气液分离【课堂课资】

1、第四章 气液分离,第一节 油气两相分离器 第二节 油气水三相分离器 第三节 分离器结构、控制和安全 第四节 多级分离,1,精制知识,两个重要概念 平衡分离：根据相平衡原理，组成一定的石油在某一压力和温度下，就有确定的气液相组成和数量，压力温度改变时，气液相组成和数量也随之而变，这就称为，为自发过程。 机械分离：为满足油气井产品计量、矿场加工、储存和管道输送的需要，将已形成的气液两相分开，用不同的管线输送，称之为。,2,第一节 油气两相分离器,在油气集输的过程中，油气混合物的分离总是在一定的设备中进行的。这种根据相平衡原理，利用油气分离机理，借助机械方法，把油井混合物分离为气相和液相的设备称为气

2、液分离器，或称油气分离器。,3,（一）分离器的类型,按外型分：立式，卧式 按功能分：油气两相分离器、油气水三相分离器、计量分离器、生产分离器。 按工作压力分：真空（6MPa）分离器 按工作温度分：常温、低温分离器 按实现分离主要利用的能量分：重力式、离心式和混合式,4,生产分离器与计量分离器,5,气液分离,1.卧式油气分离器,6,2.立式分离器 立式分离器与卧式相同，但分离器内气体携带油滴的沉降方向与气流方向相反，液体内夹带气泡的上浮方向和液体的流动方向相反。 3.分离器的基本组成 入口分流器：使混合物以很高的入口速度与入口装置碰撞，动量减小，气液得到初步分离，并使气液在各自的流通面积上有均匀

3、的流速。 重力沉降区：重力沉降部分的作用是在气体流速大大降低后，利用重力使气体中夹带的油滴最大限度地从气体中分离出来，进入集液区。,7,集液区：为液体提供必要的停留时间使液体进一步脱气，收集从重力沉降区和捕集器分出的液体，平衡进液量和排液量的不均衡，有一定的缓冲作用。 捕雾器：利用折板、丝网垫或能产生离心力的部件，除去气体中仍然携带的直径在10100 m之间的液滴。分离器中常用的捕雾器有折板式和丝网式等。 压力、液位控制： 安全防护部件：分离器是压力容器，按规定应在容器上安装防止超压的安全阀，有时还装有易爆片与安全阀一起保护分离器的安全运行。,8,4.卧式与立式分离器的比较： 在立式分离器重力

4、沉降和集液区内，分散相运动的方向与连续相运动的方向相反，而在卧式分离器中两者是垂直的。显然，卧式分离器的气液机械分离性能优于立式。 在卧式分离器中，气液界面面积较大，有利于分离器内气体达到相平衡。 无论是平衡分离还是机械分离，卧式分离器均优于立式，即：在相同气液处理量下，卧式分离器尺寸较小、制造成本较低。同时，卧式分离器有较大的集液区体积，适合处理发泡原油和伴生气的分离以及油气水三相分离。 卧式分离器还有易于安装、检查、保养，易于制成撬装装置等优点。,9,撬装分离器,10,立式分离器适合于处理固体杂质较多的油气混合物，可以在底部设置排污口定期排污。而卧式分离器设置的排污口多，并且效果也不好。

5、立式分离器，占地面积小，这对海洋采油、采气至关重要。 视油气混合物的组成不同，采用不同的分离器。在有乳状液、泡沫或高气油比的时候，卧式分离器较经济。在气油比很高和气体流量较小时，场地受限时，立式分离器比较合适。 5.涤气器： 是一种处理高气液比的分离器，用于分离气流内夹带的油滴。也有卧式和立式之分，但立式的使用较广。,11,涤气器使用的场合： 在生产分离器气体出口管线下游，回收气流中因温度、压力变化而产生的凝液； 在压缩机上游捕集气流内液滴，提高压缩机效率和寿命； 气体冷却器下游从气流中分离产生的凝液； 天然气脱水、脱酸气的设备上游，分离气流中的游离液体和固体杂质，以免影响脱水、脱酸气的效率并

6、损坏设备； 废气排放管或火炬上游应安装涤气器（也称分液罐），否则可能产生火雨。,12,优点：占空间小，效率高。 缺点：分离效果受油气混合物流速的影响敏感，有较大的压力降。 常用于天然气甘醇脱水塔气体出口下游，回收甘醇溶液。也常应用其原理作重力式分离器的入口分流器。,离心式分离器,6.其他形式的分离器,13,离心式分离器,油气,14,（二）对分离器的要求,要求：分离器应创造良好条件，使溶解于原油中的气体及气体中的重组分在分离压力和温度下尽量析出和凝析，使油气两相接近平衡状态。这就要求在分离器内的气液接触面积大，气液在分离器内有必要的停留时间。 分离器内油气接近平衡状态的程度可用原油脱气程度和天然

7、气通过分离气后的质量增加百分数表示。 式中 分离前、后原油的质量流量； 分离前、后天然气的质量流量；,15,油气混合物组成、分离压力、温度相同条件下，o和g越大，表示分离器内气液两相越接近平衡状态，分离器的平衡分离作用越完善。 影响分离性能的因素： 油气最大流量、最小流量和平均流量； 分离压力和温度； 油气混合物进入分离器时形成段塞流的倾向； 油气物性； 原油发泡倾向； 砂、铁锈等固体杂质含量； 油气混合物的腐蚀性等。,16,分离器质量检验指标,平衡分离效果 机械分离效果 停留时间,原油的脱气程度 天然气通过分离器后的质量增加率,气体带液率 液体带气率,分离器外形尺寸 处理能力的大小,17,分

8、离器的工艺计算,从气体中分出油滴的计算 从原油中分出气泡的计算,油滴沉降法,停留时间法,18,二、从气体中分出油滴的计算(ko),假设条件： 液滴为球形，在沉降过程中既不粉碎也不与其它液滴合并； 液滴与液滴、液滴与分离器壁以及其他构件间没有作用力； 气体在分离器重力沉降部分内的流动是稳定的，其流速不随时间变化； 作用在液滴上的合力为零，液滴匀速沉降。,(一)油滴匀速沉降速度,必要条件： 油滴沉降至集液部分所需的时间应小于气流把油滴带出分离器所需的时间。,19,油滴匀速沉降速度,重力,浮力,阻力,油滴匀速沉降时，合力为零：,20,上式中，油滴沉降阻力系数CD与油滴形状、周围气体流动状态有关。 流

9、态用雷诺数判断，雷诺数的表达式为：,阻力系数与雷诺数的关系,CD,21,1.按相关式计算油滴匀速沉降速度（阻力系数法）,计算粒径为dd的阻力系数CD时，需用迭代法。步骤为： 设CD=0.34，由式(4-4)计算该油滴的沉降速度vd； 由求得的vd按式(4-5)求Re； 由Re按式(4-6)求CD； 由CD按式(4-4)求vd，与上一个vd进行比较，若在控制误差范围内，计算所得的即为欲求的沉降速度； 否则，返回步骤直至前后两次求得的vd在控制误差范围内。,22,2.按流态分区计算油滴匀速沉降速度,应用不同流态区阻力系数CD的计算式，代入式（4-4）可求得不同流态区油滴的匀速沉降速度计算公式。,按

10、Re的大小，把CD与Re的关系划分为层流、过渡流、湍流，各流态区CD与Re的关系式由图4-6相应的曲线段拟合。,23,各流态区油滴匀速沉降速度计算公式,层流区,过渡区,湍流区,可见，油滴的匀速沉降速度与油滴直径、分离压力和温度有关。,d,d,d,24,油滴流态的判断,层流变为过渡流时,过渡流变为湍流时,当dd1时为层流，d1d2时为湍流。,25,3.图解法求油滴匀速沉降速度,由上式求得CDRe2后，由上图查得CD，代入式（4-4）可求得油滴的匀速沉降速度Vd。,联立式（4-4）和式（4-5）：,26,4.阿基米德准数法求油滴匀速沉降速度,令： ， 为无因次数，称为阿基米德准数， 与雷诺数有关，

11、其值见表4-2。,表4-2 Re与Ar数的关系,27,用阿基米德准数求油滴沉降速度时，先根据欲求沉降速度的油滴直径dd和分离条件下的油气物性参数，求出 后，在表4-2选择相应的公式算出Re，再按Re定义式（4-5）计算出油滴沉降速度Vd，这样避免了繁琐的迭代。,28,（二）气体允许流速和处理量,立式分离器中气流方向与油滴沉降方向相反。立式分离器油滴沉降的必要条件：油滴匀速沉降速度大于或等于气体在流通截面上的平均流速，即,卧式分离器中气体流向和油滴沉降方向垂直。卧式分离器油滴沉降的必要条件：油滴沉降至集液区所需的时间应小于或等于油滴随气体流过重力沉降区所需的时间，即,29,1.油滴沉降速度法求气

12、体允许流速,油滴直径100微米，用系数考虑理论与实际的偏差。,我国,俄罗斯,液位在一半直径处,即hD=0.5,立式 卧式,d,d,立式,d,30,按气体处理量确定分离器尺寸,已知重力沉降区气体允许流速Vg和分离条件下的气体处理量Qg 对于立式分离器： 对于卧式分离器：液面控制在0.5D处,考虑进入分离器的油气两相比例随时间的变化以及混合物流量的波动,引入载荷波动系数（1.21.5）。 采用标准状态下的气体处理量Qgs以及工程单位（m3/d）,31,液位0.5D处卧式分离器：,卧式分离器的气体处理能力为同直径立式分离器的Le/D倍。,立式分离器：,或,32,公式推导,考虑载荷波动系数 ：,（1）

13、,（2）,（3）,（4）,（5）,或,（6）,33,卧式分离器液位不在0.5D时,引入,则气体流通面积,根据几何关系,34,2、桑得斯布朗系数法,KSB称桑得斯布朗(souders-Brown)系数，具有速度量纲。KSB愈大，Vg 愈大，分离器的气体处理能力愈大。,表4-4 系数KSB值(装有丝网捕雾器),GPSA提供,35,立式分离器,卧式分离器,36,捕雾分离部件的作用利用碰撞、离心、聚结等原理，除去经分离后气体中仍然携带的直径在150500m之间的液滴。 分离器中常用的捕雾器有折板式、丝网式、填料式和离心式等不同型式，常用的是折板式和丝网式。,（三）捕雾器,碰撞分离原理图,37,38,1

14、.折板式捕雾器 它由若干固定间距的蛇形波纹板叠置而成，相邻两波纹板间形成曲折、变截面的流道。携带着小液滴的气体从流道中通过时，不断的改变速度方向和方向,使液滴与叶片表面连续的碰撞、凝聚，逐渐积累并沿叶片表面流至分离器的集液部分。 折板式捕雾器可水平安装也可垂直安装，由捕雾器分出的液体汇集后通过降液管进入分离器的集液部分。,39,常用气体处理能力和捕雾效率表示捕雾器的性能。气体处理能力Qg除以捕雾器气体流通面积Am即为捕雾器内的气体流速Vm,以Vm代替式（4-23）中的Vg ，此时的KSB为捕雾器的桑-布系数。该系数用于说明捕雾器的分离性能。见表4-5。 折板式捕雾器的优点是价格低廉，不易被蜡、

15、固体杂质堵塞，适用于处理比较脏的气体。但要定期用蒸汽清理捕雾器的流道，保持捕雾器有较高的性能。,40,41,2.丝网式捕雾器 丝网捕雾器，是一种由碳钢、不锈钢、铝、镍或是塑料丝编织而成的网垫，是碰撞型分离装置。细小的液滴通过丝网时，由于惯性碰撞、丝网的拦截和油滴的布朗运动的综合作用下不断聚结，当液滴增大到一定程度时，在重力的作用下滴入集液部分。 为提高捕雾效率，获取更小粒径的油滴，可用更细的金属丝或塑料丝加密原有的网垫，构成粗细丝组合式网垫。 丝网捕雾器适合于高油气比的气体净化，其除液效率高，达98以上，价格低廉；其缺点是易聚集石蜡、水化物、砂和其它固体杂质等，从而引起堵塞。,42,43,3.

16、迪克松板组 它由一系列平行薄板组成，板间距约25mm，与水平面的夹角为45，沿板长方向每隔一定距离开一个缺口。带液气体流经板组时，由于气体湍流度降低、油滴沉降距离减小，使油滴凝聚在润湿的板表面上，并经缺口流至集液区。 迪克松板组起着气体整流、强化重力沉降、减少进入捕雾器的气体带液量、提高捕雾器除油效率的作用，因而属于气体预处理或气体调质部件，不能代替捕雾器。 4.填料式捕雾器 用随机堆放的填料作为捕集器，捕集气流中的油滴，但使用的不太广泛。,44,45,影响原油含气率多少的因素： （1）原油粘度。粘度愈大，原油中夹带的气泡不易浮至液面，造成原油含气率增高； （2）原油在分离器中停留的时间。原油

17、停留时间过短，溶解于原油中的气泡来不及析出或已析出的气泡来不及浮至液面就被带出分离器，造成原油含气率增高； （3）分离压力。压力愈高，气液密度差愈小，气泡愈不易浮至液面，使原油含气率增高。 （4）分离器入口元件的压降。压降，析出的溶解气，流出的原油中容易夹带气泡，原油含气率增高。,三、从液相内分出气泡(kg),46,有些原油所含气泡上升至油气界面后并不立即破裂，在气泡消失前有一段寿命，使许多气泡聚集在油面上形成泡沫层，泡沫层的体积甚至可占分离器容积的一半，具有这种性质的原油称发泡原油。 原油发泡对油气分离器的危害： 液位难以控制； 减少了重力沉降和集液区的有效体积，使油气分离工况恶化； 气体中

18、带油量和原油中带气量增多。,（二）原油停留时间,47,原油发泡原因是由于原油内存在许多天然表面活性剂，如胶质、沥青质、蜡、微小固体杂质等，这些天然表面活性剂浓集于原油表层内，降低了原油的表面能，因而气泡不易破裂、形成较稳定的泡沫层。 原油发泡对分离器液体处理能力的影响很难从理论上解决，只能依靠先导试验或经验，要求原油在分离器内停留一定时间，以达到流出分离器原油的含气率不超过规定值。 目前，我国油气集输规范中规定，一般原油的停留时间为13min，起泡原油的停留时间为520 min。,48,根据现场先导试验、或按表4-8、4-9推荐的数据确定了原油停留时间tr，就可根据液体处理量Qo和物料平衡确定

19、分离器的体积。 立式分离器 式中 ho集液段高度。 卧式分离器 我国常将液体处理量Qo乘以载荷系数。,49,四、分离器外形尺寸,1.分离器圆筒长度 圆筒长度指分离器两端封头与筒体焊缝间的长度，在初步计算分离器外形尺寸时可按以下经验关系进行。 卧式分离器：气相Lss=Le+D;液相Lss=4Le/3 立式分离器：常根据工艺计算求得分离器直径D（m）和集液区高度h（m）后，可按以下两式计算并取较大值。 Lss=h+1.95m 或Lss=h+D+1 Lss筒体焊缝间的长度，m。,（一）分离器长径比,分离器圆筒部分长度与直径的比值称长径比，对立式分离器也可称为高径比。,50,制造成本：根据P236式(

20、4-35)计算。 3.液体再携带 液体再携带：是气液分离的逆过程，即得到分离的液体再次被气体卷起成油雾，随气体流出分离器。 为避免发生液体再携带，卧式分离器内气体真实流速应小于最大容许气体流速，这就要求气体有足够大的流通面积，即要求分离器有较大的直径，使L/D不能过大（Viles）。 高压（7Mpa）下工作的分离器，处理重质原油（相对密度大于0.88）的分离器容易发生液体再携带，除了要求使L/D不能过大外，分离器内液位也不能过高。,.制造成本,51,4.长径比 长径比：根据经验并综合考虑制造成本和液体再携带问题后，立式和卧式分离器长径比一般为3-4，不应超过5；若立式分离器高度有限制时，长径比

21、可取2-3。 （二）分离器系列化 分离器尺寸已系列化，在设计分离器时应选用系列规定的分离器尺寸。我国立式分离器的直径范围600l600mm，增量为200mm，高度范围1.86.4m，增量为0.8 m；卧式分离器直径范围6004000mm，增量为200 mm，圆筒长度范围1.816.8 m，增量0.8 m。,52,（三）分离器的设计计算步骤 分离器工作时应同时满足从气体中分离出液滴、从液体中分出气泡以及液体停留时间的要求。其步骤是： 根据气液平衡计算中所确定的气液处理量、物性以及分离压力、温度等基础资料，并参照现场具体情况选择分离器的类型(步骤 的顺序由气油比决定)。 按照从原油中分离出气泡的要

22、求，由原油性质、先导试验和操作参数确定液体在分离器内的停留时间，并根据对分离器L/D的推荐范围初步确定分离器的直径和长度（或高度）。,53,按照从气体中分出油滴的要求，计算100或150m直径油滴的匀速沉降速度和允许气体流速，并根据分离器的推荐L/D范围，确定分离器的直径和长度（或高度）。 比较步骤、的计算结果，选较大者作为分离器的结构尺寸。当处理量较大时，可选多台分离器并联工作，但不设备用设备。 参照分离器的系列化尺寸，满足气液处理量的分离器可能有多种D和L的组合，应对各种组合进行比选后选择最佳组合，并确定分离器的其他结构尺寸。如，确定除雾器的类型和结构尺寸等。,54,五、分离器内部构件,(

23、一)入口分流器功能： 减小液体动量，有效地进行气液初步分离； 尽量使分出的气液在各自的流道内分布均匀； 防止分出液体的破碎和液体的再携带。 人们近期才发现入口分流器对分离器的分离性能有着重要的影响。 入口分流器形式：窄缝式、碰撞式、旋流式、稳流式等。,55,窄缝式：为一个两头封闭的水平管，沿管长度方向有多条窄缝，油气混合物经窄缝流出得到初步分离。,56,碰撞式：使油气混合物碰撞在蝶形或锥形板上，迅速改变流体方向和速度，使油气初步分离。,57,旋流式：依靠油气混合物自身能量产生旋转运动，由离心力使油气初步分离，如立式分离器的切向入口（美国）。,58,稳流式：油气混合物进入接收室A底部，油气经溢流

24、板1上方进入疏流室B，含气原油经开有许多小孔的疏流板时，气泡（油滴）表面积增大，易于破裂（被疏流扳润湿表面聚结）而进入气相（下淌至集液区）（俄罗斯）。,59,（二）防涡器 由于液面过低及排出流体的虹吸作用，分离器排液（排气）口可能产生液体（或气体）漩涡，在排液口带入气体、在排气口带入液体，使分离效果变差，为防止漩涡，在排液（排气）口设置防涡器。 （三）防波板（P295 图5-8） 对较长的卧式分离器需安装防波板。防波板是安装于气液界面处垂直于流体流动方向的垂直挡板，阻止液面波浪的传播。 （四）消泡板 分离器处理发泡原油时常在气液界面处积聚气泡层，使气泡通过一系列倾斜平行板(或管子)可使气泡聚结

25、、破灭，如图4-20所示。,60,三相分离器具有将油井产物分离为油、气、水三相的功能，适用于含水量较高，特别是含有大量游离水的油井产物的处理。这种分离器在油田中高含水生产期的集输联合站内，得到广泛的应用。 常用的卧式三相分离器如图421所示，立式三相分离器如图422所示，其工作原理、使用特点等与两相分离器类似。,第二节油气水三相分离器,61,62,第四节、气液分离,理论上，分离方式有三种：一次分离、连续分离和多级分离。 1、一次分离 是指油气混合物的气液两相在保持接触的条件下逐渐降低压力，最后进入常压储罐，在储罐内进行气液分离。 一次分离是在大罐内的一次平衡汽化，因此组分的分离很不完善。 一次

26、分离方式不能充分利用井口能量而在大罐全部卸掉；而且油气同时进罐对油罐的冲击力很大；如果不收集气体会造成严重浪费和污染。实际生产中并不采用。,一、分离方式,63,气液分离,2、连续分离 是指随油气混合物在管路中压力的降低，不断地将析出的平衡气排出，直到压力降为常压，最后进入储罐。 又称为微分分离或微分汽化，在实际生产中难以实现。,64,多级分离是指油气两相保持接触的条件下，压力降到某一数值时，将降压过程中析出的气体排出，脱除部分气体的原油继续沿管路流动，压力降到另一较低数值时，把该段降压过程中析出的气体排出，如此反复直至压力降为常压，产品进入储罐为止。 每排一次气作为一级，排几次气称为几级分离。但习惯上不把储罐计入多级分离的级数内。,3、多级分离,2,6,二级分离流程,65,分离方式分离效果的衡量标准,储罐中原油的收率； 储罐中原油的密度； 储罐中原油的组成是否合理； 天然气的组成是否合理； 天然气的输送压力是否较高；,二、多级分离的效果,66,气液分离,储罐一次分离（L0.3974，V0.6026) 分离条件：P0.1MPa，T49,67,气液分离,二级分离 分离条件：P13.4MPa，P20.4