油气水分离工艺设计

第二节油气水分离工艺设计四、分离器的类型1. 分离器的分类油（气）田上常用的分离器, 按其外形分主要有立式和卧式两种; 按功能分有气液两相分离器和油、气、水三相分离器等；按操作压力可分为负压(<0.1MPa)、低压(<1.5MPa)、中压(1.5～6.0MPa)和高压(>6.0MPa)分离器等。

下面对分离器的型式和内部结构作简单介绍。

2. 立式分离器图2-3-16为立式分离器的简单结构示意图。

图2-3-16 立式分离器的简单结构示意图立式分离器一般用于处理高气液比的油气混合物,如用作气体洗涤器、分液罐等, 以便除去大量气体中所含少量液体。

立式分离器的内部结构如图所示，混合物由侧面进入分离器, 经入口分流器使油气得到初步分离, 液体向下沉降至分离器的集液部分, 析出所携带的气泡后经液控阀流入管线；经入口分流后的气体向上流向气体出口, 气体所携带的较重油滴在重力作用下沉降至集液部分; 较小的液滴经出口捕雾器碰撞聚集后进一步脱除, 然后气体流出分离器。

3. 卧式分离器卧式分离器多用于液气比较高的情况,像原油分离器、缓冲罐等。

分离器的内部结构如图2-3-17所示。

图2-3-17 一般三相分离器的简单结构示意图1—三相流体入口；2—挡板；3—气相整流件；4—填料或防浪板；5—捕雾器；6—气出口；7—下液管；8—溢流堰板；9—防涡器；10—水出口；11—油出口流体进入分离器，经过入口分流器后气、液的流向和流速突然改变, 使气液得以初步分离。

气体水平地通过液面上方的重力沉降部分, 被气流携带的液滴在此部分靠重力沉降至气液界面, 未沉降至液面的粒径更小的液滴在出口捕雾器碰撞聚集成大液滴, 在重力作用下沉降至集液部分。

经过初步分离的液体在重力作用下流入分离器的集液部分, 集液部分需要有一定的空间, 使液体流出前有足够的停留时间；对于两相分离器, 足够的停留时间可以使原油中气泡升至液面并进入气相；对于三相分离器, 足够的停留时间除使油中气泡析出至气相外, 还可以使油中水滴沉降至水层, 水层的油滴升至油层, 然后再通过控制阀流出分离器。

油气界面的高度一般控制在(1/2～3/4)D之间。

为了提高脱水效果，容器内部一般加设填料。

填料的形式有斜板、波纹板，或填料和斜板合一等。

油水混合液流过这些填料时，可使水滴吸附其表面，在液体的剪力作用下破坏水滴表面张力，使水滴易于聚结；同时，顺着填料下沉，缩短沉降时间。

有的分离器气相也设置填料。

由于气相主要是分出液体，填料可能与油水分离段的填料不同。

填料段一般设置1~2段，如果太多，不经济，且占去较大的分离空间。

根据填料和波纹板的功用，它们应满足以下要求：a. 具有良好的润湿性，混合物流经其表面时，水滴（或油滴）易于吸附；b. 能长期使用，不易破碎，并不与油、水发生化学变化；c. 来源广，价格低廉。

对于用于浮式生产储油设施上的分离器，由于波动原因必须考虑增加内部防浪设施稳定界（液）面。

比较简单的办法是采用防浪板，如图2-3-17所示，有时填料兼作防浪板。

防浪板的多少根据分离器分离段的长度来定。

3. 高效三相分离器高效三相分离器一般为卧式分离器，图2-3-18是典型的高效三相分离器。

高效三相分离器是通过合理的内部结构设计，利用机械、热和化学等技术，使原油达到高效分离的容器，与同尺寸的普通分离器相比，处理量大，脱水效果好。

由于其内部结构复杂，一般用于处理高密度、高粘度的原油。

高效三相分离器在设计方面主要有以下特点：（1）设计预脱气室。

气液分离仅靠重力，需要的空间较大，也就增大了分离器的尺寸。

高效分离器设置气体预分离室（如图2-3-18所示），可以预分离出大部分气体，减少了沉降分离室的气液分离空间，同时保证了液面的稳定。

（2）高操作液面。

由于沉降分离室的气液分离空间减少，高效三相分离器操作液面就可设计相对较高，一般在3/4D左右，与同尺寸的普通分离器相比，就增大了处理量。

（3）原油“水洗”预分离。

高效分离器中预脱气后的原油直接进入油水预分离室的水层，水洗除去其中的杂质，同时利用油在水中上浮快、破坏油包水滴稳定性的原理“水洗”原油，提高油水分离速度。

（4）设计整流段。

液体紊流会严重影响分离效果，设计整流段可以尽量保证液体稳定流动，减少了返混，提高分离效率。

（5）采用高效填料。

一般高效分离器的气、液分离室都设置高效填料，减少油滴、水滴上升或沉降的时间。

填料越好，分离效率就越高。

（6）稳定可调的界面控制。

利用“U”形管原理控制界面可保持油水界面稳定；通过外部调节器可方便地调节油水界面，适应油田不同时期的生产调节需要。

（7）油相加热，减少热负荷。

为了减少热负荷，有些在内部设置加热盘管，仅加热油相，既提高了效率，又减少了热负荷，甚至取消入口加热器，但结构复杂。

此外，设计适宜的操作温度、选择高效的破乳剂，也是高效分离器真正实现高效分离所必不缺少的外在因素。

五、分离器的设计计算1. 一般分离要求分离器设计时一般要求粒径大于100μm的液滴直接从气体中分离出来, 小于100μm的液滴一般利用碰撞作用完成碰撞分离, 常用的是网垫除雾器。

网垫除雾器可以从气流中除掉99%的直径大于10μm的液滴，使气体的带液量不超过50mg/m3。

而对于三相分离器, 则希望尽可能多地除去油中自由水(一般希望分离器能将0.5mm粒径的水滴从油中分离出来), 同时使分出的自由水中含油率也降至2000mg/L以下；而脱水原油的含水量则是根据流程的分离级数、原油性质、分离要求以及实验结果或经验而定。

下面从气体中分出油滴、原油中析出气泡以及油、水分离三个方面说明分离器的设计计算。

2. 从气体中分离油滴的计算混合井流经分离器入口分流获得初步分离后, 携带大量油滴的气体进入沉降部分, 气速突然减慢, 油滴在重力作用下开始加速下沉, 随着油滴下降速度的加大，其所受气流阻力越来越大。

当油滴所受合力为零时, 开始匀速下降。

显然, 油滴沉降分离至集液部分所需时间应小于气流把油滴带出分离器所需时间, 所以均匀沉降速度的大小关系到能否把油滴从气流中分离出来。

从气体中分出油滴的计算首先应计算油滴沉降速度。

计算沉降速度时, 一般取液滴直径极限为100μm, 且假设:(1)油滴为球形, 在沉降过程中不碎也不与其它油滴合并；(2)油滴与油滴、油滴与器壁及其它构件间没作用；(3)油滴在分离器的沉降速度是稳定的, 任一点流速不随时间变化；(4)作用在油滴上的合力为零, 油滴沉降速度不变。

根据以上假设, 按流态推荐选用以下计算公式:层流区: gg L o o g d W μρρ18)(2-=公式2-3-3式中: o W --油滴均匀沉降速度, m/s ；d o --油滴直径, m ；ρＬ--油滴的密度, kg/m 3；ρg —分离条件下气体的密度, kg/m 3；μg --分离条件下气体动力粘度, Pa •s 。

过渡区:286.0428.0714.0143.1714.0)(153.0ggg L oo d g W ρμρρ-=公式2-3-4紊流区:5.0)(74.1⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=g g L o o gd W ρρρ公式2-3-5为判断某一直径的油滴在给定的分离条件下处于什么流态区, 引入阿基米德准数Ar:23)(ggg L o g d Ar μρρρ-=公式2-3-6求出Ar 后按表2-3-15查出雷诺数Re, 即可按流态选用油滴沉降速度计算公式。

表2-3-15中ggo o d W μρ=Re 。

表2-3-15不同流态下Ar-Re 关系 --摘自参考书目[5]为850kg/m 3, 天然气相对密度为0.7, 工作温度为20︒C 时, 不同压力下的油滴直径和沉降速度 的关系。

图2-3-19 不同压力下油滴沉降速度--摘自参考书目[5]使用图2-3-19时, 若原油密度、气体相对密度、工作温度与图表不符时, 其修正系数见表2-3-16和表2-3-17。

当原油密度不是850kg/m 3, 将影响()(g L ρρ-一项, 按比例修正即可。

表2-3-16 气体相对密度修正系数--摘自参考书目[5]表2-3-17 温度修正系数--摘自参考书目[5]以上介绍的是沉降速度的计算办法, 具有一定沉降速度的油滴能否分离出来, 还要看分离器的型式和分离器重力沉降部分中气体的流速。

下面介绍一下气体流速的计算。

（1）气体的允许流速立式分离器中, 气流方向与油滴沉降方向相反。

因此, 油滴能够沉降的必要条件是：油滴的沉降速度W o必需大于气体流速W g, 即W o > W g。

卧式分离器, 气流方向与油滴沉降方向垂直, 因此, 油滴能够沉降至集液部分的必要条件是：油滴沉降至集液部分液面所需时间应小于油滴流过重力沉降部分所需时间，即：e WghWo>或WgWohe<e-- 重力沉降部分的有效长度, 即入口分流器至气体出口的水平距离(m), 一般取为圆筒部分长度的0.6～0.8倍；W g -- 气体流速，m/s；h -- 油滴沉降高度，m，一般为(14～12)D。

为使问题简化，推导油滴沉降速度时作过若干假设, 实际情况较复杂，与假设情况出入较大，但理论上尚无完善解决方法，考虑到以上原因，求取允许气体速度(W gv)时可利用下列公式：立式分离器中：W gv = 0.7 Wo 公式2-3-7卧式分离器中：W gv = 0.7eWoh公式2-3-8当h = 12D时，W gv = 0.7DWe02公式2-3-9 W o--粒径为100μm的油滴沉降速度，m/s。

初步计算时, 气体的允许流速可按下列经验公式计算:W gv = Kg gL ρρρ-m/s 公式2-3-10式中系数K的选取按表2-3-18选取，也可参考雪夫龙设计手册中更详细的参数值。

表2-3-18 系数K与分离器质量的关系--摘自参考书目[4]h--油气混合入口至液面的距离; l e --油气混合物入口分流器至气体出口的距离;对于有效长度超过3米的卧式分离器, 确定气体允许流速时应引入修正系数Ko, Ko = (1e /3)0.52。

（2） 除雾器的适宜气速Wg网垫除雾器的适宜气速Wg 是分离条件下液体密度和气体密度的函数, 经验公式如下: ggL KWg ρρρ-=m/s 公式2-3-11式中K 取0.107求出Wg 后, 可按分离条件下气体流量确定垂直于气流方向的除雾网面段。

除雾网的厚度一般取100～150mm, 即可除去99%的10～100μm 的油滴, 压降一般为245～490Pa 。

3. 从原油中析出气泡的计算影响原油中析出气泡的主要因素有：(1)原油粘度。

粘度愈大, 原油中夹带气泡愈不易浮至液面, 造成含气量大；(2)原油在分离器中停留时间。