Расчёт сепаратора первой ступени сепарации

Из материального баланса первой ступени сепарации следует, что в сепаратор поступает пластовая нефть в количестве: кг/ч, из сепаратора выходит газ в количестве: кг/ч.

Для предварительного выбора сепаратора необходимо определить объёмный расход жидкости и газа в сепараторе.

Объёмный расход жидкости:

где - плотность поступающей пластовой нефти (эмульсии) при 25^оС, рабочей температуре в сепараторе, кг/м³.

Предварительно рассчитаем плотность эмульсии при 20^оС по уравнению аддитивности, зная соотношение нефти и воды:

кг/м³

где = 869 кг/м³ – плотность нефти при 20^оС;

= 1004 кг/м³ – плотность пластовой воды при 20^оС.

Относительную плотность эмульсии при 25^оС определим по уравнению:

В нашем случае:

Относительная плотность эмульсии при рабочей температуре:

Абсолютная плотность эмульсии:

кг/м³

Объёмный расход жидкости:

м³/ч

Для выбора сепаратора объёмный расход газа необходимо определить при нормальных условиях:

м³/ч

где = 0,9924 кг/м³ – плотность газа при нормальных условиях (см. п. 12.2).

Из таблицы 8.1 выбираем сепаратор, который обеспечит необходимую производительность по жидкости и газу. Принимаем к установке горизонтальный сепаратор типа НГС–0,6–2400, со следующими характеристиками:

- объём V = 50 м³;

- внутренний диаметр D_в = 2,4 м;

- длина L = 11,06 м;

- производительность по жидкости 160 – 800 м³/ч;

- производительность по газу 82900 м³/ч.

Определяем максимальную пропускную способность этого сепаратора по пластовой нефти (эмульсии):

, м³/ч

где F – площадь зеркала нефти, м².

Обычно уровень жидкости в сепараторе находится несколько выше осевой линии. Для упрощения расчётов можно с достаточной точностью принять площадь зеркала нефти равной 95% от максимального значения:

м²

d – диаметр пузырьков газа, который не должен превышать 1…2 мм. Примем d = 1,55·10^{-3 м.}

плотность эмульсии при рабочих условиях в сепараторе, кг/м³.

= 5,55 кг/м³ – плотность газа при рабочих условиях в сепараторе (см. п. 12.2).

динамическая вязкость эмульсии при 25^оС, Па∙с. Для её расчёта необходимо предварительно определить динамическую вязкость нефти при 25^оС. Для расчёта последней предварительно находим динамическую вязкость нефти при 20^оС и 50^оС.

Из условия известно, что кинематическая вязкость нефти при 20^оС и 50^оС составляет соответственно (см. п. 12.1):

м²/с

м²/с

Динамическая вязкость нефти при 20^оС:

Для определения динамической вязкости нефти при 50^оС находим сначала относительную плотность нефти при 50^оС:

Абсолютная плотность нефти при 50^оС составляет .

Динамическая вязкость нефти при 50^оС:

Динамическую вязкость нефти при 25^оС определяем из уравнения:

Динамическую вязкость эмульсии определим по формуле:

где B = 0,3 – доля воды в эмульсии.

Максимальная пропускная способность сепаратора по жидкости:

Таким образом, расчёт показывает, что максимальная пропускная способность выбранного сепаратора по жидкости превышает реальный расход пластовой нефти на входе:

4235,2 м³/ч > 597,22 м³/ч

Следовательно, выбранный сепаратор обеспечит необходимые условия первой ступени сепарации нефти.

Расчёт отстойника

Для расчёта необходимого количества отстойников необходимо определить минимальный диаметр аппарата и минимальную длину зоны отстоя.

Минимальный диаметр отстойника для обеспечения ламинарного течения эмульсии ( ) определяется по формуле:

, м

где V_вх – объемный расход эмульсии на входе в отстойник, м³/с;

плотность эмульсии, кг/м³;

динамическая вязкость эмульсии, Па∙с;

функция относительной высоты водяной подушки в зоне отстоя:

,

где относительная высота водяной подушки, м;

высота водяной подушки, м;

радиус отстойника, м.

Установлено, что пропускная способность отстойника максимальна при . Тогда .

Из материального баланса стадии предварительного обезвоживания нефти следует, что в аппарат поступает эмульсия в количестве .

Плотность эмульсии (см. п. 12.8.1).

Объёмный расход эмульсии:

Вязкость эмульсии (см. п. 12.8.1).

Минимальный диаметр отстойника будет составлять:

Расчёт показал, что для обеспечения ламинарного движения эмульсии необходим минимальный диаметр отстойника 3,52 м. Но максимальный диаметр стандартного отстойника составляет только 3,4 м, поэтому для обеспечения ламинарного режима необходимо разделить входящий поток на два параллельных потока. Тогда расход эмульсии для одного потока будет составлять:

Минимальная длина зоны отстоя для обеспечения необходимого времени осаждения капель воды определяется по формуле:

где h_oc – высота зоны отстоя, м;

средняя горизонтальная скорость движения эмульсии в аппарате, м/с;

скорость стеснённого осаждения капель воды, м/с.

Высота зоны отстоя h_oc определяется следующим образом. Ранее было установлено, что:

При стандартном диаметре отстойника D = 3,4 м его радиус составит:

м

Высота водяной подушки:

м

Высота зоны отстоя:

Средняя горизонтальная скорость движения эмульсии определяется как среднее арифметическое скоростей на входе и выходе:

где и - объёмный расход эмульсии на входе в аппарат и на выходе из него, м³/с;

S – площадь поперечного сечения для прохода эмульсии в аппарате, м².

В нашем случае .

Из материального баланса стадии предварительного обезвоживания следует, что суммарный массовый расход эмульсии на выходе составляет G_вых = 378595,05 кг/ч. Для одного параллельного потока:

Для определения объёмного расхода эмульсии определяем плотность эмульсии на выходе, состоящей из 95% нефти и 5% воды:

Таким образом, абсолютная плотность эмульсии на выходе при 25^оС составляет . Объёмный расход эмульсии для одного потока на выходе:

Площадь поперечного сечения для прохода эмульсии:

где эквивалентный диаметр поперечного сечения для прохода эмульсии, м.

Диаметр отстойника D и эквивалентный диаметр связаны соотношением:

При и D = 3,4 м:

Скорость стеснённого осаждения капель воды рассчитывается на основе уравнения Стокса:

где – коэффициент, учитывающий стеснённость осаждения капель воды;

В – массовая доля воды в эмульсии;

d – диаметр капель воды, м;

плотность воды и нефти соответственно, кг/м³;

динамическая вязкость нефти, Па∙с.

Установлено, что диаметр капель воды в эмульсиях, предварительно обработанных деэмульгатором, составляет (300–350)∙10^{-6 м. Примем} d = 300∙10^{-6 м.}

Содержание воды в эмульсии на входе в отстойник составляет 31% масс., на выходе 5% масс. Среднее значение содержания воды в эмульсии в аппарате будет составлять:

% масс.

Или средняя доля воды В = 0,18

Определяем относительную плотность нефти при 25^оС:

Абсолютная плотность нефти .

Динамическая вязкость нефти при 25^оС рассчитана ранее (см. п. 12.8.1) и составляет .

Скорость осаждения капель воды:

Минимальная длина зоны отстоя:

Примем к установке отстойник типа ОГ-200 с характеристиками:

- объём V = 200 м³;

- внутренний диаметр D_в. = 3,4 м;

- внутренняя длина L_отс = 22,04 м.

Необходимое число аппаратов для обеспечения минимальной длины зоны отстоя:

Так как предварительно поток эмульсии был разбит на два, то общее количество необходимых отстойников составит:

При параллельном подключении всех девяти отстойников в каждый будет поступать следующее количество эмульсии:

Проверяем максимально возможную пропускную способность одного отстойника для обеспечения ламинарного режима:

Так как 0,0179 м³/с < 0,156 м³/с, т.е. < , следовательно, ламинарный режим движения эмульсии в отстойниках обеспечен.