Конденсационный сепаратор – новое устройство и система для подготовки газа

А.И. Власов, А.В. Михайлов, В.Д. Федоренко, А.А. Новиков, к.х.н., М.В. Горбачевский, Д.С. Копицын, к.т.н., В.А. Винокуров, д.х.н., М.И. Фарахов, д.т.н., М.М. Фарахов, к.т.н
ООО «Газпромнефть НТЦ», ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз», ПАО «Газпром нефть», РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, ООО ИВЦ «Инжехим»
Vlasov.AI@gazpromneft-ntc.ru, novikov.a@gubkin.ru

Журнал «Нефтяное хозяйство»

В зависимости от типа месторождения, физикохимических свойств пластовых флюидов, системы разработки пластов и режима эксплуатации скважин меняется состав продукции скважин, поступающей на подготовку. Углеводородный газ как природный, так и нефтяной проходит сепарацию. Современные способы и устройства для сепарации позволяют отделить от газовой фазы до 99,5 % капельной жидкости (воды и/или углеводородов) с размерами капель от 1 до 10 мкм и более.
После сепараторов газ поступает в технологические системы, где давление и температура изменяются в зависимости от системы разработки месторождения, технологического режима работы нефтепромыслового оборудования, температуры окружающей среды и др. Происходят конденсация капель жидкости из паровой фазы и образование в потоке газа аэрозоля. Его появление приводит к следующим осложнениям: 1) накоплению жидкости в газопроводах с образованием жидкостных пробок; 2) попаданию жидкостных пробок на вход в аппараты и нарушению режимов их работы, аварийным остановкам, выходу из строя технологического оборудования. Для исключения процесса конденсации применяются методы понижения температуры точки росы газа по воде и углеводородам. Для этого используются адсорбционные, низкотемпературные процессы подготовки газа и их сочетание. Однако стоимость реализации данных процессов в 5–10 раз превышает стоимость сепараторов, и их применение не всегда экономически целесообразно.
Таким образом, требуется решение сложной технологической задачи, заключающейся в совмещении процессов конденсации паров углеводородов и воды из газа с одновременной сепарацией капельной жидкости. Устройство, реализующее данный процесс, должно обладать максимальной газодинамической, термодинамической и массообменной эффективностью, простотой конструкции, безотказностью и удобством в эксплуатации. Его капитальная стоимость должна быть меньше стоимости известного оборудования, применяемого для регулирования температуры точки росы газа.
Проведенные исследования показали, что с использованием современных подходов и методов можно создать конструкцию сепарационных устройств с покрытием их поверхности супергидрофобными и гидрофильными (бифильными) материалами с заданной геометрической конфигурацией. Комбинация таких элементов в составе сепарационной насадки позволяет снизить ее газодинамическое сопротивление за счет более эффективного распределения потоков газа и отделяемой жидкости как внутри насадки, так в объеме сепаратора. Использование в составе сепарационной насадки контура охлаждения газа позволяет проводить конденсацию паров из потока газа, причем применение супергидрофобного покрытия на поверхности теплообмена способствует интенсифицикации удаления сконденсированной жидкости. В  одном конденсационном сепараторе реализуются процессы изменения точки росы газа и удаления (сепарации) из него сконденсировавшейся воды и углеводородов.

Исследовательская часть 

В большинстве случаев именно газодинамика сепарационных элементов определяет эффективность технологического процесса сепарации. В настоящее время известно много устройств, реализующих процесс сепарации (рис. 1). Во всех этих устройствах используются газодинамические эффекты: гравитационное оседание, центробежное или инерционное изменение направления движения, фильтрация. Сепараторы или элементы для них могут иметь разное конструктивное исполнение.

79.PNG

Тип сепаратора и его внутреннюю конструкцию выбирают в зависимости от ограничений по инвестиционной нагрузке инфраструктурных проектов, физико-химических свойств сырья, требуемой мощности (производительности) по сырьевому газу и др. (см. таблицу).
Проведенный тематический и патентный анализ современного уровня развития техники и накопленных знаний в области газодинамики сепарационных систем, материаловедения позволяют создавать конструкцию устройств с покрытием их поверхности супергидрофобными и гидрофильными (бифильными) материалами. Примером такого материала может служить поверхность крыльев жуков вида Onymacris unguicularis [1].
Гидрофобные и супергидрофобные материалы обладают рядом уникальных функциональных свойств: водонепроницаемостью, устойчивостью к коррозии, биообрастанию и неорганическим загрязнениям, поэтому они представляют интерес для широкого спектра технических применений [2–6]. Отличие гидрофобных покрытий от супергидрофобных рассмотрено в работе [7]. Стадии образования и конденсации капель аналогичны для двух поверхностей, однако в дальнейшем на супергидрофобной поверхности образующиеся крупные капли хаотично перемещаются и в итоге удаляются с нее, на гидрофобной поверхности формируются неподвижные крупные капли [8–10]. Использование супергидрофобной поверхности может ускорить отток конденсата с теплообменника и повысить эффективность дренажной системы на 27 %, а также снизить перепады давления теплообменника на 30–36 % [11].
Таким образом, супергидрофобные покрытия существенно изменяют режимы теплообмена и массопереноса, обусловливая перспективность их применения в промышленности для улучшения термодинамики, газодинамики и энергоэффективности процессов подготовки газа. Наиболее надежным методом создания супергидрофобных поверхностей является обработка поверхности с самосборкой на ней структур, обладающих «иерархической шероховатостью». При этом достигаются высокие краевые углы смачивания и износостойкость покрытия.

80.PNG

Наиболее перспективным представляется применение таких покрытий в сепарационных устройствах, характеризующихся относительно малой линейной скоростью потока газа при нормальных режимах работы, таких как сетчатая коалесцирующая насадка, сепарационные устройства с интегрированным теплообменником.

Экспериментальная часть 

Использованные материалы: рукавная сетка (СР-08Х18Н9 ТУ 26-02-1172-96), ацетон (ХЧ, Русхим), этанол (96,5 %), тетраэтоксисилан (98 %, Sigma-Aldrich), гексадецилтриметоксисилан (90 %, Abcr), аммиак водный (ОСЧ, Химмед). Исходная поверхность была предварительно дважды промыта ацетоном и этанолом для очистки от остатков смазочных материалов. После этого детали были высушены, а сетчатая насадка смотана в рулоны диаметром 220–240 мм (длина сетки в рулоне ~100 м) для дальнейшей модификации.
В реакционную емкость поместили два рулона очищенной сетки (около 200 м) и залили ее 9 л этанола. Далее последовательно добавляли 65,1 мл тетраэтоксисилана, 42,2 мл гексадецилтриметоксисилана и 1620 мл раствора аммиака. Все операции проводились при интенсивном перемешивании с использованием перистальтических насосов с напрямую подведенным вытяжным рукавом. После добавления всех компонентов реакционная смесь была нагрета до температуры 60 °С и выдержана 1 ч при данной температуре. Полученная силанизированная насадка выдерживалась в сушильном шкафу 5 ч при температуре 100 °С.
Силанизированную насадку тщательно отмыли от избытка образовавшегося полимера в дистиллированной воде и высушили. Затем при помощи аэрозоля поверхность насадки покрыли смесью фторкарбоновых и силиконовых смол. Полученную модифицированную насадку выдерживали в сушильном шкафу 1 ч при температуре 100 °С.
Краевой угол смачивания измеряли на установке DSA100 (Kruss, Германия). Сканирующая электронная микроскопия проводилась на микроскопе JIB-4501 (Jeol, Япония). Коэффициент сепарации определяли по формуле

ф23.PNG

где Vc – объем жидкости в сепараторе, мл; Qф – производительность форсунки, мл/мин; t э – время эксперимента. Эквивалентная скорость потока газа, соответствующая линейной скорости газа при нормальных условиях,

ф24.PNG

где Qг – расход газа, м3/ч; S – площадь сечения сепарационной насадки, м2; 3600 – коэффициент пересчета. 

Обсуждение результатов экспериментов


С целью подтверждения физических принципов нового устройства для подготовки газа проведено газодинамическое моделирование, изготовлены экспериментальные образцы сепарационных устройств с бифильными поверхностями и введенным внутрь конструкции контуром охлаждения. Выполнены стендовые испытания и получены данные о влиянии этих поверхностей на эффективность сепарации, а также численные данные для прогнозирования и проектирования совмещенного процесса конденсации и сепарации.
Для определения необходимого количества силанов для модификации проведены опыты с их концентрацией от 2,5 до 20 г на 1 л этанола. В опытах использовалась стальная пластина-свидетель (сталь 08Х18Н10). При повышении концентрации силана от 2,5 до 20 г/л краевой угол увеличился от 114 до 150° (154° для отдельных образцов в рамках опыта с четырьмя повторностями). Однако при концентрации силана более 5 г/л увеличение гидрофобности было обусловлено наличием на поверхности слоя слабо закрепленного полимера (аналогичного по составу образованиям на поверхности сетки). После удаления этого полимера абразивом было установлено, что при указанной концентрации силана гидрофобность поверхности образца не возрастает, лишь образуется побочный полимер. При использовании в качестве детали купона-свидетеля из нержавеющей стали наблюдалась гидрофобизация поверхности с достижением краевого угла смачивания для воды около 146° (рис. 2), что существенно превышает краевой угол смачивания на любых гладких подложках (например, политетрафторэтилен характеризуется краевым углом смачивания 114–118°).
В процессе работ проведены испытания нескольких комбинаций сетчатых насадок с различными типами поверхности. Испытания выполнялись на стендовой сепарационной установке в вертикальном потоке газа. Изучалось изменение коэффициента сепарации в зависимости от эквивалентной скорости потока газа, рассчитанной по уравнению (2) (рис. 3). По результатам эксперимента установлено, что использование бифильной насадки позволяет достичь больших значений коэффициента сепарации по сравнению с образцом сетчатой насадки, имеющим смачиваемую поверхность. Особенно велика разница в опытах при высокой эквивалентной скорости потока газа. Так, при скорости, равной 10,6 м/с, разница в значениях коэффициента сепарации составляет 17 %.

81.PNG

82.PNG

Интерес представляет использование сочетаний из нескольких сепарационных элементов с различными типами поверхности. Следующим объектом испытаний стала система сепарационных устройств, состоящая из теплообменного элемента и сетчатой насадки. Рассмотрены три сочетания элементов: гидрофобный теплообменник + бифильная сетка; гидрофобный теплообменник + гидрофильная сетка; гидрофильные теплообменник и сетка (рис. 4). Эксперименты проводились в вертикальном потоке газа с охлаждением теплообменных устройств до 0 °С. При применении двух сепарационных элементов коэффициент сепарации изначально превышает 90 %. Наилучшим сочетанием оказалась комбинация из гидрофобного теплообменника и бифильной сетчатой насадки. Данное сочетание позволило получить коэффициент сепарации, равный 95 %, при максимальной эквивалентной скорости потока газа 10,9 м/с.
Как видно из рис. 4, применение гидрофобного теплообменного элемента с бифильной сетчатой насадкой повышает коэффициент сепарации капель из вертикального потока газа.

83.PNG

Обсуждение результатов опытнопромысловых испытаний экспериментальных образцов 

В изготовленном опытном образце сетчатых сепарационных устройств для промышленного сепаратора (рис. 5) были устранены следующие недостатки ранее использованной модели сепаратора: узкий диапазон гидродинамической эффективности; отсутствие распределительных и коалесцирующих сепарационных элементов; неравномерное распределение газа по объему сепаратора. Опытно-промысловые испытания (ОПИ) сепаратора проводились с целью повышения качества подготовки газа, поступающего на прием газотурбинной электростанции, путем модернизации сепаратора «X» на месторождении новыми внутренними устройствами производства ООО «ИВЦ «Инжехим», в том числе сетчатым каплеуловителем с гидрофобно-гидрофильным покрытием.

84.PNG

ОПИ проводились в два этапа: 1) испытание внутренних устройств с сетчатым каплеуловителем без обработки поверхности (центробежные элементы + сетчатый каплеуловитель); 2) испытание внутренних устройств, содержащих сетчатый каплеуловитель с модифицированной поверхностью (центробежные элементы + сетчатый каплеуловитель с гидрофобно-гидрофильным слоем).
Для проведения второго этапа испытаний специалистами РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина в ходе авторского сопровождения работ выполнена модификация сетчатого рукава, предоставленного ООО «ИВЦ «Инжехим». Сетчатый рукав был разделен на фрагменты таким образом, чтобы обеспечить их размещение в реакционной емкости и перемешивание реакционной смеси. Гидрофобность поверхности сетчатой насадки обеспечивалась сферическими образованиями, состоящими из оксида кремния. Данные образования имеют на поверхности чередующиеся этокси-группы и гексадецильные группы в соотношении 1:1. Наличие длинной алкидной цепи существенно влияет на гидрофобность получаемой поверхности. Укладка сетки в сетчатый каплеуловитель проведена по методике РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. Первый слой сетчатого каплеуловителя выполнен из трехслойного рукава: гофрированной супергидрофобный слой, гофрированный гидрофильный слой, гофрированный супергидрофобный слой. Плотность укладки составляла около 300 кг/м3.
При проведении ОПИ ежесуточно контролировались и регистрировались следующие параметры:
1) объем дренирования жидкости;
2) перепад давления на сепараторе;
3) температура газа;
4) состав газа на входе в сепаратор и выходе из него.
Кроме того, для определения эффективности работы новых внутренних устройств дополнительно выполнены исследования по определению содержания капельной жидкости в потоке газа:
1) до и после сепаратора ВС-1;
2) до и после сепаратора ВС-2 с установленными необработанными внутренними устройствами;
3) до и после сепаратора ВС-2 с установленными новыми устройствами с комбинированной поверхностью.
Модернизация элементов сепаратора ВС-2 позволила увеличить объем отделения дисперсной фазы (жидкости) от потока газа: на 0,63 % для модернизированного внутренними устройствами (без обработки поверхности); на 13,87 % для модернизированного внутренними устройствами с обработанной поверхностью. Кроме того, в модернизированном сепараторе наблюдалось существенное снижение перепада давления.

Дальнейшая модернизация сепаратора 

На основе результатов экспериментальных исследований и ОПИ выполнен эскиз перспективного опытнопромышленного изделия – конденсационного сепаратора, реализующего процесс сепарации с одновременной конденсацией. Разработаны 3D модель компоновки изделия, требования к проектированию его конструкции. Осуществляется оформление конструкторской документации. Рассчитан экономический эффект от применения рассмотренного сепаратора на выбранном для испытания месторождении. Изготовление конденсационного сепаратора и его опытно-промышленные испытания запланированы на 2020–2021 гг.

Список литературы 

1. Shirtcliffe N.J., McHale G., Newton M.I. Learning from superhydrophobic plants: The use of hydrophilic areas on superhydrophobic surfaces for droplet control // Langmuir. – 2009. – Т. 25. – № 24. – С. 14121–14128.
2. Super-Hydrophobic and Super-Oleophilic Coating Mesh Film for the Separation of Oil and Water / L. Feng, Z. Zhang, Z. Mai [et al.] // Angewandte Chemie International Edition. – 2004. – Т. 43. – № 15. – С. 2012–2014.
3. Super-hydrophobic surfaces to condensed micro-droplets at temperatures below the freezing point retard ice/frost formation / M. He, J. Wang, H. Li, Y. Song // Soft Matter. – 2011. – Т. 7. – № 8. – С. 3993.
4. Zhang P.A., Lv F.Y.Y. Review of the recent advances in superhydrophobic surfaces and the emerging energy-related applications // Energy. – 2015. – Т. 82. – Р. 1068–1087.
5. Jhee S., Lee K.-S., Kim W.-S. Effect of surface treatments on the frosting/defrosting behavior of a fin-tube heat exchanger // International Journal of Refrigeration. – 2002. – Т. 25. – № 8. – Р. 1047–1053.
6. Dropwise condensation on superhydrophobic surfaces with two-tier roughness /Chen C.-H., Cai Q., Tsai C. [et al.] // Applied Physics Letters. – 2007. – Т. 90. – № 17. – Р. 173108.
7. Boreyko J.B., Chen C.-H. Self-Propelled Dropwise Condensate on Superhydrophobic Surfaces // Physical Review Letters. – 2009. – Т. 103. – № 18. – Р. 184501.
8. Narhe R.D., Beysens D.A. Water condensation on a super-hydrophobic spike surface // Europhysics Letters (EPL). – 2006. – Т. 75. – № 1. – Р. 98–104.
9. Wu Y., Zhang C. Analysis of anti-condensation mechanism on superhydrophobic anodic aluminum oxide surface // Applied Thermal Engineering. – 2013. – Т. 58. – № 1–2. – Р. 664–669.
10. Zhang Experimental study of the effects of fin surface characteristics on defrosting behavior / Liang C., Wang F., Lü Y. [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2015. – Т. 75. – Р. 86–92.
11. Condensate drainage performance of a plain fin-and-tube heat exchanger constructed from anisotropic micro-grooved fins / A.D. Sommers, R. Yu, N.C. Okamoto, K. Upadhyayula // International Journal of Refrigeration. – 2012. – Т. 35. – № 6. – Р. 1766–1778. 

References 

1. Shirtcliffe N.J., McHale G., Newton M.I., Learning from superhydrophobic plants: The use of hydrophilic areas on superhydrophobic surfaces for droplet control, Langmuir, 2009, V. 25, no. 24, pp. 14121–14128.
2. Feng L., Zhang Z., Mai Z. et al., Super-hydrophobic and super-oleophilic coating mesh film for the separation of oil and water, Angewandte Chemie International Edition, 2004, V. 43, no. 15, pp. 2012–2014.
3. He M., Wang J., Li H., Song Y., Super-hydrophobic surfaces to condensed micro-droplets at temperatures below the freezing point retard ice/frost formation, Soft Matter, 2011, V. 7, no. 8, pp. 3993-4000.
4. Zhang P.A., Lv F.Y.Y., Review of the recent advances in superhydrophobic surfaces and the emerging energy-related applications, Energy, 2015, V. 82, pp. 1068–1087.
5. Jhee S., Lee K.-S., Kim W.-S., Effect of surface treatments on the frosting/defrosting behavior of a fin-tube heat exchanger, International Journal of Refrigeration, 2002, V. 25, no. 8, pp. 1047–1053.
6. Chen C.-H., Cai Q., Tsai C. et al., Dropwise condensation on superhydrophobic surfaces with two-tier roughness, Applied Physics Letters, 2007, V. 90, no. 17, pp. 173108.
7. Boreyko J.B., Chen C.-H., Self-propelled dropwise condensate on superhydrophobic surfaces, Physical Review Letters, 2009, V. 103, no. 18, pp. 184501.
8. Narhe R.D., Beysens D.A., Water condensation on a super-hydrophobic spike surface, Europhysics Letters (EPL), 2006, V. 75, no. 1, pp. 98–104.
9. Wu Y., Zhang C., Analysis of anti-condensation mechanism on superhydrophobic anodic aluminum oxide surface, Applied Thermal Engineering, 2013, V. 58, no. 1–2, pp. 664–669.
10. Liang C., Wang F., Lü Y. et al., Experimental study of the effects of fin surface characteristics on defrosting behavior, Applied Thermal Engineering, 2015, V. 75, pp. 86–92.
11. Sommers A.D., Yu R., Okamoto N.C., Upadhyayula K., Condensate drainage performance of a plain fin-and-tube heat exchanger constructed from anisotropic micro-grooved fins, International Journal of Refrigeration, 2012, V. 35, no. 6, pp. 1766–1778.

Возврат к списку