Барботер Советский патент 1992 года по МПК B01D17/04 B01F13/02 

Изобретение относится к области интенсификации и повышения эффективности сепарационных процессов посредством барботажа газа через жидкость и может быть использовано в нефтяной промышленности на концевых сепарационных установках, а также в других отраслях промышленности.

Известен струйный смеситель, предназначенный для повышения степени однородности смеси путем обеспечения равномерности распределения добавочного компонента по всему поперечному нию корпуса контактного аппарата. Однако при изменении объемов подачи добавочного газового компонента в случае заполнений аппарата жидкостью не удается обеспечить требуемой однородности смеси и заданной дисперсности газовых пузырьков. При увеличении объемов подачи добавочного продукта в аппарат давление в распределительных трубах возрастает и изменяется структура подачи добавочного

продукта (газа) в жидкую среду При этом (./) меняются условия распределения дисперс- л- ной фазы и взаимного контактирования на границе раздела газ -жидкость. Возрастает В удельный расход газа.

Известно также устройство для диспергирования, в котором для повышения эффективности работы путем обеспечения xj равномерного распределения диспергируе- СЛ мой среды по длине перфорированной тру- xj бы перфорация перекрыта эластичным элементом, выполненным в виде ленты, при этом каждый последующий виток ленты пе- рекрывает предыдущий. Равномерность распределения диспергируемой среды по длине устройства обеспечивается тем, что эластичный элемент имеет одно и то же натяжение по всей длине устройства. Это позволяет использовать устройство для диспергирования большой длины, снизить расход диспергируемой среды и повысить эффективность работы аппарата, в котором это устройство применяется. В устройстве

диспергируемая среда подается в перфорированную трубу под давлением и поступает под эластичный бинт в том случае, когда давление среды в трубе превышает усилие натяжения эластичного элемента, последний растягивается и диспергируемая среда выходит из устройства через образующуюся щеть.

Необходимость создания дополнительного избыточного давления в перфорированной трубе отражает один из недостатков устройства, так как это влечет за собой необходимость наличия источника повышенного давления. В то же время подача газа в качестве диспергируемой среды под давлением приводит к увеличению размера газовых пузырьков при выходе их в среду с низким давлением. При увеличении количества подачи диспергируемого вещества в аппарат равномерность его удельного распределения, в связи с постоянным числом источников выхода газа, ухудшается и степень диспергирования снижается. Существенным недостатком является также наличие эластичного элемента, упругие свойства которого со временем меняются, что требует его периодической замены,

Целью изобретения является повышение равномерности распределения пузырьков газа заданной дисперсности по объему жидкости.

Указанная цель достигается тем, что отверстия в распределительной трубе расположены горизонтальными продольными рядами в ее нижней части в зонах, симметричных относительно вертикальной оси по- перечного сечения трубы между центральными углами 130° и 20°, при этом проекции отверстий смежных рядов на вертикальную плоскость, проходящую через ось трубы, смещены друг относительно друга, а расстояние между соседними проекциями отверстий составляет не менее 15 диаметров отверстий.

На фиг. 1 схематически изображен предложенный барботер, общий вид; на фиг. 2 - схема оснащения концевого нефтегазового сепаратора барботером; на фиг 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Барботер имеет подводящую трубу 1 и распределительную трубу 2, в нижней части которой горизонтальными продольными рядами 1, II, III и IV выполнены отверстия 3. Отверстия расположены в симметричных относительно вертикальной оси поперечного сечения трубы зонах секторов а и б между центральными углами 130° и 20°. Расстояние I между проекциями отверстий 3 смежных рядов составляют по горизонтали не менее 15 диаметров отверстий. Предпочтительно, чтобы отверстия в рядах были расположены друг от друга на одинаковом расстоянии, а продольное смещение отверстий нижних рядов по отношению к отверстиям верхнего ряда было выполнено так, чтобы нижележащие отверстия находились посередине между вышележащими, т.е. образовывали равномерную сетку. Суммарная площадь отверстий 3 в распределительной

0 трубе 2 предпочтительно должна быть меньше площади сечения распределительной трубы по крайней мере на порядок. Это позволит избежать в ней повышенных гидравлических сопротивлений. Увеличение этой

5 разницы не ограничивается. Барботер может иметь несколько распределительных труб, объединенных в систему, например, в виде параллельных рядов, торов или других приемлемых для конкретных случаев гео0 метрических связей, определяемых технико-технологическими характеристиками аппарата. Поперечное сечение распределительной трубы в отдельных случаях может иметь и другую геометрическую форму, от5 личающуюся от окружности, например треугольник с основанием в верхней части

Барботер работает следующим образом.

В пусковой период или при возобновле0 нии технологического процесса с применением барботажа аппарат, например газонефтяной сепаратор концевой ступени сепарации, заполнен жидкостью, в которую погружен барботер. Распределитель барбо5 тера также заполнен жидкостью. При осуществлении барботажа газ подается через подводящую трубу 1 в распределительную трубу 2. По мере поступления газа жидкость из распределительной трубы посте0 пенно оттесняется к уровню отверстий первого ряда I. Граница раздела газ - жидкость устанавливается в одной плоскости против всех отверстий одновременно, поэтому выход газа из распределительной тру5 бы в жидкую среду начинается также одновременно по всей длине При этом преодолеваются давление столба жидкости над первым рядом отверстий распределительной трубы, местные гидравлические сопро0 тивления в отверстиях и гидравлические сопротивления в распределительной трубе При увеличении объема подачи газа через барботер уровень жидкости в распределительной трубе оттесняется ниже в парал5 лельную плоскость ко второму ряду отверстий II и противодавление столба жидкости возрастает на величину давления столба между рядами I и II. Если отнести это расстояние для условий концевого газонеф- тяного сепаратора к высоте столба жидкости, то оно составит всего 0,5-1,0%. Поэтому практически при том же давлении в газовой зоне распределительной трубы производительность по газу возрастает вдвое, причем пузырьки дополнительного газа будут распределяться в промежуточных объемах жидкости, ранее не охватывавшихся барботажным газом. Такая же ситуация будет наблюдаться и при переходе к третьему (III) и четвертому (IV) рядам от- верстий распределительной трубы. При этом противодавление столба жидкости , составляющее для реальных условий основную величину в числе слагаемых давления в подводящей трубе бар- ботера, изменится очень незначительно. Следовательно, давление в распределительной трубе возрастает также на несущественную величину, что обеспечит выход пузырьков газа одинаковой дисперсности в широком диапазоне производительности барботера. Таким образом, предлагаемая схема размещения отверстий в распределительной трубе позволяет осуществлять равномерное распределение пузырьков газа одинаковой дисперсности по всей длине распределительной трубы с задаваемым изменением промежуточных расстояний выхода пузырьков в широком диапазоне производительности и барботера. Неравно- мерность выхода объемов газа через отверстия в жидкую среду по длине распределительной трубы может быть связано с влиянием изменения давления по длине трубы за счет гидравлических сопро- тивлений и снижения расхода газа в связи с его оттоком через последовательно расположенные отверстия. Расчеты показали, что при осуществлении барботажа в реальных условиях такое влияние практически отсут- ствует. Для барботера, установленного в промысловом нефтегазовом сепараторе, перепад давления составит лишь сотые доли миллиметра столба жидкости, что реально обеспечивает функционирование отверстий каждого ряда в одинаковых условиях при горизонтальном расположении распределительной трубы.

Необходимость изменения расхода газа, подаваемого через барботер, например, концевого нефтегазового сепаратора, обусловлена изменением объемов нефти, прохо- дящей через аппарат, ее состава, требований, предъявляемых к качеству сепарации, изменением состава газа. Такая же потребность может возникать и в других сферах применения барботера.

Зоны расположения отверстий в распределительной трубе определены оптимальными условиями работы барботера.

Центральный угол 130о отсекает круговой сегмент с высотой h, увеличение которой привело бы к резкому возрастанию заполненного жидкостью объема распределительной трубы при работе первого ряда отверстий барботера, а следовательно, к прогрессирующему уменьшению проходного сечения для газа. Это связано со снижением пропускной способности распределительной трубы или увеличением ее диаметра. Центральный угол 20о ограничивает зону расположения отверстий в распределительной трубе снизу, так как при меньших углах газ будет выходить через отверстия почти вертикально вниз, а поэтому последовательно выходящие пузырьки будут иметь тенденцию объединяться между собой и укрупняться, что приведет к уменьшению количества пузырьков и общей их поверхности и, в итоге, к снижению равномерности распределения диспергированного газа по объему жидкости с соответствующим ухудшением качества барботажа.

После выхода газовых пузырьков из отверстий первоначально они обтекают поверхность распределительной трубы Отрыв всех пузырьков от поверхности трубы происходит лишь на уровне горизонтальной оси поперечного сечения трубы и дальнейшее их перемещение (всплывание) происходит по вертикали. При этом, если траектории движения пузырьков проходят близко одна к другой, может наблюдаться их слияние Наличие этого явления засит от расстояния между траекториями и диаметра пузырьков или отверстий. Экспериментально установлено, что для раздельного всплывания пузырьков расстояние между траекториями должно составлять не менее пятнадцати диаметров отверстий, из которых они выходят. Это значит, что расстояние между соседними проекциями отверстий на вертикальную плоскость, проходящую через ось трубы, должно составлять по горизонтали не менее пятнадцати диаметров отверстий.

Схема, представленная на фиг 2, 3, включает нефтегазовый сепаратор А, оснащенный приемным патрубком 5, патрубками для отбора нефти 6, воды 7, газа 8 и барботер, состоящий из системы подводящих труб 1 и распределительных труб 2,

Установка работает следующим образом.

Продукция скважин в виде газожидкостной смеси поступает в сепаратор А через приемный патрубок 5. В сепараторе происходит гравитационное разделение смеси на жидкость и газ, а жидкости, в свою очередь, на нефть и воду, после чего нефть отбирают

через патрубок б, воду - через патрубок 7, и газ - через патрубок 8. В сепараторе обычно поддерживают избыточное давление 5-10 кПа. Одним из основных показателей эффективности работы сепараторов является количество газа, уносимого потоком нефти, так как этот газ в дальнейшем может выделиться из нефти в резервуарах низкого давления и через дыхательную арматуру попасть в атмосферу, Поскольку емкость се- паратора невилика, то сепарируемая система в нем практически никогда не происходит в равновесное состояние. Поэтому с потоком нефти уносятся невыделившиеся окклюдированные пузырьки газа и газ, находящийся в метастабильном состоянии. В дальнейшем наличие этого газа приводит к ухудшению качества подготовки нефти, потерям легких углеводородов нефти и загрязнению воздушного бассейна вред- ными выбросами. Барботаж газа через нефть по- зволяет интенсифицировать переход системы Ё равновесное состояние и принудительно выделить из нефти окклюдирован- ный газ и газ, находящийся в метастабильном состоянии. Барботер может быть использован и для более глубокой стабилизации нефти в сепараторе. Для этого через него в нефть нужно подать сухой углеводородный газ. При этом происходит холодная отгонка (отдувка) уже более тяжелых углеводородов и у нефти снижается давление насыщенных паров (ДНП). Уровень стабилизации можно регулировать составом и количеством подаваемого через бар- ботер газа. Эффективность барботажа всецело зависит от равномерности распределения пузырьков газа по объему нефти, подаваемой в сепаратор.

В некоторых случаях барботаж нефти можно проводить непосредственно в трубе. В этом случае распределительную трубу или систему параллельно расположенных труб помещают в нефтяную трубу на горизонтальном участке. Длина барботера может быть достаточно больших размеров Возможны и другие варианты использования барботера.

Особенности конструкции барботера выгодно отличают его от указанного прототипа. Барботер может работать в широком диапазоне производительности при одинаковой дисперсности газовых пузырьков без создания избыточного давления в газовой зоне барботера при высокой однородности распределения газовых пузырьков в объеме жидкости. Заданный уровень диспергирования газа приводит к существенному увеличению поверхности контакта газ - нефть, в результате чего происходит интенсивное выделение газа и нефти. Процесс поддается четкому регулированию, при этом эффект наращивается прямо пропорционально наращиванию производительности подачи газа.

Барботер позволяет эффективно осуществлять массообменные процессы и в некоторых случаях может успешно заменять громоздкие дорогостоящие массообменные аппараты.

Формула изобретения

Барботер, содержащий распределительную трубу с отверстиями, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности распределения пузырьков газа заданной дисперсности по объему жидкости, отверстия в распределительной трубе расположены горизонтальными продольными рядами в ее нижней части в зонах, симметричных относительно вертикальной оси поперечного сечения трубы между центральными углами 130° и 20°, при этом проекции отверстий смежных рядов на вертикальную плоскость, проходящую через ось трубы, смещены друг относительно друга, а расстояние между соседними проекциями отверстий составляет не менее 15 диаметров отверстий.

Использование барботаж газа через жидкость в сепарационных процессах, Сущность изобретения барботер содержит распределительную трубу с отверстиями Отверстия в трубе расположены горизонтальными продольными рядами в ее нижней части в зонах, симметричных отно сительно вертикальной оси поперечного сечения трубы между центральными углами 130°и20 °. Проекции отверстий смежных рядов на вертикальную плоскость, проходящую через ось трубы, смещены друг относи- тельно друга, а расстояние между соседними проекциями отверстий составляет не менее 15 диаметров отверстий 3 ил

Е-ЭА

Т

У

Тл

СЕЕЈ

фиг. 2

Фиь.З