【《石油油水分离罐自动排水的理论分析综述》3500字】

第页辽石油油水分离罐自动排水的理论分析综述重力油水分离法的原理是：利用油与水之间的不相容性及较大密度差的特性，在静置混合液时，作为重组分的水相会下降，作为轻组分的油相会上升，从而达到初步分离油水的目的；利用静压强法排水的理论依据是：油水混合液在分离罐内充分静置并分层后开始排水，通过油水之间的压强差变化指引排水的具体流程。1.1分离罐工况各种不同的混合物组成原油罐内的混合液，现以分离罐为示例，利用油与水的不同密度及不相容性质，通过静压强法，分离罐内的混合液完成原油和水的初步分离过程。在进行油水分离加热的工作过程中,采用高温蒸气管路对罐内混合液进行持续性加热(50℃-80℃)方法或者是通过高温电加热方法进行间歇性加热,并不定时向罐中投放适量的破乳剂、乳化药剂溶液、降粘剂等化学药剂。经过一段时间在重力的作用下，混合液开始进行初步的分离过程：水和泥沙逐渐沉积到罐内底层，含水率较低的原油逐渐上升到中上层[38]。具体的工况如图2-1所示。图2-1分离罐工况示意图1.2重力油水分离法的理论基础在我国最常见的分离油水的处理方法就是重力油水分离法，较多应用于油田中的原油排水及工业中的污水处理，这种分离法原理简单，普适特性好，易于推广普及，因而在实际的工业生产当中有着不可替代的作用。该类分离技术中最主要的理论基础来自于“浅池理论”[39-42]。根据"浅池理论"的观点和论述,在理想状况下利用重力分离法对进出口油水和混合液进行分离,排除了紊流现象和对进出口油水流速不均等受影响的因素,设定L为分离罐的水平横向有效长度,H为分离罐内的油水界面层至罐底部实时高度,U是罐内油滴在水中的浮升速度,V为罐体内混合液的水平流动速度,经充分静置，分离罐内的油水混合液完成了重力分离之后，可得油水分离的条件为:LU由以上式可知,为了能够使得油水混合料尽可能地完全分离,油水混合料液位在分离罐内所需的时间应远远超过了油滴升高所需时间。众所周知，原油与水不相容，密度差别很大。在油水的密度差作用之下，单个油滴会通过浮起来进行分离。连续牛顿流体中的分散液滴的运动轨迹，根据相对运动理论，可以看做是液滴静止，周围流体围绕其运动的轨迹。在罐内的混合液分离运动过程中，我们假设为理想状态和理论情况下，即忽略分离液滴的破碎、聚结等情况和温度变化对液滴的影响，始终保持定义为分散相的液滴直径为固定值，分散小液滴对流场的影响微乎其微可以忽略不计。分离罐沉降区连续相流场对应于低雷诺数Stokes的层流区域。该区域内的液体可忽略其惯性力。那么宏观来看，油滴的上升运动轨迹和规律，符合斯托克斯定律[43]:例如当一个物体随着黏度牛顿流体匀速地移动时,物体的表面就会被附着了一层液体,这一层的液体和它所相邻的黏度牛顿液体层之间就会存在内部摩擦。因此,如果一个物体本身就是光滑的球体,液态物质相对于球体呈现出层流式的运动,那么该物质在其运动过程中必须要克服内部摩擦产生引起的外部阻力。如果r为球的半径,u为球体相对于液态的加速度,η为球体的粘度系数,这个方程叫做斯托克斯定律,根据斯托克斯定律计算,球体在空气中所受到的阻力系数为:F=6πηrU。基于重力分离法的油水分离设备，正是由科学家们利用这一基本原理而设计出来的，油滴的上浮速度U可以由Stokes公式得出:U=（2-2）上列公式中：U：液滴浮升的速度，（𝑚/𝑠）；ρd：分散相液滴（油相）的密度（kg/m3）；ρc：连续相流体（水相）的密度（kg/m3）：r：油滴的粒径（m）；μ：液体的动力粘度（Pa·s）。牛顿流体的一大特点表现为：温度的升高，黏性随之降低。对油水混合液进行加热将会使其黏性降低，进而提高油滴的浮速。考虑到实验室的安全问题，本文没有对此进行实验。而由(2-2)Stokes公式可知，罐体内的油滴向上浮升的速度U值增大可以加快油水分离的过程[44,45]。1.3基于静压强法对油水界面层位置的理论计算当流体处于绝对静止或相对静止的状态时，其不同高度位置所对应的压力强度，即是流体的静压强的准确定义。当流体完全静止，质点就没有了相对移位,黏性的影响也就不被显现出来。切应力不仅仅存在于一种静止的流体中,压强就是唯一具有的表面应力，其作为标量，大小和作用方向无关。因此，当分离罐内的混合液处于一个平衡状态时，只有法向应力作用于油水混合液而没有切向应力，油水混合液作用面上的负应力即为油水混合液的静压强[46,47]。由压强定义公式P=F/S计算罐内混合液产生的静压强P：P=F/S=ρπR2hg/πR2=ρhg=γh（2-3）上列公式中：P：罐内液体所处高度的压强（Pa）；ρ：罐内液体的密度（kg/m³）；g：重力加速度（定值常数取9.81）（N/kg）；H：液位高度（m）；γ1：原油比重（N/m³）；γ2：水比重，（N/m³）；P0：大气压力（Pa）；R：圆筒半径（m）。在该公式中的液体为牛顿流体，其固有性质——密度，仅与压力及温度相关。在超高超压条件时，压力对流体的密度影响较大；而温度也会因为物体的热胀冷缩性质而对密度产生一定的影响，考虑到本实验的工况为常温常压且无变化，且流体均为牛顿不可压缩流体，认定本实验的流体密度是定值常数，则γ为也为定值常数。随着罐内排水流程的进行油水界面层逐渐下降，油水界面层分别处于3种位置：①高位法兰以上、②两法兰之间、③低位法兰以下。（1）如图2-2所示，当油水界面层处于高位法兰以上时。不考虑温度变化，不考虑迁移量且法兰的安装位置确定，计算可得：图2-2油水界面层处于高位法兰以上由图可计算得出，压差器所受的正压P+：P+=压差器所受的正压P−P−=压差器显示的压差值：（2-6）由式（2-6）可得，当油水界面层高度始终大于H₂+H₃时，即油水界面层处于高位法兰以上，则压差∆P始终为定值常数γ2（2）如图2-3所示，当油水界面层处于高低位法兰之间时。不考虑温度变化，不考虑迁移量且法兰的安装位置确定，计算可得：图2-3油水界面层处于两法兰之间由图可计算得出，压差器所受的正压P+：P+压差器显示的负压P（2-8）压差器所受压的差值：∆P=（2-9）油水界面层距离罐底的高度H：（2-10）由式（2-10）得，当油水界面层处于两法兰之间，即油水界面层高度处于H₃和H₂+H₃中间时，压差∆P与H成线性关系。而H2、H3、γ1、γ2为定值，则油水界面层的高度H只与压差有关。（3）如图2-4所示，当油水界面层处于低位法兰以下时。不考虑温度变化，不考虑迁移量且法兰的安装位置确定，计算可得：图2-4油水界面层处于低位法兰以下由图可计算得出，压差器所受的正压P+：P+压差器所受的负压P−（2-12）差压器显示压差值：∆P=∆P=γ1H2（2-13）由式（2-13）可知，当对应的油水界面层高度始终小于H3时，即油水界面层处于低位法兰以下。压差ΔP始终为定值γ1H2。由以上诸式进行理论计算：式（2-6）－式（2-9）得：∆1=（γ2-γ1）（H2+H3-H）式（2-9）－（2-13）得：∆2=（γ2-γ1）（H-H3）当油水界面层处于高位法兰以上，以及油水界面层处于低位法兰以下时，理论压差值∆P为定值。因此着重研究图2-3的实验情况，当油水界面层位于两法兰之间，即油水界面层高度处于H₃和H₂+H₃之间时。可知式（2-14）：（γ2-γ1）（H2+H3-H）的值恒大于0，即∆1恒大于0；式（2-15）（γ2-γ1）（H-H3）中恒大于0，即∆由以上诸式，以压差∆P为纵轴，以油水界面层高度为横轴制图。为便于理解和制图，本文规定分离罐内低于低位法兰的区域为I区域；分离罐内高低法兰之间的区域为II区域；分离罐内高于高位法兰处的区域为III区域。当油水界面层在Ⅰ、Ⅲ区对应的压差理论值为恒定值，无法测量出油水界面层的具体高度，静压强只能在Ⅱ区域测得油水界面层高度的具体值，如下，图2-5所示为压差∆P与油水界面层高度H的理论计算预测曲线。图2-5压差△P与油水界面层高度H的理论预测曲线测量实验室内油罐的高位法兰的中心点距离罐底的垂直高度为0.6m，即H₂+H₃=0.6（m）；低位法兰中心点距离罐底垂直高度为0.3m，即H₃=0.3m；本文使用的实验用油为低稠轻质油，利用实验室的电子秤和烧杯计算得出大气压，20℃环境下该油密度为851.6Kg/m³，水的密度为998.232Kg/m³，重力加速度g=9.8N/Kg。根据图2-5压差∆P与油水界面层高度H的预测曲线，结合公式（2-10）可计算得出压差与油水界面层高度的表达式：H=∆P−2075.11432.8图2-6压差∆P与油水界面层高度H的理论预测曲线1.4小节归纳整理并计算分析了不同情况