固液分离

固液分离的原理及其在石油工业的应用

固液分离的最终目的，从理论上说，应是将固液两相完全分开，获得各自纯净的成分：固体及液体。根据目前的发展，固液分离基本上是两种方法，即沉降分离与过滤。而沉降分离基本上可分为两种，即重力沉降与离心沉降。

一. 固液分离的方法

固液悬浮系中固体是分散相，液体是连续相。从分离过程来看，固体是从高度分散状态向浓缩状态过度。在沉降分离中需要靠固体颗粒的运动，固体浓度越低，越有利于此一过程的进行。而过滤则相反，在过滤中运动的是液相，所以含液相少即固体浓度高时对分离有利。

1. 沉降

在沉降分离，过滤的效果不理想时，往往可以加助滤剂以提高效率。这些助滤剂多系刚性、多孔、高渗透性粉粒，加入浆料后以提高其过滤性能。

重力沉降原理:

利用重力沉降性质进行间液分离，出于借助的是地心引力而无须外加能量，理论上讲是最经济的方法。当然若欲达到有效的分离，首先须提供足够的沉降面积，其次为了加快固体颗粒的终端沉降速度，需采用凝聚与絮凝技术。通常要加入絮凝剂。而对于由更小的颗粒而黏度较高的溶液构成的悬浮液，仅靠絮凝技术仍难以达到固液分离的要求时，则需要人为引入离心力以增强固体颗粒沉降的推动力，即为离心沉降。 离心沉降原理:

离心技术是利用物体高速旋转时产生强大的离心力，使置于旋转体中的悬浮颗粒发生沉降或漂浮，从而使某些颗粒达到浓缩或与其他颗粒分离之目的。这里的悬浮颗粒往往是指制成悬浮状态的细胞、细胞器、病毒和生物大分子等。离心机转子高速旋转时，当悬浮颗粒密度大于周围介质密度时，颗粒离开轴心方向移动，发生沉降；如果颗粒密度低于周围介质的密度时，则颗粒朝向轴心方向移动而发生漂浮。

(1)离心力；固液悬浮物若处在离心力场中，固体颗粒将受到比重力大很多倍的沉降力，使其沿离心力场的方向加速沉降。悬浮在液体中的质量为m 的固体颗粒处于高速旋转的离心机中，沿径向所受的力为：

式中 F r ——颗粒所处的回转个径，m ；

ω——旋转角速度，s -1；

n ——转速，s -1。

式子表明，离心力与转速或角速度的平方成正比，与颗粒离轴心的距离r 成正比ω。

(2)分离因数。固体颗粒在离心力场中所受的离心力与重力场所受力之比称为分离因数。

222(4)r F mr mr n ωπ==

(3)离心力场中的沉降分离：颗粒在离心力场中的沉降与重力场中的沉陷同样有层流、过渡流、湍流等三种流型。但不同的是重力场中，颗粒是以等速沉降，而在离心力场中是沿径向加速沉降。

2. 过滤

过滤通常是指采用某种介质以阻挡或截留悬浮液中的固体，达到固液分离的目的。固体颗粒被截留在介质的上游，液体则被收集在介质的下游。

根据目前使用的过滤介质及过滤方法，过滤机理基本上有4种类型：

（1）表面拦截：比过滤介质大的颗粒，沉积在介质表面。

（2）深层拦截：这是第一种机理的后续过程。那些较小的颗粒，在介质孔内穿行时遇到微孔的咽喉而受到拦截。

（3）深层过滤：颗粒在穿过介质的孔隙时，会沉积在孔道的内壁上，即使孔道尺寸较大。这多半是由于吸附、静电等作用，在惯性力作用下造

成的。

（4）滤饼过滤：作为第一种过滤机理的后续步骤，即一旦形成一层滤饼后，即转而进入滤饼过滤。其阻力主要取决于滤饼的厚度，而受阻颗粒的

粒径大部分均大于介质的孔径。

过滤介质常能捕获比介质孔径小的多的颗粒，这取决于介质的性质。同时以上的机理可以同时存在。同时所处理的流体对过滤性质亦有影响。

3. 膜分离

膜分离过程大多是在环境温度下进行，而且原理并不复杂：通过在膜的两侧施加一个推功力，它可以是浓度差、压力差或电压差，从而可使在膜两侧流动的混合物之间的物质传递能按所需方向进行。

二. 石油工业中的分离设备

1. 水力旋流器

水力旋流器是一种利用离心力场作用的设备，除了一台泵外，它不需要机械传动部件，并且廉价、紧凑，广泛用于固液分离过程。其工作原理类似离心机，但具有大得多的分离因数。旋流器内最重要的流动为基本涡和二次涡。基本涡位于二次涡外围，并携带悬浮物沿旋流器轴向向下。二次涡则携带物料沿轴向向上运动进入顶部的溢流出口。

水力旋流器的工作原理：矿浆在压力作用下经给矿管沿柱体切线方向进入壳体，在壳内做回转运动，矿浆中的粗颗粒(或密度大的颗粒)因受到较大的离心力而进入回转流的外围，并同时随矿浆流向下流动，最终由底部沉砂嘴排出成为沉砂；细颗粒所受离心力较小，处于回转流中心并随液流向上运动，最后由溢流管排出成为溢流。

利用水力旋流技术进行油田污水除油及高含水期采出液预脱水，是近年来的一个发展趋势。江汉机械研究所从20世纪80年代后期开始进行液一液旋流油水分离技术的研究，开发出了污水除油旋流器、预脱水旋流器系列产品，具有脱除效率高、自控系统性能稳定的特点，在胜利、江汉油田都取得了较好的效果。

旋流器在原油集输系统除砂洗砂技术中的应用：

(1)井口多向流除砂技术

井口或计量站是控制采出液出砂最有利的站点,在此环节安装水力里旋流器无需额外增加动力,只靠采出液自身能量就可满足旋流器的工作条件,其主要目的是为了减少除砂对集输管网的磨损和堵塞。

(2)旋流器在接转站、联合站除砂洗砂技术中的应用

接转站、联合站是采出液输送、处理的汇集点，是集输系统采出液除砂的关键工序，除砂效果好坏直接影响各种设备的运行效果以及原油外输质量。在此工序把除砂器、洗砂器、集砂器配套使用，形成集除砂、洗砂于一体的水利旋流除砂装置，能更好地解决站内采出砂对设备的损害。

此外，旋流器在站内容器射流除砂技术，污油池，沉砂池清砂技术，以及海上采油平台中也被广泛应用。

2.离心机

工业用离心机按结构和分离要求，可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。

离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒，称为转鼓，通常由电动机驱动。悬浮液(或乳浊液)加入转鼓后，被迅速带动与转鼓同速旋转，在离心力作用下各组分分离，并分别排出。通常，转鼓转速越高，分离效果也越好。

离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。离心过滤是使悬浮液在离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液，而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现液-固分离；离心沉降是利用悬浮液(或乳浊液)密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液-固(或液-液)分离。离心就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开离心机是油田固控系统中必可可少的一种设备。是针对石油钻井液的特点，设计的固液分离专用设备，可在全速运转下完成进料、离心沉降、卸料等各道工序，主要用于回收重晶石，清除细小固体，降低钻井液的固体含量，控制钻井液的密度、粘度，保证钻井液的性能以及对快速钻井均有重要作用。

离心机也用于对油田的石油泥浆净化。石油泥浆净化是国际上七十年代的新技术。“七五”计划初期,我国石油部从美国引进了由卧式螺旋卸料沉降式离心机和泥浆泵组成的石油泥浆净化系统。石油钻井采用这一先进技术后,大大降低了钻探泥浆成本,减少了钻井时间,提高了速度和效率。

3.过滤器

过滤技术是使液体通过一定的过滤介质（如石英砂滤料、核桃壳滤料、改性纤维球滤料、RO膜等）时，把所含的固体颗粒或有害物质分离出来的一种技术，过滤工艺是污水处理中的重要环节。其工作机理是采用过滤方式去除污水中的杂质的过程是一个复杂而又多种机理共同作用的结果，从性质分为吸附、絮凝、沉淀、截流（也称筛滤）等作用。

油田常用过滤器即双向压力式过滤器、核桃壳过滤罐、改性纤维球过滤罐、石英砂过滤罐和双层滤料过滤器等五种类型，主要通过吸附、絮凝、沉淀、截流等机理去除水中杂质，使经过滤处理后的污水得到净化，达到注水水质的要求，注入地层。

4.膜技术