تحقیق مقاله تجهیزات جداکننده سیالات چند فازی

چکیده :

در خطوط انتقال گاز طبیعی از دریا به تجهیزات ساحلی، بدلیل تغییرات دما و فشار مقداری مایع در خط لوله تشکیل می‎شود. ورود این مایعات یا لخته ها به عملیات و تجهیزات فرآیندی موجب بروز مشکلات مکانیکی و فرآیندی خواهد شد. لذا جداسازی لخته ها اولین و مهمترین گام پیش از شروع فرآیندهای پایین دستی می‎باشد. لخته گیرهای لوله ای شکل از جمله تجهیزات مورد استفاده برای جداسازی لخته ها می باشند. طراحی صحیح و اصولی آنها نقش مهمی در کیفیت محصول و تصفین سلامت تجهیزات ایفا می‎کند.

مقدمه :

استفاده از سوختهای هیدروکربنی بعنوان یک سوخت مناسب در صنایع مختلف نفت، گاز و پتروشیمی در طی دهه های اخیر بشدت گسترش یافته است. از آنجا که اکثر مخازن هیدروکربوری در مناطقی قرار دارند که نصب یک سیستم جداکننده با کارآیی بالا و استفاده از دو خط لوله مجزا برای انتقال فازهای نفت و گاز از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. لازم است نفت و گاز تولیدی از مخازن هیدوکربوری از طریق خط لوله به اندازه و فواصل متنوعی انتقال داده شود. بهرحال در بیشتر مواقع بعلت عوامل مختلف از جمله تغییر رفتار فازی مخلوط تکفازی که با تغییرات اجتناب ناپذیر دما و فشار در طول خط لوله انتقال جریان همراه شده است، هیدروکربنهای سنگین بصورت مایع کندانس شده و خط لوله مذکور در معرض انتقال جریان دو فازی نفت و گاز قرار می‎گیرد. ورود مایعات تجمع یافته که به عنوان لخته نامیده می‎شوند، به محصولات و تجهیزات فرآیندی موجب مشکلات مکانیکی و فرآیندی می‎شود. لذا اولین فرآیند در انتهای خط لوله سیالات تفکیک گاز و مایع از یکدیگر است که این امر در دستگاههای تفکیک کننده انجام می‎گیرد. تفکیک کننده دارای انواع مختلفی هستند. استفاده از یک جداکننده مناسب موجب افزایش کیفیت محصولات و صرفه جویی در هزینه های اقتصادی می‎شود.

فصل اول

تجهیزات جداکننده چند فازی

مقدمه :

طراحی تجهیزات جداکننده مایع از بخار تقریباً در تمام فرآیندها ضروری است. طراحی یک سیستم جداکننده ساده ممکن است در فرآیندهای مختلف مانند برجهای تقطیر، لخته گیرها (در جریانهای دو فازی)، نمک زدائیها و … باشد. در این فصل انواع جداکننده ها، اساس کار آنها و همچنین محاسبه پارامترهای موردنیاز طراحی آنها توضیح داده شده است.

اصول جداسازی :

سه عامل اساسی برای جداسازی فیزیکی گاز و مایع یا جامد بکار برده می‎شود که عبارتند از نیروی مومنتم، جاذبه ته نشینی (گرانش) و نیروی بهم آمیختگی یا انعقاد. هر جداکننده ممکن است از یک یا تعداد بیشتری از این عوامل استفاده کند، اما فازهای سیال باید غیرقابل امتزاج و دانسیته های مختلفی را دارا باشند تا جداسازی اتفاق بیفتد.

انواع جداکننده ها

جداکننده های فیلتری : Filter Seprators

این جدا کننده ها معمولاً دو قسمت دارند. قسمت اولیه شامل عناصر‌ صافی- منعقد کننده می‎باشد. جریان گاز درون این عناصر جریان می یابد. ذرات مایع بهم آمیخته و به صورت قطرات بزرگتر درمی آیند و وقتی به اندازه و سایز کافی رسیدند جریان گاز آنها را از المانهای صافی به درون هسته های مرکزی می‎برد. ذرات سپس به درون بخش ثانویه ظرف (شامل یک نوع پره و یک نم گیر سیمی) حمل می‎شوند، در این قسمت ذرات بزرگتر جدا می‎شوند. در قسمت پایین از یک بشکه یا مخزن برای گرفتن امواج مایع یا ذخیره مایع جدا شده استفاده می‎شود.

تانک فلش : Flash tank

شامل یک ظرف است که برای جداکردن گاز بیرون رانده شده از مایعی که تبخیر ناگهانی شده بعلت افت فشار از یک فشار بالا به فشار پایین، به کار برده می‎شود.

Line Drip

بطور کلی در خطوط لوله ای که نسبت گاز به مایع در آن خیلی زیاد باشد، بکار برده می‎شود. و فقط برای جدا کردن مایع آزاد از بخار گاز استفاده می‎شود و جدا کردن تمام مایع ضروری نیست. این وسیله فضایی را برای جداسازی و تجمع مایعات آزاد ایجاد می‎کند.

جداکننده های مایع- مایع : Liquid- Liquid seprator

دو فاز غیرقابل استخراج مایع می‎توانند با استفاده از نیروهای همانند نیروهای جداسازی گاز- مایع از یکدیگر جدا شوند. جداکننده های مایع- مایع بطور پدیده ای شبیه جداکننده های گاز- مایع هستند به استثنای اینکه آنها برای سرعتهای خیلی کمتری باید طراحی شوند. چون اختلاف دانسیته دومایع از مایع و گاز کمتر است بنابراین جداسازی مشکل‌تر است.

Scrubber or Konckout

یک ظرف طراحی شده برای جریانهای با نسبت زیاد گاز به مایع، بطور کلی مایع بصورت ذرات ریز در گاز یا بصورت آزاد در طول دیواره لوله می‎باشد. این ظروف معمولاً بخش جمع کننده مایع کوچکتری دارند. اصطلاحات اغلب به جا یکدیگر استفاده می‎شوند.

جداکننده : Seprator

یک ظرف برای جدا کردن جریان فازی مخلوط به فازهای کاملاً جدا از هم مایع و گاز بکار می رود. اصطلاحات دیگر که به کار برده می‎شوند عبارتند از اسکرابر،‌ ناک اوت، Linedrips و دکنتور.

لخته گیر: Slug catcher

طراحی یک جداکننده ویژه که قادر به جذب مقدار زیادی جریانی با حجم زیاد مایع و در فواصل نامنظم می‎باشد. معمولاً در سیستمهای جمع کننده گاز یا دیگر سیستمهای خطوط لوله دو فازی بکار می رود. یک لخته گیر ممکن است یک ظرف بزرگ تکفازی و یا سیستم متعددی از چند لوله باشد.

جداکننده های سه فازی Three phase seprator

یک ظرف که برای جداکردن گاز و دو مایع امتزاج ناپذیر با دانسیته های متفاوت بکار می رود (گاز، آب ، نفت)

مومنتم :

فازهای سیال با دانسیته های مختلف مومنتم های مختلفی دارند. اگر مسیر یک جریان دو فازی بطور ناگهانی و سریع تغییر کند، مومنتم بزرگتر به ذرات فاز سنگین تر اجازه نمی دهد با همان سرعت سیال سبکتر بچرخد، بنابراین جداسازی اتفاق می افتد. مومنتم معمولاً برای جداسازی بالک دو فاز در یک جریان بکار می رود.

جاذبه ته نشینی (گرانش)

اگر نیروی گرانروی عمل کننده روی قطرات بزرگتر از نیروی درگ گاز جاری در اطراف قطره باشد،‌ قطرات مایع از فاز گاز ته نشین خواهند شد. (شکل 2). این نیروها می‎توانند به صورت ریاضی توصیف شوند با استفاده از سرعت نهایی با سرعت ته نشینی آزاد.

(1)(شکل در فایل اصلی موجود است)

ضریب درگ تابعی از شکل ذرات و عدد رینولدز گاز جاری می‎باشد. شکل ذره به صورت یک جامد صلب کروی در نظر گرفته شده است.

           (2)(شکل در فایل اصلی موجود است)

برای این فرم، راه حل سعی و خطا تا زمانیکه Dp و سرعت ظاهری Vt درگیراند، لازم است. برای اجتناب از سعی و خطا مقدار ضریب درگ بصورت تابعی از ضریب درگ (محور عمودی) ضریب درگ ضربدر مجذور عدد رینولدز (محور افقی) در شکل موجود است. در این روش سرعت از عبارت حذف می‎شود.

قانون نیوتن: برای ذرات نسبتاً بزرگ (تقریباً 1000 mic و بزرگتر) نیروی جاذبه ته نشینی بوسیله قانون نیوتن تعریف می‎شود. (شکل 4)

 حد ضریب درگ در عدد رینولدز بیشتر از 500 برابر 44/0 است. جایگذاری 44/0=  در معادله معادله قانون نیوتن را تولید می‎کند.

برای قانون نیوتن، حد بالای عدد رینولدز است.

قانون استوک :

در اعداد رینولدز پایین (کمتر از 2) یک رابطه خطی بین نیروی درگ و عدد رینولدز وجود دارد. (جریان آرام). در این صورت قانون استوک به صورت معادله 1 بیان می‎شود.

قطر ذرات ناشی از عدد رینولدز 2 با استفاده از مقدار  در معادله 5 می‎تواند بدست آید.

حد پایین برای کاربرد قانون استوک، قطر ذرات تقریباً  3 mic است. حد بالا حدوداً ذرات با قطر 100 micr است.

خلاصه این معادلات در شکل 4 نشان داده شده است.

منعقد شدن و بهم آمیختن

قطرات خیلی کوچک مثل مه و غبار بویژه توسط نیروی گرانش نمی توانند جدا شوند. این قطرات زمانیکه بصورت قطرات بزرگتر درآیند می‎توانند توسط نیروی گرانش ته نشین شوند. ابزار انعقاد در جدا کننده ها گاز را وادار به پیگیری یک مسیر پیچاپیچ می‎کند.

مومنتم قطرات موجب می‎شود  که آنها با یکدیگر (دیگر قطرات) برخورد کنند، یا شیوه انعقاد، قطرات بزرگتری ایجاد می‎کند. این قطرات بزرگ سپس می‎توانند توسط نیروی گرانش از فاز گاز جدا شوند. صفحه مشبک سیمی و المانهای ون و کارتریج های فیلتری مثالهای از ابزارهای انعقادسازی هستند.

طراحی جداکننده و ساخت آن

جداکننده معمولاً بصورت عمودی، افقی و یا کروی شکل هستند. جداکننده عمودی می‎توانند 2 یا 3 بشکه باشند و می‎توانند با مخزن ها یا بشکه جمع کننده مجهز شده باشند.

اجزاء یک جداکننده:

صرفنظر از شکل، ظروف جداکننده معمولاً شامل 4 بخش اصلی هستند بعلاوه کنترلرهای مهم. این بخشها در ظروف افقی و عمودی در شکل 5 نشان داده شده است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)