4章分离设备新

第四章油（液）气分离设备,概述两相分离器三相分离器典型分离器的结构,基本要求,理解两相、三相分离设备的工作过程、分离原理、内部结构、不同类型分离器的比较与选择；掌握两相、三相分离器结构尺寸设计方法。,4.1概述,一、油气分离器的类型按其外形可分为：卧式分离器、立式分离器、球形分离器；按分离器的功能分为：两相分离器、三相分离器；按实现分离利用的能量可分为：重力式、离心式和混合式等。,二、分离器的基本功能,实现液相和气相基本分离；脱除气相中所夹带的液沫；脱除液相中所包含的气泡；引出分离的气相和液相，不允许有重新夹带掺混的机会。,三、油气分离器的工作原理和特点,立式分离器卧式分离器其它分离器,1、立式分离器,立式分离器原理图,初级分离段（基本相分离段）气液入口处，由于物流速度突然降低，成股状的液体或大的液滴被分离出来直接沉降到积液段。为了提高初级分离的效果，常增设入口挡板或采用切线入口方式。,1.立式重力分离器分离原理,沉降段经初级分离后的气流以较低的流速向上流动，携带的较小液滴则向下沉降。分离效果取决于气体和液体的特性、液滴尺寸及气流的平均流速与扰动程度。,1.立式重力分离器分离原理,积液段主要收集液体。为减少流动气流对已沉降液体扰动，一般积液段应有足够的容积，以保证液体中的气体能脱离液体。为防止气体旋涡，应保留一段液封。,1.立式重力分离器,除雾段主要设置在紧靠气体出口前，用于捕集沉降段未能分离出来的较小液滴（10100m）。微小液滴在此发生碰撞、凝聚，最后结合成较大液滴下降沉至积液段。,1.立式重力分离器,占地面积小，容易清除筒体内污物；便于实现液位自动控制；适合于含固体杂质较多的混合物和处理含液量较大的气体；单位处理量成本高于卧式。,立式重力分离器的特点,2、卧式分离器,卧式分离器原理图,初级分离段（基本相分离段）可具有不同的入口形式，其目的也在于对气液进行初级分离，除了入口挡板外，有的在入口内增设一个小内旋器，在入口对气液进行旋风分离。,2.卧式分离器,沉降段是气体与液滴实现重力分离的主体，气流水平流动与液滴下沉成90夹角，对液滴下降阻力小于立式分离器。,2.卧式分离器,积液段设计常需考虑液体在分离器的停留时间，一般储存高度按分离器直径的一半考虑。在水平筒体的底部有泥沙等污物，排污比立式分离器困难。,2.卧式分离器,除雾段可设置在筒体内，也可设置在筒体上部紧接气体出口处。,2.卧式分离器,以重力沉降分离为主，辅以碰撞、离心分离；重力沉降部分中液滴下降方向与气流运方向垂直；液滴沉降面积比同直径立式分离器大。,2.卧式分离器,卧式分离器的特点,卧式分离器和立式分离器相比较：具有处理能力较大、安装方便和单位处理成本低；特别是存在乳状液或高气油比时，卧式分离器较为经济；但占地面积大、液体控制比较困难和不易排污。,3、其它分离器,球形分离器；卧式双筒分离器；旋风分离器；过滤分离器。,（1）球形分离器,典型的球形分离器如图4-3所示。从承受压力的观点来看，球形分离器可能是非常有效的。但是由于具有受限制的波动容量和制造难度大，它在油气田设施上通常不被采用。,球形分离器原理图,从承受压力的观点来看，球形分离器可能是非常有效的。但由于具有受限制的波动容量和制造难度大，它在油气田设施上通常不被采用。,（2）卧式双筒分离器,适用液体流量小的工况；有利于排污；制造难度增大，建设费用较高；,（3）旋风分离器,旋风分离器的原理图如图，主要依靠油气混合物作回转运动时产生的离心力使油气分离。处理量大、结构简单，可除去5m以上的液滴；但它对流速很敏感，要求处理负荷相对稳定，常作为重力式分离器的入口分流器。,旋风分离器原理图1入口短管；2分离器圆筒部分；3气体出口；4分离器的锥筒部分；5集液部分,（4）过滤分离器,过滤分离器原理图如图所示，主要用于从气体中除油。常用的过滤元件有纤维制品、金属丝网、陶瓷和泡沫塑料等。一般在过滤分离器前均应有一级分离器作初步分离。,过滤分离器原理图,过滤分离器可以100%地脱除大于2m的微粒，99%地脱除小到0.5m的微粒；可用于高气量低液量、气体净化要求高的场合，如矿场压气站的压缩机入口处、仪表气净化或燃料气上游的洗涤器。,过滤分离器的特点,分离器型号,SY/T0515-1997油气分离器规范设计分离器型式、功能的分类及代号,型号组成,分离器型号,举例：型号：WS3.012.8-0.7/1表示卧式，油、气、水三相分离器，公称直径为3m，筒体长度为12.8m，设计压力为0.7MPa第一种结构的设计型号LE2.07.6-0.8/2表示立式，气、液两相分离器，公称直径为2m，分离器筒体高度为7.6m，设计压力为0.8MPa第二种结构设计,4.2两相分离器,两相分离器的内部构件两相分离器的工艺计算,4.2.1两相分离器的内部构件,进口转向器；除沫板；旋流破碎器；除雾器；气相整流件；气液挡板。,1)进口转向器,进口转器,导流档板，它可能是球形盘，平板，角铁，锥形物等构件，使液流方向和速度发生快速变化。这种档板主要是用结构支撑加以固定，以承受冲击动量载荷。使用半球形或锥形的装置，其优点是它比平板或角铁所产生的扰动要小些，从而减少再夹带或乳化的问题。,1)进口转向器,旋风式进口，它应用离心力来分离流体。可以是旋风式通道或者是环绕筒壁的切线流道。使用一个进口喷嘴就足以产生一个围绕着内筒回转大约6m/s的液流速度，内筒的直径不大于分离器直径的2/3。,1)进口转向器,2)除沫板,当气泡从液体中逸放出来时，在气液界面可能形成泡沫，使泡沫流经一系列倾斜的平行板片或管束（如图4-7所示），由于润湿表面的吸附作用和狭缝的整流作用促使雾沫分离。,图4-7除沫板结构示意图,3)旋流破碎器,在当液流控制阀打开时，为防止在该处产生涡流，通常的对策是设置一个简单的旋流破碎器，产生的旋涡将天然气从气体空间内吸出，然后重新掺混到液体中流出。,旋流破碎器,4)除雾器,为了除去100m以下的液滴，在分离器的出口普遍都增设除雾器。除雾器能除去10010m直径的液滴，其效率可达99。除雾器主要有三种类型。,三种常用的除雾器结构(a)网垫；(b)拱板；(c)波纹板,网垫除雾器由直径0.120.25mm的不锈钢丝网组成，一般厚度在75180mm左右；拱板除雾器由一系列同心波纹圆筒组成，其作用在于增大液滴在圆筒表面的聚结面积；波纹板除雾器由一系列固定的波纹板重叠构成。由于气流方向在波纹板上的不断变化，最终液滴与波纹板碰撞而聚结在波纹板上被分离出来。,4.2.2两相分离器的工艺计算,分离器结构设计基本要求液滴的沉降速度两相分离器尺寸设计（）两相分离器尺寸设计（）立式和卧式分离器的比较除雾器的工艺计算两相分离器的工艺计算步骤,相关规范,GB50350-2005油气集输设计规范SY/T0515-1997油气分离器规范HG/T20570.8-95工艺系统工程设计技术规定气-液分离器设计,4.2.2.1分离器结构设计基本要求,初级分离段应能将气液混合物中的液体大部分分离出来积液段要有足够的容积，以缓冲来油管线的液量波动和油气自然分离有足够的长度或高度，使直径100m以上的液滴靠重力沉降，以防止气体过多地带走液滴在分离器的主体部分应有减少紊流的措施，保证液滴的沉降要有捕集油雾的除雾器，以捕捉二次分离后气体中更小的液滴要有压力和液面控制,4.2.2.2液滴的沉降速度,d液滴直径，ml液滴的密度，kg/m3g气体的密度，kg/m3,液滴所受的重力、浮力,重力：,浮力：,假设：（1）液滴为球形（2）液滴与液滴、液滴与分离器壁等构件间没有作用力（3）气体在沉降部分内的流动是稳定的，任一点的流速不随时间而变化,CD水力阻力系数；w液滴的沉降速度，m/s；d液滴的直径，m。,气体对液滴的阻力R,1762年牛顿绕流阻力公式,当液滴作匀速运动时，应满足下列条件,液滴的沉降速度,（4-1）,斯托克斯（Stokes）公式,如果围绕颗粒（液滴）的流动是层流，也就是在低雷诺数（Re2）情况下的流动，阻力系数CD=24/Re；将其代入到颗粒沉降的一般表达式中，最后可得到：,（4-4）,阻力系数与雷诺数的关系式,（4-6）,求解w的步骤,（4-6）,（4-1）,用到的公式：,求解w的步骤,1.给CD取初值，如CD=0.342.计算wn3.计算Re4.计算CD5.计算wn+1，判断|wn+1-wn|是否小于或等于设定精度，是则停止计算，否则返回到第2步继续迭代计算，直到计算出来的w满足要求时为止。即：,求解w的步骤,颗粒的大小,可取100m300m的颗粒为计算依据,液滴沉降界限：在分离器工艺设计中，按某一直径液滴进行沉降分离设计，该液滴的直径下限尺寸称为液滴沉降界限。通常取100m.,SY/T0515-1997油气分离器规范,GB50350-2005油气集输设计规范中规定颗粒直径取值为60m100m,液体停留时间,停留时间取30秒到3分钟；在原油发泡的情况，停留时间可能需要高达这个数字的四倍。,两相分离器液相停留时间与分离器的型式和原油物性有关。对于立式分离器处理发泡原油时通常取10-20min，非发泡原油通常取2-6min。对于卧式分离器处理发泡原油时通常取5-15min，非发泡原油通常取2-4min.SY/T0515-1997油气分离器规范,4.2.2.3两相分离器尺寸设计(I),两相分离器尺寸设计的主要任务是确定卧式重力分离器、立式重力分离器的直径和筒体的长度（高度）。,（1）卧式重力分离器计算,气体负荷约束液体负荷约束为了便于分离器的液位控制及其它内部结构设计，一般假设卧式分离器的内容一半为液体充满。液滴沉降界限为100m。,气体负荷约束,d分离器的内径，mm；Leff分离器内产生分离作用的有效长度，m；T分离器的操作温度，K；P分离器的操作压力，MPa（绝）；Qg气体流量，Nm3/d；Z气体压缩系数；K常数,(4-9),气体负荷约束计算公式的推导,工作流量（m3/s）,气体流速（m/s）,流通面积（m）,颗粒沉降必要条件：气体在卧式分离器的滞留时间tg必须大于或等于液滴从气体中沉降分离所需的时间td。,气体负荷约束计算公式的推导,气体负荷约束计算公式的推导,m,其中,气体负荷约束计算公式的推导,mm,m,气体负荷约束,d分离器的内径，mm；Leff分离器内产生分离作用的有效长度，m；T分离器的操作温度，K；P分离器的操作压力，MPa（绝）；Qg气体流量，Nm3/d；Z气体压缩系数；K常数,(4-9),(4-10),液体负荷约束,式中tr期望的液体停留时间，minQL液体流量，m3/d；,mm,液体负荷约束计算公式推导,若液体流量为Ql（m3/d），分离器的有效长度为Leff（m），停留时间为tr（min），一般卧式分离器的液面控制在d/2处，则有：,m,推导公式时注意单位统一,筒体长度和长径比,Lss分离器筒体长度，m长径比：103Lss/d=35,对气体负荷：,对液体负荷：,卧式分离器尺寸设计步骤,计算满足气体负荷约束的d和Leff根据液体负荷计算满足停留时间的d和Leff估算分离器筒体长度选择一个合理直径和长度的尺寸,P90，P92例41,长径比：Lss/d=35,例子,例4-1设计卧式分离器的尺寸已知：气体流量Qg287530m3/d，气体相对密度0.6，原油流量QL318m3/d，原油相对密度S.G.0.825，操作压力p6.895MPa（绝），操作温度T289K。,（2）立式重力分离器计算,气体处理能力计算液体处理能力计算,气体负荷约束计算,立式分离器示意图,气体负荷约束计算公式,dm=100m,立式分离器的气体处理能力计算，主要基于气体在分离器中的流速必须小于或等于液滴沉降速度。,气体负荷约束计算公式推导,气体负荷约束计算公式推导（续）,其中,dm=100m,液体负荷约束计算公式,分离器内液体的高度,液体负荷约束计算公式推导,若液体流量为Ql（m3/d），分离器液柱高度为h（m），停留时间为tr（min），则有：,推导公式时注意单位统一,立式分离器的实用长度必须满足气液分离段长度、丝网除雾长度、排液口下部的长度以及沉降的一定长度。立式分离器实用长度Lss下式计算：,立式分离器实用长度Lss和长径比,立式分离器的长径比（Lss/D）一般按35考虑。,作业,1、推导公式（4-1）、（4-9）、（4-11）、（4-13）、（4-14）2、已知：某气井气体流量Qg=3.0104Nm3/d；气体相对密度S=0.6；油的流量QL=300m3/d；油的相对密度S.G.=0.825；操作压力P=5.0MPa(绝)；操作温度t=27，压缩系数为Z=0.8。试求卧式和立式分离器工艺尺寸。,4.2.2.4两相分离器尺寸设计（）,（1）液滴的沉降速度,取6010-610010-6m,表4-1流态的划分,层流区，斯托克斯（Stokes)公式,过渡区，阿伦（Allen）公式,紊流区，CD=0.44，牛顿公式,沉降速度的计算,（2）立式分离器尺寸设计,分离器主要原理是沉降分离原理，沉降分离要满足一定的停留时间，应选取适宜的气流速度。分离器处理能力决定于它的外形尺寸。,气体处理能力计算,立式分离器工作时，气流和液滴沉降方向相反，所以液滴能沉降的必要条件是液滴沉降速度w大于气流速度V，即,通常重力沉降段液滴沉降速度w是指直径为60100m液滴的沉降速度。,考虑到液滴沉降速度计算的假设条件与实际情况有出入，以及气流在分离器沉降部分的不均匀性，故在取允许气流速度V时应为:V=W取=0.750.81可保证WV,气体处理能力计算,单位换算：,在确定分离器直径时，考虑进入分离器的油气两相比例随时间不断变化这一实际情况，引入载荷波动系数，一般取1.52。,气体处理能力计算,分离器的直径及高度的计算,分离器的直径及高度的计算,式中D立分离器直径，m；qv标准状态气体流量，m3/h；T操作温度，K；Z气体压缩因子，无因次；W液滴沉降速度，m/s；K1立式分离器修正系数，通常K1=0.8。,新手册,根据现场实践经验，气体的进口速度取为15m/s，出口速度取为10m/s效果较好。,分离器进口、出口管的计算,已确定立式分离器的主要结构尺寸，分离器各部分其它尺寸，可参照下述方法确定，见下图。,立式分离器尺寸确定,立式分离器的结构尺寸l一天然气出口；2油气进口；3一原油出口；4排污口；5高液位；6一低液位,除雾段H1一般不小于400mm；沉降段H2一般取H2=D但不小于lm；入口分离段H3一般不小于600mm；积液段h由油液在分离器内需要停留的时间确定；液封段H4防止气体窜入油管路，其高度一般不小于400mm；泥砂储存段H5视油中含砂量和分离器中是否需要设置加热盘管而定；分离器的总高度H0一般为(3.55)D。,（3）卧式分离器尺寸设计,图4-16液滴在卧式分离器中的沉降,气体处理能力计算,在卧式分离器中，液滴沉降的必要条件：液滴沉降至集液面所需的时间应小于或等于液滴随气体流过重力沉降部分所需的时间，即,气流速度V（称为计算速度或实际流速）为：,气体处理能力计算,令：,式中面积利用系数。,V=AW,卧式分离器直径计算,（4-26）,式中K2气体空间占有的面积分率；K3气体空间占有的高度分率；K4长径比，K4=L/D，K4按下列条件取值：操作压力K4P1.8MPa3.01.8MPaP3.5MPa4.0P3.5MPa5.0,分离器其它各部分尺寸，可参照下述方法确定，见图。,卧式分离器其它尺寸的确定,卧式分离器的结构尺寸1油气进口；2天然气出口；3油出口,入口段L1由入口的形式确定，但不小于1m。沉降段L2按结构要求定，但不小于2D。液体储存段h3由液体在分离器内停留时间确定，通常h3=D/2。h3可略低于D/2，但最小不得少于0.6m。除雾段L3由除雾器结构、布置确定。泥砂储存段h2视原油含砂量确定。,4.2.2.5.立式和卧式分离器之比较,立式重力式分离器的沉降工作面积等于其横截面积。,立式分离器：,4.2.2.5.立式和卧式分离器之比较,卧式分离器：,卧式重力式分离器的沉降工作面积等于其横截面积的A倍。,4.2.2.5.立式和卧式分离器之比较,当两种分离器的直径相同时，在相同的操作条件下，卧式分离器的处理能力为立式分离器的4倍。立式分离器的空间大，有足够的垂直高度，但气体所携液滴的流动方向与液滴所受重力的方向相反，不利于液滴沉降分离，液面稳定性较卧式为差。立式分离器安装占地面积较小。主要用于气速相对较大而带液量相对较少，并且允许储液时间较短的场合。,卧式分离器对气体所携液滴的运动方向与液滴所受重力的方向成垂直，有利于沉降分离，其液面波动小、稳定性好。处理单位气量的成本低于立式分离器。卧式分离器安装占地面积较大，脏物的清除不如立式分离器方便。主要用于气量相对较小而带液量相对较大，并且要求储液时间较长的场合。,4.2.2.5.立式和卧式分离器之比较,4.2.2.6.除雾器的工艺计算,除雾器有多种型式，目前广泛采用的是网垫（或丝网）除雾器。主要介绍网垫除雾器的工艺计算。允许气体流速除雾器面积除雾器的厚度和压降,图4-2-14三种常用的除雾器结构(a)网垫；(b)拱板；(c)波纹板,（1）允许气体流速,经验表明，工作良好的网垫除雾器可从气流中除掉99%的直径大于10m的油滴，允许的最大气体流速umax(m/s)：,上式中K为系数，由实验求得，对于标准型丝网，可取K=0.116。考虑到液体负荷、液滴直径和物性的变化，设计除雾器时，一般适宜的设计速度取最大允许气速的75%80%。,（1）允许气体流速,（2）除雾器面积,丝网除雾器的面积，根据操作条件下的气体处理量和其操作速度来确定。若丝网除雾器为园形，其直径按下式计算,式中ug设计气流速度，m/s。,除雾器厚度一般取100150mm，压降一般为245.15490Pa。除雾器不能处理携有大量液滴的气体，所以不能代替重力沉降来分离100m以上的液滴。,（3）除雾器厚度和压降,4.2.2.8旋风式分离器,旋风式分离器的工作原理利用离心力来分离气流中颗粒。,旋风分离器直径及进出口管的计算,由水力损失方程：,由产量公式：,旋风分离器直径及进出口管的计算,一般取为55180；正常情况下取为5575,CD由实验确定，一般取180,分离器进口管和出口管的直径,一般取进口速度为1525m/s；出口速度为1015m/s。,旋风分离器其它尺寸,P104图4-18,影响旋风分离器效率的因素,（1）气体进口速度（2）气液密度差（3）旋转半径,由于离心分离力与气体旋转线速度成二次方关系，因而气体进口的线速度对分离器效果影响很大。入口线速度一般宜在1525ms之间。因线速过低，分离力不够，而线速过高则会破坏旋风分离流动系统的正常压力平衡，并形成局部涡流，产生二次夹带，使分离效率降低。,由旋风分离器的分离原理可知，气液密度差越大，分离效果越好。由旋风分离器的气流状态可知，旋风分离器适用于气液（或气、固）分离，而对于油水两根相的分离则不宜于采用。一般在正常负荷量范围内工作的旋风分离器，基本上可除去40m以上的液滴或机械微粒。,由向心力的公式可知，旋转半径越大，离心力越小。当处理气量较大时，设计计算所得的分离器直径也较大，故旋转半径不宜超过0.5m，否则需提高气流入口线速。当用于大气量时可采用多个旋风分离器。当用于小气量或负荷波动较大时，则可采用可调节多管式旋风分离器。由于多管式旋风分离器的每根旋风子，其旋转半径均较小，可在气流线速较低的情况下获得较大的气液分离能力。,影响旋风分离器效率的因素（续）,虽然旋风分离器体积小、效率高，但它的分离效果对流速很敏感，因而一般要求旋风分离器的处理负荷相对稳定，不适应负荷波动较大的场合，这就限制了旋风分离器在负荷波动较大的集输站场与单井集气站中的应用。,4.3三相分离器,三相分离器的结构；油水界面控制；工艺计算。,一、三相分离器的结构,图4-20卧式三相分离器结构（1）,1.三相卧式分离器,如图4-20所示，是一个带有界面控制器和堰板的典型卧式分离器。堰板保持油位，液位控制器保持水位。油掠过堰板，堰板下游的油位由液位控制器来控制，排油阀又由液位控制器来操纵。,是按“槽和堰”设计的卧式分离器，这种结构就不需要液体界面控制器，在堰板处液位的控制，是用简单的变位浮子来实现的。而油槽内的液位是由一个能操纵放油阀的液位控制器来控制的。水从油槽下面流过，然后再流过水堰板，水液位是由一个能操纵放水阀的液位控制器来操纵的。,1.三相卧式分离器,图4-21卧式三相分离器结构（2）,2、立式三相分离器,如图4-23所示，是一立式三相分离器结构示意图。一个降液管用来输送液体，不致干扰撇沫作用的产生。一个连通管用来平衡下段和气体分离段的压力。分配器或降液管出口位于油水界面处。在处理含固体颗粒的油气水分离时，可设计成锥体底部，与水平线成450或600角度。,图4-23立式三相分离器结构,二、油水界面检测,油水界面检则方法；液位控制。,1.油水界面检则方法,油水界面检测方法主要有电阻法、电容法、微差压法、短波吸收法。由于插入三相分离器中的电极容易结垢，造成测量误差，现电阻法和电容法测量油水界面的方法已很少使用。,（1）微差压法,是利用差压计，接受油水界面变化所引起原油和水静水压差的变化来操纵出水阀的开度，实现油水界面的控制。,微差压法的优点是克服电极接触油水介质造成的腐蚀、结垢的影响，无论油水界面是否明显，都能够正常工作。缺点是油水相对密度差要求大于0.1，否则微差压计不能正常工作。,（1）微差压法,（2）短波吸收法,短波吸收法是将电能以电磁波的形式传到油水介质中，根据油、水吸收电能的差异来测量两种介质的量，从而控制油水界面。目前，在油田采用的油水界面变送器，能消除低频干扰，适用不同工况下介质的使用。短波吸收法法的优点是克服了电极易腐蚀、结垢、挂油等现象，界面控制稳定可靠。缺点是成本高，需要专门人员进行仪表的维护保养。,2.液位控制,图4-24表示在立式分离器内通常采用的三种不同的液面控制方法。,三、三相分离器计算,两相分离器的设计原则和各种计算公式同样适用于三相分离器的油气分离部分。水中油滴和油中水滴在分离器内的运动一般在层流范围内，油水两相的分离沉降分离可用斯托克斯方程计算。,三、三相分离器计算,三、三相分离器计算,式中D三相分离器直径，m；Qm混合液体积流量，m3/h；tr混合液停留时间，min；Leff分离有效长度，m。,分离器直径D计算应先设定分离有效长度Leff值，然后代入该公式计算D，并使Leff/D=35。若设定Leff和D的关系不在此范围，需重新设定Leff进行计算，使之符合Leff/D=35。,三相分离器直径计算：,三、三相分离器计算,混合液体积流量计算：式中Qm混合液体积流量，m3/h；Q0油的质量流量，kg/h；Qw水或醇的水溶液质量流量，kg/h；0油的密度，kg/m3；w水或醇的水溶液密度，kg/h。,三、三相分离器计算,油液层厚度计算：式中h0油液层