Способ сепарации жидкости от газа

Изобретение относится к сепарационной технике и может быть использовано на предприятиях газовой, нефтяной и нефтехимической промышленности. Способ включает равномерное распределение и подачу газожидкостной смеси в структурированные элементы с объемами макро- и микроструктур, смачивание поверхности элементов сепарируемой жидкостью, накопление на поверхности структур жидкости с последующим раздельным отводом жидкости и газа. Из газовой фазы осуществляют переход жидкости, находящейся в газовой фазе, в жидкую фазу путем доведения смеси до фазового термодинамического равновесия, обеспечивая требуемое время ее пребывания в структурированных элементах. Способ позволяет повысить эффективность сепарации жидкости от газа. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к сепарационной технике и может быть применено в газовой, нефтяной и нефтехимической промышленности.

Известен способ сепарации жидкости от газа, описанный в патенте РФ №2168356, МКИ 7, В 01 J 19/32, включающий равномерное распределение и подачу газожидкостной смеси в структурированные элементы, смачивание поверхности элементов сепарируемой жидкостью, накопление на поверхности структур жидкости с последующим раздельным отводом жидкости и газа.

Недостатком данного способа является низкая эффективность сепарации жидкости от газа, т.к. сепарируемая смесь поступает на сепарацию не в равновесном состоянии из-за снижения давления, а следовательно, и температуры на штуцере входа смеси и узлах сепарации и плоскопараллельного движения разделяемых фаз, что приводит к накоплению жидкости в выходном трубопроводе при достижении равновесия фаз.

Указанный недостаток частично устранен в способе по патенту РФ №2186617, МКИ В 01 J 19/32, В 01 D 3/28, который включает равномерное распределение и подачу газожидкостной смеси в структурированные элементы с объемами макро- и микроструктур, смачивание поверхности элементов сепарируемой жидкостью, накопление на поверхности структур жидкости с последующим раздельным отводом жидкости и отсепарированного газа, причем основная часть жидкости отводится безотрывным потоком по микроструктурам.

Однако эффективность сепарации жидкости от газа остается невысокой:

- из-за отсутствия сил для перемещения частиц жидкости на поверхности структур при плоскопараллельном движении;

- из-за недостаточного времени для конденсации жидкости при сепарации.

Ввиду недостаточной эффективности сепарации часть жидкости выпадает в трубопроводе после сепаратора при достижении термодинамического равновесия фаз, т.е. имеются безвозвратные потери жидкости и проблемы в трубопроводной сети при транспортировке двухфазной смеси.

Задачей настоящего изобретения является повышения эффективности сепарации жидкости от газа.

Технический результат достигается тем, что в способе сепарации жидкости от газа в неравновесном состоянии смеси, при выбранных параметрах сепарации, включающим:

- равномерное распределение и подачу газожидкостной смеси в структурированные элементы с объемами макро- и микроструктур;

- смачивание поверхности элементов сепарируемой жидкостью;

- накопление на поверхности структур жидкости с последующим раздельным отводом жидкости и отсепарированного газа,

из газовой фазы осуществляют переход жидкости, находящейся в газовой фазе, в жидкую путем доведения смеси до фазового термодинамического равновесия, обеспечением требуемого времени ее пребывания в структурированных элементах, а жидкую фазу отбрасывают на их поверхности, перенос жидкости на поверхности элементов осуществляют вращательным спиралевидным движением, по крайней мере, одной из фаз, перемещение фазы по спирали производят с осевой скоростью, равной величине 1-1,75 радиальной скорости потока, при перемещении фазы по спирали производят ее колебания с отношением длины волны к амплитуде равным

Выдержка требуемого времени пребывания сепарируемой смеси в структурированных элементах приводит ее в состояние фазового термодинамического равновесия с дополнительной конденсацией жидкости из отсепарированного газового потока.

Потери давления на штуцерах входа и узлах предварительной сепарации, которые всегда имеются, снижают температуру газовой смеси непосредственно перед процессом сепарации, нарушая фазовое равновесие. Достижение фазового равновесия обеспечивает полный переход конденсируемой жидкости из газовой фазы в жидкостную фазу при выбранных параметрах сепарации потока (давлении и температуре). Это приводит к увеличению объема сепарируемой жидкости, увеличению диаметра капель и их количества, что, как следствие, повышает эффективность процесса сепарации жидкости от газа с переносом ее вращательным движением смеси на поверхности макро- и микроструктур.

Перемещение, по крайней мере, одной из фаз по спирали с осевой скоростью, равной величине (1-1,75) радиальной скорости, приводит к увеличению времени пребывания фаз в каждом элементе и к возникновению и поддержанию поперечных составляющих сил, под действием которых капли жидкости отбрасываются постоянно на поверхности макро- и микроструктур. Этот технический прием приводит к повышению эффективности сепарации жидкости от газа. Процесс образования колебаний фаз, при одновременном перемещении их по спирали, с отношением длины волны к амплитуде 4-8 приводит к дополнительному увеличению времени пребывания фаз в каждом элементе, их дополнительному перемешиванию и, как следствие, к повышению эффективности процесса сепарации жидкости от газа при практически неизменном гидравлическом сопротивлении.

Заявителю и авторам из существующего уровня техники неизвестны способы сепарации жидкости от газа, в которых применялись бы вышеуказанные приемы.

На фиг.1 представлены три слоя структурированных элементов, развернутых по отношению друг к другу на 90°, со схемой движения фаз, в которых макроструктура в виде наклонных каналов образована двумя парами пересекающихся поверхностей, из которых одна пара наклонена, а микроструктура образована поверхностью из пористого материала; на фиг.2 представлено поперечное сечение структурированных элементов; на фиг.3 - схема движения спиралевидных потоков в смежных каналах; на фиг.4 - рифленая поверхность элементов и движение спиралевидных потоков вдоль нее.

В структурированные элементы 1 с объемами макро- 2 и микроструктур 3 равномерно подают неравновесную газожидкостную смесь 4, т.к. давление в трубопроводе и штуцере входа всегда больше давления в сепараторе примерно на 0,03-0,05 МПа. Поверхности элементов 5 и 6 смачиваются жидкостью. Жидкость 7 накапливается на поверхностях 5 и 6 и отводится отдельно от газовой фазы 8. Для отвода свободной жидкости от газа достаточно двух-трех слоев структурированных элементов, для конденсации и последующей сепарации требуется большее количество слоев. Смежные (расположенные рядом две пары) поверхности 5 и 6 (фиг.2) образуют наклонные каналы - объемы макроструктур 2 элементов 1, по которым движется сепарируемый газовый поток. По крайней мере, одна из поверхностей 5 или 6 выполняется из пористого материала или из листового материала с пористым покрытием. Пористый материал или покрытие образует развитую межфазную поверхность контакта - микроструктуру 3 элементов 1 и дренажную систему, по которой и отводится сконденсированная жидкость.

В нижних двух-трех слоях элементов 1 производят сепарацию жидкости от газа, из отсепарированного газа конденсируют оставшуюся в газовой смеси жидкость путем доведения ее до фазового термодинамического равновесия при фактических давлениях и температурах сепарации обеспечением требуемого времени пребывания в них.

Время пребывания отсепарированного газа в структурированных элементах обеспечивают длиной пути его прохождения, а вращательным спиралевидным движением, по крайней мере, одной из фаз, например газа, обеспечивают внутри макроструктуры 2, каждого элемента 1, перенос сконденсированных капель жидкости на поверхности элементов, например газовым потоком 9 (фиг.3), переносят капли жидкости на поверхности 5 и 6, что одновременно увеличивает длину пути прохождения смеси, следовательно, и времени пребывания фаз. Спиралевидное движение фаз обеспечивается завихрителями, размещенными перед входом в структурированные элементы или выполненные непосредственно в каналах макроструктуры, например, лопатками 10, которые могут быть выполнены штамповкой, т.е. отгибом под углом части поверхностей 5 и(или) 6. В канале макроструктуры 2 поток 4 делят:

- на поток 11, отбираемый через отверстия 12 поверхности 5 (и/или 6), под углом вверх в смежный канал макроструктуры 2;

- в оставшийся поток 13, в который через противоположно расположенные отверстия 14 поверхности 5, подают поток 15 под углом вверх.

Отбор газового потока 11 из макроструктуры в одном направлении и подача в него со смещением потока 15 в другом направлении создают вращающийся момент, обеспечивающий спиралевидное движение, например, газа - поток 9. Отбор части потока из макроструктуры 2 и подача в нее части потока из расположенной напротив макроструктуры способствуют выравниванию их концентраций за счет перемешивания.

Перемещение фазы по спирали производят с осевой скоростью, равной величине 1-1,75 от радиальной скорости, которая зависит от угла наклона лопаток 10, при угле наклона лопаток 45° осевая скорость равна радиальной.

При перемещении фазы 7 и(или) 8 по спирали (для дополнительного повышения эффективности массопередачи между газовыми и жидкостными потоками и увеличения длины пути движения) производят ее колебание с отношением длины волны к амплитуде 4-8, что обеспечивается рифлением поверхностей 5 и(или) 6 с соответствующим соотношением шага рифления к высоте рифления (фиг.4).

ПРИМЕР

Природный газ с жидкостью под давлением 7,6 МПа и температурой минус 20°С поступает из трубопровода, через штуцер входа в сепаратор, в котором давление сепарации составляет 7,57 МПа. Так как на входе в аппарат происходят изменения параметров процесса сепарации, смесь находится в неравновесном состоянии. Природный газ в объеме 210000 м³/ч, с потенциальным содержанием в нем конденсируемой при этих условиях жидкости в количестве 1113 кг/ч, подают на сепарацию через два-три слоя структурированных элементов (с высотой слоя 150 мм), в результате чего из него выделяется 1050 кг/ч жидкости (количество может быть замерено в сепараторах или вычислено из количества получаемого нестабильного жидкого продукта на 1000 м³ газа, или определено разностью потенциального содержания жидкости в газе и количеством жидкости в трубопроводе после сепарации). Отсепарированный газ с содержанием в нем 63 кг/ч несконденсированной жидкости:

- подают и равномерно распределяют в структурированных элементах с объемами макро- и микроструктур;

- конденсируют приведением смеси в фазовое термодинамическое равновесие выдержкой времени пребывания;

- закручивают смесь газовыми потоками;

- смачивают поверхности элементов сконденсированными каплями оставшейся жидкости в количестве 63 кг/ч;

- отводят по микроструктурам 42 кг/ч.

Унос жидкости (потери) в капельном виде с газом составляет 21 кг/ч. Расчет требуемого времени пребывания до приведения жидкости и газа в фазовое термодинамическое равновесие проводится по известной зависимости:

М=DFΔ_сл τ/δ, кг

(см. А.Н.Плановский, В.М.Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат, М., 1982, стр.573-574),

где D - коэффициент диффузии;

F - поверхность контакта фаз, м²;

Δ_сл - изменение концентрации по толщине слоя, кг/м³;

δ - толщина слоя жидкой пленки, м;

τ - время, с;

М - количество дифундируемого вещества из одной фазы в другую, кг;

D - 1,28×10^-9 м²/с, для ключевых компонентов вода - метанол, для исключения попадания воды и водных растворов в трубопровод после процесса сепарации;

F - 337,5 м², для сепаратора диаметром 1,8 м на производительность 210000 м³/ч при высоте слоя насадки один метр с удельной поверхностью 135 м²/м³;

δ - 0,0024 м, для 63 кг жидкости и указанной поверхности;

Δ_сл - 0,6572 кг/м³, среднее значение изменения концентрации по толщине слоя жидкой пленки;

М - 63 кг, количество дифундируемого вещества в час, в т.ч. ключевых компонентов (воды и метанола) 1.23 кг.

Для указанных величин время пребывания газа в структурированных элементах для достижения термодинамического равновесия фаз должно быть τ≥5,3 с. Следовательно, высота структурированных элементов при рабочей скорости газа 0,3 м/с должна быть не менее 1,6 м, с учетом спиралевидного движения газового потока при угле наклона спирали 45° высота должна быть не менее 0,8 м.

Таким образом, применение предложенного способа позволяет привести систему жидкость-газ в термодинамическое равновесие непосредственно в процессе сепарации, конденсировать дополнительное количество жидкости, сепарировать сконденсированную жидкость и исключить попадание ее в трубопровод после системы сепарации.

1. Способ сепарации жидкости от газа, включающий равномерное распределение и подачу газожидкостной смеси в структурированные элементы с объемами макро- и микроструктур, смачивание поверхности элементов сепарируемой жидкостью, накопление на поверхности структур жидкости с последующим раздельным отводом жидкости и отсепарированного газа, отличающийся тем, что из газовой фазы осуществляют переход жидкости, находящейся в газовой фазе, в жидкую путем доведения смеси до фазового термодинамического равновесия обеспечением требуемого времени ее пребывания в структурированных элементах, а жидкую фазу отбрасывают на их поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перенос жидкости на поверхности элементов осуществляют вращательным спиралевидным движением, по крайней мере, одной из фаз.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение фазы по спирали производят с осевой скоростью, равной 1-1,75 радиальной скорости потока.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при перемещении фазы по спирали производят ее колебание с отношением длины волны к амплитуде, равным 4-8.