных сил, эффекта зацепления и броуновской диффузии (7, 10]. Обычно преобладает

362

один из механизмов осаждения в зависимости от скорости фильтра* ции, размеров частиц и фильтрующих волокон. Инерционный ме­ ханизм преобладает при достаточно больших скоростях фильтра­ ции и размерах частиц, эффект зацепления — при значительных соотношениях размеров частиц и пористости фильтрующего ма­ териала. Броуновская диффузия является преобладающим меха­ низмом при малых скоростях и размерах частиц (до 0,5 мкм).

Для очистки нефтяного газа могут быть рекомендованы волок­ нистые фильтры из бумаги и разных полимеров. Волокнистые фильтры могут быть грубо- и тонковолокнистыми.

Для газопереработки можно рекомендовать грубоволокнистые фильтры. Они работают при скорости фильтрования 0,05—1 м/с в значительной степени на инерционном режиме. Набивка из гру­ бого лавсана или какого-либо другого материала обеспечивает

Гравитационные аппараты наиболее просты по конструкции и наиболее металлоемки и крупногабаритны. На современных газо­ перерабатывающих заводах гравитационные аппараты как тако­ вые не используют; они находят применение в качестве части комбинированных сепараторов, например гравитационно-сетча­ того типа.

Инерционные и жалюзийные сепараторы более эффективны и компактны, чем гравитационные. Но и они уступают по этим характеристикам центробежным и сетчатым аппаратам.

На рис. V.3 и V.4 показаны инерционный и жалюзийный сепа­ раторы, широко применяемые на газоперерабатывающих заводах. Кроме того, используют центробежные сепараторы; в частности, при подготовке природного газа к транспортированию исполь­ зуют циклонные аппараты. Недостаток циклонов — сложность происходящих в них гидродинамических процессов, неустойчи­ вость процессов с изменением расхода очищаемого газа и, как следствие, узкий диапазон эффективной работы сепаратора. Этот недостаток в- значительной степени устранен в прямоточных цен­ тробежных сепараторах с регулируемой пропускной способностью (рис. V.5 [2]), где поток закручивается в завихрителе, например лопаточного типа (розетке).

В последнее время в новых схемах ГПЗ для отделения капель­ ной жидкости чаще всего применяют сетчатые и гравитационносетчатые аппараты конструкции ЦКБН (рис. V.6). Еще более эф­ фективны для очистки газовых потоков от капельной жидкости

363

Рис. V.7.

Фильтрационно-сетчатый сепаратор:

1 — входной патрубок; 2 — гравитационная секция; 3 — фильтрующая ступень; 4 — сетчатый отбойник; 5 — патру­ бок для выхода газа; 6 — патрубок для ввода жидкости.

фильтры-сепараторы различных типов со все­ возможными фильтрующими материалами. Как правило, фильтры применяют в двух или многоступенчатых сепарационных устройст­ вах. При этом фильтры можно использовать на первой и последующих ступенях очистки.

В волокнистых фильтрующих материалах происходит диффузионная или инерционная коалесценция капельной жидкости. Фильтры такого типа используют обычно после отделе­ ния пленочной и крупнодисперсной жидко­ сти — на второй ступени очистки для от­ деления тонкодисперсной туманообразной

этого укрупненные капли, образовавшиеся в фильтре, отделяют в сепарационных устройствах перечисленных выше конструкций. На рис. V.7 представлен трехступенчатый фильтрационно-сетча­ тый сепаратор, где пленочная жидкость отделяется после вход­ ного патрубка 1 в гравитационной секции 2 (первая ступень). На второй фильтрующей ступени происходит коалесценция мелко­

Исходными параметрами при расчете газожидкостных сепараторов обычно являются: объемный расход газа, приведенный к.стандартным условиям, через аппарат QCT, м3/с; рабочее давление в аппа­ рате Р, МПа; плотность газа, ргст, кг/м3; плотность жидкости рж, кг/м3; коэффициент поверхностного натяжения жидкости <тж; рабочая температура, Т, °С.

Для каждого типа аппарата определяют следующие параметры

Ur — средняя по сечению аппарата скорость газа, м/с; £ — коэффициент гид­ равлического сопротивления; [аи] — допустимое предельное значение началь­ ного массового содержания жидкости в газе, г/кг.

По известному расходу газа рассчитывают проходное сечение сепарационной насадки

В зависимости от возможных колебаний скорости газа опреде­ ляют по формуле (V. 11) диапазон пропускных способностей аппа­ рата при выбранной площади проходного сечения. Остальные гео­ метрические параметры сепаратора определяют в процессе кон­

365

струирования. В зависимости от объема и массы аппарата, полу­ ченным в результате конструкторских проработок, по (V.6) и (V.7) определяют габаритную и массовую характеристики. Зная коэффициент гидравлического сопротивления сепарационного уст­ ройства выбранного типа, по (V.8) находят потерн давления в ап­ парате. Эффективность сепаратора любого типа определяется эф­ фективностью процесса осаждения тяжелой фазы, величиной вто­ ричного уноса осевшей жидкости и полнотой ее вывода из аппа­ рата. Первостепенную роль играют первые два процесса, которые зачастую трудно разделить. Оцениваются они большей частью по эмпирическим данным, в связи с чем большинство расчетных за­ висимостей для сепараторов имеет эмпирический или полуэмпирический вид.

Ниже приведены полуэмпирические зависимости для расчета гравитационного осаждения и сепарационных элементов разного типа.

Расчет гравитационного осаждения

Зоны гравитационного осаждения в комбинированных сепара­ торах или отдельные гравитационные сепараторы могут быть в вертикальном или горизонтальном исполнении. В вертикальном аппарате (зоне) поток движется снизу вверх, тяжелая фаза осе­ дает по направлению, противоположному потоку газа. В горизон­ тальном аппарате газ движется горизонтально, а тяжелая фаза — сверху вниз, перпендикулярно потоку.

Перемещение тяжелой фазы относительно вязкой среды сопро­ вождается возникновением сил вязкостного сопротивления и за­ медлением процесса седиментации. После входа в аппарат газа движение постепенно переходит от неравномерного к равномер­ ному. Длительность этого перехода называется временем релак­ сации. Для обеспечения перехода от неравномерного движения к равномерному в гравитационных сепараторах (и ступенях сепа­ рации) предусматривают зону выравнивания потока. По данным Гипрокаучука, в вертикальных аппаратах высота этой зоны ре­ комендуется не менее Н0 = 0,6 м, в горизонтальных — длина зоны осаждения принимается не менее L0 — 3 м.

Допустимую скорость газа определяют по формуле

(V .I2)

где WKр — допустимая линейная скорость газа в поперечном сечении сепаратора, м/с; А — коэффициент, зависящий от конечного массового содержания жидкости в газе ак.

Значения коэффициентов А приведены в табл. V. 1.

Значения а к приведены по данным Гипрокаучука для верти­ кального сепаратора и системы воздух—вода при атмосферном

366

Таблица V.l. Значения коэффициентов А в зависимости от конечного массового содержания окидкости в газе

давлении. Для других условий конечное массовое содержание жидкости в газе может быть оценено по формуле Стермана

(V.I3)

где vJK— кинематическая вязкость жидкости, м2/с; ож — поверхностное натяже­ ние жидкости, Н/м; W — средняя скорость газа в сепараторе, м/с; р — плотность газа, кг/м3.

Для равномерного распределения скоростей газа по сечению вертикального аппарата в пределах сепарационной зоны необ­ ходимо, чтобы расстояние между штуцерами входа и выхода газа превышало высоту сепарационного пространства на величину ра­ диуса корпуса аппарата.

В горизонтальных сепараторах при длине сепарационного про­ странства L0 более 3 м степень сепарации несколько возрастает. Можно также повысить допустимые скорости при той же степени сепарации, если L0 больше 3 м. Новое значение скорости RPj.p на­ ходят с помощью поправочного коэффициента

(V. 14)

где а0 — поправочный коэффициент (множитель) к формуле (V. 12); L0 — факти­ ческое расстояние между штуцерами для входа и выхода газа в горизонтальном сепараторе, м.

Применение гравитационных (объемных) сепараторов с И0 ме­ нее 0,6 м и L 0 менее 3 м не рекомендуется, так как в этих случаях степень сепарации резко ухудшается и допустимые скорости должны быть значительно уменьшены. Проходное сечение грави­ тационного сепаратора рассчитывают по формуле (V. 11) при усло­ вии Wr < №кр.

В вертикальных сепараторах скорости газа выбирают мень­ шими, чем в горизонтальных. Однако практика эксплуатации гра­

367

Зависимость минимальной скорости газа от давления опре­ деляется выражением

где с одним штрихом даны параметры газового потока при давле­ нии 6 МПа, с двумя штрихами — при другом давлении.

Расчет жалюзийных насадок

Жалюзийные насадки представляют собой пакет криволинейных листов, уложенных -на некотором расстоянии друг от друга и образующих криволинейные каналы. Двухфазный поток про­ ходит через криволинейные каналы, где за счет инерционных сил осаждается тяжелая фаза. Эффективность сепарации в значитель­ ной степени зависит от равномерности укладки жалюзи в пакете. Частица тяжелой фазы (капля) за счет центробежной силы пере­ мещается из точки а в точку b (рис. V.8), откуда стекает в сборник жидкости и затем выводится из аппарата. Допустимую скорость газа в сепараторе с жалюзийной насадкой можно рассчитать по формуле, предложенной Гипрокаучуком

Значения коэффициента В в формуле (V.16) принимаются в за­ висимости от типа и расположения насадки. Для горизонтального расположения отбойной насадки, когда осевшая жидкость сте­ кает навстречу набегающему потоку (при а„ < 300 г/кг) В = = 0,10. Для вертикального расположения пакета отбойной на­ садки, когда осевшая жидкость стекает перпендикулярно набе­ гающему потоку (также при а н < 300 г/кг), В = 0,13—0,19. При этом конечное массовое содержание жидкости в газе состав­ ляет 1 г/кг. Толщину слоя насадки рекомендуется принимать в пределах 100—300 мм.

Живое сечение жалюзийной насадки, выполненной из пакета волнообразных листов, определяется выражением

(V. 17)

где t — расстояние между листами, мм; б — толщина листа, мм.

Рис. V.8.

Схема типового межжалюзийного канала.

368

жалюзийных сепараторов с вертикальной жалюзийной насад­ кой могут быть определены по графикам [2 ] для стандартных се­ параторов конструкции ЦКБН. Графики рис. V.9 построены для

Рж = 780 кг/м3. Для определения пропускной способности сепа­ раторов при других параметрах рг, рж, Т и аж полученное из рис. V.9 значение Qr необходимо умножить на поправочный коэф­ фициент

(V .I8)

У\ У ажрж

где с двумя штрихами — параметры газа и жидкости при новых условиях.

Расчет центробежных элементов

Для центробежного осаждения тяжелой фазы характерно сильное влияние следующих факторов: неравномерность распределения поля скоростей несущей фазы (газа) по сечению, зависимость тра­ екторий частиц тяжелой фазы от их дисперсности и плотности, влияние вторичного уноса осажденной дисперсной фазы и влия­ ние турбулентных пульсаций на процесс осаждения и вторичного

369

Да 0/?тис, МПа

Рис. V.10.

Зависимость пропускной способности центробежных сепараторов типа ЦРС (ЦКБН) от рабочего давления Р и диаметра D центробежного элемента.

уноса. Кроме того, на эффективность центробежных сепараторов влияют конструктивные параметры узла отвода жидкости.

Несмотря на большое число работ по исследованию центробеж­ ной сепарации, до настоящего времени не создана общая методика расчета всех перечисленных выше процессов, поскольку каждый из них в отдельности, а тем более 'все вместе весьма трудно поддаются изучению.

Для каждого типа центробежного сепаратора эксперимен­ тальным путем определяют его эффективность и пропускную спо­ собность. В частности, на рис. V.10 приведены зависимости макси­ мальной пропускной способности газожидкостных центробежных сепараторов конструкции ЦКБН от рабочего давления и диаметра

Расчет сетчатых насадок

В отечественной и зарубежной практике для очистки газов от капельной жидкости широко применяют сетчатые насадки. На­ садки выполняют из разных материалов [2, 13, 14, 15] — метал­ лических и синтетических — с разными плетениями проволочных

370