Компактна система інерційного розділення газорідинних сумішей

Реферат: Компактний інерційний газорідинний сепаратор має засіб (1) розшарування, що складається з першої горизонтальної труби (2) та другої труби (4) з більшим диаметром, яка можливо злегка нахилена відносно горизонталі (10°), причому труби з'єднано за допомогою з'єднувального елемента (3); циліндричний корпус (6) з вертикальним розташуванням, до якого приєднано по дотичній засіб для розшарування, в якому виконується інерційне газорідинне розділення, а в його верхній частині (9) змонтовано завершальні елементи (11), які можуть бути встановлені додатково для подальшого відділення крапель рідини, що залишились в газоподібному потоці; два вхідних засоби для потоку рідини (12) та для газоподібного потоку (13). UA 106615 C2 (12) UA 106615 C2 UA 106615 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується компактної системи інерційного розділення газорідинної суміші та відповідних способів розділення. Більш конкретно, даний винахід стосується компактного сепаратора, придатного для розділення багатофазних потоків вуглеводнів, який базується на поєднанні двох різних ефектів. Виділення рідинної фази з газоподібної фази зокрема відбувається завдяки - уповільненню вхідного потоку, яке викликає ефект першого розшарування; - зіткненню суміші рідини та газу на низькій швидкості зі стінками сепаратора, в поєднанні з ефектом інерційного розділення на рідку фазу і газоподібну фазу. Додатковий ефект видалення крапель рідини, які потрапили до газоподібного потоку, засновано на принципі відцентрового розділення або злиття. Звичайні сепаратори, якими користуються в нафтовій промисловості, головним чином складаються з гравітаційних систем розділення. Ці сепаратори в основному складаються з великогабаритних камер, в яких суміш рідин та газів знаходиться протягом часу, необхідного для того, щоб розділення двох фаз суміші відбулось під дією гравітаційної сили. Ці камери характеризуються значною вагою і розмірами, їх важко пристосувати до морських видобувних платформ та їх вартість може істотно вплинути на вартість морських конструкцій. В іншому разі для відділення газу від сирої нафти користуються сепараторами, заснованими на застосуванні відцентрової сили, наприклад, циклонами, встановленими послідовно, як описано в Канадському патенті 1 093 017, або виконаними у вигляді комплексної групи, як описано в Канадському патенті 1 136 061. Однак, навіть такі установки через їх громіздкість не виявляються оптимальними для морських платформ. Для зменшення цих недоліків технічні пошуки спрямовано на створення компактних систем розділення, що також придатні для застосування у несприятливих умовах навколишнього середовища, наприклад, під водою, в арктичних умовах або забійних умовах, і які потенційно могли б поступово замінити гравітаційні сепаратори для застосування також на узбережжі. Компактні системи розділення можливо також пристосувати до часткового розділення фаз (газ/рідина, рідина/рідина або рідина/тверде тіло). Вони придатні для широкого спектру застосувань, наприклад, в системах вимірювання або рекомпресії, транспортування по трубопроводу, гідратного контролю, виконання вимог охорони навколишнього середовища і безпеки. Дослідження технічної літератури наводить на думку, що компактні системи розділення звичайно вважають сепараторами, в яких відцентрова сила замінює силу тяжіння. Рівень техніки для винаходу обмежено компактними системами розділення, які не мають рухомих частин. В компактних системах розділення газорідинних сумішей, в яких застосовують відцентрову силу і якими головним чином користуються як завершальними елементами під час розділення, застосовують труби, оснащені лопатями (вихрові труби), які надають обертального руху рідкій суміші, відокремлюючи газоподібну фазу від рідкої фази, як описано в патенті США № 4 566 883. Нещодавно, Tea Sistemi розробила відцентрові сепаратори на основі того ж принципу, в яких було оптимізовано форму елемента, що надає обертального руху рідині (завихрювач), а також дозволяє застосовувати єдиний блок великого діаметра замість різних блоків малого діаметра, як описано в міжнародній публікації WO 2007/129276. Деякі ідеї щодо проектування компактних систем розділення, також дозволили вдосконалення звичайних гравітаційних систем розділення, таких як компактні гравітаційні сепаратори, розкриті в патенті США № 4 566 883. Ці сепаратори можуть бути горизонтальними або вертикальними. Наприклад, вертикальний компактний циліндричний сепаратор з певною кількістю внутрішніх елементів, запропоновано у міжнародній публікації WO 2005/023396 А1, який із завихрювачем, що слугує вторинним газорідинним сепаратором, поєднує попереднє розділення газорідинної суміші з перепуском всередині розподільника. Інший приклад горизонтального компактного трифазного циліндричного сепаратора, запропоновано в патенті США № 6 537 458, в якому система є більш ефективною завдяки застосуванню первинного сепаратора, що складається з декількох вихрових труб чи пакетів пластин. Разом з відцентровою силою і силою тяжіння важливу роль в газорідинному розділенні можуть відігравати сили інерції. Ці сили, що діють в газоподібних потоках, покладено в основу різних видів рідинно-крапельних сепараторів, доступних на ринку. Рідину відділяють від газу завдяки прискоренню потоку рідини по спеціальним лоткам або в отвори, що мають поверхню удару, яка звичайно викликає раптову зміну напрямку, через що відбувається бажане розділення. 1 UA 106615 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Прикладами таких пристроїв можуть слугувати, наприклад, Європейський патент 1 068 890 В1 або міжнародна публікація WO 2008/134227. Належне застосування інерційних ефектів може відігравати принципово важливу роль, враховуючи те, що інерційні ефекти від пробкового потоку чи потоку розшарованої рідини, який пропускають по трубопроводу, - значні. Розділові пристрої, які часто застосовують в галузі систем безперервного контролю багатофазних потоків вуглеводнів, оснащено вхідною трубою, нахиленою відносно горизонталі, що дозволяє розділення завдяки розшаруванню газорідинної суміші. Наприклад, такі системи описано в патенті США № 4 760 742, в якому передбачено систему труб для відділення бульбашок газу, захопленого потоком рідини. Патент США № 5 526 684 розкриває компактну розділову систему, що має вертикальну протяжність з тангенціально підведеною вхідною трубою, нахиленою донизу. Нахил вхідної труби, разом з дворозмірним з'єднувальним елементом, що звужується, з одного боку спричиняється до часткового розшарування двох фаз і, з іншого боку, до прискорення рідини на вході, внаслідок чого вихрову спіраль рідини спрямовано донизу вздовж стінки сепаратора, що є основним результатом розділення завдяки дії відцентрової сили. Обмеження винаходу однак полягає в тому, що відцентрова сила вимагає високих швидкостей рідини на вході в сепаратор, в той час як розшарування потоку відбувається з малими швидкостями суміші. Суперечності, що випливають з контрастних ефектів, які виникають у зазначеній системі розділення, можуть пояснити його низьку ефективність і застосування як системи часткового поділу. Метою цього винаходу є створення компактного пристрою і способу розділення газорідинних сумішей, в яких по суті об'єднано два ефекти: - розшарування потоку на вході сепаратора; та - інерційне відділення рідкої фази. Винахід характеризується тим, що систему налаштовано таким чином, щоб ефективно розділяти також багатофазні потоки, наприклад, пробкові потоки, завдяки значному гальмуванню рідкої складової потоку у вхідній трубі, - це особливість яка дозволяє зменшити висоту нижньої частини сепаратора а, отже, її об'єм. Цієї мети досягнуто компактним пристроєм для розділення газорідинної суміші згідно з винаходом, пристроєм, що містить засіб розшарування, циліндричний корпус, який простягається вертикально та має два вихідні засоби для газоподібного потоку та рідинного потоку. Даний винахід визначено в доданих пунктах формули. В разі необхідності система додатково може бути оснащена додатковим обладнанням для подальшого відділення відповідно рідини від газоподібного потоку і газу та/або іншої рідини з потоку рідини. Згаданий засіб розшарування по суті складається з двох труб, які головним чином, характеризуються збільшенням перерізу, який дозволяє істотно знизити (≥ 50 %) швидкість суміші на вході. Така конфігурація, в поєднанні з можливим невеликим нахилом труби донизу (≤ 10°), дозволяє пригнічувати пробковий потік на вході і створює умови для розшарування потоку. Мало того, вхідна труба, приєднана до циліндричного корпусу по дотичній так, що під спільною дією відносно м'якого удару у стінки сепаратора і сил інерції, більш важка рідка фаза опускається до нижньої частини сепаратора без надмірного дроблення утворюваного потоку рідини, тоді як бульбашки газу, що залишились в потоці рідини, вивільняються і, разом з газом, який вже розшаровано, піднімаються в центральній частині корпусу (первинне розділення рідкої фази) до верхньої його частини. Те, що можливий потік пробкової течії на вході в сепаратор згасає, дозволяє скоротити об'єм нижньої частини сепаратора. У верхній частині циліндричного корпусу, система розділення може додатково містити завершальні елементи для видалення крапель рідини, захоплені газом, наприклад, екстрактори аерозолю, насадки з дротяної сітки, пакети пластин, циклони, завихрювачі, тощо (вторинне розділення рідини). Винахід особливо придатний для розділення багатофазних потоків вуглеводнів і може бути оптимізований на стадії проектування в залежності від конкретного потоку на вході з допомогою спеціального коду MAST (Багатофазний Аналіз та Моделювання Трансформації) для моделювання багатофазного потоку, розробленого TEA Sistemi, який здатний враховувати динамічні зміни режимів потоку (розпізнавання динамічних образів). Додаткові відмінності та переваги компактної системи розділення згідно з винаходом стануть більш явними з подальшого не обмежуючого опису одного із втілень винаходу, який наведено з метою пояснення та з посиланнями на додані креслення, на яких: фіг. 1 - схематичне зображення компактного інерційного сепаратора, в якому встановлено додатковий загальновідомий вторинний сепаратор; 2 UA 106615 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фіг. 1а - вигляд зверху вхідної труби, на якому показано тангенціальне з'єднання її з корпусом сепаратора; фіг. 2 - схематичне зображення компактного інерційного сепаратора, в якому змонтовано 6 завихрювачів, які слугують вторинним сепаратором; фіг. 2а - переріз A-A на фіг. 2; фіг. 3 - графік залежності експериментального коефіцієнту корисної дії при повному розділенні (первинне та вторинне розділення) та коефіцієнту корисної дії при первинному розділенні системою, зображеною на фіг. 2, в залежності від швидкості потоку газу при певній швидкості потоку рідини. На фіг. 1 показано компактний інерційний газорідинний сепаратор, в якому вхідний засіб 1 складається з двох труб 2 і 4 та з'єднувального елемента 3. Труба 2, по якій тече багатофазна рідина, що потрапляє, наприклад, зі свердловини, є горизонтальною. Трубу 2 підключено через з'єднувальний елемент 3 до труби 4, яка має більший діаметр і може бути відповідним чином злегка нахилена з кутом нахилу відносно горизонталі ≤ 10°. Трубу 4 уведено по дотичній відповідно у вхідний отвір 5 циліндричного корпусу 6 сепаратора, що краще проілюстровано на фіг. 1а. Циліндричний корпус 6 має вертикальне розташування, і його уявно розділено на нижню частину 7, яка простягається між нижньою основою 8 циліндричного корпусу і вхідним отвором 5, та на верхню частину 9, яка простягається між верхньою основою 10 циліндричного корпусу і вхідним отвором 5. Всередині зазначеної верхньої частині 9 сепаратора, змонтовано завершальні елементи 11, які можуть бути додатково встановлені для вторинного розділення рідкої фази (наприклад, екстрактори аерозолю, насадки з дротяної сітки, пакети пластин, циклони, завихрювачі, тощо). Два вихідних засоби складаються з двох вихідних труб для рідини, труба 12, та газу, труба 13, які відповідно вставлено на нижню основу 8 і верхню основу 10 циліндричного корпуса. Слід зазначити, що до системи, якщо необхідно, може також бути включено два необов'язкових додаткових сепаратори (на фіг. 1 не показано), розташовані нижче вихідної труби 12 для рідини і вихідної труби 13 для газу для подальшого розділення газу та/або іншої рідини відповідно з потоку рідини і рідини з потоку газу. Наступні зображення на фіг. 2 та 2а ілюструють конкретну конструкцію компактного інерційного газорідинного сепаратора. Більшість конструктивних елементів, на які зроблено посилання, такі як і посилання на фіг. 1, і позначені такими ж позиціями. Зображення на фіг. 2 відрізняється від фіг. 1 тим, що всередині верхньої частини сепаратора 9, як вторинний сепаратор змонтовано 6 завихрюючих елементів 14, розташованих (міжнародна публікація WO 2007/129.276) симетрично щодо осі циліндра, що краще показано на фіг. 2а. Для наочності на фіг. 3, що стосується системи, зображеної на фіг. 2, показано експериментальні значення коефіцієнту корисної дії при повному розділенні (первинному та вторинному відділенні рідини) та значення коефіцієнту корисної дії при первинному відділенні 3 рідкої фази, в залежності від швидкості потоку газу (30-470 м /г) при швидкості потоку рідини, 3 який дорівнює 5 м /г та має пробковий режим потоку. Слід зазначити, що ефективність системи інерційного розділення злегка зменшується зі збільшенням швидкості потоку газу, завжди залишаючись вище за ККД 95 %, в той час як загальна ефективність залишається для будь-якої швидкості газоподібногопотоку вищою за 99 %, тобто, зі збільшенням швидкості газоподібного потоку розташування завихрюючих елементів 14 на фіг. 2 забезпечує високу ефективність розділення, навіть якщо розшарування на вході не є повним, що більшою мірою сприяє ефективності повного розділення. В умовах експлуатації, з посилання на фіг. 1, суміш рідин, яка надходить від нафтових і газових свердловин, потрапляє в сепаратор по горизонтальній трубі 2 в режимі бульбашкового або пробкового потоку. Суміш тече через з'єднувальний елемент 3 в трубу 4, що має більшу площу поперечного перерізу. Збільшення діаметру потоку дозволяє істотно знизити (≥ 50 %) швидкість суміші. Цей ефект, в поєднанні з можливим невеликим нахилом донизу труби (≤ 10° відносно горизонталі), дозволяє загасити швидкість пробкової течії в потоці на вході і створює умови розшарування потоку. Суміш, розшарована таким чином, входить у циліндричний корпус 6 сепаратора по дотичній з низькою швидкістю через вхідний отвір 5. Ефект розшарування одночасно з силою інерції, гарантує, що в циліндричному корпусі 6 сепаратора, більш важка рідка фаза зіштовхується зі стінками сепаратора на малій швидкості і потоки рухаються по колу вздовж стінок до нижньої частини 7 сепаратора, не створюючи надмірного дроблення потоку рідини, в той час як газ, захоплений рідиною, намагається звільнитися, переміщуючись в центральній частині циліндричного корпусу і піднімаючись разом з газом, уже виділеним після розшарування, до верхньої частини 9 сепаратора (первинне розділення рідини). Поєднання двох дій призводить до високої ефективності первинного розділення. Краплі рідини, які все ще затримались в газоподібному потоці, можуть бути в подальшому видалені додатковим 3 UA 106615 C2 5 10 транспортуванням газоподібної фази, яка раніше була відокремлена в установці завершальних елементів 11 (вторинне розділення рідкої фази). Дегазована рідка фаза залишає нижню частину 7 сепаратора по трубі 12 для виходу рідини, а газоподібна фаза виходить по трубі 13 для виходу газу. Компактна система для інерційного розділення газорідинних сумішей згідно з винаходом має менше недоліків (близько 1/4), порівняно із звичайними сепараторами, на які розповсюджуються такі ж технічні умови. Слід зазначити, що довжина вхідної труби і оптимальна висота нижньої частини сепаратора залежать від робочих умов системи (швидкості потоку газу, швидкості потоку рідини, тиску, режиму потоку) тому їх розміри визначаються в кожному конкретному випадку. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 1. Компактна система інерційного розділення газорідинної суміші, що містить: засіб розшарування для розшарування багатофазного потоку рідини на вході, циліндричний корпус для інерційного розділення газорідинної суміші, два вихідних засоби для розділених потоків газу та рідини, уведені у відповідно верхню та нижню основи циліндричного корпусу, яка відрізняється тим, що: засіб розшарування складається з першої труби і другої труби більшого діаметра відносно першої труби, причому другу трубу з'єднано за допомогою живильника з першою трубою, другу трубу нахилено відносно горизонталі так, що нахил і збільшення перерізу між двома трубами спричиняють розшарування багатофазного потоку; засіб розшарування встановлено по дотичній у циліндричний корпус на певній висоті відносно нижньої основи, причому ця висота є мінімальною для забезпечення ефективності інерційного розділення зазначеного потоку, вже раніше розшарованого у засобі розшарування. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що верхня частина циліндричного корпусу містить установку елементів остаточного розділення для видалення крапель рідини, захоплених газом. 3. Система за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що кут нахилу є меншим або дорівнює 10°. 4. Спосіб розділення газорідинної суміші компактною інерційною системою, який полягає у: збудженні розшарованого потоку суміші рідин з бульбашковим, пробковим або кільцевим режимом на вході до пристрою для розшарування, який включає першу трубу і другу трубу більшого діаметра відносно першої труби, причому другу трубу з'єднано за допомогою живильника з першою трубою; гашенні пробкового режиму потоку суміші рідин на вході суттєвим зниженням (50 %) вхідної швидкості в поєднанні з невеликим кутом нахилу другої труби (10° відносно горизонталі); інерційному газорідинному розділенні з переміщенням розшарованого потоку в циліндричний корпус по дотичній на малій швидкості, яка характеризується ударом з малою швидкістю у стінки циліндричного корпуса для запобігання надмірному дробленню потоку, із зародженням: колового потоку більш важкої рідинної фази по стінках циліндричного корпусу в напрямку нижньої частини сепаратора до першого вихідного засобу сепаратора; наступного вивільнення бульбашок газу, які ще залишились в рідкій фазі та намагаються відділитися, рухаючись до центральної частини циліндричного корпусу та піднімаючись вздовж його осі разом з газом, що вже виділився внаслідок розшарування, в напрямку другого вихідного засобу. 5. Спосіб за п. 4, в якому краплі рідини, що ще залишаються захопленими газоподібним потоком, в подальшому відділяють, факультативно переміщуючи газоподібну фазу, відділену раніше розшаруванням та застосуванням сил інерції, крізь будь-які конструктивні варіанти завершальних елементів, що працюють із застосуванням відцентрової сили або злиття і які розташовано до виходу з другого вихідного засобу. 4 UA 106615 C2 5 UA 106615 C2 6 UA 106615 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7