分离器结构尺寸计算设计

4.比较步骤2和3的计算结果，选较大者作为分离器尺寸。当油气处理量很大时，往往需用多台分离器并联工作。
5.按每台分离器的气体实际处理量、气体组成、性质、固体尘粒含量等因素确定除雾器的类型和尺寸。
二、
（一）分离器综述
分离器按其外形主要有两种形式，即立式和卧式分离器。此外，还有球形和卧式双筒体分离器等。
同直径立式分离器的允许气体流速计算
卧式分离器的气体处理能力按式4-20计算，取分离器有效长度为0.7倍圆筒长度
所选 毫米卧式分离器的允许气体处理量大于实际气体处理量，故满足要求。
图1：卧式分离器简图（单位：cm）
2.二级分离计算
二级分离压力:
表3-6石油油的质量组成及分子组成
组分
质量Wi，克
分子量 Mi
0.1
0.5
(二)计算分离器的结构尺寸
1.一级分离计算
假设石油体系的克分子数为1,液相分子分数为L=0.613,气相的分子分数为V=0.387,进行猜算
表3-3气液相平衡计算
组成
体系中的分子分数
平衡常数
液相中的分子分数
气相中的分子分数
0.4518
3.4
0.2342
0.7964
0.0346
0.0409
一、课程设计的基本任务
（一）设计的目的、意义
目的：在老师指导下，根据给定的原油组成、分离条件、停留时间等基础数据，按规范要求独立地完成分离器结构尺寸设计。
意义：为了满足计量、储存的需要，油井产品从井口出来后，首先要进行分离，分离的场所即油气分离器。分离后所得油、气的数量和质量除了与油气的组成、分离压力、分离温度有关外，也与油气在分离器内停留的时间有关，当油气的组成、分离压力、分离温度及处理量一定时，分离效果由分离器的尺寸决定，合理的设计或选择分离器的尺寸对改善分离效果非常必要。
在立式分离器重力沉降和集液区内，分散相运动方向与连续相运动方向相反，而在卧式分离器中两者互相垂直。显然，卧式分离器的气液机械分离性能优于立式。在卧式分离器中，气液界面面积越大，有利于分离器内气液达到相平衡。因而，无论是平衡分离还是机械分离，卧式分离器均优于立式，即：在相同气液处理量下，卧式分离器尺寸较小、制造成本较低。同时，卧式分离器有较大的集液区体积，适合处理发泡原油和伴生气的分离以及油气水三相分离。来液流量变化时，卧式分离器的液位变化较小，缓冲能力较强，能向下游设备提供较稳定的流量。卧式分离器还有易于安装、检查、保养，易于制造橇装装置等优点。
1.0001
2.相关参数
表3-2 分离器结构尺寸设计相关参数
处理能力 吨/日
165
停留时间 分钟
1.8
分离级数
三级分离（一级分离采用卧式分离器，二级分离采用立式分离器）
除雾气类型
网垫式
进站压力 MPa
3.4
单丝直径 ×10-4米
1.
分离温度 ℃
50
网垫比面积 米2/米3
300
长细比
3~5
捕雾效率
98%
（三）
1.根据油气平衡计算中所确定的气液处理量、物性、分离压力、分离温度等基础资料，并参照现场具体情况选择分离器类型。
2.按照从原油中分出气体的要求，由原油性质和操作经验确定原油在分离器内的停留时间，对缓冲分离器需考虑缓冲时间，据此初步确定分离器尺寸。
3.按照从气体中分出油滴的要求，计算100微米的油滴在气相中的匀速沉降速度Wo，分离器允许的气体流速wg，分离器直径D，长度l (或高度H)等尺寸。
（五）
已知分离器气体允许流速和气体处理量
立式分离器
卧式分离器（液面控制一半处）
网垫除雾器最佳气流速度
k—系数，k=0.107
网垫厚度
H—厚度，米；
E——捕雾效率，0.98；
a—网垫比面积，；
——单丝捕集效率。
三、
(一)
1.原油组成
表3-1 原油的质量组成及分子组成
组分
质量Wi，克
分子量 Mi
克分子数 Ni
8.0803
17.4650
872.4762
38.135
4.8926
3.2608
2.8476
1.5197
1.635
8.7238
合计
1000
1.0991
938.986
表3-5气体的分子量
组分
0.7964
0.0442
0.0294
0.0219
0.0056
0.0065
0.0104
16
30
44
58
72
86
287
0.2224
6.8
0.1113
0.757
C2
0.0334
6.1
0.0178
0.1085
C3
0.0384
2.42
0.0309
0.0747
C4
0.0337
0.92
0.0342
0.0314
C5
0.0225
0.32
0.0255
0.0082
C6
0.0467
0.017
0.05620.001C7+0.6089
组分
体系中组分i的质量 克
体系中的组分i的分子分数
液相中组分i的分子分数
组分i在液相中的克分子分数
组分i在液相与体系克分子数之比
组分i在液相中的质量
组分i在气相中的质量
55.9
9.9
11.7
12.6
9.6
19.1
881.2
0.4518
0.0346
0.0409
0.0376
0.0139
0.0292
0.4026
12.7424
1.326
1.2936
1.2702
0.4032
0.559
2.9848
合计
0.9144
18.6108
由表中数据可求出标准状态下气体密度为：
表3-6液体密度
组分
在液相中的质量
克
密度
克/厘米
容积
厘米
17.7650
5.0074
8.4392
9.7524
8.0803
17.4650
872.4762
0.502
（三）从气泡中分离出油滴的计算
分离器内油气接近平衡状态的程度可用原油脱气程度和天然气通过分离器后的质量增加百分数表示。
若球形油滴直径为 、密度为 ，则油滴在密度为 气相中所受的重力为
气体对油滴的阻力R与油滴运动的速度头、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
油滴作匀速沉降时，气体对油滴的阻力与油滴在气体中受的重力相等。
287
3.0400
0.6089
合计
938.986
4.9922
1.0006
气液相平衡计算 ：假设石油体系的克分子数为1,经过程序试值，当液相分子分数为L=0.828,气相的分子分数为V=0.172时， 和 接近为1.
表3-7气液相平衡计算
组分
体系中分子数Zi
平衡常数Ki
液相中分子分数
气相中的分子分数
C1
0.0376
0.0139
0.0292
0.4026
1.55
0.61
0.46
0.295
0.15
0.016
0.0285
0.0482
0.0475
0.0191
0.0435
0.6502
0.0442
0.0294
0.0219
0.0056
0.0065
0.0104
合计
1.0001
1.0991
0.9144
表3-4气液相的质量计算
（二）
1.初分离段应能将气液混合物中液体大部分分离出来
2.储液段要有足够的容积，以缓冲来油管线的液量波动和油气自然分离
3.有足够的长度和高度，是直径100um以上的油滴靠重力沉降
4.在分离器的主体部分应有减少紊流的措施，保证液滴沉降
5.要有捕集的器除雾，以捕捉二次分离后气体中更小的液滴
6.要有压力和液面控制
立式分离器适合于处理含固体杂质较多的油气混合物，可以在底部设置排污口定期排污。卧式分离器在处理含固体杂质较多的油气混合物时，由于固相杂质有45°~60°的休止角，在分离器底部沿长度方向常需设置若干个排污口，还很难完全清除固体杂质。
立式分离器占地面积小，这对海洋采油、采气至关重要。由于高度限制，公路运输橇装立式分离器时也不如卧式分离器方便。
总之，对于普通油气分离，特别是可能存在乳状液、泡沫或用于高气油比油气混合物时，卧式分离器较经济；在气油比很高和气体流量较小时（如涤气船），常采用立式分离器。
（二）
进入分离器的流体经入口分离器时，油、气流向和流速突然改变，使油气得以出版分离。
经入口分流器初步分离后的原油在重力作用下流入分离器的集液区。集液区需要有一定体积，使原油流出分离器前在集液区内有足够的停留时间，以便被原油携带的气泡有足够时间上升至液面并进入气相。同时集液区也提供缓冲容积，均衡进出分离器原油流量的波动。集液区原油流经分离器全长后，经由液面控制器控制的出油阀流出分离器。为获得最大气液界面面积和良好的气液分离效果，常将气液界面控制在0.5容器直径处。
0.574
0.617
0.667
0.933
16.8111
16.9902
13.0961
26.1844
935.1299
合计
938.986
1008.2117
由表可知：
丙烷以上组分质量=922.06克
丙烷以上组分密度=922.06/1008.2117=0.9145克/厘米3
乙烷以上组分质量=926.0806克
同理，可求得判别过渡区和湍流区的临界油滴粒径 为
流态
Re范围
CD计算式
层流
过渡流
＜
湍流
＜
＞
各流态区 与Re的关系
Re和Ar数的关系
流态
Re范围
Ar范围
Re和Ar关系
层流
过渡流
＜
＜ 10
湍流
＞
＞83×10
（四）
在立式分离器中，气流方向与油滴沉降方向相反。显然，油滴能够沉降的必要条件是：油滴沉降速度必须等于或大于气体在流通截面上的平均流速，即：
克分子数 Ni
分子分数
C1
17.7650
16
1.1103
0.2224
C2
5.0074
30
0.1669
0.0334
C3
8.4392
44
0.1918
0.0384
C4
9.7524
58
0.1681
0.0337
C5
8.0803
72
0.1122
0.0225
C6
17.4650
86
0.2030
0.0467
C7+
872.4762
在卧室分离器中气体流向和油滴的沉降方向垂直，油滴能沉降至集液区的必要条件是：油滴沉降至气液界面所需时间应小于或等于油滴随气体流过重力沉降区所需时间，即：
立式分离器
卧室分离器
已知分离器重力沉降区内允许气体流速，根据气体处理量就可求得气体所需的流通面积和分离直径D、长度（或高度）的关系。
立式分离器
卧室分离器
乙烷占包含乙烷在内组分的：
质量百分数=（4.0187/926.0806）×100%=0.44%
甲烷占总质量的质量百分数=（12.0683/938.1489）×100%=1.29%
查得液相在工程标准状态下的密度为0.882克/厘米
（一）分离器基本尺寸的计算
由表可知在3.4Mpa，50℃下，产油量189063.8千克/日，密度为864千克/米 ，产气量10936.2千克/日，密度为0.828千克/米 。
（1）分离条件下原油密度的计算：
千克/米
（2）分离器的原油处理量
米 /日
（3）设：分离器长细比 =L/D=4.5；载荷波动系数β=1.5；排油口高度高度与直径之比y/2r=0.1,又 =0.052,液面控制与卧式分离器直径的一半处，即y/2r=0.5， =0.5,分离器的直径为：
米
L=K1D=4.5×0.638=2.871米
应用不同流态区阻力系数 的计算式，可求得不同流态区油滴的匀速沉降速度计算公式：
层流区 斯托克斯公式
过渡区 阿伦公式
湍流区 =0.44牛顿公式
某油滴在给定分离条件下处于什么流态区，可用两区域间的临界雷诺数进行判断。若粒径为 的油滴，在分离条件下的沉降速度 ，其雷诺数恰好为2，则可用该油滴来判断其他油滴的流态，油滴粒径小于 者处于层流区，大于 者处于湍流或过渡流态。
分子分数
C1
55.9
16
3.4938
0.4518
C2
9.9
30
0.33
0.0427
C3
11.7
44
0.2659
0.0344
C4
12.6
58
0.2172
0.0281
C5
9.6
72
0.1333
0.0172
C6
19.1
86
0.2221
0.0288
C7+
881.2
287
3.0704
0.3971
合计
1000
7.7327
初选分离器直径D=0.65米，长 =3米，K1=4.6
原油在分离器的实际停留时间
（4）校核气体处理量
天然气的相对密度
求天然气的临界参数；
临界压力
临界温度
对比压力
对比温度
压缩因子按下式计算
分离条件下气体密度
分离条件下气体粘度计算
阿基米德准数
由表3-11知，油滴沉降流态处于过渡区，雷诺数为
油滴匀速沉降速度计算
0.2342
0.0285
0.0482
0.0475
0.0191
0.0435
0.6502
0.1436
0.0175
0.0295
0.0291
0.0117
0.0267
0.3986
0.3178
0.5058
0.7213
0.7740
0.8417
0.9144
0.9901
17.7650
5.0074
8.4392
9.7524
来自入口分离器的气体水平地通过液面上方的重力沉降区，被气流携带的油滴在该区内靠重力沉降至集液区。为沉降至液面的、粒径更小的油滴随气体流经捕雾器，在捕雾器内聚结、合并成大油滴，在重力作用下流入集液区。脱除油滴的气体经压力控制阀流入集气管线。
立式分离器的工作原理和卧式相同，但分离器内气体携带油滴的沉降方向与气流方向相反，液体内夹带气泡的上浮方向和液体的流动方向相反。