油气水分离工艺设计

1、第二节油气水分离工艺设计四、分离器的类型1. 分离器的分类油(气)田上常用的分离器，按其外形分主要有立式和卧式两种 ；按功能分有气液两相分 离器和油、气、水三相分离器等；按操作压力可分为负压 (<0.1MPa)、低压(<1.5MPa)、中压(1.5 6.0MPa)和高压(>6.0MPa)分离器等。下面对分离器的型式和内部结构作简单介绍。2. 立式分离器图2-3-16为立式分离器的简单结构示意图。图2-3-16立式分离器的简单结构示意图立式分离器一般用于处理高气液比的油气混合物，如用作气体洗涤器、分液罐等，以便除去大量气体中所含少量液体。立式分离器的内部结构如图所示，混合物由侧

2、面进入分离器，经入口分流器使油气得到初步分离，液体向下沉降至分离器的集液部分 ，析出所携带的气泡后经液控阀流入管线；经入口分流后的气体向上流向气体出口，气体所携带的较重油滴在重力作用下沉降至集液部分:较小的液滴经出口捕雾器碰撞聚集后进一步脱除，然后气体流出分离器。3. 卧式分离器卧式分离器多用于液气比较高的情况，像原油分离器、缓冲罐等。分离器的内部结构如图2-3-17 所示。L Z 3s 4U 6图2-3-17 一般三相分离器的简单结构示意图1一三相流体入口 ；2一挡板；3一气相整流件；4一填料或防浪板；5一捕雾器;6一气出口 ； 7一下液管；8一溢流堰板；9一防涡器；10 水出口 ； 11油

3、出口流体进入分离器，经过入口分流器后气、液的流向和流速突然改变，使气液得以初步分离。气体水平地通过液面上方的重力沉降部分，被气流携带的液滴在此部分靠重力沉降至气液界面，未沉降至液面的粒径更小的液滴在出口捕雾器碰撞聚集成大液滴，在重力作用下沉降至集液部分。经过初步分离的液体在重力作用下流入分离器的集液部分，集液部分需要有一定的空间使液体流出前有足够的停留时间；对于两相分离器，足够的停留时间可以使原油中气泡升至液面并进入气相；对于三相分离器，足够的停留时间除使油中气泡析出至气相外，还可以使油中水滴沉降至水层，水层的油滴升至油层，然后再通过控制阀流出分离器。油气界面的高度一般控制在(1/23/4)D

4、之间。为了提高脱水效果，容器内部一般加设填料。填料的形式有斜板、波纹板，或填料和斜 板合一等。油水混合液流过这些填料时，可使水滴吸附其表面，在液体的剪力作用下破坏水 滴表面张力，使水滴易于聚结；同时，顺着填料下沉，缩短沉降时间。有的分离器气相也设置填料。由于气相主要是分出液体，填料可能与油水分离段的填料不同。填料段一般设置12段，如果太多，不经济，且占去较大的分离空间。根据填料和波纹板的功用，它们应满足以下要求：a. 具有良好的润湿性，混合物流经其表面时，水滴(或油滴)易于吸附；b. 能长期使用，不易破碎，并不与油、水发生化学变化；c. 来源广，价格低廉。对于用于浮式生产储油设施上的分离器，由

5、于波动原因必须考虑增加内部防浪设施稳定界(液)面。比较简单的办法是采用防浪板，如图 2-3-17所示，有时填料兼作防浪板。防浪 板的多少根据分离器分离段的长度来定。3.高效三相分离器高效三相分离器一般为卧式分离器，图2-3-18是典型的高效三相分离器。高效三相分离器是通过合理的内部结构设计，利用机械、热和化学等技术，使原油达到高效 分离的容器，与同尺寸的普通分离器相比，处理量大，脱水效果好。由于其内部结构复杂， 一般用于处理高密度、高粘度的原油。高效三相分离器在设计方面主要有以下特点：(1) 设计预脱气室。气液分离仅靠重力，需要的空间较大，也就增大了分离器的尺寸。高效分离器设置气体预分离室(如

6、图2-3-18所示)，可以预分离出大部分气体，减少了沉降分离室的气液分离空间，同时保证了液面的稳定。(2) 高操作液面。由于沉降分离室的气液分离空间减少，高效三相分离器操作液面就可 设计相对较高，一般在 3/4D左右，与同尺寸的普通分离器相比，就增大了处理量。(3) 原油“水洗”预分离。高效分离器中预脱气后的原油直接进入油水预分离室的水层， 水洗除去其中的杂质，同时利用油在水中上浮快、破坏油包水滴稳定性的原理“水洗”原油， 提高油水分离速度。S排放口排放口 油出口 水出口图2-3-18高效三相分离器结构简图(4) 设计整流段。液体紊流会严重影响分离效果，设计整流段可以尽量保证液体稳定流 动，减

7、少了返混，提高分离效率。(5) 采用高效填料。一般高效分离器的气、液分离室都设置高效填料，减少油滴、水滴 上升或沉降的时间。填料越好，分离效率就越高。(6) 稳定可调的界面控制。利用" U"形管原理控制界面可保持油水界面稳定；通过外 部调节器可方便地调节油水界面，适应油田不同时期的生产调节需要。(7) 油相加热，减少热负荷。为了减少热负荷，有些在内部设置加热盘管，仅加热油相， 既提高了效率，又减少了热负荷，甚至取消入口加热器，但结构复杂。此外，设计适宜的操作温度、选择高效的破乳剂，也是高效分离器真正实现高效分离所 必不缺少的外在因素。五、分离器的设计计算1. 一般分离要求分

8、离器设计时一般要求粒径大于100Mm的液滴直接从气体中分离出来 ，小于100Mm的液滴一般利用碰撞作用完成碰撞分离，常用的是网垫除雾器。网垫除雾器可以从气流中除掉99%的直径大于10Pm的液滴，使气体的带液量不超过50mg/m3。而对于三相分离器，则希望尽可能多地除去油中自由水(一般希望分离器能将 0.5mm粒径的水滴从油中分离出来 ),同时使分出的自由水中含油率也降至2000mg/L以下；而脱水原油的含水量则是根据流程的分离级数、原油性质、分离要求以及实验结果或经验而定。下面从气体中分出油滴、原油中析出气泡以及油、水分离三个方面说明分离器的设计计算。2. 从气体中分离油滴的计算混合井流经分离

9、器入口分流获得初步分离后，携带大量油滴的气体进入沉降部分，气速突然减慢，油滴在重力作用下开始加速下沉，随着油滴下降速度的加大，其所受气流阻力越来越大。当油滴所受合力为零时，开始匀速下降。显然，油滴沉降分离至集液部分所需时间应小 于气流把油滴带出分离器所需时间，所以均匀沉降速度的大小关系到能否把油滴从气流中分离出来。从气体中分出油滴的计算首先应计算油滴沉降速度。计算沉降速度时，一般取液滴直径极限为 100Pm，且假设:(1)油滴为球形，在沉降过程中 不碎也不与其它油滴合并； (2)油滴与油滴、油滴与器壁及其它构件间没作用；(3)油滴在分离器的沉降速度是稳定的，任一点流速不随时间变化；(4)作用在

10、油滴上的合力为零，油滴沉降速 度不变。根据以上假设，按流态推荐选用以下计算公式 ：层流区：Wo2dog（"- 七）公式2-3-3式中：W。-油滴均匀沉降速度，m/s；do-油滴直径，m； 3队-油滴的密度，kg/m ;R一分离条件下气体的密度，kg/m3;为-分离条件下气体动力粘度，Pa*s。0.7141.143一. 0.7140.153g do （ " g） 过渡区 : W = 0.428 - 0.286-g ' g公式2-3-40.5紊流区：W)为判断某一直径的油滴在给定的分离条件下处于什么流态区3衍=do（"g）g，gg2公式2-3-5，引入阿基米德

11、准数Ar:公式2-3-6求出Ar后按表2-3-15查出雷诺数Re，即可按流态选用油滴沉降速度计算公式。表 2-3-15 中 Re =WAR-O表2-3-15不同流态下Ar-Re关系-摘自参考书目5流态雷诺数范围Ar范围Ar-Re关系层流Re < 2Ar <36Re=0.056Ar过渡区2<Re <50036<Ar <83 x 1030.714Re=0.153Ar紊流Re>500一一 3Ar>83 x 1030.5Re=1.74Ar除用计算方法确定油滴沉降速度外，还可按图 2-3-19进行简化计算。该图表示原油密度 为850kg/m3,天然气相对密

12、度为 0.7,工作温度为20 P时，不同压力下的油滴直径和沉降速度 的关系。-油鹰直役队.点m图2-3-19不同压力下油滴沉降速度-摘自参考书目5使用图2-3-19时，若原油密度、气体相对密度、工作温度与图表不符时，其修正系数见表 2-3-16 和表 2-3-17。当原油密度不是 850kg/m3,将影响（Pl - Pg） 一项，按比例修正即可。气体相对密度0.60.70.80.91.0Wo修正系数0.9631.01.041.071.105表 2-3-16气体相对密度修正系数-摘自参考书目5表2-3-17温度修正系数-摘自参考书目5气体温度，c-200204060Wo修正系数1.131.061

13、.00.9460.867以上介绍的是沉降速度的计算办法，具有一定沉降速度的油滴能否分离出来，还要看分离器的型式和分离器重力沉降部分中气体的流速。下面介绍一下气体流速的计算。(1) 气体的允许流速立式分离器中，气流方向与油滴沉降方向相反。因此 ，油滴能够沉降的必要条件是：油滴 的沉降速度 Wo必需大于气体流速 Wg,即Wo > Wgo卧式分离器，气流方向与油滴沉降方向垂直 ，因此，油滴能够沉降至集液部分的必要条件 是：油滴沉降至集液部分液面所需时间应小于油滴流过重力沉降部分所需时间，即：或wg<外Wg Woh即入口分流器至气体出口的水平距离(m), 一般取为圆-重力沉降部分的有效长度

14、筒部分长度的0.60.8倍；Wg -气体流速，m/s;h -油滴沉降高度,m, 一般为1(418为使问题简化，推导油滴沉降速度时作过若干假设，实际情况较复杂，与假设情况出入较 大，但理论上尚无完善解决方法，考虑到以上原因，求取允许气体速度 (Wgv)时可利用下列公 式：立式分离器中:卧式分离器中:Wgv = 0.7 WoeWoWgv = 0.7当h = D时,2Wgv = 0.7警Wo-粒径为100&的油滴沉降速度, 初步计算时，气体的允许流速可按下列经验公式计算Wgv = K . m/s'gm/so公式2-3-7公式2-3-8公式2-3-9公式2-3-10式中系数K的选取按表

15、2-3-18选取，也可参考雪夫龙设计手册中更详细的参数值。表2-3-18系数K与分离器质量的关系-摘自参考书目4分离等级立式分曷命卧式分离器立式分离器的气体相对湿度h=0.6 米le=3 米(质量)%干净0.030.0750.2中等0.0470.1170.5粗糙0.0610.1501.0表 2-3-18中：h-油气混合入口至液面的距离；le-油气混合物入口分流器至气体出口的距离；对于有效长度超过3米的卧式分离器，确定气体允许流速时应引入修正系数Ko, Ko = （1/3）0.52（2）除雾器的适宜气速网垫除雾器的适宜气速WgWg是分离条件下液体密度和气体密度的函数,经验公式如下：WgI Pl

16、-Pgm/s公式2-3-11式中K 取 0.107求出度一般取Wg后，可按分离条件下气体流量确定垂直于气流方向的除雾网面段。100150mm,即可除去99%的10100Pm的油滴，压降一般为除雾网的厚245490Pa。3.从原油中析出气泡的计算影响原油中析出气泡的主要因素有：（1）原油粘度。粘度愈大，原油中夹带气泡愈不易浮至液面，造成含气量大；（2）原油在分离器中停留时间。原油停留时间过短，溶解于原油中气泡就来不及折出；（3）分离压力。压力愈高，气液密度差愈小，气泡就愈不易浮出液面。从原油中分出气泡的过程，与从气体中分出油滴极为相似。由于原油粘度大，气泡上浮进度较慢，雷诺数较小，其流态一般总处

17、于层流区。因而气泡匀速上升的速度可用下式计算：2-do g(: " g), m/s18七公式2-3-12d0-气泡直径，常取（12）X 10-3m;心-分离条件下原油动力粘度，Pa、。气泡从原油中分出的必要条件是：气泡上升速度应大于分离器集液部分任一液面下降的平均速度（W）,即Wg > W式中:根据W即可分别确定卧式和立式分离器的工艺参数。 时间来保证气泡的分离，从而确定分离器的尺寸。由于理论计算较复杂，一般根据停留根据我国原石油部设计规范 ，一般原油在分离器中的停留时间为13分钟，起泡原油为520分钟；国际上对原油分离停留时间的要求与我国大致相同，一般推荐API 12J油气分

18、离规范中的规定，见表2-3-2-19、20。油的重度停留时间（分钟）>35丽12030丽121020API24两相分离器中液体停留时间-摘自参考书目2表 2-3-19三相分离器中液体停留时间油的重度停留时间（分钟）>35 API35表 2-3-20<35 API37.8 C (+100 午)51026.7 C (+80 T)10 2015.6 C (+60 F)20 304.油、水分离计算水中油滴和油中水滴在分离器内的运动一般属于层流范围内，达到匀速上升或沉降时的速度亦可用下式计算2 一 -N do g(w - ")公式2-3-13vv =18W-油滴上升或水滴沉降

19、速度 ，m/s;do-油滴或水滴直径，m;30, Pl-重、轻组分笞度，kg/m ;H-连续相的粘度，Pa«o由于油的粘度远远大于水的粘度，故从水中分出油滴要比从油中分出水滴容易。水在容器的停留时间也相应比油停留时间短。由于油、水密度差小于油、 气密度差，故要求油、水在分离器内有较长的停留时间(参见表2-3-20)。简化计算时，可以将油、水停留时间考虑相同，计 算油中分离出水滴的沉降速度。这样，上述公式中do为水滴的直径、Pl和N分别为油滴的密度和粘度。对于液体的停留时间，在实际设计中要根据原油的物性、分离要求等具体情况，适当改变。如在初步分离过程中，分离出原油含水量可以高些，设计时

20、即可适当缩短液体停留时间，从而减小分离器的尺寸，特别是对于海上平台，总是希望在满足要求的情况下尽量减小分离器 尺寸，从而可以减少平台设施的重量，停留时间需要综合考虑系统要求、技术可行性和经济性等各方面因素。5.分离器尺寸的确定设计分离器的尺寸必须满足油、气、水分离要求，其尺寸的确定就是根据以上油、气、水分离的原则来计算的。下面就介绍分离器尺寸的确定方法。由于实际生产时，分离器进料不稳，为保证分离要求，计算分离器尺寸时引入波动系数 P， 一般取P=1.52;对于海上设计，一般波动变化较小，另外，总是希望在满足分离要求前提下 ， 尽量减小设计余量，以便减少设备尺寸，因此，雪夫龙设计手册中推荐波动系

21、数为 P=1.25,比 一般取值低些。下面分别介绍立式和卧式分离器尺寸的确定。(1) 立式分离器尺寸的确定根据上面介绍办法先求出气体的允许气速Wgv。若已知分离条件下气体处理量为Qg，则可用下式求分离器直径二D2Qg = Wgv4Qg即 D %二 Wgv引入波动系数P,则D_ 4Qg:二WgV公式2-3-14其它尺寸的确定参见图2-3-20。At气图 2-3-21,国内一般推荐不小于 400mm；沉降分离段H2-一般取H2=D,但至少不小于1m。H2过小会使气体中油滴来不及分离即 被带出；H2过大，实践证明对分离效果改善不大；入口分离段 H3-一般不小于600mm；液体储存段h一根据设计液位高

22、度确定；液体封存段H4-防止气体窜入液体管路，一般不小于400mm；或根据低液位报警时，操作者能够采取正确行动时间（一般为12分钟）来定；泥砂储存段H5-视含砂量、是否有加热盘管及机械开口要求定;立式分离器总高 H 6-一般为（3.55）D。（2）卧式分离器尺寸的确定1）两相分离器尺寸的确定根据前面介绍的方法求出允许气速Wgv。若已知气体处理量为 Qg （参见图2-3-21）。一.Qg则 Qg=AW gvA=Wgv,，一，-Qg ：引入波动系数P 则A1=些一Wgv液位高度h2 般取（'）D23确定h2/D的比值后，即可求出A”（A1+ A2）（参考书目3中弓形面积函数表），从而求出A

23、 1 + A2 °2A= A1 + A2 = D即可求出D值分离长度L 一般取L=（35）D。确定分离器的直径 D及长度L后，即可校核液体停留时间是否满足要求，若不满足要求则需改变D、L重新计算。对于油气比较大的油气流，可以直接通过液体停留时间确定分离尺寸，然后再去校核气体的允许气速是否满足要求。分离器其它尺寸的确定参见图2-3-22。图2-3-22卧式分离器的结构尺寸图 2-3-23入口分离段L1 由入口形式定，但不小于1m；沉降分离段L2按要求确定但不小于 2D;除雾分离段L3-由构件布置确定；储液段h2由液体停留时间确定；泥砂存储段h3视原油含砂量、是否有加热盘或冲砂管确定。2

24、）三相分离器尺寸的确定根据两相分离器尺寸确定的办法求出三相分离器的直径D和长度L,然后再根据停留时间和油、水处理量的大小校核分离器的尺寸是否合适 （参见图2-3-23）,从而可定出分离器中油、 水界面高度h3以及其它相应尺寸。综上所述,分离器的设计计算步骤可归纳如下：a强据气液处理量、物性、分离压力、温度等基础资料及现场具体情况选择分离器类型。b）按照从气体中分出油滴的要求 ，计算100Mm粒径的油滴分出来气体的允许气速Wg,求出分离器结构尺寸直径 D、长度L（或高度H）等。c）按照从原油中分出气体的要求，由原油性质和实验数据或操作经验确定液体在分离器的停留时间，校核分离器是否满足要求；否则需

25、重新计算。对于有段塞流或缓冲分离器，或下游有泵的分离器，停留时间的确定需要考虑段塞流或下游缓冲时间的要求。d）如果油气比较大，可以先以原油停留时间为基准确定分离器尺寸，再去校核气体允许速度。e成分离器的实际处理量、流体性质、气体组成和固体尘粒含量等因素确定其它尺寸及 除雾器的类型和尺寸。f）当油气处理量较大时，需要多台并联工作。需要说明的是，以上介绍的分离器尺寸确定方法是初步估算方法，对于更深一步的设计，选定分离器的类型和结构尺寸后，需要重新核算其气体分离空间及液体停留时间是否满足要求，结构尺寸是否需要调整。目前分离器的设计计算主要通过软件进行。用于计算分离器的软件主要有两类：一类是 用于初步

26、估算单体工艺设备尺寸，方便快捷；另一类是用于分离器的准确设计计算和校核， 通过计算可推荐出一系列尺寸的分离器、捕雾网尺寸及液层厚度。进行分离器计算时，可根据不同情况选择合适的软件。六、分离系统流程选择和重要参数的确定附录一中图1和图2是典型的分离系统流程图。流程的选择需要根据油田的实际情况和 要求，以及中间是否需要加热、换热或加压等具体情况来定。如果仅为了将井流进行初步处 理，脱出部分气体或水分以满足管输需要，则需要一级或两级处理流程即可；如果为了达到 储存或直接销售的商业要求，则可能需要两级或两级以上的分离处理，包括增加相应的冷换 设备和加压泵等，对于轻质原油甚至需要采用带稳定装置的流程。分

27、离系统参数的确定对整个系统的设计也非常重要，下面介绍一下分离系统主要参数的确定。1. 分离级数和各级的操作压力分离级数和压力的确定主要根据油田的井口压力、井流含气量、井流物性和分离目的及要求而定。理论上讲，分离级数越多原油收率越高，但投资上升，占地面积加大。在综合考虑的情 况下，气油比较高的高压油田，一般采用三级或四级分离；气油比较低的低压油田，一般采 用二级分离。分离压力取决于井口或上游压力、分离级数，以及其它燃气系统或外输压力的要求，需 要综合考虑系统的技术可行性和经济性。一般来讲，采用三级时，一级操作压力控制在 0.73.5MPa，二级压力控制在 0.070.55MPa ;井口压力高于

28、3.5MPa时应考虑四级分离。2. 各级的操作温度分离温度的确定取决于分离级数和井流物性。在分离级数确定的前提下，根据原油是否易于分离、什么温度下分离效果好，以及系统热平衡来确定各级操作温度。最好以油田分离试验 的数据为基础确定。3. 停留时间如上所述，流体在分离器的停留时间越长，较小液滴就能有足够的时间聚结沉降分离， 分离效率就越高。综合考虑经济性和可行性，上面提到的各规范也根据原油的密度给出了理 论推荐停留时间。但停留时间的确定受原油密度、粘度等物性影响较大，最好通过试验，综 合考虑操作温度来确定。如渤海目前大部分油田原油的密度和粘度都比较大，一级停留时间 一般为1015分钟，二级停留时间

29、一般为 25分钟左右。4. 各级的出口含水率各级的出口含水率要根据分离级数、原油物性、操作温度和最终分离要求而定。一般原油的三级分离流程中，一级分离器出口含水率要求小于40%（V）,二级分离器出口含水率在1030%（V）之间，第三级通过热化学脱水或电脱水器脱水达到商业脱水要求（一般不高于0.5%）。对于轻质原油，一般两级即可达到商业脱水要求（一级游离水分离和二级热化学脱水或电脱水），一级分离器出口的含水率一般控制在20% （V）以下，二级脱水器出口的含水率达到脱水要求（一般不高于 0.5%）。附录二计算实例下面以某油田平台的生产分离器（P-V-102）为例，介绍分离器的设计计算。该油田伴生气量

30、较少，可以先通过液体停留时间确定分离器的尺寸，然后用确定的分离器尺寸去校核气体的允许气速是否满足要求。 根据本油田的情况，选产液量最大产气量最小的 第7年和产气量最大的第 1年进行分离器尺寸的确定和校核计算。1. 确定分离器的尺寸根据该油田的配产情况，选择产液量最大、产气量最小的第7年的配产数据为依据，确定分离器的初步尺寸。(1) 已知条件3a. 原油在操作条件下的笞度=852.89kg/mb. 原油在操作条件下的体积流率Qo=0.791m3/min141.5c. 原油的比重指数(API)= - 131.5 = 34.8d15.6d. 分离出游离水在操作条件下的体积流率Q w=4.87m3/m

31、in(2) 根据液体的流量选择一个初步的尺寸本油田原油的 API约为35,操作温度为60C ,由表2-3-20知，液相停留时间取 5分钟即 可，故取液相停留时间孙=5分钟a. 计算液体体积流量Q ow= Q o+ Q w=0.791+4.87=5.662m 3/minb. 计算液相分离面积 A l及液相高度Hl生产后期，油田产液量最大且产气量几乎为0,为了使所选分离器的尺寸经济合理，假设正常操作液位为分离器直径的60%。即电= 0.6,其中D为分离器内径，Hl为液相高度。至=0.3735 , ATD设Hg为气相高度，当业 =0.4时, D由参考书目3中弓形面积函数表查出:其中:Ag为气相流通面积，At为分离器横截面积(即：At=Ag+A l)。则但=1= 0.6265, Al =0.6265A tAtAtc. 确定分离器的初步尺寸设分离长度L=4D3分离器敝相体积 Q L=1.25 Q ow 无=1.25 X 5.662 X 5=35.39m23QL = A，L = 0.6265（D2，4D） =0.6265 D3435.39D = 3 一 2.61m