旋流分离的工艺设计及应用研究

旋流分离的工艺设计及应用研究
摘要：
旋流分离作为油气生产中常用的生产技术手段，其应用过程中需要考虑到多
种工艺影响因素，确保工艺实施的效果。

本文首先介绍了国内外旋流分离技术的
研究现状，其次探讨了在实际的旋流分离工艺应用中的相关处理方式与技术优化
策略，希望可以有效提升技术应用水平，促进行业的稳定高速发展。

关键词：旋流分离；工艺设计；应用策略
引言
在高含硫气田的生产环节中，经常会出现出水量不足的问题，进一步导致管
路堵塞，严重影响生产安全。

针对这个现象，研究者采取了三相分离的结构模式，开发出旋流分离设备，在满足基本生产需求的同时，很好的解决了硫沉积堵塞的
问题，进一步保障了系统安全，现就相关内容分析探讨如下。

一、国内外旋流分离技术概述
旋流分离技术在国内外的应用基于基础研究的进展，现分别介绍如下。

1.国内研究现状
国内的旋流分离技术基于分离设备的实验，通过分析国外的旋流分离技术来
构建应用于我国实际环境特征的分离系统。

目前，国内已经有多家工程研究所与
高校密切合作，通过科学严谨的研究与技术论证，发现了分离器流场分离的相关
问题，为进一步改善二次涡流情况提供了理论支持。

2.国外研究现状
国外的旋流分离技术出现较早，目前应用较为普遍的是英国的轴流旋风分离
设备，该设备能够有效去除掉发动进气中的杂质颗粒，达到杂质快速过滤的效果，目前该技术也被广泛应用于工业生产当中，用于解决颗粒度较高、去除率不足等
问题。

二、旋流分离的工艺设计及应用
1.分离器选取
目前用于分离设备的工艺类型较多，根据不同的分离原理，可以选择沉降法、离心分离法、静电吸引法等等，同时也可以结合不同类型的分离原理，研制出能
够适应不同类型天然气净化分离需求的设备，包括重力沉降、惯性分离以及纤维
过滤等等，同时也能够解决旋流分离设备稳定性不足的问题，所以在设备选取时
应该尽可能贴近实际的生产需求。

图1和图2分别为本文设计的两种类型的旋流管，分离器1为切向入口型，
分离器2采用蜗壳型，根据相关参数建模后，对其进行网格划分。

图3对比了两种分离器中颗粒分离过程，从图中可以看出分离器2从溢流口
流出的颗粒轨迹线远远少于分离器1。

图4对比两种旋流分离器压降分布，显然
分离器2中的压降分布更加堆成，在溢流口处形成均匀的低压区。

这种压力分布
有利于颗粒分离。

表2和表3对比了两种分离器预测颗粒和液滴的分离效率，从
表中可以看出，分离器2具有更强的分离效率，10微米的颗粒和液滴的分离效率高达98%和99%，接近完全分离。

因此选择分离器2可以获得稳定的压力场、高
的分离效率，然而分离器2相比分离器1的压降有明显增加，增加幅度高达1个
数量级，但是在通常的设计条件下，该压降是设计标准范围内的。

2.分离过程与主要设备性能参数
根据目前应用最为广泛的旋流分离工艺流程，对分离过程和主要性能参数归
纳如下几个方面：
其一，生产工艺流程。

气体进入旋流设备的内部，此时能够去除掉大部分的
固体杂质，比例约为90%，硫磺颗粒与气态的液滴都可以得到很好的控制，分离
出的固体杂质与硫磺颗粒均会进入到液体的俄内部。

分离干净的气体会进入到集
输系统当中，通过收集缓冲罐的方式达到固体杂质去除与液体混合物整体混合的
效果，硫磺颗粒与液体分离后，能够去除掉固体的杂质以及大量的硫磺颗粒，这
些杂质与颗粒会被送入到运输罐当中予以处理，分离出的杂质与硫磺颗粒含水率
约为20%~25%。

其二，分离过程选择。

采用高效离心分离设备，该设备在开发过程中可以借
助于离心分离的技术原理来达到气体中分离夹杂固体颗粒与液滴的效果，同时能
够解决夹带含硫气体，通过切线位置进入到高效离心管束当中，满足离心力的强
制要求，实现气体夹杂大量固体物去除的效果。

在整个分离过程中，液滴会被甩
向高效离心管束的内部，此时分离的固体颗粒与液滴都会沿着离心管束的内壁逐
步移动到具体的位置，此时液滴与固体颗粒干净气体穿过管束，经过中心环面从
顶端流出。

其三，产品性能与设备尺寸。

高效离心管束分离以确保90%移除率为标准，为了达到最大设计处理要求，
需要做好出口气体的液滴分离，达到分离效率90%即可去除掉大多数的固体杂质物。

针对6~8μm的固体杂质物，要求去除率达到95%左右，即可满足生产的实际要求。

在设备的尺寸选择方面，由于旋流分离要求分离器的结构稳定，所以选择
上部筒结构，下部锥结构的模式即可，内部不存在任何的结构件。

整体来看，包
括有进气管道、椎体段以及排气管等部分组成。

流速的设置方面，为了满足气液
分离的客观要求，选择操作弹性较大且运行平稳的模式，此时分离的具体时间较短，分离时间要求不高，设备的体积也要在可控的范围内。

常规状态下，设计过
程中需要考虑到具体的工况差别，以此来选择合适的旋风分离结构与尺寸类型。

旋风分离设备等待尺寸确定后，对排气的分离部分进行直径调整，从而达到分离
设备的一般化控制要求。

实施尺寸的整体设计，需要考虑到多种结构的配合，包
括无量纲旋风分离设备、入口宽度、入口长度、插入深度以及灰斗直径的计算，
提升整体的配合度。

在优化设计后，选择目标函数时优先以最高分离效率为目标，确保产品的整体性能与设备尺寸，满足生产的整体需求。

注：一级旋流分离器高效旋流管2根，二级旋流分离器陶瓷旋流管 15根。

设备尺寸依据旋流管尺寸和数量，能布置开即可。

3.应用效果分析评价
在本次集技术改造完成后，对其进行应用效果进行整体评价。

根据统计的结
果来看，旋流分离设备的处理气量达到了40万方/天，其中处理水量达到了
15m3/天，整体固体处理量在20kg左右，脱除率较高，达到了87%，承压为
22Mpa。

从工作温度以及进口压降的角度进行分析，整体的稳定性较高。

采用高
效两级旋流管实施分离管理，能够达到高效移除的效果，确保性能指标在较高的
水平，如下表2所示。

在进行高效两级旋流分离装置的应用中，得到了100%去
除高微粒的目标，同时对于2~4μm的液滴也具有不错的去除率。

由此可见，应用旋流分离工艺能够有效去除固体颗粒的影响，进一步改善生产环境，提升工艺应
用水平。

表2 分离性能参数
总结
综上所述，旋流分离设备的应用与推广需要基于科学的应用三相分离设备，
结合井口站场的产出水、析出硫情况，做好分离设备的应用。

为了满足生产需求，不但要做好分离工艺的整体分析，还要求做好产品性能的测试分析工作，选择合
适的设备尺寸类型。

最重要的是，要关注设备的尺寸配合度，完善各个部分数据
的配合默契程度。

通过合理应用，进一步解决集输系统的沉积与堵塞问题，不但
可以保障气田系统安全，也有助于提升生产的可靠性，促进行业的稳定高速发展，建议推广应用。

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论文资助项目：国家科技重大专项，课题名称：高含硫气田关键装备研发，课题
编号：2016ZX05017-006。