جداکننده گاز و مایع چیست: مکانیزم، طراحی و کاربردها

جداکننده هم‌جوشی گاز چیست: مکانیزم، طراحی و کاربردها

پاسخ به سوال اصلی:جداکننده هم‌جوشی گاز چیست؟ جداکننده هم‌جوشی گاز یک مخزن دو مرحله‌ای است که ذرات بسیار ریز مایع آئروسل را از گاز با ابتدا ادغام قطرات ریز به قطرات بزرگتر و سپس جداسازی قطرات بزرگ شده توسط گرانش یا بسته پره جدا می‌کند. در مرحله اول، گاز از یک بستر عناصر هم‌جوشی ریز فیبری عبور می‌کند که در آن قطرات ۰.۱ تا ۱ میکرومتری از طریق برخورد مستقیم، ضربه اینرسی و انتشار براونی جذب شده و روی الیاف ادغام می‌شوند تا قطراتی به اندازه کافی بزرگ برای تخلیه تشکیل دهند. در مرحله دوم، بسته پره یا پد مش این قطرات بزرگ شده را که معمولاً ۱۰-۴۰ میکرومتر هستند، قبل از اینکه دوباره به جریان انداخته شوند، حذف می‌کند. این ترکیب به حذف تا ۰.۳-۱ میکرومتر با بازدهی تا ۹۹.۹۸٪ دست می‌یابد که یک مرتبه کوچکتر از یک اسکرابر مش معمولی است و همین امر این دستگاه را به گزینه استاندارد قبل از الک‌های مولکولی، کنتاکتورهای گلیکول، واحدهای آمین و کنتورهای مالی تبدیل کرده است.

۱. هم‌جوشی چگونه کار می‌کند و چرا به دو مرحله نیاز است

فیزیک این موضوع خلاف شهود است: دستگاه مایع را فیلتر نمی‌کند، بلکه مایع را بزرگتر کرده و سپس آن را جدا می‌کند:

• سه مکانیزم جذب: یک فیبر ریز قطره را بسته به اندازه آن با یکی از سه مکانیزم جذب می‌کند. ضربه اینرسی در بالای حدود ۱-۳ میکرومتر غالب است: جریان گاز در اطراف فیبر خم می‌شود اما قطره با داشتن اینرسی بیشتر نمی‌تواند آن را دنبال کند و به فیبر برخورد می‌کند. جذب مستقیم در حدود ۰.۱-۱ میکرومتر غالب است: قطره جریان را دنبال می‌کند اما جریان از فاصله یک شعاع قطره از فیبر عبور می‌کند، بنابراین قطره با فیبر تماس پیدا کرده و می‌چسبد. انتشار براونی در زیر حدود ۰.۱ میکرومتر غالب است: حرکت تصادفی مولکولی قطره را به سمت فیبر هدایت می‌کند. کمترین اندازه کارآمد، یعنی اندازه ذرات با بیشترین نفوذ، معمولاً حدود ۰.۱-۰.۳ میکرومتر است، به همین دلیل عملکرد در این نقطه به جای میانگین ذکر می‌شود. قطر فیبر، چگالی بسته‌بندی و سرعت گاز همگی تعادل را تغییر می‌دهند و عنصر به گونه‌ای طراحی می‌شود که سه مکانیزم با هم احتمال جذب بالایی را در کل محدوده ایجاد کنند.
• هم‌جوشی و تخلیه: جذب به تنهایی بی‌فایده است مگر اینکه مایع جذب شده حذف شود و اینجاست که طراحی عنصر اهمیت پیدا می‌کند. قطرات چسبیده به الیاف با قطرات بعدی ادغام می‌شوند و رشد می‌کنند تا زمانی که گرانش و کشش گاز آنها را مجبور به حرکت در طول فیبر و سپس تخلیه به سمت پایین به منطقه جمع‌آوری در پایین عنصر کند. بنابراین، محیط باید توسط مایع قابل تر شدن باشد تا قطرات به جای جمع شدن و مسدود کردن منافذ، پخش شده و ادغام شوند و به اندازه کافی باز باشد تا مایع انباشته شده عنصر را سیل نکند. این تعادل دلیل مایع‌محور بودن یک هم‌جوش‌کننده است: عنصری که برای مایع هیدروکربنی بهینه شده است، با آب عملکرد ضعیفی دارد و بالعکس، و جریانی که هر دو را حمل می‌کند نیاز به آرایش دو مرحله‌ای یا محیطی چند منظوره با مصالحه در عملکرد دارد.
• چرا مرحله دوم ضروری است: هنگامی که قطرات از عنصر هم‌جوشی خارج می‌شوند، بزرگ اما کند حرکت هستند و به طور حیاتی در نقطه حداکثر سرعت گاز قرار دارند زیرا عناصر بخشی از ناحیه جریان را اشغال می‌کنند. اگر بلافاصله جذب نشوند، گاز آنها را دوباره به جریان می‌اندازد و جداکننده دقیقاً همان چیزی را که قرار بود حذف کند تحویل می‌دهد، گاهی اوقات بدتر از عدم وجود جداکننده، زیرا آئروسل متمرکز شده است. مرحله دوم، بسته پره یا پد مش، یک منطقه کم‌سرعت را فراهم می‌کند که در آن قطرات بزرگ شده توسط گرانش و ضربه جدا شده و به مخزن تخلیه می‌شوند. این هندسه دو مرحله‌ای ویژگی تعریف کننده یک جداکننده فیلتر است و دلیل اینکه چرا این دستگاه چیزی بیش از یک فیلتر است: مرحله اول توزیع اندازه قطرات را تغییر می‌دهد، مرحله دوم جداسازی را انجام می‌دهد.
• بازجذب و محدودیت‌های سرعت: بازجذب حالت خرابی است که طراحی را هدایت می‌کند. اگر سرعت گاز در سطح مایع در مخزن بیش از حد بالا باشد، قطرات از سطح کنده شده و خارج می‌شوند؛ اگر سرعت عبور از عناصر بیش از حد بالا باشد، مایع جذب شده قبل از تخلیه از الیاف جدا می‌شود. هر دو با حفظ سرعت گاز زیر حدی که به کشش سطحی مایع و اختلاف چگالی بستگی دارد، مدیریت می‌شوند، به همین دلیل جداکننده‌های هم‌جوشی نسبت به ظرفیت عبور خود سخاوتمندانه اندازه‌گیری می‌شوند و چرا کاهش ظرفیت به اندازه جریان طراحی مهم است. در جریان بسیار کم، جداکننده از بازجذب ایمن است اما مکانیزم‌ها ضعیف می‌شوند، بنابراین یک پنجره عملیاتی کارآمد، معمولاً ۴۰-۱۲۰٪ طراحی، به جای حداکثر واحد مشخص می‌شود.

۲. کاربردها و عملیات

چهار کاربرد بیشتر نصب‌ها را تشکیل می‌دهند و هر کدام دلیل خاصی برای انتخاب هم‌جوشی به جای جداسازی معمولی دارند:

• قبل از آب‌زدایی با الک مولکولی: این کاربرد کلاسیک است و جایی که پیامد شکست گران‌ترین است. بستر الک مولکولی آب را تا زیر ۱ پی‌پی‌ام جذب می‌کند، اما هیدروکربن مایع وارد شده به بستر در منافذ جذب می‌شود و در طول مرحله بازسازی حذف نمی‌شود؛ این به تدریج ظرفیت جذب را مسدود می‌کند و در طول مرحله بازسازی حرارتی می‌تواند شکسته و کک شود و جاذب را به طور دائم آسیب برساند. آب مایع بدتر است، زیرا باعث تجزیه چسب در دانه‌های الک می‌شود و ذرات ریز تولید می‌کند که بستر را مسدود کرده و افت فشار را افزایش می‌دهد. بنابراین، یک جداکننده هم‌جوشی بلافاصله در بالادست نصب می‌شود که آئروسل را تا ۰.۳-۱ میکرومتر حذف می‌کند و افت فشار در سراسر آن هشدار داده می‌شود زیرا خرابی عنصر در اینجا یک رویداد جزئی نیست بلکه جایگزینی بستر است که هفته‌ها توقف تولید هزینه دارد.
• قبل از کنتاکتورهای گلیکول و واحدهای آمین: هیدروکربن مایع وارد شده به کنتاکتور آب‌زدایی گلیکول باعث کف شدید می‌شود که راندمان تماس را کاهش می‌دهد، گلیکول را به سمت بالا حمل می‌کند و می‌تواند واحد را مجبور به توقف برای تمیز کردن و جایگزینی گلیکول کند. در واحد تصفیه آمین، هیدروکربن مایع و سورفکتانت‌های حمل شده توسط آن باعث کف، از دست دادن آمین و خوردگی می‌شوند و محصولات تجزیه تشکیل شده کف را بیشتر تسریع می‌کنند. در هر دو مورد، هزینه راه حل بسیار بیشتر از جداکننده است، بنابراین یک جداکننده فیلتر با عناصر هم‌جوشی در ورودی استاندارد است. بسیاری از کارخانه‌ها همچنین یک فیلتر کربن یا یک فیلتر ذرات را قبل از هم‌جوش‌کننده نصب می‌کنند تا جامدات و ترکیبات فعال سطحی را که در غیر این صورت عناصر هم‌جوشی را در عرض چند هفته کور می‌کنند، حذف کنند.
• سوخت گاز و حفاظت از توربین: توربین‌های گازی و موتورهای رفت و برگشتی به مایع در سوخت خود حساس هستند، زیرا قطرات باعث ناپایداری شعله، خوردگی بخش داغ ناشی از نمک و گوگرد و در موارد شدید، شوک حرارتی و آسیب پره می‌شوند. بنابراین، اسکیدهای تهویه سوخت گاز از یک جداکننده فیلتر هم‌جوشی به عنوان عنصر اصلی استفاده می‌کنند، که با یک سوپر هیتر دنبال می‌شود که گاز را ۱۰-۲۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر از نقطه شبنم هیدروکربنی آن به عنوان خط دوم دفاع گرم می‌کند و تضمین می‌کند که هیچ تراکمی در پایین دست اسکید رخ نمی‌دهد. مشخصات در اینجا اغلب نه به عنوان بازدهی، بلکه به عنوان تضمینی برای عدم وجود مایع آزاد در ورودی توربین نوشته می‌شود، به همین دلیل اسکید شامل هشدار افت فشار، هشدار سطح در مخزن و تخلیه خودکار است.
• نظارت، تعویض و نگهداری: عناصر هم‌جوشی مصرفی هستند و مدیریت آنها تعیین کننده عملکرد دستگاه است. افت فشار شاخص اصلی است: یک عنصر جدید با ۲۵-۱۰۰ میلی‌بار شروع می‌شود و عناصر زمانی که افت به ۵۰۰-۸۰۰ میلی‌بار می‌رسد تعویض می‌شوند، زیرا فراتر از آن، سرعت افزایش یافته از طریق ناحیه باز باقی مانده، بازده را کاهش می‌دهد و خطر آسیب مکانیکی را افزایش می‌دهد. عمر عنصر معمولاً ۶-۳۶ ماه است و تقریباً به طور کامل به بار جامدات بستگی دارد، به همین دلیل یک پیش فیلتر ذرات به طور موثری عمر آن را افزایش می‌دهد. افت فشار رو به رشد که به مایع پاسخ می‌دهد نه به جامدات، نشان دهنده سیلاب است که با بررسی تخلیه و بار مایع به جای تعویض عناصر، برطرف می‌شود. سطح در مخزن باید هشدار داده شده و به طور خودکار تخلیه شود، زیرا مخزن سیلاب زده جداسازی را به همان اندازه موثر از یک عنصر معیوب از بین می‌برد.

ماتریس مقایسه مراحل جداکننده هم‌جوشی گاز

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین جداکننده هم‌جوشی و اسکرابر استاندارد چیست؟

پ: تفاوت در اندازه قطره‌ای است که هر کدام می‌توانند پردازش کنند و مکانیزمی که هر کدام استفاده می‌کنند. یک اسکرابر استاندارد به ته‌نشینی گرانشی، با کمک پد مش یا بسته پره، متکی است و قطرات بالای حدود ۵-۱۰ میکرومتر را حذف می‌کند؛ زیر این اندازه، قطرات جریان گاز را در اطراف سیم یا پره دنبال می‌کنند و جذب نمی‌شوند. یک جداکننده هم‌جوشی یک مرحله اول از عناصر فیبری ریز را اضافه می‌کند که آئروسل را تا ۰.۱-۱ میکرومتر با جذب، ضربه و انتشار جذب کرده و آن را به قطراتی به اندازه کافی بزرگ برای حذف توسط مرحله دوم ادغام می‌کند. نتیجه حذف تا ۰.۳-۱ میکرومتر با ۹۹.۹۸٪ در مقابل ۵-۱۰ میکرومتر برای پد مش است که یک مرتبه کوچکتر است. مصالحه این است که عناصر هم‌جوشی مصرفی هستند که نیاز به نظارت بر افت فشار و تعویض دوره‌ای دارند، در حالی که پد مش اساساً بدون نگهداری است.

س: چرا عناصر هم‌جوشی نیاز به تعویض دارند اگر فقط مایع را حذف می‌کنند؟

پ: زیرا در عمل آنها جامدات را نیز جمع‌آوری می‌کنند. مقیاس ریز، شن، محصولات خوردگی، سولفید آهن و محصولات تجزیه روغن کمپرسور همگی با گاز می‌آیند و با همان مکانیزم‌های مایع جذب می‌شوند. جامدات تخلیه نمی‌شوند، بنابراین به تدریج ساختار منافذ را مسدود می‌کنند، افت فشار افزایش می‌یابد و در نهایت عنصر کور می‌شود. نرخ آن تقریباً به طور کامل به بار جامدات بستگی دارد، به همین دلیل یک پیش فیلتر ذرات در بالادست موثرترین اقدام برای افزایش عمر عنصر است، اغلب با ضریب دو تا پنج. مکانیزم دوم وجود دارد: مایعی که به طور کامل تخلیه نمی‌شود، چه به دلیل اینکه بار مایع از ظرفیت تخلیه فراتر می‌رود و چه به دلیل اینکه محیط توسط سورفکتانت‌ها یا روغن کمپرسور آلوده شده است، محیط را به طور دائم خیس می‌کند و افت فشار را به گونه‌ای افزایش می‌دهد که تمیز کردن نمی‌تواند آن را معکوس کند.

س: آیا یک عنصر هم‌جوشی می‌تواند هم آب و هم مایع هیدروکربنی را پردازش کند؟

پ: نه بهینه. محیط‌های هم‌جوشی بر اساس شیمی سطح مایعی که باید هم‌جوش کنند مهندسی می‌شوند، زیرا قطره باید فیبر را خیس کند و پخش شود تا با قطره بعدی ادغام شود. محیطی که برای هیدروکربن بهینه شده است معمولاً اولئوفیلیک است و ممکن است آب را پس بزند؛ محیطی که برای آب بهینه شده است هیدروفیلیک است و ممکن است نفت را هم‌جوش نکند. هنگامی که یک جریان هر دو را حمل می‌کند، که در سرویس کارخانه گاز رایج است، راه حل معمول یا مشخص کردن یک محیط چند منظوره است که هر دو را با مصالحه در بازدهی پردازش می‌کند، یا نصب دو مرحله، اولی مایع غالب و دومی دیگری را هم‌جوش می‌کند. علاوه بر این، وجود سورفکتانت‌ها، بازدارنده‌های خوردگی یا روغن کمپرسور می‌تواند رفتار تر شدن را به طور کامل تغییر دهد، به همین دلیل تغییر در تزریق شیمیایی بالادست گاهی اوقات باعث می‌شود یک هم‌جوش‌کننده که در غیر این صورت خوب عمل می‌کند، شروع به حمل کند.

س: چگونه می‌دانم که یک جداکننده هم‌جوشی گاز کار نمی‌کند؟

پ: چهار نشانه، به ترتیبی که معمولاً ظاهر می‌شوند. افت فشار رو به رشد در سراسر عناصر، که نشان دهنده گرفتگی توسط جامدات یا سیلاب توسط مایع است و اگر روند ثابت باشد نه پله‌ای، به جای اختلال فرآیند، به جامدات اشاره دارد. ظاهر شدن مایع در پایین دست، که یا توسط رفتار تجهیزات محافظت شده، مانند کف کردن در کنتاکتور گلیکول یا افت فشار رو به رشد در بستر الک مولکولی، یا توسط نمونه‌برداری و تجزیه و تحلیل مستقیم تشخیص داده می‌شود. یک مخزن سیلاب زده یا تخلیه نشده، که رایج‌ترین علت واحد است: اگر تخلیه خودکار معیوب باشد یا فرستنده سطح پل زده باشد، مخزن پر می‌شود، سرعت گاز بر روی سطح مایع افزایش می‌یابد و مایع صرف نظر از وضعیت عنصر، دوباره به جریان انداخته می‌شود. و یک تغییر پله‌ای در عملکرد پس از یک اختلال فرآیند، تغییر تزریق شیمیایی یا تغییر روغن کمپرسور، که به آلودگی محیط به جای خرابی مکانیکی اشاره دارد و معمولاً نیاز به تعویض عنصر دارد.