устройство для разделения гетерофазных систем

Формула изобретения

Устройство для разделения гетерофазных систем, содержащее корпус и размещенный в нем газопроницаемый ячеистый блок, состоящий из набора наклонных пластин пористо-ячеистого никеля, уложенных слоями числом не ниже двух промежутков между ними и под углом не ниже угла оттекания жидкости, отличающееся тем, что блок дополнительно содержит токонагреваемые слои пластин пористо-ячеистых металлов и/или сплавов, уложенных путем чередования их с нагреваемыми слоями пористо-ячеистого никеля, а все слои пористо-ячеистых материалов располагают в порядке дискретно изменяющейся ячеистости в сторону уменьшения размера ячей и увеличения их плотности в структуре материалов по ходу потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для разделения эмульгированных газожидкостных сред и для удаления капель и брызг жидкости (нефти, конденсата, воды) из потока газа и может быть использовано в нефтепромысловых сепарационных установках и системах сбора нефтяного и природного газа в нефтедобывающей, нефтегазоперерабатывающей промышленности.

Известен каплеуловитель для удаления капель и брызг жидкости (нефти, конденсата, воды) из газового потока, используемый в нефтепромысловых сепарационных установках и системах сбора нефтяного и природного газа [1]

Однако названный каплеуловитель имеет ряд недостатков. Для повышения степени очистки газа он оснащен громоздкой системой устройств с каплеотбойными поверхностями и фильтров грубой и тонкой очистки. Для облегчения работы фильтрующей части аппарата и продления срока межрегенерационного пробега каплеуловитель оснащен громоздкой входной камерой, предусматривающей задержку основной массы жидкости, в том числе мехпримесей, парафинов и смолистых веществ, содержащихся в нефти. Довольно сложное конструкционное оформление входной камеры все же не исключает возможности забивки порового пространства фильтров тяжелыми примесями, поступающими с пеной и жидкостными пробками при больших нагрузках по потоку и аварийных ситуациях на сепарационных установках.

Вся громоздкость и сложность внутреннего устройства каплеуловителя обусловлены применением фильтрующе-коалесцирующих материалов с малоразветвленной контактной фильтрующе-коалесцирующей поверхностью, не обеспечивающих длительную стабильную работу аппарата в режиме эффективной очистки и осушки без регенерации,

Известен нефтегазовый сепаратор, позволяющий совместить функции пеноразрушения и каплеулавливания, снизить вторичный унос капель и достигнуть быстрой сменности при проведении ремонтных работ [2] Cепаратор содержит сепарирующий элемент, установленный в выходном газовом патрубке и выполненный в виде сетчатого цилиндрического вкладыша, внутри которого установлена коническая сетчатая перегородка с определенным углом наклона для обеспечения направленной эвакуации жидкой фазы из сетчатой структуры пакета.

Однако эффект снижения каплеуноса при данной конструкции сепарирующего элемента с использованием сетчатого наполнителя с относительно невысокой степенью разветвленности фильтрующе-коалесцирующей поверхности металлических сетчатых материалов, не обеспечивает глубокой степени осушки газа в условиях высоких скоростей газового потока в выходном газовом патрубке. Это объясняется затруднением своевременной эвакуации жидкости из сетчатой структуры пакета сепарирующего элемента. Кроме того, тяжелые компоненты нефтяной фазы, содержащиеся в каплях, уносимых с отходящим газом, в условиях относительно низких температур быстро забивают поровое пространство сетчатого наполнителя, обеспечивая снижения эффекта каплеуноса и недолгий срок межрегенерационного периода.

Конструкция сепарирующего элемента, предусматривающая быструю сменность его, говорит еще и о том, что при довольно частой необходимости удобнее подвергать тепловой (паровой) регенерации сами элементы, нежели включать весь аппарат в регенерационный режим, который займет довольно много времени для полного восстановления поверхности материала, загрязненного мехпримесями в смеси с тяжелыми компонентами нефти.

К тому же для обеспечения желаемого КПД аппарата необходимо оснащать его оптимальным расчетным (достаточным) количеством выводящих патрубков, оборудованных сепарирующими элементами с дополнительными комплектами сменных на случай регенерации, что тоже усложняет конструкционное оформление аппарата и его обслуживание.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для разделения гетерофазных систем, содержащее корпус и размещенный в нем газопроницаемый ячеистый блок, состоящий из пакета наклонных пластин пористо-ячеистого никеля, выполняющего роль брызгоуловителя в массообменных аппаратах [3] Высокая эффективность процесса разделения газовой и жидкой фаз на выходе из аппарата обусловлена свойствами высокоразвитой коалесцирующей поверхности пористо-ячеистого никеля, структурой пористо-ячеистого слоя металла и компоновкой его в брызгоулавливающем устройстве.

Однако при использовании данного устройства в нефтепромысловых сепарационных установках и системах сбора нефтяного и природного газов основным недостатком, снижающим эффективность отделения жидкой фазы (нефти, конденсата, воды) от газа, явится периодическое обрастание пористо-ячеистой структуры никеля в условиях пониженных температур вязкими компонентами жидкой фазы по ходу потока.

Для устойчивой работы на высокопроизводительных нефтегазовых потоках в оптимальном температурном режиме, обеспечивающем текучесть нефти и ее тяжелых компонентов, и для своевременной эвакуации жидкой фазы из пористо-ячеистой структуры материала необходимо использование дополнительного тепла. Применение теплообменной аппаратуры для подогрева больших объемов низкотемпературного газа предполагает громоздкую ее конструкцию со значительными энергозатратами, а также усложнит внутреннюю конструкцию аппаратов при совмещении теплообменных и сепарирующих элементов в них, что в промышленных условиях на производстве мало приемлемо.

Целью изобретения является повышение эффективности сепарации и осушки газовой фазы в отраслях нефте- газодобычи и нефтегазопереработки за счет создания оптимального температурного режима для раздела жидкой и газовой фаз на развитой коалесцирующей поверхности пористо-ячеистых металлов и сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство выполняется в виде корпуса и размещенного в нем газопроницаемого ячеистого блока, состоящего из набора наклонных пластин пористо-ячеистого никеля, уложенных слоями числом не ниже двух без промежутков между ними и под углом не ниже угла оттекания жидкости, и дополнительных токонагреваемых слоев пластин пористо-ячеистых металлов и/или сплавов и уложенных путем чередования их с ненагреваемыми слоями пористо-ячеистого никеля, а все слои пористо-ячеистых материалов располагают в порядке дискретно изменяющейся ячеистости в сторону уменьшения размера ячей и увеличения их плотности в структуре материалов.

Устойчивая способность устройства обеспечивать эффективную коалесценцию жидкой фазы различной дисперсности является, в свою очередь, функцией удельной поверхности, форм пористо-ячеистого пространства используемых материалов, гидродинамического движения потока в пористо-ячеистом пространстве и температурного режима газового потока,обеспечивающего оптимальную текучесть нефтяной фазы для своевременной эвакуации жидкости из пористо-ячеистой структуры материала.

На фиг. 1 изображен продольный разрез верхней части вертикального аппарата, общий вид; на фиг. 2 изображен продольный разрез горизонтального аппарата, общий вид; на фиг. 3 вид А на фиг.1 и фиг.2.

Предлагаемое устройство представляет собой корпус (вертикальный или горизонтальный) и размещенный в нем газопроницаемый ячеистый блок (пакет) из токонагреваемых и не нагреваемых слоев пористо-ячеистых металлов и/или сплавов, перекрывающий рабочее сечение аппарата. Названные материалы имеют фиксированную ячеистую структуру, свободный объем которой достигает 92-95 об. благодаря чему контактная коалесцирующая поверхность по сравнению с другими коалесцирующими материалами несоизмеримо велика еще и с учетом пористости. Определенная степень леофильности и гидрофильности рабочей поверхности позволяет подобрать наиболее эффективный материал для рабочей среды с учетом ее компонентного состава для обеспечения максимальной степени коалесценции жидкой фазы газожидкостной смеси. Компоновка блока пористо-ячеистыми материалами с необходимым количеством слоев определенной плотности порового пространства производится с учетом дисперсности жидкой фазы нефтегазового потока, объема и скорости его, а также вязкости жидкой фазы, которые обусловливают степень нагрева токонагреваемых пластин для создания оптимальных температурных параметров, обеспечивающих необходимую текучесть жидкости в пористо-ячеистой структуре материала и быструю ее эвакуацию, исключая вынос капель с осушенным газом.

Компоновка брызгоулавливающего пакета (блока) производится следующим образом. Каждый коалесцирующий, как токонагреваемый 1, так и ненагреваемый 2 слой набирается из пластин 3 пористо-ячеистых материалов одинаковой характеристики по плотности и размерам ячей, уложенных в одной плоскости по форме рабочего сечения аппарата. Необходимое количество слоев при оптимальном чередовании токонагреваемых и ненагреваемых материалов устанавливают параллельно друг другу без промежутков между ними под углом к газожидкостному потоку не ниже угла оттекания жидкости. Количество токонагреваемых и ненагреваемых слоев в брызгоулавливающем пакете может быть любым и зависит от интенсивности и характера газожидкостного потока, степени дисперсности капель жидкости и прочности стабилизирующих оболочек дисперсной фазы. Для обеспечения высокой степени осушки газовой фазы в широком интервале дисперсности жидкой фазы ( от крупных капель до мельчайших на уровне "тумана"), слои токонагреваемых и ненагреваемых материалов укладывают в порядке постепенного увеличения плотности ячей и пор материала при уменьшении их размеров. Скомпонованный слоистый пакет ограничивается металлическими опорными решетками и устанавливается, перекрывая рабочее сечение в вертикальном аппарате предпочтительнее полностью, а в горизонтальном аппарате предпочтительнее не полностью, для достижения наилучшего эффекта эвакуации жидкости из пакета по стенкам вертикального корпуса или по наклонной полке 4, сбору ее и выводу через сливные устройства 5 в нижней части корпуса.

Устройство работает следующим образом. Увлажненный газ, например нефтяной или природный, содержащий капли нефти, пластовой воды и мехпримеси, поступает в аппарат,оснащенный газопроницаемым ячеистым пакетом из пористо-ячеистых токонагреваемых и ненагреваемых металлических материалов. На тепло-массообменной поверхности пористо-ячеистого пакета происходит коалесценция капель жидкой фазы газового потока, и в оптимальном режиме по температурным параметрам жидкая фаза стекает по структуре пористо-ячеистых материалов и далее по стенкам корпуса, увлекая за собой и мехпримеси. При оптимальной температуре, обеспечивающей текучесть жидкой (углеводородной) фазы, мехпримеси и тяжелые компоненты ее не наращиваются на контактной поверхности материалов, а постоянно смываются скатывающейся жидкостью, обеспечивая длительную устойчивую работу пакета без регенерации. Жидкая фаза выводится из аппарата снизу через сливные устройства 5, а осушенный газ - сверху через газовыводящий патрубок 6.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет максимально повысить эффект разделения гетерогенных фаз на высокоразвитой тепло-массообменной коалесцирующей поверхности пористо-ячеистых металлических материалов с практическим исключением брызгоуноса в процесса сепарации и осушки нефтяных и природных газов. Устройство компактно, простой конструкции, высоко производительно, обладает низким сопротивлением к газожидкостному потоку и высокопрочностными характеристиками, устойчиво работает в условиях длительного межрегенерационного пробега. При необходимости регенерации пористо-ячеистый блок легко продувается, пропаривается или промывается углеводородным продуктом рабочей среды.