RU2105595C1

RU2105595C1 - Device for separation of heterophase systems

Info

Publication number: RU2105595C1
Application number: RU97106319A
Authority: RU
Inventors: А.М. Зобов; Л.И. Шпилевская; В.В. Шпилевский; С.А. Зобов; И.В. Бушуев
Original assignee: Зобов Александр Михайлович
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1998-02-27

Abstract

FIELD: devices for separation of emulgated gas-liquid media and removal of drops and splashes of liquid (oil, condensate, water) from gas flow; may be used in oil-field separating units in the systems of collection of associated and natural gases in oil-and-gas producing and processing industries. SUBSTANCE: device has body accommodating gas-permeable cellular block which consists of a set of inclined plates of porous-cellular nickel laid in layers with number of not less than two with no spaces between them and at an angle not smaller then that of liquid backflow. Device also has additional current-heated layers of plates of porous-cellular metals and/or alloys laid by alternating them with nonheated layers of porous-cellular nickel. All layers of porous-cellular materials are arranged in order of discretely varying porosity towards reduction of cell sizes and increase of their density in structure of materials. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

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. The invention relates to devices for separating emulsified gas-liquid media and for removing droplets and splashes of liquid (oil, condensate, water) from a gas stream and can be used in oilfield separation plants and systems for collecting oil and natural gas in the oil and gas refining industry.

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.Known droplet eliminator for removing droplets and splashes of liquid (oil, condensate, water) from the gas stream, used in oil separation plants and systems for collecting oil and natural gas [1]
However, said droplet eliminator has several disadvantages. To increase the degree of gas purification, it is equipped with a bulky system of devices with drop-breaking surfaces and coarse and fine filters. To facilitate the operation of the filtering part of the apparatus and extend the life of the inter-regeneration run, the droplet eliminator is equipped with a cumbersome inlet chamber, which provides for the retention of the bulk of the liquid, including solids, paraffins and resinous substances contained in oil. A rather complicated design of the inlet chamber does not exclude the possibility of clogging the pore space of the filters with heavy impurities coming in with foam and liquid plugs at high flow loads and emergency situations in separation plants.

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.All the cumbersomeness and complexity of the internal structure of the droplet eliminator are caused by the use of filtering-coalescing materials with a low-branched contacting filtering-coalescing surface that do not provide long-term stable operation of the apparatus in the regime of effective cleaning and drying without regeneration,
Known oil and gas separator, which allows to combine the functions of foam destruction and dropping, to reduce the secondary ablation of droplets and to achieve a quick shift during repair work [2] The separator contains a separating element installed in the outlet gas pipe and made in the form of a cylindrical mesh liner inside which is installed a conical mesh partition with a certain angle to provide directional evacuation of the liquid phase from the mesh structure of the package.

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. However, the effect of reducing droplet drop with this design of the separating element using a mesh filler with a relatively low degree of branching of the filtering-coalescing surface of metallic mesh materials does not provide a deep degree of gas drying under conditions of high gas flow rates in the gas outlet. This is due to the difficulty in timely evacuation of fluid from the mesh structure of the separating element package. In addition, the heavy components of the oil phase contained in the droplets carried away with the exhaust gas, at relatively low temperatures, quickly clog the pore space of the mesh filler, providing a reduction in the droplet effect and a short inter-regeneration period.

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. The design of the separating element, providing for its quick interchangeability, also indicates that, with fairly frequent need, it is more convenient to heat the elements themselves rather than turn the entire apparatus into regenerative mode, which will take quite a while to completely restore the surface of the contaminated material solids mixed with heavy oil components.

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. In addition, to ensure the desired efficiency of the apparatus, it is necessary to equip it with the optimal calculated (sufficient) number of outlet pipes equipped with separating elements with additional sets of interchangeable ones in case of regeneration, which also complicates the design of the apparatus and its maintenance.

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. The closest to the invention in technical essence and the achieved effect is a device for separating heterophasic systems, comprising a housing and a gas-permeable cellular block placed therein, consisting of a package of inclined porous-cellular nickel plates acting as a spray collector in mass transfer apparatus [3] High efficiency of the separation process the gas and liquid phases at the outlet of the apparatus due to the properties of the highly developed coalescing surface of porous-cellular nickel, the structure of porous-cellular metal layer and its arrangement in bryzgoulavlivayuschem device.

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. However, when using this device in oil separation plants and systems for collecting oil and natural gases, the main disadvantage that reduces the efficiency of separation of the liquid phase (oil, condensate, water) from gas is the periodic fouling of the porous-cellular structure of nickel at low temperatures with viscous components of the liquid phase downstream.

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. For stable operation at high-performance oil and gas flows in the optimal temperature regime, ensuring fluidity of oil and its heavy components, and for the timely evacuation of the liquid phase from the porous-cellular structure of the material, the use of additional heat is necessary. The use of heat-exchange equipment for heating large volumes of low-temperature gas involves its cumbersome design with significant energy consumption, as well as complicate the internal design of the apparatus when combining heat-exchanging and separating elements in them, which is not acceptable under industrial conditions.

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. The aim of the invention is to increase the efficiency of separation and drying of the gas phase in the oil and gas production and oil and gas refining industries by creating the optimal temperature regime for the separation of liquid and gas phases on the developed coalescing surface of porous-cellular metals and alloys.

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. This goal is achieved by the fact that the proposed device is made in the form of a housing and a gas-permeable cellular block placed in it, consisting of a set of inclined plates of porous-cellular nickel laid in layers of at least two with no gaps between them and at an angle not lower than the angle of fluid outflow, and additional current-heated layers of plates of porous-cellular metals and / or alloys and stacked by alternating them with unheated layers of porous-cellular nickel, and I have all layers of porous-cellular materials in the order of discretely variable cellularity in the direction of decreasing mesh size and increase their density in the material structure.

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. The stable ability of the device to provide effective coalescence of the liquid phase of different dispersion is, in turn, a function of the specific surface, the forms of the porous-cellular space of the materials used, the hydrodynamic movement of the flow in the porous-cellular space and the temperature regime of the gas stream, which ensures optimal fluidity of the oil phase for timely evacuation liquids from the porous-cellular structure of the material.

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. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the upper part of the vertical apparatus, a general view; in FIG. 2 shows a longitudinal section of a horizontal apparatus, a general view; in FIG. 3, view A in FIG. 1 and FIG. 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. The proposed device is a casing (vertical or horizontal) and a gas-permeable cellular block (packet) placed in it from current-heated and unheated layers of porous-cellular metals and / or alloys, overlapping the working section of the apparatus. These materials have a fixed cellular structure, the free volume of which reaches 92-95 vol. thanks to which, the contact coalescing surface is incommensurably large compared to other coalescing materials even taking into account porosity. A certain degree of leophilicity and hydrophilicity of the working surface allows you to choose the most effective material for the working environment, taking into account its component composition to ensure the maximum degree of coalescence of the liquid phase of the gas-liquid mixture. The arrangement of the block with porous-cellular materials with the necessary number of layers of a certain density of the pore space is made taking into account the dispersion of the liquid phase of the oil and gas stream, its volume and velocity, as well as the viscosity of the liquid phase, which determine the degree of heating of current-heating plates to create optimal temperature parameters that provide the necessary fluidity in the porous-cellular structure of the material and its rapid evacuation, excluding the removal of droplets with dried gas.

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. The layout of the spray bag (block) is as follows. Each coalescing, both current-heating 1 and non-heating 2 layer is collected from plates 3 of porous-cellular materials of the same characteristic in density and cell size, laid in one plane according to the shape of the working section of the apparatus. The required number of layers with optimal alternation of current-heated and unheated materials is set parallel to each other without gaps between them at an angle to the gas-liquid flow not lower than the angle of fluid outflow. The number of current-heated and unheated layers in the spray catcher bag can be any and depends on the intensity and nature of the gas-liquid flow, the degree of dispersion of liquid droplets and the strength of the stabilizing shells of the dispersed phase. To ensure a high degree of drying of the gas phase in a wide range of dispersion of the liquid phase (from large droplets to the smallest at the “fog” level), layers of current-heated and unheated materials are laid in the order of a gradual increase in the density of cells and pores of the material with a decrease in their size. The arranged layered bag is limited by metal support grids and is installed, blocking the working section in a vertical apparatus, preferably completely, and in a horizontal apparatus, preferably not completely, in order to achieve the best effect of liquid evacuation from the packet along the walls of the vertical casing or along the inclined shelf 4, collecting it and outputting it through drain devices 5 in the lower part of the housing.

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. The device operates as follows. Humidified gas, such as petroleum or natural gas, containing droplets of oil, produced water and mechanical impurities, enters an apparatus equipped with a gas-permeable cellular bag of porous-cell current-heated and unheated metallic materials. On the heat-mass transfer surface of the porous-cellular packet, coalescence of droplets of the liquid phase of the gas stream occurs, and in the optimum mode in terms of temperature parameters the liquid phase flows down the structure of the porous-cellular materials and further along the walls of the body, dragging along the solids. At the optimum temperature, which ensures fluidity of the liquid (hydrocarbon) phase, mechanical impurities and heavy components do not build up on the contact surface of materials, but are constantly washed off by rolling liquid, ensuring long-term stable operation of the package without regeneration. The liquid phase is discharged from the apparatus from below through the drain device 5, and the dried gas from above through the gas outlet pipe 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. Thus, the proposed device allows you to maximize the effect of the separation of heterogeneous phases on a highly developed heat and mass transfer coalescing surface of porous-cellular metal materials with the practical exception of spraying in the process of separation and drying of oil and natural gases. The device is compact, simple in design, highly efficient, has low resistance to gas-liquid flow and high-strength characteristics, works stably in conditions of long inter-regeneration mileage. If regeneration is necessary, the porous-cellular block is easily blown, steamed or washed with the hydrocarbon product of the working medium.

Claims

A device for separating heterophasic systems, comprising a housing and a gas-permeable cellular block placed therein, consisting of a set of inclined porous-cellular nickel plates laid in layers of at least two gaps between them and at an angle not lower than the fluid outflow angle, characterized in that the block is additionally contains current-heating layers of plates of porous-cellular metals and / or alloys laid by alternating them with heated layers of porous-cellular nickel, and all layers of porous-cellular materials are placed in yadke cellularity discretely changing in the direction of decreasing mesh size and increase their density in the structure material downstream.