三相分离器的设计

必要的设计参数设计压力操作压力设计温度操作温度昀大气、液处理量液体密度气体比重（标态）载荷波动系数液体停留时间设计后可能存在的问题三相分离需要确定两个停留时间，即从油中分水所需停留时间和从水中分油所需停留时间。油水所需的停留时间昀好由室内和现场试验确定。存在的问题是，从油中分出水珠和从水中分出油滴所需时间是不同的，使油水停留时间相同不是不是昀优的设计方案。再者，停留时间法没有考虑容器形状对分离效果的影响，立式和卧式分离器在相同的时间下有不同的油水分离效果。第三，停留时间法也不能提供分离质量的数据，如水中含油率和油中含水率。三相分离器结构及原理三相分离器的结构分为分离沉降室和油室。油、气、水混合物来液进入三相分离器，经整流器、波纹板组、斜板组等后大部分液体沉降到分离沉降室的液相区，极少部分液体靠液体重力继续沉降，剩余的液体经除雾器进一步分离后，气体通过压力调节阀进入天然器系统。沉降下来的油、水混合液停留一段时间后因密度的差别逐渐进行分层，水沉积在集水包和液相区的底部，液相区的上部为油层。当油层的液位高出隔油板顶部时则慢慢流入油室内，然后由油室下部的出油口排出。液相区的水沉降分离到沉降室的底层，并且经过出水阀排出。图1三相分离器结构示意图三相分离器工艺流程（1）流程三相分离器及计量部分的工艺流程示意如图2所示。装置包括油气水三相分离器容器、油气水流量计、油水界面检测仪、油气水控制调节阀等。油气水在分离器内分离，天然气经气出口流量计计量流量和控制压力后，进入天然气处理系统；低含水原油经溢油堰板进入油腔，油腔内的液面由液面调节器控制；低含油污水经射频导纳油水界面仪控制的调节阀排出速度，从而控制油水界面。另外一种控制方案如图3所示。低含水原油经溢油堰板进入油腔，油腔内的液面由液面计检测，并且控制调节阀，调节排油速度。斜板组波纹板组整流板组射频导纳仪溢油挡板进口气出口水出口油出口布液管气液界面气液界面油水界面（2）主要设备如下：1）油水界面检测仪：采用美国进口DE509-15-90N射频导纳油水界面检测仪测试分离器内沉降段的油水界面高度，并且输出4-20mA电流信号。油水界面检测仪由一个射频导纳界面变送器和刚性传感器组成，解决了由于分离器内油水界面不清晰，存在乳化层，乳化层上下部密度相差无几，传统差压式和浮子式界面检测装置不能长期可靠运行的难题。2）智能控制调节器：可以设定油水界面的要求高度，并且接收来自射频导纳油水界面检测仪的4-20mA油水界面高度电流信号，经过计算比较输出4-20mA电流信号控制电子式电动调节阀的开度。3）电动调节阀：接收来自液面控制器的4-20mA电流信号，控制污水的排放量，从而控制分离器内沉降段的油水界面高度到达设定值。4）浮子液面调节器：控制油腔液位的高度。5）自力式压力调节阀：控制气路的压力到设定的数值。6）气体流量计：采用智能旋进旋涡气体流量计，测量三相分离器的分出的工况下气量，而且可以测量工作压力，换算出标况下的气量，并且可以累计出气体产量。7）原油流量计：采用质量流量计检测分离器分出油量，不但能够直接检测出油口质量流量，而且能够检测流体密度，换算出含水量和原油产量，精度高、工作可靠。8）污水流量计：采用质量流量计或者电磁流量计检测分离器分出水量。内构件和填料的优化1、进出口布置及问题分析油滴直径为d、密度为l，在密度为g的气相中所受的重力为gdFgl)(63式中l、g——分离条件下油滴和气体的密度，公斤/米3；g——重力加速度，米/秒2。气体对油滴的阻力R与油滴运动的速度、油滴在沉降方向上的投影面积、气体密度成正比，可用下式表示gdR2422式中——油滴的沉降速度，米/秒；——阻力系数。气体对油滴的阻力与油滴在气体中受的重力相等时，油滴作匀速运动，联立重力、阻力方程，有gglgd3)(4由于气体的流向与油滴的沉降方向相互垂直，油滴能够沉降至集液部分的必要条件为油滴沉降至集液部分液面所需的时间应小于油滴随气体流过重力沉降部分所需的时间，即hwlge或hleg式中el——重力沉降部分的有效沉降长度；g——气体流速，米/秒；h——油滴沉降高度，米。原油脱水原理也是基于司托克斯公式，表述为：218)(dgooww式中：Vw――液滴下沉的速度，m·s-2；g――重力加速度，m·s-2；ρo――连续相密度，kg·m-3；ρw――分散相密度，kg·m-3；μo—－连续相粘度，Pa·s；d――液滴直径，m。该式表明，原油中水滴的下沉速度，与油水的密度差、水滴的直径的平方成正比，与油相的粘度成反比。通常提高脱水效率采用：①提高加热温度，以降低油相的粘度和增大油水的密度差；②选择合适的存乳剂；③利用电场强化破乳，加速水滴聚结，增大水滴的粘径，使沉降速度增大；④改进设备内部构件，以利于破乳。对于稠油而言，其油水密度很接近，常规的方法对于提高稠油的分离效果作用不明显。观察司托克斯定律可知，如果将连续相由通常的油相变为水相时，即油滴从水相中上浮时，粘度的变化引起的速度的增加非常大。油滴上浮的速度与直径水滴从油相中下沉的速度之间的关系为：wowo某原油脱水温度为50℃，原油粘度μo＝58mPa·s，水的粘度μw＝0.556mPa·s，则υo=104υw。由此说明，如果液滴的直径相同，则油滴在水中上浮的速度比水滴从油中下沉的速度大得多。同时，由于原油中伴生气在油中的溶解系数大于其在水中的溶解系数，当油滴上浮时，油滴中的溶解气体将随着压力的降低而逐渐膨胀，使油滴变大，加速其上浮，游离的气体也将因油滴的上浮携带而加速上升。水滴从原油中分离出来的条件为水滴沉降至水层部分液面所需的时间应小于水滴随原油流过重力沉降部分所需的时间，即hwlwe或hlew油滴从污水中分离出来的条件为油滴上升至油层部分液面所需的时间应小于油滴随采出水流过重力沉降部分所需的时间，即hwloe或hleo通过上述分析可知，要提高分离器的分离效率，保证气中含油量、油中含水量、水中含油量指标达到要求。一方面应该改善油品性质，降低原油、污水的粘度，提高油水密度差，加快油水的分离，但是这将造成药剂或者加热成本的增加，存在经济上的问题；另一方面，应该降低油水在分离器内的轴向流动速度，增加有效分离长度，但是这样将增加分离器的容积，增加装置的造价。昀为有效的方法是在保证一定的停留时间、油品性质的条件下改进分离器的进出口形式：分离器油水进口采用分布管形式，并且延伸至分离器的前部；分离器出水口尽量靠近溢油挡板，并且采用分布管形式，扩大了分离器的有效分离长度。2、整流填料首次采用迷宫整流板结构在三相分离器内进行整流，使油气流动平稳，消除紊流，并且利用微涡流的原理，加速油气、油水、油砂的分离，同时起到除砂的双重效果，保证后面的波纹板、斜板填料能够正常工作。迷宫整流板的工作原理如下图所示：流体在迷宫整流板处，由于流道变窄，产生加速，进入迷宫整流板后，由于流道变得开阔，在隔栅中产生涡流运动，涡流的产生，加速油气、油水、油砂的分离，采出液中的含砂由于离心力的作用，向隔栅边缘移动，并且沿隔栅下降到分离器底部，将砂子从采出液中分离出来。3、聚结填料目前，聚结填料多为波纹板填料，该技术起源于美国CE-NATCO公司的波纹板聚结器技术，我国在该技术的基础上，开发出单波、双波波纹板填料，材质上采用了不锈钢、聚丙烯、玻璃钢等不同材质。聚丙烯、玻璃钢等非金属填料用于油田采出液处理时，由于被处理液温度高、矿化度高、物性复杂，使填料发生老化问题，造成填料剥落、破损，阻塞下游阀门，更使分离器处理效果变差。不锈钢波纹板填料性能稳定，易于清洗维护，不易损坏，所以得到了广泛地应用。综上所述，选用聚结填料如下：材质采用0Cr18Ni9Ti，板厚为0.2mm，单片波纹板的几何尺寸：大波纹波高12.5毫米，节距30毫米，小波纹波高为２毫米，节距７.5毫米。单片波纹板应采用模压或其他合适的工艺方法成形，其波纹必须完整，不得有断裂、破损等缺陷，整体板面应平整、规矩。单片波纹板用亚弧焊组焊成块。每片波纹板的大波纹对水平面的倾斜角为60°，每组按相反方向组装。4、聚结分离填料首次在三相分离器中，采用斜板结构进行原油脱水和污水除油，利用浅池原理，缩短油水的迁移路程，提高了分离效率。斜板已经成功地应用于污水处理设备，如斜板（斜管）除油罐等，其采用下部进水，上部出水结构。我们在三相分离器中，采用了水平进水，实现油水的快速分离。油滴的上升速度为：wowggdV18)(2取决于油滴的粒径、油水密度差和水的粘度，由于采用了斜板技术，缩短了油滴上升所需的距离，所以效率成倍提高。以斜板间距50mm为例，4000mm直径的罐油水界面2000mm计算，油滴实现完全分离需要2000mm的距离，利用浅池原理只需位移50mm就可实现分离，分离效率提高40502000倍。5、除雾器设在分离器后端、气相出口处，以保证液滴在到达除雾器之前就能分离沉降下来。除雾器主要利用碰撞、聚结的分离方法，把沉降分离中未能除去的气中所含的较小油滴除去。该除雾器主要由金属丝网组成。带液气体与金属丝网相撞时，气体穿网而过，气中所含液滴与金属丝相撞，下流并聚集，形成较大液滴，克服液滴表面张力和上升气体速度的限制而降落下来。三相分离器内聚结构件的室内试验研究1.数值模拟结果根据功能不同把整个分离器分为五部分，分别是入口部分、整流部分、聚结部分、水相沉降部分和油相沉降部分（见图2-1）。为了提高油水分离特性，在入口部分、整流部分和聚结部分分别增加入口构件、整流构件和聚结构件。采用Fluent软件对重力式分离器内部2种入口构件、4种整流构件和6种聚结构件的流场进行了数值模拟，模拟出了分离器内部不同构件下的流场和浓度场，得出以下结论：（1）耙形入口构件的分离特性优于倒T形入口构件；圆筒整流构件和田字板整流构件对速度的规整特性优于竖板整流构件和横板整流构件；平板平行板组和田字板平行板组聚结构件的分离特性昀差，蛇形板相向平行板组和斜板交错搭接平行板组的油水分离特性昀好。（2）得到了以下4种具有较好油水分离特性的构件组合：a．耙形入口构件+圆筒整流构件+蛇形板相向平行板组b．耙形入口构件+圆筒整流构件+斜板交错搭接平行板组c.耙形入口构件+田字板整流构件+斜板交错搭接平行板组d.耙形入口构件+田字板整流构件+蛇形板相向平行板组对以上筛选出的四种内部构件组合进行了室内筛选实验，从中选出分离性能较好的组合结构，为进一步的现场试验做好准备。2.室内试验装置三相分离器介绍图2-6是室内三相分离器的外形图，图2-7是该分离器的剖面图。分离器的轴向筒长为1800毫米（不包括左右两个球形的堵头），内径为384毫米，壁厚20毫米。其工作原理是：气液混合物首先进入气体预分离室1，利用离心分离和重力作用分离出绝大部分气体后，液体经过一个倒“T”型的导管2进入六个平行的布液管3（见图2-8）。在布液管的上、下部开有小孔，这样来流液体均匀上升进入水洗室4水洗破乳，然后进入油水分离室5缓冲、整流和聚结，进行油气水三相分离；分离器顶部气体与预分离室分出的绝大部分气体一起经过气体出口8流出分离器。上部油漫过堰板11进入油室7；水从底部经水出口9排出。该分离器有如下特点：（1）分离器的材质是透明的有机玻璃。可以方便的观察和手动调节油水界面的液位，并且能够直观地观察到油滴的聚结浮升过程和水滴的沉降过程；（2）气液预分离技术。在气液混合物进入分离器筒体前能够预先分离出96%以上的气体；（3）在油水分离室5和沉降室6处有两组各三个取样口，在两组取样口中间可以放置不同类型的聚结构件。这样从上而下分析三个高度处的含水量、含油量；从左至右分析经过聚结构件前后含油浓度的变化，从而测试聚结板的聚结效果。四块聚结板简介（1）聚结板AA聚结板的材料是厚度为1mm左右的不锈钢铁皮，其结构为：不锈钢铁皮经过压制成为夹角为120度的波纹板，然后相邻的两个波纹板交错30度。图例见图2-10：（2）聚结板BB聚结板的材料是聚乙烯塑料，聚