发泡原油气液分离器的设计.pdf

第 4 3卷第7期 2 0 1 4 年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 1 ． 4 3 ． N O ． 7 J u l y， 2 0 1 4 发泡原油气液分离器 的设计 陈朝辉，李 中国石油大学， 男，刘楚茹 北京 昌平1 0 2 2 4 9 摘 要 原油发泡使得油气分离效率低，造成很大的计量误差 ，并会对设备造成损害。针对发泡原油的 特性 ，研制了发泡原油气液分离器。介绍了发泡原油分离器的整体结构、工作原理 、技术创新以及内部构件的 设计。分析了气液旋流器的数值模拟结果，并且优化了气液旋流器的结构。 关键词机械消泡；气液分离器；设计；数值模拟 中图分类号T E 8 6 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 4 0 7 1 2 9 3 0 4 De s i gn o f Ga s l i qu i d S e pa r a t o r f o r Fo a m i n g Cr ud e C HEN Ch a o h u i ．L 1 Na n，L I U Ch u r u C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m, B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Oi l f o a mi n g c a n r e d u c e t h e e ffi c i e n c y o f o i l a n d g a s s e p a r a t i o n， wh i c h wi l l c a u s e me a s u r e me n t e r r o r a n d d a ma g e t o t h e d e v i c e s ．A g a s l i q u i d s e p a r a t o r wa s d e s i g n e d b ase d o n p r o p e r t i e s o f f o a mi n g c r u d e o i l ． T h e o v e r a l l s t r u c t u r e ，o p e r a t i n g p r i n c i p l e ，t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n a n d d e s i g n o f t h e i n t e rn a l c o mp o n e n t s o f t h e s e p a r a t o r we r e d e s c r i b e d ． Th e s t ruc t u r e o f g a s - l i q u i d c y c l o n e wa s o p t i mi z e d b a s e d o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n ． Ke y wo r d s Me c h ani c a l d e f o a mi n g ； Ga s l i q u i d s e p a rat o r ； De s i gn ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 气液分离器广泛应用在油 田接转站和联合站中， 油井采出液在接转站或联合站中首先要进行气液分 离 ，以便进行分别计量 。原油发泡使得油气分离不 彻底 ，增大仪表计量误差 ，并会对设备造成损害。 特别是稠油粘度大 、胶质沥青质含量高，使得原油 易气泡且气泡膜强度大，导致 自 然消泡时间长，易 形成稳定的泡沫原油 ⋯。 因此，如何高效率地处理发泡原油是需要解决 的一个重要问题。本文针对发泡原油的特性 ，对气 液分离器的结构进行改造设计 。 l 原油发泡机理及危害 1 ． 1 发泡机理 泡沫是气体被液体包住而形成的一种不稳定 分散体系。发泡和液体的化学组成，物化性质及其 他工作条件有关。纯净液体不能形成稳定泡沫，这 是因为其表面与内部组成相同 ，形成泡沫后液膜收 缩趋势大 ，容易破灭 。如果体系中存在一些表面活 性物质 ，它吸附在气液界面上从而降低了介质 的表 面张力。同时由于这种物质形成吸附层时不易达到 饱和，只是浸在液体中的组分比浸在气体中的多， 这样泡沫内壁形成的定向排列使相邻气泡不易合 并 ，从而使泡沫更稳定 。因稠油含有大量的胶质 和沥青质， 具有较高的表面活性及很高的表面粘度， 由其分子组成以及物化性质决定了稠油具有较强的 起泡性 。 1 ． 2 气泡的危害 原油发泡带来许多危害 ， 造成巨大的经济损失。 1 发泡会造成油气油气分离不彻底 、处理 量减少，增大仪表计量的误差。 2发泡会造成装置运行不正常或者产 品不 合格 ，现场反应会 出现 “ 冒罐”的严重问题。并且 在严重发泡情况下很难对工艺过程进行监控 。 3 泡沫会增大液体的体积，从而使设备和 管线的钢材消耗量。 1 ． 3 消泡方法及气液分离器原理 工业上消泡的主要方法 有 以下几种 、自然 消泡 、化学消泡 、物理消泡和机械消泡 。物理消泡 方法有热学消泡 、电法消泡 、声学消泡和真空消泡 等。机械消泡的基本类型有离心式、喷射式、档板 式 、消泡网式和综合式。气液分离器根据气液分离 原理可分为 重力沉降分离、 过滤分离、惯性分 离和离心分离。 2 发泡原油气液分离器设计与研究 2 ． 1 主要设计参数及工作原理 发泡原油气液分离器的主要设计参数如下 1 设计压力 0 ． 8 MP a ； 收穑 日期 2 0 1 4 - 0 5 2 1 作者简介 陈朝辉 1 9 9 3 一 ，男，河南洛阳人，研究方向油气储运工程。E - m a i l 1 8 9 3 9 0 0 1 5 3 5 1 6 3 ． c o m 。 化 工 2 0 1 4年 7月 2设计温度 9 0℃； 3设计处理量 l 0 0 0～2 0 0 0 m ／ d ； 4规格型号 2 4 0 0 m m x 7 2 0 0 m m； 5 气体脱除率19 5 ％； 6原油含水率 ≤9 2 ％。 发泡原油气液分离器的结构简图如 图 1 所示 ， 其工作原理是 采出液切向进入气液旋流器 。气体 在压力梯度和离心力的作用下 向中心聚拢 ，螺旋 向 上进入溢流口，再经气体凝结器和丝网捕雾器后排 出。液体在离心力 的作用下紧贴壁面旋转进入底流 口，再均匀流 向折流板 。经板上锯齿状条纹的拉泡 作用 ，部分气泡破碎。之后 ，液体进入分离器的集 液区。集液区上部 的油层经加热器加热提高温度， 加速破乳和油水分离。油经过防波器后进入油室 ， 经油出口排出。如果油受到扰动再次起泡 ，安装在 集液区顶部的消泡 网可以起到消泡作用 ，防止 “ 冒 罐” 。 在油层重力作用下集液区下部的水层从油室底 部进入水室，经水 出口排 出。 卜破泡涮， 2折流板， 3气液旋流器， 4 一 凝结器， 5 一 捕雾器 6 一 水出口，7 一 防涡器，8 ～ 油出口，9防波器，l O 一 防涡器 图 1 发泡原油气液分离器结构简图 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f g a s - l i q u i d s e p a r a t o r f o r f o a m i n g c r u d e 2 ， 2关键技术及创新 针对发泡原油的性质 ，对气液分离器的内部结 构进行创新 。创新点如下 1 可实现消泡和气液分离的双重功能，结 构紧凑，适用性好。传统工艺大多消泡和气液分离 分开进行 ，占地面积大 ，结构分散 。 2 综合应用气液旋流器 、折流板 、消泡网 实现机械消泡。为了降低气相负荷 ，避免气体受到 扰动后重新融人液相，在发泡原油分离器入 口设有 气液旋流器。通过 F l u e n t 模拟证明气液旋流器能够 有效分离出采出液中的气相 。折流板一方面使 自然 消泡过程延长 ，另一方面设计的锯齿状拉泡板可加 速泡沫的破裂。消泡网的消泡作用可防止发泡原油 分离器出现 “ 冒罐” 。 3 具有防止稠油堵塞捕雾器 的功能。分离 器采用捕雾器与气体凝结器串联的形式。气体先通 过凝结器 ，除去气体中夹带的较大的液滴 ，然后再 通过捕雾器进一步除去粒径较小的液滴。因此具有 防止稠油堵塞捕雾器的功能 。 4 浮子液面控制器对油水界面 自动稳定控 制 。为了保证油水分离效果 ，需要稳定油水界面。 但是油水密度差太小或者存在油水乳化层， 导致控 制油水界面比较 困难。通过堰板和浮子液面控制器 将传统的油水界面控制转化为油室和水室的液面控 制 ，并通过连杆结构 自动控制油 、气 、水出口阀门 的开度 ，从而实现对油水界面的 自动稳定控制 。 5可有效实现整流稳流。在油层进入油室 时增设防波装置 ，保证 了油室液面的稳定 ，同时加 速了泡沫的破灭。同时 ， 防涡器可减少油水的扰动。 2 ． 3 设计 内部构件 2 ． 3 ． 1 气体凝结器 图 2 1 分离 出的气体往往携带着油滴 ，由于稠油粘度 较大，含胶质 、 沥青质较多 ，如果直接通过捕雾器 ， 油滴会粘附在丝网上，破坏丝网的正常T作状态， 甚至堵塞丝网。因此在经过捕雾器时先通过气体凝 结器，即通过不断改变气体流动方向，使气体与板 发生碰撞凝结 ，除去气体中夹带的部分液滴 。 图 2 气体凝结器结构示意图 Fi g ． 2 S t r u c t u r e o f g a s c o n d e n s e r 2 ． 3 ． 2 气液旋流器数值模拟及设计优化 本文采用非结构化网格 ，并在强旋流区加 密网 格 。本文采用的基本方法和模型有 雷诺平均法 、 R N G 一￡模型 、S I MP L E算法 、离散相模型 、随机 游走模型等。鉴于分离器流场强旋转挣I生，本文采 侧 ，阻止波浪传递 ，并且隔住了泡沫层。使进入油 室的界面气泡含量少 ，容易控制 。 其他构件 比如消泡 网、防涡器 、鞍座 、法兰 、 人孔等按照相关 国家标准或行业标准 设计。 3 结 语 理论上 ，我们设计的气液分离器可有效处理发 泡原油 ，实现消泡和气液分离的双重功能 ，结构紧 凑 ，实用经济。因此 ，可适用于偏远的稠油开采 区 块和海上平台 ，也可适用于地面空间有限的油 田。 今后还可以做一些实验方面的工作 ，以验证发 泡原油分离器的效果 ，进一步优化设备结构和改进 操作条件。 参考文献 [ 1 ] 张瑞华． 傅莉． 张光旭． 泡沫原油油气分离器的研制l J 】 _ 石油工业技 术监督，2 0 0 4 0 9 1 9 2 1 ． [ 2 ] 滕绍新．石油化1 丁艺中 “ 发泡”现象的消除lJ 1 ．内蒙古石油化 ．2 0 0 7 0 5 9 8 ． [ 3 ]葛成灿， 千源升， 余红伟，魏徵．泡沫及消泡剂的研究进展I J l _ 材料开 发与应用， 2 0 1 0 0 6 8 1 8 5 ． [ 4] 千瑞， 褚雅志， 王领，刘燕， 马晓迅． 组合式气液分离器的结构研究 _J I l 现代化 l 一 ， 2 0 1 3 1 2 8 8 9 1 ． [ 5]范大 为 气一液分离水力旋流器理论与试验研究f D 1 ．大庆 大庆石 油学院，2 0 0 9 [ 6] 钟万福除气旋流器结构设计及实验研究【 D ] ．大庆 大庆石油学 院 ， 2 } 0 9 [ 7] H G ／ T 2 1 6 1 8 1 9 9 8 ， 丝 网除沫器 ． 1 8] H G ／ T 2 1 5 1 7 - 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