高效立式多相分离器结构设计

高效立式 多 相分离器的结构设计 I 摘 要 离心分离器是一种结构紧凑 、 效率较高的油水分离器 ， 广泛应用于石化、环保等领域。本文根据国内外已有资料，先介绍常规油气水三相分离器的工作原理及常用内构件， 根据常规分离器设计确定立式 三相 分离器的基本外形尺寸 ，包括分离器的直径和高度 ， 再 利用 离心分离原理 和斯托克斯沉降公式 ，借鉴 TORESEP 的 离心分离 设计， 确定分离器内部的离心分离部分结构尺寸 ， 设计 并 选择与分离器相配套的附件， 校核设计结构的强度， 最后 完成 分离器 及附件 CAD 图纸。 关键词 ： 常规三相 分离器 旋流分离器 离心分离 原理 结构设计 强度校核 高效立式 多 相分离器的结构设计 II Abstract Centrifugal separator is a kind of oil&water separator with a compact structure and high separating efficiency. It is applied extensively to industrial fields such as petro-chemistry, and environment protection. According to the data and information from foreign country ,firstly introduce the operating principle and the common inner component of the conventional separator. According to the conventional separator,design the contour dimension of the vertical separator including diameter and height .Then using centrifugal separation principle 、 Stokes settlement formula and take example by the centrifugal separation section of TORESEP to determine the size of the aentrifugal separation part in the separator ,check the strength of the designed structure， finally finish the CDA drawing. Key words:Conventional three phase separator， cyclone separator， centrifugal separation principle ， structure designe， strength check 高效立式 多 相分离器的结构设计 III 目 录 第一章 前言 .1 1.1 选题目的及意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 应解决的主要问题 . 7 第二章 涡流运动理论基础 .8 2.1 涡流运动 . 8 2.1.1 旋转流基本方程 . 8 2.1.2 自由涡运动 . 9 2.1.3 强制涡运动 . 10 2.1.4 组合涡运动 . 10 2.2 离心沉降分离 . 11 第三章 高效立式三相分离器的结构设计及附件选型 .12 3.1 重力分离设计 . 12 3.1.1 分离器直径的确定 . 12 3.1.2 分离器圆筒部分长度计算 . 16 3.2 离心分离部分设计 . 16 3.2.1 离心分离部分外形设计 . 16 3.2.2 离心分离部分厚度确定 . 19 3.3 分离器壳体厚度设计 . 19 3.3.1 圆筒厚度计算 . 19 3.3.2 椭圆形封头计算 . 20 3.3.3 锥壳的计算 . 20 3.4 分离器附件选型 . 23 3.4.1 除雾器设计 及选型 . 23 3.4.2 接管尺寸选型 . 25 3.4.3 法兰及垫片 . 26 3.4.4 液位计 . 27 3.4.5 压力表 . 28 高效立式 多 相分离器的结构设计 IV 3.4.6 安全阀 . 28 3.4.7 支座的设计 . 28 第四章 分离器及附件强度校核 . 31 4.1 分离器强度校核 . 31 4.1.1 筒体强度及稳定性校核 . 31 4.1.2 分离器法兰的螺栓强度校核 . 32 4.1.3 锥型壳小端螺柱校核 . 33 4.1.4 支腿的强度校核 . 33 4.2 开孔及开孔补强 . 34 4.3 焊接结构设计 . 39 4.3.1 容器接头型式 . 39 4.3.2 焊接材料 . 39 4.3.3 焊接方法选择 . 39 4.3.4 焊接接头质量检查 . 39 4.4 压力试验 . 40 第五章 技术经济分析 .41 5.1 高效立式三相分离器的成本计算 . 41 5.2 高效立式三相分离器的运营费用 . 41 第六章结论与展望 .42 6.1 结论 . 42 6.2 进一步展望 . 43 参考文献 .44 致 谢 .46 声 明 .47 高效立式三相分离器的结构设计 1 第一章 前言 1.1 选题 目的及意义 多年来油田一直采用传统的大罐沉降热化学脱水工艺，沉降罐采用立式结构，其构造简单，操作方便，油、水分离较彻底。随着油田开发难度的增加，采出液综合含水逐年上升，地面油气集输系统的输送液量增加，而产油量下降，生产能耗逐年大幅度上升。近些年虽应用 了三相分离处理工艺，但原油中含水仍偏高，脱出的原油还得进行二次处理，分离出的污水中含油较高，污水在进入污水处理站之前需再进行一次沉降除油处理，使原油在处理过程中工艺流程长，设备使用多，建设投资高，占用空间大，增加了原油的生产成本，不利于油田的降本增效和可持续发展，特别是现在随着海洋油气田的快速发展，对各种设备在体积和效率的要求更高。 本设计目的在于利用离心分离加快油水分离速度，提高分离效率，同时减小分离器的体积以节省钢材，减少原油分离时加入的药剂量。 分离器是油气水进行初次分离的重要设备，它的处理效果直接影响 后续的处理工艺及指标的完成。随着综合含水的大幅上升，为简化流程，三相分离器的应用越来越广泛。而对于高含水油和有很多杂 质 的原油传统的卧式三相分离器分离效果又不理想，因此需要对传统的三相分离器进行优化或者发挥原来立式两相分离器的优点对分离器内部进行改造 123。 本次设计的 高效型 紧凑立式 三相分离器是将机械和化学等各种油气水分离工艺技术融合应用在一个容器，通过精选和合理布设分离器内部分离元件，达到油气水高效分离的目的。 其优点是成 套 组装，极大地减少现场安装的工作量和所需的安装空间，具有较大的机动性以适应油田生产情况变化的需要，使流程简化，方便操作管理，这些对海上油田显得尤为重要 4。 1.2 国内外的发展概况 1.2.1 卧式三相分离器的改造 在国内最常见的就是卧式三相分离器，常规的卧式三相分离器就是利用油气水的密度差进行重力沉降并装设出口破涡器、捕雾器、堰板和加热盘管等内部附件 ,高效立式 多 相分离器的结构设计 2 就可有效地实现油水、气液的分离。这要求分离器要有足够大的空间来进行沉降。因此要克服这些困难就要对分离器内部结构进行改造。下面以 HXS 型三相分离器来说明卧式三相分离器改进方法。 其主要工作原理是油气水混合物由入口进入一级捕雾器，首先将大部分的气体分离出来通过气体导管进入二级捕雾器，同时对油水进行预分离，预分离后的液体则通过落液管流 入 液体流型自动调整装置，对流型进行整理，在流型整理的过程中，作为分散相的油滴在此进行破乳、聚结，而后随油水混合物进 入 分离流场，在分离流场中设置有稳流和聚结装置，实现油水的高效聚结分离，分离后的原油通过隔板流 入 油腔，而分离后的污水，则经过污水抑制装置重新分离，含油量进一步降低，通过导管进 入 水腔从而完成油水分离过程。 这种高效三相分离器具有结构紧凑、处理能力大、综合功能强、分离效果好、自动化程度高的特点。如图 1-1 所示： 图 1-1 HXS 型高效油气水三相分离器结构图 这套装置的技术特点： （ 1） 来液旋流预分离技术，对油、气、液初步分离。在三相分离器的入口设高效立式 多 相分离器的结构设计 3 置一级捕雾器，采用旋流预分离技术，在离心力的作用下，大多数气体趋向捕雾器中心，并在升力的作用下进入气体管道排走，进入设备沉降室的气体不到全部气量的 10%，从而使容器内气体分离容积大大减少，显著提高了设备的液相处理能力，且能保持气液界面相对稳定 。 （ 2） 入口 导液管与液体流型自动调整装置相结合的入口结构。降低油水乳状液界面膜强度，并根据来液的大小自动调整流体的流型，给油水两相创造了良好的分离和流场环境。 （ 3） 强化聚结填料装置。不仅可以稳定流体的流动状态，而且具有优良的同相聚结作用，从而增加了油、水两相液滴碰撞聚结机率，提高了分离效率。 （ 4） 污水抑制装置。将分离后的含油污水进行二次处理、聚结，提高了分离后的污水质量。 （ 5） 变油水界面控制为自动油水界面控制，实现油水界面的平衡控制。传统的油水界面控制为人工液面控制，检测能力差，反馈周期时间长。自动界面控制技术， 使油水界面自动稳定在一个固定位置，达到油水界面平衡控制的目的，其控制方式简单、可靠 57。 现在国内有很多此类高效卧式三相分离器，高效三相分离器适用于注聚采出液的三相分离 ,对重质稠油 、 高稠高含水采出液的处理效果良好 ,有效降低了原油含水 ,减轻下游沉降罐和加热炉的负荷 ,可保证原油含水和污水水质达标 ,达到了节能降耗、提高管理水平的目的。但是还没有克服卧式三相分离器的种种缺点，而国外已经设计出比较先进的立式三相分离器既有立式分离器的优点又避免了卧式分离器的缺点，我们也需要解决这样的问题 8。 1.2.2 立式分离器 传统立式三相分离器工作流程为混合物经进口分流器分出大部分气体后，液体经导管输至油水界面下方的分流器流出，分流器使油水混合物在容器的整个横截面上流速均匀。油在向上流动的过程中，释放出束缚在水中的油滴，从而使油水得以分离。原油上方的气体有气体平衡装置管流至气室，与入口分流器分出的气体汇合，经除雾器流出分离器。从以上流程可以看出在入口处仅靠进口分离器这一个步骤来进行气液分离，其效果很难达到工作需求，其次油水分离界面很小不利于油水分离。因此与卧式三相分离器相比 ， 立式三相分离器的分离效果相对欠佳 ； 但是立式分离器有自己的优点 9。 高效立式 多 相分离器的结构设计 4 由表 1-1 可以看出立式三相分离器在操作的灵活性、处理外来物能力和横向下等方面比卧式三相分离器有优势，而在分离效果、分离后流体稳定性等方面性能较差。这是传统立式三相分离器不能克服的缺点。 表 1-1 分离器优缺点比较 比较内容 卧式 传统 立式 分离效率 较好 较差 分离后流体稳定性 较好 较差 变化条件的适应性 较好 较差 操作的灵活性 较差 较好 处理能力（直径相同） 较好 较差 处理外来物能力 较差 较好 处理起泡原油能力 较好 较差 安装所需空间 较好 较差 横向下 较差 较好 立式分离器通常用于中等或较低油气比的场合 , 与卧式分离器相比 , 具有承受较大的液体波动能力 , 对液面控制要求不是十分严格的优点。立式分离器的结构一般由进口处的初分离区以及内部分离元件组成 , 初分离区有各种不同的结构 ,如在进料口增设折流箱、进料口采用切向进入等。一般来说进料口切向进入这种形式多用于中、低压力的分离器 , 折流箱的方式应用比较广泛 , 这种装置把入口气流分为相反的两路或只分为一路 , 并使之冲击在分离器壁上 , 流体被分布成一个薄膜 , 同时贴容器壁成环 型 螺旋路径运动。这种运 动使流体动量降低 , 从而允许气体较容易地从油膜中逸出。油井气液流经过初分离后 , 气体与液体基本上已经分离 ,液体向下流入分离器底部集液区 , 气体则经过分离器的分离元件进行进一步分离 , 最后经过捕雾网进行液珠沉降。但要提高立式分离器的分离效率就需要对其内部结构进行改造 10。 立式三相分离器的改造可以分为两个部分：气液分离优化和油水分离优化。 （ 1）气液分离优化 其中一种气液分离器是管柱式气液旋流分离器。与传统的分离器相比，气液旋高效立式 多 相分离器的结构设计 5 流分离器具有简单、紧凑、轻便、价格便宜、不需要维护、易于安装和操作等优点。因此这 种分离器在与传统分离比较时，由于它易于操作，经济而大受欢迎。近年来开发新型的气液旋流分离器也成为趋势。 图 1-2 表示了气液旋流分离器的基本结构。它是侧面有切向入口的垂直安装的圆柱管，在圆柱管的顶部和底部都有出口。没有移动部件和内部装置。由于液体从切向入口流入而形成涡流产生离心力。两相来液由于离心力和重力而分离。液体呈辐射状流向容器壁并且在底部聚集。 图 1-2 圆柱形气液旋流分离器结构图 圆柱形气液旋流分离器已经在两相分离