Cosa fa un separatore di gas: funzioni, fisica e perché è importante

Rispondere alla domanda principale:Cosa fa un separatore di gas?Un separatore di gas rimuove goccioline liquide e particelle solide da un flusso di gas in flusso in modo che il gas che ne esce sia sufficientemente secco da proteggere l'apparecchiatura, essere misurato con precisione e soddisfare le specifiche della tubazione. Lo fa in quattro fasi: rallentando il gas in modo che la gravità possa agire, lasciando depositare il liquido, catturando le goccioline sottili che la gravità non riesce a raggiungere in un eliminatore di nebbia e raccogliendo e rimuovendo il liquido sotto controllo di livello trattenendo i solidi per la pulizia periodica. La regola fisica che governa l'intero recipiente è che il gas deve muoversi abbastanza lentamente affinché una goccia di liquido cada più velocemente di quanto il gas salga, espressa dall'equazione di Souders-Brown con un fattore K di 0,08-0,35 m/s a seconda dell'orientamento del recipiente e del tipo di eliminatore di nebbia. Un'unità ben progettata lascia meno di 0,1 galloni americani di liquido per milione di piedi cubi standard nel gas.

1. I quattro lavori svolti da un separatore di gas

Ogni lavoro affronta una diversa modalità di guasto e tutti e quattro devono funzionare affinché la nave svolga il suo compito:

• Rallenta il gas:Il gas in un tubo si muove a una velocità di 10-30 m/s, decisamente troppo veloce perché qualsiasi goccia possa depositarsi. Il primo compito del separatore è quello di espandere l'area del flusso, tipicamente di un fattore da 10 a 100, in modo che la velocità scenda a un livello in cui la gravità può agire e un dispositivo di ingresso come un deflettore, un tubo semiaperto o un ingresso ciclonico dissipa la quantità di moto rimanente. Questo è il motivo per cui i separatori sono molto più larghi della tubazione che li alimenta e perché l'ugello di ingresso è spesso più grande della linea di ingresso. Questo è anche il motivo per cui un separatore troppo piccolo per il suo flusso non si degrada in modo gradevole: una volta che la velocità del gas supera il limite di Souders-Brown, il liquido viene trasportato quasi indipendentemente da quanto siano buoni gli altri componenti interni, perché le goccioline vengono ritrascinate più velocemente di quanto possano depositarsi.
• Decanta il liquido sfuso:Una volta che il gas è lento, le goccioline superiori a circa 100-500 micrometri cadono sul fondo del recipiente entro il tempo di permanenza disponibile, motivo per cui i separatori forniscono una ritenzione del liquido di 1-15 minuti a seconda del servizio. Il liquido si accumula sul fondo e il livello viene mantenuto a un valore prestabilito da una valvola di scarico o da una valvola di controllo del livello. Il gas deve attraversare il recipiente in modo uniforme, quindi nei recipienti orizzontali vengono utilizzati deflettori di distribuzione perforati e l'uscita del liquido è dotata di un interruttore a vortice, poiché un vortice all'uscita attira il gas nella linea del liquido e causa esattamente il problema che il separatore esiste per prevenire. Nel servizio trifase, la nave separa anche l'acqua dagli idrocarburi liquidi utilizzando un regolatore di livello dell'interfaccia e uno stramazzo o una cuffia.
• Cattura la nebbia sottile:La gravità non può rimuovere le goccioline inferiori a circa 100 micrometri in un recipiente ragionevole, quindi un eliminatore di nebbia gestisce la frazione fine, e questo è l'elemento che molto spesso determina le prestazioni effettive. Un cuscinetto in rete metallica, spesso 100-150 mm, cattura le goccioline superiori a 5-10 micrometri con un'efficienza fino al 99,9% con una caduta di pressione di soli 25-75 mm H2O, ma si allaga se il carico di liquido supera la sua capacità. Un pacco a palette o chevron gestisce goccioline da 10-40 micrometri, tollera solidi e carichi di liquidi molto più elevati ed è preferito nel servizio di incrostazione. Un filtro separatore con elementi coalescenti raggiunge 0,3-1 micrometro al 99,98%, e viene utilizzato a monte di setacci molecolari, contattori di glicole e contatori fiscali. Scegliere tra questi è un compromesso tra efficienza e resistenza alle incrostazioni e cadute di pressione.
• Rimuove liquidi e solidi:Il lavoro finale consiste semplicemente nel far uscire il materiale catturato dalla nave prima che si riempia. Il liquido esce attraverso l'uscita inferiore sotto controllo di livello, con due trasmettitori di livello indipendenti, un allarme di livello alto e uno scatto alto-alto che protegge le apparecchiature a valle. I solidi, che arrivano sotto forma di sabbia, incrostazioni e prodotti della corrosione, si depositano sotto il liquido e vengono rimossi mediante periodici getti di sabbia, in cui un getto d'acqua ad alta pressione fluidifica il letto e viene soffiato in un ciclone o in un vaso di raccolta. La frequenza del getto è un utile strumento diagnostico: ogni ora indica un pozzo sabbioso o un guasto nel controllo della sabbia, ogni mese indica un flusso pulito. Sia i liquidi che i solidi devono andare da qualche parte e il vero vincolo è spesso il percorso di smaltimento, non il recipiente.

2. Perché la separazione è importante: cosa protegge

Il valore di un separatore di gas si misura in base a ciò che impedisce e quattro categorie di apparecchiature sono a rischio:

• Compressori e apparecchiature rotanti:Un compressore centrifugo è la macchina più sensibile ai liquidi in un impianto a gas. Le goccioline di liquido erodono la girante e le tenute a labirinto, provocano squilibri e vibrazioni del rotore e lavano via l'olio lubrificante dai cuscinetti; un proiettile che arriva all'aspirazione può distruggere la macchina in pochi secondi. Un compressore alternativo è peggiore, perché il liquido è essenzialmente incomprimibile, quindi il liquido in un cilindro provoca un blocco idraulico che piega le aste e rompe le valvole. Questo è il motivo per cui gli scrubber ad aspirazione con compressore sono standard su ogni macchina, perché sono dotati di uno scatto rapido di livello alto-alto che spegne la macchina e perché sono progettati per contenere un piccolo liquido: l'intento è quello di scattare rapidamente anziché immagazzinare il liquido.
• Misurazione e trasferimento fiscale:Dove il gas cambia proprietà, il liquido costa direttamente denaro. In un misuratore ad orifizio, il flusso bifase modifica il coefficiente di scarico e la pressione differenziale misurata, e il liquido si raccoglie nelle linee d'impulso e contro la piastra, producendo errori di diversi punti percentuali. In un misuratore a ultrasuoni, le goccioline e una pellicola liquida sulle facce del trasduttore attenuano e diffondono il segnale. Poiché una grande conduttura può trasportare milioni di piedi cubi standard al giorno, un errore persistente del 2% rappresenta una somma notevole, motivo per cui i contratti specificano un separatore immediatamente a monte del contatore e spesso un contenuto massimo di liquido. Questo è anche il motivo per cui nei punti di contabilizzazione fiscale vengono utilizzati filtri separatori e non semplici scrubber.
• Unità di trattamento: Disidratazione, Ammina e Zolfo:Il liquido che entra in un'unità di processo provoca danni sproporzionati. In un contattore di disidratazione del glicole, l'idrocarburo liquido provoca grave formazione di schiuma, trascinamento di glicole e perdita della capacità di disidratazione e può forzare l'arresto per pulire il sistema e sostituire il glicole degradato. In un'unità amminica, gli idrocarburi liquidi e i solidi provocano formazione di schiuma, perdita di ammina e corrosione, mentre i prodotti amminici degradati accelerano il problema. In un'unità a setaccio molecolare, l'acqua liquida o l'idrocarburo danneggiano permanentemente l'adsorbente, poiché le sferette si rompono e devono essere sostituite. In ogni caso il rimedio costa molto di più del separatore, motivo per cui un separatore di ingresso o un separatore-filtro viene installato immediatamente a monte di queste unità come pratica standard e non come opzione.
• Gasdotti, regolatori e utenti finali:A valle dell'impianto il liquido crea problemi di funzionamento e di integrità. Si accumula in punti bassi, riducendo l'area di flusso e la capacità e richiedendo il pigging per essere rimosso. Forma idrati nei punti di riduzione della pressione se combinato con acqua e bassa temperatura, creando intasamenti che possono interrompere una linea per giorni. Intacca i regolatori di pressione e le apparecchiature di odorizzazione nei sistemi di distribuzione. Promuove la corrosione interna dove sono presenti acqua e gas acidi. E viola le specifiche della tubazione, che in genere non richiedono liquidi liberi, un punto di rugiada degli idrocarburi inferiore a circa -5-0°C alla pressione di mandata, un punto di rugiada dell'acqua inferiore a circa -10°C, idrogeno solforato inferiore a 4 ppm e anidride carbonica inferiore al 2-3%. Rispettare tale specifica è lo scopo contrattuale finale del separatore.

Matrice delle funzioni del separatore di gas e delle conseguenze dei guasti

Domande frequenti (FAQ)

D: Come funziona effettivamente un separatore di gas?

R: Funziona dando alle goccioline liquide il tempo di cadere mentre il gas si muove abbastanza lentamente da consentirgli di farlo. Il gas entra e viene rallentato da un dispositivo di ingresso che ne dissipa la quantità di moto, quindi attraversa un'ampia sezione trasversale dove la velocità è tipicamente di 0,1-0,5 m/s contro 10-30 m/s nel tubo. A quella velocità, le goccioline superiori a circa 100-500 micrometri si depositano sul fondo entro il tempo di permanenza, motivo per cui il recipiente fornisce 1-15 minuti di ritenzione del liquido. Le goccioline troppo piccole per depositarsi vengono catturate da un eliminatore di nebbia, dove il gas deve cambiare direzione attorno a un filo o un'aletta e le goccioline, avendo più inerzia, non possono seguire e impattare sulla superficie, si uniscono in gocce più grandi e drenano via. Il liquido raccolto viene mantenuto ad un livello controllato ed evacuato tramite una valvola; i solidi si depositano al di sotto di esso e vengono periodicamente espulsi.

D: Qual è la differenza tra un separatore, uno scrubber e un tamburo knockout?

R: In pratica i termini si sovrappongono e sono spesso usati in modo intercambiabile, ma esiste una convenzione. Un separatore è il termine generale e nell'utilizzo negli impianti a gas solitamente implica un recipiente che separa e trattiene il liquido come prodotto o flusso da trattare, con 3-15 minuti di ritenzione. Uno scrubber è un separatore più piccolo e più semplice il cui scopo è la protezione piuttosto che la produzione, con 1-3 minuti di inattività, presente sull'aspirazione del compressore, sugli skid del gas combustibile e sui prelievi del gas degli strumenti. Un tamburo ad eliminazione diretta, o KOD, è un dispositivo di protezione dimensionato per un flusso transitorio piuttosto che per un flusso costante, molto spesso un tamburo ad eliminazione diretta dimensionato per i casi di emergenza o un tamburo che rimuove i residui liquidi a monte di un forno o di un compressore. Tutti e tre utilizzano la stessa base di dimensionamento Souders-Brown, ma differiscono nella tenuta, nella strumentazione e in ciò che proteggono.

D: Cosa succede se un separatore di gas è sottodimensionato?

R: La velocità del gas supera il limite di Souders-Brown, quindi le goccioline che altrimenti si depositerebbero vengono spazzate via con il gas e il recipiente trasporta il liquido in modo continuo anziché occasionale. La modalità di guasto è particolare: il separatore di nebbia si allaga perché riceve molto più liquido di quello che è stato progettato per gestire, il che aumenta la caduta di pressione e, una volta che il tampone è saturo, trascina nuovamente il liquido nell'uscita del gas a una velocità peggiore che se non ci fosse alcun tampone. Le conseguenze si manifestano prima a valle, come perdite di glicole in un'unità di disidratazione, formazione di schiuma in un contattore amminico o vibrazioni elevate e lavaggio di un compressore. Il sottodimensionamento è più comune dopo che un progetto di riduzione dei colli di bottiglia ha aumentato la produttività o quando un giacimento produce più liquido rispetto alla previsione originale, motivo per cui la velocità dovrebbe essere ricontrollata ogni volta che i tassi cambiano.

D: Come fai a sapere se un separatore di gas funziona?

R: Vengono monitorati quattro indicatori. Pressione differenziale attraverso il serbatoio e attraverso l'eliminatore di nebbia, poiché una lettura costante indica un funzionamento normale mentre una tendenza in aumento significa incrostazione o allagamento e una tendenza in diminuzione può significare un elemento danneggiato o spostato. Trascinamento di liquido, misurato direttamente mediante campionamento o dedotto dal comportamento delle apparecchiature a valle, come il consumo di glicole in un contattore o la formazione di schiuma di ammina. Il comportamento del controllo del livello, poiché frequenti allarmi di alto livello, una valvola di scarico oscillante o un livello che non mantiene il setpoint indicano tutti un problema di gestione del liquido piuttosto che un problema di separazione. E la velocità del gas rispetto al fattore K di progetto, poiché il controllo più semplice di tutti è se il flusso effettivo, alla pressione e alla temperatura effettive, rientra nell'involucro per il quale è stato dimensionato il recipiente.