油水分离器内部结构|卧式三相分离器的结构及其内部构件

卧式三相分离器的结构及其内部构件

杨婷婷（山东豪迈化工技术）

引言

随着我国经济的发展，能源的消耗逐年增加，可开采的石油天然气资源却是逐年减少，提高石油天然气的采收率，尽可能的利用现有资源提供更多的能源是现在主要的任务之一。三相分离器通常是采油平台上**个处理井液的设备，之后连接的是换热器、交换器和蒸馏塔等设备，所以三相分离器的效率是经济稳定开采油气的关键，其对后续设备的效率和使用寿命也会产生很大的影响。

1 卧式与立式三相分离器的比较

目前三相分离器主要分为卧式三相分离器和立式三相分离器(图1-1)。

图1-1 卧式和立式三相分离器结构示意图

完成相同的分离任务时，立式分离器比卧式分离器占据更小的空间；但是在相同的静态流量情况下，卧式分离器的液体缓冲能力好；立式分离器比较有利于油水中砂的沉积并且可以方便的从下部排出。立式分离器在处理低油气比和有固相颗粒的原油采出液时更有效，所以立式三相分离器在实际应用中主要用于原油加工量较少并且含沙量较高的油田开采平台。卧式分离器的重力沉降速度与流动速度垂直，立式容器则为逆流方向运动，所以利用重力沉降原理分离，卧式分离器比立式分离器更有效，同时卧式分离器有较大的界面积，有利于提高相平衡的稳定速度，所以在处理含有气泡或是乳化的原油采出液时卧式分离器更有效。立式分离器一般高度较高，所以如果没有特制的梯子和平台，分离器内部的控制装置就很难进行操作，同时，在运输过程中如果有高度限制，那么分离器有时需要将撬装装置上的容器卸掉。综上所述除渣隔油一体机，同体积的卧式分离器的成本要低于立式分离器；同体积同流量立式分离器的外壁要厚于卧式分离器的外壁，如果立式分离器处于强风中，要考虑其侧面承受的载荷，同样会增加其壁厚，从而增加容器的成本[1]。

从上述对比可以看出，常规的油气分离使用卧式分离器最经济实用，特别是用来处理乳状液、泡沫和高油气比的原油采出液。我国一般产油量较高隔油池，并且近几年我国发现石油的地方环境较差，不利于当地开采，多运到下游进行处理，造成进到分离器中的原油速度较快，对分离器中的油水界面干扰较大，而卧式三相分离器的油水界面大，可以避免入口流速大对油水界面的干扰[2]。因此，在我国产油平台上一般使用卧式三相分离器。

2 分离器的内部构件

2.1 入口构件

入口构件主要用来分离气相与液相。其通过对流入流体动量的急速改变，达到气液分离的效果，虽然实际应用中的入口构件的样式各不相同，但是按照主要作用的机理可以大致分为挡板、旋流元件和弯管三种结构，分别如图2-1、2-2和2-3所示。

进料流体中的气液组分具有相同的速度快霸，由于液相密度高于气相密度，所以液相具有较高的能量，不如气相那样容易发生动量方向的改变。因此，在进料流体碰撞到挡板的时候，液相会向下沉降，气相则会绕过挡板。使用半球形或是锥形挡板比角铁或是平板对流动产生的扰动小，可以有效的减小雾沫夹带或乳化的问题。

图2-1 挡板

图2-2 旋流元件

图2-3 弯管式入口构件

旋流元件是利用离心力进行气相与液相的分离。利用旋流元件可有效地分离气液两相流体，并**可能的降低了原油发泡的可能性。但是使用旋流元件一般要求切向速度不能低于6m/s，因此有效使用的调节范围较小，当流量下降时，切向速度降低会显著影响到旋流元件的分离性能。当流体中液相的粒径分布在1~50μm3时，液相具有很好的随流性，通过涡流运动不易分离，可以利用碰撞的分离机制进行分离。弯管就是利用碰撞进行气液两相的分离。在弯管内液相随着气相一起减速同时与壁面碰撞，液相被吸附在壁面，完成液相与气相分离。

2.2 整流元件

当进料流体以较大的速度进入容器时，会对容器内的流体产生较大的波动影响，对重力分离区的液相分离产生影响，增加重力分离时间。所以需要在分离器的重力分离区前段安装整流元件减少进料的波动影响并稳定流场，使液位的控制检测仪器和溢水口可以正常工作。一般来说整流元件就是安装在分离器的重力沉降区内，与流动方向垂直的带孔档板[3]。

2.3 聚结元件

聚结元件为水滴聚结提供表面面积，并起到挡板和防涡器的作用。一般聚结元件安装在距容器两端约1/3和2/3的位置。聚结元件的上、下留有空间，以便固体和水从下面通过，气体从上面通过。

在重力沉降区中，如果液滴粒径较小，那么它的沉降速度会很慢，液相分离时间长。可以通过安装聚结元件使小液滴聚结成大液滴，减少液相分离时间。

液滴流经聚结元件时，由于表面力的作用会被聚结元件的表面捕捉，在聚结元件的表面就会形成层膜。之后被捕捉的液滴与层膜发生碰撞，液滴会发生变形同时与层膜之间产生一个液相夹层，由于液滴的压力作用，夹层会逐渐向外扩散变薄，当夹层厚度达到临界厚度δc时，夹层破裂液滴就融入到层膜中[4-5]，过程如图2-4所示，这样就完成了液滴在聚结元件上的聚结。当液滴聚结到足够大的粒径时，就会从聚结元件中沉降分离出来。

图2-4 液滴在聚结元件上的聚结过程

聚结元件按照其性质不同可以分为亲油性和亲水性，使用不同的聚结板材料就会有相应的性质，现在聚结元件的研究主要集中在研发新型聚结板材料的基础上，对聚结板组的结构进行优化。从研究聚结材料结构形式与流体流动特性的关系入手，优化提高聚结除油效果。聚结板的结构主要有平板、斜板、波纹板等结构形式，其中以波纹板的效果**。

2.4 防涡元件

由于液相沿出口流出分离器时会产生涡流或涡旋，从而产生空气柱，空气柱会抽吸分离器内的气相，使气相下落至液相的流出口，随液相一起流出，所以卧式分离器的液相底部经常加设防涡器。设计加入防涡元件就可以避免空气柱的产生。图2-5所示的是一些典型的防涡器。当液相流入防涡器的底部时，平板会防止任何形式的旋转流动产生，这样形成涡旋的条件就被消除了。

图2-5 典型防涡器

2.5 蒸馏井

蒸馏井就是普通割缝衬管，一般围绕在分离器内部的液位控制排液装置周围。用来防止流体流动、波浪或其他可能对液位测量产生干扰的情况,保证排液装置能够正常工作。

2.6 除砂元件

使用卧式分离器时，为了防止砂子或其他固体颗粒在分离器的底部堆积，造成堵塞干扰分离器的正常运行，通常都会在分离器的底部安装除砂元件，即喷砂嘴和排砂管。

为了排出分离器底部的固体颗粒，排砂管的打开方式需要是可控制的。打幵喷砂嘴后一般采用高压流体泵将采出水运送至喷嘴，利用高压流体扰动底部固体颗粒，将其送到排砂管。喷砂嘴的喷射范围需要包含整个分离器的底部，所以其喷射速度一般均设计为6m/s[6]。在实际操作中，只用一个喷砂嘴是难以完成卧式分离器底部砂子的疏松，所以一般都会间隔一定距离就设置一个喷砂嘴。同时，为了防止砂子造成排砂管的堵塞，在排砂管的出口设置覆盖砂盘或砂槽。为了既可以在高效的排出固体颗粒物的，又不会对分离器的分离过程造成干扰，一般需要在分离器内安装一个不超过1.5m的一体化装置，一般包括排砂管和与其相连的喷砂嘴。

2.7 除雾元件

气流中液体雾沫夹带常出现在两相传质或传热的操作过程中，即通常出现在气液两相速度差别较大或者发生相态变化的中，这时通常在气相出口处使用除雾元件防止微小液滴悬浮于气相中被携带出。除雾元件有许多类型，在选择除雾元件时主要考虑以下几个方面：要去除的粒径、允许的**压降、固体颗粒阻塞对容器影响的敏感度、液相处理能力、材料适用性及经济能力等方面。

从流体的流动机理和液滴在连续气相中的作用原理进行入手。我们知道在容器中的气相向上流动时，在气相中的液滴会受到两种相反的作用力：一种是重力会使气相中的液滴产生向下的加速度，另一种就是拖曳力会使液滴下降的速度减缓。当气体上浮的速度变大时液滴的拖拽力也会变大，拖拽力会使液滴的下降速度持续变小直到液滴上浮的速度变为零，此时液滴达到静止。当重力与拖拽力相同时，气相中的液滴加速度是零，此时液滴就会在按照固定的沉降速度下降。由此可以知道，如果额外增加气相的速度，那么液滴的开始沉降速度会减少；如果继续增加气相速度，那么液滴就会以增加的速度上升一直到液滴的速度与气相的速度相等。对于水平的气流也是同样的原理，只是重力与拖拽力成90度角而已。

无论何种类型的除雾元件均是根据上述流体的流动机理和液滴在连续气相中的原理，通过破坏液滴的重力和流动曳力之间的平衡而进行工作，具体可以通过以下一种或是多种结合的方法实现：对于重力沉降分离器可以通过降低气相的速度来克服流体曳力；通过引入额外的力，如文丘里洗漆器、旋流器、静电除尘器等；通过冲击提高惯性力；增大液滴的尺寸从而增加其重力。

现在应用最广泛的就是冲击型除雾元件,因为冲击型除雾元件具有较好的使用效率、操作弹性高、较低的压力降等优点。冲击型除雾元件一般是在容器内安装折板或是盘(通常称为标靶)，当气相达到标靶时，流体会沿着标靶展开，形成的流线越靠近标靶，其速度越大。冲击型除雾元件依据三种不同的液滴捕捉机制：惯性碰撞(液滴粒径为1~10μm)、直接拦截(液滴粒径为0.3~1μm)和扩散沉积(液滴粒径小于0.3μm )，如图2-6所示。

图2-6 冲击型除雾元件的三种作用机制

冲击型除雾元件主要包括折板式、丝网式和微纤维填料式[7]。折板式捕雾器一般都是由一系列气体必须流经的空间上分布的叶片、挡板或平板组成的。丝网式除雾器是实际生产中最常用的一种除雾器。

在处理液体中夹带着固体颗粒的问题时常用的就是折板式捕雾器。在处理去除细小液滴的问题时常用的是丝网式除雾器或是微纤维型除雾器。并且丝网式除雾器与微纤维型除雾器的效率主要由气相速度决定。折板式除雾元件的价格较贵，但是与丝网填料相比其不易损坏和发生堵塞。丝网式除雾元件***，但是容易被石蜡、气体水合物等堵塞。随着丝网填料的老化，它会变得容易被破坏，从而导致填料的丝网或块状物进入气流，这会对下游的设备造成很大的伤害。微纤维单元最贵，但是可以捕捉到细小的液滴，但是它和丝网填料一样容易发生堵塞。

3 卧式三相分离器的结构及其工作原理

三相分离器通常用于气-液-液的分离，液液分离的前提是二者互不相溶且密度不同，针对油气分离领域，指的就是气-油-水的分离。其中，气液分离的技术与两相分离器相同，常见两相分离方法有：重力沉降、速度分离和过滤法等，粗分离后还有热法、静电凝集、过滤分离、吸收吸附等方法；油水分离必须通过分层完成。如图3-1所示，典型的相分离过程是在三个区域完成的：

图3-1 一个典型的三相分离示意图

(1)初级分离区：在这个区域可以分离出大部分的流体相。在初级分离区,使用一个进口转向器来突然改变流体流动的方向和速度，让大部分液滴撞击转向器后因重力下落，从而达到分离的效果。

(2)重力分离区：重力分离区是分离器中的主要部分。在重力分离区中，气相和液相的流速都相当缓慢。在气相流动过程中细小的液滴通过重力作用从气流中分离出。重力分离区还包括了不同液相液滴在重力和浮力作用下发生的分离和聚集。重力分离区是分离设备安全平稳进行的关键区域，因为在这部分可能会发生阻塞或者喘振。

(3)薄雾消除区：由于非常细小的液滴不能在重力分离区从气流中分离出来，所以需要设置薄雾消除区，通过一个除雾装置去除气相中剩余的液滴。通常是在薄雾消除区提供一个冲击平面让非常小的液滴可以在此聚集并形成更大的液滴，变大的液滴通过重力作用从气流中分离出。

参考文献

[1] , W Y, . and CFD of —a [J]. The of ，2012，90(6)：1547-1561.

[2] 中国石油集团工程设计有限责任公司. 多支管油气液三相分离器：中国，2400-999-8259.6 [P]. 2010，10，29.

[3] 王超.卧式油气水三相分离器的流场研宄[D].吉林大学，2011.

[4] 王振波，葛卫学，孙治谦，等. 卧式重力沉降器油水空间分布研究[J]. 高校化学工程学报，2012，26(1)：37-42.

[5] 孙治谦，王振波，金有海. 油水重力分离原理及聚结破乳机理初探[J]. 化工机械，2009，36(6)：636-639.

[6] 张斌，刘武，周裕義，等. 油气管道自动喷砂除锈装置的研制与应用[J]. 油气储运，2008，27(10)：32-35.

[7] 鞠微. 卧式沉降三相分离器设计及数值研究[D]. 大连：大连理工大学，2014：1-22.

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