立式分离器的设计

PAGE立式分离器的设计一、课程设计的内容在老师指导下，根据给定的原油组成、分离条件、停留时间等基础数据，按规范要求独立完成分离器结构尺寸设计。二、课程设计的要求与数据（一）基础数据表1原油的质量组成组分质量Wi，克分子量MiC1112.716C221.330C328.244C422.658C521.572C640.886C7+752.9287合计1000表2分离器结构尺寸设计相关参数处理能力，吨/日140进站压力MPa3.2分离温度℃50长细比3停留时间1分钟y/2r0.6（二）设计要求1.初级分离段应能将气液混合物中液体大部分分离出来。2.集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。3.有足够的长度和高度，使直径100um以上的油滴靠重力沉降，以防气体过多地带走油滴。4.在分离器的主体部分应有减少紊流的措施，保证液滴沉降。5.要有捕集器除雾，以捕捉二次分离后气体中更小的液滴。6.要有压力和液面控制。三、课程设计应完成的工作1.课程设计时间：2周；2.课程设计内容：（1）根据处理量、物性、分离压力、分离温度等基础资料进行相平衡计算，确定气液质量和密度。（2）按照从原油中分出气体的要求，由原油性质和操作经验确定原油在分离器内的停留时间，对缓冲分离器需考虑缓冲时间，据此初步确定分离器尺寸。（3）按照从气体中分出油滴的要求，计算100微米的油滴在气相中的匀速沉降速度Wo，分离器允许的气体流速Wg，分离器直径D，长度L(或高度H)等结构尺寸。（4）比较步骤2和3的计算结果，选较大者作为分离器尺寸。3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：（1）摘要；（2）目录；（3）正文；（4）结论；（5）参考文献（不少于5篇）；（6）附录。四、课程设计进程安排五、应收集的资料及主要参考文献（1）\o"郭福民张学礼译"郭福民，张学礼，《油气分离器原理设计与计算》，上海交通大学出版社；（2）刘祎，《天然气集输与安全》，中国石化出版社；（3）冯叔初，郭揆常，《油气集输与矿场加工》，中国石油大学出版社；（4）张建，《油田矿场分离技术与设备》，中国石油大学出版社；（5）戴静君，董正远，田野，《油气集输》石油工业出版社PAGE5摘要本设计针对含油气田原油分离的实际工程需求，根据给定的原油组成、分离条件及停留时间等基础数据，按照规范要求独立完成立式油气两相分离器的结构尺寸设计。首先，根据原油的质量组成进行相平衡计算，确定气相和液相的质量流量及物性参数；其次，按照液体停留时间要求初步确定分离器的容积和尺寸；然后，根据气体中油滴沉降分离的要求，计算允许气体流速及分离器直径；最后，综合两方面结果并考虑结构设计规范要求，确定分离器的最终结构尺寸。设计结果满足初级分离、缓冲储存、重力沉降、除雾捕集及压力液面控制等各项要求。关键词：油气分离器；相平衡；停留时间；沉降速度；结构尺寸设计

目录TOC\h\o"1-3"第一章绪论 91.1设计背景与意义 91.2分离器类型概述 9第二章基础数据与设计参数 102.1原油组成 102.2分离条件与设计参数 10第三章相平衡计算 113.1摩尔组成计算 113.2泡点压力试算 113.3气液相摩尔分数试差计算 133.4气液相质量分配计算 14第四章物性参数计算 164.1气相物性 164.2液相物性 17第五章油滴沉降速度计算 185.1流态判别（阿基米德数法） 185.2油滴沉降速度 185.3气体允许流速 18第六章按停留时间确定分离器尺寸 196.1产油量与产气量 196.2液体体积流量 196.3按停留时间初估直径 19第七章按沉降要求确定分离器尺寸 197.1气相体积流量 197.2分离器直径计算 19第八章尺寸综合比较与最终确定 218.1两种方法结果比较 218.2最终结构尺寸确定 218.3实际停留时间校核 218.4实际气体流速校核 21第九章分离器结构设计 229.1结构设计总体方案 229.2各部件设计 229.2.1进口分流器 229.2.2重力沉降段 229.2.3丝网除雾器 229.2.4集液段 229.2.5压力与液面控制 229.3接口设计 229.4壁厚计算 23第十章设计结果汇总 24结论 25参考文献 26附录 27附录A主要符号说明 27附录B计算校核记录 27

PAGE9第一章绪论1.1设计背景与意义在油气田开发与集输过程中，从井口采出的流体通常为油、气、水及固体杂质的混合物。油气分离器是油气集输系统中的关键设备，其作用是将井流中的油气进行有效分离，为后续的处理、储存和外输提供合格的原油和天然气。分离器的设计合理与否直接影响油气集输系统的运行效率、产品质量和经济性。本课程设计以给定的原油组成和分离条件为基础，按照石油行业标准规范，独立完成立式油气两相分离器的结构尺寸设计，旨在培养学生综合运用相平衡理论、流体力学和分离工程知识解决实际工程问题的能力。1.2分离器类型概述油气分离器按外形可分为卧式分离器和立式分离器两大类。立式分离器具有结构紧凑、占地面积小、液体沉降距离短、气体流速分布均匀等优点，适用于气液比较小的场合。本设计采用立式两相分离器。

第二章基础数据与设计参数2.1原油组成给定原油的质量组成如表2-1所示。表2-1原油的质量组成组分质量Wᵢ(g)分子量Mᵢ质量分率C₁112.7160.1127C₂21.3300.0213C₃28.2440.0282C₄22.6580.0226C₅21.5720.0215C₆40.8860.0408C₇⁺752.92870.7529合计1000—1.00002.2分离条件与设计参数分离器结构尺寸设计相关参数见表2-2。表2-2分离器设计参数参数数值处理能力（吨/日）140进站压力P（MPa）3.2分离温度T（℃）50长细比H/D3停留时间τ（min）1y/D（液高/直径）0.6

第三章相平衡计算3.1摩尔组成计算由各组分的质量和分子量计算摩尔数Nᵢ=Wᵢ/Mᵢ，结果见表3-1。表3-1原油质量组成与摩尔组成组分Wᵢ(g)MᵢNᵢ(mol)zᵢMᵢ×zᵢC₁112.7167.04380.57839.253C₂21.3300.71000.05831.749C₃28.2440.64090.05262.314C₄22.6580.38970.03201.856C₅21.5720.29860.02451.764C₆40.8860.47440.03893.345C₇⁺752.92872.62260.215361.789合计1000—12.18001.000082.070平均分子量：M̄=1000/12.1800=82.07g/mol3.2泡点压力试算分离压力P=3.2MPa（绝压），分离温度T=50℃。查附录A（p-T-K图）得各组分在不同压力下的平衡常数Kᵢ，计算∑yᵢ=∑Kᵢzᵢ，泡点压力试算过程如下。第一次试算：P=2.5MPa组分zᵢKᵢyᵢ=Kᵢzᵢ∑yᵢC₁0.57836.203.585C₂0.05831.670.097C₃0.05260.6150.032C₄0.03200.1220.004C₅0.02450.0800.002C₆0.03890.0350.001C₇⁺0.21531.510.325合计1.0000——4.046P=2.5MPa时，∑yᵢ=4.046>1，说明压力低于泡点压力。第二次试算：P=3.2MPa（操作压力）组分zᵢKᵢyᵢ=Kᵢzᵢ∑yᵢC₁0.57835.052.921C₂0.05831.420.083C₃0.05260.520.027C₄0.03200.210.007C₅0.02450.090.002C₆0.03890.040.002C₇⁺0.21530.120.026合计1.0000——3.068P=3.2MPa时，∑yᵢ=3.068>1，仍需提高压力。第三次试算：P=4.0MPa组分zᵢKᵢyᵢ=Kᵢzᵢ∑yᵢC₁0.57833.952.284C₂0.05831.180.069C₃0.05260.380.020C₄0.03200.160.005C₅0.02450.070.002C₆0.03890.030.001C₇⁺0.21530.060.013合计1.0000——2.394P=4.0MPa时，∑yᵢ=2.394>1，压力仍低于泡点压力。第四次试算：P=5.5MPa组分zᵢKᵢyᵢ=Kᵢzᵢ∑yᵢC₁0.57832.421.399C₂0.05830.760.044C₃0.05262.680.141C₄0.03200.0980.003C₅0.02450.0330.001C₆0.03890.0120.000C₇⁺0.21530.0030.001合计1.0000——1.589由以上四次试算结果，∑yᵢ随压力升高而降低。用内插法估算泡点压力：在P=4.0MPa时，∑yᵢ=2.394；在P=5.5MPa时，∑yᵢ=1.589。泡点压力对应∑yᵢ=1，通过内插法：Pᵢ≈4.0+(5.5-4.0)×(2.394-1)/(2.394-1.589)≈4.0+1.5×1.394/0.805≈6.6MPa泡点压力Pᵢ≈6.6MPa>操作压力3.2MPa，说明在分离条件下原油中有气体析出，分为气液两相。3.3气液相摩尔分数试差计算设体系总摩尔数为1，气相摩尔分数为V，液相摩尔分数为L=1-V。平衡关系为：xᵢ=zᵢ/(L+VKᵢ)yᵢ=Kᵢxᵢ第一次试差取V=0.65，L=0.35：C₁：x₁=0.5783/(0.35+0.65×5.05)=0.1512y₁=5.05×0.1512=0.7636同理计算其余组分，得∑xᵢ=1.025，∑yᵢ=1.072，不满足收敛条件。第二次试差取V=0.68，L=0.32：C₁：x₁=0.5783/(0.32+0.68×5.05)=0.1467y₁=5.05×0.1467=0.7408同理计算其余组分，得∑xᵢ=0.998≈1，∑yᵢ=1.008≈1，满足物料平衡。故取：V=0.68，L=0.32表3-2气液相平衡摩尔分数组分zᵢKᵢxᵢ（液相）yᵢ（气相）C₁0.57835.050.14670.7408C₂0.05831.420.05620.0798C₃0.05260.520.06630.0345C₄0.03200.210.04620.0097C₅0.02450.090.03310.0030C₆0.03890.040.05420.0022C₇⁺0.21530.120.59730.0717合计1.0000—0.99801.0083.4气液相质量分配计算以1000g原油为基准，计算各组分在气、液相中的质量：WᵢL=Wᵢ×(xᵢL/zᵢ)WᵢG=Wᵢ-WᵢLC₁为例：x₁L/z₁=0.1467×0.32/0.5783=0.0812WᵢL=0.0812×112.7=9.15gWᵢG=112.7-9.15=103.55g表3-3气液相质量分配表（基准1000g原油）组分Wᵢ(g)zᵢxᵢxᵢL/zᵢWᵢL(g)WᵢG(g)合计C₁112.70.57830.14670.08129.15103.55C₂21.30.05830.05620.30856.5714.73C₃28.20.05260.06630.403411.3816.82C₄22.60.03200.04620.462010.4412.16C₅21.50.02450.03310.43279.3012.20C₆40.80.03890.05420.445818.1922.61C₇⁺752.90.21530.59730.8875668.3084.60合计1000———733.33266.671000分离后液相质量=733.33g，气相质量=266.67g。液相质量分率fᵌ1=733.33/1000=0.7333气相质量分率fₑ=266.67/1000=0.2667

第四章物性参数计算4.1气相物性气相组成（摩尔分率）见表4-1。表4-1气相组成与平均分子量组分yᵢMᵢMᵢ×yᵢ备注C₁0.74081611.853C₂0.0798302.394C₃0.0345441.518C₄0.0097580.563C₅0.0030720.216C₆0.0022860.189C₇⁺0.071728720.578合计1.0000—37.311气相平均分子量：Mₑ=37.311/1.0000=37.31g/mol相对密度：Δₑ=Mₑ/28.96=37.31/28.96=1.288临界压力：Pₑ=(55.3-10.4√Δₑ)×10⁵=(55.3-10.4×1.135)×0.1=4.36MPa临界温度：Tₑ=12+238√Δₑ=12+238×1.135=282.1K对比压力：Pᵛ=P/Pₑ=3.2/4.36=0.734对比温度：Tᵛ=T/Tₑ=(273+50)/282.1=323/282.1=1.145压缩因子：Z=1+(0.34Tᵛ-0.6)Pᵛ=1+(0.34×1.145-0.6)×0.734=0.918标准状态下气体密度：ρₑₙ=Mₑ/22.4=37.31/22.4=1.665kg/m³操作条件下气体密度：ρₑ=ρₑₙ×(P/P₀)×(T₀/T)×(1/Z)ρₑ=1.665×(3.2/0.1013)×(273/323)×(1/0.918)=48.2kg/m³气体动力粘度取：μₑ=1.1×10⁻⁵Pa·s4.2液相物性取原油20℃密度ρ₂₀=855kg/m³，温度修正系数：ξ=1.828-0.00132ρ₂₀=1.828-0.00132×855=0.699kg/(m³·℃)50℃时液相密度：ρᵌ1=ρ₂₀-ξ(T-20)=855-0.699×(50-20)=834.0kg/m³≈834kg/m³

第五章油滴沉降速度计算5.1流态判别（阿基米德数法）油滴直径dₑ=100μm=1×10⁻⁴m阿基米德数：Ar=dₑ³(ρᵌ1-ρₑ)ρₑg/μₑ²Ar=(10⁻⁴)³×(834-48.2)×48.2×9.81/(1.1×10⁻⁵)²=3940查附录D可知：油滴处于过渡流区（Allen区）。雷诺数：Re=0.153Ar⁰⁽⁷¹⁴=0.153×3940⁰⁽⁷¹⁴=56.5Re=56.5，处于2<Re≤500范围内，确认为过渡流区。5.2油滴沉降速度过渡流区油滴沉降速度按阿伦公式计算：vᵤ=Re×μₑ/(dₑ×ρₑ)vᵤ=56.5×1.1×10⁻⁵/(10⁻⁴×48.2)=0.129m/s5.3气体允许流速vₑ₀₁=0.7vᵤ=0.7×0.129=0.090m/s

第六章按停留时间确定分离器尺寸6.1产油量与产气量以1000g原油为基准，液相质量分率0.7333，气相质量分率0.2667。处理量140t/d时：产油量：Gᵌ1=0.7333×140=102.66t/d=102660kg/d产气量：Gₑ=0.2667×140=37.34t/d=37340kg/d6.2液体体积流量Qᵌ1=Gᵌ1/ρᵌ1=102660/834=123.1m³/d=0.0855m³/min6.3按停留时间初估直径停留时间τ=1min，液位高度y=0.6D。液相所占体积：Vᵌ1=Qᵌ1×τ=0.0855×1=0.0855m³Vᵌ1=(πD²/4)×0.6D=0.471D³D³=Vᵌ1/0.471=0.0855/0.471=0.1815D=0.566m≈570mm按停留时间法初估结果：D₁=570mm第七章按沉降要求确定分离器尺寸7.1气相体积流量标准状态下气体体积流量：Qₑₙ=Gₑ/ρₑₙ=37340/1.665=22426Nm³/d操作条件下气体体积流量：Qₑ=Qₑₙ×(P₀/P)×(T/T₀)×ZQₑ=22426×(0.1013/3.2)×(323/273)×0.918=778m³/d=0.0090m³/s7.2分离器直径计算气体流通截面积：Aₑ=Qₑ/vₑ₀₁=0.0090/0.090=0.100m²对于立式分离器，气体流通截面为筒体横截面积：D²=4Aₑ/π=4×0.100/3.1416=0.127D₂=0.357m≈360mm按沉降要求计算结果：D₂=360mm

第八章尺寸综合比较与最终确定8.1两种方法结果比较表8-1两种方法计算结果比较项目停留时间法沉降速度法筒体直径D(mm)570360控制因素液体缓冲气体带液比较两种方法的计算结果，停留时间法确定的直径（570mm）大于沉降速度法确定的直径（360mm）。根据设计要求，应取较大值以保证足够的液体缓冲容积和分离效果。8.2最终结构尺寸确定取筒体内径D=600mm（圆整至标准系列DN600）筒体高度H=3D=3×600=1800mm圆整说明：（1）停留时间法计算D=570mm，圆整至标准系列取DN600；（2）长细比H/D=3，故H=3×600=1800mm；（3）实际长细比H/D=1800/600=3，满足要求；（4）实际液体填充高度hᵌ1=0.6D=360mm。8.3实际停留时间校核实际液相容积：Vᵌ1'=(π×0.6²/4)×0.36=0.1018m³τ'=Vᵌ1'/Qᵌ1=0.1018/0.001619=62.9s≈1.05min实际停留时间1.05min>设计值1min，满足要求。8.4实际气体流速校核Aₑ'=π×0.6²/4=0.2827m²vₑ'=Qₑ/Aₑ'=0.0090/0.2827=0.0318m/s允许流速vₑ₀₁=0.090m/s，实际流速0.0318m/s<0.090m/s，满足沉降分离要求。

第九章分离器结构设计9.1结构设计总体方案本设计为立式两相油气分离器，结构包括：初级分离段（进口分流器）、重力沉降段（主体部分）、除雾段（丝网捕集器）、集液段、压力与液面控制系统。9.2各部件设计9.2.1进口分流器在进口处设置挡板式分流器，使气液混合物撞击挡板后实现初级分离，大部分液体被初步分离出来流入集液段。挡板与进口轴线夹角取45°。9.2.2重力沉降段筒体主体部分（直径600mm，高度1800mm）为重力沉降段。内部设置多层平行板以减少流体紊流，保证液滴沉降效果。平行板间距取100mm，共设置4层。9.2.3丝网除雾器在气体出口前设置丝网除雾器，用于捕集气体中携带的细小液滴（直径<100μm）。丝网材料选用不锈钢丝，厚度取100mm，安装位置距筒体顶端150mm。9.2.4集液段筒体底部为集液段，液体填充高度360mm（y/D=0.6），有效储液容积0.102m³，可缓冲来油管线液量波动。9.2.5压力与液面控制（1）压力控制：设置压力调节阀，维持分离器内压力稳定在3.2MPa；（2）液面控制：设置液位变送器和调节阀，控制液位在设定高度（hᵌ1=360mm），防止液体过多或过少。9.3接口设计（1）进口：DN80法兰接口，位于筒体前端上方；（2）气体出口：DN50法兰接口，位于筒体后端上方；（3）液体出口：DN80法兰接口，位于筒体底部后端；（4）排污口：DN25法兰接口，位于筒体底部最低点；（5）安全阀接口：DN50法兰接口，位于筒体顶部。9.4壁厚计算按GB150《压力容器》规定计算筒体壁厚：δ=(P×D)/(2[σ]×φ-P)+C其中：P=3.2MPa，D=600mm，[σ]=170MPa（Q345R），φ=0.85，C=2mmδ=(3.2×600)/(2×170×0.85-3.2)+2=1920/288.3+2=6.7+2=8.7mm取筒体壁厚δ=10mm。封头壁厚取与筒体相同，即10mm。

第十章设计结果汇总表10-1立式分离器主要设计结果项目设计结果分离器类型立式两相分离器筒体内径D(mm)600筒体高度H(mm)1800长细比H/D3液体填充高度hᵌ1(mm)360筒体壁厚δ(mm)10封头壁厚(mm)10实际停留时间(min)1.05气体实际流速(m/s)0.0318气体允许流速(m/s)0.090处理量(t/d)140设计压力(MPa)3.2设计温度(℃)50

结论本设计根据给定的原油组成（C₁~C₇⁺）、处理能力140t/d、进站压力3.2MPa、分离温度50℃等基础数据，按照规范要求完成了立式油气两相分离器的结构尺寸设计。主要结论如下：（1）通过三次泡点压力试算（P=2.5、3.2、4.0、5.5MPa），确定泡点压力约为6.6MPa>操作压力3.2MPa，在操作条件下原油析出气体，分为气液两相。（