Механический расчет сепараторов

Наибольшее применение в системе подготовки нефти имеют сепараторы цилиндрической формы, и исключительно редко применяются сепараторы сферической формы.

При работе сепаратора стенки и днища его подвергаются действию равномерно распределенного избыточного давления Р. Силы, действующие на днище, стремятся разорвать цилиндрическую часть сепаратора по поперечному сечению (). Давление на боковые стенки стремится разорвать сосуд по образующим цилиндра () (рис. 14.1).

 

 

Рис. 14.1. Расчетная схема цилиндрического сепаратора на прочность.

а – внутреннее давление на корпус сепаратора; б – тангенциальные напряжения в стенках сепаратора

 

Обозначим соответственно диаметр, длину и толщину стенки сепаратора через ,  и , определим напряжения  и .

Силы, действующие на днище и растягивающие цилиндрическую часть сепаратора вдоль образующих, равны

.

(14.28)

Площадь, воспринимающая эти силы, представляет собой кольцо толщиной  и диаметром

.

(14.29)

Отсюда аксиальные напряжения, действующие вдоль оси цилиндра, будут равны:

.

(14.30)

Тангенциальные напряжения можно найти, разрезав сепаратор диаметральной плоскостью и отбросив верхнюю часть (рис. 14.1, б). На диаметральную плоскость в оставленной части сепаратора действует давление . Оно уравновешивается силами , растягивающими материал сепаратора в направлении, перпендикулярном образующим. При условии равновесия можно записать

.

(14.31)

Отсюда

,

(14.32)

и тангенциальное напряжение

,

(14.33)

Расчет ведут по напряжению , так как оно в два раза больше . В практических расчетах напряжение ₁ заменяют допускаемым напряжением , вводят коэффициент запаса прочности сварных швов  и, делая прибавку  на коррозию, получают расчетные формулы для определения толщины стенки  через внутренний, наружный и средний диаметры:

	,	(14.34)
	,	(14.35)
	.	(14.36)

Величина  принимается равной 2-3 мм. В практических расчетах сварных корпусов сепараторов, величину  можно принять равной 0,95, а допустимое напряжение на разрыв для сталей марки Ст3 = 250 МПа.

Толщину эллиптических днищ определяют по тем же формулам, что и толщину цилиндрической части сепаратора, с той лишь разницей, что в числители этих формул вводят коэффициент перенапряжения (фактор т. н. формы) , зависящий от отношения  (где  – высота выпуклости эллиптического днища). Коэффициент перенапряжения  в практических расчетах принимается равным 1,06.

Расчет нефтеловушки

Воды, поднимаемые на поверхность вместе с нефтью, называются пластовыми. При обезвоживании и обессоливании нефти на установке подготовки нефти, кроме пресной воды, добавляют еще различные ПАВ для разрушения эмульсий. Промысловые сточные воды, содержащие различные ПАВ, при использовании их при заводнении имеют преимущества перед пресными водами. Они обладают лучшей вытесняющей способностью нефти из продуктивных пород.

Однако утилизация пластовых сточных вод связана с рядом больших затруднений: необходимостью очистки этих вод от капелек нефти и механических примесей для предотвращения засорения призабойных зон нагнетательных скважин и поддержания высокой и постоянной их приемистости.

Поэтому отделившаяся на УПН отнефти свободная пластовая вода при открытой системе сбора, но содержащая еще в своем составе большое количество капелек нефти, сбрасывается в песколовку для удаления механических примесей. Из песколовок нефтяная эмульсия самотеком поступает в нефтеловушку, где при низкой скорости воды (до 0,03 м/с) из последней отделяются (всплывают) большие капли нефти (диаметром 0,5-1,0 мм), скапливаясь на поверхности воды нефтеловушки. Нефтеловушки, как правило, изготавливают из железобетона.

Капельки нефти от пластовой воды в нефтеловушке отделяются неравномерно. Основная масса этих капелек всплывает в течение первых 30 минут, а затем процесс замедляется. При расчетах нефтеловушек допускается, что скорость движения воды по всему сечению нефтеловушки одинакова, а скорость всплытия капелек нефти постоянна в течение всего времени.

При этих условиях для определения скорости всплытия шарообразных частиц нефти в пластовой воде используется формула Стокса:

		,			(14.37)
где			–	ускорение свободного падения, м/с2;
			–	диаметр всплывающих частиц нефти, м;
			–	кинематическая вязкость воды, м2/с;
	и		–	плотность соответственно воды и нефти, кг/м3.

Скорость перемещения капелек нефти представляет собой равнодействующую  вертикальной скорости всплытия капелек  и горизонтальной скорости движения воды вдоль нефтеловушки  (рис. 14.2).

Т. е. при заданной длине нефтеловушки  и высоте слоя воды в ней  (глубине) возможность задержания капелек нефти будет зависеть от соотношения скоростей  и .

 

 

Рис. 14.2. Схема нефтеловушки

 

Скорость движения воды в нефтеловушке принимается равной 0,01 – 0,03 м/с. Зная расчетную скорость всплытия капелек нефти и заданную производительность нефтеловушки Q_В (м³/с), можно определить ее линейные размеры: глубину Н, длину L, ширину В. Для этого сначала, исходя их условия неразрывности потока, определяют живое сечение (м²) нефтеловушки

		,			(14.38)
где
;
			–	суточный объем сточной воды, м3;
			–	время, сут.

А затем из подобия треугольников (рис. 14.2) находят соотношения между величинами , ,  и

.

(14.39)

Практикой установлено, что нефтеловушки работают более эффективно при соотношении  от 1/10 до 1/20.

Наименьшая длина нефтеловушки, обеспечивающая задержание капелек нефти, равна

.

(14.40)

Расчетная продолжительность отстаивания определяется по формуле:

.

(14.41)

Ширина нефтеловушки определяется из выражения:

	,	(14.42)
откуда
.