油气集输第四章气液分离

1、第一节第一节 分离方式和操作条件的选择分离方式和操作条件的选择第二节第二节 油气两相分离器油气两相分离器第三节第三节 油气水三相分离器油气水三相分离器第四节第四节 特殊分离器特殊分离器气液分离的内容气液分离的内容 平衡分离平衡分离 机械分离机械分离 分离方式分离方式一次分离一次分离 连续分离连续分离 多级分离多级分离Q Q：分离效果如何？对比分析？：分离效果如何？对比分析？油气分离效果的衡量标准油气分离效果的衡量标准 储罐中原油的收率储罐中原油的收率 原油密度原油密度 储罐中原油的组成是否合理储罐中原油的组成是否合理 天然气的运输和加工问题天然气的运输和加工问题 储罐一次分离储罐一次分离（L0

2、.397，V0.6026) 分离条件：分离条件：P0.1MPa，T49 二级分离二级分离分离条件：分离条件：P13.4MPa，P20.1MPa，T49 多级分离与一次分离的比较多级分离与一次分离的比较 u多级分离所得的储罐原油收率高多级分离所得的储罐原油收率高 u多级分离所得的原油密度小多级分离所得的原油密度小 u原油组成合理，蒸汽压低，蒸发损耗少，效果好原油组成合理，蒸汽压低，蒸发损耗少，效果好 u多级分离所得天然气数量少，重组分在气体中的比多级分离所得天然气数量少，重组分在气体中的比例少例少 u多级分离天然气处理成本低多级分离天然气处理成本低 多级分离效果分析多级分离效果分析携带效应：携带

3、效应：在多元体系中，运动速度较高的轻组分分子，在分在多元体系中，运动速度较高的轻组分分子，在分子运动过程中与速度低的重组分分子相撞击使轻组分分子失去子运动过程中与速度低的重组分分子相撞击使轻组分分子失去了原来可以使其进入气相的能量，留在液相中，而重组分分子了原来可以使其进入气相的能量，留在液相中，而重组分分子获得能量进入气相获得能量进入气相。 平衡体系压力较高时，分子的间距小，分子间吸引力大，平衡体系压力较高时，分子的间距小，分子间吸引力大，分子需要具备较大的能量才能进入气相，能量低的重组分分分子需要具备较大的能量才能进入气相，能量低的重组分分子进入气相更困难，所以平衡体系内气相数量较少，重组

4、分子进入气相更困难，所以平衡体系内气相数量较少，重组分在气相中的浓度也较低；在气相中的浓度也较低； 如果在较高的压力下把已分离成为气相的气体排出，减如果在较高的压力下把已分离成为气相的气体排出，减少了体系中具有较高能量的轻组分分子，即改变了体系的组少了体系中具有较高能量的轻组分分子，即改变了体系的组成，则在压力进一步降低时就减少了重组分分子被轻组分分成，则在压力进一步降低时就减少了重组分分子被轻组分分子的撞击、携带的机率。气体排出越及时子的撞击、携带的机率。气体排出越及时携带效应携带效应减少。减少。 结论结论 连续分离所得的液体量最多，一次平衡分离所得连续分离所得的液体量最多，一次平衡分离所得

5、的液体量最小，多级分离居中。在多级分离中，级数的液体量最小，多级分离居中。在多级分离中，级数越多，液体的收率越大，液体的密度越小。越多，液体的收率越大，液体的密度越小。 分离效果的影响因素u 分离级数分离级数u 分离压力分离压力u 分离温度分离温度分离压力的影响 对相同的分离对相同的分离级数，分离压级数，分离压力不同其分离力不同其分离效果也是不同效果也是不同的。实验证明，的。实验证明，存在着一个最存在着一个最优的分离压力。优的分离压力。 分离级数的制约因素 经济约束：投资、维修费用经济约束：投资、维修费用 集输管网压力的约束集输管网压力的约束 石油性质也有影响石油性质也有影响 分离级数的选择原

6、则 n根据油气比的高低来选择，油气比高应根据油气比的高低来选择，油气比高应增多分离级数增多分离级数 n根据井口压力进行选择，井口压力高的根据井口压力进行选择，井口压力高的应增多级数应增多级数 n根据原油的相对密度进行选择，随着相根据原油的相对密度进行选择，随着相对密度的降低，应适当增加级数。对密度的降低，应适当增加级数。 推荐分离级数推荐分离级数 分离压力的选择分离压力的选择11nnPPR10pR分离器的类型 按外型分按外型分 按功能分按功能分 按压力分按压力分 按工作温度分按工作温度分 按实现分离主要利用的能量分按实现分离主要利用的能量分卧式分离器的结构 入口分流器入口分流器 集液部分集液部

7、分 重力沉降部分重力沉降部分 除雾器除雾器 入口分流器功能n减小流体动量，有效地进行气液初步分减小流体动量，有效地进行气液初步分离离 n尽量使分出的气液在各自的流道内分布尽量使分出的气液在各自的流道内分布均匀均匀 n防止分出液体的破碎和液体的再携带防止分出液体的破碎和液体的再携带 入口分流器类型 集液部分 使原油中携带的气泡上浮至液面并进入气相使原油中携带的气泡上浮至液面并进入气相 使原油在分离器中有一定的停留时间，使其使原油在分离器中有一定的停留时间，使其充分接触，接近气液平衡状态充分接触，接近气液平衡状态 集液部分也提供缓冲容积，起到缓冲作用，集液部分也提供缓冲容积，起到缓冲作用，用来均衡

8、进出分离器原油流量的波动用来均衡进出分离器原油流量的波动 返回返回重力沉降部分 气体通过重力沉降部分，被气流携带气体通过重力沉降部分，被气流携带的油滴在此部分靠重力降至气液界面，未的油滴在此部分靠重力降至气液界面，未沉降至液面的粒径更小的油滴随气体流经沉降至液面的粒径更小的油滴随气体流经捕雾器除去。捕雾器除去。 返回返回捕雾器 网垫除雾器网垫除雾器 拱板除雾器拱板除雾器 波纹板除雾器波纹板除雾器 捕雾器n迪克松板捕雾器 n填料式捕雾器 n离心式捕雾器 除雾器碰撞分离工作原理 碰撞、凝聚：碰撞、凝聚：折板式，金属丝网折板式，金属丝网卧式分离器的工作原理卧式分离器的工作原理 入口分流器入口分流器:

9、 油、气流向和流速突然改变，使油气得以初步分离油、气流向和流速突然改变，使油气得以初步分离集液区集液区:分离与缓冲分离与缓冲捕雾器捕雾器:聚结、合并成大油滴，在重力作用下流入集液区聚结、合并成大油滴，在重力作用下流入集液区分离器工作压力分离器工作压力:气体出口管线上的控制阀控制气体出口管线上的控制阀控制液位液位:液体排出管上的控制阀控制液体排出管上的控制阀控制 立式分离器 基 本 结 构 与基 本 结 构 与卧式分离器相同，卧式分离器相同，与卧式分离器不与卧式分离器不同的地方是：（同的地方是：（1 1）气液界面较小（气液界面较小（2 2）气体流向和气体气体流向和气体中液滴的沉降方中液滴的沉降方

10、向相反。向相反。 立、卧式分离器的比较卧式优点：卧式优点： 气中油滴易沉降，气体处理量大，处理成本低，适于气气中油滴易沉降，气体处理量大，处理成本低，适于气油比较高的混合物油比较高的混合物 气液界面大，有较好的油气分离效果气液界面大，有较好的油气分离效果 安装、制造、维修方便，可以作成撬装式安装、制造、维修方便，可以作成撬装式 立式优点：立式优点： 占地少，适用于海洋采油占地少，适用于海洋采油 适合于处理含固体杂质较多的油气混合物，可以在底部适合于处理含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放和清除固体杂质设置排污口定期排放和清除固体杂质 液位控制灵敏液位控制灵敏 分离器的基本组

11、成分离器的基本组成 n入口分流器 n重力沉降区 n集液区 n捕雾器 n压力、液位控制 n安全防护部件 分离器的质量检验标准 接近气液平衡的程度接近气液平衡的程度 机械分离效果机械分离效果 气体带液率气体带液率K Ko o 液体带气率液体带气率K Kg g 原油在分离器中的停留时间原油在分离器中的停留时间 气体允许最大流速气体允许最大流速121212100%100%ooooggggGGGGGG影响分离性能的因素影响分离性能的因素 分离器的工艺计算n从气体中分出油滴的计算从气体中分出油滴的计算n从原油中分出气泡的计算从原油中分出气泡的计算油滴匀速沉降速度公式的假设条件 油滴为球形，在沉降过程中即不

12、油滴为球形，在沉降过程中即不能破碎，也不与其它油滴合并能破碎，也不与其它油滴合并 油滴与油滴，油滴与分离器壁以油滴与油滴，油滴与分离器壁以及与其它构件间无相互作用力及与其它构件间无相互作用力 气体的流动是稳定的，截面上任气体的流动是稳定的，截面上任意点流速不随时间而变化意点流速不随时间而变化 作用在油滴上各种力的合力为零，作用在油滴上各种力的合力为零，油滴匀速沉降油滴匀速沉降 油滴的匀速沉降速度的推导油滴在气体中所受的重力为：油滴在气体中所受的重力为： 36ogdFg油滴在气体中所受阻力：油滴在气体中所受阻力： 2242Dgd vRC油滴做匀速运动时，油滴做匀速运动时，F=RF=R，即：，即：

13、 322642ogDgddvgC43ogDggdvC阻力系数与雷诺数的关系 1、按相关式计算沉降速度按相关式计算沉降速度n设CD 0.34，由 的计算式计算该油滴的n由求得的 求Ren由Re按上式求CDn由求CD求 ，与上一个 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n否则，返回步骤直至前后两次求得的 （或CD）在控制误差范围内。 vvvvvvv0.52430.34DeeCRR2、按流态分区计算沉降速度按流态分区计算沉降速度 各流态区 的关系 ReDC各流态区沉降速度公式层流区：层流区： 218lggd gv过渡区：过渡区： 0.7140.7141.1430.4280.28

14、60.153lggggdv紊流区：紊流区： 0.51.74lgggdv油滴流态的判断 d d1 1是层流变为过渡流时的液滴直径，是层流变为过渡流时的液滴直径，d d2 2是过是过渡流变为紊流时的液滴直径。渡流变为紊流时的液滴直径。 112ggv d2111218oggggd gvd13213.3ggogdg132243.5ggogdg 当当dddddd1 1时为过渡流或紊流。时为过渡流或紊流。 dddd2 2时为紊流，时为紊流，d d1 1dddd2 2为过渡流。为过渡流。 3、图解法求沉降速度32243gogDeggdCR123123expexpexp0.62673DxxxCaaabbb4、

15、阿基米德准数法求沉降速度阿基米德准数法求沉降速度 2222428DDggCd vRCd v8DC将上式两边同乘以将上式两边同乘以 ，并使，并使RF： 2gg222222ReggggFd v322Re6goggdg32ogggdgAr2Re6ArAr与Re的关系 分离器中油滴的沉降条件 在立式分离器中，气流方向与油滴沉降速在立式分离器中，气流方向与油滴沉降速度方向相反。油滴能沉降的度方向相反。油滴能沉降的必要条件是：必要条件是：油滴油滴的沉降速度必须大于或等于气体在流通截面上的沉降速度必须大于或等于气体在流通截面上的平均流速，即：的平均流速，即： 在卧式分离器中，气体流向与油滴沉降方向在卧式分离

16、器中，气体流向与油滴沉降方向相垂直，油滴能沉降至集液区的相垂直，油滴能沉降至集液区的必要条件是：必要条件是：油油滴沉降至集液区所需的时间应小于或等于油滴随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部分所需的时间，即：气体流过重力沉降部分所需的时间，即：gvv11DeeggDhDLL vvvvhD或气体的允许流速气体的允许流速气体允许流速与气体允许流速与油滴的沉降速度有关油滴的沉降速度有关油滴沉降速度又与油滴沉降速度又与油滴直径有关油滴直径有关。油滴直径越小，。油滴直径越小，沉降速度越慢，要使较小直径的油滴在重力沉降沉降速度越慢，要使较小直径的油滴在重力沉降部分沉至集液部分，以获

17、得较低的气体带液率，部分沉至集液部分，以获得较低的气体带液率，就必须降低气体在重力沉降部分的流速。就必须降低气体在重力沉降部分的流速。油滴直径的选取：油滴直径的选取：21000 ，分隔直径，分隔直径100要求：在一定气体处理量下，必须加大分离器的直径或要求：在一定气体处理量下，必须加大分离器的直径或增加卧式分离器的有效沉降长度，金属耗量和制造成本增加卧式分离器的有效沉降长度，金属耗量和制造成本就会增加。就会增加。 mm1、 的确定 法n中国中国n前苏联前苏联100 油滴的直径油滴的直径vh0.7 0.811egegDDL vL vvhDhDv0.7 0.8gvvv0.75 0.8gvvvgvv

18、m2、 的确定桑得斯布朗系数法桑得斯布朗系数法 gvoggSBgvK按气体处理量确定分离器的结构尺寸按气体处理量确定分离器的结构尺寸（油滴沉降速度法）（油滴沉降速度法） 已知：重力沉降部分内允许的气体流速和分离已知：重力沉降部分内允许的气体流速和分离条件下的气体处理量条件下的气体处理量 对于立式分离器：对于立式分离器： 对于卧式分离器：对于卧式分离器：液面控制在直径一半时，液面控制在直径一半时， 24,4gggvgvQDQvDv28,8ggghghQDQvDv 考虑进入分离器的油气两相比例随时间不断发生变化考虑进入分离器的油气两相比例随时间不断发生变化这一情况，引入载荷波动系数这一情况，引入载

19、荷波动系数。 改用标准状态下的气体处理量改用标准状态下的气体处理量Q Qgsgs（m m3 3/d/d） （油滴沉降速度法） ssgsgsgssgPTPzTQQRTzRTQPPQ86400,立式分离器：立式分离器： 卧式分离器：卧式分离器： 2v67858sg sgvsPTQD vPTZH67858sg segvsPTQDL vPTZ 按气体处理量确定分离器的结构尺寸按气体处理量确定分离器的结构尺寸（油滴沉降速度法）（油滴沉降速度法）液位不在一半处液位不在一半处 LAmA12LdAxdH2112xrHH21112 2LdArHH dH1222221111111022sin2HLHrrArHH

20、dHHrrHrrr2111122111111sin124111 =sin2122LLDDDDAAHHHmArrrrhhhh按气体处理量确定分离器的结构尺寸按气体处理量确定分离器的结构尺寸（油滴沉降速度法）（油滴沉降速度法）液位不在一半处液位不在一半处 1678581egvsgHsDsm DL vpTQhp TZ此时集液区液体的体积为：此时集液区液体的体积为： 24LDVA LmLLLkD令：34LDVk m（桑得斯布朗系数法桑得斯布朗系数法 ） 对立式分离器：对立式分离器： 对卧式分离器：对卧式分离器： 0.52vs67858ogsgSBgspTQD Kp TZ0.52gH14ogSBgDQm

21、 K0.52Hs678581ogsgSBgspTQDm Kp TZ原油含气率的影响因素 原油粘度原油粘度 原油在分离器中停留的时间原油在分离器中停留的时间 分离压力分离压力 分离温度分离温度 分离器入口元件的压降分离器入口元件的压降 218LggLd gw 气泡不被原油带出分离器的气泡不被原油带出分离器的必要条件必要条件是：是：气泡上升速度应等于或大于分离器集液部分气泡上升速度应等于或大于分离器集液部分任一液面的平均下降速度，即任一液面的平均下降速度，即 dgovv对于立式分离器：对于立式分离器：224,4oooodgQDvQ vvD22244 18ogdgooD d gD vQ 卧式分离器集

22、液区某一液面的下降速度与其在卧式分离器集液区某一液面的下降速度与其在集液区的位置有关。集液区的位置有关。 1booavv dyba 由由 ，可求得卧式分离器的原油处理量，或由原，可求得卧式分离器的原油处理量，或由原油处理量求卧式分离器的直径、长度等。油处理量求卧式分离器的直径、长度等。 222,()2ooeoeQdyQ dtxL dy vxrydtxL122sin22bboooaaeeQQdyyvL baL barrydgovv起泡原油与消泡方法起泡原油与消泡方法n降低分离器上游油气混合物的流速降低分离器上游油气混合物的流速 n分离器采用的入口分流器应能避免流体发生剧烈分离器采用的入口分流器应

23、能避免流体发生剧烈湍流湍流 n增大分离器集液区体积增大分离器集液区体积 n使用消泡剂使用消泡剂 n提高油气混合物的分离温度提高油气混合物的分离温度 按停留时间计算结构尺寸 立式分离器立式分离器 在所要求的原油停留时间内，进入分离器在所要求的原油停留时间内，进入分离器的原油量应和集液部分的体积相等，即：的原油量应和集液部分的体积相等，即： 24oo rD hQ t按停留时间计算结构尺寸卧式分离器卧式分离器: :讨论集液部分液面高度与液讨论集液部分液面高度与液体体积的关系，如下图。体体积的关系，如下图。 xdydf222yryxdyyrydf2222sin222122202rrryrryrrydy

24、yryfy211sin1111122ryryryrfnnlDflV4234LDVk n按停留时间计算结构尺寸 已知停留时间、原油处理量，根据停留时已知停留时间、原油处理量，根据停留时间内进入分离器的液量等于分离器控制液面至间内进入分离器的液量等于分离器控制液面至出油口这段高度范围内液体量，则有：出油口这段高度范围内液体量，则有： 24o reQ tD mLu按照气体处理量计算；按照气体处理量计算；u按照液体处理量计算；按照液体处理量计算；u选取原则：二者都应满足，选尺寸大者。选取原则：二者都应满足，选尺寸大者。u卧式分离器：卧式分离器： 液体处理量远大于气体处理量，可相应提高控制液位的高液体处

25、理量远大于气体处理量，可相应提高控制液位的高度，增加集液部分的容量，减少气体空间的流通面积，用较度，增加集液部分的容量，减少气体空间的流通面积，用较小的分离器同时满足气、液处理量的要求。小的分离器同时满足气、液处理量的要求。 n油气相平衡计算，以次确定气液处理量、物性、油气相平衡计算，以次确定气液处理量、物性、分离压力和分离温度，并确定分离器类型分离压力和分离温度，并确定分离器类型n从原油中分出气泡的计算从原油中分出气泡的计算n从气体中分出油滴的计算从气体中分出油滴的计算n比较上两步的计算结果，选择较大者作为分离比较上两步的计算结果，选择较大者作为分离器的设计尺寸器的设计尺寸n参照分离器系列化

26、尺寸，选取分离器的实际规参照分离器系列化尺寸，选取分离器的实际规格格 油气水三相分离器油气水三相分离器 综合型卧式三相分离器综合型卧式三相分离器 卧式油水界面控制卧式油水界面控制owwhhh123 式中式中h h1 1+h+h2 2是挡油板高度，是挡油板高度，为固定不变的为固定不变的数值。若增加数值。若增加挡水板高度挡水板高度h h3 3，会使水层厚度会使水层厚度h h2 2增大，油层厚增大，油层厚度度h h1 1减小。减小。 立式油水界面控制立式油水界面控制(a)无油室界面控制；无油室界面控制；(b)带油室界面控制；带油室界面控制；(c)可调水室界面控制可调水室界面控制 除除 砂砂水含率随沉

27、降时间变化水含率随沉降时间变化 三相分离器的工艺计算l油气水三相分离器的工艺计算与油气两相分离油气水三相分离器的工艺计算与油气两相分离器计算无原则区别器计算无原则区别l液相在分离器内的停留时间：液相在分离器内的停留时间： 从原油中逸出所携带的气泡；从原油中逸出所携带的气泡； 原油中所含水珠沉降至分离器底部水层所需的原油中所含水珠沉降至分离器底部水层所需的时间。时间。 由于油水密度差远小于油气密度差，故液相在三相由于油水密度差远小于油气密度差，故液相在三相分离器内的停留时间大于两相分离器内的停留时间。分离器内的停留时间大于两相分离器内的停留时间。 分散相运动速度计算分散相运动速度计算218wod

28、 gv停留时间法停留时间法 n集液区体积油水停留时间内流入分离集液区体积油水停留时间内流入分离器的液量器的液量 n对立式分离器对立式分离器24w wo oDhQ tQ t停留时间法停留时间法 n集液区体积油水停留时间内流入分离集液区体积油水停留时间内流入分离器的液量器的液量 n对卧式分离器对卧式分离器24ew wo oDmLQ tQ tHNS分离器分离器 HNS型高效三相分离器结构特点 HNS型高效三相分离器技术特点 HNS型高效三相分离器与国外同类设备技术指标对比表型高效三相分离器与国外同类设备技术指标对比表 15147613 462110210191312251111812n采用板槽式布液

29、双向流油气水分离技术，加快油水采用板槽式布液双向流油气水分离技术，加快油水分离速度，提高油水分离质量分离速度，提高油水分离质量 n采用两级填料聚结、整流技术，改善油水分离条件，采用两级填料聚结、整流技术，改善油水分离条件，提高油水分离效率提高油水分离效率 n采用整流分离填料改善分散水相在油连续相中的流采用整流分离填料改善分散水相在油连续相中的流场条件，实现分散相与连续相的快速分离场条件，实现分散相与连续相的快速分离 n采用采用“倒虹吸倒虹吸”法控制油水界面，采用机械式仪表法控制油水界面，采用机械式仪表控制油、水室液位，采用自力式调节阀控制分离器控制油、水室液位，采用自力式调节阀控制分离器压力，基本实现操作自动化压力，基本实现操作自动化 浮式生产系统的运动对工艺设备操作性能的影响 引起的问题引起的问题n由于垂荡产生的加速使液面浮子的视重量发生变化 n运动引起液面的变化，导致高低液位报警和关停 n纵摇和横摇运动使液面浮子挂在浮筒壁上，造成控制读数失灵