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TECHNOLOGIES CHIMIQUES ET PÉTROCHIMIQUES
L’influence du facteur hydraulique sur le processus de séparation d’un mélange de formation triphasé (exemple des matières premières du gisement de condensats de gaz d’Astrakhan)
Dr D. A. Chudievich, chargé de cours au Département de Pétrole et Gaz à l’Université Technique d’Etat d’Astrakhan ;
D. A. Diakité, Etudiant en Master au Département de Pétrole et Gaz à l’Université Technique d’Etat d’Astrakhan
Le mélange de formation du gisement de condensat de gaz d’Astrakhan est unique en son genre. Il contient une grande quantité de sulfure d’hydrogène, de dioxyde de carbone et un certain nombre d’autres composés contenant du soufre. Le gaz de cette composition ne peut pas être envoyé dans le tuyau vers le consommateur sans d’abord le nettoyer et le sécher de l’humidité résiduelle.
En outre, le mélange de formation est triphasé: gaz, condensat d’hydrocarbures et eau de formation. Le transport du mélange de formation du gisement de condensat de gaz d’Astrakhan (GCGA) est effectué des puits à l’usine de traitement du gaz à haute pression par des pipelines provenant des installations de prétraitement du gaz.
La canalisation a des zones surélevées et abaissées, ce qui affecte considérablement le transport du mélange gaz-liquide. Le mélange de formation dans les conduites, composé de gaz libre, de condensat et d’eau, en raison des processus de condensation et d’évaporation qui se produisent lorsque la pression et la température diminuent, change constamment.
Lorsque le flux gaz-liquide se déplace, les vitesses absolues des phases ne sont pas égales. Sur les tronçons horizontaux et ascendants du tracé, la vitesse de la phase gazeuse est supérieure à celle de la phase liquide, et sur celle descendante – vice versa [1-3].
Les flux multiphasiques sont caractérisés par la présence de différentes formes structurelles d’écoulement, ce qui signifie la nature de la distribution du gaz dans le liquide lors de leur mouvement commun dans le pipeline. Les formes structurelles du flux gaz-liquide sont très diverses et dépendent de la vitesse du mélange, de la teneur en gaz, des propriétés physiques des phases gaz et liquide, du diamètre et de l’angle de la canalisation.
Dans la zone immédiatement adjacente à la paroi de la canalisation, le mouvement du fluide est principalement laminaire. Plus loin de la paroi du tuyau, le courant devient instable, se transformant en un courant turbulent. Adjacent à la paroi des éléments relativement grands du liquide, ayant une faible vitesse, se détachent périodiquement de la surface et se déplacent dans la zone d’écoulement turbulent le long de la trajectoire à un angle d’environ 45° et s’effondrent, ce qui conduit à une image caractéristique de dissipation de la turbulence. L’élément liquide qui s’est détaché de la surface est remplacé par un liquide de plus grande énergie qui s’écoule de la zone éloignée de la surface [2].
On peut distinguer les formes structurelles suivantes de l’écoulement du mélange liquide-liquide [2,3]:
- bulle et émulsion, caractérisé par le mouvement dans le liquide de bulles de gaz;
- stratifié, caractérisé par un mouvement de couche de gaz et de liquide avec une surface de séparation lisse ou ondulée claire;
- liège (projectile, clair, liège-dispersé), caractérisé par une alternance de bouchons liquides et gazeux de différentes tailles;
- annulaire (film, film dispersé), caractérisé par l’écoulement de la majeure partie du liquide le long de la paroi du tuyau sous la forme d’un anneau liquide à l’intérieur duquel se déplace à grande vitesse un gaz contenant des gouttelettes de liquide.
A des vitesses de mélange inférieures à 0,2 m/s et à de grandes teneurs en gaz, une phase gazeuse continue est formée à la suite de la fusion des bulles les unes avec les autres, c’est-à-dire un flux séparé, une structure stratifiée. L’augmentation du débit entraîne la formation d’ondes à l’interface de phase. L’amplitude des ondes augmente proportionnellement à l’augmentation de la vitesse d’écoulement.
Dans certaines conditions, les vagues chevauchent complètement la section du tuyau et le flux passe dans le bouchon lorsque les bouchons de gaz et de liquide alternent les uns avec les autres. Avec l’augmentation de la teneur en gaz du mélange à vitesse constante, la taille des bouchons de gaz augmente et celle des bouchons liquides diminue. En fin de compte, les bouchons de liquide semblent être érodés le long de la paroi du tuyau, et la phase gazeuse contenant les gouttelettes de liquide se déplace au centre, c’est-à-dire que la structure annulaire du flux gaz-liquide est formée. Étant donné que les formes structurelles individuelles des flux gaz-liquides n’ont pas de limites claires d’existence, elles sont souvent combinées (onde séparée, émulsion de liège).
Les différentes structures sont interconnectées et se déplacent les unes dans les autres lorsque les conditions d’écoulement changent (en libérant du gaz dissous lorsque la pression chute dans les conduites, en changeant la surface de la section des tuyaux et leur inclinaison vers l’horizon, etc.). La figure montre à titre d’exemple une carte de la distribution des structures du mélange gaz-liquide dans les tuyaux horizontaux et inclinés d’un diamètre de 0,05-0,3 m, illustrant les modèles mentionnés ci-dessus [2].
teneur en gaz du mélange, vitesse du mouvement du mélange
Figure – Carte des formes structurelles du flux gazeux liquide
Les travaux des auteurs [1,2] ont prouvé que dans les canalisations légèrement inclinées et horizontales, toutes les formes structurelles d’un écoulement biphasé peuvent être réalisées, et dans celles ascendantes – seulement lièges et annulaires.
Sur la base du matériel expérimental, quatre zones de fonctionnement du gazoduc peuvent être distinguées en présence de liquide:
- zone de forte augmentation des pertes de charge, < 5 m/s;
- zone de forte baisse des pertes de charge avec une augmentation relativement faible du débit de gaz, 5 < < 11 m/s;
- zone d’élimination complète de la phase liquide du gazoduc, 11< < 15 m/s;
- zone d’exploitation du gazoduc propre, > 15¸20 m/s.
De ce qui précède, on peut voir que la zone des régimes de pulsation est dans la région de = 0 ¸ 11 m/s. Le pire mode de fonctionnement du gazoduc est observé à = 3 ¸ 5m/s, ce qui est caractéristique de la forme structurelle des bouchons de l’écoulement du mélange gaz-liquide avec la formation de longs bouchons gaz-liquide et accompagnés d’une pulsation de pression.
Les pulsations de pression ne sont rien de plus que des chocs hydrauliques résultant du «renversement» des accumulations de liquide.
Lors de la clarification des causes des pulsations de pression dans un flux triphasé, il convient de prendre en compte que ce flux a une compressibilité accrue, qui dépend des propriétés physiques des composants du mélange, de leur concentration réelle dans le mélange, sur transfert de chaleur entre les composants, sur la vitesse du mélange et l’ampleur de la perturbation.
Les calculs de la vitesse de déplacement du mélange gaz-liquide dans le pipeline réalisés en [1-3], ainsi que les résultats présentés des expériences expérimentales, ont confirmé que les pulsations de pression sont associées à l’accumulation d’une masse de liquide dans le levage sections du pipeline et son rejet périodique par le flux de gaz.
La moindre perturbation initiale de l’écoulement est à l’origine de la formation d’une petite accumulation de liquide (décélération) avec le développement ultérieur de pulsations du débit de liquide et de gaz.
Nous avons prouvé expérimentalement l’existence d’un bouchon liquide dans la conduite de condensat et donné l’explication suivante à l’apparition et au passage du bouchon liquide:
- le bouchon de liquide est intercalé avec une quantité importante de gaz (bouchon de gaz);
- le long du trajet de l’écoulement gaz-liquide du puits au collecteur à l’usine de traitement du gaz d’Astrakhan (longueur 11 km), des fluctuations de pression surviennent dans le pipeline en raison de la collision du bouchon liquide avec divers types d’étranglement;
- en cas de résistance hydraulique, les bouchons sont décélérés, provoquant ainsi des chocs hydrauliques;
- il y a un afflux constant de liquide et de gaz du puits vers le lieu de «inhibition», ce qui conduit à une augmentation de la pression dans cette section du pipeline;
- en raison d’une augmentation de la pression dans cette section de la conduite, une percée (poussée) du bouchon de liquide dans le séparateur se produit, ce qui entraîne à son tour une diminution de la pression dans la canalisation, une augmentation de la vitesse du gaz;
- subissant une résistance insignifiante lors du flux de gaz suivant le bouchon de liquide, le bouchon de gaz passe dans le séparateur;
- un bouchon liquide passe dans l’espace vide de la canalisation en suivant le gaz échappé, et sa vitesse est égale à la vitesse du gaz;
- à l’approche de l’étranglement, le bouchon de liquide le ferme et le processus est répété.
Selon le projet de l’entreprise «Mannesmann» le débit volumétrique de gaz et de condensat à l’usine de traitement du gaz d’Astrakhan peut varier de 50 à 115% du projet. Dans ce cas, les débits du mélange peuvent varier dans la limite de 4,5 à 8,1 m/s. Lorsque les vitesses de mélange sont inférieures à celles données, pratiquement tous les régimes d’écoulement des mélanges gaz-condensat sont dans la zone limite située entre le bouchon et les formes structurales annulaires de l’écoulement dans les puits. Comme mentionné ci-dessus, à des débits élevés du mélange, la source d’accumulation de liquide dans les pipelines peut être une gouttelette de liquide, qui, lorsqu’elle se déplace dans le pipeline, est regroupée dans des bouchons gaz-liquide (liquide) puissants séparés, même dans un régime d’écoulement annulaire.
En pratique, les débits du mélange sont bien inférieurs à ceux de la conception, car ils ont tous des liaisons hydrauliques à travers les ponts sur les canalisations de condensat des unités de traitement des gaz primaires au début de leur parcours et au point final de l’installation de séparation. Une telle connexion rend le système de transport incontrôlable avec auto-excitation des processus oscillatoires.
Les calculs effectués ont confirmé les hypothèses sur l’ordre d’écoulement gaz-liquide dans la canalisation. Ils ont également calculé la longueur des bouchons liquides, qui peut atteindre environ 2800 m.
Ainsi, il devient clair qu’à des débits élevés, ces longs bouchons sont éjectés des lieux d’accumulation, excitant ainsi un flux pulsé de matières premières vers les unités de séparation de l’usine de traitement de gaz.
Ainsi, en résumant ce qui précède, on peut constater que le problème de l’alimentation en matières premières des installations de séparation de gaz naturel est dû à un certain nombre de facteurs résultant des décisions de conception pour le développement du gisement et constitue l’une des principales raisons de la déstabilisation des installations de traitement du gaz du gisement de condensat d’Astrakhan.
LISTE DE LITTÉRATURE
- Mécanique des fluides et des gaz: manuel d’Étude pour les universités.2-ed./ édité par V. S. shvydkogo.- M.: ICC « Akademkni-GA », 2003.-464 P.
- korshak A. A. Conception et exploitation des gazoducs: Manuel pour les universités / A. A. korshak, Am Nechval; Ed.- Saint-Pétersbourg. Nedra, 2008.-488 P.
- J. Kindy, W. R. Parrish, D. Macartney. Les bases du traitement du gaz naturel: per. de l’anglais. Yaz.2e éd. Ed. O. P. lykova, I. A. Golubeva.- Saint-Pétersbourg.«Profession », 2014.-664 s., il
