Разделение газ–жидкость при повышенном давлении: экспериментальное исследование эффективности сепараторов для потоков природного газа при повышенных давлениях

С целью понимания явлений разделения, совершенствования технологий сепарации и снижения неопределённости и рисков, связанных с проектированием и эксплуатацией сепараторов при повышенных давлениях, были проведены испытания по сепарации при 1 500 psig и 2 600 psig в широком диапазоне скоростей газового потока и концентраций входной жидкости. Испытания выполнялись на установке мультифазного потока Southwest Research Institute® с использованием углеводородов — природного газа и модельной жидкой углеводородной фазы (ExxsolTM D110, компоненты C12–C17). Экспериментальный участок, применённый в этом исследовании, был оснащён компактными высокопроизводительными устройствами сепарации, обеспечивающими высокую эффективность удаления жидкости при минимальном занимаемом пространстве. Блок состоял из встроенного циклонического сепаратора CDS Separation Systems для грубой сепарации жидкой фазы и последующего вертикального сепаратора с компактной внутренней начинкой (входное устройство с лопастями, дренируемый коалесцирующий сетчатый слой и демистирующие циклоны). Конструкция испытательной рамы обеспечивала значительную гибкость для оценки эффективности сепарационных устройств по отдельности или в сочетании. В статье представлена и обсуждена методика испытаний при повышенном давлении, тенденции эффективности и влияние полученных результатов. Эффективное газ–жидкостное разделение имеет решающее значение для надёжности и успешной эксплуатации многих процессов в нефтяной, газовой и химической промышленности. Плохо спроектированные или неэффективные сепараторы могут привести к многочисленным технологическим проблемам. В газопереработке сепараторы используются перед вращающимся оборудованием (например, расширителями, компрессорами, турбинами), контактными аппаратами (например, гликолевыми и аминными системами), молекулярно-ситовыми осушителями, топливными системами и т.п., и потому критически важны для предотвращения механических повреждений, пенообразования, загрязнения или образования гидратов в оборудовании вниз по потоку. Кроме того, сепараторы важны для соблюдения требований к продукту (например, точки росы углеводородов) и выполнения норм по выбросам в атмосферу и других экологических требований. Значение правильно спроектированного сепаратора становится очевидным, поскольку затраты на ремонт или замену оборудования и/или регенерацию растворителей для очистки газа часто значительно превышают первоначальную стоимость сепаратора. Газ–жидкостные сепараторы предназначены для обработки многокомпонентного входного потока и используют разницу плотностей фаз для раздельного выделения фаз (например, удаления захваченных капель жидкости из газо-непрерывного потока). Сепараторы, основанные на действии гравитации, часто используют традиционные демистирующие устройства (сетчатые подушки или пакеты лопастей) и, следовательно, опираются на гравитацию и ударение как основные механизмы разделения. К сожалению, обычные гравитационные сепараторы и указанные внутренние элементы не всегда применимы. Это особенно заметно при снятии ограничений пропускной способности существующих установок (для увеличения производительности и/или продления срока службы месторождения) и при разработке ресурсов в сложных условиях (например, глубоководье, арктические регионы или другие удалённые месторождения), где диаметр сосуда, толщина стенки, вес или доступная площадь могут быть ограничены. В таких случаях можно применять более компактные внутренние элементы сепараторов, которые используют центробежные силы для разделения фаз, такие как входные циклоны (грубая сепарация фаз) и демистирующие циклоны (удаление мелких капель). В последнее время спрос на компактное и эффективное газ–жидкостное разделение в подобных сервисах привёл к разработке встроенных циклонических устройств, использующих тот же механизм разделения (центробежные силы) для достижения грубой сепарации фаз [Fantoft et al., 2010]. Встроенные циклонические сепараторы потенциально могут заменить более крупные традиционные сепараторы или устанавливаться перед сепаратором для снятия узких мест существующих установок либо для уменьшения занимаемой площади при проектировании новых объектов (за счёт уменьшения диаметра и общей высоты последующего сосуда)).