priprema nafte za transport1

Prof. dr. sc. Katarina Simon

SABIRANJE I TRANSPORT NAFTE I PLINA IPriprema nafte za transport

Zagreb, 2010.

Sadraj1. UVOD......................................................................................................................................... 82. TEHNOLOGIJA PRIPREME NAFTE ZA TRANSPORT...................................................... 102.1. Prikupljanje nafte .............................................................................................................. 102.2. Priprema nafte za transport ............................................................................................... 112.2.1. Separacija nafte ......................................................................................................... 112.2.2. Dehidracija nafte ....................................................................................................... 132.2.3. Skladitenje nafte ...................................................................................................... 13

2.3. Transport nafte .................................................................................................................. 133. SEPARACIJA (ODVAJANJE) KAPLJEVINE I PLINA ........................................................ 153.1. Separatori .......................................................................................................................... 213.1.1. Unutranja oprema separatora................................................................................... 243.1.2. Podjela separatora ..................................................................................................... 33

4. TEORIJSKA OSNOVA SEPARACIJE I ODABIR SEPARATORA ..................................... 584.1. Vrijeme zadravanja kapljevine........................................................................................ 584.1.1. Separacija plin-kapljevina......................................................................................... 584.1.2. Separacija plin-nafta-voda ........................................................................................ 59

4.2. Gravitacijsko odvajanje .................................................................................................... 604.2.1. Uspravni separatori ................................................................................................... 604.2.2. Vodoravni separatori................................................................................................. 63

4.3. Razmatranje konstrukcije i dimenzija separatora ............................................................. 694.3.1. Stvarna duljina separatora......................................................................................... 704.3.2. Unutranji elementi za hvatanje kapljica .................................................................. 714.3.3. Prikljuni vodovi....................................................................................................... 724.3.4. Optimalni odnos duljine i promjera separatora......................................................... 72

5. DEHIDRACIJA NAFTE .......................................................................................................... 745.1. Emulzije ............................................................................................................................ 745.1.1. Tipovi emulzija ......................................................................................................... 765.1.2. Stabilnost emulzija.................................................................................................... 78

5.2. Razbijanje emulzija........................................................................................................... 825.2.1. Razbijanje emulzija upotrebom kemijskih sredstava................................................ 825.2.2. Razbijanje emulzija primjenom topline .................................................................... 855.2.3. Razbijanje emulzija djelovanjem elektrine struje ................................................... 86

5.3. Ureaji za odvajanje vode iz kapljevine ........................................................................... 875.3.1. Ureaji za odvajanje slobodne vode ......................................................................... 875.3.2. Ureaji za razbijanje emilzija ................................................................................... 89

6. PRIPREMA NAFTE ZA TRANSPORT NA POLJU UTICA .............................................. 976.1. Naftno polje utica ........................................................................................................... 976.2. Opis sustava za sabiranje nafte i naftnog plina ................................................................. 976.2.1. Mjerna stanica ........................................................................................................... 986.2.2. Otpremna stanica utica ......................................................................................... 102

7. LITERATURA ....................................................................................................................... 106

Popis slikaSlika 3-1. Sastav opreme pri jednostupanjskoj separaciji................................................................. 16Slika 3-2. Sastav opreme pri viestupanjskoj separaciji ................................................................... 17Slika 3-3. Utjecaj tlaka na izdvajanje koliine kapljevine u separatoru i spremniku (Arnold &Stewart, 2008) ................................................................................................................................... 18Slika 3-4. Unutranjost separatora .................................................................................................... 23Slika 3-5. Tipovi pregrada: a) tangencijalne ploa, b) sfera i c) ljeb za ulaz smjese s vrha (NATCO2008) ................................................................................................................................................. 25Slika 3-6. Pregrada s lopaticama (Zeta-pdm Ltd 2008).................................................................... 25Slika 3-7. Prikaz rada ciklonskog elementa i neke njegove izvedbe (Aker Solutions; SulzerChemtech Ltd 2008) ......................................................................................................................... 26Slika 3-8. Shema otpjenjivaa u separatoru (Arnold & Stewart, 2008)............................................ 27Slika 3-9. Utjecaj pregrada na valjanje kapljevine i izgled pregrade (HAT International 2008) ..... 27Slika 3-10. Mogua mjesta stvaranja vrtloga u separatoru i osnovni tipovi razbijaa vrtloga(Arnold & Stewart, 2008) ................................................................................................................. 28Slika 3-11. Hvatai kapljica razliite konstrukcije (AMISTCO 2008)............................................. 29Slika 3-12. Mogui elementi u hvatau kapljica (HAT International 2008) .................................... 30Slika 3-13. Centrifugalna cijev za uklanjanje kapljica iz struje plina (HAT International 2008) .... 30Slika 3-14. Mogui razmjetaj koalescera i hvataa kapljica (AMISTCO 2008)............................. 31Slika 3-15. Kombinacije blokova ploa, element prije ugradnje i primjer naboranih ploa (FacetInternational 2008)............................................................................................................................ 32Slika 3-16. Sustav za ispiranje (HAT International 2008)................................................................ 33Slika 3-17.Vodoravni separator ........................................................................................................ 36Slika 3-18. Odnos debljine sloja vode i vremena (Arnold & Stewart, 2008) ................................... 37Slika 3-19. Vodoravni trofazni separator s pregradom..................................................................... 37Slika 3-20. Vodoravni trofazni separator s posudom i pregradama.................................................. 38Slika 3-21. Shema uspravnog dvofaznog separatora ........................................................................ 40Slika 3-22. Uspravni trofazni separator ............................................................................................ 41Slika 3-23. Mogua izvedba trofaznih uspravnih separatora............................................................ 42Slika 3-24. Kuglasti separator (Arnold & Stewart, 2008) ................................................................ 43Slika 3-25. Ciklonski separator i mogue izvedbe tangencijalnog ulaza (BS&B 2008) .................. 44Slika 3-26. Shema nagnutog vodoravnog separatora i izgled u praksi (Corlac Industries, 2008) .... 45Slika 3-27. Vodoravni separator s dvije posude (Hamid & Kamaruddin, 2006).............................. 46Slika 3-28. Dvofazni separator sa izmom.................................................................................... 47Slika 3-29.Trofazni separator sa izmom...................................................................................... 47Slika 3-30.Vodoravni i uspravni odvaja vode................................................................................. 48Slika 3-31. Vodoravni separator s dvojnim protokom (NATCO, 2008) .......................................... 49Slika 3-32. Separator s funkcijom etverostrukog razdvajanja izlaznog protoka nafte (Arnold &Stewart, 2008) ................................................................................................................................... 50Slika 3-33. Filtar separator (Pall Corporation, 2008) ....................................................................... 51Slika 3-34. Filtri i vodoravni filtar separator s dvije posude ............................................................ 52Slika 3-35. Princip koalescencije kapljica ........................................................................................ 53Slika 3-36. Vodoravni filtar separator za kapljevinu (Pall Corporation, 2008)................................ 53Slika 3-37. Uspravni filtar separator za kapljevinu (Pall Corporation, 2008) .................................. 54Slika 4-1. Ovisnost koeficijenta zaostajanja, CD, o Reynoldsovom broju, Re ................................. 62Slika 4-2 Shematski prikaz djelovanja sila na kapljicu u vodoravnom separatoru........................... 63Slika 4-3 Efektivna i stvarna duljina separatora (Arnold & Stewart, 2008)..................................... 70Slika 5-1. Shematski prikaz moguih odnosa proizvedene nafte i vode (Abdel-Aal, Aggour, Fahim2003) ................................................................................................................................................. 75

Slika 5-2.Ovisnost viskoznosti emulzije i sadraja vode (Zeli, 1987) ............................................ 81Slika 5-3. Odvaja slobodne vode (engl. Free-Water Knockout) .................................................... 87Slika 5-4. Talonik............................................................................................................................ 88Slika 5-5. Direktni grija................................................................................................................... 90Slika 5-6. Indirektni grija ................................................................................................................ 91Slika 5-7. Uspravni toplinski dehidrator uspravni triter ................................................................ 93Slika 5-8. Vodoravni toplinski dehidrator vodoravni triter ........................................................... 94Slika 5-9. Prikaz protjecanja fluida u vodoravnom triteru................................................................ 95Slika 5-10. Elektrini dehidrator (konstrukcija prema Cottrellu) .................................................... 96Slika 6-1. Tehnoloka shema tipske mjerne stanice (INA, 2006)..................................................... 99Slika 6-3. Otpremna stanica utica................................................................................................. 105

Popis tablicaTablica 3-1. Broj stupnjeva separacije u odnosu na poetni tlak (Arnold & Stewart, 2008) ........... 19Tablica 3-2. Karakteristike raznih hvataa kapljica.......................................................................... 31Tablica 4-1. Vrijeme zadravanja kapljevine u dvofaznim separatorima prema API standardu...... 59Tablica 4-2. Vrijeme zadravanja kapljevine u trofaznim separatorima .......................................... 60Tablica 4-3. Vrijednosti koeficijenta K (American Petroleum Institute, 1999) ............................... 64Tablica 4-4. Vrijednosti koeficijenta K pri dizajniranju ploastih hvataa kapljica (Manning &Thompson, 1995) .............................................................................................................................. 71Tablica 4-5 Standardne dimenzije vodoravnih separatora................................................................ 73Tablica 5-1. Prednosti i nedostaci kemijske obrade u razbijanju stabilnosti emulzija ..................... 82Tablica 5-2. Tipovi, svojstva, prednosti i nedostaci deemulgatora (Manning, Thompson, 1995) ... 85Tablica 5-3. Prednosti i nedostaci talonika ..................................................................................... 88Tablica 5-4. Utjecaj temperature na gustou nafte i vode (Abdel-Aal, 2003) .................................. 89Tablica 5-5. Prednosti i nedostaci zagrijavanja emulzija.................................................................. 91Tablica 5-6. Prednosti i nedostaci elektrostatike obrade emulzija .................................................. 96

Popis koritenih jedinica

g viskoznost plina [Pas]Ag povrina protoka plina [m2]Al povrina potrebna za protok kapljevine [m2] Amin najmanja povrina potrebna za protjecanje fluida [m2]Ap povrina kapljice [m2]c konstanta: za neredovito servisiranje c=125, za redovito servisiranje c=100Ca omjer povrine plata konkavnog eonog dijela separatora i kvadrata promjera separatoraD unutranji promjer separatora, [m]DCF korekcijski faktor za gustou nafted promjer estice (kapljica) zadanog opsega [m]ds srednji promjer estice (kapljice) [m]Dd promjer kapljice [m]Dmin najmanji promjer separatora [m]dod promjer kapljica nafte [m]dwd promjer kapljice [m]F faktor turbulencije i brzog povlaenja plina kroz separator (short-circuting)f odnos debljine stijenke i promjeraFco empirijski koeficijent za ne-idealne protokeFn faktor korekcije za ne-idealne protoke, Powers preporua Fn=2g konstanta sile tee [ m/s2]Hl visina kapljevine u separatoru, [m]Ho/w debljina sloja vode [m]Hww visina vodene pregrade [m]K Souders-Brownov koeficijent [m/s]Ki ravnoteni omjer komponente:Leff duina separatora raspoloiva za odvijanje separacije, [m]M udio vertikalnog dijela separatora ispunjenog kapljevinomMa molekularna masa zraka [kg/kmol]Mg molekularna masa plina [kg/kmol]n broj meustupnjevang molni udjel plinovite fazenL molni udjel kapljevite fazeP tlak separacije [Pa]Ps standardni tlak [Pa]Qg protok plina pri uvjetima separacije [m3/s]qgH propusna mo vodoravnog separatora za plin [m3/s]qgV propusna mo uspravnog separatora za plin[m3/s]Qo protok nafte [m3/s]qo volumen nafte [m3]qoH propusna mo vodoravnog separatora za kapljevinu [m3/s]qoV propusna mo separatora za kapljevinu [m3/s]qw protok vode [m3]R opa plinska konstanta[ J/molK]Re Reynoldsov broj

Rs plinski faktor [m3/ m3]T temperatura separacije [K]td vrijeme sedimentacije kapljice [s]tg vrijeme zadravanja plina [s]tr vrijeme zadravanja kapljevine u separatoru, [s]trg vrijeme zadravanja plina [s]tro vrijeme zadravanja nafte [s]trw vrijeme zadravanja vode [s]Ts standardna temperatura [K]vc eroziona brzina smjese [m/s]vd brzina sedimentacije kapljice [m/s]vH horizontalna brzina kretanja kapljevine [m/sVl volumen kapljevine [m3/s]vmax maksimalna brzina plina [m/s]vod brzina sedimentacije kapljice nafte [m/s]Vw volumen vode [m3] vwd brzina sedimentacije kapljice vode [m/s]xi molni udjel komponente i u kapljevitoj faziyi molni udjel komponente i u plinovitoj faziz faktor kompresibilnostig relativna gustoa plinaw relativna gustoa vodeg gustoa plina [kg/m3]l gustoa kapljevine [kg/m3]mix odnos gustoe plina i kapljevine pri uvjetima separacije [kg/m3]s gustoa elika [kg/m3]w gustoa vode [kg/m3]

1. UVOD

Prerada nafte kao vaan segment naftne industrije, ubrzano je pratila opi porastpotronje nafte i potrebu za naftnim proizvodima. Tehnologija prerade nafte postala je prvasuvremena industrijska tehnologija. Ono to se danas naziva tehnologija sabiranja, transporta iprerade nafte poinje jo u dalekoj prolosti. Prvi dokazi o tome potjeu iz drevneMezopotamije u kojoj su 3000 godina pr. Kr. upotrebljavali asfaltne bitumene kao sirovinu.Tehnika sabiranja odnosila se na sakupljanje ove sirovine u bave i posude da bi je se kasnijemoglo koristiti u graevinskim i drugim radovima. Postoje naznake da se u to dobaprimijenjivala i destilacija, kao metoda za rafiniranje bitumena. U poecima moderne naftneindustrije skladitenje proizvedene nafte odvijalo se obino na mjestima u neposrednoj blizinibuotina, i to u jamama ukopanim u zemlju, gdje se nafta uvala do transportiranja. Naravno,tada se jo nije vodilo rauna o plinu, pa je on isplinjavao i slobodno odlazio u atmosferu.Ovakav nain skladitenja nije bio osobito praktian pa se oko 1861. godine za skladitenjekapljevine koriste drvene posude. Neto kasnije, oko 1867. godine posude postaju eljezne ina njih se postavljaju drveni krovovi radi zatite. Pri ulazu smjese iz buotine u posududolazilo je do separacije, odnosno odvajanja faza. Vrlo rano dolazi se do zakljuka da bi se zapogon motora koji se koriste na radilitima mogao koristiti plin, pa se prvi separator javlja1863. godine. Udaljenost izvora nafte od podruja potronje rezultiralo je razvojemtransporta.

Smjesu nafte i plina pridobivena iz buotina sakuplja se na odgovarajuim mjestima(mjernim ili sabirnim stanicama) gdje se vri odvajanje tekue i plinske faze. Koliko e nanaftnom polju biti sabirnih ili mjernih stanica, odrediti e, prije svega, udaljenost i brojbuotina, te koliina davanja buotina. Plin se nakon odvajanja i mjerenja otpremaniskotlanim plinovodom i podvrgava procesima pripreme za transport. Kapljevina preostalanakon separacije sadri ne samo naftu kao eljeni produkt separacije, nego i odreenu koliinuproizvedene vode. U posljednja dva desetljea, svjetska se potranja za sirovom naftompoveala za otprilike 38% - s 9,55106 m3/dan 1985. godine, na 13,13106 m3/dan u 2004.godini (Muris, Parker 2007.). Tu koliinu proizvedene nafte prati jednaka ili vea koliinaslobodne vode i vezane vode, koja s naftom formira emulzije. Dok se slobodna voda

9tehnoloki lako odvaja od nafte, emulzija predstavlja veliki problem ve u ranom razdobljuproizvodnje nafte, jer su se pogonska postrojenja za razbijanje emulzija pokazalaneuinkovitima, a trokovi transporta i skladitenja otpadnih emulzija previsokima. Razvojprocesa razbijanja emulzija datira s poetka 20. stoljea kada je Cottrell u Kaliforniji uspjenoprimijenio metodu izdvajanja vode iz nafte pomou elektrine struje, a gotovo istovremeno,Barnickel je zapoeo s eksperimentalnom primjenom kemikalija za razbijanje emulzija(Manning, Thompson 1995).

Nakon obrade smjese nafte i vode s ciljem izdvajanja vode, nafta se skladiti u za toposebno konstruiranim spremnicima gdje se odvija posljednji stupanj separacije.

2. TEHNOLOGIJA PRIPREME NAFTE ZA TRANSPORT

Openito, sabirno-transportni sustav ine podzemne instalacije, te objekti i ureaji odua buotine do otpremne stanice odnosno rafinerije.

Osnovne funkcije sabirno-transportnog sustava za naftu su:1) prikupljanje nafte,2) priprema nafte za transport,3) transport nafte do otpremne stanice odnosno rafinerije.

2.1. Prikupljanje nafte

Prikupljanje, kao jedna od osnovnih funkcija sabirno-transportnog sustava,podrazumijeva transport kapljevine iz pojedinanih buotina do zajednike lokacije gdje seobavlja priprema za transport. Kapljevina se transportira ili pojedinanim naftovodima ilikolektorskim sustavima cjevovoda, to ponajvie ovisi imbenicima kao to su veliina leita,morfologija terena, raspored i broj buotina te dinamiki tlak na uu buotina. Smjesu nafte iplina pridobivenih iz buotina potrebno je usmjeriti u mjerne ili sabirne stanice na kojima sevri odvajanje plinske i tekue faze, mjerenje pridobivenih koliina nafte i naftnog plina iskladitenje nafte ako se radi o sabirnoj stanici.

Postoje tri sustava prikupljanja smjese nafte i plina:a) pojedinani sustav,b) sustav odvojenih cjevovoda ili viebrojnih mjernih ili sabirnih stanica ic) zbirni sustav.

Karakteristika pojedinanog sustava je separacija i mjerenje pridobivenih koliina nafte iplina na svakoj buotini. Sustav se primijenjuje samo u sluaju velikog davanja buotine toopravdava ekonomske trokove. Drugi sustav ukljuuje viebrojne sabirne ili mjerne stanice ukojima je svaka buotina vezana za sabirnu ili mjernu stanicu zasebnim cjevovodom. Ovajsustav naziva se i sustav odvojenih cjevovoda.

11

Trei sustav prikupljanja podrazumijeva dopremanje smjese nafte i naftnog plina izsvake buotine kratkim cjevovodom u zajedniki cjevovod (kolektorski cjevovod) kojim seukupno pridobivena koliina iz svih buotina otprema do centralnog sabirnog mjesta. Ovakavsustav pogodan je ukoliko su ostvareni visoki tlakovi na uima buotina te kada ne postojiekonomsko opravdanje za koritenje sustava koji spada u drugu grupu sustava sabiranja.

2.2. Priprema nafte za transport

Kako bi se nafta pripremila za transport, iz nje je potrebno izdvojiti odreene koliineotopljenog plina i vode. Izdvajanje plina iz nafte zapoinje ve u leitu, a potom i u buotiniuslijed smanjenja tlaka. Daljnje razdvajanje plinovite i kapljevite faze postie se sljedeimtehnolokim procesima:

1) separacija nafte (odvajanje plina i kapljevine),2) dehidracija nafte (odvajanje slojne vode i nafte) i3) skladitenje nafte.

2.2.1. Separacija nafte

Zavrna faza separacije odvija se u separatorima pri odreenom konstantnom tlaku ikonstantnoj temperaturi. Separatori su ureaji kojima se vri odvajanje plina i kapljevine(nafta + voda). Djelotvornost separatora odreena je faznom ravnoteom na koju prvenstvenoutjeu tlak, temperatura i sastav smjese, ali i odgovarajui konstrukcijski elementi unutarsamog separatora koji osiguravaju bolje odvajanje kapljive i plinske faze.

Izdvajanje plina iz nafte odvija se na dva naina, u osnovi slijedei iste naineodvajanja koji se javljaju i u samom leitu. Prvi nain jest kontaktno izdvajanje plinske fazeprilikom ega su tekua i plinovita faza u stalnom kontaktu. Proces je uzrokovan promjenomtlaka i temperature, a glavna znaajka ovakvog izdvajanja jest molekularno djelovanje prikojem i dio srednje tekih ugljikovodika prelazi iz kapljevine u plinovitu fazu. Drugi nain jestdiferencijalno izdvajanje plinske faze kod kojeg ne postoji kontakt dviju odvojenih faza, vese formirana plinska faza potpuno odvaja iz procesa. Pojednostavljeni princip ovakvogizdvajanja temelji se na postupnom smanjivanju tlaka, prilikom ega dolazi do oslobaanjaplina dok u kapljevini ostaje cjelokupna koliina srednje tekih i tekih ugljikovodika.

12

S ozirom na promjenu tlaka i temperature u separatoru, postoji jednostupanjskaseparacija i viestupanjska separacija. Jednostupanjska separacija istovjetna je s kontaktnimizdvajanjem plinske od tekue faze iz razloga to se vri u zatvorenom sustavu uz promjenutemperature i odravanje konstantnog tlaka. Separacija se vri u jednom ili vie usporednopostavljenih separatora unutar kojih ne dolazi do promjene fazne ravnotee. Viestupanjskaseparacija odvija se u linijski postavljenim separatorima uz razliite tlakove i razliitetemperature.

Djelotvornost separacije ovisi o etiri glavna imbenika: tlaku, temperaturi, sastavusmjese te broju stupnjeva separacije. Tlak izravno djeluje na odvajanje kapljevine iz smjese jerpoveanjem tlaka dolazi do veeg izdvajanja. Meutim, postoji granina vrijednost tlaka od40x105 Pa iznad koje dolazi do smanjenja intenziteta izdvajanja kapljevine iz smjese.

Temperatura, kao i tlak, izravno djeluje na izdvajanje kapljive faze, ali obrnutoproporcionalno, odnosno, svakim sniavanjem temperature poveava se intenzitet izdvajanja.O temperaturi ovisi broj stupnjeva separacije te u praksi temperatura ne prelazi 30C.

Separatori su ureaji kojima se vri odvajanje plina i kapljevine (nafta + voda).Djelotvornost separatora odreena je faznom ravnoteom na koju utjeu prvenstveno tlak,temperatura i sastav smjese, ali i odgovarajui konstrukcijski elementi unutar samogseparatora koji osiguravaju bolje odvajanje kapljive i plinske faze.

Pojednostavljeno, separatori su posude pod odreenim tlakom koje moraju osiguratineprekidnost procesa, vrijeme zadravanja kapljevine, dovoljnu propusnu mo te jednostavnuautomatizaciju procesa separacije.

U osnovi se svi separatori sastoje od separacijskog, sedimentacijskog, akumulacijskogi koagulatorskog odjeljka. Uz navedene odjeljke, svaki je separator opremljen ureajem zakontrolu tlaka i razine kapljevine te prikljucima za odvodnju kapljevine i plinske faze.Separatori su prema obliku i funkciji svrstani u skupine. U skupini separatora kategoriziranihoblikom razlikuju se: cilindrini uspravni, cilindrini vodoravni, kuglasti, ciklonski ihidrociklonski separator. Prema funkciji odvajanja faza, razlikuju se dvofazni od trofaznihseparatora.

13

2.2.2. Dehidracija nafte

Sirova nafta se rijetko proizvodi izravno iz buotina bez prateih koliina vode.Volumen vode koja se proizvodi sa sirovom naftom kree se u rasponu od 0,5% do 10%, dokkod starijih polja proizvodnja vode dosee 60% udjela u proizvedenoj koliini kapljevine.Voda udruena s naftama predstavlja veliki problem naftne industrije te je zbog togaotklanjanje vode iz nafte od najvee vanosti.

Ovisno o odnosima volumena jedne kapljevine u drugoj, uz prisutnost povrinskiaktivnih tvari, stvaraju se emulzije. Drugim rijeima, unutranja faza rasprena je u obliku vrlomalih kapljica u vanjskoj fazi te najee razultira stabilnou emulzija. Stvaranju i stabilnostiemulzije doprinosi i dobro mijeanje nafte i vode u sistemima proizvodnje i sabiranja nafte.Dobro mijeanje se postie pri veim brzinama protjecanja u cjevovodima te kroz raznasuenja (sapnice), a osobito dobro mijeanje uzrokuje prisutnost plinske faze u kapljevini.

Dehidracija je usko povezana sa smanjenjem stabilnosti emulzija i ima djelovanjesuprotno stabilizaciji i stapanju kapljica disperzne faze.

2.2.3. Skladitenje nafte

Separirana nafta otprema se direktno u specijalno konstruirane spremnike. Na naftnompolju (sabirnoj ili otpremnoj stanici) najee se grade elini spremnici volumena od 1000m3 do 10 000 m3. Projektiraju se na predtlak od oko 0,002 MPa i podtlak od 0,0002 MPa(Zeli 1987). Spremnici vrlo esto mogu posluiti kao zadnji stupanj separacije nafte i plinajer u njima vlada relativno nizak tlak. Nafta je dopremljena u spremnik tlakom separatora (0,2-0,5 MPa) zbog ega u nafti ostaje otopljena odreena koliina plina koji e zapoet izdvajanjena niskom tlaku spremnika. Iz razloga odvajanja plina, spremnici su opremljeni dihajuimsistemom koji po potrebi isputa viak osloboenog plina ili u obratnom sluaju uputaju uspremnik zrak. Gubci koji se javljaju u spremnicima javljaju se prilikom punjenja spremnika,potom zbog promjena dnevnih temperatura i uslijed nedovoljne hermetinosti spremnika..

2.3. Transport nafte

Transport nafte podijeljen je na unutranji transport, koji obuhvaa fazu prikupljanja ipripreme nafte te magistralni transport, utvren kao transport nafte od otpremnih stanica do

14

centralne otpremne stanice. Zavrnu fazu transporta predstavlja transport iz otpremnih stanicado rafinerija.

U nastavku e biti detalno razmotreno podruje pripreme nafte za transport topodrazumijeva separaciju, dehidraciju i skladitenje nafte. Separacija odnosno razdvajanjekapljevine (vode, nafte) i plina opisano je u Poglavlju 3, dehiracija nafte u Poglavlju 4, dok jeskladitenje nafte obuhvaeno u 3. poglavlju skripte Skladitenje prirodnog plina i nafte kojase nalazi na stranici www.rgn.hr/~mmalnar/matija/potr_sklad_e.html.

15

3. SEPARACIJA (ODVAJANJE) KAPLJEVINE I PLINAPod ovim tehnolokim procesom podrazumijeva se primarna obrada fluida pridobivenog

iz buotine na nain da se iz smjese izdvaja plinovita i tekua faza. Separacije moe zapoeti usamom leitu, ako je tlak u leitu nii od tlaka zasienja. Protjecanjem kroz buotinu dolazido daljnjeg smanjenja tlaka i temperature pri emu se javlja dodatno izdvajanje plina iz nafte,to se nastavlja i kroz povrinske cjevovode. Protjecanje smjese je turbulentno, a odvija se uobliku kapljica tekue faze noene strujom plina ili plina zarobljenog u tekuoj fazi. Osimtoga, u struji je sadrana i odreena koliina vode, vodene pare i drugih primjesa, a mogue jei prisutstvo vrstih estica. Posljednji stupanj separacije, a ujedno i prvi korak u tehnolokojobradi proizvedene smjese, zbiva se u ureajima koji se nazivaju separatori. U njima dolazi dokonanog odjeljivanja nafte, vode i plina. Izdvojene fluide tehniki je mnogo lake, a time ijeftinije obraditi. Separacija je proces koji se odvija odreeno vrijeme pri specifinom tlaku itemperaturi. Smjesa koja ulazi u proces reagira na novonastale uvjete tako da se ponovnouspostavlja ravnotea izmeu plinske i kapljevite faze. Na ovaj nain, uz odgovarajue uvjetepri kojim dolazi do uspostavljanja fazne ravnotee, pridobivaju se nafta i plin ije ekomponente biti stabilne s obzirom na prelazak izmeu faza, a time e i separacija izmeu njihbiti konana. Ovisno o uvjetima pod kojim se odvija, razlikuje se jednostupanjska iviestupanjska separacija. Iako se posljednji stupanj separacije odvija u spremnicima, on se netradicionalno ne uzima u obzir pri definiranju broja stupnjeva separacije. Pravilno upravljanjeprocesom separacije od iznimne je vanosti, jer o njemu ovisi kvantiteta i kvaliteta dobivenihugljikovodika.

Jednostupanjska separacijaProces se odvija u jednom ili vie paralelno postavljenih separatora u kojim vladaju isti tlak

i temperatura (slika 3-1). Faze koje se formiraju u takvim uvjetima u kontaktu su cijelovrijeme separacije te ne dolazi do promjene u sastavu smjese. Stoga, uvjeti pod kojima dolazido fazne ravnotee ostaju jednaki tijekom cijelog procesa. Karakteristika ovakve separacije jepoveana koliina plinovite faze obogaene teim ugljikovodinim komponentama. Prematome, jednostupanjska separacija se moe poistovjetiti s kontaktnim (flash) isplinjavanjem

16

plina iz nafte. Poto je ovo jedini, a time i zadnji stupanj separacije, nafta i plin se izseparatora alju na daljnju obradu, skladitenje ili transport.

1 separator; 2 mogui dodatni separator za vee koliine smjese; 3 spremnik (rezervoar)Slika 3-1. Sastav opreme pri jednostupanjskoj separaciji

Viestupanjska separacijaU ovom sluaju, smjesa pridobivena iz buotine prolazi kroz nekoliko stupnjeva separacije.

Svaki stupanj karakterizira drugaija, nia vrijednosti tlaka i temperature pri kojima dolazi doisplinjavanja plina iz nafte (slika 3-2). Poto se unutar separatora formiraju plinska i kapljevitafaza slijedi izdvajanje jedne od njih iz procesa. Ostatak smjese, koja vie nije istog sastava,potom se alje u sljedei stupanj separacije. Postupak se ponavlja onoliko puta koliko jestupnjeva definirano procesom. Za svaki stupanj moe se koristiti i vie usporednih separatorato ovisi o koliini fluida. Ovakav princip se stoga moe poistovjetiti s diferencijalnim ilipostupnim isplinjavanje plina iz nafte. Karakteristika ovog naina oituje se u postupnomsmanjenju tlaka smjese i konano u veoj koliini dobivene kapljevite faze.

17

1 visokotlani; 2 srednjetlani; 3 niskotlani separator; 4 spremnikSlika 3-2. Sastav opreme pri viestupanjskoj separaciji

imbenici koji utjeu na proces separacijeNajvaniji utjecaj na proces separacije imaju:

tlak separacije, temperatura separacije, broj stupnjeva separacije i sastav smjese.

Od ostalih mogu se jo spomenuti dobava i kolebanja dobave, prisutnost neistoa,pjenjenje fluida i eljeni stupanj kvalitete separacije.

Najvaniji imbenik u procesu separacije je tlak. Optimalnim tlakom mogue jepoveati koliinu pridobivene kapljevine te utjecati na njezinu specifinu gustou, tj. kvalitetu.Poopeno pravilo separacije kae, da to je tlak separacije vii, to je vea koliina izdvojenekapljevite faze. Poveanjem tlaka do priblino 40 bara postie se znatnije izdvajanje, dok se

18

nakon te vrijednosti tlaka intenzitet izdvajanja kapljevine smanjuje, to se moe vidjeti na slici3-3.

Slika 3-3. Utjecaj tlaka na izdvajanje koliine kapljevine u separatoru i spremniku (Arnold & Stewart,2008)

Posljedica separacije pod visokim tlakom je to da kapljevina sadri relativno velik udioukapljenih lakih ugljikovodika kao to su metan i etan. To se dogaa zbog njihovih visokihparcijalnih tlakova u separatoru. Kada takva kapljevina dospiju u spremnik, gdje najeevladaju atmosferski tlak i temperatura okoline, dolazi do ponovnog prelaska lakih komponentiu plinovitu fazu. Ako je njihova koncentracija u spremniku visoka, zbog sloene prirodesmjese i njezine osjetljivosti na male promjene u parcijalnim tlakovima, dolazi i do postupnogprelaska dijela srednje tekih i tekih ugljikovodinih komponenti u plinovitu fazu. Kaoposljedica toga, dolazi do smanjenja volumena nafte pohranjene u spremnicima (slika 3-3).

19

Pozitivna strana viih tlakova separacije je vei tlak plinovite faze i manji utroak energije kodstlaivanja radi transporta plinovodima.

Poveanje temperature separacije ima za posljedicu poveano izdvajanje plinovite fazeiz procesa. Praksa pokazuje da temperatura separacije ne bi trebala biti vea od 30 C (Zeli,1987). Oprema za regulaciju temperature obino se ne ugrauje na separatore osim ako to nijenuno potrebno, pa temperatura najvie ovisi o temperaturi smjese i okruenja u kojem seseparacija odvija. Optimiziranje procesa trebalo bi stoga provoditi zasebno za zimski i ljetniperiod.

Broj stupnjeva separacije ima znatan utjecaj na proces. to je vei broj stupnjeva, to je ikoliina dobivene tekue faze na kraju separacije vea. Analogno tome koliina plina jemanja, uz smanjenje gustoa obiju faza. Ovo se dogaa zbog toga jer se prilikom formiranjaplinovite faze ona odmah uklanja, ime se smanjuje i parcijalni tlak srednje tekih komponentipa se smanjuje mogunost njihovog isplinjavanja. Kroz stupnjeve, njihov parcijalni tlak je svemanji i dobiva se sve vie stabilne tekue faze, ali taj prirast polako opada sa svakim novimstupnjem. Zbog toga broj stupnjeva koji je vei od optimalnog nije preporuljiv, jer su dobitcipremali za uloena sredstva. Odreivanje broja stupnjeva ovisi o tlaku prvog i zadnjeg stupnjaseparacije. Prvi stupanj je odreen dinamikim tlakom na uu buotine, a zadnji tlakom kojije dostatan za otpremu plina do kompresorske stanice, radi daljnje distribucije plinovodima, ilitlakom u spremniku.

Tablica 3-1. Broj stupnjeva separacije u odnosu na poetni tlak (Arnold & Stewart, 2008)

Tlak prvog stupnja separacije (bar) Broj stupnjeva1,5 8,5 18,5 20 1 220 35 235 50+ 2 3+

U tablici 3-1 je prikazan odnos izmeu dinamikog tlaka na uu tj. tlaka prvog stupnjai broja potrebnih stupnjeva separacije. U sluaju da je poetni tlak izmeu 35 i 50 bar ili vei,i da je koliina sirove nafte koji ulazi u proces vea od 15 900 m3, broj stupnjeva moe biti ivei od onog naznaenog u tablici. Ovi podaci su tek okvirne vrijednosti, pa tako svaki proces

20

trai individualni proraun parametara. Ako su poznati tlakovi prvog i zadnjeg stupnja, zaproraun tlakova meustupnjeva mogu se koristiti sljedee jednadbe:

tlak drugog stupnja - ; [3-1]tlak treeg stupnja - , itd. [3-2]

[3-3]

gdje su:R odnos tlaka izmeu stupnjeva: ;Ps tlak koji vlada u spremniku, [Pa];n broj meustupnjeva.

Poto se obino u drugom stupnju izdvoje najvee koliine nafte, najei sluajevi nakoje se moe naii u praksi podrazumijevaju trostupanjsku separaciju. Pri tome bi optimalnitlak drugog stupnja bio oko 3,5 bara. Kako tijekom vremena dolazi do smanjenja tlaka na uubuotine bilo bi poeljno ponoviti proraun kako bi se osiguralo optimalno odvijanje procesa.Bilo da se radi o kontaktnom ili diferencijalnom isplinjavanju, koliinu kapljive i plinovitefaze u bilo kojem separatoru uvijek je mogue izraunati uz pomo jednadbe materijalnoguravnoteenja, prema sljedeim formulama. Uz to, potrebno je znati temperaturu, tlak i sastavsmjese.

[3-4]

[3-5]

gdje je:xi molni udjel komponente i u kapljevitoj fazi;yi molni udjel komponente i u plinovitoj fazi;zi molni udjel komponente i u ukupnoj smjesi;ng molni udjel plinovite faze;

21

nL molni udjel kapljevite faze;Ki ravnoteni omjer komponente: .

Kao to je uvodno spomenuto, prvi separator javlja se 1863. godine. Radilo se o posudikoja se postavljala na vrh spremnika u kojem se prikupljala nafta. Unutar posude bila jepregrada koja je odjeljivala dio za isputanje nafte na njezinom dnu i dio pri vrhu kroz koji seisputao plin. Odijeljena nafta izlijevala se u spremnik koji se nalazio ispod separatora, a plinse odvodio cijevima tamo gdje je bilo potrebno, ime je ujedno poveana i sigurnost naradilitima. S poveanjem tlaka, posude su zamijenjene posudama ojaanim vijcima, a zbogpoveanja kapaciteta, a time i dimenzija, separatori su se poeli montirati na tlu. Od 1904.godine separatori se opremaju regulatorima razine i mogu izdrati radne tlakove do 10 bara.Osim toga primijeeno je da je pridobivena koliina nafte vea ukoliko smjesa fluida izbuotine prethodno prolazi kroz separator, nego u sluaju kada nafta odlazi direktno uspremnik, pa separatori postaju dio standardne opreme. Tijekom sljedeih 50 godinapojavljuju se mnogo sofisticiranije verzije u smislu konstrukcije i kontrole procesa. Vodoravniseparatori s dvije posude javljaju se ve 1940-ih godina prolog stoljea kao odgovor naobradu smjesa s velikim udjelom plina i malim udjelom tekue faze. Kasnije, kada se poinjueksploatirati buotine u podmorju i leita plina s velikim tlakom, jednostupanjsku separacijuzamjenjuje viestupanjska.

3.1. Separatori

Separatori su eline posude pod odreenim tlakom. Mogu biti smjeteni na buotini,mjernoj ili sabirnoj stanici gdje se vri prihvat i obrada smjese ugljikovodika s oblinjihproizvodnih buotina. Njihov je glavni zadatak razdvajanje smjese na plinovitu i kapljevitufazu. Tip separatora koji e se koristiti ovisi ponajprije o svojstvima i koliini smjese, teradnom tlaku. U postupku odabira separatora treba uzeti u obzir i budue promjene svojstavaproizvedenog fluida, da bi se u kasnijoj fazi proizvodnje izbjegli problemi u radu separatora imogui dodatni trokovi. Zapjenjenost i korozivnost smjese koja ulazi u separator, tipprotjecanja i sadraj pijeska takoer su parametri koji u odreenoj mjeri odreuju tipseparatora ili elemente koji se u njega ugrauju. Kako e u konanici izgledati separator ovisi i

22

o dostupnim financijskim sredstvima te prostoru za smjetaj. Prema tome, idealan separator nepostoji ve kroz postupak odabira treba na temelju poznatih parametara pronai optimalnorjeenje.

Bez obzira na izgled, tip ili konstrukciju, svi bi separatori trebali omoguavati sljedee: dostatno zadravanje kapljevine radi postizanja fazne ravnotee (od 3 do 30 minuta); visoku djelotvornost separacije; neprekidnost i pouzdanost procesa; dovoljnu propusnu mo, tako da na postrojenju ne dolazi do stvaranja uskog grla; jednostavnu implementaciju automatske regulacije procesa; jednostavno odravanje i mogunost naknadne ugradnje ili izmjene elemenata unutar

separatora.

Ulaskom fluida u separator, faze se inicijalno razdvoje na ulazu i prolaze zasebno krozrazliite dijelove separatora od kojih svaki ima svoju specifinu funkciju. Ti dijelovi sekcije(slika 3-4) imaju istu namjenu i zajedniki su veini separatora.

Sekcije u separatorima su: osnovna separacijska sekcija - sam ulaz u separator na kojem se veina smjese razbija

i razdvaja na plinovitu i kapljevitu fazu. sedimentacijska sekcija dio separatora gdje dolazi do sedimentacije zaostalih

kapljica iz struje plina; akumulacijska sekcija dio u kojem se sakuplja i zadrava odvojena kapljiva faza

(radi izdvajanja plina uspostavljanjem fazne ravnotee) do izlaska iz separatora; koalescencijska sekcija - kod izlaza za plin gdje se iz njega uklanjaju kapljice koje su

premale da bi sedimentirale.

23

1 osnovna separacijska sekcija; 2 sedimentacijska sekcija; 3 akumulacijska sekcija; 4 koalescencijska sekcija.

Slika 3-4. Unutranjost separatora

Osnovna separacijska sekcija koja se nalazi s bone strane tijela separatora izvedena je takoda se razdvajanje faza dogaa uslijed djelovanja centrifugalne sile. Element koji je postavljenodmah nakon separacijske sekcije, a svojim tijelom ulazi u sedimentacijsku i akumulacijskusekciju poveava djelotvornost svake od sekcija. Na kraju separatora, to je mogue dalje odulaza smjese, nalazi se koalescencijska sekcija. Separatori su opremljeni ureajima za kontrolurazine i tlaka, manometrima, vodokaznim staklima, cijevima i ventilima. Do odvajanja faza useparatoru dolazi zbog sedimentacije koja se moe odvijati na sljedee naine:

djelovanjem sile tee, djelovanjem centrifugalne sile, sudaranjem kapljica, koalescencijom, djelovanjem elektrostatikih sila, filtracijom, adsorpcijom, toplinskim djelovanjem, djelovanjem ultrazvuka.

Najee koritene metode su: djelovanje sile tee i centrifugalne sile, te sudaranjeestica. Separatori su obino takve konstrukcije da koriste kombinaciju navedenih metoda.

24

Sedimentacijom se postie uklanjanje estica promjera 10 mikrometara (1m=10-6 m) iliveih, dok je za izdvajanje manjih estica potrebno primijeniti centrifugalnu silu ili sudaranjekapljica. Za odreivanje promjera estica, ili kapljica, mogu se koristiti jednadbe koje ihodreuju kao promjer kugle srednjeg obujma, promjer kugle srednje povrine ili prekopolumjera srednjeg razmjera, pri emu je za primjer dana jednadba za odreivanje promjerakugle srednjeg obujma:

[3-1]gdje je:ds srednji promjer estice (kapljice) [m];n broj estica (kapljica) u plinu zadanog opsega;d promjer estice (kapljica) zadanog opsega [m];

3.1.1. Unutranja oprema separatoraSvrha njezine ugradnje je poveanje funkcionalnosti separatora i djelotvornosti

separacijskog procesa. Standardnom opremom separatora smatraju se: ulazni separacijskielement i koalesceri, koji se ugrauju bez obzira na oblik separatora ili broj faza koje seodvajaju. Ostatak opreme dodaje se prema potrebi i to najee u vodoravne separatore jer sufleksibilniji u smislu dostupnog prostora i mogueg razmjetaja, a istovremeno su i podlonijinegativnim pojavama koje se javljaju tijekom rada. Kod odabira opreme, najvie panje trebaposvetiti karakteristikama smjese i dizajnu separatora, jer u sluaju neusklaenosti moe doido suprotnog uinka, odnosno poremeaja rada separatora.

3.1.1.1. Elementi primane (osnovne) separacije

Svrha ovih elemenata je rasprivanje smjese na ulazu u separator s ciljem razdvajanjaplinske i tekue faze, uz istodobno smanjivanje ulazne brzine. Smjetaju se do ulazne cijevi, uprostoru koji se naziva i osnovna separacijska sekcija. Ovisno o nainu razdvajanja razlikujuse dva tipa: pregradni i ciklonski elementi. Kod pregradnih se razdvajanje postie udaranjemili razbijanjem smjese o pregradu, uslijed ega kapljevina, za razliku od plina, ne moeslijediti naglu promjenu brzine i smjera, pa se tu odvaja i slijeva u akumulacijsku sekciju, dok

25

plin nastavlja strujati kroz sedimentacijsku sekciju. Najee koriteni oblici pregrada su:ploasti, tanjurasti, konusni, sferni i ljebasti (slika 3-5).

a) b) c)Slika 3-5. Tipovi pregrada: a) tangencijalne ploa, b) sfera i c) ljeb za ulaz smjese s vrha (NATCO 2008)

Postoje i druge izvedbe, kao to su pregrade s lopaticama, ije su prednosti finijerasprivanje, manje pjenjenje i emulgiranje smjese (slika 3-6).

Slika 3-6. Pregrada s lopaticama (Zeta-pdm Ltd 2008)

Ciklonski elementi koriste centrifugalnu silu za odvajanje faza, tako da usmjeravaju smjesupo unutarnjem obodu stijenke separatora ili se razdvajanje odvija unutar ciklonskih cijevi.Princip razdvajanja u cijevima isti je kao i kod ciklonskih separatora, s tim da je ulazna brzinamanja i trebala bi iznositi oko 6 m/s. Prednost koritenja ovog tipa jest potpuni izostanakpjenjenja nafte i bolji rezultati odvajanja nego to se postiu prethodno opisanim tipovima.Kao nedostatak moe se spomenuti zamjetan pad tlaka pri prolazu smjese kroz element.

Postoje razliite izvedbe ciklonskih elemenata koje se razlikuju u broju cijevi i njihovomrazmjetaju (slika 3-7). Izostanak pjenjenja osigurava se ulaskom nafte ispod razdjelnice nafta-

Ulaz smjese

Ulaz smjese

26

voda, pa se stoga krajevi elemenata nalaze u akumulacijskoj sekciji. Postoje i ciklonskielementi za razdvajanje smjese s velikim udjelom plina (slika 3-7 c).

a) b) c)Slika 3-7. Prikaz rada ciklonskog elementa i neke njegove izvedbe (Aker Solutions; Sulzer Chemtech Ltd2008)

3.1.1.2. OtpjenjivaiDo pjenjenja povrinskog sloja nafte, osim prilikom ulijevana smjese u separator, dolazi i

kod oslobaanja mjehuria plina iz nafte. Ovaj problem oteava separaciju i automatskuregulaciju procesa, a moe se rijeiti dodavanjem kemikalija na ulazu u separator ilijednostavnije, mehanikim otpjenivaima. To je niz paralelnih, ukoso postavljenih uzdunihploa koje pokrivaju visinu do koje se kree razdjelnica nafta-plin (slika 3-8). Prolaskomzapjenjene smjese kroz separator dolazi do kontakta izmeu nastalih mjehuria pjene i ploe,razbijanja mjehuria u kapljice koje se zatim slijevaju u akumulacijsku sekciju separatora.

27

Slika 3-8. Shema otpjenjivaa u separatoru (Arnold & Stewart, 2008)

3.1.1.3. Pregrade za neutraliziranje udarnih valova smjeseDo stvaranja valova unutar separatora moe doi zbog pulsirajueg dotoka smjese ili u

sluaju kada je separator postavljen na platformi. Budui da ova pojava negativno utjee naproces separacije, potrebno je ugraditi odgovarajue elemente koji e umanjiti njihov uinaka.To se posebno odnosi na dugake vodoravne separatore u kojima je djelovanje valovanajizraenije. Pregrade se postavljaju okomito na tok kapljevine, tako da prekrivajuakumulacijsku sekciju od dna do iznad razdjelnice ili tako da prekrivaju samo profil odreenevisine oko razine razdjelnice. Na slici 3-9 prikazana je pregrada punog profila saperforacijama.

Slika 3-9. Utjecaj pregrada na valjanje kapljevine i izgled pregrade (HAT International 2008)

3.1.1.4. Razbijai vrtlogaVrtlozi su posljedica loe dizajniranih ispusta iz separatora, a javljaju se prilikom otvaranja

ventila i isputanja kapljevine iz separatora. Njihovo stvaranje kod dvofaznih separatoradovodi do povlaenja plina u izlazni vod za naftu, to uz neeljeno prisustvo plina u izlaznojliniji, dovodi i do velikog pada tlaka u separatoru. U trofaznim separatorima dolazi i do

28

mijeanja sloja nafte i vode, to na kraju moe znaiti i usisavanje nafte u izlaznu linijuprilikom isputanja vode. Sprjeavanje stvaranja vrtloga postie se ugradnjom tzv. razbijaavrtloga. To su razliiti ploasti elementi koji se postavljaju iznad ispusnog otvora ili elementikoji se ugrauju u ispusnu cijevi (slika 3-10).

Slika 3-10. Mogua mjesta stvaranja vrtloga u separatoru i osnovni tipovi razbijaa vrtloga (Arnold &Stewart, 2008)

3.1.1.5. Koalesceri i hvatai kapljicaKvaliteta separacije oituje se i kroz sadraj tekue faze u plinu koji izlazi iz procesa. to je

ta koncentracija manja, proces je uspjeniji. Zato se za izdvajanje kapljica iz struje plinakoriste razliiti elementi. Veliina kapljica prisutnih u plinskoj fazi ovisi o nainu postanka, apromjeri im se mogu kretati od 0,1 do 5000 m. Najmanje su one kapljice koje nastaju kaoposljedica kondenzacije plina (veliine od 0,1 do 5m). Ako se mehanikim djelovanjem veekapljice razdvajaju u manje, npr. pri prolazu smjese kroz poluotvoreni ventil pri velikimbrzinama, tada im se veliina moe kretati od 10 do 200 m. Naposljetku, najvee kapljicenastaju pri direktnom izbacivanju iz kapljevine uslijed ulijevanja, neravnomjernog dotoka,udaranja u pregrade i sl. Postoje tri mehanizma izdvajanja kapljica ovisno o njihovompromjeru. Prvi i najei je udaranje u prepreku, do ega dolazi kada je kapljica suvie inertnai nije u stanju slijediti struju plina u zaobilasku elemenata. Ostala dva su: direktno hvatanje iBrownovo kretanje. Kod direktnog hvatanja kapljice mogu slijediti struju plina oko nitielementa za hvatanje, ali se zbog adhezije uslijed dodira s elementom pri njegovom zaobilaskutangencijalno hvataju za element. Kod submikronskih kapljica uslijed Brownovog kretanja

29

kapljica u neposrednoj blizini elementa za hvatanje zbog nasuminog kretanja i djelovanjaadhezije naposljetku udari o nit ili biva privuena na nju. Pojmovi koalescar i hvata kapljica,u stvari predstavljaju sinonime za element iji je zadatak uklanjanje kapljica iz plina, ali jezbog razlika u konstrukciji, one elemente koji koriste sita preciznije zvati koalescerima, a onebez njih hvatai kapljica.

Koalesceri (slika 3-11) su izvedeni kao paketi sita koji se postavljaju u nosa. Nakonudaranja i hvatanja kapljica na icu, kapljice se spajaju i okrupnjavaju, nakon ega kapaju uakumulacijsku sekciju separatora. Sita se obino izrauju od ica od nehrajueg elika,aluminija, stakla ili plastike. Kao standard za izradu, koriste se ice promjera 0,2794 mm, adebljina cijelog pakiranja je izmeu 7,5 17,5 cm. Uinkovitost hvatraa ovisi o brziniprotjecanja plina. Prevelika brzina protjerati e izdvojene kapljice kroz sito i one e potomizlaziti sa strujom prema izlazu plina. Premala brzina nee osigurati dovoljno energijepotrebne za sudaranje, pa e se kapljice provlaiti kroz sito zajedno s plinom. Nedostacihvataa kapljica su zahtjev za odreenim protokom plina i sklonost epljenju, a prednost im jeniska cijena u odnosu na druge tipove elemenata za hvatanje kapljica.

Drugi element koji se moe postaviti u sekciju za hvatanje kapljica je zavojiti, ploastihvata (slika 3-11). Njegova je djelotvornost mala kod uklanjanja kapljica manjeg promjera,jer se mehanizam hvatanja temelji iskljuivo na inertnom udaranju kapljevine o konstrukciju.Iako je hvata kapljica ovakve konstrukcije skuplji i uklanja samo kapljice veeg promjera,ima i neke prednosti u odnou na koalescer. Neke od njih su: brzine protjecanja plina mogu bitido upola vee, puno bolje podnose poveanje udjela kapljevine u plinu, uzrokuju manji padtlaka, robusniji su, itd. S obzirom na smjer strujanja plina postoje hvatai za vodoravne iuspravne separatore, a oblik im moe biti kruni ili pravokutni. esto se spreu s koalescerimana nain da se postavljaju neposredno prije njih ili uzdu sedimentacijske sekcije.

Slika 3-11. Hvatai kapljica razliite konstrukcije (AMISTCO 2008)

30

Paketi elemenata razliitih geometrijskih oblika takoer se mogu koristiti za hvatanjekapljica. Rijetko se koriste i to iskljuivo u uspravnim separatorima. U nosa se postavljajumetalna, keramika ili plastina tijela oblika prstena, spirala, upljih cilindara, poroznih sfera isl. (slika 3-12), ije povrine slue sudaranju i hvatanju kapljica. Potrebna debljina pakiranjadefinira se kao jedna desetina promjera separatora. Ovakva rjeenja su jeftina, ne epe se iizazivaju manji pad tlaka, ali im je smanjena sposobnost uklanjanja kapljica manjeg promjera.

Slika 3-12. Mogui elementi u hvatau kapljica (HAT International 2008)

Najuinkovitiji element koji se moe koristiti za uklanjanje kapljica u standardnom tipuseparatora jesu centrifugalne cijevi (slika 3-13). U cijevi ili kuitu nalaze se lopatice kojeprisiljavaju plin na spiralno kretanje i uslijed ega se javlja centrifugalna sila. Izbaenekapljice okrupnjavaju se na stijenkama cijevi i izlaze na gornjem kraju cijevi noene kretanjemplina. Iako su vrlo djelotvorni i nisu skloni epljenju, za rad im je potrebna konstantna brzinaprotjecanja plina to rezultira velikim padom tlaka, pa se vrlo rijetko koriste.

Slika 3-13. Centrifugalna cijev za uklanjanje kapljica iz struje plina (HAT International 2008)

U tablici 3-2 je prikazna usporedba nekih karakteristika koalescera, ploastih hvataa i prijeopisanih filtara, dok su na slici 3-14, naznaena mjesta na koje se koalesceri i ploasti hvataimogu ugraivati u separator.

31

Tablica 3-2. Karakteristike raznih hvataa kapljicaFiltar elementi Koalesceri Ploasti hvatai Separator bezelementa

Promjer kapljica(m)

32

kapljica. Kapljice nafte koje imaju odreenu uzlaznu brzinu sudaraju se s ploom ija imkosina osigurava nastavak kretanja uz istovremeno okrupnjavanje, sve do zavretka ploe iodlaska prema razdjelnici nafta-voda. Promjer kapljice od 30 m je praktina granica do kojevibracije i male razlike tlaka onemoguavaju izdizanje kapljica, pa su to ujedno kapljicenajmanje veliine koje je mogue izdvojiti pomou ovog elementa. Za usporedbu,gravitacijskim djelovanjem se tijekom separacije moe se oekivati izdvajanje kapljicapromjera izmeu 100 i 150 m. Konstrukcija hvataa razlikuje se prvenstveno u obliku,broju, razmjetaju ploa i materijalu od kojih su nainjeni. Dvije osnovne izvedbe ploa suravne i naborane, a postoje i razni prijelazni oblici. Blokovi nainjeni od ovakvih ploa, iji sekut nagiba kree od 45 - 60, postavljaju se u smjeru protjecanja fluida u parovima tako daine oblik slova V. Na ovaj nain pospjeuje se i taloenje pijeska iz smjese, jer se pijesakodvaja na gornjim plohama ploa. Ploe mogu biti izraene od elika, dok se za sluajeveprimjene kod manjih temperatura mogu koristiti i plastini materijali. Mogue konstrukcijeploa prikazane su na slici 3-15.

Slika 3-15. Kombinacije blokova ploa, element prije ugradnje i primjer naboranih ploa (FacetInternational 2008)

Dodatna prednost ugradnje hvataa je, ako to ostali parametri doputaju, smanjenjepotrebne duljine separatora, jer vea brzina izdvajanja nadoknauje smanjeni kapacitet. Bezobzira na potencijalne utede zbog dimenzija i mase separatora, jednostavnu ugradnju, malucijenu i djelotvornost hvataa, njihova ugradnja mora biti opravdana zbog estih prekida u

33

radu koji nastaju zbog epljenja pijeskom i parafinom, kao i nedjelotvornog rada pripulsirajuim dotocima.

3.1.1.7. Sustav za ispiranje pijeskaNakupljeni pijesak moe nakon nekog vremena zauzimati poprilino veliki dio separatora

to moe dovesti do poremeaja rada separatora. Ovaj problem je posebno izraen kodvodoravnih separatora, a alternativa runom ienju dna moe biti ugradnja sustava zaispiranje. Sustav se sastoji od razvodnih cijevi i mlaznica razmjetenih tako da pokrivaju dnoseparatora. Za ispiranje se najee koristi voda dobivena iz procesa ija izlazna brzina izmlaznice (5 m/s) uzrokuje pokretanje sloja pijeska prema drenanim otvorima kroz kojemjeavina vode i pijeska izlazi iz separatora. Za vrijeme trajanja ispiranja, proces separacijenije potrebno zaustavljati. Sustav moe djelovati selektivno, tako da ispire samo eljeni dio ilicijeli separator, a uz odgovarajuu opremu moe ga se u potpunosti automatizirati. Na slici 3-16 je prikazan sustav za ispiranje i tehnika ispiranja.

Slika 3-16. Sustav za ispiranje (HAT International 2008)

3.1.2. Podjela separatoraDa bi se maksimalno prilagodili specifinim uvjetima na koje se nailazilo u praksi,

kroz povijest su se razvili brojni tipovi separatora odnosno njihove modifikacije. Postoji viepodjela separatora: prema obliku, radnom tlaku i funkciji.

Prema obliku separatori se dijele na:- vodoravne separatore cilindrinog oblika,- uspravne separatore cilindrinog oblika,

34

- kuglaste i- specijalne - ciklonske i hidrociklonske.

Prema radnom tlaku separatori se dijele u tri grupe:- niskotlani separatori (0,6-12,4 bar),- srednjetlani separatori (15,8-48,26 bar) i- visokotlani separatori (67,2-103,4 bar)

S obzirom na funkciju koju obavljaju mogue ih je podijeliti na:- dvofazne - razdvajaju ulaznu smjesu na kapljevinu i plin i- trofazne razdvajaju smjesu na plin, naftu i vodu.

Separatori mogu biti opremljeni i ureajima kojima se mjere koliine izdvojenih faza, tako dadobivaju i mjernu ulogu i nazivaju se mjerni separatori. U praksi svaki separator moe bitimjerni bez obzira na svoju funkciju. Za potrebe mjerenja i testiranja buotina koriste se testniseparatori.

3.1.2.1. Vodoravni separatoriVodoravni separatori su vrlo est odabir u praksi gdje se veinom koriste kao trofazni

separatori. Njihova konstrukcija rezultira sljedeim prednostima pred ostalim tipovimaseparatora:

- mogunost obrade velike koliine smjese- mogunost obrade smjese podlone pulsirajuem dotoku i pjenjenju- mogunost obrade smjese sa srednjim i visokim udjelom plinovite faze - zbog velike

kontaktne povrine izmeu kapljive i plinovite faze, te velike duljine pogodni su za kvalitetnoizdvajanje plina

- za iste dobave, jeftiniji su od uspravnih separatora (jednostavnija izrada)

Nedostaci vodoravnih separatora su:- nisu pogodni za obradu smjese s velikim udjelom vrstih esticaNakon izvjesnog vremena, istaloene vrste estice prekriju dno separatora u cijelojnjegovoj duini, ime je oteano njihovo uklanjanje.

35

- mogunost ponovnog ulaska plina u kapljevinu- zahtijevaju vie prostora za smjetaj pa nisu pogodni za instalaciju na mjestimapoput platformi- neravnomjerno pritjecanje smjese u separator moe uzrokovati pogreke u kontrolirazine, pa ak i uzrokovati nehotini prekid procesa, to predstavlja problem priautomatizaciji separatora.

Tijek separacije i osnovni dijelovi separatora prikazani su na primjeru sheme osnovnogvodoravnog separatora (slika 3-17). Smjesa pri ulasku u separator udara o pregradu (1),smjetenu odmah do dovodne cijevi. Zbog promjene smjera i brzine smjese prilikom udara,dolazi do odvajanja plinovite faze od kapljevite pri emu plin struji prema gore, a kapljevinase uslijed djelovanja gravitacije slijeva u akumulacijsku sekciju separatora koja mora imatiodgovarajui volumen da u sluaju isprekidanog ili pulsirajueg dotoka, moe osiguratidovoljan prostor za prihvat smjese i amortizaciju moguih valova.. U njoj se kapljevinasakuplja i zadrava, omoguujui izdvajanje plinske faze. Nakon to kapljevina dosegneodreenu razinu unutar separatora, regulator razine (6) na bazi plovka otvara ispusni ventil (5)i isputa kapljevinu. Obino se ispred plovka postavlja pregrada (2) radi spreavanja oscilacijarazine kapljevine. Razina kapljevine, ili razdjelnica nafta-plin, moe se kretati od polovine dotri etvrtine visine separatora, a obiaj je da separator bude ispunjen do polovine. Plin koji seizdvojio na ulaznoj pregradi struji vodoravno kroz separator iznad kapljevine, u prostoru kojise zove sedimentacijska sekcija. U njemu se djelovanjem sile tee izdvajaju zaostale kapljicekoje se nisu izdvojile na ulaznoj pregradi i padaju u akumulacijsku sekciju. Kapljice koje supremale da bi se izdvojile gravitacijski izdvajaju se na hvatau kapljica (3). Odravanje tlakaseparacije odvija se uz pomo automatske regulacije tlaka koja inicira otvaranje ispusnogventila za plin (4). Plin naputa separator i odlazi na daljnju obradu.

36

1 ulazna pregrada; 2 pregrada; 3 hvata kapljica; 4 regulator tlaka i ispusni ventil plina; 5 ispusni ventil nafte; 6 regulator razine (plovak)

Slika 3-17.Vodoravni separator

Trofazni separatori namijenjeni su izdvajanju vode iz smjese. Nakon odreenog vremenazadravanja mjeavine nafte i vode, na dnu separatora e se izdvojiti slobodna voda koju jepotrebno ukloniti iz procesa. Poveanje razine vode odvijati e se kao na slici 3-18, s tim da seu periodu od 3 do 30 minuta izdvoji veina vode nakon ega je poveanje njezine razinezanemarivo.

37

Slika 3-18. Odnos debljine sloja vode i vremena (Arnold & Stewart, 2008)

Po konstrukciji su trofazni separatori slini dvofaznim, s razlikom u akumulacijskomdijelu, u kojem se odjeljuju voda i nafta to zahtijeva posebne sustave za isputanje slobodnevode iz separatora. Tijek odvajanja faza u separatoru prikazan je na primjerima trofaznogseparatora s pregradom (slika 3-19) i separatora s posudom (slika 3-20), jer se te dvije izvedbeseparatora najee susreu u praksi.

1 ulazna pregrada; 2 pregrada; 3 regulator razine razdjelnice; 4 regulator razine.Slika 3-19. Vodoravni trofazni separator s pregradom

U osnovnoj separacijskoj sekciji na ulaznoj pregradi dolazi do najveeg odvajanjakapljevine od plina. Pregrada je konstruirana tako da se njezin zavretak nalazi ispodrazdjelnice nafta-voda (1), zbog ega mjeavina vode i nafte ulazi u akumulacijsku sekcijuispod nje. Ovim se postie mijeanje smjese sa slojem ve formirane vode, nakon ega senafta uzdie prema razdjelnici nafta-voda. Razlog ovakvom rjeenju ulaska smjese ienje

38

vodenih kapljica iz nafte zbog koalescencije s ve postojeom vodom. Postupak je u praksipoznat pod nazivom vodeno pranje. Drugi razlog je taj to kapljevina s odbojne ploe ne padadirektno na razdjelnicu nafta-plin, pa zato ne dolazi do mijeanja ve formiranih slojeva.Openito, akumulacijska sekcija trofaznih separatora mora omoguiti prihvat odreenekoliine smjese kroz odreeni period vremena, tako da se iz emulzije moe izdvojiti nafta iisplivati na povrinu odakle se lako uklanja. S pritjecanjem smjese, nafta koja se izdvaja,prelijeva se preko pregrade (2) u prostor za prihvat nafte na kraju separatora i konano odvajaod vode. Iz tog prostora, nakon to se prikupi dovoljno nafte, aktiviranjem regulatora razine(4) i otvaranjem ventila, nafta izlazi iz separatora. Isputanje odvojene vode, odnosnoodravanje konstantne razine razdjelnice, omoguava otvaranje ventila za ispust (3). Stoga jeukupna debljina sloja nafte u akumulacijskoj sekciji odreena visinom razdjelnice i pregradepreko koje se preljeva. Plin struji vodoravno iznad nafte kroz sedimentacijsku sekciju, prolazikroz hvata kapljica i dolazi do regulatora tlaka koji isputanjem plina regulira tlak useparatoru.

1 pregrada za naftu; 2 posuda za naftu; 3 pregrada za vodu.Slika 3-20. Vodoravni trofazni separator s posudom i pregradama

Prednost ovakve izvedbe separatora je to ne iziskuje regulaciju razine razdjelnice nafta-voda, jer su razine nafte i vode odreene zasebnim pregradama. Sloj nafte koji se formira napovrini vode prelijeva se preko pregrade (1) u posudu (2) i tamo sakuplja dok ne dosegnerazinu koja signalizira otvaranje ventila za isputanje. Odvojena voda otjee ispod posude ipreljeva se preko pregrade (3), u dio gdje se takoer akumulira do isputanja iz separatora.Kod ove konstrukcije potreban je pravilan izbor visina pregrada. Razlika u visini pregrada

39

mora biti takva da osigura stvaranje dovoljno debelog sloja nafte koji e osigurati potrebnovrijeme boravka nafte u sekciji da se omogui dosezanje fazne ravnotee i kvalitetnogravitacijsko odvajanje nafte i vode. Ovo se postie postavljanjem vodene pregrade dovoljnonisko u odnosu na naftnu pregradu. Vodena pregrada ne smije biti prenisko jer sputanjemrazdjelnice nafta-voda moe doi do povlaenja dijela nafte ispod posude i njezinogprelijevanja preko vodene pregrade. Iz ovih razloga obje pregrade su podesive visine tako semogu prilagoditi za razne sluajeve. Udaljenost vodene pregrade od naftne, radi postizanjaeljene debljine nafte, moe se izraunati pomou jednadbe (3-2)

[3-2]gdje je:h udaljenost izmeu vodene i naftne pregrade [m];ho eljena debljina sloja nafte [m];o gustoa nafte [kg/m3];w gustoa vode [kg/m3];

Jednadba vrijedi u statikim uvjetima kada nema utoka u separator, jer ne uzima u obziromjer vode i nafte u smjesi, kao ni visinu njihovog prelijevanja iznad pregrada.

Odabir odreenog separatora (s pregradom i regulacijom razdjelnice ili s posudom), ovisitie o svojstvima nafte. Prva opcija je bolji izbor kada nafta nije sklona promjenama u gustoi, adruga kada u nafti ima dosta parafina ili je nafta sklona emulgiranju, jer je tada oteanodefiniranje razine razdjelnice.

3.1.2.2. Uspravni separatoriU praksi se najee, uz vodoravne, mogu vidjeti separatori uspravne konstrukcije (slika 3-

21). Uspravni separatori koriste se preteno za obradu manje koliine smjese s malim udjelomplinovite faze. Dobar su odabir ako u proizvedenom fluidu prisutne vrste estice, jer je dnoseparatora konkavnog oblika zbog ega talog izlazi iz separatora zajedno s kapljevinom ili semoe postaviti zaseban drenani otvor, koji se smjeta ispod izlazne linije za kapljevinu.Vjerojatnost ponovnog ulaska plina u kapljevinu je mala, jer faze nakon inicijalnograzdvajanja imaju suprotan smjer kretanja. Visina separatora osigurava laganiji i pouzdaniji

40

razmjetaj kontrolnih dijelova za automatsku regulaciju, a zbog konstrukcije se montiraju namjestima gdje je prostor ogranien.

1 ulazna pregrada; 2 pregrada; 3 regulator razine; 4 ispusni ventil nafte; 5 hvata kapljica; 6 regulator tlaka i ispusni ventil za plin

Slika 3-21. Shema uspravnog dvofaznog separatora

Tijek separacije slian je kao i kod vodoravnog dvofaznog separatora, a zapoinje ulaskomsmjese na bonoj strani posude i razdvajanjem na ulaznoj pregradi (1). Smjesa ulazi useparator s gornje strane, na oko dvije treine visine, a ulaz moe biti izveden tako da sesmjesa giba tangencijalno ili radijalno. Ako je ulaz tangencijalan, onda dolazi do stvaranjatangencijalne sile koja dodatno poboljava separaciju. Nakon to se na ulazu odvoji najveidio kapljevine ona kree ka akumulacijskom prostoru preko pregrade (2), ija je ulogasmanjivanje oscilacija razdjelnice i kontrolnog plovka. S uspostavljanjem fazne ravnotee plinse polako izdvaja i kree se prema sedimentacijskoj sekciji u suprotnom smjeru od nadolazeekapljevine. Nakon nekog vremena akumulacije, nivo kapljevine dosee odreenu visinu te sepreko regulatora razine (3), kao i kod vodoravnog separatora, otvara ispusni ventil (4) ikapljevina se isputa iz sekcije. Plin koji se odvoji na ulaznoj pregradi vertikalno struji premasedimentacijskoj sekciji, u kojoj dolazi do gravitacijskog odvajanja kapljica i njihovog padanjakroz plin koji struji prema gornjoj strani separatora. Prije isputanja iz separatora plin prolazi

41

kroz koagulatorsku sekciju (5). Tlak separacije odreuje se regulatorom tlaka (6), koji upravljaradom izlaznog ventila.

Nedostatak uspravnih separatora prvenstveno je protustrujno kretanje osloboenog plina izakumulacijske sekcije kroz padajuu kapljevinu, zbog ega nisu pogodni za velike koliineplina. U tim sluajevima separatori bi trebali imati odgovarajui promjer da se umanjinegativni efekt protustrujnog kretanja. Relativno mali promjer uzrok je loeg rada pripulsirajuem dotoku smjese, pa su u takvim uvjetima ne preporua upotreba dvofaznihuspravnih separatora. Osim toga otean je i pristup ureajima na vrhu separatora radi kontrolei servisa, a problem prilikom transporta ponekad predstavlja i njihova visina.

Konfiguracija osnovnog uspravnog trofaznog separatora prikazana je na slici 3-23.

1 slijevna cijev; 2 raspriva; 3 pregrada; 4 oduak.Slika 3-22. Uspravni trofazni separator

Fluid ulazi sa strane ureaja gdje se u osnovnoj separacijskoj sekciji obavlja najvei dioseparacije. Mjeavina vode i nafte nakon primarne separacije na ulaznoj pregradi slijeva seuakumulacijsku sekciju kroz sljevnu cijev (1) da slobodni pad ne bi uzrokovao ponovnomijeanje ve formiranih faza. Sljevna cijev ili odvod, zavrava rasprivaem (2) u visinirazdjelnice voda-nafta. Iz nafte, koja se izlaskom iz njega poinje kretati prema gornjem dijelu

42

separatora, poinju se izdvajati zarobljene kapljice vode i kretati se u suprotnom smjeru,prema dijelu u kojem se akumulira voda. Izdvojena naft se prelijeva u posudu preko pregrade(3) te se tako odvaja od vode. Nakon to se u posudi akumulira odreena koliina nafte,regulator razine otvara ventil i ona se isputa iz separatora. Posuda je radi izjednaavanjatlakova i odvoenja naknadno izdvojenog plina, odukom (4) povezana sa sedimentacijskomsekcijom. Isputanje vode, a time i podeavanje razine razdjelnice obavlja se automatskireguliranim ventilom. Put plina identian je onom opisanom kod dvofaznih separatora. Dnoseparatora moe biti konusnog oblika ako se oekuje vei udio pijeska u proizvodnji. Obinoje nagiba 60, jer pri manjim kutovima moe doi do ljepljenja pijeska za stijenke. Druga jemogunost umetanje konusa unutar cilindrinog tijela separatora kod proizvodnje, pri emutreba osigurati da prostor izmeu vanjske stijenke konusa i separatora bude pod istim tlakomkao ostatak separatora, to se osigurava ugradnjom odgovarajuih cijevi za izjednaavanjetlaka.

Ostale mogue varijante izvedbe trofaznih uspravnih separatora prikazane su na slici 3-24.

a) b)Slika 3-23. Mogua izvedba trofaznih uspravnih separatora

Na slici a) prikazana je izvedba kod koje se koriste regulatori razine razdjelnica.Najjednostavnija je za izradu i jeftina, ali slabije kvalitete separacije. Separator na slici b)izveden je tako da regulacija razdjelnice nije potrebna, a razina vode se odreuje u posebnomspremniku izvan separatora. Zbog zahtjeva za dodatnim prostorom i instalacijama nije uvijeknajbolje rjeenje.

43

3.1.2.3. Kuglasti separatoriOvaj tip separatora se vie koristio u prolosti i danas je u potpunosti izbaen iz upotrebe

Iako se jo ponegdje moe sresti istovremeno loe podnose pulsirajue dotoke, a uz to suiznimno sloene izrade. Kuglasti separator prikazan je na slici 3-25.

Slika 3-24. Kuglasti separator (Arnold & Stewart, 2008)

3.1.2.4. Ciklonski separatoriSvi opisani separatori mogu svrstavaju se u grupu gravitacijskih separatora. U ciklonskom

separatorima uzrok odvajanja je centrifugalna sila, te se stoga esto nazivaju i centrifugalniseparatori. U njima je mogue postii od pet puta pa do dvije tisue puta vee sile odgravitacijske Arnold, 2008), to ovisi o veliini separatora i brzini smjese na ulazu. Primarnose koriste za smjese s izrazito velikim udjelom plinske faze. Koriste se za sigurno izdvajanjekapljica veih od 100m, a ukoliko su odgovarajue projektirani njima se mogu ukloniti iestice veliine 5m. Zbog malih dimenzija i mase najee se susreu na platformama.Nedostatak ovih separatora jest to to zahtijevaju tono odreenu dobavu i brzinu smjese, jer usuprotnom dolazi do smanjenja djelotvornosti separacije. Zbog toga se ne mogu koristiti pripulsirajuem ili promjenjivom dotoku smjese iz buotine ili za iroki spektar dobava. U njima,takoer, dolazi do velikog pada tlaka zbog poveane brzine u uzlaznom cjevovodu.

44

Slika 3-25. Ciklonski separator i mogue izvedbe tangencijalnog ulaza (BS&B 2008)

Oblik ciklonskog separatora moe biti konusni, koji je pogodan za sluaj prisustva vrstihestica, ili cilindrini kakav je prikazan na slici 3-26. Tangencijalnim ulaskom u separator,smjesa se poinje kretati spiralno pri emu dolazi do pojave centrifugalne sile. Nafta se kaotea frakcija izbacuje prema obodu i slijeva po unutranjoj stijenci prema akumulacijskojsekciji, dok se plin kree uzlazno prema centralno postavljenoj uzlaznoj cijevi. Finije kapljicekoje se nisu uspjele izdvojiti, zajedno s plinom ulaze u uzlaznu cijev gdje su, zbog velikebrzine, ponovo podvrgnute djelovanju centrifugalne sile. Izdvojena nafta kree se uzlazno poobodu prema perforacijama preko kojih ulazi u spojnu cijev i u akumulacijski prostorseparatora. Plin iz separatora izlazi kroz uzlaznu cijev, dok se nafta isputa periodiki krozizlaz na donjem dijelu tijela separatora. U pravilu, to je brzina smjese na ulazu u separatorvea to je separacija djelotvornija. Brzina protjecanja smjese za postizanje optimalneseparacije kree se od 20 - 25 m/s (Arnold, 2008).

3.1.2.5. Ostale vrste separatoraU praksi su esti separatori izvedeni iz opisanih osnovnih oblika ija, su konstrukcijska

obiljeja takva da bolje odgovaraju smjesama odreenog tipa ili odreenim uvjetima procesa.Radi poboljanja uinkovitosti separatori se obino uz izmjenu konstrukcije opremaju iposebnim elementima. Neki od specijalnih tipova separatora opisani su u nastavku.

45

3.1.2.5.1 Nagnuti vodoravni trofazni separatoriKonvencionalni vodoravni separatori u nekim se sluajevima izrauju tako da im je

uzduna os pod nekim kutem u odnosu na horizontalnu ravninu (slika 3-29). Time sepokuavaju bjediniti prednosti uspravnog i vodoravnog separatora, pa takvi separatorizadravaju veliku povrinu razdjelnica, mogu obraditi veu koliinu smjese i dobro prihvaajupulsirajue dotoke. Najee se primjenjuju za separaciju velike koliine slobodne vode izsmjese jer omoguuju dovoljno prostora za njezino nakupljanje te kvalitetno ienje zbogvelike uspravne udaljenosti izmeu razdjelnice nafta-voda i izlaza za vodu. Proces separacijeidentian je onom u vodoravnim separatorima.

Slika 3-26. Shema nagnutog vodoravnog separatora i izgled u praksi (Corlac Industries, 2008)

3.1.2.5.2 Vodoravni separatori s dvije posudeGlavno obiljeje ovih separatora je akumulacijska sekcija u zasebnoj posudi (slika 3-28.

Kombinacija odvojenih posuda upotrebljava se pri separaciji smjese s velikim udjelom plina,pri emu ovaj raspored sprjeava kontakt struje plina s razdjelnicom nafta-plin te ponovniulazak plina u naftu. Nadalje, oslobaanje plina iz akumulacijske posude odvija se u boljim,mirnijim uvjetima, jer se nafta ne slijeva slobodno po razdjelnici pa je djelotvornost separacijevea. U usporedbi s vodoravnim separatorima s jednom posudom, ovakvi separatori sudjelotvorniji u odvajanju fluida slinih gustoa, kod pulsirajueg dotoka smjese, a i laka jeizvedba njihove automatizacije. Najvei nedostatak ovih separatora jest visoka cijena kojasprjeava njihovu estu upotrebu.

46

1 spojna cijev; 2 hvata kapljica; 3 ploasti hvata kapljica; 4 naftokazno staklo.Slika 3-27. Vodoravni separator s dvije posude (Hamid & Kamaruddin, 2006)

Na gornjoj plinskoj posudi nalazi se ulaz u separator gdje dolazi do primarne (osnovne)separacije. Odvojena kapljevina slijeva se preko prve spojne cijevi (1) u donju akumulacijskuposudu gdje se uspostavom ravnotee izdvaja plin. Osloboeni plin odlazi nazad u gornjuposudu preko spojnih cijevi, te zajedno s plinom odvojenim na ulazu struji preko hvataaveih kapljica (2) i ploastog hvataa kapljica (3) prema izlazu za plin. Uzdu separatorapostavlja se jo jedna ili vie spojnih cijevi, obino ispod elemenata za izdvajanje kapljica, dabi se olakalo njihovo slijevanje u akumulacijsku posudu. Isputanje plina i nafte moe seodvijati automatski ili runo, te se zbog toga moe ugraditi i naftokazno staklo (4).

3.1.2.5.3 Separatori sa izmomDvofazni separator sa izmom je specijalni oblik vodoravnog separatora s dvije

posude i koristi se za obradu velike koliine smjese s malim udjelom kapljevite faze (slika 3-29). Sastoji se od glavne posude i izme koja je smjetena na dnu separatora. Svrha izmeje prikupljanje izdvojene nafte, ime se omoguava strujanje plina kroz glavnu posudu, imeona dobiva funkciju slinu gornjoj ili plinskoj posudi kod separatora s dvije posude.Rezultat takve konstrukcije su prednosti karakteristine za konstrukciju separatora s dvije

47

posude. Postupak separacije slian je ostalim vodoravnim dvofaznim separatorima, aisputanje kapljevine odvija se uz ureaje regulacije razine i ispuste smjetene u prostoruizme. Prednosti ovakvog tipa separatora jesu i manja cijena od separatora s dvije posude iopenito manji potreban promjer glavne posude u usporedbi s ostalim vodoravnimseparatorima. Kao nedostatak moe se navesti smanjeni kapacitet prihvata kapljevine u odnosuna separator s dvije posude.

Slika 3-28. Dvofazni separator sa izmom

Kod trofazne izvedbe separatora sa izmom, koji se smatra specijalnim oblikomtrofaznih vodoravnih separatora (slika 4-30), prostor izme ispunjava voda izdvojena izsmjese. Prednost ovakve konstrukcije nad klasinim trofaznim separatorima istog promjerajest ta da se dodatnim volumenom izme osigurava dulje vrijeme zadravanja kapljevine useparatoru i poboljava djelotvornost razdvajanja nafte i vode.

Slika 3-29.Trofazni separator sa izmom

48

3.1.2.5.4 Separatori za izdvajanje slobodne vode

Ovi tipovi separatora nazivaju se jo i "odvajai slobodne vode (engl. Free water knockout), a koriste se kod obrade smjese s velikim udjelom kapljevine (slika 4-31). Iskljuivanamjena ovih separatora jest izdvajanje velikih koliina vode iz smjese, dok se nafta i plin nitine pokuavaju meusobno izdvajati. Prema tome, glavna konstrukcijska razlika izmeutrofaznih separatora i separatora za izdvajanje vode, jest u izostanku izlazne linije za plin, kojiako ga ima, izlazi iz separatora zajedno s naftom.

Slika 3-30.Vodoravni i uspravni odvaja vode

3.1.2.5.5 Vodoravni separatori s dvojnim protokomOvaj tip separatora koristi se kao zamjena za klasini vodoravni separator kada je potrebno

smanjenje vodoravne brzine protjecanja jedne ili vie faza unutar separatora. Brzina plina kodove konstrukcije upola je manja nego kod klasine, a kako je promjer separatora odreenponajvie potrebnom brzinom plina, tada se ovim separatorom moe obraditi vie plina bez

49

potrebe za veim promjerom, pa se ovaj tip separatora najvie koristi kod smjesa s velikimudjelom plina i pogodan je za iroki spektar dobava.

1 elementi ulazne separacije; 2 hvata kapljica; 3 koalescer.Slika 3-31. Vodoravni separator s dvojnim protokom (NATCO, 2008)

Smjesa ulazi u osnovnu separacijsku sekciju kroz ulaz koji je postavljen na sredini posude.U njoj se nalaze dva dijela za odvajanje plinovite i kapljevite faze, od kojih svaki obraujepolovinu smjese te je usmjerava prema suprotnim krajevima separatora (1). Emulzija vode inafte odlazi u akumulacijsku sekciju gdje se odvojena nafta, preko dvije pregrade postavljenena svakom kraju separatora, odvaja od vode i isputa kroz izlaze za naftu. Nakon izlaska izseparacijske sekcije, plin polazi na suprotne krajeve kroz hvatae kapljica (2) gdje se uklanjajuvee kapljice i struji prema izlazima za plin koji su opremljeni koalescerom (3). Svi izlazi naseparatoru su postavljeni u paru i zbog toga se dimenzioniraju na polovicu ulaznog protoka, dabi se izlazne linije svake faze potom spojile u jednu cijev.

Ovaj tip separatora karakterizira sloena konstrukcija koja zahtijeva ugradnju dvostrukihelemenata i visoka cijena, zbog ega ne izrauje u malim dimenzijama kao niti za manjetlakove.

3.1.2.5.6 Separatori s funkcijom razdvajanja izlaznog protoka nafte

U situacijama kada je izdvojenu naftu iz separatora potrebno dovesti do vie ureaja unarednom stupnju obrade upotrebljavaju se tzv. separatori razdjeljivai protoka (engl.Flow splitter). Konstrukcija separatora zasniva se na nizu meusobno izoliranih odjeljaka svlastitom regulacijom razine, ventilom i ispusnom linijom za naftu (slika 3-32). Smjesaulaskom u separator prolazi kroz standardni postupak odvajanja, pri emu se visina razdjelnice

50

nafta-plin odrava stalnom. Ukoliko se dobivena nafta eli podjednako razdijeliti po izlaznimvodovima, podesive pregrade postavljaju se na jednakim visinama, dakle da ljebovi na njimauranjaju u sloj nafte jednakom dubinom, zbog ega se odjeljci pune jednakom brzinom. Nakonpunjenja odjeljka i aktiviranja regulatora razine odnosno otvaranja ventila, nafta se isputa izseparatora. Ako koliinu nafte koja se isputa iz odreenih odjeljaka treba poveati ilismanjiti, mijenja se brzina punjenja, odnosno sputa se ili podie podesiv pregrada, tj. mijenjase dubina uranjanja ljeba. Zbog zasebne regulacije razine, svaki odjeljak se prazni ovisno obrzini ulijevanja nafte. U ovom sluaju, razdjelnica nafta-plin prilagoava se visini najviepostavljene podesive pregrade. Odvojena voda, koja se nalazi izvan odjeljaka, isputa se prekojedne izlazne linije, isto kao i plin.

Slika 3-32. Separator s funkcijom etverostrukog razdvajanja izlaznog protoka nafte (Arnold & Stewart,2008)

Ovisno o dimenzijama, ovakvi tipovi separatora mogu imati do 44 izlazne linij ezanaftu, a prednost im je to predstavljaju cjelovito, integrirano rjeenje za potrebe razdjeljivanjaizlaznog toka nafte, to olakava instalaciju i odravanje takvog separatora-sustava.

3.1.2.5.7 Naftno-plinski filtar separatoriU tu skupinu spadaju dvofazni separatori velike uinkovitosti namijenjeni iskljuivo finom

uklanjanju kapljevine iz plina. Princip njihovog djelovanja bazira se na posebnim unutarnjimelementima koji koriste tehniku sedimentacije poznatu kao okrupnjavanje kapljica ilikoalescencija u nekoliko strupnjeva. Iako se posebnost ovih separatora moe pripisati samo

51

unutarnjem elementu filtru, koji je slian onom to se postavlja u koalescencijsku sekciju,zbog specifine izvedbe biti e opisani kao cjelina zajedno sa separatorom (slika 3-34).

Promjer kapljica koje se mogu ukloniti ovim tipom separatora kree se od 0,2 m, pri emuje ukupna koncentracija kapljevine u izlaznoj struji plina oko 0,003 mg/l. Za razliku od ostalihelemenata koji koriste inertnost kapljevine pri njenom uklanjanju, filtri koriste direktnohvatanje estica i Bronwnovu difuziju, tako da su maksimalno uinkoviti i u sluajevima kadadolazi do smanjenja protoka ili tlaka. Rijetko su u upotrebi kao standardni fazni separatori, vese koriste kao zadnji stupanj obrade isto plinskih smjesa ili se ugrauju u plinske vodovekako bi se uklonila kapljevina koja tetno djeluje na ostalu procesnu i transportnu opremu napostrojenju.

Slika 3-33. Filtar separator (Pall Corporation, 2008)

Ulaz plina (1) smjeten je donjoj treini visine separatora, gdje odmah po ulasku dolazi dogravitacijskog odjeljivanja kapljica veih od 300 m koje se nakupljaju u donjojakumulacijskoj sekciji separatora (2). Nakon toga se plin uzlazno kree kroz spojne cijevi (3) iulazi u filtre (4). Svaki filtar izgraen je od perforirane metalne cilindrine jezgre oko koje sunamotana fino isprepletena staklena vlakna promjera nekoliko mikorona, stvarajui takoveliku kontaktnu povrinu sposobnu za hvatanje kapljica. Svaki naknadni sloj, iji ukupni brojmoe iznositi 3 do 4, izrauje se od vlakana sve veeg promjera, tako da ujedno raste ipromjer pora koje ine. Nakon to plin ue u filtre, poinje se kretati radijalno kroz njih noseisa sobom kapljice mikro promjera. Nakon hvatanja kapljica za vlakno, one klize prema

52

sjecitu vlakana gdje dolazi do njihovog okrupnjavanja. Kada kapljice postanu takve veliineda se vie ne mogu opirati brzini struje plina, odvajaju se od vlakna i sudaraju sa sljedeimslojem debljih vlakana i proces se ponavlja. Na izlasku iz filtra u prstenasti prostor separatora,raspon veliina kapljica kree se od 0,5 do2,2 mm, to je dovoljno za gravitacijsko odvajanje inakupljanje u gornjoj akumulacijskoj sekciji (5).

Filtar separatori mogu biti uspravni ili vodoravni, a esto se izvode kao vodoravniseparatori s dvije posude (slika 3-34), u kojima plin struji u unutranjost filtra, a okrupnjenekapi jo se uklanjaju i hvataima. Promjeri separatora mogu se kretati od 15 cm do preko 3metra, a glavni nedostatak im je osjetljivost na pijesak, tj. epljenje i habanje filtra iji je radnivijek u prosjeku godinu do dvije.

Slika 3-34. Filtri i vodoravni filtar separator s dvije posude

3.1.2.5.8 Vodeno-naftni filtar separatoriU naelu ovi separatori (slika 3-36 i 3-37) slijede princip djelovanja prethodno opisanih

separatora, s tim da su razvijeni razdvajanje nafte i vode. Koriste se za obradu stabilnihemulzija koje nije mogue obraditi klasinim separatorima, odnosno za izdvajanje kapljica urasponu promjera od 1 do 50 m. Upotrebom separatora ovog tipa mogue je postiikoncentracije do 15 mg vode/dm3 nafte, ili 20 mg nafte/dm3 vode, ako se pri izdvajanju nafteiz vode ne koriste kemijska sredstva.

53

Slika 3-35. Princip koalescencije kapljica

Postupak separacije odvija se u tri koraka: predseparacija, koalescencija i separacija. Napoetku se iz smjese izdvajaju vrste estice jer njihovo prisutstvo ini emulzije stabilnijim.To se odvija u uspravnoj sekciji separatora prolaskom smjese kroz filtar, gdje kapljice ujednoprolaze prvi stupanj koalescencije. Smjesa zatim odlazi u vodoravnu sekciju i ulazi u filtre.Filtri su graeni slino onima koji se koriste za odvajanje nafte i plina s tom razlikom da suvlakna nainjena od polimera. Radijalnim izlazom iz filtra, kapljice se veu na vlakna, kliuna vorita vlakana i spajaju se. Kada postanu dovoljno velike, odvajaju se i vlakana s veimporama, gdje se ciklus ponavlja. Prolaskom kroz filtar kapljice imaju promjer od 500 do 5000m.

Slika 3-36. Vodoravni filtar separator za kapljevinu (Pall Corporation, 2008)

U vodoravnim separatorima odvajanje kapljica nafte i vode odvija se pod utjecajemgravitacije, dok se u uspravnim separatorima kapljice odvajaju prolaskom kroz separacijska

54

kuita. Kuita su izraena od hidrofobnih materijala tako da predstavljaju barijeru zaprolazak vode, a nafta kroz njih u akumulacijsku sekciju prolazi. Voda koja zaostane s vanjskestrane isputa se preko posebnog ispusta za vodu. Ukoliko je iz smjese potrebno ukloniti naftu,tada se postavljaju kuita koja proputaju vodu, a izlazi su suprotni od onih na slici 3-37.

Slika 3-37. Uspravni filtar separator za kapljevinu (Pall Corporation, 2008)

Radni vijek i esto epljenje filtara predstavljaju najvei problem u radu ovih separatora.Osim toga zahtijevaju posebno uklanjanje pijeska iz smjese ako je njegova koncentracija veaod 10 mg/l. Pri savrenim uvjetima vijek trajanja filtara kree se od jedne do dvije godine.

3.1.2.6. Problemi u radu separatoraU praksi se tijekom rada svakog separatora javljaju problemi. Sloeni sastav smjese,

sadraj krutih estica, pjena, neravnomjeran dotok i ostalo, ine itav raspon pojava kojestvaraju potencijalne smetnje u radu separatora. Iako se njihov utjecaj nastoji umanjitipravilnim odabirom, preventivnim akcijama i redovitim odravanjem separatora, ipak ih nijemogue u potpunosti ukloniti.

3.1.2.6.1 PjenjenjeNeistoe u sirovoj nafti nije mogue ukloniti prije ulaska u separator, a upravo su one

glavni razlog nastanka pjene. Ako su radni uvjeti separacije konstantni, tada je u faziprojektiranja separatora mogue predvidjeti dovoljno vrijeme za slijeganje pjene prirodnimputem ili se problem moe rijeiti ugradnjom otpjenjivaa. No, kako pjenjenje varira ovisno orazlici tlaka koja se ostvaruje na ulazu u separator, kao i o sastavu i temperaturi smjese, takose mijenja i njezina koliina. Sloj pjene i poveanje njegove debljine mogu se na tri nainanegativno odraziti na rad separatora. Rad mehanikih regulatora razine postaje nedovoljnoprecizan, jer se pjena smjetena izmeu plina i nafte ponaa kao trea faza. Nadalje, zbog

55

velikog omjera mase i volumena, dolazi do ispunjavanja prostora unutar separatora ime sesmanjuje propusna mo i djelotvornost separatora. U najgorem sluaju, kod nekontroliranogpjenjenja, separacija postaje nemogua, a pjena poinje izlaziti iz separatora kroz vodove zaplin. U ovakvim situacijama treba dodati depresante ili inhibitore pjene u smjesu, to u sluajuvelikih potrebnih koliina moe biti skupo rjeenje.

3.1.2.6.2 ParafinIzdvajanje parafina najvie utjee na djelotvornost elemenata u unutranjosti separatora.

Otpjenjivai, hvatai kapljica emulzija i koalesceri su posebno skloni obljepljivanju i epljenjui pritom gube svoju funkciju i stvaraju barijere prolasku fluida. Stoga se separatori za teenafte opremaju mlaznicama kroz koje se puta para ili otapalo, a preporua se i ugradnja okanaza runo uklanjanje nakupina parafina. Regulacija temperature je najsigurnija prevencija, ali jeneisplativa pa se koristi tek u rijetkim sluajevima.

3.1.2.6.3 PijesakProbleme koji nastaju taloenjem pijeska nije mogue izbjei. Svi elementi koji se ugrauju

u akumulacijsku sekciju separatora su mjesta na kojima dolazi do nakupljanja pijeska.Posljedica je, kao i kod parafina, smanjena djelotvornost, oteani rad i smanjenje korisnogprostora u separatoru. Posebno osjetljivi dio separatora su ventili, jer pijesak ne doputanjegovo pravilno dosjedanje i zatvaranje, to na kraju dovodi do habanja, proputanja i ulazapijeska u izlazne vodove. Najbolje rjeenje po pitanju pijeska bilo bi njegovo uklanjanje prijeulaska u separator. Postoje neki komercijalni sustavi koji se baziraju na upotrebi ciklonskih ifiltrirajuih predseparatora, to se od sluaja do sluaja pokazalo kao vie ili manje dobrorjeenje.

3.1.2.6.4 Izlaenje fluida kroz pogrene vodoveNajnepovoljnija situacija u procesu separacije jest kada kroz izlaznu liniju plina poinje

navirati kapljevina, ili kada plin izlazi kroz naftnu ili vodenu liniju. U prvom sluaju uzrocimogu biti sljedei: zatajenje regulacije razine

priprema nafte za transport1

Documents