重力分離器內部不同構件流場的實驗設計

張黎明， 趙崯橙， 張 凱， 齊 冀

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

目前油田采出液中常含有伴生的水、氣等物質，對于原油深加工造成了制約和阻礙， 為了提高油田經濟效益，必須對原油采出液進行分離后分別處理運輸[1-4]。目前來看，重力式分離器結構具有較為簡單，制造運行成本低，工作條件適應性高等優點， 已經成為了對原油采出液進行分離的最廣泛應用以及最重要的分離設備之一[5-8]。

分離器的分離效率取決于它的外形設計和內部構件，不同部位的分離構件對混合物的分離機理不同[9-10]。現階段對不同處理調節下，各個分離構件的對比選取尤其是實驗研究極為有限。本文設計了一整套可替換調節重力分離系統，并進行了一系列實驗，探究了分離效果與內部構件設計之間的聯系， 形成了一定條件下對于重力式分離器內部構件選擇的體系[12-14]。

1 重力式油水分離器內部構件設計

分離器室內實驗的目的：① 以油出口的含水率、水出口的含油率和3個取樣口的含油率作為評價指標，分析在固定分離器尺寸情況下不同聚結構件的分離特性；② 優選出適用于不同混合液情況的聚結構件，并分析影響分離效率結果的因素。

圖1所示為實驗使用的臥式重力分離器。 此分離器尺寸為：直徑30 cm，長度200 cm(長度不包括兩側凸起部分)，壁厚2 cm，長徑比6.7。 其工作原理：油氣水混合物由左側管線混合泵入分離器，流經入口構件、整流構件、聚結構件等內部構件后分別由右側油氣水出口流出至儲液箱， 流程圖如圖2所示。

圖1 重力式分離器(無任何構件情況)

圖2 重力式分離器流程圖

圖3是實驗所使用的取樣裝置示意圖，它設置在分離器靠近入口處位置，由3個位于不同高度的取樣管組成，以便取出各個液位處樣品并進行測量，每根管線上設有節流閥以調節取樣液量。實驗中取樣管內徑設置為5 mm。實驗使用的介質為10號白油、水以及空氣。油樣含水率的測試方法依照GB/T260-2016《石油產品水分測定法》[15]。

圖3 取樣裝置示意圖

實驗選擇測試4種聚結構件(見圖4)的分離性能。

A型

B型

C型

D型

圖4 4種聚結構件

A型聚結板采用不銹鋼制作，厚度1 mm，其具體結構為：加工不銹鋼鐵皮為夾角120°的波紋板，交錯30°搭接相鄰波紋板。

B型聚結板為聚乙烯制成的波紋板，厚度1 mm左右。聚結板折板夾角為120°，與流道垂直方向的每個折邊長度為20 mm。

C型聚結板采用聚乙烯制作，厚度1 mm左右，與A型板大體相同，交錯30°搭接，波紋板夾角120°。不過，C型聚結板的流道略大于A型，即構成C型聚結板的波紋板折邊略長于A型。這樣A型與C型在聚結特性上產生了差異，適合處理不同范圍的粒徑，因而宏觀上分離效率也將產生差異。

D型聚結板材料采用不銹鋼，厚度1.5 mm左右，波紋板之間夾角120°，與流道垂直方向的每個折邊長度60 mm，相鄰波紋板間距設置20 mm。

2 實驗數據的采集

2.1 實驗步驟

(1) 攪拌罐按不同體積比加入水和油共10 L，并加入合適濃度的OP-10乳化劑；

(2) 開攪拌機攪拌混合液直至均勻；

(3) 開泵，將齒輪泵的轉速頻率調節為50 Hz。調節油水出口閥門，使油水界面始終保持一定高度；

(4) 油水界面穩定后，記錄攪拌器內部的溫度；測定油出口的流量、含水量；水出口的流量、含油量；6個取樣口的含水量(含油量)；

(5) 改變泵速和節流閥改變不同的入口流量；

(6) 關閉泵使入口流量為零，待分離器內油水混合液全部流出后，依次使用4塊聚結板,并重復上述步驟(2)～(6)。

(7) 使用質量含油率為20%的油水乳狀液進行實驗，并重復以上所有步驟。

(8) 關泵，檢查各設備入口出口有無泄漏，實驗結束。

2.2 數據處理

2.2.1 聚結板前后含油率之差

由圖5、6可以看出，隨著分離器進口流量的加大,即分離器內混合液流速的加大，聚結板前后(中取樣口與水出口)含油率差逐漸增大，說明在該進口流量范圍內(即混合液流速范圍內)，分離器的分離效果隨流速加大而上升。該含油率差值越大,說明分離器分離效果越好。綜合來看，聚結板A、C的分離效果優于聚結板B、D。

圖5 進口含油率10%時板前后含油率差

圖6 進口含油率20%時板前后含油率差

值得特別注意的是，圖5中聚結板 B的含油率之差在進口流量大于0.275 L/s左右后幾乎保持水平，說明在進口含油率10%情況下聚結板B存在適應的工作范圍，當流量大于該范圍后，B板的分離效果不再增加， 盲目加大流量只會造成資源的浪費而難以獲得更好的效益。另外，在進口流量足夠小時，4塊聚結板的含油率之差均趨近于0，說明這種現象不隨著聚結構件的改變而改變。

2.2.2 有無聚結構件分離特性對比

由圖7可知,隨著進口流量的增加，4塊聚結構件的聚結分離效果越來越好。整體來看，很明顯聚結分離效果A板最好，其次是C板，再次是B、D板。流量較小時,B板分離效果優于D板;而當流量超過0.17 L/s時，B板分離效果將小于D板，此現象也再次印證了聚結板具有自身最佳使用工況這一設想。

圖7 進口含油率為20%時4塊聚結板水出口

3 結 語

在無聚結構件情況下進行了混合液分離實驗，通過油水相停留時間為指標代表重力分離作用強弱，獲得了水出口含油率和油出口含水率受重力影響的關系，并通過控制變量法獲得了聚結分離效果與入口濃度、進口流量的關系：進口流量0.1～0.25 L/s中存在一個使油出口含水率最小的最佳進口流量值；分離器內不加裝聚結構件時水出口含油率主要與進口流量有關，與入口油相濃度關系不大。

依次加裝4塊不同的聚結構件進行進口含油率分別為10%、20%的實驗，得到4塊聚結板的聚結分離效果依次為A、C、B、D聚結板，并觀察到聚結板具有自身最適合的含油率、進口流量等工況條件。通過對兩個含油率下取樣口處與水出口含油率之差與流量關系測定，進一步驗證了4塊聚結板的分離效果順序以及分離器存在最適合工況的現象，并得出了隨著流速增大，聚結板工作效果大多提高的結論。