（油气储运工程专业论文）重力式分离器物理聚结构件的研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 趣衄日期：2 咖年乒月山日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盈虹 指导教师签名： 日期：二咖年4 月2 0 e 1 日期：五佃年4 - 月山e l 摘要 重力式分离器具有结构简单、操作方便、运行稳定、维护费用低等优点，这是其应 用比较广泛的原因，但是一般的重力式分离器具有体积庞大，工作效率不高的缺点。因 此，在分离器内引入各种先进的聚结填料，提高分离器分离效率是一种发展趋势。本研 究针对七种波纹板聚结填料进行试验，对比分离效率，分别从材料性质和分离器工作性 能等方面进行研究，得出分离效果最佳的聚结填料。 本研究通过杯罐试验和阀门剪切的方式制备乳状液，并进行了对比分析。杯罐试验 中研究了乳化剂类型、搅拌速度、乳化剂浓度和含油浓度对乳状液稳定性的影响。阀门 剪切试验中研究了流体总流量、乳化剂浓度、含油浓度、阀门关度对乳状液稳定性的影 响。结果表明，乳化剂十二烷基苯磺酸钠对本试验所用油品乳化效果较好；搅拌速度或 剪切程度的大小以及流体总流量的大小决定乳状液稳定所用时间的长短，但不影响油滴 的平均粒径；乳化剂浓度的大小最终决定油滴的平均粒径；含油浓度的不同不会影响油 滴的平均粒径。 本研究通过测试分离器入口与出口的含油率、含水率，宏观分析了聚结填料对油水 分离特性的影响。加入聚结填料前，改变入口油浓度、油层厚度进行试验。在相同工况 下，入口油浓度为1 0 时的水出口含油率明显小于入口油浓度为2 0 时的水出口含油 率；同时分别对油层厚度2 c m 、5 c m 、1 0 c m 进行试验，结果表明油层厚度较小时，不能 满足大处理量的要求，油层厚度较大时，油相停留时间过长，水相停留时间过短，水相 中的油滴的粒径还未有聚结到可以上浮到油层的大小时，就已经被排出分离器，从而使 得水相中的含油率过高。因此，试验后期选择了一个相对合理的油层厚度5 c m 进行试验。 在固定油层厚度的情况下，对七种填料分别进行试验，得出陶瓷波纹板填料分离效果最 佳。 本试验利用激光粒度仪和高速摄像两种方法对粒径进行分析。借助“粒径质量分离 效率”从微观的角度评价了不同聚结填料对分离器中乳化物的聚结分离效率，及影响分 离效率不同的原因。对高速摄像法分析油滴粒径进行探索研究，利用高速摄像仪对分离 器入口油滴粒径进行拍摄图片，将分析得出的粒径分布与激光粒度仪所测粒径分布进行 对比，结果激光粒度仪所测分散相粒径百分t l d , 于高速摄像所测数据，存在不同的原因 在于高速摄像法由于帧数等因素限制，无法清晰拍摄粒径过小的液滴，同时图像处理软 件不能准确分析出粘连液滴以及边缘不清晰的液滴，以上是导致高速摄像所测数据略大 于激光粒度仪所测数据的主要原因。 关键词：重力分离聚结构件油水分离分离特性粒级效率 n g r a v i t a t i o n a ls e p a r a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o n , s t a b l ew o r k i n g ，l o wm a i n t e n a n c ec h a r g e ，e t c h o w e v e r , t h ev o l u m e o ft r a d i t i o n a lg r a v i t a t i o n a ls e p a r a t o ri sa l w a y sv e r yh u g e ，a n di ti sa l s oi n e f f i c i e n t s ob r i n g i n g i i la l lk i n d so fa d v a n c e dc o a l e s c e n tp a c k i n g sa n di m p r o v i n gt h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c ya r et h e p r o m i s i n gt e n d e n c i e s i n t h i s p a p e r , w ed oe x p e r i m e n t so ns e v e nd i f f e r e n tk i n d so f c o a l e s c e n c ep a c k i n g sa n dc o m p a r et h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c i e s a tl a s tw es i n g l eo u tt h eb e s t c o a l e s c e n tp a c k i n gt h r o u g hs e a r c h i n gf o rt h er e a s o n so nm a t e r i a lp r o p e r t ya n ds e p a r a t o r s p e r f o r m a n c er e s p e c t i v e l y a tl a s tw eg e tt h eb e s tc o a l e s c e n c ep a c k i n gt h r o u g hr e s e a r c h i n gt h e m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n ds e p a r a t o r sp e r f o r m a n c er e s p e c t i v e l y i nt h i ss t u d y , e m u l s i o ni sp r e p a r e db ym e a n so fm i x i n ga n dv a l v es h e a r i n ga n dt h e c o m p a r a t i v es t u d i e sa r ea l s od o n e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t yo fe m u l s i o na n dt h e e m u l s i f i e rt y p e ，s t i r r i n gr a t e ，e m u l s i f i e rc o n c e n t r a t i o n ，a n do i lc o n c e n t r a t i o nw a ss t u d i e d 、v i m t h ej a rt e s t ss t u d y t h es h e a re x p e r i m e n t sr e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t yo f e m u l s i o na n df l u i df l o wr a t e ，e m u l s i f i e rc o n c e n t r a t i o n ，o i lc o n c e n t r a t i o n ，v a l v eo p e n i n g t h e r e s u l t si n d i c a t et h es o d i u md o d e c y lb e n z e n es u l f o n a t e ( s d b s ) h a sb e t t e re m u l s i f y i n ge f f e c t o nt h eo i lu s e di nt h ee x p e r i m e n t t h es t i r r i n gr a t e ，s h e a rr a t ea n dt h ef l u i df l o wr a t ed e t e r m i n e t h es e t t l i n gt i m eo fe m u l s i o n ，w h i l ed on o ta f f e c tt h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e ro fo i ld r o p t h e e m u l s i f i e rc o n c e n t r a t i o n sd e t e r m i n et h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e ro fo i ld r o p t h ea v e r a g eg r a i n d i a m e t e ro fo i ld r o ph a sn o t h i n gt od ow i mt h eo i lc o n c e n t r a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t ，t h r o u g hm e a s u r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e no i l w a t e rc o n t e n to fi n l e t a n do i l w a t e rc o n t e n to fo u t l e t ，t h ee f f e c to fc o a l e s c e n c ep a c k i n g so no i la n dw a t e rs e p a r a t i o n w a sa n a l y z e d b e f o r ep u t t i n gt h ec o a l e s c e n c ep a c k i n g st h ee x p e r i m e n t sw e r ed i du n d e r d i f f e r e n to i lc o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n to i ll a y e rt h i c k n e s s w h e nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni s t h es a m e ，t h eo i lc o n t e n to fo u t l e ta tt h e10 e n t r a n c eo i lc o n t e n ti sl e s st h a nt h a to f2 0 e n t r a n c eo i l c o n t e n tt h ee x p e r i m e n tw a sd i dw h e nt h eo i ll a y e rt h i c k n e s si s2 c m ，5 c ma n d10 c m ，a n dt h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e nt h eo i l l a y e rt l l i c k n e s si ss m a l l ，i td o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s w h e nt h ef l o wr a t ei sl a r g e w h e nt h eo i ll a y e ri sl a r g e r , t h er e s i d e n tt i m eo fo i li sl o n g e ra n dt h e r e s i d e n to fw a t e ri ss h o r t e r , 嬲ar e s u l tt h eo i ld r o p l e ti nt h ew a t e rf l o w i n go u to ft h es e p a r a t o rb e f o r e f l o a t i n gu p w a r dt ot h eo i ll a y e r t h e r e f o r e ，ar e a s o n a b l eo i lr e s e r v o i rt h i c k n e s so f5 c mw a ss e l e c t e d t 0d ot h el a t e re x p e r i m e n t s e v e nk i n d so fp a c k i n g sw e r et e s t e da tt h es a m eo i ll a y e rt h i c k n e s s ， a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec e r a m i cc o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n gi st h eb e s t p a r t i c l ed i a m e t e rh a sb e e na n a l y z e db yu s i n gl a s e rp a r t i c l ea n a l y z e ra n dh i g h - s p e e d v i d e oc a m e r ai nt h ee x p e r i m e n t t h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c yo fs e p a r a t o r 、斩t l ld i f f e r e n t c o a l e s c e n tp a c k i n g sa n de f f e c tf a c t o r so fs e p a r a t i n ge f f i c i e n c yh a v ea l s ob e e ne v a l u a t e di n v i r t u eo fg r a i nd i a m e t e rm a s ss e p a r a t i o ne f f i c i e n c yf r o mm i c r o c o s m i cv i e wa n g l e t h eo i l d i a m e t e ri nt h ei n l e to ft h es e p a r a t o rh a sb e e ns h o tb yt h eh i g h s p e e dv i d e oc a m e r a w e c o m p a r et h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nw h i c hw ea n a l y z e d 、析t l lt h a tm e a s u r e db yh i g l l s p e e d v i d e oc a m e r a , a n dt h e na n a l y z et h er e a s o n so ft h ed i f f e r e n c ea r et h ef r a m el i m i t ，t h ee d g eb l u r t h e s ea r et h er e a s o n st h a tp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nh a sb e e ns h o tb yt h eh i 曲一s p e e dv i d e oc a m e r a a r eb i g g e rt h a nt h el a s e rp a r t i c l ea n a l y z e r k e yw o r d s ：g r a v i t ys e p a r a t i o n ，c o a l e s c e n c ec o n s t r u c t i o n a le l e m e n t ，o i la n dw a t e rs e p a r a t i o n ， s e p a r a t i o np r o p e r t y , f r a c t i o ne f f i c i e n c y 目录 第l 章前言1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 聚结除油机理探讨2 1 3 国内外研究进展2 1 3 1 散堆填料3 1 3 2 规整填料3 1 4 本文的研究内容8 第2 章试验系统及试验介质9 2 1 试验系统9 2 1 1 整体介绍9 2 1 2 试验流程9 2 1 3 试验步骤1 0 2 1 4 等动量取样l2 2 2 设备介绍1 3 2 2 1 仪器、装置和材料1 3 2 2 2 数据采集系统13 2 3 试验介质物性一l5 2 3 1 密度l5 2 3 2 粘度15 2 3 3 张力1 6 2 4 标准曲线绘制18 2 5 聚结填料2 0 2 5 1 利用波纹板聚结分离的优点2 0 2 5 2 各种聚结填料的介绍2 0 2 6 本章主要工作2 3 第3 章乳状液配制2 4 3 1 引言一2 4 3 2 影响乳状液稳定性的因素。2 4 3 2 1 液滴大小及分布2 4 3 2 2 两相密度差2 5 3 2 3 粘度2 5 3 2 4 温度2 5 3 2 5 搅拌强度2 6 3 3 杯罐试验内容及结果分析。2 6 3 3 1 理论依据2 6 3 3 2 试验方案2 7 3 3 3 结果分析2 7 3 4 试验架试验内容及结果分析3 0 3 4 1 理论依据3 0 3 4 2 试验方案31 3 4 3 结果分析3 2 3 5 本章主要工作3 5 第4 章聚结构件分离特性研究3 6 4 1 引言。3 6 4 2 影响聚结板工作性能的主要因素3 7 4 2 1 聚结板的几何形状3 7 4 2 2 聚结板的表面润湿性3 8 4 2 3 聚结板的表面粗糙度3 8 4 2 4 聚结板的临界表面张力3 8 4 2 5 聚结板的板间距3 9 4 2 6 聚结负荷3 9 4 3 影响分离器工作性能的主要因素4 0 4 3 1 液液界面与界面张力对油水分离的影响4 0 4 3 2 液滴间的相互作用对油水分离的影响4 0 4 3 3 分离器器壁对油水分离的影响4 l 4 3 4 内环流对油水分离的影响4 2 4 3 5 流场分布不均匀对油水分离的影响4 2 4 4 无聚结填料的分离特性分析4 2 4 4 1 改变油层厚度对分离特性的影响4 2 4 4 2 改变入口浓度对分离特性的影响4 3 4 5 有聚结填料的分离特性分析4 4 4 5 1 固定油层厚度，改变入口油浓度时有无聚结构件的分离特性对比4 4 4 5 2 聚结构件材质相同，空间结构不同时的分离特性对比4 5 4 5 3 聚结构件材质不同，空间结构相同时的分离特性对比4 8 4 6 本章内容总结5 0 第5 章聚结构件对粒径影响的研究5 2 5 1 弓l 言5 2 5 2 常见粒度测量仪器的测量方法5 3 5 2 1 激光粒度仪5 3 5 2 2 图像颗粒处理仪5 4 5 2 3 电阻法( 库尔特) 颗粒计数器5 5 5 2 4 沉降仪5 6 5 3 利用激光粒度仪对分离器内聚结构件聚结分离特性的研究5 7 5 3 1 数据处理方法5 8 5 3 2 粒径质量分离效率分析6 0 5 4 高速摄像法测量液滴粒径的研究6 6 5 4 1 数据处理方法6 7 5 4 2 测量方法对比6 9 5 5 本章内容总结7 1 总结与展望7 2 参考文献7 4 致 射7 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第1 章前言 在油田油气集输过程中，重力式油气水三相分离器是十分关键的设备，设备性能的 优劣，会直接影响到原油集输工艺技术的水平。多年来，世界各石油科研机构都投入了 大量的人力、物力来进行油气水三相分离技术的研究应用，其主要目的在于简化集输工 艺流程、提高工作效率。从现在的发展趋势来看，重力式分离器内的油水分离除了充分 利用来液能量的同时，还应该大量引进各种先进的聚结填料，同时合理优化设备结构， 使三相分离器设备向高效小型化方向发展【l 】。将重力分离技术和聚结技术相结合，会大 大提高油水分离效率，因此这已成为当今油水分离领域的研究热点 2 - 3 。通过对原油乳 状液的性质和聚结材料表面性质的研究，提出改善设备内部结构，优化改进现有处理技 术的思路，从而进一步提高油水分离效率。 但是，随着油田开发开采的不断深入，国内外油田相继采用聚合物驱采油技术。但 是这一技术的应用，会使得采出液中含有大量的聚合物，使得原含水原油物性变得更加 复杂，从而使得油水分离的难度大大的增加。因此就原油处理而言，目前存在以下几方 面难题： 1 、目前我国在三相分离器的设备形式上还没有统一的标准，外形结构五花a f - ， 内部构件功能不强，在生产过程中存在处理量小、能耗高、效率低等问题。同时由于所 处理的原油中含有大量的聚合物，因此一般设备出口的原油含水和污水含油指标过高， 从而造成原油和污水需要经过多级处理才能达到合格标准。 2 、在原油采出液中除了含有大量的胶质、沥青质，还含有大量的聚合物，因此乳 状液界面膜强度大大增强，乳状液乳化程度大大增加，从而使得原油物性更加复杂，油 水分离更加困难。 3 、在三相分离器聚结段内加入聚结构件可以有助于分散相的油滴或水滴聚结成大 的液滴，增加沉降速率。但是由于聚结构件自身的原因，如耐热性差、耐冲击能力弱等， 会使得生产过程中聚结构件发生碎裂，部分碎片会随着油流进入出油、出水阀等，堵塞 设备出口，因此使分离效率大幅度下降。 因此，优化聚结构件结构，建立完善的重力式油水分离性能指标评价体系，选择适 合于不同油田的聚结构件，是当前油田地面工程中油水分离设备的迫切需要。 第1 章前言 1 2 聚结除油机理探讨 目前所说的聚结主要是针对液液体系的聚结，液液体系中的聚结方法主要可以分为 两类：一是采用添加化学破乳剂的方法聚结；二是物理方法聚结。物理方法主要有在重 力场中的聚结、电场聚结、在离心力场中的聚结等。在重力场中的聚结机理可看作粗粒 化的聚结机理，目前来说，大体分为两种，分别是“润湿聚结和“碰撞聚结。 润湿是液体与固体界面之间的一种现象，即固体( 或液体) 表面上的气体被液体取 代的过程。润湿现象的发生是由于液体的各个分子之间的相互作用力小于液体分子与固 体分子之间的相互作用力。在一定的温度和压力下，润湿过程的推动力( 或趋势) 可用表 面吉布斯函数a g 来衡量。吉布斯函数减少的越多，就越容易润湿。衡量液体对固体表 面润湿能力大小最直观的方法是观察液体与固体表面的润湿角。若润湿角大于9 0 。，则 润湿能力差；若润湿角小于9 0 。，则润湿能力较强。这种情况的产生是由于液体和固体 本身物理化学性质，特别是表面性质的不同所造成的。润湿聚结是由于流体运动体系中 的分散的液滴首先在聚结材料( 固体物质) 表面上润湿并吸附，这时聚结材料表面几乎 被所吸附液体所包住，然后其他液滴与先吸附的液滴碰撞并聚集，使聚结材料表面被吸 附的液滴不断增大，当增大到一定程度时，由于浮力和水流的冲击作用，聚结的液滴开 始从材料表面脱除，连续的润湿、吸附、碰撞、聚集和脱除，使连续相和分散相分层， 从而达到两相分离的目的。润湿聚结效果的好坏很大程度上取决于润湿介质的选取。 碰撞聚结发生的主要原因是由于分散相颗粒之间发生相互碰撞，颗粒之间的界面破 裂，从而使得两个或几个颗粒合并为一个颗粒。颗粒碰撞后主要出现以下几种情况： 碰撞后又相互弹开；碰撞后聚结成一个更大的颗粒；碰撞后先聚结成大液滴而后又 分开；碰撞后发生破碎。对于碰撞聚结，颗粒能够聚结成大颗粒的条件是促使颗粒聚 结的力超过连续相和分散相之间的界面张力。因此，当这一条件得到满足的时候就会发 生碰撞聚结。 1 3 国内外研究进展 随着现实生产的需要，对分离器分离效率和分离器处理能力的要求也在不断的提 高。于是随着聚结填料的出现，人们将聚结填料引入了油水分离领域。按照填料的工作 方式可分为两大类：散堆填料和规整填料。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 1 散堆填料 散堆填料是具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，按照散装堆放的形式堆积在容器的 聚结段，故而称为散堆填料。散堆填料的排列是随机无规则的，其作用机理是根据油水 之间不同的润湿作用，利用同类互溶和碰撞聚结原理，使分散相液滴在填料表面附着并 使其粗粒化，从而达到油水分离的目的。 1 9 1 4 年拉西环填料的出现是散堆填料的一个重大突破，拉西环是一种具有内外表面 的环状实壁填料。1 9 4 8 年德国开发设计出了鲍尔环填料，这种填料被称之为散堆填料的 第二代产品。其特点是壁上开孔、环内带有舌片的环形填料。此后又出现了改进型鲍尔 环填料和阶梯环填料，阶梯环填料在随机乱堆过程中具有一定程度规则排列的特点，因 而阻力小，通量大，性能优良。在对拉西环填料的研究中发现液体沿拉西环表面流下时 的再分布性能差，于是在二十世纪三十年代中期出现了贝尔鞍型填料以及后来的i n t a l o x s a d d l e s 鞍型填料，它们具有的优点是液体分布性能好，但是通量较小。1 9 7 8 年美国 n o r t o n 公司设计出的金属矩鞍环填料，巧妙地将环形结构和鞍形结构结合在了一起，集 中了多种填料的优点，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高、操作弹性 大等优良的综合性能，被称为第三代产品的标志【4 】。 图a 拉西环填料图b 鲍尔环填料图c 改进型鲍尔环 图d 阶梯环填料 图e贝尔鞍型填料 图fi n t a l o xs a d d l e s 鞍型填料图g 金属矩鞍环填料 图1 - 1 散堆填料 f i 9 1 1 r a n d o mp a c k i n g 1 3 2 规整填料 规整填料的出现要晚于散堆填料。规整填料是一种按照均匀几何形状排列、整齐堆 砌的填料。它的作用机理是基于浅池理论，通过缩短液滴沉降或浮升的路径，使分散相 固 第l 章前言 液滴迅速在填料表面聚结变大，从而加快分离。 1 3 2 1 浅池理论 在普遍使用聚结材料之前，通常使用重力分离器处理乳状液。在这一装置中密度不 同的两种液体会由于所受浮力的不同而上升或下沉，密度差越大分离就会越容易。上升 或下沉的液滴会受到由另一种液体的粘性作用所产生的摩擦力。当不流动的液体受到相 反方向的浮力和粘滞力的时候( 如图1 2 ) 液滴会获得一个终端沉降速度( 临界沉降速 度) 。因为液滴所受合力为零，所以液滴在垂直方向上的速度将是一个常数。 浮力 粘滞力 范德华力 f i 9 1 - 2 f o r c es i t u a t i o no fd i s p e r s i o np h a s ed r o p l e ti nt h ec o n t i n u o u sp h a s e 十九世纪以后英国科学家g e o r g es t o k e s 发现这一规律，因此通过重力使液体分离的 情况被称为斯托克斯沉降。用于计算液滴临界沉降速度的斯托克斯公式我们沿用至今： 形= 鱼建 型 ( 1 - 1 ) 1 8 嘲 、 式中：d d i 司, 分散相颗粒粒径，m ； 氏分散相密度，k g m 3 ； 连续相密度，k g m 3 ； 删连续相粘度，p a s 。 对一定粒径的油滴，由( 1 - 1 ) 式可以导出其分离效率为： 刁= 垒学 m 2 ，72 壶j 广一【l 7 2 ) 式中：7 7 粒径在某范围内的油滴分离效率； 4 油滴浮升面积，m 2 ； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 q 处理量，m 3 。 由公式( 1 - 2 ) 可以看出，油滴的分离效率只与油水物性，即油滴粒径、容器处理量 以及油滴的浮升面积有关，而与浮升高度无关，这就是所谓的“浅池原理 。在聚结填 料设计的过程中，利用这一原理，通过降低浮升高度，可以有效的增大浮升面积，提高 分散相液滴的脱除效率；同时这样可以减小聚结填料在分离器内的当量直径，从而使得 在较大处理量的情况下也可以处于层流状态。若将脱出效率为1 0 0 的油滴视为能够脱 出的油滴，则由公式( 1 2 ) 可以进一步导出利用多层板结构可脱出的最小油滴粒径为： 2 l瓦面18ucnnqj m 3 ， 式中：d t u n a 可脱除油滴的最小油滴粒径，m ： n 板组层数； b 多层板的宽度，m ； 三多层板的长度，m 。 由公式( 1 - 3 ) 可知，在多层板结构中，相同处理量的情况下，板的层数越多，板 间距越小，可脱除的油滴粒径越小。在相同脱除效率的情况下，板的层越多，处理量越 大，所用分离时间越短。 1 3 2 2 规整填料发展史 规整填料的起源可以追溯到上个世纪初，最早出现的规整填料是s t e d m a n 金属纱网 规整填料【5 卅，如图1 3 。 曲 ， 嘞 图1 - 3 s t e d m a n 金属纱网规整填料( a ) 锥形填料( a ) 金属纱网 f i g l - 3 s t e d m a n sp a c k i n g s ( a ) c o n i c a lp a c k i n g ( b ) s i n g l ec e l la n das h e e tg a u z e 5 第1 章前言 早期人们对规整填料并没有做详细的研究，因此规整填料也没有得到广泛的应用。 1 9 6 2 年瑞士s u l z e r 公司推出了一种新型的金属丝网波纹填料r 卜引，该填料的特点是效率 高、通量大、压降低、持液量小。同期美国g l i t s c h 公司研制出了一种新型的格栅填料 ( g l i t s c hg r i a ) ，该填料具有高通量、低压降、抗堵性能好、成本低的特点，适用于物料 较脏的场合。二十世纪七十年代末，s u l z e r 公司开发了板片波纹规整填料( m e l l a p a k ) 1 9 ， 板片波纹形填料由厚约为0 2 m m 的金属板片压制而成。板片上冲有小孔，开孔率可根 据生产需要而定，其主要作用是增加气体的横向混合和液体的均匀分布。板上还有碾压 的细纹或麻点，以增强流体在填料表面的润湿性。板片最后冲压成具有一定倾角的波纹 片。波纹与塔轴线的倾斜角度通常分为两种，一种是x 型，指波纹与塔轴线的倾斜角度 为3 0 度；另一种是y 型，指波纹与塔轴线的倾斜角度为4 5 度。由此可知x 型比y 型 阻力小，但是效率较低。组装时相邻波纹片的波纹方向相反，因此填料内部形成许多相 互交叉对称的规则倾斜通道，这既可以为流体提供大量的接触表面积，又有利于流体的 均匀分布和充分接触。这种填料具有1 2 种型号，其中1 2 5 y ( x ) 、2 5 0 y ( x ) 、3 5 0 y ( x ) 、 5 0 0 y ( x ) 8 种型号得到了广泛的应用。s u l z e r 公司生产的孔板波纹填料和丝网波纹填 料具有一些类似的性质，其分离效率随着气体负荷的降低会有所增加，而压力降会随着 气体负荷的降低会有所降低。这种填料的可操作弹性很大，气液相负荷在很大范围内可 以不影响其分离效率，因此这种类型的规整填料在其发展史上被视为一座里程碑。美国 k o c h 公司设计的k a t a m a x 是一种专利性的金属丝网型规整填料。这种填料的流道交错 分布，既有利于上升流体的混合和径向分布，也有利于减小下降液体的压力降。此填料 具有由二层平行卷曲滤网组成的封闭单元，可以放置一定的固体溶剂，该填料沿垂直方 向偏转一定角度，这样既不影响流体的流动，又可以改善填料的分离效率。二十世纪八 十年代以后相继开发的规整填料有瑞士k u h n i 公司的r o m b o p a k 1 0 j 、德美国n o r t o n 公司 的i n t a l o x 规整填料等。i n t a l o x 规整填料具有专利性的表面结构以及双波纹片结构，这 样的设计形式可以强化传质，增强生产能力和分离效率。此外，s u l z e r 等三家公司合作 开发了以碳纤维织品为原料的碳纤维波纹填料m e l l a c a r b o n l l l 】，这种填料的特别之处在 于适用于强腐蚀体系。1 9 9 4 年s u l z e r 公司又设计出一种多通道规整填料o p t i f l o w ，同时 也表明规整填料的开发也在不断的发展当中。 我国从二十世纪六十年代初也逐步开展了对规整填料的系统研究工作，到目前为止 已形成了一套比较完整的体系，也研制出了很多新型的规整填料，并且很多位于国际前 列盼1 3 】。二十世纪七十年代初我国研制出了适应高效精密分离的磷青铜丝网波纹填料， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 磷青铜丝丝网波纹填料是指利用经过表面处理的青铜丝根据一定的规则编织成网，压制 而成的填料。其具有更加复杂的几何结构以及很高的比表面积，由于丝网独特的毛细作 用，义使填料表面积具有更好的润湿性能，因此具有很高的分离效率【1 4 】。亲水亲油性是 决定填料生产能力的一个重要的方面。金属性填料一般具有较好的亲水疏油性，对于水 中除油，一般会选择亲油疏水性材料，聚丙烯是一种被广泛认可的亲油疏水性材料。聚 丙烯( p p ) 是丙烯单体在催化剂作用下加成聚合而成的高聚物，其分子式可简写为 ( c 3 h 6 ) n ，其表面具有非极性基团，因此具有很好的亲油效果【1 5 - 1 7 1 。天津大学的张鹏飞【1 引、 姚芳连等人研制的高效复合板油水分离器中，将亲油性材料聚丙烯一方面进行氧化处 理，将其表面进行改性，另一面保持材质不变。对其进行实验，结果表明，复合聚结板 式油水分离器比普通聚结板式分离器【1 9 1 的分离效率提高2 5 ，处理能力提高4 0 ，并 且能够有效阻止流体扰动而产生的油层夹水、水层夹油以及油膜、水膜的断流。华中科 技大学王敏【2 0 】等以镀锌板为基材，在其表面涂覆一层亲油性涂料，实验表明，这一方法 很好的改善了材料的亲水亲油性。我国目前对聚结机理的研究较少，还没有系统掌握聚 结材料的除油机理。浙江大学陈雷【2 、王鹤立等人对聚结除油性能及机理进行了深入研 究，针对多种聚结材料，根据其性质和形状的差异进行对比试验，得出一些结论。从结 论中我们可以知道在聚结除油时润湿聚结机理和碰撞聚结机理是同时存在的，因此聚结 材料的表面性质和空间构型都是影响聚结效率的重要因素【2 2 1 。 由上述发展历程可以发现，规整填料按照结构形式主要分为板波纹填料、格栅填料、 丝网填料等，而应用最为广泛的是板波纹填料。波纹板聚结油水分离装置最初的应用是 由美国石油学会研制的a p i 型油水分离池。它利用“浅池原理”和聚结技术相结合，增 大分离面积、减少停留时间、加快分离速度，从而有效的提高了分离效率。但同时也存 在流体分布不均等缺点。随着技术的发展，聚结板的材质、几何构型都得到了进一步的 改善，将聚结填料应用于油水分离装置也得到了更广泛的应用，从而更加有力的推动了 油水分离技术的发展1 2 3 j 。 7 第l 章前言 图ak a t a m a x 填料图b 格栅填料图cm e l l a p a k 填料图ds u l z e r 填料 图e 陶瓷波纹规整填料图f 金属规整波纹填料 图g 塑料丝网波纹填料 图l - 4 规整填料 f i g l - 4 s t r u c t u r e dp a c k i n g 1 4 本文的研究内容 1 、设计油水分离动态试验装置，研究聚结材料表面粗糙度、表面润湿性等表面性 质对油水分离效果的影响。同时研究材质、几何结构和板间距对油水分离效果的影响， 筛选具有好的油水分离效果的聚结板。 2 、以油出口含水量、水出口含油量、入口油粒径、水出口油粒径作为评价指标， 分析聚结材料在不同工况下的分离特性。 3 、根据试验结果，实现油水分离技术聚结填料优化，为聚结板物理聚结油水分离 技术提供可靠依据。 8 l 黼黼湃俄 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 试验系统 第2 章试验系统及试验介质 2 1 1 整体介绍 重力式分离器是油田生产中必不可少的设备之一，但是其存在体积大、生产效率不 高等问题，为了更好的提高分离器的生产效率，可以通过加入聚结材料或研发聚结设备 来弥补分离器效率低这一不足。本课题研究的目的主要是研究分离器聚结段中聚结填料 的特性，通过对各种填料不同工况进行试验，研究分离机理、检验分离特性，从中优选 出适用于不同油水状况的重力式分离器内部结构，从而进一步分析构件材料与油水之间 的亲和特性与分离效率等关系。 首先是试验架的搭建。设计分离器筒体总