7.2 Расчет вертикального гравитационного сепаратора по газу

Выпадение капелек и твердых частиц из газа в гравитационном сепараторе происходит в основном по двум причинам: вследствие резкого снижения скорости газового потока и разности плотности газовой и жидкой (твердой) фазы.

Для эффективной сепарации необходимо, чтобы расчетная скорость движения газового потока в сепараторе была меньше скорости осаждения жидких и твердых частиц, движущихся под действием силы тяжести во встречном потоке газа, то есть

υ_г < υ_ч.

Скорость подъема газа в вертикальном сепараторе с учетом рабочих условий определяется из выражения

υг = [(G0·p0)/(86400·s·p)]·(T/T0)·z, м/с,

где p₀ – давление при нормальных условиях, Па; р₀ = 101325 Па;

Т₀ – температура при нормальных условиях, К; Т₀ = 273 К;

G₀ – дебит газа при нормальных условиях (то есть при p₀ = 101325Па = 0,101 МПа и Т₀ = 273 К), м³/сут;

86400 – число секунд в сутках;

s – площадь сечения сепаратора, м²;

р – давление в сепараторе, Па;

Т – абсолютная температура в сепараторе, К;

z – коэффициент сжимаемости газа, учитывающий отклонение свойств реальных газов от свойств идеального газа при давлении в сепараторе.

Площадь сечения вертикального цилиндрического сепаратора

s = π·D²/4 = 0,785·D², м²,

где D – внутренний диаметр сепаратора, м

Тогда

υг = 5,8·10^-3·[(G0·Т)/(D^2·p)]·z, м/с,

(3.1)

Принимается число Рейнольдса

Rе = u_ч·d/ν_г = 1,

где u_ч – скорость оседания частицы в газе, м/с;

d – диаметр частицы, обычно принимаемый равным 10^-4 м;

ν_г – кинематическая вязкость газа в условиях сепаратора, м²/с

Скорость осаждения капельки жидкости (твердой частицы), имеющей форму шара при Rе = 1 определяется по формуле Стокса

uч = [d^2·(ρн – ρг)·g]/(18·μг) = [d^2·(ρн – ρг)·g]/(18·νг·ρг), м/с,

(3.2)

где d – расчетный диаметр частицы, м;

ρ_н, ρ_г – соответственно плотность нефти и газа в условиях сепаратора, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с². Принимается g = 9,81 м/с²;

μ_г – динамическая вязкость газа в условиях сепаратора, Па·с.

Если за положительное направление принимается направление падения частицы в газовом потоке вниз, то она выпадает при скорости

υ_в = u_ч – υ_г > 0

На практике при расчетах принимается

uч = 1,2· υг

(3.3)

Подставив в (3.3) значения u_ч и υ_г из (3.2) и (3.1), получают

[d^2·(ρн – ρг)·g]/(18·νг·ρг) = 1,2·5,8·10^-3·[(G0·Т)/(D^2·p)]·z

(3.4)

или

G0 = 78·D^2·p·d^2·(ρн – ρг)/(Т·νг·ρг·z)

(3.5)

По формуле (3.5) определяют пропускную способность вертикального сепаратора по газу, если задаться диаметром капелек жидкости d или диаметром сепаратора D при известных р, Т, ρ_н и ν_г в сепараторе.

7.3 Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости

Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости сводится к тому, чтобы получить скорость подъема уровня жидкости υ_ж в нем меньше скорости всплывания газовых пузырьков, то есть

υж < υг.

(3.6)

Скорость всплывания пузырьков газа υ_г в жидкости обычно определяется по формуле Стокса (3.2) с заменой в ней абсолютной вязкости газа μ_г на абсолютную вязкость жидкости μ_ж.

Учитывая соотношение (3.6), пропускную способность вертикального сепаратора по жидкости, можно записать

υж = Gж/(86400·s) < υг = [d^2·(ρж – ρг)·g]/(18·μж)

(3.7)

или

Gж = 86400·0,785·D^2·d^2·(ρж – ρг)·g]/(18·μж),

(3.8)

где s = π·D²/4 = 0,785·D² – площадь сечения вертикального сепаратора, м²;

g – ускорение свободного падения, м/с². Принимается g = 9,81 м/с².

Тогда получают

Gж = 36964·D^2·d^2·(ρж – ρг)·g]/μж.

(3.9)

При расчетах сепараторов на пропускную способность для определения плотности газа в условиях сепаратора пользуются формулой

ρг = ρ0·[(р·Т)/(р0·Т0)]·(1/z),

(3.10)

где ρ₀ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

р и р₀ – соответственно давление в сепараторе и давление при нормальных условиях , Па;

Т и Т₀ – соответственно абсолютная температура в сепараторе и при нормальных условиях, К; Т₀ = 273 К и Т = 273 + t, К, где t – температура в сепараторе, °С;

z – коэффициент сжимаемости газа, учитывающий отклонение свойств реальных газов от свойств идеального газа при давлении в сепараторе.