（油气储运工程专业论文）高效仰角式游离水脱除器分离特性的研究.pdf

a b s t r a c t s t u d yo ns e p a r m i n gb e h a v i o ro fh i g he f f i c i e n c y i n c l i n e ds e p a r a t o rf o rf r e e w a t e r a b s t r a c t b yi n v e s t i g a t i n gi n t e r n a la n de x t e r n a ls e p a r a t i n gt e c h n i q u ea n de q u i p m e n t ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g ew e r ec o m p a r e di ne x i s t i n gs e p a r a t o r s t h e ni n c l i n e do i l w a t e rs e p a r a t o rf o rh i g h w a t e rp e r c e n t a g ew a sd e v e l o p e d o nt h eb a s eo fn a v i e r - s t r o k ee q u a t i o n ，t h ef o r c e sa c t i n go nd r o p l e tw e r es t u d i e d t h e n s e t t l i n gv e l o c i t ym o d e lo fd r o pw a sc a l c u l a t e d a n a l y z i n gs e p a r a t i n gm o d e l s ，d r o pe f f i c i e n c y m o d e lw a ss e l e c t e df o rm o r es u i t a b l ep r e d i c t i n gs e p a r a t i n gr e s u l t sa n d d e t e r m i n i n gt h es t r u c t u r e p a r a m e t e r s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fi n c l i n e ds e p a r a t o r , s e p a r a t i n ge f f i c i e n c ye q u a t i o nw a s e s t a b l i s h e d c o m p a r i n ge f f i c i e n c y o fc o a l e s c e p l a t e si ni n c l i n e d s e p a r a t o r s w i t ht h a ti n h o r i z o n t a ls e p a r a t o r s ，t h ee f f i c i e n c yo f c o a l e s c e p l a t e si ni n c l i n e ds e p a r a t o ri sm o r et h a nt h a ti n h o r i z o n t a l s e p a r a t o r s oi n c l i n e ds e p a r a t o rw a sm o r ee f f i c a c i o u sa p p l i c a t i o np r o c e d u r ew a s p r o g r a m m e da c c o r d i n g t oe f f i c i e n c y e q u a t i o n e f f i c i e n c yo ft h ei n c l i n e ds e p a r a t o rw a s c a l c u l a t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tp a r a m e t e r so f o i la n d w a t e ra n di n c l i n e ds e p a r a t o r i n f l u e n c i n g f a c t o r so fs e p a r a t i n ge f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d d r o p sc o a l e s c e n c ew a sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ov e l o c i t yp r o f i l eo fo i ll a y e ra n dw a t e ra n d f o r c e sa c t i n go nd r o pa n dm o t i o no fd r o p ，c o a l e s c e n c et i m em o d e lo fad r o po nt r i c k i n gf i l m l a y e rw a sf o u n d e d c o a l e s c e n c et i m ei sc o m p u t e d b ys t u d y i n ge 仃e c t i n gf a c t o r s ，i tc o n c l u d e d t h a ts o m ei n c l i n a t i o na n g l e si n c r e a s e di n f l u xo f t r i c k i n gf i l mb ys h o r t e n i n gc o a l e s c e n c et i m ea n d r e d u c i n gs u r f a c t a n te f f e c to nc o a l e s c e n c e s od e s i g n e di n f l u xo fs e p a r a t o ri n c r e a s e d t h e h a n d l i n gc a p a c i t yo f s e p a r a t o ri n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n go f h a n d l i n gc a p a c i 吼t h ep r o b l e mt h a t s e p a r a t o rl o a d i n gw a st o om u c hw a sr e s o l v e d f i n a l l y , m e r i to fi n c l i n e ds e p a r a t o rw a sc o n c l u d e d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d ：i n c l i n e ds e p a r a t o rs e p a r a t i n gb e h a v i o re f f i c i e n c ym o d e l c o a l e s c e n c et i m e e f f e c to fi n c l i n a t i o n 大庆石油学院硕士研究生论文 1 1 油水分离发展的现状 1 1 1 重力分离 第一章绪论 重力油水分离器是最常用油水分离设备，重力油水分离的原理是利用油水的密度差 使连续相中的液滴浮升或沉降实现分离。重力分离设备分为重力沉降器和隔油池。传统 上，油田常用的重力沉降设备为常压储罐式沉降器，其特点是结构简单、容量大、沉降 时间长、操作管理简单，结构如图1 1 所示。罐内一般分为三部分，上层为油中水沉降区， 中层为水中油上浮区和水中泥沙下沉区，下层为积砂区。随着工艺技术的发展，此种储 罐式沉降式分离器暴露出以下缺点：罐内存在大量的“死油区”和“死水区”，会影响沉 降效果并增加处理难度；常压分离罐要经过放压和增压的过程浪费能量并容易出现憋罐 的事故；罐底面积大，清砂困难。 水出口 i 油流区 i i 水流区i i i 死油区死水区 图卜l 储罐式沉降分离器示意图【1 1 f i g 1 - 1s e t t l i n gs e p a r a t o r o f s t o r a g e t a r d 水出口 图卜2 陶粒结构分离器q f i g 1 - 2s e p a r a t o rw i t hp o t t e r yp a c k i n g 重力隔油池可分为平流式( a p i ) 、平板式( p p i ) 和斜板式( c p i ) 2 1 。平流式隔油池处 理过程是靠重力作用进行油水分离，停留时间越长，除油效果越好。在平流式隔油池中 水流流速被假设为在各个过水断丽一致，水中的油珠以等速上浮，浮到水面的油珠能够 被除去；按照运动速度合成原理，每个做上浮运动的油珠都可以分解成一个水平分量v 和一个垂直分量u 。当u u 。( u 。为恰好上浮的临界速度) 时，油珠可上浮至水面被除 去。当u 困2 - 1 液滴运动受力示意图 f i g 2 1t h ed r o pf o r c ei nm o t i o n 专 专 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 这个合 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 大庆石油学院硕士研究生论文 2 1 2 运动分析 单个液滴在静止的流场中所受到的外力为重力( f g ) 、浮力( f 且) 和阻力( f 。) 。液体在重 力和浮力的合力作用下浮升或沉降，在浮升的过程中液滴对流体有相对运动，会产生流 动阻力。阻力与相对运动方向相反，大小由公式( 2 5 ) 计算，其中v 就是液滴相对流体的 沉降或浮升速度i l s 液滴的受力方程为： m 篆咄峨城( 2 - 7 ) 吉蒯3 印。i d u = i 1 3 9 1 成一砌i 一3 掣。d “ 油滴从静止开始加速运动，随着速度的增加流动阻力也增加 做匀速运动罂：o 则有： “：a , o g d 2 ( 2 - 8 ) 当外力平衡时，液滴 ( 2 9 ) 式中：u 。液滴沉降或浮升速度； d 两相密度差。 在液滴达到平衡速度前的任意时刻液滴的浮升速度可由式( 2 - 8 ) 积分得到： 一t ， “= ( 1 一e “m ，( 2 1 0 ) 其中：t 一液滴的松弛时阃。 由上式可以看出理论上，_ o o 爿可以达到终端沉降时间，但当时间t = 5t 时，u = 0 9 9 3 u s ，此时液滴基本上已经完成了加速的过程。在油水重力分离的过程中分散相的尺 寸一般都很小，t 可以达到1 0 4 的数量级5t 的时问也是很短的。所以在重力分离的过程 中可以忽略重力加速的过程，直接以沉降速度计算误差很小。 2 2 液滴运动的影响因素 对液滴的分析是建立在一系列假设( 流场无限大、液滴为刚性小球等) 的基础上的， 而在实际中并非如此简单，很有必要考虑各种影响因素 3 3 - 3 4 】。 2 2 1 液滴间的相互作用 当流场中液滴距离较近时，彼此间就会有相互影响。这种影响取决于液滴的形状、 大小和彼此间的距离等。当相邻的两液滴在静止流场中自由浮升雷诺数小于o 2 5 时两液 滴受到的阻力是相同的，当雷诺数介于o 2 5 和5 之间液滴相距较近时，在上面的液滴1 受到的阻力较大，只是由于先导液滴l 给周围流体能量，使之产生向前的运动，减小了 作用在后继液滴2 上的阻力，而又因为运动阻力小而速度大则会赶上l 而发生聚并。 若两液滴并行运动，且由于粘滞力的作用，两液滴间的流体在液滴的携带下一起运 动，两液滴间的绕流速度就会小于液滴外侧的绕流速度，流体对液滴的曳力随之不同， 液滴就会产生旋转。旋转后，液滴间绕流速度进一步小于外测的绕流速度，而液滴间的 第二章卧式重力分离器的研究 压力则高于外侧的压力，结果就会使两液滴分开。一般认为，液滴间距大于十倍的液滴 直径时液滴间的相互作用甚小。而当液滴的浓度较大时液滴距离小，液滴间的作用力就 会使液滴发生聚并，下面对聚并的液滴进行分析。 首先假设p5 j ：连续相流场是平稳、均匀的塞状流；分散相液滴在流场中均匀分布： 分散相液滴不存在界面膜。 以连续相流动方向x 轴为正方向，分散相液滴上浮方向y 轴为正方向f 图2 2 ) 。假定 在流场中存在两个直径分别为d o 和d t 的液滴m o 和m 。向y 轴正方向作浮升运动，并认 为液滴聚并后不再分离，则两者能够茂生聚合的条件为：盛 d ，x 0 一x 1 d o2 + d 坐。假 定聚合后液滴为m 粒径为d 则有以，= 机丽。同理，若流场中存在n 个直径分 别为d o 、d l 、d 2 的液滴向y 轴正方向作浮升运动，由d o 开始与其它液滴发生聚合， 则聚合后最终液滴直径为： k = 踊 ( 2 - 1 1 ) 分散相液滴在流场中的运动是两个运动的合成：一方面是随连续相的平移运动；另 一方面是自身在密度差的推动力作用下所作的上浮或沉降运动。传统的方法以单个液滴 为基准来计算s t o k e s 沉降速度，而实际情况是单滴在运动中与其它液滴不断发生聚合， 从而使其运动轨迹不断发生变化，它是液滴直径的随机函数，聚合后的液滴在水平方向 的位移明显小于单滴的水平位移。因此传统的设计方法显得相对保守。下面对聚合后液 滴上浮或沉降速度进一步的分析。 图2 - 2 液滴碰撞模型图 f i g 2 - 2t h ec o l l i s i o nm o d e l 在聚并的前后液滴受到的外力为零，根据动量守恒定理得到聚并后的初速度为： =警。=。a阢,ogid,sm0 m i + 1 5 几寸j 3 f 2 1 2 ) 聚并后液滴在很短的时间内大液滴会达到终端的速度运动，由于液滴的松弛时间很 大庆石油学院硕士研究生论文 小为1 0 。秒，可以忽略。终端的速度可由s t o k e s 公式计算。表达式为 2 丽a p g ( 静) ； ( 2 - 1 3 ) 当考虑液滴的聚并时，分离时间也发生变化。首先假设分散相液滴的中心聚完全相 同为h ，设液滴浮升的全部距离为h ，忽略液滴的松弛时间则有液滴m o 运动到m i 的时 间为t ，= a h v 。，同理液滴运动到m 。的时间f 。= a b l y 。，则液滴沉降所需的时间为： t ：= f i + “+ 。+ + r 。 1 8 “ a h f 一= 一x _ + 。 a p gd j f ：l 。坐。 t2 i 而。菇。 1l 面扣斗丽 r 2 - 1 4 ) 下面对于单液滴浮升时间与聚并的模型的浮升时间进行对比。 单个液滴沉降时间： 扣旦：坐。姿 ( 2 彤) 1 f = = 2 il z j ) v 0a , o g 、 tf ：上 z n 一1 1 + 篓 = + ( 司+ 田) ； 佗一1 6 ) 为了说明问题假设d 。= d 。，n = 1 0 ，则有f ：t = 0 4 3 1 4 ，考虑聚并与单液滴情况下两 者的水平位移之比为o 4 3 1 4 。对于同一位置开始沉降的分离现象，在考虑碰撞聚合因素 下，对同一粒径的液滴分离，其分离时间较孤立液滴要少得多，水平位移要短的多，因 此在分散相浓度较大时，采用碰撞聚合模型，可以更有效地利用设备分离空间，减少了 材料及能量消耗。 2 2 2 液滴形状的影响 一般假设液滴为刚性的小球，但实际中液滴的形状是由作用在上面的力决定的。这 些力的相对大小可用无因次数表示，主要有n r 。雷诺数代表惯性力和粘性力的比，n 。 奥托斯数代表重力和表面张力的比，n m 。莫顿数代表连续相的性质。 依照上面三因次的不同，液滴的形状也不同，在低雷诺数下( 粘性力为主) 或低奥 托斯数下( 表面张力为主) ，液滴为球形：两者都较大时，重力和惯性力占主要地位则液 滴为椭球或球帽形。有研究表明当液滴的速度较大时，液滴将被压扁，横截面积增加， 相应的增加了流体的阻力而消耗了推动力；液滴的表面张力越大，变形越小，因此，对 1 一r p 坐螗 第二章卧式重力分离器的研究 于表面张力大的油滴，被压扁的程度越小，终端沉降速度较大。 2 23 流场分布的影响 当流场内的速度分布不均，有较大的速度梯度时，如在多层板填料或波纹板填料的 流道中，由于液滴所受到的曳力不对称，就会产生旋转。对于非球形液滴即使在均匀的 流场中，由于受力不均匀也会产生旋转。加上粘性的效应，液滴一侧的绕流速度会变大， 另- - f 目u 变小，于是两侧压力不对称，从而产生一个横向力，使得液滴移向速度较高的一 侧，这种现象称为m a g n u s 效应。对不同的流场分布建立不同的模型计算分离效率。 2 3 分离模型 近年来许多学者对分离设备的计算进行了大量的研究，但由于影响分离的因素很多 所阱在分离模型的数学研究上还没有一定的标准，下面介绍对几种分离模型1 3 6 1 ，并进行 对比分析。 2 3 1 理论计算模型 认为油滴不被液体带出去的条件是液滴上升的速度应大于分离器集液部分任意液面 的平均下降速度，即： u 。 k ( 2 _ 1 7 ) 其中：u s _ 油滴浮升速度， 疋一液面下降的平均速度。 百。= 丝s ( 2 - 1 8 ) 把公式( 2 9 ) 、( 2 - 1 7 ) 乘1 ( 2 - 1 8 ) 联合得到 q d 。的液滴，在通过此流道时都 能得到分离；而粒径d i d 。液 滴的粒级分离效率均为l ，对整个粒径分布而言，由此所得分离效率为： e 15 ，( d ，) d d t 或e 1 = z ：。f ( d - ) ( 3 - 9 ) 第三章们j 角分离器及分离模型的建立 趾去唧 - 掣卜 睁， 而对d i 以时仇= 1 ，而 d ， d ，时粒级效率可以表示为： ”紫c o s 口 ( 3 z s ) 又因为仰角分离器和卧式器中的速度比为0 8 3 ，代入上式中，可以看出对于相同粒径的 粒子分离效率提高了1 2 0 。 在分离器中波纹板组作为聚结构件，其主要作用是使较小的分散油滴聚结为较大的 油滴而分离。当油滴浮升到上板的下表面时就认为是分离。其分离效率的数学表达式为： e = l f q ? d | + l n f ( d 。w d 。( 3 - 2 7 ) 在下一章编程计算，进一步得出仰角分离器比卧式分离器的聚结构件的分离效率高， 所以仰角分离器整体的分离效率会优于卧式分离器的分离效率。 3 4 油滴聚并 在仰角分离器中，由于设备有一定的倾角，所以在分离器中会分为两段，如图3 5 所示。由于密度差的作用油相会聚集于分离器上段，而水相在下段，在水相上方分离器 的上壁面上会聚集形成连续流动的油相层膜，后续上升的油滴到壁面时会与油膜聚并， 2 4 大庆石油学院硕士研究生论文 实现油水的分离。由于分离器有一定的倾角，油膜在重力差的作用下连续流动，由于油 膜的连续流动，表面不断更新，活性物质不能在油膜表面积累，降低了对液滴聚结的影 响，使液滴容易聚结，倾角还可以使层膜的滑动速度提高，从而降低了层膜厚度，使液 滴的聚并时间减小。则油滴完成有效聚并流量上限更大。这样允许的流量增加，处理量 就增加。下面就对油滴与层膜聚并进行研究。 3 4 1 聚并时间模型 图3 - 5 仰角式分离器分离示意图 f i g 3 - 5d i a g r a mo f s e p a r a t i n g o f i n c l i n e ds e p a r a t i o n 液滴聚并的影响因素很多，为使问题合理简化，作如下假设3 9 4 0 】： ( 1 ) 因为油相层膜厚度很小，计算连续褶速度分布时不计上方层膜的影响，认为连 续相是圆管层流流动，而层膜的流动认为是一维层流流动。 ( 2 ) 认为油相形成稳定的液膜，不会因流体流动干扰而产生相互夹带。因此假定油滴 浮升到油膜后便发生聚结，不再脱落进入连续相。 分散相油滴在浮力作用下浮升，到达器壁时与层膜发生聚结，层膜在速度差的作用 之下会不断向分离器油相出口滑动。在稳定流动情况下，当油滴浮升至层膜附近时，由 于倾角和油水密度差的存在而使油滴与层膜之间产生相对运动和附加压力，从而使层膜 表面发生变形呈球面，并在油滴与层膜之间形成水相夹层，水相夹层受附加压力作用逐 渐向外排液、变薄，直至破裂使油滴与层膜完成聚并。 如图3 6 所示建立坐标系 4 1 1 ，以接触半径方向作横坐标x 轴方向；以水相夹层中从 层膜表面到油滴表面方向作纵坐标y 轴方向，并令坐标系随层膜表面一起移动，在忽略 惯性力的情况下，设水相夹层为二维流动，在沿着x 的方向上的速度为u ，沿着y 的方向 上的速度为。，则沿着x 方向上的方程为水相夹层，微元体运动的n a v i e r - s t r o k e 方程为： 尘一- gd “：f 3 2 8 ) - 7 - 5 - 0 出 砂 对( 3 - 2 4 ) 中的y 积分得： 宰上一。“+ c + f2：0(3-) 云。2 一c 。t y 2 20 (3-29) 第三章仰角分离器及分离模型的建立 对于直径为矿的液滴，上式在边界条件：y = o ，u = 0 ；y = h ，u = u r i 的情况f ，h i 可以表不 为： “。= z l 一。d 订p ( z 2 - z h ) + 云“。 ( 3 3 。) 又由连续性方程： 塑+ 塑：o( 3 3 1 ) d x 咖 式中u 一液滴向层膜运动的速度； 把式( 3 - 2 7 ) 对y 积分后再对x 积分： 尘：娶+皇)(3-32)dx h 5 2 式( 3 2 8 ) 的边界条件为：x = o , p = 2 叫，f ( o 为油水界面张力) ；x = ，p = o 对x 积分得： 一嘉+ i h 3 r 铲羔 ( 3 3 3 ) 一珊= 。十一“，= 一 i j 。j j ， , t c r ；r n “d t 且边界条件为t = o , h = h o ；f = ，。h = h ，即可得到油滴在层膜表面聚结时间模型 吒= 乏 蠢水相夹层i 刍“ 。 罗一意州p 图3 一水相夹层排液速度 f i g 3 6t h ev e l o c i t yp r o f i l eo fw a t e rl a y e r ( 3 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) 寸l上 堕懈一 矿n 卫巩 l i p 分积对再式 t 把 大庆石油学院硕士研究生论文 34 2 模型参数的确定 ( 1 ) 计算模型的变形尺寸课由下面的关联式得到【“1 ： ，d ，= 0 1 7 9 9 + 2 0 0 0 0 b o ，一4 0 3 4 8 b ：+ 4 7 1 5 0 b 。3 ，一2 9 6 4 9 b o ：+ o 7 5 9 6 0 磁，、 r ! d t = 、9 8 8 3 一、6 9 4 3 2 n o ! + 2 1 0 9 4 b ：f 一2 1 7 9 1 3 b ：+ 1 3 1 9 7 4 s 。4 | 一o 3 3 5 8 5 5 b ： 3 - 3 bll 其中描述液滴变形的参数b a n d 为s o , = a j q 盯- 2 ，对于倾角为d 的情况b a n d 修正为 = 宰 对于小液滴，当b o o 1 1 6 时，变形尺寸可以简化为： f = d j ：1 1 5 5 ( d ，2 ) 2 ( a p g o - ) y ， ( 2 ) 水相夹层的厚度 油滴在接近层膜时会形成水相夹层，设油滴与层膜融合时厚度为i l c ， h 。= h o a p g d ? ( 1 2 0 ) 式中h o 为t = o 时的水相夹层的厚度。 ( 3 ) 油滴的相对速度 ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 则l l c 。可以表示为： ( 3 3 9 ) 研究油滴相对于层膜的相对运动，首先要分析油滴在界面处的受力如图3 7 所示。 液滴受到重力( f g ) 、浮力( f 。) 、界面处所受的剪切力( f 。) 、流动阻力( f ) 和表面力( f 0 的作用。与界面平行的方向( x 方向) 受力平衡方程为： e ( 工) + 只( x ) + c ( 茸) + 尼( x ) = 0 ( 3 - 4 0 ) 其中重力和浮力可表达为： 2i “，3 岛g s h 口( 3 - 4 1 ) c ( x ) = 一- “z d i p 。g s i n 口( 3 - 4 2 ) 流动阻力的表达式由第二章的公式( 2 5 ) 得到为： b ( x ) = 3 , u 。砌， ( 3 - 4 3 ) 式中u ，为油滴的相对速度。 界面剪切力的表达式为： c = a ，r ( 3 4 4 ) a f 为油滴与界面的接触面积a f = 盯产；t 为剪切应力。 第三章仰角分离器及分离模型的建立 图3 7 油滴在界面上的受力图 f i g 3 - 7f o r c e sa c t i n go nd r o po ni n t e r f a c e 对于分离器上方的层膜的厚度6 大约为1 0 。3 数量级( 单位米) ，而分离器的直径为0 9 米，6 相对于分离直径很小可以忽略。所以，分离器中水相的速度分布可以看作是圆管 层流的情况，平均速度也可以近似的认为圆管的平均速度。同时又因为油相所占的面积 很小，在研究其速度分布时可以认为是一维层流，把截面简化成矩形来计算，则分离器 内速度分布如图3 8 。由n a y e r s t o k e s 得到： 图3 - 8 分离器内油水两相流动速度分布图 f i g 3 - 8t h ev e l o c i t yo f o i l w a t e rf l o wi ns e p a r a t o r 一争 挈：岛g s i n t z + , u a 掣( r y 尺埘( 3 - 4 5 ) 出c。 对于分散相其边界条件为：y ：r ，：o ，y ：r j ，：o ，并设眈= 挈一岛g s i n d 由式( 3 - 4 0 ) 积分可以得到油相的速度分布为： 拿j ，：= # d u a + c ；y + c 2 ( 3 - 4 6 ) 代入边界条件得到： 圹去2 r - f i 沪( 积硎 睁4 7 ) 可以得到油相的平均速度的表达式为： 人庆石油学院硕士研究生论文 瓦= 丢r “。咖2 否l 。( 。b a 。 y 2 _ ( 2 r - 8 ) y - ( s r - rz ) 弘y 。，一。、 2 瓦8 d ( l 。5 。肌肜j 对于连续相，因为油相的厚度很小不计分散相的影响，认为分散相流动符合圆管层 流，则有方程为： 旦f，堕1：!要f监一p。咖。i。口1(3-49)d，rld rj 出l8 x 对上式积分，代入边界条件r = r ，u z = 0 ；r = 0 ，d u d r = o 代入，并设皿：孕一成gs i n 口得到速 髓r 度分布为： 驴鲁p 2 球) ( 3 - 5 。) 由于j 很小所姒认为水相的截面积为：a 。= e r r 2 连续相的平均速度为： 玩= 等譬 p s t ， “c2 i 。iu 对于同一分离器中连续相和分散相的篮力梯度是相同的挈：挈 又由式( 3 - 4 4 ) 和( 3 4 6 ) 得到： 一警m 。羔鲥眦 ；6 2 2 积+ r 2 一二j i ；i ：i 2 ：订：e ：z 蕊a = 。 ( 3 5 2 ) r 2 。 通过迭代法由上式可以计算得到油膜厚度一般为几毫米。 在界面处液滴所受到的剪应力为： 一心等圹譬c z p s ， 把代入( 3 - 4 8 ) 式得到剪切力的表达式为： f 。= i 1 开7q 2b d q r - 3 a ) 0 - 5 4 ) 由式( 3 - 3 7 ) 、式( 3 - 3 8 ) 、( 3 - 3 9 ) 和( 3 - 5 0 ) 代入( 3 - 3 6 ) 得到相对速度的表达式： 要d ? ( ，。一p d ) gs j n 口一；7 r 喀b 。( 2 r 一3 万) “，= 鱼_ _ ( 3 5 5 ) 第三章仰角分离器及分离模型的建立 把公式( 3 3 4 ) 、( 3 - 3 5 ) 、和( 3 - 5 1 ) 代入公式( 3 - 3 1 ) 可以得到聚并时间。编程计算得到油 滴与液膜聚并的时间很短为1o - 2 数量级( 单位秒) 。 3 4 3 聚并对流量的影响 由上面液滴聚并的研究可以看出，聚并时间与两相的密度差、倾角、界面处的剪切 力和连续相的黏度等因素有关。国外一些学者对斜板间两相的速度分布和液滴的聚并也 进行了大量的研究【4 3 “】。m e o nw 等1 4 “研究了单位板宽的层膜流率和层膜厚度对聚并时 间的影响。图3 - 9 中单位板宽上的层膜流率v r b p ( v r 为层膜流率，b p 为板宽) 对层膜厚度 6 和聚结时间t k 的关系曲线，图左下限是液滴直径d 。与浸入层膜厚度l 的关系曲线。由 图可见，在较低的层膜流率时，斜板倾角d 对聚结时间影响不大，随着层膜流率增加， 各倾角下均出现了聚结时间的突跃。图中的箭头表示了聚结时间突跃的v r b 。值，表示液 滴不能有效与层膜聚结，此时为设计的最优上限。图中还表明，随着倾角的增加，聚结 时间突跃点对应的层膜流率提高，则分离器的流量的设计上限液就随之提高。就是说斜 板的流量要大于平板，同样仰角分离器的流量要大于卧式分离器。所以现在分离器内多 采用斜置的波纹板为聚结构件。 l4 ；2 t 7彳 i 口。8 。越 。i f 。 i j ，矗 - t 耋 - 口。s 。亲 辅囊_ 嘲 蜘 一 ，f i l m 糟 鼬瑚 o 钳i l i o 5 - 趄bj ， 霉 堇心 h - ：0 、 1 l _ 童1 0 ： 3 图3 - 9 倾角和层膜流率对油滴聚并时间的影响h 6 i f i g 3 - 9i n c l i n a t i o na n dv e l o c i t yo f t r i c k i n gf i l me f f e c to nc o a l e s c e n c et i m e 倾角对聚并的影响是因为倾角可以使层膜的滑动速度提高，从而降低了层膜厚度， 使液滴的聚并时间减小，同时由于层膜的表面不断更新，活性物质不能在油膜表面积累， 降低了对液滴聚结的影响，使液滴容易聚结。但倾角也不能太大，如果倾角太大液滴与 层膜之间的静压下降对于夹层排液不利，聚并时间反而增加，设计时倾角一般不应超过 1 5 。1 4 7 1 。所以仰角式游离水脱除器的设计中的最大倾角选为为1 2 。 大庆石油学院硕士研究生论文 第四章仰角分离器的分离特性 根据已经建立的仰角分离器的分离效率模型，用v b 编制应用程序，计算出不同情况 下的油水分离特性，并对结果进行对比分析，晟后得到仰角式游离水脱除器的优点。 4 1 应用程序简介 4 1 1 应用程序功能说明 高效仰角式游离水脱除器分离特性计算程序，是在效率模型基础之上用v i s u a lb a s i c 语言编制的。程序主要分为两大部分，一是仰角式游离水脱除器的分离效率的计算，二 是对仰角分离器和卧式分离器中波纹板组聚集构件的效率进行对比。程序主要包括四个 输入界面( 如图4 1 4 4 所示) 和一个结果输出界面。由主界面进入后可以看到一个简 要的说明，再选择计算总体分离效率或是对于仰角分离器和卧式分离器中波纹板组聚结 构件的效率进行对比。只要按照界面要求输入油水物性参数和分离器尺寸参数，就可以 得到分离效率或是对比结果，并可以选择保存数据并在输出界面中显示出基本数据和结 果。 图4 - 1 应用程序界面一 f i g 4 - 1p a g e lo f a p p l i c a t i o np r o c e d u r e 第四章1 q j 角分离器的分离特性 图4 - 2 应用程序界面二 f i g 4 - 2p a g e 2o f a p p l i c a t i o np r o c e d u r e 图4 - 3 应用程序界面三 f i g 4 - 3p a g e 3o f a p p l i c a t i o np r o c e d u r e 大庆石油学院硕士研究生论文 4 1 2 应用程序使用说明 图4 - 4 应用程序界面四 f i g 4 - 4p a g e 4o f a p p l i c a t i o np r o c e d u r e 由主界面进入后，选择进入系统会出现一个简要的说明界面，可以根据需要选择进 入仰角式游离水脱除器的效率计算或是对比波纹板的效率。若是选择分离效率的计算就 要按照界面的要求输入油水物性参数和分离器的参数，注意的是输入的数据要和界面上 说明的单位致。 ( 1 ) 油水物性参数包括：油相密度、油相黏度、水相密度、水相黏度、入口油滴的 平均粒径和标准差和来液的流量。 ( 2 ) 分离器参数包括：分离器的长、分离器的半径和分离器倾角。 输入基本数据以后按运行菜单就得到计算结果，如果想保留结果可以按保存菜单， 然后可以改变参数得到不同的分离效率。如想对几个已保存的结果进行对比，可以点击 显示结果菜单，则出现结果输出的界面。可以选择显现当前结果，则是上次刚保存结果： 也可以选择显示全部结果。显示的内容不仅包括得到的结果还包括输入的所有数据，这 样可以对不同情况下的分离效率进行对比，对影响分离效率的因素进行分析。 如果在界面二处选择效率对比就进入了界面四，在此时输入波纹板的板长和板间距 及入口处液滴分布的平均粒径和标准差，点击运行菜单对比结果就显示出来，如想保留 结果则按保存菜单，并可以通过显示结果菜单进入输出界面对比不同情况下的结果。 第四章仰角分离器的分离特性 4 2 模型计算结果及分析 4 2 1 分离效率的计算结果及分析 设计的仰角式游离水脱除器的长1 8 m ，直径0 9 m ，倾角1 2 。，现场试验用原油的密 度的8 5 0 k g m 3 ，原油黏度3 0 m p a s ，水相密度为1 0 0 0 k g m 3 ，水相黏度o 7 2 m p a t s ，来液量 1 0 0 m 3 h 。 用该模型计算分离效率首先需要知道进口油滴的平均粒径和标准差。在现场的试验 中，油滴的平均粒径和标准差都不太容易测量。表4 1 说明油滴的平均粒径和粒径的标准 差对分离效率的影响。 表4 - 1 平均粒径和标准差对分离效率的影响 t a b l e4 - 1a v e r a g ed i a m e t e ro f d r o pa n ds t a n d a r dd e v i a t i o ne f f e c to ns e p a r a t i n ge f f i c i e n c y 平均粒径1 t m 标准差 2 0 0 1 9 0 1 8 01 7 0 1 6 0 1 5 01 4 0 1 3 0 1 2 01 1 0 分离效率( ) 1 09 9 99 9 89 9 79 9 59 8 19 4 28 7 98 0 17 1 66 2 6 2 09 9 79 9 59 9 09 7 79 5 29 1 38 5 77 8 1 7 0 6 6 2 4 3 09 9 19 8 49 7 19 5 19 2 18 8 08 2 87 6 56 9 ，56 1 9 4 09 7 79 6 49 4 69 2 18 8 88 4 67 9 77 4 06 7 76 1 0 在油水黏度、密度及来液量一定的条件下，模型计算出的分离器的临界直径为1 6 1 pm ，从表中可以看出当来液中油滴的平均粒径大于1 6 0 9 口n 时，原油的脱除率很高几乎 都在9 0 以上，可以看出临界粒径是衡量油水分离的个重要参数。同时还可以看出在 油滴平均粒径接近临界粒径时( 在1 8 0 岬一1 3 0 m 的范围内) ，油滴标准差对分离效率的 影响较大分离效率大约相差1 0 个百分点，丽当平均粒径与临界粒径相差较远( 为2 0 0 1 1 m 、1 9 0 1 t m 、1 2 0 u m 、1 1 0 1 1 m ) 时，标准差的影响就很小了( 在5 个百分点以内) 。对 于游离水脱除器来说主要分离的是直径较大且易于分离的浮油和分散油其粒径为 2 0 0 肛m l o o 岬之间，在该分离器内加入了聚结构件，可以使粒径较小的分散油滴聚并为 较大的油滴，认为平均粒径可以达到1 5 0 9 m 以上，由上式可以看出当平均粒径为1 6 0hm 时分离效率也可以达9 5 以上。而如果油滴的平均粒径为1 3 0 “m 以下按照此公式计算 分离效率就会变得很小。 图4 5 、4 - 6 分别为油滴平均粒径为2 0 0 1 t m 、1 8 0 1 1 m 和1 6 0u m ，标准差为2 0 u m 时，流量、油相黏度与分离效率的关系曲线。在图4 5 中，当流量为6 0 m s h 时，油滴在 分离器内的停留时间就约为1 2 r a i n ，当流量增加为l o o m 3 h 时，油滴的停留时间约为7 分 钟，当停留时间为1 2 m i n 时，分离效率在9 9 以上，即使是对于平均粒径为1 6 0 um 的 油滴在停留时间为7 分钟( 流量为1 0 0 m 3 h ) 时分离效率也可以达到9 5 以上。这说明该 分离器能充分满足在设计时油滴停留时间为1 2 m i n 的要求，且分离效率很高。 该分离器设计时，还考虑到处理注聚合物的采出液。如果水相中含有聚合物则连续 相黏度就会增加，分离效率有所降低。图4 - 6 就反映了黏度对分离效率的影响。当黏度小 3 4 查鉴互塑兰堕堕主婴壅尘堡塞 于0 g m p a s 时效率仍然较高，可以达到9 0 以上；当黏度大于0 9 m p a s 时效率也可在 8 0 以上。所以对于聚驱采出液处理含油量将会高一些。 拿 、 横 较 键 求 1 0 0 9 0 熹 薄8 0 藿7 0 求 6 0 5 0 6 07 08 09 01 0 01 1 0 流量( m 3 h ) 图4 - 5 流量和分离效率的关系 f i g 4 - 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u xa n de f f i c i e n c y 0 60 70 8 0 911 1 水相黏度( m p a s ) 图4 - 6 水相黏度与分离效率的关系 f i g 4 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t ya n de f f i c i e n c y 4 2 2 效率对比的计算结果及分析 由程序可以计算出仰角分离器中的波纹板组的临界粒径为9 9 1 a m ，而普通卧式分离器 中波纹板组的临界粒径为1 0 9 t m 。也就是说在仰角分离器中9 9 1 t i n 以上的油滴可以全部在 波纹板组上聚结为大油滴，丽卧式的要1 0 9 9 m 以上的油滴才能全部聚结为大油滴。现设 油滴的标准差为1 0 m n ，讨论在油滴不同平均粒径( d e ) 的情况下，波纹板在仰角分离器 和在卧式分离器内的分离效率的对比，如图4 7 所示。 图中的主纵坐标为波纹板组的分离效率，副纵坐标为在仰角和卧式分离器中效率的 第四章仰角分离器的分离特性 比值，横坐标为来液的平均粒径。由图中可以看出，在平均粒径为9 0 脚( 标准差为l o p m ) 以下时，仰角的效率是卧式的1 2 0 以上，也就是油滴平均粒径小于卧式和仰角的临界粒 径时效率的比值较大。当平均粒径在9 0 p m 以上时效率比值下降，因为在临界粒径附近效 率增加的幅度较大，当平均粒径达到1 1 0 i m a 时效率都在9 0 以上，效率比减小为1 0 5 ， 当粒径为1 2 0 p m 时两者的效率都很接近1 。对于游离水分离器要处理的浮油和分散油的 油滴平均粒径设为1 0 0 扯m ，则仰角分离器的波纹板的效率可以达到9 0 ，仰角分离器的 效率是卧式的1 1 倍以上。现在分离器中加入两段波纹板组，且在两板组间有6 m 的浮升 空间。这样已经聚结的大油滴有足够的空间浮升分离，接着下一段的波纹板再把小油滴 聚结成大油滴进而在下一段分离空间内浮升分离。两段波纹板组的效果相加使仰角分离 器的分离效率和卧式的相比由显著的提高。 1 0 0 8 0 亲6 0 p4 0 2 0 0 5 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 0 d g , f m ) 1 4 0 0 1 3 0 0 f 1 2 0 0 = 1 1 0 0 1 0 0 0 图4 7 波纹板组在仰角分离器和卧式分离器效果对比 f i g 4 7s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f c o r r u g a t e dp l a t e sc o n t r a s t b e t w e e ni n c l i n e ds e p a r a t o ra n dh o r i z o n t a ls e p a r a t o r 4 3 仰角式游离水脱除器的优越性 通过前面的计算和分析可以得到仰角式游离水脱除器的优点如下： 1 、因为仰角分离器有一定的倾角，在重力分力的作用下，液体会自