油气分离器设计计算

摘要
为了满足油气井产品计量、矿场加工、储存和管道输送的需要，气、液混合物要进行气液分离。

本文是某低温集气站中分离器的设计与计算，选用立式分离器与旋风式两种。

立式分离器是重力式分离器的一种，其作用原理是利用生产介质和被分离物质的密度差来实现基本分离。

旋风式分离器的分离原理是由于气、液质量不同，两相在分离器筒内所产生的离心力不同，液滴被抛向筒壁聚集成较大液滴，在重力作用下沿筒壁向下流动，从而完成气液两相分离。

分离器的尺寸设计根据气液混合物的压力﹑温度以及混合物本身的性质计算确定。

最后确定分离器的直径、高度、进出口直径。

关键词：立式两相分离器 旋风式分离器 直径 高度 进出口直径
广安1#低温集气站的基本资料：
出站压力：6MPa 天然气露点：5C <-︒
气体组成（%）：C 1=85.33 C 2=2.2 C 3=1.7 C 4=1.56 C 5 =1.23 C 6=0.9
H 2S=6.3 CO 2=0.78
凝析油含量：320/g m 0.78l S =
1. 压缩因子的计算
① 天然气的相对分子质量 ∑=iMi M ϕ
式中 M ——天然气的相对分子质量； i ϕ——组分i 的体积分数； Mi ——组分i 的相对分子质量。

则计算得， M=20.1104
② 天然气的相对密度
天然气的相对密度用S 表示，则有：
S=
空
天
M M 式中 M 天、M 空分别为天然气的相对分子质量。

已知：M 空=28.97 所以，天然气相对密度S=
空
天
M M =20.1104/28.97=0.694 ③ 天然气的拟临界参数和拟对比参数 对于凝析气藏气：
当 0.7S < 时，拟临界参数：
4.7780.248106.1152.21pc pc P S T S =-=+ 计算得，
4.6211.7
pc pc P T ==
天然气的拟对比参数：
pr pc
pr pc
P P P T T T =
=
a ．1、2号分离器：1110;287a P MP T K == 110 2.174.6pr P =
=； 1287
1.36211.7
pr T == b. 3号分离器：3310;287P MPa T K == 3310304
2.17; 1.444.6211.7
pr pr P T =
===
c. 4号分离器：4410;303P MPa T K == 44103032.17; 1.434.6211.7
pr pr P T =
=== d. 5号分离器：556;257P MPa T K == 556257
1.3; 1.24.6211.7
pr pr P T ====
④ 计算压缩因子
天然气的压缩因子和拟对比压力，拟对比温度有如下的函数关系： (,)pr pr Z P T ϕ=
天然气压缩因子图版 根据算的的参数查上图得，
123450.72;0.78;0.77;0.70Z Z Z Z Z =====
2. 天然气密度
在某压力，温度下，天然气的密度
ρ=
ZT
pM
314.8
式中 ρ——天然气在任意压力、温度下的密度，kg/m 3
P ——天然气的压力（绝），kPa; M ——天然气的相对分子质量； Z ——天然气的压缩因子； T ——天然气绝对温度，K 根据公式可计算， 3121000020.1104
117.1()8.3140.72287
g g kg m ρρ⨯===⨯⨯
331000020.1104
102.0()8.3140.78304
g kg m ρ⨯==⨯⨯
341000020.1104
103.7()8.3140.77303
g kg m ρ⨯==⨯⨯
35600020.1104
80.7()8.3140.70257
g kg m ρ⨯==⨯⨯
3. 气体流量
由已知日产量和流程设计课知各分离器的日处理量分别为：
3
413
23
3
34352210()
182********()
14();19()
1822201671419116()g g g g g m
Q d
m Q d
m
m
Q Q d
d
m Q d
=⨯=++++====++++++=
根据公式000T Z Q P ZT PQ g
=
推得：
Q=
293
101325.086400
TZ
P Q g ⨯⨯
即分离器的流量 计算得各分离器的流量分别为：
3
3
3
1233
3
450.018;0.067;0.0130.018;0.139m
m
m
Q Q Q s
s
s m
m
Q Q s
s
=====
4. 粘度的求解
①．根据天然气的相对密度S=0.694，查天然气的假临界特性图得到天然气的临界温度和临界压力：
218;4570pc c T P KPa ==
天然气的假临界特性图
②．查下图得出天然气在101.325KPa ，不同温度条件下的粘度。

1234514313016T T C
T C T C T C
==︒=︒=︒=-︒ 12345,0.0098,0.0106,0.0105,0.0088mp s
mp s mp s mp s
μμμμμ==⋅=⋅=⋅=⋅
③．计算气体临界参数，从对比温度与临界温度关系图查出粘度比0
μμ，算出
气体的粘度。

a. 1,2号分离器： 121228710000
1.32;
2.192184570
pr pr pr pr T T P P ====== 查得粘度比
1
1.60μμ
=
气体粘度：512 1.600.0098 1.5710pa s μμ-==⨯=⨯⋅ b. 三号分离器： 3330410000
1.39;
2.192184570
pr pr T P ==== 查得粘度比
3
1.45μμ
= 气体粘度：53 1.450.0106 1.5410pa s μ-=⨯=⨯⋅ c. 四号分离器: 4430310000
1.39;
2.192184570
pr pr T P === 查得粘度比
4
1.45μμ
= 气体粘度：54 1.450.0105 1.5210pa s μ-=⨯=⨯⋅ d. 五号分离器： 552576000
1.18; 1.312184570
pr pr T P ==== 查得粘度比
5
1.4μμ
= 气体的粘度：55 1.40.0088 1.2310pa s μ-=⨯=⨯⋅
5. 液滴沉降速度的计算
① 计算水力阻力系数D C 根据经验公式：()()2
24Re
3L L g g
g
gd S f ρρμ-=
式中 d L ——液滴的直径，m 。

（取100L d m μ=）
L S ——凝析油的相对密度，kg/m 3
g ρ——气体在操作下的密度，kg/ m 3 g μ——气体的粘度，pa ·s
可得出， ()
()
()()
122
2
2
1
2
549.810780117.1117.1
Re
Re
41153 1.5710
f f --⨯⨯⨯-⨯==
=⨯⨯
()
()()
122
2
3
549.810780102.0102.0
Re
38103 1.5410
f --⨯⨯⨯-⨯=
=⨯⨯
()
()()
122
2
4
549.810780103.7103.7
Re
39663 1.5210f --⨯⨯⨯-⨯=
=⨯⨯
()()()
1222
5
549.81078080.780.7
Re 48743 1.2310
f --⨯⨯⨯-⨯=
=⨯⨯
查液滴在气体中的阻力系数计算列线图，可知
12345 1.51.61.551.4
D D D D D C C C C C =====
②．沉降速度
液滴在分离器中的沉降速度按下式计算： ()43L L g g D
gd S C ρωρ-=
计算出各分离器中液滴的沉降速度分别为：
120.07m
s ωω===
30.074m s ω==
40.074m s ω==
50.09m s ω==
6. 分离器尺寸计算
①．立式两相分离器
根据公式: D υηω=
=(η取0.8)，可计算分离器的直径；
一般立式重力分离器的高度取H=4D;
取进口速度：115m s
υ=，进口直径：1D = 取出口速度：210m s
υ=，出口直径：2D =
a. 一号分离器
1111120.6440.64 2.560.040.05
D m
H m D m
D =
==⨯====
=
b. 二号分离器：
3331320.540.5 2.00.030.04
D m
H m
D m
D =
==⨯==
==
=
c. 三号分离器：
30.5D m =
=
340.5 2.0H m =⨯=
310.03D m =
=
320.04D ==
d. 四号分离器：
4441420.640.6 2.40.040.05
D m
H m
D m
D =
==⨯==
==
=
e. 五号分离器：
555152 1.64 1.6 6.40.120.13
D m
H m
D m
D =
==⨯==
==
=
② 旋风式分离器尺寸计算
根据公式：0.5
53.3910g TZQ D K P -⎛⎫
=⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭
筒内流速：20.785g Q
D υ=
进口流速：1214Q
D υπ=
出口流速：22
24Q
D υπ=
旋风式分离器尺寸计算得步骤： Ⅰ. 令K=1，计算直径D.
Ⅱ. 取进口管径10.47D D =,出口管径20.67D D =
Ⅲ. 验算进口流速是否在15~25m s ，出口流速是否在5~15m s
Ⅳ. 验算筒内流速是否在2.45~4.43m s
若不符合上述条件，则需要另取K 值进行计算，知道全部符合条件。

a. 一号分离器
0.5
4
511112112122122870.7222103.391010.072100.470.0720.0340.670.0720.04840.018
19.83.140.034
40.018
10.03.140.048
0.018
4.420.7850.072
g D m
D m
D m
m s m s m s υυυ-⎛⎫⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
=⨯==⨯=⨯=
=⨯⨯==⨯==⨯
均符合条件，故
1110.072;40.288D m L D m === b. 二号分离器
0.5
4
522870.7283103.391010.1410D m -⎛⎫⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
210.470.140.066D m =⨯=
220.670.140.094D m =⨯=
21240.067
19.63.140.066
m s υ⨯=
=⨯ 22240.067
9.73.140.094
m s υ⨯==⨯ 120.067
4.40.7850.14
g m s υ==⨯ 均符合条件，故
2220.14;40.56D m L D m ===
c. 三号分离器
0.5
4
533142412322323040.7814103.391010.06100.470.060.030.670.070.0540.018
25.03.140.03
40.013
10.33.140.04
0.013
4.420.7850.06
g D m
D m D m
m s m s m s υυυ-⎛⎫⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
=⨯==⨯=⨯=
=⨯⨯=
=⨯=
=⨯
均符合条件，故
3330.06;40.24D m L D m === d. 四号分离器
0.5
4
543040.7719103.391010.0710D m -⎛⎫
⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
410.470.070.03D m =⨯=
420.670.070.05D m =⨯= 41240.018
25.03.140.03
m s υ⨯==⨯
42240.018
9.23.140.05
m s υ⨯==⨯
420.018
4.40.7850.07
m s υ=
=⨯ 均满足条件，故
4440.07;40.28D m L D m === e. 五号分离器
0.5
4
552570.7116103.391010.1510D m -⎛⎫⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
510.470.150.07D m =⨯= 520.670.150.1D m =⨯= 51240.139
36.03.140.07
m s υ⨯=
=⨯ 不符合条件，另取K 值再次进行计算。

在K 的取值范围内计算得的结果均不符合条件，因此，在此流量，压力，温度等情况下不宜选用旋风式分离器进行气液分离。