Инерционно-фильтрующая сепарация газоконденсатных систем

Інерційно-фільтруюча сепарація газоконденсатних системКлючевые слова
Энергетика и энергоэффективность Технология добычи и переработки полезных ископаемых

Описание
Поскольку отсутствие научных основ прогнозирования разделения газожидкостных потоков является одной из весомых причин проектирования малоэффективных сепарационных аппаратов и выбора недостаточно оправданных технологических режимов, то основными идеями в рамках данного проекта положены разработка теоретических основ процессов инерционно - фильтрующей сепарации многокомпонентных смесей и использование научных основ прогнозирования поведения двухфазных потоков на основании физических, математических и виртуальных компьютерных моделирований гидродинамических процессов, происходящих в инерционно-фильтрующих сепарационных секциях газосепарацийного и массообменного оборудования. Математическое моделирование следует осуществить на основании классических положений механики жидкости и газа и технической гидромеханики. Физический эксперимент будет проведен путем экспериментальных исследований стендовых моделей сепарационных устройств. На этапе компьютерного моделирования планируется применить методы вычислительной гидродинамики ( Computational fluid dynamics ( CFD )), подвижных клеточных автоматов ( movable cellular automata ( MCA )) или дискретного элемента ( Discrete element method ( DEM )), с помощью которых можно оптимально подобрать геометрическую конфигурацию сепарационных устройств и технологические режимные параметры процесса сепарации без изготовления физической модели и перейти непосредственно к изготовлению опытно - промышленного образца. Построение теоретических зависимостей возможно провести дифференциальными методами математического анализа и интегрального исчисления.
Основой данного проекта является разработанная физическая модель формирования высокодисперсной капельной жидкости в потоке газа, которая с учетом качественных показателей природного газа, позволяет оценить функцию плотности распределения дисперсного состава капель конденсата и парообразной влаги.
На основе проведенного анализа механизмов формирования высокодисперсной капельной жидкости в потоке газа, получена зависимость для определения среднего ( критического ) размера капель дисперсной фазы, образованных за счет дробления и коагуляции. В объеме предыдущих исследований по результатам анализа процессов сепарации микрокапельной влаги в газовой среде выявлены недостатки существующих газосепараторов и определены перспективные направления организации движения газокапельного потока, сочетающий лучшие преимущества инерционных и фильтрующих способов сепарации.

Новизна инновации:
Для улавливания туманов ( 0,3-10 мкм ) и брызг предлагается сочетание в высокоэффективных конструкциях газосепарацийного и массообменного оборудования инерционных сепарационных секций с сетчатыми ( для улавливания частиц размерами более 5 мкм ) и волокнистыми фильтрующими секциями ( для улавливания частиц размерами менее 5 мкм ), работающих в режиме самоочистки и при меньших скоростях фильтрации. Отличительной чертой указанных секций для улавливания жидких частиц является их коалесценция после касания с фильтрующими элементами и образования жидкостной пленки или крупных капель. Применение газоочистных аппаратов с фильтрующими элементами значительно расширяются в связи с применением новых синтетических, полимерных, стеклянных и металлических волокон, пористых пластмасс и металлокерамики. Выбор типа тумано- или бризгоуловителя , работающего по механизму фильтрации, зависит от дисперсионного состава и концентрации взвешенных частиц жидкой фазы, наличия в тумане твердых частиц, необходимой эффективности и допустимого перепада давления на установке. Па основании теоретического анализа созданных физической и математической модели движения газокапельного потока и с помощью компьютерного моделирования в рамках проекта будут разработаны условия реализации новых способов сепарации высокодисперсной капельной жидкости с использованием новых конструкций инерционно-фильтрующих сепарационных устройств.
По результатам экспериментальных исследований модельных и натурных образцов сепарационных устройств и их обобщения будет впервые получено гидравлические и сепарационные характеристики инерционно-фильтрующих сепарационных секций газосепарационого и массообменного оборудования. В рамках проекта на основе проведения исследований гидродинамических процессов предусматривается разработка методик расчета инерционно-фильтрующих сепараторов, позволяющих определить параметры процесса сепарации и основные геометрические размеры сепарационных узлов.
Будут предложено новые, защищенные патентами Украины, способы сепарации и новые конструкции инерционно-фильтрующих сепарационных секций газосепарационого и массообменного оборудования, позволяющих значительно повысить степень сепарации.
Полученные научные результаты будут внедрены в производство на промышленных предприятиях нефтегазового комплекса Украины.

Описание проблемы:
В технологических процессах разделения газожидкостных смесей на газоперерабатывающих заводах и компрессорных станциях гравитационная сепарация твердых частиц, капельной и пленочной жидкости из потока газа используется только в сочетании с другими способами сепарации. Поэтому более целесообразно направить энергию движения потока попутного нефтяного и природного газов на сепарацию капельной жидкости и механических примесей с инерционным механизмом разделения в криволинейных и закрученных потоках. Эффективность инерционных газосепараторов находится на уровне гравитационных, а в большинстве случаев и значительно превышает благодаря переходу от гравитационного осаждения со скоростью 0,05-0,2 м / с до инерционного со скоростью 5-20 м / с. Существенно, что осуществление непосредственного контакта газового потока и капель или пленки уловленных жидкости, применение дополнительных конструктивных особенностей, образующих обратные токи завихрения, наряду с улучшением условий сепарации и отвода уловленной жидкости, приводят к разрушению структуры пленки жидкости и уноса брызг, интенсивность которого определяется скоростью газового потока. Указанные дополнительные устройства также представляют собой местные сопротивления. При этом повышается гидравлическое сопротивление, становится невозможным достижение высокой степени очистки, снижается значение способности улавливания, эффективности и удельной производительности газосепаратора.
Кроме того, очистка газов от конденсированных частиц, вследствие их высокой дисперсности, часто меняется по времени (при изменении температуры и давления), представляет собой более сложную проблему, чем улавливания тумана, образованного механическими процессами.
Степень очистки газов в аппаратах указанных типов может быть повышена, а процесс сепарации интенсифицирован путем предварительного укрупнения (коагуляции) частиц дисперсной фазы в процессе слияния капель при столкновении друг с другом, что значительно облегчает последующее их осаждение. Коагуляция может происходить под действием гидродинамических, электрических, гравитационных сил или влиянием упругих акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частот, накладываемых на броуновское движение частиц, а также за счет конденсации на них водяного пара (пресыщения газа в результате быстрого его охлаждения непосредственно перед его очисткой, или в течение самого процесса очистки). Поэтому основная идея заключается в оборудовании сепарационных секций газосепарационных и массообменных аппаратов эффективными узлами входа, исполняющими функции предварительной сепарации жидкости и улавливания механических примесей, коагуляторами мелкодисперсного аэрозоля и высокоэффективными центробежными, инерционными и фильтрующими сепарационными элементами .

Стадия разработки:
Прототип с успешными лабораторными испытаниями

Потенциальные потребители, рынки:
Рекомендуются для применения в отраслях промышленности: химической, нефтегазовой, нефтехимической, металлургической.