หน้าที่ของเครื่องแยกก๊าซ: การทำงาน หลักการทางฟิสิกส์ และความสำคัญ

ตอบคำถามหลัก:เครื่องแยกก๊าซทำหน้าที่อะไร? เครื่องแยกก๊าซจะกำจัดละอองของเหลวและอนุภาคของแข็งออกจากกระแสแก๊สที่ไหล เพื่อให้แก๊สที่ออกจากเครื่องมีความแห้งเพียงพอที่จะปกป้องอุปกรณ์ เพื่อให้สามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำ และเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของท่อส่งแก๊ส เครื่องแยกก๊าซทำงาน 4 ขั้นตอน: ชะลอความเร็วแก๊สเพื่อให้แรงโน้มถ่วงทำงาน ปล่อยให้ของเหลวตกตะกอน ดักจับละอองละเอียดที่แรงโน้มถ่วงมองข้ามไปบนตัวดักละออง และรวบรวมและกำจัดของเหลวภายใต้การควบคุมระดับ พร้อมทั้งเก็บของแข็งไว้เพื่อทำความสะอาดเป็นระยะ หลักการทางฟิสิกส์ที่ควบคุมการทำงานของถังทั้งหมดคือ แก๊สต้องเคลื่อนที่ช้าพอที่ละอองของเหลวจะตกลงมาเร็วกว่าที่แก๊สจะลอยขึ้น ซึ่งแสดงด้วยสมการ Souders-Brown ที่มีค่า K ตั้งแต่ 0.08-0.35 m/s ขึ้นอยู่กับการวางแนวของถังและประเภทของตัวดักละออง หน่วยที่ออกแบบมาอย่างดีจะทิ้งของเหลวไว้ในแก๊สน้อยกว่า 0.1 แกลลอนสหรัฐฯ ต่อปริมาณแก๊สหนึ่งล้านลูกบาศก์ฟุตมาตรฐาน

1. งาน 4 อย่างที่เครื่องแยกก๊าซทำ

แต่ละงานจะจัดการกับโหมดความล้มเหลวที่แตกต่างกัน และทั้งสี่งานต้องทำงานเพื่อให้ถังสามารถทำงานได้:

• มันชะลอความเร็วแก๊ส: แก๊สในท่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 10-30 m/s ซึ่งเร็วเกินไปสำหรับละอองใดๆ ที่จะตกตะกอน งานแรกของเครื่องแยกก๊าซคือการขยายพื้นที่การไหล โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 10 ถึง 100 เท่า เพื่อให้ความเร็วลดลงจนถึงระดับที่แรงโน้มถ่วงสามารถทำงานได้ และอุปกรณ์ทางเข้า เช่น แผ่นกั้น ท่อที่เปิดครึ่งหนึ่ง หรือทางเข้าแบบไซโคลน จะกระจายโมเมนตัมที่เหลืออยู่ นี่คือเหตุผลที่เครื่องแยกก๊าซมีขนาดกว้างกว่าท่อที่ป้อนเข้า และเหตุผลที่หัวฉีดทางเข้ามักจะใหญ่กว่าท่อทางเข้า นอกจากนี้ยังเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องแยกก๊าซที่มีขนาดเล็กเกินไปสำหรับอัตราการไหลจึงไม่เสื่อมสภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไป: เมื่อความเร็วแก๊สเกินขีดจำกัด Souders-Brown ของเหลวจะถูกพัดพาออกไปเกือบทุกกรณี โดยไม่คำนึงว่าส่วนประกอบภายในอื่นๆ จะดีเพียงใด เนื่องจากละอองจะถูกพัดพาไปใหม่เร็วกว่าที่มันจะตกตะกอนได้
• มันทำให้ของเหลวส่วนใหญ่ตกตะกอน: เมื่อแก๊สช้าลง ละอองที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 100-500 ไมโครเมตร จะตกลงสู่ก้นถังภายในเวลาที่กำหนด ซึ่งเป็นเหตุผลที่เครื่องแยกก๊าซมีปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้ 1-15 นาที ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ของเหลวจะสะสมที่ก้นถัง และระดับจะถูกควบคุมที่จุดตั้งค่าโดยวาล์วระบายหรือวาล์วควบคุมระดับ แก๊สต้องไหลผ่านถังอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นจึงใช้แผ่นกั้นกระจายแบบมีรูในถังแนวนอน และทางออกของของเหลวจะติดตั้งตัวป้องกันการหมุนวน เนื่องจากกระแสน้ำวนที่ทางออกจะดึงแก๊สเข้าไปในท่อของเหลวและก่อให้เกิดปัญหาที่เครื่องแยกก๊าซมีไว้เพื่อป้องกัน ในการทำงานแบบสามเฟส ถังจะแยกน้ำออกจากของเหลวไฮโดรคาร์บอนโดยใช้ตัวควบคุมระดับอินเทอร์เฟซและรางน้ำหรือถังพัก
• มันดักจับละอองละเอียด: แรงโน้มถ่วงไม่สามารถกำจัดละอองที่มีขนาดเล็กกว่าประมาณ 100 ไมโครเมตรในถังที่มีขนาดเหมาะสมได้ ดังนั้นตัวดักละอองจึงจัดการกับส่วนที่ละเอียด และนี่คือส่วนประกอบที่มักจะกำหนดประสิทธิภาพที่แท้จริง แผ่นตาข่ายลวดถักหนา 100-150 มม. จะดักจับละอองที่มีขนาดใหญ่กว่า 5-10 ไมโครเมตร ด้วยประสิทธิภาพสูงสุด 99.9% โดยมีความดันลดลงเพียง 25-75 มม. H2O แต่จะเกิดการท่วมหากปริมาณของเหลวเกินความจุ แผ่นใบพัดหรือเชฟรอนจะจัดการกับละอองขนาด 10-40 ไมโครเมตร ทนทานต่อของแข็งและปริมาณของเหลวที่สูงกว่ามาก และเป็นที่นิยมใช้ในบริการที่มีการอุดตัน เครื่องแยกแบบกรองที่มีองค์ประกอบการรวมตัวจะถึง 0.3-1 ไมโครเมตร ที่ 99.98% และใช้ก่อนเครื่องอบแห้งโมเลกุล เครื่องสัมผัสไกลคอล และมิเตอร์วัดปริมาตร การเลือกระหว่างสิ่งเหล่านี้คือการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพกับความต้านทานการอุดตันและความดันลดลง
• มันกำจัดของเหลวและของแข็ง: งานสุดท้ายคือการนำวัสดุที่ถูกดักจับออกจากถังก่อนที่จะเต็ม ของเหลวจะออกจากทางออกด้านล่างภายใต้การควบคุมระดับ โดยมีเครื่องส่งสัญญาณระดับอิสระสองตัว สัญญาณเตือนระดับสูง และการตัดการทำงานระดับสูงมากเพื่อปกป้องอุปกรณ์ปลายทาง ของแข็งที่มาในรูปของทราย ตะกรัน และผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน จะตกตะกอนอยู่ใต้ของเหลวและจะถูกกำจัดออกโดยการฉีดทรายเป็นระยะ ซึ่งหัวฉีดน้ำแรงดันสูงจะทำให้ชั้นของแข็งเหลวและถูกเป่าไปยังไซโคลนหรือถังพัก ความถี่ในการฉีดเป็นตัวบ่งชี้ที่มีประโยชน์: รายชั่วโมงบ่งชี้ว่าบ่อทรายหรือความล้มเหลวในการควบคุมทราย รายเดือนบ่งชี้ว่ากระแสสะอาด ทั้งของเหลวและของแข็งต้องไปที่ใดที่หนึ่ง และเส้นทางการกำจัด ไม่ใช่ตัวถัง มักจะเป็นข้อจำกัดที่แท้จริง

2. ความสำคัญของการแยก: สิ่งที่มันปกป้อง

คุณค่าของเครื่องแยกก๊าซวัดได้จากสิ่งที่มันป้องกัน และอุปกรณ์สี่ประเภทมีความเสี่ยง:

• คอมเพรสเซอร์และอุปกรณ์หมุน: คอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นเครื่องจักรที่ไวต่อของเหลวมากที่สุดในโรงงานแก๊ส ละอองของเหลวจะกัดเซาะใบพัดและซีลเขาวงกต ทำให้เกิดความไม่สมดุลของโรเตอร์และการสั่นสะเทือน และชะล้างน้ำมันหล่อลื่นออกจากแบริ่ง การไหลเป็นก้อนที่ทางเข้าสามารถทำลายเครื่องจักรได้ในไม่กี่วินาที คอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบจะแย่กว่านั้น เนื่องจากของเหลวโดยพื้นฐานแล้วไม่สามารถบีบอัดได้ ดังนั้นของเหลวในกระบอกสูบจะทำให้เกิดการล็อคน้ำที่ทำให้ก้านงอและวาล์วแตก นี่คือเหตุผลที่สครับเบอร์ทางเข้าคอมเพรสเซอร์เป็นมาตรฐานสำหรับเครื่องจักรทุกเครื่อง เหตุผลที่ติดตั้งการตัดการทำงานระดับสูงมากอย่างรวดเร็วเพื่อปิดเครื่องจักร และเหตุผลที่มีปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้น้อยโดยการออกแบบ: จุดประสงค์คือการตัดการทำงานอย่างรวดเร็วแทนที่จะเก็บของเหลว
• การวัดและการโอนกรรมสิทธิ์: เมื่อแก๊สเปลี่ยนเจ้าของ ของเหลวจะทำให้เสียเงินโดยตรง ในมิเตอร์แบบรู (orifice meter) การไหลแบบสองเฟสจะเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์การคายประจุและความดันแตกต่างที่วัดได้ และของเหลวจะสะสมในท่อแรงดันและกับแผ่น ทำให้เกิดข้อผิดพลาดหลายเปอร์เซ็นต์ ในมิเตอร์แบบอัลตราโซนิก ละอองและฟิล์มของเหลวบนหน้าทรานสดิวเซอร์จะลดทอนและกระจายสัญญาณ เนื่องจากท่อส่งแก๊สขนาดใหญ่สามารถขนส่งแก๊สได้หลายล้านลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อวัน ข้อผิดพลาด 2% อย่างต่อเนื่องจึงเป็นจำนวนเงินที่สำคัญ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสัญญาจึงกำหนดให้มีเครื่องแยกก๊าซอยู่เหนือมิเตอร์ทันที และมักจะกำหนดปริมาณของเหลวสูงสุด นี่คือเหตุผลที่ใช้เครื่องแยกแบบกรอง ไม่ใช่สครับเบอร์ธรรมดา ที่จุดวัดปริมาตรทางการเงิน
• หน่วยบำบัด: การลดความชื้น, เอมีน และกำมะถัน: ของเหลวที่เข้าสู่หน่วยประมวลผลจะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างไม่สมส่วน ในเครื่องสัมผัสไกลคอลเพื่อลดความชื้น ไฮโดรคาร์บอนเหลวจะทำให้เกิดฟองรุนแรง การไหลของไกลคอล และการสูญเสียความสามารถในการลดความชื้น และอาจบังคับให้ต้องปิดระบบเพื่อทำความสะอาดและเปลี่ยนไกลคอลที่เสื่อมสภาพ ในหน่วยเอมีน ไฮโดรคาร์บอนเหลวและของแข็งจะทำให้เกิดฟอง การสูญเสียเอมีน และการกัดกร่อน และผลิตภัณฑ์เอมีนที่เสื่อมสภาพจะเร่งปัญหา ในหน่วยโมเลกุลซีฟ น้ำหรือไฮโดรคาร์บอนเหลวจะทำลายสารดูดซับอย่างถาวร เนื่องจากเม็ดบีดจะแตกและต้องเปลี่ยน ในแต่ละกรณี ค่าซ่อมแซมจะสูงกว่าค่าเครื่องแยกก๊าซมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงติดตั้งเครื่องแยกก๊าซทางเข้าหรือเครื่องแยกแบบกรองไว้เหนือหน่วยเหล่านี้ทันทีตามมาตรฐาน แทนที่จะเป็นทางเลือก
• ท่อส่งแก๊ส, ตัวควบคุม และผู้ใช้ปลายทาง: ปลายทางของโรงงาน ของเหลวจะสร้างปัญหาในการดำเนินงานและความสมบูรณ์ มันสะสมในจุดต่ำ ลดพื้นที่การไหลและความจุ และต้องใช้การทำความสะอาดด้วยลูกบอล (pigging) เพื่อกำจัดออก มันจะก่อตัวเป็นไฮเดรตที่จุดลดแรงดันเมื่อรวมกับน้ำและอุณหภูมิต่ำ ทำให้เกิดการอุดตันที่สามารถปิดสายได้นานหลายวัน มันจะทำให้ตัวควบคุมแรงดันและอุปกรณ์เติมกลิ่นในระบบจ่ายแก๊สเป็นพิษ มันส่งเสริมการกัดกร่อนภายในเมื่อมีน้ำและแก๊สที่เป็นกรดอยู่ และมันละเมิดข้อกำหนดของท่อส่งแก๊ส ซึ่งโดยทั่วไปต้องการไม่มีของเหลวอิสระ จุดน้ำค้างของไฮโดรคาร์บอนต่ำกว่าประมาณ -5 ถึง 0°C ที่แรงดันส่งมอบ จุดน้ำค้างของน้ำต่ำกว่าประมาณ -10°C ไฮโดรเจนซัลไฟด์ต่ำกว่า 4 ppm และคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำกว่า 2-3% การเป็นไปตามข้อกำหนดนั้นคือวัตถุประสงค์ตามสัญญาขั้นสุดท้ายของเครื่องแยกก๊าซ

ตารางหน้าที่ของเครื่องแยกก๊าซและผลที่ตามมาหากล้มเหลว

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: เครื่องแยกก๊าซทำงานอย่างไร?

ตอบ: มันทำงานโดยการให้เวลาแก่ละอองของเหลวในการตกตะกอนในขณะที่แก๊สเคลื่อนที่ช้าพอที่จะทำได้ แก๊สเข้าและชะลอความเร็วโดยอุปกรณ์ทางเข้าที่กระจายโมเมนตัม จากนั้นไหลผ่านหน้าตัดขนาดใหญ่ที่ความเร็วโดยทั่วไปคือ 0.1-0.5 m/s เทียบกับ 10-30 m/s ในท่อ ด้วยความเร็วนี้ ละอองที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 100-500 ไมโครเมตร จะตกตะกอนลงสู่ก้นถังภายในเวลาที่กำหนด ซึ่งเป็นเหตุผลที่ถังมีปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้ 1-15 นาที ละอองที่เล็กเกินกว่าจะตกตะกอนได้จะถูกดักจับโดยตัวดักละออง ซึ่งแก๊สต้องเปลี่ยนทิศทางรอบลวดหรือใบพัด และละอองซึ่งมีแรงเฉื่อยมากกว่า จะไม่สามารถตามไปได้และจะกระทบกับพื้นผิว รวมตัวเป็นหยดที่ใหญ่ขึ้นและระบายออก ของเหลวที่รวบรวมได้จะถูกเก็บไว้ที่ระดับที่ควบคุมและกำจัดออกผ่านวาล์ว ของแข็งจะตกตะกอนอยู่ใต้ของเหลวและจะถูกฉีดออกเป็นระยะ

ถาม: ความแตกต่างระหว่างเครื่องแยกก๊าซ, สครับเบอร์ และถังดักของเหลว (knockout drum) คืออะไร?

ตอบ: ในทางปฏิบัติ คำเหล่านี้มีความหมายทับซ้อนกันและมักใช้สลับกันได้ แต่ก็มีธรรมเนียมปฏิบัติ เครื่องแยกก๊าซเป็นคำทั่วไป และในการใช้งานโรงงานแก๊สมักหมายถึงถังที่แยกและเก็บของเหลวไว้เป็นผลิตภัณฑ์หรือกระแสที่จะนำไปแปรรูป โดยมีปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้ 3-15 นาที สครับเบอร์เป็นเครื่องแยกก๊าซที่เล็กกว่าและเรียบง่ายกว่า ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อการป้องกันมากกว่าการผลิต โดยมีปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้ 1-3 นาที พบได้ที่ทางเข้าคอมเพรสเซอร์ ที่แท่นจ่ายแก๊สเชื้อเพลิง และที่จุดจ่ายแก๊สสำหรับเครื่องมือวัด ถังดักของเหลว หรือ KOD เป็นอุปกรณ์ป้องกันที่ออกแบบมาสำหรับกระแสชั่วคราวมากกว่ากระแสคงที่ ส่วนใหญ่มักเป็นถังดักของเหลวสำหรับแฟลร์ที่ออกแบบมาสำหรับกรณีการระบายฉุกเฉิน หรือถังที่กำจัดของเหลวเป็นก้อนก่อนเข้าเตาเผาหรือคอมเพรสเซอร์ ทั้งสามอย่างใช้พื้นฐานการคำนวณ Souders-Brown แบบเดียวกัน แต่จะแตกต่างกันในปริมาณของเหลวที่กักเก็บไว้ ในเครื่องมือวัด และในสิ่งที่พวกมันปกป้อง

ถาม: จะเกิดอะไรขึ้นหากเครื่องแยกก๊าซมีขนาดเล็กเกินไป?

ตอบ: ความเร็วแก๊สจะเกินขีดจำกัด Souders-Brown ดังนั้นละอองที่ควรจะตกตะกอนจะถูกพัดพาออกไปกับแก๊ส และถังจะมีการไหลออกของของเหลวอย่างต่อเนื่องแทนที่จะเป็นครั้งคราว โหมดความล้มเหลวจะมีความโดดเด่น: ตัวดักละอองจะเกิดการท่วมเนื่องจากได้รับของเหลวมากกว่าที่ออกแบบไว้มาก ซึ่งจะเพิ่มความดันลดลง และเมื่อแผ่นอิ่มตัวแล้ว จะพัดพาของเหลวกลับเข้าสู่ทางออกแก๊สในอัตราที่แย่กว่ากรณีที่ไม่มีแผ่นเลย ผลที่ตามมาจะปรากฏขึ้นที่ปลายทางก่อน เช่น การสูญเสียไกลคอลในหน่วยลดความชื้น การเกิดฟองในเครื่องสัมผัสเอมีน หรือการสั่นสะเทือนสูงและการชะล้างคอมเพรสเซอร์ การมีขนาดเล็กเกินไปมักเกิดขึ้นหลังจากการปรับปรุงคอขวดเพื่อเพิ่มปริมาณการผลิต หรือเมื่อแหล่งผลิตมีของเหลวมากกว่าที่คาดการณ์ไว้เดิม ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมควรตรวจสอบความเร็วอีกครั้งเมื่ออัตราการไหลเปลี่ยนแปลง

ถาม: คุณจะทราบได้อย่างไรว่าเครื่องแยกก๊าซทำงานอยู่?

ตอบ: มีตัวบ่งชี้สี่อย่างที่ต้องเฝ้าระวัง ความดันแตกต่างทั่วทั้งถังและทั่วทั้งตัวดักละออง เนื่องจากค่าที่คงที่หมายถึงการทำงานปกติ ในขณะที่แนวโน้มที่เพิ่มขึ้นหมายถึงการอุดตันหรือการท่วม และแนวโน้มที่ลดลงอาจหมายถึงองค์ประกอบที่เสียหายหรือเคลื่อนที่ การไหลออกของของเหลว ซึ่งวัดได้โดยตรงจากการสุ่มตัวอย่างหรืออนุมานจากพฤติกรรมของอุปกรณ์ปลายทาง เช่น การใช้ไกลคอลในเครื่องสัมผัสหรือการเกิดฟองเอมีน พฤติกรรมการควบคุมระดับ เนื่องจากสัญญาณเตือนระดับสูงบ่อยครั้ง วาล์วระบายที่สั่น หรือระดับที่ไม่สามารถรักษาจุดตั้งค่าได้ ล้วนบ่งชี้ถึงปัญหาการจัดการของเหลวมากกว่าปัญหาการแยก และความเร็วแก๊สเทียบกับค่า K ที่ออกแบบไว้ เนื่องจากการตรวจสอบที่ง่ายที่สุดคือการตรวจสอบว่าอัตราการไหลจริงที่แรงดันและอุณหภูมิที่แท้จริง อยู่ภายในขอบเขตที่ถังถูกออกแบบมาหรือไม่