Co robi separator gazu: funkcje, fizyka i dlaczego ma znaczenie

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Co robi separator gazu? Separator gazu usuwa krople cieczy i cząstki stałe z przepływającego strumienia gazu, dzięki czemu gaz opuszczający go jest wystarczająco suchy, aby chronić sprzęt, być dokładnie mierzonym i spełniać specyfikację rurociągu. Działa to w czterech krokach: spowolnienie gazu, aby grawitacja mogła działać, pozwolenie na osadzenie się cieczy, wychwytywanie drobnych kropelek, których grawitacja nie jest w stanie wychwycić, za pomocą eliminatora mgły oraz zbieranie i usuwanie cieczy pod kontrolą poziomu, jednocześnie zatrzymując ciała stałe do okresowego czyszczenia. Zasada fizyczna, która rządzi całym naczyniem, polega na tym, że gaz musi poruszać się wystarczająco wolno, aby kropla cieczy spadała szybciej niż unosi się gaz, wyrażona równaniem Soudersa-Browna ze współczynnikiem K wynoszącym 0,08-0,35 m/s, w zależności od orientacji naczynia i typu eliminatora mgły. Dobrze zaprojektowana jednostka pozostawia mniej niż 0,1 galona amerykańskiego cieczy na milion standardowych stóp sześciennych w gazie.

1. Cztery zadania wykonywane przez separator gazu

Każde zadanie dotyczy innego trybu awarii, a wszystkie cztery muszą działać, aby naczynie mogło wykonać swoje zadanie:

• Spowalnia gaz: Gaz w rurze porusza się z prędkością 10-30 m/s, zbyt szybko, aby jakakolwiek kropla mogła się osadzić. Pierwszym zadaniem separatora jest zwiększenie obszaru przepływu, zazwyczaj od 10 do 100 razy, tak aby prędkość spadła do poziomu, przy którym grawitacja może działać, a urządzenie wlotowe, takie jak przegroda, półotwarta rura lub wlot cyklonowy, rozprasza pozostały pęd. Dlatego separatory są znacznie szersze niż rura do nich doprowadzająca i dlatego króciec wlotowy jest często większy niż linia wlotowa. Dlatego też separator, który jest zbyt mały dla swojego przepływu, nie degraduje się łagodnie: gdy prędkość gazu przekroczy limit Soudersa-Browna, ciecz jest unoszona niemal niezależnie od tego, jak dobre są pozostałe elementy wewnętrzne, ponieważ kropelki są ponownie unoszone szybciej, niż mogą się osadzić.
• Osadza główną masę cieczy: Gdy gaz jest wolny, kropelki o średnicy powyżej około 100-500 mikrometrów opadają na dno naczynia w dostępnym czasie przebywania, dlatego separatory zapewniają retencję cieczy od 1 do 15 minut, w zależności od przeznaczenia. Ciecz gromadzi się na dnie, a poziom jest utrzymywany na nastawionej wartości przez zawór spustowy lub zawór kontroli poziomu. Gaz musi przepływać przez naczynie równomiernie, dlatego w poziomach poziomych stosuje się perforowane przegrody dystrybucyjne, a wylot cieczy jest wyposażony w łamacz wirów, ponieważ wir przy wylocie zasysa gaz do linii cieczy i powoduje dokładnie problem, któremu zapobiega separator. W przypadku pracy trójfazowej naczynie oddziela również wodę od cieczy węglowodorowej za pomocą kontrolera poziomu interfejsu i przelewu lub buta.
• Wychwytuje drobną mgłę: Grawitacja nie jest w stanie usunąć kropelek poniżej około 100 mikrometrów w rozsądnym naczyniu, dlatego eliminator mgły zajmuje się drobną frakcją, i to właśnie ten element najczęściej decyduje o rzeczywistej wydajności. Siatka druciana tkana, o grubości 100-150 mm, wychwytuje kropelki powyżej 5-10 mikrometrów z wydajnością do 99,9% przy spadku ciśnienia wynoszącym tylko 25-75 mm H2O, ale zalewa się, jeśli obciążenie cieczą przekroczy jej pojemność. Pakiet łopatkowy lub chevron obsługuje kropelki o średnicy 10-40 mikrometrów, toleruje ciała stałe i znacznie większe obciążenia cieczą, i jest preferowany w usługach zanieczyszczających. Separator filtrujący z elementami koalescencyjnymi osiąga 0,3-1 mikrometra z wydajnością 99,98% i jest stosowany przed sitami molekularnymi, konwektorami glikolowymi i miernikami fiskalnymi. Wybór między nimi jest kompromisem między wydajnością a odpornością na zanieczyszczenia i spadkiem ciśnienia.
• Usuwa ciecz i ciała stałe: Ostatnim zadaniem jest po prostu usunięcie zebranego materiału z naczynia, zanim się ono wypełni. Ciecz wypływa przez dolny wylot pod kontrolą poziomu, z dwoma niezależnymi nadajnikami poziomu, alarmem wysokiego poziomu i wyzwalaczem wysokiego-wysokiego poziomu, który chroni sprzęt znajdujący się dalej. Ciała stałe, które docierają jako piasek, osady i produkty korozji, osadzają się poniżej cieczy i są usuwane przez okresowe odpiaskowywanie, w którym strumień wody pod wysokim ciśnieniem fluidyzuje złoże i jest ono przedmuchiwane do cyklonu lub zbiornika. Częstotliwość odpiaskowywania jest użytecznym wskaźnikiem diagnostycznym: godzinna wskazuje na piaste odwierty lub awarię kontroli piasku, miesięczna wskazuje na czysty strumień. Zarówno ciecz, jak i ciała stałe muszą gdzieś trafić, a droga utylizacji, a nie naczynie, jest często prawdziwym ograniczeniem.

2. Dlaczego separacja ma znaczenie: co chroni

Wartość separatora gazu jest mierzona tym, czego zapobiega, a cztery kategorie sprzętu są zagrożone:

• Sprężarki i urządzenia wirujące: Sprężarka odśrodkowa jest najbardziej wrażliwą na ciecz maszyną w instalacji gazowej. Krople cieczy erodują wirnik i uszczelnienia labiryntowe, powodują nierównowagę wirnika i wibracje, a także zmywają olej smarujący z łożysk; fala uderzeniowa docierająca do ssania może zniszczyć maszynę w ciągu kilku sekund. Sprężarka tłokowa jest gorsza, ponieważ ciecz jest zasadniczo nieściśliwa, więc ciecz w cylindrze powoduje blokadę hydrauliczną, która wygina tłoczyska i łamie zawory. Dlatego na każdym urządzeniu standardem są skrubery ssawne sprężarek, dlatego są one wyposażone w szybki wyzwalacz wysokiego-wysokiego poziomu, który wyłącza maszynę, i dlatego mają niewielką retencję cieczy z założenia: zamiarem jest szybkie wyłączenie, a nie magazynowanie cieczy.
• Pomiar i transfer własności: Tam, gdzie gaz zmienia właściciela, ciecz bezpośrednio kosztuje pieniądze. W przepływomierzu zwężkowym przepływ dwufazowy zmienia współczynnik rozprężania i mierzone ciśnienie różnicowe, a ciecz gromadzi się w liniach impulsowych i na płycie, powodując błędy rzędu kilku procent. W przepływomierzu ultradźwiękowym kropelki i warstwa cieczy na powierzchni przetworników tłumią i rozpraszają sygnał. Ponieważ duży rurociąg może przenosić miliony standardowych stóp sześciennych dziennie, stały błąd dwuprocentowy stanowi znaczną kwotę, dlatego umowy określają separator bezpośrednio przed miernikiem, a często maksymalną zawartość cieczy. To jest również powód, dla którego punkty pomiaru fiskalnego wykorzystują separatory filtrujące, a nie proste skrubery.
• Jednostki przetwarzania: odwadnianie, amina i siarka: Ciecz dostająca się do jednostki procesowej powoduje nieproporcjonalne szkody. W konwektorze odwadniania glikolowego węglowodory ciekłe powodują silne pienienie, unoszenie glikolu i utratę zdolności odwadniania, a także mogą wymusić zatrzymanie w celu oczyszczenia systemu i wymiany zdegradowanego glikolu. W jednostce aminowej węglowodory ciekłe i ciała stałe powodują pienienie, utratę aminy i korozję, a zdegradowane produkty aminy przyspieszają problem. W jednostce sit molekularnych ciekła woda lub węglowodory trwale uszkadzają adsorbent, ponieważ kulki rozpadają się i muszą zostać wymienione. W każdym przypadku koszt naprawy jest znacznie wyższy niż koszt separatora, dlatego separator wlotowy lub separator filtrujący jest instalowany bezpośrednio przed tymi jednostkami jako standardowa praktyka, a nie jako opcja.
• Rurociągi, regulatory i użytkownicy końcowi: Dalej od instalacji ciecz stwarza problemy operacyjne i integralności. Gromadzi się w niskich punktach, zmniejszając obszar przepływu i przepustowość, wymagając czyszczenia za pomocą tłoka. Tworzy hydraty w punktach redukcji ciśnienia w połączeniu z wodą i niską temperaturą, tworząc zatory, które mogą zamknąć linię na dni. Zanieczyszcza regulatory ciśnienia i urządzenia do dodawania zapachu w systemach dystrybucyjnych. Sprzyja wewnętrznej korozji, gdy obecna jest woda i gazy kwaśne. I narusza specyfikację rurociągu, która zazwyczaj wymaga braku wolnych cieczy, punktu rosy węglowodorów poniżej około -5 do 0°C przy ciśnieniu dostawy, punktu rosy wody poniżej około -10°C, siarkowodoru poniżej 4 ppm i dwutlenku węgla poniżej 2-3%. Spełnienie tej specyfikacji jest ostatecznym celem umownym separatora.

Funkcje separatora gazu i macierz konsekwencji awarii

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Jak faktycznie działa separator gazu?

O: Działa poprzez zapewnienie kroplom cieczy czasu na opadnięcie, podczas gdy gaz porusza się wystarczająco wolno, aby mogły to zrobić. Gaz wchodzi i jest spowalniany przez urządzenie wlotowe, które rozprasza jego pęd, a następnie przechodzi przez duży przekrój, gdzie prędkość wynosi zazwyczaj 0,1-0,5 m/s w porównaniu do 10-30 m/s w rurze. Przy tej prędkości kropelki o średnicy powyżej około 100-500 mikrometrów osadzają się na dnie w czasie przebywania, dlatego naczynie zapewnia retencję cieczy od 1 do 15 minut. Kropelki zbyt małe, aby się osadzić, są wychwytywane przez eliminator mgły, gdzie gaz musi zmieniać kierunek wokół drutu lub łopatki, a kropelki, mając większą bezwładność, nie mogą podążać i uderzają w powierzchnię, koalescują w większe krople i spływają. Zebrana ciecz jest utrzymywana na kontrolowanym poziomie i usuwana przez zawór; ciała stałe osadzają się poniżej i są okresowo odpiaskowywane.

P: Jaka jest różnica między separatorem, skrubberem a bębnem knockoutowym?

O: W praktyce terminy te nakładają się i są często używane zamiennie, ale istnieje konwencja. Separator to ogólny termin, a w zastosowaniach instalacji gazowych zazwyczaj oznacza naczynie, które oddziela i przechowuje ciecz jako produkt lub strumień do przetworzenia, z retencją od 3 do 15 minut. Skrubber to mniejszy, prostszy separator, którego celem jest ochrona, a nie produkcja, z retencją od 1 do 3 minut, znajdujący się na ssaniu sprężarki, na skidach gazu paliwowego i na odgałęzieniach gazu instrumentacyjnego. Bęben knockoutowy, lub KOD, to urządzenie ochronne zaprojektowane dla przepływu przejściowego, a nie ustalonego, najczęściej bęben knockoutowy na flarze zaprojektowany dla przypadku awaryjnego uwolnienia, lub bęben usuwający fale cieczy przed piecem lub sprężarką. Wszystkie trzy wykorzystują tę samą podstawę wymiarowania Soudersa-Browna, ale różnią się retencją, oprzyrządowaniem i tym, co chronią.

P: Co się stanie, jeśli separator gazu jest niedowymiarowany?

O: Prędkość gazu przekracza limit Soudersa-Browna, więc kropelki, które w przeciwnym razie by się osadziły, są unoszone z gazem, a naczynie stale, a nie okazjonalnie, przenosi ciecz. Tryb awarii jest charakterystyczny: eliminator mgły zalewa się, ponieważ otrzymuje znacznie więcej cieczy, niż został zaprojektowany do obsługi, co zwiększa spadek ciśnienia, a gdy tylko wkład zostanie nasycony, ponownie unosi ciecz do wylotu gazu w tempie gorszym, niż gdyby wkładu w ogóle nie było. Konsekwencje pojawiają się najpierw dalej, jako straty glikolu w jednostce odwadniającej, pienienie w konwektorze aminowym, lub wysokie wibracje i zmywanie sprężarki. Niedowymiarowanie jest najczęstsze po projekcie debottleneckingu zwiększającym przepustowość, lub gdy pole produkcyjne daje więcej cieczy niż pierwotnie prognozowano, dlatego prędkość należy ponownie sprawdzić przy każdej zmianie natężenia przepływu.

P: Skąd wiadomo, czy separator gazu działa?

O: Monitoruje się cztery wskaźniki. Spadek ciśnienia na naczyniu i na eliminatorze mgły, ponieważ stały odczyt oznacza normalne działanie, podczas gdy trend wzrostowy oznacza zanieczyszczenie lub zalanie, a trend spadkowy może oznaczać uszkodzony lub przesunięty element. Unoszenie cieczy, mierzone bezpośrednio przez próbkowanie lub wnioskowane z zachowania sprzętu dalszego, takiego jak zużycie glikolu w konwektorze lub pienienie aminy. Zachowanie kontroli poziomu, ponieważ częste alarmy wysokiego poziomu, oscylujący zawór spustowy lub poziom, który nie utrzymuje nastawionej wartości, wskazują na problem z obsługą cieczy, a nie z separacją. I prędkość gazu w porównaniu do współczynnika K projektowego, ponieważ najprostszym sprawdzeniem jest to, czy rzeczywisty przepływ, przy rzeczywistym ciśnieniu i temperaturze, mieści się w zakresie, dla którego naczynie zostało zaprojektowane.