Исследование процессов сепарации нефти и газа

Федеральное агентство образования РФ

Томский политехнический университет

 

 

 

 

 

 

Утверждаю

Декан ХТФ

 Погребенков В.М.

“ ”    2004г.

 

 

 

 

 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы

“Исследование процессов сепарации нефти и газа”

по дисциплине

“Технология промысловой подготовки нефти и газа”

для студентов специальности 250400

“химическая технология природных  энергоносителей и углеродных материалов ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2004г.

 

 

 

УДК

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине “Технология промысловой подготовки нефти и газа” для студентов специальности 250400.

 

Составители:         Н.В. Ушева

     Н.А. Барамыгина

 

Рецензент проф. д.т.н.             А.В. Кравцов

 

Методические указания рассмотрены  и рекомендованы методическим семинаром кафедры химической технологии топлива

“ ”    2004г.

 

 

 

Зав.каф. ХТТ                                              А.В. Кравцов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель работы

1. Ознакомиться с методикой расчета процесса однократного испарения.
2. Практически освоить методику исследования на ЭВМ процесса разделения углеводородной смеси в газовом сепараторе.
3. Изучить влияние температуры, давления, состава сырья на процесс разделения газожидкостной смеси в каскаде сепараторов и выбрать эффективный режим работы с использованием моделирующей системы (МС).

 

Разделение газожидкостных потоков  
в химико-технологических процессах

В химической технологии широко распространены процессы разделения двухфазных газожидкостных систем, в частности, сепарация на составляющие фазы - газ и жидкость [1,2,3].

Сепараторы являются обязательным элементом любой  технологической схемы промысловой подготовки нефти и газа на нефтяных и газоконденсатных месторождениях, а также применяются в процессах переработки нефти, газа и газового конденсата.

На рис. 1 представлена схема классификации  сепараторов по основным функциональным и конструктивным признакам.

Сепараторы предназначены для отделения природного газа от конденсата, воды и твердых частиц (отделения нефти от содержащегося в ней газа).

Сепараторы, как правило, состоят  из нескольких секций, каждая из которых выполняет определенные функции.

Основная сепарационная  секция. Служит для основного разделения продукции скважины на газ и жидкость. Ввод сырья в секцию осуществляется тангенциально или нормально, но с применением специальных конструкций газоотбойника (дефлектора). Секция ввода газожидкостных смесей обеспечивает максимальное отделение крупнодисперсной фазы, особенно при высоком начальном содержании жидкой фазы, а также равномерный ввод газожидкостной смеси в аппарат, в том числе в секцию окончательной очистки газа от капель жидкости.

Газ, выделившийся из продукции скважины, а также дополнительно под  влиянием центробежной силы и в результате изменения направления движения потока жидкости, поднимается вверх и выводится из сепаратора, отделившаяся жидкость опускается вниз.

Осадительная секция. В ней происходит дополнительное выделение пузырьков газа, содержащихся в нефти в состоянии окклюзии, т.е. поглощенные ею или не успевшие из нее выделится. В осадительной секции происходит выделение газа из нефти, которое усиливается, если нефть будет стекать по одной или нескольким наклонно расположенным плоскостям, называемым дефлекторами, и плавно без брызг сливаться в слой, расположенный в нижней части сепаратора.

Секция сбора жидкости. Служит для сбора жидкости, из которой почти полностью выделился газ при давлении и температуре, поддерживаемых в сепараторе. Однако некоторое количество окклюдированного газа в ней еще имеется. Эта секция может быть подразделена на две, из которых одна – верхняя предназначена для нефти, нижняя – для воды, обе имеют самостоятельные выводы из сепаратора.

Влагоуловительная секция. Расположена в верхней части сепаратора. Ее назначение улавливать частицы жидкости, увлекаемые потоком газа. Несмотря на большое разнообразие конструкций сепараторов, их можно условно разделить на два класса в соответствии с физическими принципами разделения газожидкостных смесей: гравитационные и инерционные [2].

 

В гравитационных сепараторах, представляющих собой большие горизонтальные или вертикальные емкости, разделение фаз происходит за счет силы тяжести. Поскольку размеры капель, попадающих в сепаратор из подводящего трубопровода, малы, то для их эффективного удаления из потока только за счет силы тяжести требуется длительное время и, как следствие этого, сепараторы имеют большие размеры.

В инерционных сепараторах разделение фаз происходит за счет сил инерции  при обтекании газожидкостной смесью различных препятствий (сеток, струн и т.п.) и при закручивании потока в центробежных патрубках (циклонах).

В современных конструкциях газовых  сепараторов используются оба принципа. Степень разделения газожидкостной смеси в сепараторах зависит от расхода газа, термобарических условий, а также от среднего радиуса капель, вносимых в сепаратор с потоком газа из подводящего трубопровода, который, в свою очередь, зависит от параметров трубопровода, а также от наличия установки предварительной конденсации перед сепаратором.

Объем газосепаратора определяется условием пребывания в нем жидкости:

,     (1)

где    V - объем газосепаратора, м³;

t - время пребывания жидкости, с;

n₀ - объемный расход, м³/с.

По объему газосепаратора подбирают  тип и марку сепаратора по каталогу.

 

Расчет однократного испарения многокомпонентной  
углеводородной смеси

Сепарация нефти по своей физической сущности является сочетанием физических и массообменных процессов, протекающих  между газовой и жидкой фазами, содержащими большое количество компонентов, т.е. является сложным многокомпонентным процессом. Однако при построении математических моделей, обладающих высокой прогнозирующей способностью и точностью, необходимо учитывать физико-химические закономерности их протекания. В то же время модель должна иметь приемлемую для расчетов размерность и возможность решения известными численными методами.

Чтобы удовлетворить требованиям, будем рассматривать, что в процессе сепарации:

• достигается состояние равновесия;
• происходит однократное испарение компонентов смеси.

Исходя из этого, модель сепарации  должна включать расчет констант фазового равновесия и расчет доли отгона на основании уравнений материальных балансов по газовой и жидкой фазам.

Уравнение материального баланса процесса однократного испарения для многокомпонентной системы в целом можно представить как [4,5]

,     (2)

где     F – количество исходного  сырья, кг/час;

G – количество паровой фазы  кг/час;

L – количество жидкой фазы  кг/час.

Для i – го компонента системы материальный баланс запишется следующим образом:

                                   

,    (3)

где u_i, x_i, y_i – мольные доли i –го компонента в исходном сырье и полученных жидкой и паровой фазах соответственно.

В условиях равновесия

                                       

,     (4)

где К_i – константа фазового равновесия i – го компонента.

Основное уравнение для расчета  частичного однократного испарения  многокомпонентной системы-

                                 

     (5)

где - молярная доля пара (доля отгона) в конце процесса однократного испарения. Расчет по математической модели (уравнения 4-5) осуществляется методом итераций, путем подбора значения доли отгона e, контролем правильности решения является выполнение условий

                            

 .      (6)

K_i могут быть рассчитаны различными методами (Антуана, Шилова, Пенга-Робинсона, Ридлиха-Квонга-Соаве и т.д.).

 

Исходные данные для  расчета процесса разделения  
многокомпонентной углеводородной смеси

                    

 

Рис. 2. Принципиальная схема  
сепарационного блока технологии подготовки нефти:

 С – сепараторы

              

Рис. 3. Принципиальная схема  
сепарационного блока технологии подготовки газа и газового конденсата:

 С – сепараторы

Исходные данные приведены в  таблице 1, 2.

 

Таблица 1. – Исходные данные для проведения расчета процесса сепарации.

Составы входных потоков, % мольн.
Нефтяные месторождения
Вещество	Лугенецкое	Южно-Табаганское
CO2	1,13	1,62
N2	0,60	0,23
CH4	44,87	43,74
C2H6	3,19	6,24
C3H8	3,62	5,71
i-C4H10	1,37	1,23
C4H10	2,29	2,49
i-C5H12	1,30	1,02
C5H12	1,64	1,18
С6+	39,99	36,54
Молек. масса С6+	176,9	254,9
ρС6+, кг/м3	840,51	879,0
Газоконденсатные  месторождения
Вещество	Мыльджинское	Северо-Васюганское
CO2	0,54	0,24
N2	2,65	3,30
CH4	84,86	79,27
C2H6	4,24	5,60
C3H8	2,63	4,20
i-C4H10	0,60	1,02
C4H10	0,55	1,20
i-C5H12	0,0	0,40
C5H12	0,83	0,57
С6+	2,69	4,04
Молек. масса С6+	108	110
ρС6+, кг/м3	720,0	721,3

 

 

Таблица 2. – Режимы работы сепарационных блоков рассматриваемых  месторождений.

 

Месторождение	Технологические параметры  по сепараторам
	Расход, тыс. т/год	1 сепаратор	2 сепаратор	3 сепаратор
Лугенецкое	1050,0	Р1=0,4 Мпа; Т1=10 оС	Р2=0,3 Мпа; Т2=30 оС	Р3=0,105Мпа; Т3=10 оС
Южно-Табаганское	1050,0	Р1=0,3 Мпа; Т1=10 оС	Р2=0,2 Мпа; Т2=40 оС	Р3=0,105 Мпа; Т3=38 оС
Мыльджинсоке	1687,65	Р1=9,53 Мпа; Т1=29,7 оС	Р2=9,49 Мпа; Т2=-0,6 оС	Р3=4,98 Мпа; Т3=-35,1 оС
Северно-Васюганское	1687,65	Р1=8,34 Мпа; Т1=20,86 оС	Р2=8,23 Мпа; Т2=10,99 оС	Р3=3,67 Мпа; Т3=-34,45 оС

 

Для проведения расчета сепарационного блока процесса разделения многокомпонентной  углеводородной смеси необходимы следующие данные:

1. Расход сырья, т/год;
2. Температура в сепараторах, ^оС;
3. Давление, Па;
4. Состав сырья, мольные доли.

Расчеты могут быть выполнены с использованием модуля расчета блока сепарации моделирующей системы (МС)установок комплексной подготовки нефти и газа (УПН и УКПГ), разработанных на кафедре ХТТ. Для оценки эффективности технологических режимов необходимо дополнительно провести расчеты показателей качества товарной продукции (точка росы для подготовки газа и газового конденсата, давление насышщенного пара (ДНП) для подготовки нефти).

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методикой расчета процесса однократного испарения.
2. Ознакомиться с моделирующей системой (МС) расчета процесса разделения многокомпонентной смеси в сепараторах.
3. Подготовить исходные данные для расчета.
4. Выполнить все необходимые расчеты на ЭВМ. Исследовать влияние технологических параметров на процесс сепарации.
5. Результаты расчета представить в виде таблиц и графиков, выбрать эффективный режим разделения.
6. Составить отчет.