重力式油水分离器的分离特性研究

第27卷 第6期2006年11月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV ol.27 N o.6N ov.2006作者简介:王国栋,男,1980年9月生,2005年获中国石油大学(华东)油气储运专业硕士学位,现为上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生,主要研究方向为多相管流及油气田集输技术。

E -mail:putin _w ang @文章编号:0253 2697(2006)06 0112 04重力式油水分离器的分离特性研究王国栋1 何利民2 吕宇玲2 陈振瑜2(1.上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200030; 2.中国石油大学储运与建筑工程学院 山东东营 257061)摘要:利用重力式分离模拟试验系统,以白油和水作为工作介质,分析了6个取样口和油出口、水出口的油水分离效果,进而研究了卧式油水分离器的分离特性和流动规律。

研究表明:①分离器内存在一个最佳的油水界面位置,在该位置油层中的水滴分离效果最好,油相粘度是决定该位置的重要参数;②油层厚度相同时,入口含油浓度越小,油相需要的停留时间越少,分离效率就越高,水相的分离效率与入口含油浓度无直接关系;③无内部构件的分离器底部流场存在剧烈的涡流,严重影响油水分离特性,须添加整流和聚结构件,改善分离器内部流场,促进小液滴的聚结合并,以提高油水分离效率。

关键词:重力分离器;油水分离;分离特性;流动特性;分离效率中图分类号:T E 624 文献标识码:AS tudy on oi-l water separating behavior of gravity separatorWang Guo dong 1H e Limin 2L Yuling 2Chen Zhenyu2(1.S chool of M echanical and P ower Engineering ,S hanghai J iaotong Univer sity ,S hanghai 200030,China;2.Col lege of T r ansp ort &Stor age and Civil Engineer ing ,China Univers ity o f Petr oleum,D ongy ing 257061,China)Abstract :T he separ ating and flow behav ior s of g rav ity o i-l water separato r w ere studied w ith an oi-l water separ ation simulat ing sys -tem,taking w hite oil and w ater as w or k fluid.T he separ ating efficiencies o f six sampling outlets,o il outlet and w ater outlet w ere a-lso analyzed.T he r esults sho w that the max imum separ ating ef ficiency of oil pad occur s when o i -l w ater interface is ma int ained at a cer tain lev el,w hich is dependent t o oil visco sity.Water cut in oil outlet decreased w ith increasing w ater cut of inlet fo r the same o il pad thickness.Sepa rating eff iciency o f w ater pad w as independent to oil co ntent of inlet.T here was ser ious v ertex field at the botto m of a separ ator w ithout internals inst alled,and its hydraulic behav ior w as in bad or der ,which aff ects oi-l w at er separat ion.Flow regu -lating and co alescing inter na ls sho uld be installed in o rder to improv e the o i-l water separat ing efficiency.Key words :g r avity separ ator ;oi-l w ater separation;separ ating behavio r;flo w behavio r;separat ing efficiency在油田地面工程中,重力式油水分离器是应用最多、最基本也是最重要的工艺设备之一。

许多研究结果均表明[1-5],工程中所用分离设备不但存在严重的短路流,使设备的大部分空间未能有效利用,而且一些设备还存在严重的返混现象,导致相当部分的液流未经充分处理就排出。

流动特性只是分离设备技术特性的一个方面,如果设计不当,流动设备差的分离器不可能取得好的分离效果。

为了进一步研究重力式油水分离器的分离特性,笔者以一个改进的长为2000mm 、内径为384mm 的卧式油水分离器为研究对象,分析了油层厚度、入口含油浓度对分离器分离特性的影响,并且分析了6个取样口和油出口、水出口处的油水分离效果。

1 油水分离器的分离模拟试验试验装置由搅拌罐、可调速齿轮泵、流量计和分离器组成(图1),可对系统流量、介质粘度、分散相含量、乳化剂浓度、油水界面高度和停留时间等参数进行室内试验模拟。

试验介质为白油-水,用蒸馏法测定油样图1 油水分离模拟试验系统流程Fig.1 Flow chart of oi-l water separation simulating system第6期王国栋等:重力式油水分离器的分离特性研究113含水量;用紫外可见光分光光度计(723C)测定水样含油量。

搅拌罐中油相体积分数为20%,分离器内油层厚度分别为1cm、5cm、10cm和15cm,对油水分离效率和停留时间的关系以及油层厚度对分离器分离特性的影响进行了研究;分离器内油层厚度为5cm,搅拌罐中油相体积分数分别为10%、20%和30%。

对油水分离效率和停留时间的关系以及入口油相浓度对分离器分离特性的影响进行了研究;搅拌罐中油相体积分数为20%,分离器内油层厚度为5cm。

分别从6个取样口和水出口、油出口取样,分析了样品的含油量或含水量,研究了油相浓度和油层厚度不变时分离器的分离特性。

停留时间分为油层停留时间和水层停留时间。

前者是分离器内部油相体积(不包括集油室的油相体积)与入口油相流量的比值;后者是分离器内部水相体积与入口水相流量的比值。

上述工况中乳化剂均选用OP-10,体积分数为20 10-6。

2 实验结果分析2 1 油层厚度对分离特性的影响搅拌罐中油相体积分数为20%,改变分离器内油层厚度时,分离器的油出口含水量与油相停留时间的关系曲线见图2(a)。

从中可以看出,油出口含水量曲线在前30min内迅速下降,60min之后趋于一个稳定值(约为7%),与油层厚度无关。

随着油层厚度从1cm增加到15cm,油出口含水量先低后高。

说明在油水分离过程中存在一个最佳的油水界面位置,在该位图2 油出口和水出口样品沉降时间曲线Fig.2 Retention tim e curves of samples at oil outlet and w ater outlet置处油层中的水滴分离效果最好。

陆耀军发现[4-5]:随着油水界面位置由子午面以上60mm降到子午面以下60mm,设备出口处的含水量相应从0 89%下降到0 466%。

笔者认为,该油水界面位置仍高于最佳油水界面位置,但实验中白油粘度仅为12mPa s,而本研究中白油的粘度约为350mPa s(20 )。

由Stokes沉降公式可知,液滴沉降速度和分散相的粘度成反比,结合笔者和陆耀军的试验结果,可推断油相粘度是决定最佳油水界面位置的一个重要参数,粘度越大该位置就越高。

水出口含油量与水相停留时间的关系曲线见图2(b)。

从中可以看出,水出口的含油量曲线在前24mi n内迅速下降,40min之后趋于水平。

另外,随着油层厚度的增大,水出口的含油量增加,水层中油滴的分离效果变差。

单纯从减小水出口含油量的角度来看,提高水层中油滴分离效果的方法是尽量增高油水界面的位置,即增大水相体积。

但是这种作法并不可行,因为一方面不能保证油出口的含水量达到指标,另一方面Pow-ers认为[6],当油水界面的位置在0 769倍分离器直径的时候,分离器具有最大的处理量。

所以实际工程设备中的油水界面位置应根据分离器出口油中含水量和水中含油量指标综合确定。

2 2 油相体积分数对分离特性的影响分离器内油层厚度为5cm,改变搅拌罐中油相体积分数时,分离器的油出口含水量与油相停留时间的关系曲线见图3(a)。

从中可以看出,油出口含水量在前20min内迅速变小,50m in之后趋于一个稳定值(约为7%),与含油体积分数无关。

从图3(a)还可以发现,含油体积分数越小,油层中水滴的分离效率增加,需要的停留时间变短。

在一定量的乳化剂条件下,搅拌足够长的时间,分离器入口油滴粒径趋于一个稳定值,与搅拌罐中含油浓度关系不大;含油体积分数变小会导致分离器内部油层中的水滴数目增多。

油滴的粒径变化不大及油层中水滴数目的增加,加速了水滴的聚结沉降,表现为油114 石 油 学 报2006年 第27卷层中水滴的分离效果越好,需要的停留时间越短。

该结论和H afskjo ld [7]的结论相似。

水出口含油量与水相停留时间的关系曲线见图3(b)。

从中可以看出,尽管入口含油体积分数不同,但油出口含水量与停留时间的关系曲线没有明显的差别。

说明油层厚度不变,入口含油体积分数与水出口的含油量无直接关系。

搅拌罐中含油体积分数对水层中油滴粒径的影响不大;油层厚度一定时,水层的竖直沉降距离也一定。

这样相同粒径的油滴在相同的空间里浮升到相同的位置需要的时间是相同的。

图3 油出口和水出口样品沉降时间曲线Fig.3 Retention tim e curves of samples at oil outlet and w ater outlet从图2和图3可发现,油相和水相的停留时间是决定油出口含水量和水出口含油量的一个重要参数。