三相分离器的设计

内构件和填料的优化 1、进出口布置及问题分析 油滴直径为 d、密度为 l ，在密度为 g 的气相中所受的重力为
F
d 3
6
( l g )g
式中
l 、 g ——分离条件下油滴和气体的密度，公斤/米 ；
3
g——重力加速度，米/秒 。 气体对油滴的阻力 R 与油滴运动的速度、 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
ρo――连续相密度，kg·m-3； ρw――分散相密度，kg·m-3； μo—－连续相粘度，Pa·s；
d――液滴直径，m。 该式表明，原油中水滴的下沉速度，与油水的密度差、水滴的直 径的平方成正比，与油相的粘度成反比。通常提高脱水效率采用：① 提高加热温度，以降低油相的粘度和增大油水的密度差；②选择合适 的存乳剂；③利用电场强化破乳，加速水滴聚结，增大水滴的粘径， 使沉降速度增大； ④改进设备内部构件， 以利于破乳。 对于稠油而言， 其油水密度很接近，常规的方法对于提高稠油的分离效果作用不明 显。 观察司托克斯定律可知，如果将连续相由通常的油相变为水相 时，即油滴从水相中上浮时，粘度的变化引起的速度的增加非常大。 油滴上浮的速度与直径水滴从油相中下沉的速度之间的关系为：
大，加速其上浮，游离的气体也将因油滴的上浮携带而加速上升。 水滴从原油中分离出来的条件为水滴沉降至水层部分液面所需 的时间应小于水滴随原油流过重力沉降部分所需的时间，即
le l h 或 w e h ww
油滴从污水中分离出来的条件为油滴上升至油层部分液面所需 的时间应小于油滴随采出水流过重力沉降部分所需的时间，即
出。
气液界面 进口
气出口 气液界面 射 频 导 纳 仪
斜板组 整 流 板 组 布液管 波纹板组
油水界面
溢 油 挡 板
水出口
油出口
图1
三相分离器结构示意图
三相分离器工艺流程
（1）流程 三相分离器及计量部分的工艺流程示意如图 2 所示。 装置包括油 气水三相分离器容器、油气水流量计、油水界面检测仪、油气水控制 调节阀等。油气水在分离器内分离，天然气经气出口流量计计量流量 和控制压力后，进入天然气处理系统；低含水原油经溢油堰板进入油 腔，油腔内的液面由液面调节器控制；低含油污水经射频导纳油水界 面仪控制的调节阀排出速度，从而控制油水界面。 另外一种控制方案如图 3 所示。低含水原油经溢油堰板进入油 腔，油腔内的液面由液面计检测，并且控制调节阀，调节排油速度。
2.室内试验装置
三相分离器介绍
图 2-6 是室内三相分离器的外形图，图 2-7 是该分离器的剖面图。分离器的 轴向筒长为 1800 毫米（不包括左右两个球形的堵头） ，内径为 384 毫米，壁厚
20 毫米。其工作原理是：气液混合物首先进入气体预分离室 1，利用离心分离和
重力作用分离出绝大部分气体后，液体经过一个倒“T”型的导管 2 进入六个平 行的布液管 3（见图 2-8） 。在布液管的上、下部开有小孔，这样来流液体均匀上 升进入水洗室 4 水洗破乳，然后进入油水分离室 5 缓冲、整流和聚结，进行油气 水三相分离； 分离器顶部气体与预分离室分出的绝大部分气体一起经过气体出口
缺陷，整体板面应平整、规矩。单片波纹板用亚弧焊组焊成块。每片 波纹板的大波纹对水平面的倾斜角为 60°，每组按相反方向组装。 4、聚结分离填料 首次在三相分离器中，采用斜板结构进行原油脱水和污水除油， 利用浅池原理，缩短油水的迁移路程，提高了分离效率。斜板已经成 功地应用于污水处理设备，如斜板（斜管）除油罐等，其采用下部进 水，上部出水结构。我们在三相分离器中，采用了水平进水，实现油 水的快速分离。 油滴的上升速度为：
Vg ( w o ) gd 2 18 w
取决于油滴的粒径、油水密度差和水的粘度，由于采用了斜板技 术，缩短了油滴上升所需的距离，所以效率成倍提高。以斜板间距 50mm 为例，4000mm 直径的罐油水界面 2000mm 计算，油滴实现完 全分离需要 2000mm 的距离， 利用浅池原理只需位移 50mm 就可实现 分离，分离效率提高 5、除雾器 设在分离器后端、气相出口处，以保证液滴在到达除雾器之前就 能分离沉降下来。 除雾器主要利用碰撞、聚结的分离方法，把沉降分离中未能除去 的气中所含的较小油滴除去。该除雾器主要由金属丝网组成。带液气 体与金属丝网相撞时，气体穿网而过，气中所含液滴与金属丝相撞， 下流并聚集，形成较大液滴，克服液滴表面张力和上升气体速度的限
（2）主要设备如下： 1）油水界面检测仪：采用美国进口 DE509-15-90N 射频导纳油 水界面检测仪测试分离器内沉降段的油水界面高度，并且输出 4-20mA 电流信号。油水界面检测仪由一个射频导纳界面变送器和刚 性传感器组成，解决了由于分离器内油水界面不清晰，存在乳化层， 乳化层上下部密度相差无几， 传统差压式和浮子式界面检测装置不能
a．耙形入口构件+圆筒整流构件+蛇形板相向平行板组
b．耙形入口构件+圆筒整流构件+斜板交错搭接平行板组
c.耙形入口构件+田字板整流构件+斜板交错搭接平行板组
d.耙形入口构件+田字板整流构件+蛇形板相向平行板组
对以上筛选出的四种内部构件组合进行了室内筛选实验， 从中选出分离性能 较好的组合结构，为进一步的现场试验做好准备。
2000 40 倍。 5聚结构件的室内试验研究
1.数值模拟结果
根据功能不同把整个分离器分为五部分，分别是入口部分、整流部分、聚 结部分、水相沉降部分和油相沉降部分（见图 2-1） 。为了提高油水分离特性， 在入口部分、整流部分和聚结部分分别增加入口构件、整流构件和聚结构件。采 用 Fluent 软件对重力式分离器内部 2 种入口构件、4 种整流构件和 6 种聚结构件 的流场进行了数值模拟，模拟出了分离器内部不同构件下的流场和浓度场，得出 以下结论：
o o w w
某原油脱水温度为 50℃，原油粘度μo＝58mPa·s，水的粘度μ
w＝0.556mPa·s，则
υo=104υw。由此说明，如果液滴的直径相同，
则油滴在水中上浮的速度比水滴从油中下沉的速度大得多。同时，由 于原油中伴生气在油中的溶解系数大于其在水中的溶解系数， 当油滴 上浮时，油滴中的溶解气体将随着压力的降低而逐渐膨胀，使油滴变
R
2
d 2 2
4 2
g
式中
——油滴的沉降速度，米/秒；
——阻力系数。
气体对油滴的阻力与油滴在气体中受的重力相等时， 油滴作匀速 运动，联立重力、阻力方程，有

4 gd ( l g ) 3 g
由于气体的流向与油滴的沉降方向相互垂直， 油滴能够沉降至集 液部分的必要条件为油滴沉降至集液部分液面所需的时间应小于油 滴随气体流过重力沉降部分所需的时间，即
8 流出分离器。上部油漫过堰板 11 进入油室 7；水从底部经水出口 9 排出。
长期可靠运行的难题。 2）智能控制调节器：可以设定油水界面的要求高度，并且接收 来自射频导纳油水界面检测仪的 4-20mA 油水界面高度电流信号，经 过计算比较输出 4-20mA 电流信号控制电子式电动调节阀的开度。 3）电动调节阀：接收来自液面控制器的 4-20mA 电流信号，控 制污水的排放量， 从而控制分离器内沉降段的油水界面高度到达设定 值。 4）浮子液面调节器：控制油腔液位的高度。 5）自力式压力调节阀：控制气路的压力到设定的数值。 6）气体流量计：采用智能旋进旋涡气体流量计，测量三相分离 器的分出的工况下气量，而且可以测量工作压力，换算出标况下的气 量，并且可以累计出气体产量。 7）原油流量计：采用质量流量计检测分离器分出油量，不但能 够直接检测出油口质量流量，而且能够检测流体密度，换算出含水量 和原油产量，精度高、工作可靠。 8）污水流量计：采用质量流量计或者电磁流量计检测分离器分 出水量。
（1）耙形入口构件的分离特性优于倒 T 形入口构件；圆筒整流构件和田字板 整流构件对速度的规整特性优于竖板整流构件和横板整流构件； 平板平行板组和 田字板平行板组聚结构件的分离特性最差， 蛇形板相向平行板组和斜板交错搭接 平行板组的油水分离特性最好。 （2）得到了以下 4 种具有较好油水分离特性的构件组合：
正常工作。 迷宫整流板的工作原理如下图所示：
流体在迷宫整流板处，由于流道变窄，产生加速，进入迷宫整流 板后，由于流道变得开阔，在隔栅中产生涡流运动，涡流的产生，加 速油气、油水、油砂的分离，采出液中的含砂由于离心力的作用，向 隔栅边缘移动，并且沿隔栅下降到分离器底部，将砂子从采出液中分 离出来。 3、聚结填料 目前，聚结填料多为波纹板填料，该技术起源于美国 CE-NATCO 公司的波纹板聚结器技术，我国在该技术的基础上，开发出单波、双 波波纹板填料，材质上采用了不锈钢、聚丙烯、玻璃钢等不同材质。 聚丙烯、玻璃钢等非金属填料用于油田采出液处理时，由于被处 理液温度高、矿化度高、物性复杂，使填料发生老化问题，造成填料 剥落、破损，阻塞下游阀门，更使分离器处理效果变差。 不锈钢波纹板填料性能稳定，易于清洗维护，不易损坏，所以得 到了广泛地应用。 综上所述，选用聚结填料如下：材质采用 0Cr18Ni9Ti，板厚为 0.2mm，单片波纹板的几何尺寸：大波纹波高 12.5 毫米，节距 30 毫 米，小波纹波高为２毫米，节距７.5 毫米。单片波纹板应采用模压 或其他合适的工艺方法成形，其波纹必须完整，不得有断裂、破损等
必要的设计参数 设计压力 操作压力 设计温度 操作温度 最大气、液处理量 液体密度 气体比重（标态） 载荷波动系数 液体停留时间 设计后可能存在的问题 三相分离需要确定两个停留时间， 即从油中分水所需停留时间和从水中分油 所需停留时间。 油水所需的停留时间最好由室内和现场试验确定。 存在的问题是， 从油中分出水珠和从水中分出油滴所需时间是不同的， 使油水停留时间相同不是 不是最优的设计方案。再者，停留时间法没有考虑容器形状对分离效果的影响， 立式和卧式分离器在相同的时间下有不同的油水分离效果。第三，停留时间法也 不能提供分离质量的数据，如水中含油率和油中含水率。
le l h 或 g e wg h
式中
l e ——重力沉降部分的有效沉降长度；
g ——气体流速，米/秒；
h ——油滴沉降高度，米。
原油脱水原理也是基于司托克斯公式，表述为：
w
g( w o ) 2 d 18 o
式中：
Vw――液滴下沉的速度，m·s-2； g――重力加速度，m·s-2；
l le h 或o e wo h
通过上述分析可知， 要提高分离器的分离效率， 保证气中含油量、 油中含水量、水中含油量指标达到要求。一方面应该改善油品性质， 降低原油、污水的粘度，提高油水密度差，加快油水的分离，但是这 将造成药剂或者加热成本的增加，存在经济上的问题；另一方面，应 该降低油水在分离器内的轴向流动速度，增加有效分离长度，但是这 样将增加分离器的容积，增加装置的造价。 最为有效的方法是在保证一定的停留时间、 油品性质的条件下改 进分离器的进出口形式：分离器油水进口采用分布管形式，并且延伸 至分离器的前部；分离器出水口尽量靠近溢油挡板，并且采用分布管 形式，扩大了分离器的有效分离长度。 2、整流填料 首次采用迷宫整流板结构在三相分离器内进行整流， 使油气流动 平稳，消除紊流，并且利用微涡流的原理，加速油气、油水、油砂的 分离，同时起到除砂的双重效果，保证后面的波纹板、斜板填料能够
三相分离器结构及原理
三相分离器的结构分为分离沉降室和油室。油、气、水混合物来 液进入三相分离器，经整流器、波纹板组、斜板组等后大部分液体沉 降到分离沉降室的液相区，极少部分液体靠液体重力继续沉降，剩余 的液体经除雾器进一步分离后，气体通过压力调节阀进入天然器系 统。沉降下来的油、水混合液停留一段时间后因密度的差别逐渐进行 分层，水沉积在集水包和液相区的底部，液相区的上部为油层。当油 层的液位高出隔油板顶部时则慢慢流入油室内， 然后由油室下部的出 油口排出。液相区的水沉降分离到沉降室的底层，并且经过出水阀排