Авторы: Г.С. Яицких, C.С. Демченко (АО «ИПН»);
С.А. Пищида (ООО «НОВАТЭК Усть- Луга»);
К.П. Кулаков (АО «ИПН»)
Опубликовано на портале «Химическая техника», декабрь 2025
Сепарационное оборудование широко применяется практически на всех предприятиях добычи и переработки нефти и газа, химической промышленности, производства удобрений, пищевой промышленности и т.д.
АО «ИПН» за последние 20 лет разработало десятки проектов реконструкции спроектированных и построенных ранее технологических установок, имеющих в своём составе сепараторы различных конструкций. В результате поверочных расчётов технологического оборудования этих установок было выявлено, что расчёты примерно половины сепараторов выполнены некорректно. В некоторых случаях сепараторы не обеспечивали регламентные параметры технологического процесса по причине недостаточного объёма или неправильной конструкции. В других случаях сепараторы имели объём, иногда в 2 раза превышающий необходимый, что в свою очередь привело к значительным избыточным затратам при строительстве и эксплуатации технологических установок.
В статье приведены основные подходы к правильному расчёту сепарационного оборудования.
С чего обычно начинает расчёт сепаратора технолог? Самый распространенный путь, который признан мировым инженерным сообществом, это расчет допустимой скорости осаждения или всплытия сферической частицы (капли) диаметром d. В литературе можно встретить множество вариантов формулы для расчета допустимой скорости в зависимости от числа Рейнольдса и других факторов. Мы приведем наиболее известную форму – уравнение Стокса:
где Vt – скорость осаждения или всплытия частицы; – ускорение свободного падения; ρd – плотность частицы (дисперсной фазы); ρc – плотность дисперсионной среды; μc – вязкость дисперсионной среды; d – диаметр частицы (капли).
Легко заметить, что для расчета по уравнению Стокса необходимо иметь только два типа данных: теплофизические свойства разделяемых сред и размер капли. Теплофизические свойства могут быть легко получены технологом из данных опросного листа, базового проекта или рассчитаны самостоятельно на основании составов сред. А что с размером капли? В своей практике специалисты АО «ИПН» не встречали, чтобы кто-нибудь в опросном листе или базовом проекте указывал требования к сепарации через размер капли. Обычно указывают %-ное содержание одной фазы в другой или допустимый унос для одной из фаз в кг/с, а ведь уравнение Стокса позволяет только рассчитать допустимую скорость осаждения капли и гарантировать, что если вы не будете ее превышать, то капли размером d точно будут отделены от дисперсионной среды. Но при этом уравнение Стокса ничего не говорит об уносе, т. е. не позволяет количественно в кг/с или % определить качество сепарации.
Таким образом, мы получили дилемму, когда технолог должен рассчитать сепаратор, чтобы гарантировать требуемое качество сепарации, но при этом зачастую у него нет полных исходных данных от заказчика, которые он мог бы использовать для расчета. В такой ситуации ничего не остается, как разобраться в вопросе самостоятельно и рассказать заказчику, как и что у него будет работать.
А что, если бы нам было известно, сколько капель различного размера содержится в исходной смеси? Например, доля капель диаметром более 100 мкм составляет 30%, а доля капель диаметром от 100 до 40 мкм составляют 69%. Тогда мы могли бы, рассчитав сепаратор на удаление капель размером 40 мкм, гарантировать качество сепарации не ниже 30+69 = 99%.
Таким образом, для расчета качества сепарации и корректной оценки диаметра удаляемых капель нам надо знать распределение капель по размерам в исходной смеси. Распределение капель по размеру зависит от метода или способа диспергирования, т. е. от того, каким способом была получена разделяемая смесь. На рис. 1 представлены данные по размеру капель в смеси пар–жидкость в зависимости от способа получения.
Из рис. 1 видно, что размер капель может отличаться в 100 раз в зависимости от процесса, в котором была получена смесь, поступающая в сепаратор. Например, рассчитав сепаратор на удаление капель размером 40 мкм для смеси пара и жидкости, которая была получена в результате конденсации насыщенных паров, получаем сепаратор, который ровным счётом не удаляет никаких капель из потока газа, так как таких больших капель там просто нет. Если рассчитать сепаратор для удаления капель размером 5 мкм, которые получены в результате движения двухфазного потока пара и жидкости по трубопроводу, то мы получим сепаратор, который работает с эффективностью, близкой к 100%, но заказчик зря потратил свои средства на дорогостоящие внутренние устройства. Таких маленьких капель с размером 5 мкм в потоке практически нет.
Для систем жидкость–жидкость распределение размеров капель в общем случае зависит от количества рассеиваемой энергии, т. е. энергии, которая была потрачена на дробление капель (смешение и перемешивание). Источники этой энергии могут быть весьма разнообразные: трение в трубопроводе, местные сопротивления, статический смеситель, регулирующий клапан, диафрагма, насос и т.д.
В качестве примера специалисты АО «ИПН» с помощью программы SEPSim, выполнили расчет распределения капель по размеру для смеси двух жидкостей – СУГ (дисперсионная среда) и раствор амина (дисперсная фаза), в зависимости от способа смешения: трубопровод, статический смеситель с перепадом давления 30 кПа, смесительный клапан с перепадом давления 95 кПа. Результаты расчёта представлены на рис. 2.
По оси абсцисс отложен размер капель, а по оси ординат суммарное содержание капель до интересующего нас размера. По представленным данным мы можем количественно определить содержание капель определенного размера. Например, после смешения в статическом смесителе доля капель менее 100 мкм составляет 5%, при смешении в клапане доля таких капель составляет уже 15%, а при обычном смешении в трубопроводе капель размером менее 100 мкм практически нет.
Располагая такими данными, можно не только правильно подобрать оптимальную конструкцию нового сепаратора, но и оценить работу существующего оборудования при изменении рабочих условий.
Представим ситуацию, когда у заказчика отлично работал объемный сепаратор по разделению СУГ и слабого раствора амина (водная промывка амина, эскиз представлен на рис. 3). Смешение СУГ и промывочной воды производилось в трубопроводе без использования каких-либо дополнительных устройств. Амин – достаточно дорогостоящий реагент, и заказчик решил бороться с его потерей, в частности, снизить потери амина из-за растворимости в СУГ. С этой целью заказчик решает установить статический смеситель, чтобы увеличить площадь поверхности контакта фаз СУГ–промывочная вода и тем самым улучшить извлечение амина из СУГ в воду. Строит, запускает и получает обратный эффект – потери амина увеличились: работа блока щелочной очистки СУГ от меркаптанов нарушена из-за вспенивания щелочи.
Разобраться в проблеме поможет программа SEPSim для расчета сепарационного оборудования, которая позволяет не только рассчитать оптимальную конструкцию сепаратора, но и оценить эффективность его работы.
Имеющийся у заказчика объемный сепаратор отлично справляется с удалением капель размером более 60 мкм и в его работе с установкой статического смесителя ничего не изменилось, он по-прежнему отлично удаляет капли размером более 60 мкм. А что же тогда изменилось? Изменилась доля таких капель. Если раньше почти все капли имели размер более 60 мкм и с их удалением не было никаких проблем, то после установки статического смесителя 4% капель имеют размер менее 60 мкм и не могут быть удалены в объемном сепараторе. Расчет уноса амина в программе SEPSim показал, что после установки статического смесителя он увеличился в 100 раз (см. таблицу).
После установки статического смесителя заказчик действительно увеличил извлечение остатков дорогостоящего амина из очищенного СУГ водой. В то же время многократно возросли потери амина в виде капель (водного раствора амина) размером менее 60 мкм за счет физического уноса из-за невозможности качественно отделить одну фазу от другой в имеющемся старом объёмном сепараторе. В итоге потери амина на данной технологической установке многократно увеличились.
Для того чтобы физический унос (не за счет растворимости) амина потоком СУГ после установки статического смесителя остался на прежнем уровне, необходимо было произвести и модернизацию сепаратора. Расчет в программе SEPSim показал, что для этого необходимо организовать удаление капель размером более 27 мкм, что в существующем объемном сепараторе сделать невозможно, а, следовательно, сепаратор надо оснастить коалесцирующим устройством, как показано на рис. 4. Это позволит действительно снизить потери амина на технологической установке.
Так какой же ответ на вопрос, поставленный в названии статьи? Прежде, чем делать первый шаг в расчете сепаратора по определению допустимой скорости, надо сделать «нулевой» шаг и досконально выяснить историю происхождения смеси, которую необходимо разделить. Далее, применяя программу SEPSim, можно точно рассчитать необходимый объём сепаратора, его размеры и подобрать при необходимости коалесцирующее устройство. Такой порядок расчёта оборудования гарантирует качественную работу сепаратора при оптимальных затратах на его изготовление и эксплуатацию.
