T型油水分離器的設計及應用

郝黎霞 呂儀軍 趙國成

中國五環工程有限公司 武漢 430223

T型油水分離器的設計及應用

郝黎霞*呂儀軍 趙國成

中國五環工程有限公司 武漢 430223

重力式油水分離器是石化領域常用的油水分離設備。本文從設計依據、結構特點、工作原理及實際生產應用幾方面闡述一種T型油水分離器，對油水分離器的結構優化設計工作及設備的設計選型提供一定的參考。

T型油水分離器 結構優化 設計

在石油化工和化工裝置中，油水混合物的分離是一種至關重要的工藝過程，重力式油水分離器是一種經常用到的實現分離目的的工藝設備。

傳統的油水分離器，大部分采用臥式或立式結構。臥式結構的油水分離器在連續生產裝置中，油水界面會隨著油相和水相的流出出現波動擾動，存在界面不穩定的缺陷，而且容易出現返混和短路流的情況，此外，處理能力相同的情況下，臥式分離器比立式分離器的占地面積大許多，會出現布置空間不夠的情況；立式結構的油水分離器相對占地面積小，但由于垂直高度較大，油滴的上浮時間就會大于混合物的水平流動時間，這樣油滴就沒有充分的上浮時間，導致相當部分的液流未經充分分離就排出罐體，油相與水相難有良好的分離效果。為了解決上述技術問題，本文設計了一種結構簡單、占地面積小、油水界面穩定，油水分離效果好，可連續化操作、處理量大的T型油水分離器。

1 設計原理及理論依據

油水分離的眾多方法中，重力分離法是最基本最常用的一種，廣泛應用于石油、化工等行業。重力分離器是利用重力、對密度存在差異、互不相容的不同種流體進行分離的一種設備。

根據斯托克斯(Stokes)公式的基本原理，重力油水分離器主要依靠的是油和水之間的密度差異，在一個相對平衡的系統里，混合物將以一定比例形成水相和油相，在這個系統中相對較重的組分水以一定的運動規律進行沉降，而比較輕的組份油則以層流狀態表現，Hazen的“淺池理論”和斯托克斯公式是這種分離方法最主要的理論依據。

淺池理論默認油水混合物的重力分離在理想狀態下進行，忽略紊流和進出口水流不均勻等因素，假設分離器的有效長度為L，分離器底部距油水界面的高度為H，油水混合物的水平流速為U，油滴在水中的浮升速度為ν，混合物經分離器后得以分離的條件：

(1)

從式(1)可以得出，油水混合物若要實現充分分離，油水混合物水平流經分離器的時間要大于油滴上浮的時間，這樣油滴才能有充分的時間上浮，與水相充分分離[1]。當油水混合物的處理量一定，且油滴浮升高度H恒定，即水平流速U不變，在保證分離效果不變的前提下，若要減小分離的尺寸，即縮短分離器的長度L，就需增大油滴的浮升速度ν，油滴浮升速度由斯托克斯公式確定：

(2)

式中，v為油滴浮升速度m/s；ρw為水的密度，kg/m3；ρo為油的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為油滴粒徑，m；μw為水的粘度，Pa·s。

從式(2)可知，油滴的浮升速度正比于油水的密度差，同時正比于油滴粒徑平方。

2 油水分離器的結構優化設計

T型油水分離器的結構見圖1。

圖1 T型油水分離器典型結構

改進后的T型油水分離器與傳統型相比，結構簡單，分離效率高、可連續化生產，采用T型結構明顯增加流體在分離器中的停留時間，生產過程中可以維持油水界面相對平穩，且大幅降低返混和渦流情況，在達到相同的分離效率時能滿足更大的生產分離處理能力，同樣的處理能力條件下能比其他容器具有更小的設備體積，占地面積也更小，同時降低設備生產和維修費用，具體結構優化方案如下：

2.1T型組合結構

本設計將立式罐體和臥式罐體結合在一起，且臥式罐體最好位于立式罐體的中段，兩者形成一個“T”字形結構，在這種結構下能夠最大限度的提高處理量，也能提高油水的停留時間，采用臥式罐體進料并快速實現油水分層，利用立體罐體實現穩定出油和出水，使油水的分層面穩定在在臥式罐體的垂直高度內；升高的臥式罐體不再占用地面面積，有利于其它設備的布置。

2.2 進料管出口采用喇叭型

臥式罐體左端底部設有液體混合物進料管，液體混合物進料管的出口采用喇叭型狀，并正對著左封頭，同時由支撐板支撐和加強拉筋固定，出口直徑的放大降低了流體的壓力并有效的減少來流能量，抑制和消除來流的返混和渦流情況，增加液滴的聚結機會，有較好的預分離作用。

2.3 進液分離區設置人孔

臥式罐體進液分離區設置人孔，其上配有觀察視鏡，視鏡可視范圍對應設計油水分層處，便于生產中直觀地觀察分析油水混合物的分層效果。

2.4 集油出水區設置出水管

立式罐體集油出水區設置出水管，出水管設于立式筒體的內部，上端氣相空間相通，在一些寒冷地區，此結構避免出水管外置的凍結現象，此外對于油水密度差比較小的介質，避免因為現場施工操作誤差，水相液封高度發生微量變化，進而導致油水界面的較大波動，最終影響分離效果。

3 T型油水分離器的工作原理

圖1為典型T型油水分離器的結構示意圖。本T型油水分離器采用臥式罐體和立式罐體組合的結構，油水混合物由進料口進入臥式罐體內，臥式罐體為油水混合物提供足夠的分離停留時間，使混合物沿著臥式罐體一邊向立體罐體方向流動一邊實現平穩分層，逐漸沿罐體縱向形成明顯的油水界面，在兩個罐體的連接處，分層的油相迅速上浮充滿立式罐體的上段，水相沉集至立式罐體的下段，靜置，立式罐體進一步提高分離效果和分離處理能力，分離出的水相由底部通過內出水管經水相出口排出，油相通過罐體側壁上的輕油出口排出，最終實現輕油與水相的充分分離。

臥式罐體與立式罐體連接處的具體高度位置確定原則：

(1)根據進料的油水體積比確定，可保障油和水在分離器內的停留時間一致，即臥式罐體的油水界面保證油相和水相在臥式罐體的停留時間相同，立式罐體的油水界面保證油相和水相在立式罐體的停留時間相同，連接臥式罐體與立式罐體保證兩個油水界面齊平。

(2)若混合物中有一相較少，可以適當增加該相的體積。

(3)按照分離要求，除了實現油水分離器的主要功能，把液體分離為兩相外，還看分離目標是以油的質量為準還是以水的質量為準，如果要求水相油含量盡可能少，就適當增加水相的停留時間；相反則適當增加油相的停留時間。

4 T型油水分離器的應用實例

以某蓖麻油制取20000t/a癸二酸項目的實際生產為例，簡述T型油水分離器的設計方案。在該項目的實際生產工藝中，副產14000t/a仲辛醇，而粗仲辛醇里面含有水、微量仲辛酮和苯酚等雜質，為保證仲辛醇產品質量指標達到企業標準Q/WYJ001-91中的一級品要求，堿裂反應生產的揮發物冷凝后必須把水和有機物相分離，生產裝置中設計了一臺T型油水分離器，以實現仲辛醇油水分離，合理確定油水穩定分界面及出水管管口與出油口間距是關鍵，具體設計方案如下：

粗仲辛醇進料量2100kg/h，含水50%(wt)，有機雜質1.21%(wt)，分離要求是水分含量≤2%(v/v)，油相的平均密度取840kg/m3，水的密度取1000kg/m3，混合物流量2.3m3/h。

4.1 設備尺寸的確定

油水分離器的尺寸取決于滯留時間(油水分離所需要的時間)，而滯留時間又取決于油滴的上浮速度，因此根據斯托克斯公式(層流條件下)計算出油滴的上浮速度，但實際生產中，無法測定液滴的直徑，也無法保證分離過程中油滴不破碎、不合并，更無法避免油滴與器壁之間的作用力，因此采用斯托克斯公式進行估算存在一定的誤差和風險性。本項目設計是以取樣試驗、測定的油水分離時間為準，仲辛醇油水沉降分離時間為5h，則油水分離器的尺寸為5×2.3=11.5m3，取12m3，直徑取1600mm，流體水平流速為1.14m/s，油滴上浮速度取0.95m/s(采用斯托克斯公式估算)，根據淺池理論，取臥式罐體長度2000mm，取立式罐體筒體高度4000mm，見圖2。

4.2 油水界面的設計

油水界面應按照進料中油水的體積比分配，這樣就可以保障油和水在分離器內的停留時間一致，結合實際進料情況，仲辛醇體積流量大于水相的體積流量，考慮適當增加水相的體積進而適當增加水相停留時間，以保障水相中油含量盡量少，提高仲辛醇的回收率，本設計的油水界面取在設備的中心高度處，且臥式罐體與立式罐體的連接處應保證兩個油水界面齊平，見圖2。

4.3 油相出口和水相出口間距h的設計

以立管a處油水界面為參考面。

圖2 T型仲辛醇油水分離器結構

管外壓力：

P1=ρ油·g·H1

管內壓力：

P2=ρ水·g·H2

P1=P2

H2=ρ油·H1/ρ水=840×1850÷1000=1554 mm

h=H1-H2=1850-1554=296 mm

根據以上的計算結果，提出工藝設備數據，見圖2。

5 結語

在石油化工中，油水分離器是實現油水混合物分離的一種至關重要的工藝設備，油水分離器存在巨大的市場需求，因此進一步優化設備結構，保證分離效果，實現連續化自動操作及提高設備處理能力勢在必行。本文主要從設計理論依據、結構特點和工作原理幾方面闡述T型結構的新型油水分離器，該分離器具有結構簡單、占地面積小、油水界面穩定、分離效果好、可連續化操作、處理量大等優點，成功應用于20000t/a癸二酸項目，并滿足生產工藝的需求，也對同類項目的設計和相關人員提供一定的參考。

1 候 健.重力油水分離器的關鍵技術及性能研究 [D].北京：北京化工大學，2014

2017-02-09)

*郝黎霞：工程師。2010年畢業于中北大學材料學專業獲碩士學位。現從事化工工藝設計工作。聯系電話：(027)81926323， E-mail: haolixia@cwcec.com。