重力油水分離器分離效果的實驗研究*

侯 健 俞接成 蘇民德

(1.北京石油化工學院；2.北京化工大學)

重力油水分離器分離效果的實驗研究*

侯 健**1,2俞接成1蘇民德1

(1.北京石油化工學院；2.北京化工大學)

通過實驗分析了影響重力油水分離器分離效果的因素，實驗結果表明：入口流速越低，油滴粒徑越大，油水分離效果越好；聚結構件對重力油水分離器分離效果具有明顯影響，平行蛇形板構件和平行波紋板構件更有利于提高油水分離效率；本實驗采用平行蛇形板構件或平行波紋板構件，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉速為200r/min的條件下，水出口含油量低于0.5%，油出口含油率接近50%，具有良好的油水分離效果。

重力油水分離器 分離效果 入口流速 攪拌轉速 聚結構件

我國經濟目前正處于快速發展階段，對能源的需求也不斷增大，石油和天然氣的開采和利用已成為國民經濟的重要支柱[1]。目前我國油田進入高含水期，大部分油田已經進入中后期開采階段，隨著油田的老化和回注水量的增加，原油采出液的含水率不斷上升，有些油田采出液的含水率高達90%以上。為了滿足實際生產的需要，減少含油污水對環境造成的污染與危害事件，必須對原油的采出液進行油水分離[2]。

油水分離器是原油處理過程中不可缺少的核心設備，并發揮著越來越重要的作用。重力分離器因其具有結構簡單、流動阻力小、使用維護費用低以及可以處理大流量的油水混合物等優點成為采油平臺上分離設備的首選。目前重力分離器還存在著很多不足，需要進一步的優化設計[3]。

目前國內油田的重力油水分離設計，大多是以孤立液滴的沉降浮升為基準進行分析和確定結構尺寸，設計中忽略了分散相液滴之間的相互碰撞聚結，因而設計的分離器結構尺寸偏大，造成不必要的材料浪費和場地問題，且如果這種分離器放在海洋平臺上，設備的安裝更將成為問題[4～6]。

為了提高重力油水分離器的分離效果，筆者針對可能影響分離效果的因素進行了實驗研究，分析了混合液入口流速、油滴粒徑和不同聚結構件對油水分離效果的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置系統主要包括重力油水分離器、油水混合攪拌罐、變頻控制電機及離心輸送泵等設備(圖1)。輸送管路材料為304不銹鋼，規格為φ48mm×8mm，內徑為32mm，配有渦輪流量計、壓力表和相應閥門。在攪拌罐中配制5%含油率的油水混合液，由輸送泵將其送入重力油分離器中，通過調節閥可以控制分離器的入口流量，油水混合液在重力分離器中分離，油、水分別從油出口和水出口輸出，流回攪拌罐后重新混合循環使用。

2 實驗及測量

2.1實驗方案

本實驗將討論混合液入口流速、油水混合攪拌轉速(油滴粒徑)及不同聚結構件等因素對油水分離效果的影響。入口流速選擇了0.5、1.0、1.5m/s，攪拌轉速選擇了200、250r/min，聚結構件選擇了無聚結構件、平行平板、平行蛇形板、背向蛇形板和平行波紋板。筆者分別制定了在使用相同平行蛇形板構件條件下，驗證不同入口流速和不同攪拌轉速對分離效果影響的實驗方案和在相同攪拌轉速200r/min條件下，驗證不同入口流速和不同聚結構件對分離效果影響的實驗方案。

圖1 重力油水分離實驗裝置系統

2.2實驗步驟

首先在攪拌罐內分別加入570L水和30L白油(10#)，配制600L含油量為5%的油水混合液；通過變頻器電源控制攪拌槳分別以200、250r/min的轉速攪拌混合液，使油水充分混合，調制成不同油滴粒徑的油水混合物；混合后由輸送泵在管路內循環，通過調節閥調節進入分離器的油水混合物流量(入口流速分別為0.5、1.0、1.5m/s)；調節出口閥門，控制油出口和水出口分流比為1∶19；待實驗管路穩定運行30min以上后，分別從入口、聚結前取樣口(上、中、下)、聚結后取樣口(上、中、下)、油出口和水出口取樣品50mL。

2.3測量方法

首先將取樣用的燒杯依次貼上標簽，分別稱量空燒杯質量并記錄；依次從入口、聚結前取樣口(上、中、下)、聚結后取樣口(上、中、下)、油出口和水出口取待測樣品50mL；將樣品全部轉入分液漏斗，以25mL石油醚洗滌采樣燒杯并轉入分液漏斗，充分震蕩3min，靜置待完全分層后，將油水層分離；石油醚層轉入新燒杯，水層轉入原采樣燒杯并加入25mL石油醚重復萃取水中的油，待靜置分層后分離；合并兩次的萃取液置入原燒杯，得到含有石油醚的油相組分；將水浴鍋內的水加熱到65℃，將燒杯置于水浴鍋中加熱1h，待石油醚完全蒸除后，取出燒杯并干燥，用天平稱量其質量；減去空燒杯質量得到油組分的質量，進而求得油組分的體積和在樣品中的體積分數。

3 實驗結果分析

實驗所測試樣中油的體積分數C的計算式為：

式中V——所測試樣體積，L；

W1——空燒杯質量，kg；

W2——燒杯加油總質量，kg；

ρ——白油密度，kg/L。

3.1入口流速和攪拌轉速對油水分離效果的影響

入口流速和攪拌轉速對油水分離效果的影響如圖2所示。從圖2可以看出：隨著入口流速的增加，水出口的含油率逐漸上升，油出口的含油率逐漸下降；入口流速越低，水出口含油量越低，油出口含油量越高，油水分離效果越好。攪拌轉速為200r/min時，水出口含油率要低于攪拌轉速為250r/min時的水出口含油率，油出口含油率要高于攪拌轉速為250r/min時的油出口含油率；攪拌轉速越低，入口油水混合物中油滴粒徑越大，說明油滴粒徑越大，油水分離效果越好。在本實驗中，采用平行蛇形板構件時，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉速為200r/min條件下，水出口含油量低于0.5%，油出口含油量接近50%，具有良好的油水分離效果。

圖2 入口流速和攪拌轉速對油水分離效果的影響

3.2入口流速和聚結構件對油水分離效果的影響

入口流速和聚結構件對油水分離效果的影響如圖3所示。從圖3可以看出：隨著入口流速的增大，水出口的含油率逐漸上升，油出口含油率下降；入口流速越低，水出口含油量越低，油出口含油率越高，油水分離效果越好；4種聚結構件下的水出口含油率均低于無聚結構件下的水出口含油率，油出口含油率均高于無聚結構件下的油出口含油率；平行蛇形板構件和平行波紋板構件對油滴的聚結效果更明顯，從而使油水分離更徹底，水出口含油率更低，油出口含油率更高；平行平板構件和背向蛇形板構件對油滴的聚結效果相對一般。這是由于平行平板構件結構較為簡單，背向蛇形板構件在相同尺寸內隔板數量相對較少，對提高油滴顆粒碰撞幾率的影響相對較小；平行蛇形板構件和平行波紋板構件的形狀更有利于油滴顆粒在流動過程中的碰撞，從而提高油滴聚結幾率；而平行蛇形板構件分離效果略好于平行波紋板構件，分析認為是聚結板折角的影響，平行蛇形板構件的折角為135°，平行波紋板構件的折角為120°，液體流經聚結板，流速的大小和方向都有一定的變化，從而導致液層間存在剪切和漩渦，對油水分離效率具有一定影響。在本實驗中，采用平行蛇形板構件或平行波紋板構件時，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉速為200r/min條件下，水出口含油率低于0.5%，油出口含油量接近50%，具有良好的油水分離效果。

圖3 入口流速和聚結構件對油水分離效果的影響

不同聚結構件下取樣口的含油率如圖4所示，從圖4可以看出：混合液經過聚結構件后，上取樣口(300mm處)含油率均有上升，說明聚結構件具有使油滴碰撞聚結從而加速油滴上浮的作用；使用平行平板構件和背向蛇形板構件時，聚結前、后上取樣口的含油率之差約為2%～3%，使用平行蛇形板構件和平行波紋板構件時，聚結前、后上取樣口的含油率之差約為10%～15%，說明平行蛇形板構件和平行波紋板構件對油滴的聚結效果更好。

圖4 不同聚結構件下取樣口含油率

4 結論

4.1在入口流速較低時，油水混合物分離效果比較理想，隨著流速增加，分離效果逐漸下降，因此減小分離器入口流速有利于改善分離器效果。

4.2油水混合攪拌罐攪拌轉速較低時，入口油水混合物中油滴粒徑越大，分離效率越好。

4.3聚結構件對重力分離器分離效果具有明顯影響，平行蛇形板構件和平行波紋板構件有利于油滴顆粒的碰撞聚結，從而加速油滴上浮，提高油水分離效率。

4.4本實驗所用的重力油水分離器在入口流速為0.5m/s、攪拌轉速為200r/min的條件下，采用平行蛇形板構件或平行波紋板構件，水出口含油量低于0.5%，油出口含油率接近50%，具有良好的油水分離效果。

[1] 陸耀軍，王金昌.油水重力分離技術及其進展[J]. 油氣田地面工程，1999，18(4)：6～9.

[2] 陸耀軍.油水重力分離設備技術及進展[J].化工進展，2001，20(4)：50～53.

[3] 蔡飛超，馬濤，騰照峰.重力油水分離特性的數值研究[J].石油礦場機械，2009，38(2)：24～27.

[4] 鄧小偉，楊小紅，王恩成，等.軟件模擬設計使三相分離器的體積縮小50%[J].國外油田工程，2002，18(10)：63～64.

[5] 孫治謙，王振波，吳存仙，等.油水重力分離過程油滴浮升規律的實驗研究[J].過程工程學報，2009，9(1)：23～27.

[6] 倪玲英，何利民.含聚結填料分離器的分離特性試驗研究[J].石油礦場機械，2007，36(10)：61～64.

ExperimentalResearchonSeperatingEffectofGravityOil-WaterSeparator

HOU Jian1,2,YU Jie-cheng1, SU Min-de1

(1.BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China; 2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

*北京市教育委員會科技計劃資助項目(12010223006)。

**侯 健，男，1988年6月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)01-0024-05

2014-04-29，

2014-05-16)

(Continued on Page 67)