ФАКЕЛЬНЫЙ СЕПАРАТОР С ЦИКЛОННЫМ КАПЛЕУЛОВИТЕЛЕМ Российский патент 2023 года по МПК B01D45/02 

Изобретение относится к газовым сепарационным аппаратам, предназначенным для улавливания аэрозольных и мелкодисперсных жидких частиц из газового потока в факельных системах, и может быть использовано в нефтегазовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтегазохимической и других отраслях промышленности.

Факельная система предназначена для сброса и последующего сжигания горючих газов и паров при срабатывании устройств аварийного сброса (предохранительных клапанов, гидрозатворов и др.), а также при постоянных, предусмотренных технологическим регламентом на производство сдувок.

Устройства аварийного сброса предусмотрены для технологического оборудования, работающего под давлением газообразных и жидких сред.

В соответствии с требованиями Правил безопасной эксплуатации факельных систем ПБ 03-591-03:

- п. 3.8. В газах и парах, сбрасываемых в общую и отдельную факельные системы, не должно быть капельной жидкости и твердых частиц. Для этих целей в границах технологической установки необходимо устанавливать сепараторы;

- п. 5.7. На факельных установках, предназначенных для сжигания горючих газов и паров, следует применять сепаратор с постоянным отводом жидкости;

- п. 5.8 …. Конструкция сборников конденсата должна исключать унос жидкости…

Таким образом, для соблюдения требований безопасности обязательна установка факельного сепаратора, который должен обеспечивать не только сбор аварийных сбросов технологических, в том числе жидких сред, но и отделение и удержание капельной жидкости, содержащейся в газе.

Из уровня техники известны горизонтальные сепарационные аппараты и емкости, применяемые в качестве факельных сепараторов и конденсатосборников и работающие на принципе гравитационного разделения разных по плотности фаз (Газосепараторы факельные типа ФС. Технические характеристики. Спецнефтехиммаш, https://snhm.nt-rt.ru/images/manuals/3.pdf).

Недостатком известного устройства является неполная сепарация газа при наличии мелкодисперсной жидкой фазы, находящейся в потоке газа в виде аэрозоля. В таких условиях гравитационные сепараторы малоэффективны, а для достижения приемлемой эффективности требуют гораздо больший объем, так как в соответствии с расчетом гравитационных сепараторов, эффективность отделения капель находится в зависимости от его линейных размеров.

Также из уровня техники известно, что для повышения эффективности разделения дисперсных систем в виде аэрозолей успешно используются циклонные установки, где разделение более плотного компонента - жидкой фазы осуществляется за счет действия центробежной силы, которая по величине может быть в несколько раз больше силы тяжести, используемой в гравитационных сепараторах (Зарембо К.С. Справочник по транспорту горючих газов).

Циклонные устройства нашли широкое применение в сепарационной технике, в т.ч. для улавливания капельной жидкости из потока газа. Разработано множество конструкций и компоновок циклонов для различных условий работы, в т.ч. батарейные (мульти-) циклоны.

Недостатком известных циклонных устройств является ограничение их использования в факельной системе в виду того, что функцией факельного сепаратора является сбор и отвод аварийных сбросов, в том числе жидких сред, а при поступлении жидкости в центробежное сепарационное устройство, рассчитанное на работу с газом, нарушается нормальный режим работы как циклона, так и всей факельной системы, при этом не выполняются требования Правил безопасности при эксплуатации установок подготовки нефти на предприятиях нефтяной промышленности, утв. Госгортехнадзором СССР 16.07.76:

- из-за увеличения плотности рабочей среды в циклоне возникает недопустимый перепад давления на устройстве, что влечет превышение предельного давления факельной системы и ее «запирание» - нарушение п.2.13.13. Давление газа в общем факельном трубопроводе до выхода из факельной трубы не должно превышать 0,5 кгс/см²);

- в связи с тем, что объемный расход капельной жидкости значительно меньше объемного расхода потока газа, патрубок выхода жидкой фазы из циклона имеет меньший диаметр, чем патрубок входа газа в циклон, соответственно жидкость не успевает удаляться из циклона и направляется прямо в факельный ствол - нарушение п.2.13.7. Во избежание попадания конденсата в факел его необходимо своевременно удалять из сепараторов».

Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа для заявленного изобретения, является «Способ модернизации сепарационного узла газового и сепаратор газовый» (патент RU 2310497, МПК B01D 45/12, В04С 5/00 опубл. Бюл. №32 20.11.2007), где модернизируется газовый сепарационный узел на базе промышленно выпускаемого малогабаритного сепаратора, который содержит корпус, входной, выходной, сливной патрубки, а также вихревое (центробежное) сепарационное устройство.

Недостатками указанного устройства является невозможность его использования в факельных системах, поскольку оно предусматривает использование вертикального газосепаратора, в то время как в факельных системах используются горизонтальные сепараторы, конструкция и ориентация которых создает достаточный объем для улавливания аварийных сбросов жидкости.

Техническое противоречие между задачей повышения эффективности сепарации газа от капельной жидкости и задачей обеспечения безопасной эксплуатации факельной системы в части улавливания аварийных залповых сбросов жидкости решено за счет включения внешнего выносного циклона (циклонов) в компоновку факельного сепаратора, причем входной патрубок внешнего выносного циклона (циклонов) соединен с патрубком выхода газа из факельной емкости, что позволяет беспрепятственно проводить сбор аварийных сбросов технологических жидкостей и образующегося конденсата непосредственно в факельной емкости, тем самым обеспечивая выполнение требование правил безопасности.

Для оптимального включения внешних выносных циклонных элементов в компоновку факельного сепаратора может применяться принцип разделения единого потока газа на отдельные потоки с батареей внешних выносных циклонов, т.е. использования мультициклонной установки, что позволит достичь необходимую эффективность отделения капель без образования недопустимого перепада давления.

Совмещение высокоэффективных циклонных сепарационных элементов снаружи факельной емкости, в сравнении с внутренним размещением циклонов, не занимает полезное рабочее пространство сепаратора и позволяет снизить потери легких фракций продукта (нефти) и вовлечь их в производство, сократить выброс и сжигание парниковых газов, снизить углеродный след производства.

Изобретение можно применять как при проектировании новых, так и при модернизации существующих факельных сепараторов.

Суть технического решения заключается в объединении в одном узле двух сепарационных устройств:

- горизонтальной емкости, назначение которой - улавливание аварийных залповых объемов жидкости, а также накопление конденсата за счет гравитационного отделения капель жидкости из потока газожидкостной смеси;

- внешнего выносного циклона, назначение которого - эффективное улавливание капель жидкости из факельного газа за счет центробежного отделения.

Подключение указанных сепарационных устройств выполняется последовательно с поэтапным прохождением газожидкостного потока сначала через горизонтальную емкость, где отделяются крупные капли и свободная жидкая фаза в т.ч. жидкостные пробки, а затем через внешний выносной циклон, где на его внутренней поверхности за счет центробежного отделения улавливается мелкодисперсная фаза и под действием силы тяжести стекает в горизонтальную факельную емкость.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым изобретением, является повышение эффективности очистки факельного газа от капельной жидкости, при обеспечении безопасной эксплуатации факельной системы, выражающейся в обеспечении приема, удержания и отвода залповых аварийных сбросов жидких сред, что способствует:

- сокращению потерь углеводородов при сжигании газа на факеле;

- снижение дымности горения пламени факела;

- уменьшение углеродного следа в рамках декарбонизации производства;

- сокращение вредных выбросов от продуктов сгорания.

Технической задачей, стоящей перед автором, является создание компоновки сепарационного узла факельной установки, обеспечивающего эффективность очистки факельного газа от капельной жидкости при одновременном обеспечении безопасной эксплуатации факельной системы.

Для этого используется факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем, конструкция которого представлена на фиг. 1, состоящий из горизонтальной емкости 1, имеющей патрубок входа газа 2, патрубок выхода газа 3 и патрубок отвода жидкости 4. Горизонтальная емкость 1 может быть оборудована дополнительными внутренними конструкционными элементами, повышающими эффективность сепарации газа от капель конденсата. Последовательно к горизонтальной емкости 1 подключается внешний выносной циклон 5, соединяясь своим входным патрубком 6 с патрубком выхода газа 3 горизонтальной емкости 1 через трубопровод 7. Поток газа, содержащий мелкие капли, раскручивается в тангенциальном завихрителе внешнего выносного циклона 5 и из-за возникновения центростремительного ускорения происходит выпадение мелких капель на внутреннюю поверхность конуса и их стекание в нижнюю часть внешнего выносного циклона 5. Очищенный от капельной жидкости газ отводится из внешнего выносного циклона 5 через выходной патрубок 8. Для отвода конденсата из внешнего выносного циклона 5 имеются дренажный патрубок 9 и дренажная линия 10, которая устанавливается через патрубок 11 горизонтальной емкости 1 и опускается ниже минимального уровня заполнения емкости 1, и по которой свободно стекают отделяемая капельная влага из внешнего выносного циклона 5 и накапливается в емкости 1. Минимальный уровень заполнения емкости 1 поддерживается постоянно за счет устройства среза патрубка отвода жидкости 4 на уровне выше среза дренажной линии 10 на величину, определяемую расчетом из условия исключения прорыва потока газа во внешний выносной циклон 5 обратным током через дренажную линию 10. Сепарационные устройства: факельная емкость 1 и внешний выносной циклон 5 могут иметь отсекающую и регулирующую арматуру, а также приборы контроля расхода газа, уровня жидкости и давления в линиях и аппаратах, обеспечивающих эффективность и безопасность процесса (на схеме не показаны). Для применения заявленного изобретения к существующим факельным сепараторам и емкостям их модернизация выполняется включением в существующую компоновку внешнего выносного циклона (циклонов) согласно описанию конструкции изобретения, с возможностью установки внешнего выносного циклона как непосредственно на горизонтальную емкость, так и на отдельном основании при выполнении условия свободного дренирования капель конденсата самотеком по дренажной линии 6, для подключения которой используется подходящий патрубок или люк-лаз горизонтальной емкости 1. Обязательным условием для исключения недопустимого перепада давления на устройстве является равная пропускная способность каналов для потока газа через всю конструкцию заявленного изобретения, а именно, площадь поперечного сечения каналов для потока газ устройства должна быть не меньше площади поперечного сечения подводящего трубопровода.

Новым является то, что в компоновке факельного сепаратора последовательно используются внешний выносной циклон или батарея циклонов, повышающие эффективное улавливание капельной жидкости из потока газа после прохождения факельной горизонтальной емкости, обеспечивающей безопасность эксплуатации факельной системы за счет приема, удержания и отвода залповых аварийных сбросов жидких сред.

Новым также является то, что исключение недопустимого перепада давления на устройстве обеспечивается за счет организации равной пропускной способности каналов устройства для потока факельного газа через всю конструкцию заявленного изобретения.

Новым также является то, что для накопления и дегазации конденсат дренируется в горизонтальную емкость самотеком под уровень минимального заполнения горизонтальной емкости, что не требует использования дополнительных емкости и насоса.

Заявленное устройство не требует серьезных вмешательств в существующее и действующее оборудование, может быть адаптировано к действующим процессам и применено на действующих факельных установках.

Совокупность признаков осуществления заявляемого факельного сепаратора с циклонным каплеуловителем повышает эффективность отделения капельной жидкости из потока газа, сохраняя безопасность эксплуатации факельной системы.

Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники показал, что оно отличается от известных аналогов, поэтому заявленное изобретение является новым. Заявленные отличительные признаки изобретения явным образом не следуют из уровня техники, являются неочевидными для среднего специалиста в области проектирования и эксплуатации факельных систем, в связи с чем, заявленное изобретение имеет изобретательский уровень. С учетом возможности использования устройства на производстве, изобретение является промышленно применимым и позволяет сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером применения факельного сепаратора с циклонным каплеуловителем, который наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенные прилагаемой формулой.

Один из вариантов применения изобретения описывается далее на основе работы факельной системы (фиг. 2) установки подготовки нефти (УПН).

Факельный газ, в результате постоянного или периодического сброса со ступеней сепарации УПН поступает в сборный коллектор 1 факельной системы УПН, где может происходить естественное охлаждение газа и конденсация паров воды и углеводородов, содержащихся в факельном газе. Таким образом, в сборный коллектор 1 периодически поступает газонефтяная смесь в виде аэрозоля и/или пены, а также нефтяная эмульсия после срабатывания устройств аварийного сброса (предохранительные клапаны сепараторов и отстойников), и далее на вход горизонтальной емкости 2 факельного сепаратора, где укрупненные капли конденсата и нефтяная эмульсия осаждаются за счет гравитации на дно горизонтальной емкости 2, жидкость накапливается, дегазируется и при достижении максимального уровня откачивается насосом 3 для утилизации на подготовку в «голову» процесса УПН. Факельный газ, освободившийся от нефтяной эмульсии и крупных капель конденсата, покидает горизонтальную емкость 2 и направляется по трубопроводу 4 во внешний выносной циклон 5, где из потока факельного газа улавливается мелкодисперсная фаза конденсата, которая свободно удаляется самотеком из корпуса внешнего выносного циклона 5 через дренажную линию 6 на дно факельной емкости 2 под минимальный уровень жидкости. Очищенный от капель газ покидает внешний выносной циклон 5 и по факельному коллектору 7 отводится на факельный стояк 8 для сжигания.

Эффективность улавливания капельной жидкости при использовании заявленного изобретения относительно известных конструкций факельных сепараторов достигается за счет того, что дополнительно к емкостному оборудованию, обеспечивающему безопасность эксплуатации факельной системы, подключено внешнее выносное циклонное устройство, заведомо обладающее высокой эффективностью разделения мелкодисперсных систем в виде аэрозолей.

Использование факельного сепаратора с циклонным каплеуловителем позволяет эффективно очищать факельный газ от капельной жидкости, одновременно обеспечивая безопасную эксплуатацию факельной системы.

Изобретение относится к газовым сепарационным аппаратам, предназначенным для улавливания аэрозольных и мелкодисперсных жидких частиц из газового потока в факельных системах, и может быть использовано в нефтегазовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтегазохимической и других отраслях промышленности. Факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем состоит из горизонтальной емкости, имеющей патрубки входа и выхода газа, патрубок отвода жидкости и внешний выносной циклон, последовательно подключенный к горизонтальной емкости, соединенный своим входным патрубком к патрубку выхода газа горизонтальной емкости через трубопровод. Для отвода конденсата из циклона имеются дренажный патрубок и дренажная линия, которая устанавливается через патрубок горизонтальной емкости и опускается ниже минимального уровня заполнения горизонтальной емкости. Обязательным условием исключения недопустимого перепада давления на устройстве является равная пропускная способность каналов для потока газа через всю конструкцию заявленного изобретения. Устройство обеспечивает повышение эффективности очистки факельного газа от капельной жидкости при обеспечении безопасной эксплуатации факельной системы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем, имеющий корпус, входной, выходной, сливной патрубки и содержащий сепарационное устройство центробежного типа, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде горизонтальной емкости, для гравитационного отделения свободной жидкости из потока газожидкостной смеси, а центробежное сепарационное устройство представлено внешним выносным циклоном для центробежного отделения капель жидкости из факельного газа, при этом внешний выносной циклон последовательно подключен к горизонтальной емкости трубопроводом, соединяющим входной патрубок внешнего выносного циклона с выходным патрубком горизонтальной емкости.

2. Факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем по п. 1, отличающийся тем, что исключение недопустимого перепада давления на устройстве обеспечивается за счет организации равной пропускной способности каналов для потока факельного газа.

3. Факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем по п. 2, отличающийся тем, что для накопления и дегазации, конденсат дренируется в горизонтальную емкость самотеком по дренажной линии под уровень минимального заполнения горизонтальной емкости, поддерживаемого постоянно за счет устройства среза патрубка отвода жидкости на уровне выше среза дренажной линии на величину, определяемую расчетом из условия исключения прорыва потока газа во внешний выносной циклон обратным током через дренажную линию.

4. Факельный сепаратор с циклонным каплеуловителем по п. 3, отличающийся тем, что установка внешнего выносного циклона возможна как непосредственно на горизонтальную емкость, так и на отдельном основании при выполнении условия свободного дренирования капель конденсата самотеком по дренажной линии.