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重力式油水分离器的分离特性研究

编辑:管理员    发布时间:2016/6/25 17:03:15

重力式油水分离器的分离特性研究  

摘要:利用重力式分离模拟试验系统,以白油和水作为工作介质,分析了6取样口和油出口、水出口的油水分离效果,进而研究了卧式油水分离器的分离特性和流动规律。研究表明:①分离器内存在一个最佳的油水界面位置,在该位置油层中的水滴分离效果最好,油相粘度是决定该位置的重要参数;②油层厚度相同时,入口含油浓度越小,油相需要的停留时间越少,分离效率就越高,水相的分离效率与入口含油浓度无直接关系;③无内部构件的分离器底部流场存在剧烈的涡流,严重影响油水分离特性,须添加整流和聚结构件,改善分离器内部流场,促进小液滴的聚结合并,以提高油水分离效率。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

    在油田地面工程中,重力式油水分离器是应用最多、最基本也是最重要的工艺设备之一。许多研究结果均表明,工程中所用分离设备不但存在严重的短路流,使设备的大部分空间未能有效利用,而且一些设备还存在严重的返混现象,导致相当部分的液流未经充分处理就排出。流动特性只是分离设备技术特性的一个方面,如果设计不当,流动设备差的分离器不可能取得好的分离效果。为了进一步研究重力式油水分离器的分离特性,笔者以一个改进的长为2 000 mm、内径为384 mm的卧式油水分离器为研究对象,分析了油层厚度、入口含油浓度对分离器分离特性的影响,并且分析了6个取样口和油出口、水出口处的油水分离效果。1油水分离器的分离模拟试验

    试验装置由搅拌罐、可调速齿轮泵、流量计和分离器组成(1),可对系统流量、介质粘度、分散相含量、乳化剂浓度、油水界面高度和停留时间等参数进行室内试验模拟。试验介质为白油水,用蒸馏法测定油样含水量;用紫外可见光分光光度计(723C)测定水样含油量。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

 

 

 

 

 

搅拌罐中油相体积分数为20 %,分离器内油层厚度分别为1cm,5cm,10cm15 cm,对油水分离效率和停留时间的关系以及油层厚度对分离器分离特性的影响进行了研究;分离器内油层厚度为5cm,搅拌罐中油相体积分数分别为10%,20%30%。对油水分离效率和停留时间的关系以及入口油相浓度对分离器分离特性的影响进行了研究;搅拌罐中油相体积分数为20%,分离器内油层厚度为5 cm。分别从6个取样口和水出口、油出口取样,分析了样品的含油量或含水量,研究了油相浓度和油层厚度不变时分离器的分离特性。停留时间分为油层停留时间和水层停留时间。前者是分离器内部油相体积(不包括集油室的油相体积)与入口油相流量的比值;后者是分离器内部水相体积与入口水相流量的比值。上述工况中乳化剂均选用OP-10,体积分数为20 X 10-6

2实验结果分析

2.1油层厚度对分离特性的影响

    搅拌罐中油相体积分数为20%,改变分离器内油层厚度时,分离器的油出口含水量与油相停留时间的关系曲线见图2( a)。从中可以看出,油出口含水量曲线在前30 min内迅速下降,60min之后趋于一个稳定值(约为7%),与油层厚度无关。随着油层厚度从1 cm增加到15cm,油出口含水量先低后高。说明在油水分离过程中存在一个最佳的油水界面位置,在该位置处油层中的水滴分离效果最好。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

 

 

 

 

    陆某发现,随着油水界面位置由子午面以上60 mm降到子午面以下60 mm,设备出口处的含水量相应从0. 89%下降到0. 466 %。笔者认为,该油水界面位置仍高于最佳油水界面位置,但实验中白油粘度仅为12 mPa·s,而本研究中白油的粘度约为350 mPa·s( 20 ℃)。由沉降公式可知,液滴沉降速度和分散相的粘度成反比,结合笔者和陆某的试验结果,可推断油相粘度是决定最佳油水界面位置的一个重要参数,粘度越大该位置就越高。

    水出口含油量与水相停留时间的关系曲线见图2( b)。从中可以看出,水出口的含油量曲线在前24min内迅速下降,40 min之后趋于水平。另外,随着油层厚度的增大,水出口的含油量增加,水层中油滴的分离效果变差。

单纯从减小水出口含油量的角度来看,提高水层中油滴分离效果的方法是尽量增高油水界面的位置,即增大水相体积。但是这种作法并不可行,因为一方面不能保证油出口的含水量达到指标,另一方面Poiers认为,当油水界面的位置在0. 76 9倍分离器直径的时候,分离器具有最大的处理量。所以实际工程设备中的油水界面位置应根据分离器出口油中含水量和水中含油量指标综合确定。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

2.2油相体积分数对分离特性的影响

    分离器内油层厚度为5cm,改变搅拌罐中油相体积分数时,分离器的油出口含水量与油相停留时间的关系曲线见图3( a)。从中可以看出,油出口含水量在前20 min内迅速变小,50 min之后趋于一个稳定值(约为7%),与含油体积分数无关。从图3( a)还可以发现,含油体积分数越小,油层中水滴的分离效率增加,需要的停留时间变短。

    在一定量的乳化剂条件下,搅拌足够长的时间,分离器入口油滴粒径趋于一个稳定值,与搅拌罐中含油浓度关系不大;含油体积分数变小会导致分离器内部油层中的水滴数目增多。油滴的粒径变化不大及油层中水滴数目的增加,加速了水滴的聚结沉降,表现为油层中水滴的分离效果越好,需要的停留时间越短。

    水出口含油量与水相停留时间的关系曲线见图3( b)。从中可以看出,尽管入口含油体积分数不同,但油出口含水量与停留时间的关系曲线没有明显的差别。说明油层厚度不变,入口含油体积分数与水出口的含油量无直接关系。搅拌罐中含油体积分数对水层中油滴粒径的影响不大;油层厚度一定时,水层的竖直沉降距离也一定。这样相同粒径的油滴在相同的空间里浮升到相同的位置需要的时间是相同的。

 

 

从图2和图3可发现,油相和水相的停留时间是决定油出口含水量和水出口含油量的一个重要参数。即在一个时间段里油水分离较显著,若再增大停留时间分离效果并不明显。这说明油水分离器的设计应该着重考虑停留时间,而不是完全根据某个粒径,或者溢流速度切来确定。比较图2(a)和图3( a)可以发现,油出口含水量与油层厚度和入口含油体积分数都有直接关系;比较图2( b)和图3( b)可以发现,水出口的含油量和油层厚度有直接关系,而与含油体积分数关系不大。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

2. 3固定油层厚度和油相体积分数的分离特性

2 3. 1前上和后上部取样口含水量

    前上和后上取样口的样品是以水相为分散相、油相为连续相的。分析前上和后上取样口样品的含水量可以研究分散相在连续相经过这两个取样口时的分离效果。

 

 

4为前上和后上部取样口样品的含水量与油相停留时间的关系曲线。可以看出,前上部取样口处的分离效果最差,后上部取样口处的分离效果次乙油出口处的分离效果最好。液流到达前上部取样口的停留时间最短,故分离效果最差;到达油出口的停留时间最长,故分离效果最好。另外,随着油相停留时间的增加,3个位置处的含水量有逐渐接近的趋势。重力式油水分离器的分离特性研究|油水分离技术|油水分离设备|原油分离技术|液液萃取|威尼斯注册送28|新威尼斯注册送28网站|萃取设备

2 3. 2中下部取样口含油量

    中下部取样口包括前中、后中、前下和后下部4个取样口。这4个取样口的样品是以油相为分散相、水才目为连续相的。

    图5( a)为前中和后中部取样口样品的含油量与水相停留时间的关系曲线。可以看出两个取样口样品的含油量随着停留时间的增加而逐渐变小,30 min后两个取样口处的含油量近似相同,约为1. 7 g/L。从图5( a)还可以发现,两个取样口处的含油量都比水出口的含油量大,说明在前中和后中部取样口的空间中油水分离并不充分,在后中部取样口和水出口的空间中仍存在明显的油水分离现象。

 

 

 

 

 

    图5( b)为前下和后下部取样口样品的含油量与水相停留时间的关系曲线。可以看出,前下和后下部取样口样品的含油量随着停留时间的增加而逐渐变小,30 min后两个取样口处的含油量趋于稳定。从图5( b)还可以发现,后下部比前下部取样口处的含油量大。在前下部取样口到水出口的空间内存在剧烈的涡流。这种涡流使原本含油体积分数按照前下取样口、后下取样口和水出口依次变小的顺序变得混乱。

    为了比较同一截面中、下部取样口处的含油量,将水相停留时间作为自变量,将中部和下部取样口处含油量的差值作为因变量,绘制了中、下部取样口含油量差值与水相停留时间的关系曲线(6)。从中可以看出,随着停留时间的增加,前部和后部截面中、下部取样口处的含油量差值逐渐变小。分析前部截面取样口处含油量的差值与水相停留时间的关系曲线可以发现,该曲线由陡变缓,即该曲线的斜率逐渐变小,最后接近零。这是因为停留时间较短时,大颗粒油滴的分离占据主导地位。根据Sto kes沉降公式,沉降速度与油滴粒径的平方成正比,此时的分离速度比较快,故曲线较陡;随着停留时间的继续增加,绝大多数的大油滴已经被分离出去,小油滴的分离占据主导地位,此时分离速度比较缓慢,故而曲线较缓。

 

 

 

 

后部截面取样口处含油量的差值与停留时间的关系曲线也呈现出类似规律。不同之处在于该曲线比较缓,说明在后部截面内主要发生小颗粒油滴的分离。

3结论

    (1)分离器内存在一个最佳的油水界面位置,在该位置油层中的水滴分离效果最好。油相粘度是决定最佳油水界面位置的重要参数。随着油层厚度的增加,水出口的含油量增大,水层中油滴的分离效果变差。

    (2)分离器内油层厚度不变时,入口含油体积分数越小,油相需要的停留时间就越少,分离效率越好,但水相需要的停留时间变化不大。

    (3)无内部构件的分离器中流场存在剧烈的涡流,油水分离效果非常差。需要增加整流构件和聚结等构件对流场进行规整,以促进小液滴的聚结。

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