Устройство для сепарации многокомпонентной среды

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройствам для сепарации компонентов потока многокомпонентной среды, и может быть использовано для отделения жидкой фракции углеводородных газов от потока природного газа. Устройство для закручивания потока среды выполнено в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала. Внутри устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно центральное тело с профилированной конической выходной частью, выполненное в виде ступенчатого цилиндра, содержащего несколько участков разного диаметра, монотонно уменьшающихся от большего диаметра к меньшему и имеющих разную длину. В отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости, установлен полый конус. Упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком профилированного канала. Техническим результатом изобретения является обеспечение работы в условиях изменяющихся параметров и гарантированного быстрого сброса жидкой фракции из узла отбора жидкой фракции в выходной патрубок. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно: к устройствам для сепарации многокомпонентной среды - природного пластового газа, и может быть использовано для отделения жидкой фракции углеводородных газов - пропана и бутана и более тяжелых углеводородов С₅₊ от общего потока природного газа.

Известно устройство для сепарации многокомпонентной среды, которое включает форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока среды, соединенный с форкамерой сопловой канал для сепарации и узел отбора капель и/или твердых частиц, канал сепарации, содержащий конфузорный, диффузорный и расположенный между ними цилиндрический участки, причем цилиндрический участок имеет длину образующей больше чем 0,1D, где D - диаметр цилиндрического участка, при этом диффузорный участок выполнен с кольцевым уступом в виде ступени, плоскость которой расположена перпендикулярно оси канала для снижения уровня пульсации в потоке и, как следствие, увеличения эффективности сепарации и уменьшения потерь полного давления потока среды. (Патент РФ №2538992С12015, заявка 2013146614/06 от 18.10.2013, МКП: F25J 3/00 - прототип).

Многокомпонентный поток газа поступает в форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока, после чего поток закручивается и поступает в конфузорный (сужающийся) участок и, далее, в критическое сечение - цилиндрический участок постоянного сечения, в котором происходит резкое увеличение скорости потока, после чего в диффузоре происходит расширение газа и выделение жидкой фракции примесей в виде капель в пристеночный слой, а за счет кольцевого уступа, торцевая плоскость которого перпендикулярна оси канала, стабилизируется положение зоны скачка уплотнения и зоны отрыва потока. Отсепарированный поток газа поступает в центральный диффузор-сборник, а жидкая фракция в узел отбора на периферии соплового канала сепарации.

Недостатками данной конструкции является отсутствие возможности обеспечения работы сепаратора в условиях изменяющихся технологических режимов эксплуатации при разработке месторождения, в том числе, связанных с падением пластового давления и расхода газа, а также отсутствие скоростного потока жидкости в узле отбора жидкой фракции, который обеспечивает гарантированный быстрый сброс жидкости в сборный коллектор.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства для сепарации многокомпонентной среды с возможностью обеспечения работы в условиях изменяющихся параметров - расхода, давления и влагосодержания пластового газа, обеспечение гарантированного быстрого сброса жидкой фракции из узла отбора жидкой фракции в выходной патрубок.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве для сепарации многокомпонентной среды, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, согласно изобретению, цилиндрический участок профилированного канала подачи потока выполнен длиной не менее его диаметра, предпочтительно, более, при этом устройство для закручивания потока среды выполнено в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала, причем внутри указанного устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело с профилированной конической выходной частью, выполненное в виде ступенчатого цилиндра, содержащего несколько участков разного диаметра, монотонно уменьшающихся от большего диаметра к меньшему, и, имеющих, предпочтительно, разную длину, причем поверхность конической выходной части эквидистантна поверхности указанного конфузорного участка канала, при этом в отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости, установлен полый конус, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком профилированного канала, предпочтительно, цилиндрическим.

В варианте исполнения, длина цилиндрического участка профилированного канала подачи потока для каждой ступени составляет где d_экв - диаметр круга, имеющего площадь, эквивалентную площади кольцевого зазора, образованного диаметром каждой ступени ступенчатого цилиндра и диаметром цилиндрического участка профилированного канала подачи потока.

В варианте исполнения, диаметр каждой последующей ступени ступенчатого цилиндра составляет (0,85…0,4) диаметра предыдущей ступени.

В варианте исполнения, привод профилированного центрального тела установлен со стороны входного патрубка.

В варианте исполнения, в выходной части профилированного центрального тела выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью цилиндрического участка профилированного канала подачи потока среды.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез устройства для реализации предложенного способа сепарации газа; на фиг. 2 - выносной элемент А - разрез корпуса с установленным в нем завихрителем и устройством регулирования в исходном положении; на фиг. 3 - выносной элемент Б - разрез узла отбора жидкой фракции; на фиг. 4 - выносной элемент В - разрез корпуса с установленным в ней завихрителем и устройством регулирования при регулировании, на фиг. 5 - профилированное центральное тело, на фиг. 6 - распределение температур потока среды по длине цилиндрического участка профилированного канала с введенным центральным телом.

Устройство для сепарации многокомпонентной среды (далее - устройство) содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным 4, диффузорным 5 и расположенным между ними цилиндрическим 6 участками. В канале установлено устройство закручивания потока среды, выполненное в виде конического шнека 7, установленного в конфузорном участке 4 канала. Внутри указанного устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение 6 упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело 8, выполненное в виде ступенчатого цилиндра 9 с профилированной конической выходной частью 10. Поверхность конической выходной части 10 выполнена профилированной и предпочтительно, эквидистантна поверхности указанного конфузорного участка 4 канала. В отводящем патрубке 3, в выходной части участка диффузорного канала 5 между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости 11, установлен полый конус 12. Полость 11 соединена с полостью 13 узла отбора капель и/или твердых частиц 14 и полостью 15, образованной входным участком профилированного канала, предпочтительно, цилиндрическим. На конце профилированного центрального тела 8, выполненного в виде ступенчатого цилиндра 9 с профилированной конической выходной частью 10, выполнены профилированные пилоны 16 для исключения колебаний консольно закрепленного центрального тела 8 в потоке многокомпонентной среды. Профилированное центральное тело 8 приводится в движение приводом 17.

Предложенное устройство для сепарации многокомпонентной среды используется следующим образом.

Через подводящий патрубок 2 (фиг 2) в корпус 1 устройства, под действием входного давления, подается многокомпонентная среда. Далее упомянутая среда проходит через конический шнек 7, в котором поток многокомпонентной среды закручивается с одновременным увеличением скорости за счет расположения конического шнека 7 в конфузорном участке 4, после чего закрученный поток многокомпонентной среды поступает в цилиндрический участок 6 профилированного канала подачи потока. Цилиндрический участок 6 выполнен таким образом, что в нем скорость многокомпонентного газового потока повышается до сверхзвуковых значений, при этом статическое давление потока достигает минимальных значений. Статическая температура потока понижается до значений ниже температуры точки росы. Это приводит к конденсации в дисперсном многокомпонентном газовом потоке жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С₅₊. В диффузорном канале 5 происходит расширение газа и выделение жидкой фракции тяжелых углеводородов в виде капель жидкости в пристеночный слой на периферии соплового канала сепарации за счет центробежных сил. Отсепарированный таким образом газ проходит внутри полого конуса 12 (фиг. 3), при этом жидкая фракция тяжелых углеводородов, движущаяся в пристеночном слое, попадает в кольцевую полость 11 с частью газа и далее попадает в полость 13 узла отбора капель и/или твердых частиц 14.

Жидкая фракция в виде капель жидкости отбирается через полость 15, образованную входным участком профилированного канала, предпочтительно, цилиндрическим, а часть газа, поступившая в полость 15 из канала отбора жидкой фракции через специальный трубопровод, поступает в цилиндрическое сечение, так как в данном участке статическое давление газа минимально. Таким образом, часть газового потока, непрерывно циркулирующая из канала отбора жидкой фракции в область цилиндрического сечения через специальный трубопровод, создает скоростной поток жидкой фракции тяжелых углеводородов в канале отбора жидкой фракции и, тем самым, обеспечивает гарантированный быстрый унос жидкости из узла отбора жидкой фракции в отводящий патрубок, предотвращая запирание жидкости в канале корпуса.

При изменении параметров многокомпонентного газового потока на входе в корпус 1, в том числе, связанных с падением пластового давления, расхода газа и его влагосодержания, в область цилиндрического участка 6 перемещается профилированное центральное тело, выполненное в виде ступенчатого цилиндра 9 с профилированной конической выходной частью 10. За счет введения указанного тела в область цилиндрического участка 6, изменяется площадь проходного сечения цилиндрического участка 6. Таким образом, параметры газа в профилированном канале подачи потока, необходимые для выделения жидкой фракции тяжелых углеводородов в виде капель в пристеночный слой, автоматически поддерживаются на необходимом уровне.

Для устранения колебаний дебета пластового газа скважины на входе в предложенное устройство для сепарации многокомпонентной среды, в обвязке устройства, установлен клапан регулирующий прямоточный (не показан и не обозначен), который обеспечивает постоянный перепад давления на указанном устройстве для поддержания сверхзвуковых значений скорости многокомпонентного газового потока. При достижении предела регулирования клапана регулирующего, при котором он полностью открыт, срабатывают ступени регулирования устройства за счет перемещения профилированного центрального тела в цилиндрическое сечение, обеспечивая при этом регулирование расхода в широком диапазоне.

Пример практического применения.

Компьютерное моделирование, выполненное при помощи программы «ANSIS» показало, что при введении профилированного ступенчатого цилиндра в цилиндрический участок профилированного канала подачи потока, выполненного длиной не менее его диаметра, приводит к понижению температуры потока и к выпадению конденсата (фиг. 6).

Использование предложенного технического решения позволит создать устройство для сепарации многокомпонентной среды, с возможностью обеспечения его стабильной работы в условиях изменяющихся параметров сепарируемого потока - расхода, давления и влагосодержания пластового газа, а также обеспечить сброс отсепарированной жидкости.

1. Устройство для сепарации многокомпонентной среды, содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками с выполненным в нем профилированным каналом подачи потока с конфузорным, диффузорным и расположенным между ними цилиндрическим участками, устройство закручивания потока среды, установленное в канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, отличающееся тем, что цилиндрический участок профилированного канала подачи потока выполнен длиной не менее его диаметра, предпочтительно, более, при этом устройство для закручивания потока среды выполнено в виде конического шнека, установленного в конфузорной части канала, причем внутри указанного устройства закручивания установлено с возможностью осевого перемещения в цилиндрическое сечение упомянутого канала и обратно профилированное центральное тело с профилированной конической выходной частью, выполненное в виде ступенчатого цилиндра, содержащего несколько участков разного диаметра, монотонно уменьшающихся от большего диаметра к меньшему и имеющих, предпочтительно, разную длину, причем поверхность конической выходной части эквидистантна поверхности указанного конфузорного участка канала, при этом в отводящем патрубке, в выходной части участка диффузорного канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного канала и внутренней поверхностью отводящего патрубка с образованием кольцевой полости, установлен полый конус, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц и полостью, образованной входным участком профилированного канала, предпочтительно цилиндрическим.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина цилиндрического участка профилированного канала подачи потока для каждой ступени составляет где d_экв - диаметр круга, имеющего площадь, эквивалентную площади кольцевого зазора, образованного диаметром каждой ступени ступенчатого цилиндра и диаметром цилиндрического участка профилированного канала подачи потока.

3. Устройство по любому из пп. 1-2, отличающееся тем, что диаметр каждой последующей ступени ступенчатого цилиндра составляет (0,85…0,4) диаметра предыдущей ступени.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что привод профилированного центрального тела установлен со стороны входного патрубка.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, в выходной части профилированного центрального тела выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью цилиндрического участка профилированного канала подачи потока среды.