發(fā)泡原油氣液分離器的設(shè)計(jì)

陳朝輝，李 男，劉楚茹

（中國(guó)石油大學(xué), 北京 昌平 102249）

化工設(shè)計(jì)

發(fā)泡原油氣液分離器的設(shè)計(jì)

陳朝輝，李 男，劉楚茹

（中國(guó)石油大學(xué), 北京 昌平 102249）

原油發(fā)泡使得油氣分離效率低，造成很大的計(jì)量誤差，并會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。針對(duì)發(fā)泡原油的特性，研制了發(fā)泡原油氣液分離器。介紹了發(fā)泡原油分離器的整體結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)創(chuàng)新以及內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)。分析了氣液旋流器的數(shù)值模擬結(jié)果，并且優(yōu)化了氣液旋流器的結(jié)構(gòu)。

機(jī)械消泡；氣液分離器；設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

氣液分離器廣泛應(yīng)用在油田接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站中,油井采出液在接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站中首先要進(jìn)行氣液分離，以便進(jìn)行分別計(jì)量。原油發(fā)泡使得油氣分離不徹底，增大儀表計(jì)量誤差，并會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。特別是稠油粘度大、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高，使得原油易氣泡且氣泡膜強(qiáng)度大，導(dǎo)致自然消泡時(shí)間長(zhǎng)，易形成穩(wěn)定的泡沫原油［1］。

因此，如何高效率地處理發(fā)泡原油是需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。本文針對(duì)發(fā)泡原油的特性，對(duì)氣液分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

1 原油發(fā)泡機(jī)理及危害

1.1 發(fā)泡機(jī)理

泡沫是氣體被液體包住而形成的一種不穩(wěn)定分散體系。發(fā)泡和液體的化學(xué)組成，物化性質(zhì)及其他工作條件有關(guān)。純凈液體不能形成穩(wěn)定泡沫，這是因?yàn)槠浔砻媾c內(nèi)部組成相同，形成泡沫后液膜收縮趨勢(shì)大，容易破滅。如果體系中存在一些表面活性物質(zhì)，它吸附在氣液界面上從而降低了介質(zhì)的表面張力。同時(shí)由于這種物質(zhì)形成吸附層時(shí)不易達(dá)到飽和，只是浸在液體中的組分比浸在氣體中的多，這樣泡沫內(nèi)壁形成的定向排列使相鄰氣泡不易合并，從而使泡沫更穩(wěn)定［2］。因稠油含有大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，具有較高的表面活性及很高的表面粘度，由其分子組成以及物化性質(zhì)決定了稠油具有較強(qiáng)的起泡性。

1.2 氣泡的危害

原油發(fā)泡帶來(lái)許多危害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

（1）發(fā)泡會(huì)造成油氣油氣分離不徹底、處理量減少，增大儀表計(jì)量的誤差。

（2）發(fā)泡會(huì)造成裝置運(yùn)行不正常或者產(chǎn)品不合格，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)“冒罐”的嚴(yán)重問(wèn)題。并且在嚴(yán)重發(fā)泡情況下很難對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

（3）泡沫會(huì)增大液體的體積，從而使設(shè)備和管線的鋼材消耗量。

1.3 消泡方法及氣液分離器原理

工業(yè)上消泡的主要方法［3］有以下幾種:、自然消泡、化學(xué)消泡、物理消泡和機(jī)械消泡。物理消泡方法有熱學(xué)消泡、電法消泡、聲學(xué)消泡和真空消泡等。機(jī)械消泡的基本類型有:離心式、噴射式、檔板式、消泡網(wǎng)式和綜合式。氣液分離器根據(jù)氣液分離原理可分為［4］：重力沉降分離、過(guò)濾分離、慣性分離和離心分離。

2 發(fā)泡原油氣液分離器設(shè)計(jì)與研究

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及工作原理

發(fā)泡原油氣液分離器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）設(shè)計(jì)壓力：0.8 MPa；

（2）設(shè)計(jì)溫度：90 ℃；

（3）設(shè)計(jì)處理量：1 000～2 000 m3/d；

（4）規(guī)格型號(hào)：2 400 mm ×7 200 mm；

（5）氣體脫除率≥95%；

（6）原油含水率≤92%。

發(fā)泡原油氣液分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其工作原理是：采出液切向進(jìn)入氣液旋流器。氣體在壓力梯度和離心力的作用下向中心聚攏，螺旋向上進(jìn)入溢流口，再經(jīng)氣體凝結(jié)器和絲網(wǎng)捕霧器后排出。液體在離心力的作用下緊貼壁面旋轉(zhuǎn)進(jìn)入底流口，再均勻流向折流板。經(jīng)板上鋸齒狀條紋的拉泡作用，部分氣泡破碎。之后，液體進(jìn)入分離器的集液區(qū)。集液區(qū)上部的油層經(jīng)加熱器加熱提高溫度，加速破乳和油水分離。油經(jīng)過(guò)防波器后進(jìn)入油室，經(jīng)油出口排出。如果油受到擾動(dòng)再次起泡，安裝在集液區(qū)頂部的消泡網(wǎng)可以起到消泡作用，防止“冒罐”。在油層重力作用下集液區(qū)下部的水層從油室底部進(jìn)入水室，經(jīng)水出口排出。

圖 1 發(fā)泡原油氣液分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of gas-liquid separator for foaming crude

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

針對(duì)發(fā)泡原油的性質(zhì)，對(duì)氣液分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1） 可實(shí)現(xiàn)消泡和氣液分離的雙重功能，結(jié)構(gòu)緊湊，適用性好。傳統(tǒng)工藝大多消泡和氣液分離分開(kāi)進(jìn)行，占地面積大，結(jié)構(gòu)分散。

（2） 綜合應(yīng)用氣液旋流器、折流板、消泡網(wǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械消泡。為了降低氣相負(fù)荷，避免氣體受到擾動(dòng)后重新融入液相，在發(fā)泡原油分離器入口設(shè)有氣液旋流器。通過(guò) Fluent模擬證明氣液旋流器能夠有效分離出采出液中的氣相。折流板一方面使自然消泡過(guò)程延長(zhǎng)，另一方面設(shè)計(jì)的鋸齒狀拉泡板可加速泡沫的破裂。消泡網(wǎng)的消泡作用可防止發(fā)泡原油分離器出現(xiàn)“冒罐”。

（3） 具有防止稠油堵塞捕霧器的功能。分離器采用捕霧器與氣體凝結(jié)器串聯(lián)的形式。氣體先通過(guò)凝結(jié)器，除去氣體中夾帶的較大的液滴，然后再通過(guò)捕霧器進(jìn)一步除去粒徑較小的液滴。因此具有防止稠油堵塞捕霧器的功能。

（4） 浮子液面控制器對(duì)油水界面自動(dòng)穩(wěn)定控制。為了保證油水分離效果，需要穩(wěn)定油水界面。但是油水密度差太小或者存在油水乳化層,導(dǎo)致控制油水界面比較困難。通過(guò)堰板和浮子液面控制器將傳統(tǒng)的油水界面控制轉(zhuǎn)化為油室和水室的液面控制，并通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制油、氣、水出口閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油水界面的自動(dòng)穩(wěn)定控制。

（5）可有效實(shí)現(xiàn)整流穩(wěn)流。在油層進(jìn)入油室時(shí)增設(shè)防波裝置，保證了油室液面的穩(wěn)定，同時(shí)加速了泡沫的破滅。同時(shí)，防渦器可減少油水的擾動(dòng)。

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)部構(gòu)件

2.3.1 氣體凝結(jié)器(圖 2)

分離出的氣體往往攜帶著油滴，由于稠油粘度較大，含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)較多，如果直接通過(guò)捕霧器，油滴會(huì)粘附在絲網(wǎng)上，破壞絲網(wǎng)的正常工作狀態(tài)，甚至堵塞絲網(wǎng)。因此在經(jīng)過(guò)捕霧器時(shí)先通過(guò)氣體凝結(jié)器，即通過(guò)不斷改變氣體流動(dòng)方向，使氣體與板發(fā)生碰撞凝結(jié)，除去氣體中夾帶的部分液滴。

圖 2 氣體凝結(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of gas condenser

2.3.2 氣液旋流器數(shù)值模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在強(qiáng)旋流區(qū)加密網(wǎng)格。本文采用的基本方法和模型有：雷諾平均法、RNGk-ε模型、SIMPLE 算法、離散相模型、隨機(jī)游走模型等。鑒于分離器流場(chǎng)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)特性，本文采用 QUICK 差分格式、PRESTO！壓力插補(bǔ)格式進(jìn)行數(shù)值模擬。入口邊界氣液兩相流體均勻垂直流入，底流出口按充分發(fā)展處理。采用壁面函數(shù)法確定固壁邊界條件［5,6］。

鑒于 GAMBIT 操作繁瑣，本文運(yùn)用 GAMBIT 前，使用 VB 編程，生成日志文件，再導(dǎo)入 GAMBIT 可實(shí)現(xiàn)快速建模。開(kāi)發(fā)新界面如圖3所示。

圖 3 日志生成程序界面Fig.3 Log generation program interface

保持其他參數(shù)不變，單入口和雙入口氣液旋流器的壓力云圖和速度分布如下：

圖 4 截面壓力分布云圖Fig.4 Sectional pressure contours

圖 6 截面切向速度分布Fig.6 Sectional tangential velocity distribution

由圖 4、圖5和圖6可知：隨著氣泡粒徑增大，分離效率增大。這是因?yàn)殡x心力的作用以及小氣泡對(duì)液相的跟隨性較好。雙入口的壓力和速度分布較單入口壓力分布更具有對(duì)稱型。雙入口徑向壓力梯度增加，有利于分離。雙入口的分離效率大于單入口。綜上，雙入口要優(yōu)于單入口。

每次僅改變一個(gè)參數(shù)，而保持其他參數(shù)不變，進(jìn)行氣液旋流器的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的模擬并對(duì)比氣液分離效率，最終得出氣液旋流器的幾何參數(shù)為：雙入口，入口為矩形寬 25 mm、高 40 mm，底流口半徑 30 mm,溢流口深度為 60 mm,圓柱旋流腔直徑100 mm,圓柱旋流腔高度 120 mm，圓臺(tái)旋流器腔高度 380 mm。

3.1.2 其他構(gòu)件

折流板安裝時(shí)傾斜角為 15°每塊板上有 20 條帶有鋸齒狀的隔板，每塊隔板高度略高于流上折流板液膜的厚度。

絲網(wǎng)型捕霧器［7］的絲網(wǎng)由直徑為 0.2 mm 碳鋼絲編織而成。其孔隙率為 0.98，網(wǎng)墊比表面積為 350 m2/m2。帶液氣體與金屬絲網(wǎng)相撞時(shí)，下流聚并，形成較大的液滴，克服液滴表面張力和上升氣體速度的限制而降落下來(lái)。

防波器的每?jī)蓧K板之間距離為 10 mm，板 45°傾斜放置，板厚 4 mm，集液區(qū)的油層從左側(cè)流入右側(cè)，阻止波浪傳遞，并且隔住了泡沫層。使進(jìn)入油室的界面氣泡含量少，容易控制。

其他構(gòu)件比如消泡網(wǎng)、防渦器、鞍座、法蘭、人孔等按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8-12］設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

理論上，我們?cè)O(shè)計(jì)的氣液分離器可有效處理發(fā)泡原油，實(shí)現(xiàn)消泡和氣液分離的雙重功能，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)用經(jīng)濟(jì)。因此，可適用于偏遠(yuǎn)的稠油開(kāi)采區(qū)塊和海上平臺(tái)，也可適用于地面空間有限的油田。

今后還可以做一些實(shí)驗(yàn)方面的工作，以驗(yàn)證發(fā)泡原油分離器的效果，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和改進(jìn)操作條件。

［1］ 張瑞華,傅莉,張光旭. 泡沫原油油氣分離器的研制[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2004(09):19-21.

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［3］ 葛成燦,王源升,余紅偉,魏徵. 泡沫及消泡劑的研究進(jìn)展[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2010(06):81-85.

［4］ 王瑞,褚雅志,王領(lǐng),劉燕,馬曉迅. 組合式氣液分離器的結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代化工,2013(12):88-91.

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［6］ 鐘萬(wàn)福. 除氣旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 大慶:大慶石油學(xué)院,2009.

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［8］ HG/T 21517-2005, 回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔[S].

［9］ GB/T 9112-2010 鋼制管法蘭 類型與參數(shù)[S].

［10］ SY/T 0515-2007, 分離器規(guī)范[S].

［11］ JB/T 4712.1-2007, 容器支座.第 1 部分:鞍式支座[S]．

［12］ SY/T 0515-2007, 分離器規(guī)范[S].

硅藻泥或?qū)⒂绊懲苛鲜袌?chǎng)發(fā)展格局

在市場(chǎng)上每年都有新的裝飾材料出現(xiàn)，尤其是墻面飾材，先后出現(xiàn)了墻面布軟包、各類乳膠漆、噴涂、液體壁紙、壁紙、墻基布、硅藻泥等。

最近記者在市場(chǎng)上走訪發(fā)現(xiàn)，各個(gè)品牌的硅藻泥產(chǎn)品如雨后春筍一樣涌現(xiàn)，發(fā)展之迅猛讓人驚訝?；诠柙迥嗟纳a(chǎn)銷售模式與涂料相仿，功能上甚至有超越之處，因此硅藻泥的市場(chǎng)爆發(fā)必然也將影響到涂料市場(chǎng)的格局。

這應(yīng)該引起涂料企業(yè)的注意。令人慶幸的是，據(jù)記者了解，部分涂料企業(yè)已經(jīng)注意到這個(gè)市場(chǎng)現(xiàn)象，并著手應(yīng)對(duì)。對(duì)于整個(gè)涂料行業(yè)來(lái)說(shuō)，這種應(yīng)對(duì)首先應(yīng)該從了解硅藻泥的功能與市場(chǎng)前景開(kāi)始。

什么是硅藻泥

硅藻泥的主要成分是硅藻土，而硅藻土的主要成分是硅藻。硅藻是最早在地球上出現(xiàn)的一種單細(xì)胞藻類生物，生存在海水或者湖水中，形體極為微小，常常以驚人的速度生長(zhǎng)繁殖。硅藻是海洋或湖泊中一類最重要的浮游生物，分布極其廣泛。因?yàn)楣柙宸N類多、數(shù)量大，因而被稱為海洋的"草原"。

硅藻泥的特性與功能

凈化空氣。硅藻泥能夠吸附和分解各種有害氣體、煙味及異味，具有凈化空氣，除臭祛味的功能。

調(diào)節(jié)濕度。具有將空氣中的水分吸收、儲(chǔ)存并適時(shí)釋放、自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能。

隔音保溫。硅藻泥的吸音隔音效果相當(dāng)于同等厚度的水泥砂漿和石板的 2 倍以上，能夠縮短 50%的余響時(shí)間;而隔熱保溫效果是相同厚度水泥砂漿效果的6倍以上，大大節(jié)約了電能和采暖費(fèi)用。

防火阻燃。硅藻泥還具有防火阻燃的功能，它只有熔點(diǎn)沒(méi)有燃點(diǎn)，不燃燒、不冒煙、無(wú)異味，火災(zāi)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。

殺菌消毒。硅藻泥因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)水分的吸收和分解能夠產(chǎn)生“瀑布效應(yīng)”，將水分子分解成正負(fù)離子，具有極強(qiáng)的殺菌能力，經(jīng)檢測(cè)抑菌率高達(dá) 96%以上。

墻面自潔。經(jīng)檢驗(yàn)，硅藻泥無(wú)任何有害重金屬，是高絕緣物質(zhì)，防靜電，不吸灰塵，能保持墻面永久清新。

另外，硅藻泥的壽命長(zhǎng)達(dá)20年以上，不退色、不脫落、不開(kāi)裂、耐氧化，始終如新。

硅藻泥中國(guó)市場(chǎng)現(xiàn)階段的狀況

目前，硅藻泥的發(fā)展空間巨大?？梢哉f(shuō)，國(guó)內(nèi)硅藻泥行業(yè)還沒(méi)有一個(gè)品牌具備領(lǐng)軍行業(yè)的能力，為此留出更大的競(jìng)爭(zhēng)空間。

“硅藻泥涂料由純天然材料構(gòu)成，不含任何有害物質(zhì)及有害添加劑(白石灰、石膏、光觸媒等)，材料本身為純綠色環(huán)保產(chǎn)品。其網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)大大增加了材料的表面積，能夠吸附分解空氣中甲醛等 voc 有害物質(zhì)，具有凈化空氣的效果。

Design of Gas-liquid Separator for Foaming Crude

CHEN Chao-hui，LI Nan，LIU Chu-ru
（China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Oil foaming can reduce the efficiency of oil and gas separation, which will cause measurement error and damage to the devices. A gas-liquid separator was designed based on properties of foaming crude oil. The overall structure, operating principle, technology innovation and design of the internal components of the separator were described. The structure of gas-liquid cyclone was optimized based on numerical simulation.

Mechanical defoaming; Gas-liquid separator; Design; Numerical simulation

TE 868

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1293-04

2014-05-21

陳朝輝（1993-），男，河南洛陽(yáng)人，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程。E-mail：18939001535@163.com。