Введение В 2009 г. на Северном Каспии с помощью ледостойкой платформы ЛСП-1 началась разработка месторождения им. Юрия Корчагина [1]. В настоящее время добыча попутного газа превышает проектное значение в 1,5 раза. Этот избыток газа можно направить на сепарацию нефти методом противоточной отдувки, поскольку газ, оставшийся в нефти, уносит с собой некоторое количество «ценных» легких углеводородов, выделяясь в резервуарах. Такие потери, по разным данным, достигают от 2 до 5 % общей добычи нефти. По этой причине все еще актуален поиск новых способов отделения газа. За последние два десятилетия разработана технология сепарации нефти при помощи противоточного пропускания нефти и газа в каналах контактной насадки, представляющей собой пакет гофрированных пластин, закрепленных в колонном аппарате [2]. Сепарация методом отдувки проводится в вертикальных аппаратах, более компактных по сравнению с горизонтальными сепараторами, что актуально для морских нефтедобывающих платформ. Схема подготовки нефти методом отдувки предусматривает подачу газа с первых ступеней сепарации в вертикальный сепаратор последней ступени в направлении противоположном движению нефти. Известно, что при пропускании газа происходит унос некоторого количества легких углеводородов газом и снижение температуры нефти на выходе из сепараторов [2, 3], но связи этих процессов никто не исследовал. Целью нашей работы являлось экспериментальное исследование сепарации нефти методом отдувки в колонном аппарате и изучение сопутствующего процесса теплообмена. Задачи исследования - создание лабораторной установки, проведение экспериментов по дегазации и теплообмену, анализ полученных данных. Экспериментальная работа К настоящему времени созданы и эксплуатируются колонны, предназначенные для отдувки от товарной нефти остатков попутного газа и сероводорода. Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что соотношение расхода нефти и газа должно быть не менее 1 : 5 соответственно [4]. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к уносу нефти продувочным газом. В [5] описана конструкция насадки, опробованной экспериментально. Насадка имеет следующие преимущества: течение жидкости по наклонным плоскостям большей площади, наличие в изогнутых каналах насадки мест для скопления жидкости, простота изготовления за счет отсутствия вертикальных струн между пластинами. Течение жидкости носит ламинарный характер, а взаимодействие с газом происходит в пленочном режиме, что исключает возможность пенообразования. Газовые пузырьки, содержащиеся в нефти, соединяются в объеме пленки, стекающей по поверхности насадки, с пузырьками продувочного газа, образующимися за счет его противоточной подачи. Существенный недостаток конструкции, описанной в [3], - наличие вертикальных струн между гофрированными пластинами и, следовательно, относительная сложность ее изготовления. Проверку предлагаемой конструкции производили на установке, схема которой представлена на рис. 1. В целях безопасности, а также основываясь на теории подобия, мы решили проводить эксперименты на воде, поэтому далее будем рассматривать зависимости с учетом свойств этого вещества. В состав установки входят два контура - контур газонасыщения и контур разгазирования. Контур газонасыщения состоит из емкости сатуратора 1 для приготовления газонасыщенного раствора и циркуляционного насоса 3 для непрерывного обращения жидкости через емкость 1. В этот контур подается также газ для смешивания с жидкостью, а качество получаемой смеси контролируется посредством отбора проб через пробоотборную точку 6. На выходном патрубке сатуратора установлена термопара для контроля температуры циркулирующей жидкости. Рис. 1. Схема лабораторной установки Контур сепарации состоит из экспериментального сепаратора 2, представляющего собой короб размерами 250 × 200 × 1500 мм с четырьмя отверстиями, в верхней части которого помещены распределитель жидкости и исследуемая контактная насадка высотой 700 мм, а в нижней, высотой 400 мм, скапливается отсепарированная жидкость; циркуляционного вихревого насоса 4 для выкачивания жидкости в контур газонасыщения; компрессора (не показан). Качество сепарации контролируется посредством отбора проб через пробоотборную точку 5. Общий вид установки представлен на рис. 2. В качестве расходомеров в контурах использовались счетчики для воды СГВ-16, а расход газа отдувки измерялся счетчиками газа СГБМ-1,6. Температура измерялась термодатчиками, входящими в состав цифрового термометра BM1707. Установка работает следующим образом: жидкость циркулирует в контуре газонасыщения до полного насыщения рабочей жидкости газом при заданном давлении, затем открывается кран перед камерой сепаратора, и жидкость поступает на дегазацию. Одновременно с подачей жидкости в камеру сепаратора осуществляется подача газа продувки в камеру. По мере накопления жидкости в нижней части камеры сепарации включается насос и начинается опорожнение нижней части камеры. Это позволяет поддерживать уровень жидкости на одной отметке и осуществлять непрерывное газонасыщение и дегазацию [5]. Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки Эксперименты начинали с соотношения расхода жидкости (12-15 л/мин) и газа (70-90 л/мин) 1 : 6 и постепенно уменьшали подачу газа (до 20 л/мин), при это сначала необходимо было добиться стабильности протекания двух противоположных процессов - насыщения жидкости газом и дегазации. Затем постепенно уменьшали подачу газа при постоянном расходе жидкости [6]. На рис. 3 приведен обобщенный график зависимости соотношения расхода жикости и газа и остаточного содержания газа в пробах, отобранных после камеры сепарации. Рис. 3. Диаграмма зависимости соотношения расхода жидкости и газа и остаточного содержания газа При снижении расхода газа (1 : 3 и менее) наблюдается повышение остаточного содержания газа в пробе. При соотношении 1 : 3,5 наблюдается переход к приемлемому значению и с повышением расхода газа отдувки оно практически не меняется. Природа процесса снижения температуры при пропускании газа через жидкость заключается в испарении жидкости в объем газовых пузырей, перемещающихся в ней. Для оценки условий, приводящих к снижению температуры жидкости в процессе отдувки, использовалось соотношение Q = r · m, (1) где Q - количество теплоты; r - теплота парообразования при определенной температуре; m - масса вещества. Изменение количества теплоты для воды будет оцениваться выражением dQж = сж·mж·dt, (2) где сж - теплоемкость жидкости; mж - масса жидкости; dt - изменение температуры. Значение удельной теплоты парообразования воды увеличивается с уменьшением температуры от 2,26 МДж/кг для 100 ºС до 2,47 МДж/кг для 10 ºС; в свою очередь, давление насыщенных паров увеличивается с повышением температуры и равно 1227 Па для 10 ºС и 0,101 МПа для 100 ºС [7]. Расчет по формулам (1) и (2) при использовании данных теплоемкости и теплоты парообразования для воды позволяет сделать вывод, что кривая изменения температуры падает тем сильнее, чем она выше. При пропускании через толщу жидкости воздуха с постоянным расходом может наступить такой момент, при котором испарение в объем газового пузыря прекратится. Сходный эффект наблюдается при сепарации и отстаивании нефти. Отметим, что легкие углеводороды с высоким давление насыщенных паров выделяются в газообразном виде, что приводит к нежелательным потерям. Для исследования процесса теплообмена при отдувке в установку были внесены изменения - вместо камеры установили вертикальную трубу диаметром 50 мм и высотой 1,5 м, внутри которой сверху и снизу поместили термодатчики с выводом графиков на компьютер. В трубу заливался 1 кг жидкости (воды или смеси воды и изопропилового спирта), а снизу, через штуцер диаметром 10 мм, подавался воздух с постоянным расходом. На рис. 4 приведены результаты эксперимента. Рис. 4. Зависимость изменения температуры жидкости от времени. Цифрами отмечен расход воздуха, л/мин: 1-4 -для смеси спирта и воды: 1 - 24; 2 - 31; 3 - 33; 4 - 58; 5-8 - для чистой воды: 5 - 22; 6 - 28,5; 7 - 47; 8 - 43,6 Как видно из рис. 4, чем выше температура жидкости, тем больше разница значений начальной и конечной температуры и падение температуры происходит более интенсивно, что обусловлено высоким значением давления насыщенных паров. При пропускании газа с постоянным расходом (например, 30 л/мин) наступает момент (22,2 ºС), когда температура жидкости не меняется. Для дальнейшего снижения температуры было необходимо увеличить расход воздуха. Этот же эффект характерен и для смеси воды и изопропилового спирта. Это свидетельствует о том, что давление насыщенных паров для данной температуры минимально, испарение более не происходит и подаваемый воздух уносит максимальное для его расхода количество теплоты. Это обстоятельство накладывает ограничение на количество газа, подаваемого на отдувку, т. е. соотношение расхода жидкости и газа должно лимитироваться оптимальными значениями, при которых остаточное содержание газа и унос жидкости (легких компонентов) из аппарата будут минимальными. Выводы Обработка экспериментальных данных показала, что: 1. Предлагаемая конструкция позволяет добиться эффекта, описанного в литературе, при меньших расходах газа отдувки - 1 : 3,5 при объемном расходе жидкости 12-15 л/мин, против опробованных 1 : 5; газосодержание снижается с 4 % до величины менее 0,5 %. 2. Расход газа отдувки является фактором, влияющим на унос легких фракций из аппарата, и должен лимитироваться оптимальным значением, при котором остаточное содержание газа и унос жидкости (легких компонентов) из аппарата будут минимальными. 3. Исследованная насадка позволяет снизить расход газа, подаваемого в сепаратор, а следовательно, и нагрузку на компрессоры дожимных станций нефтедобывающей платформы. 4. Необходимо ограничивать температуру нефти на входе в аппарат так, чтобы давление насыщенных паров нефти, выводимой из аппарата, было минимальным.