发泡原油气液分离器的设计

陈朝辉，李 男，刘楚茹

（中国石油大学, 北京 昌平 102249）

化工设计

发泡原油气液分离器的设计

陈朝辉，李 男，刘楚茹

（中国石油大学, 北京 昌平 102249）

原油发泡使得油气分离效率低，造成很大的计量误差，并会对设备造成损害。针对发泡原油的特性，研制了发泡原油气液分离器。介绍了发泡原油分离器的整体结构、工作原理、技术创新以及内部构件的设计。分析了气液旋流器的数值模拟结果，并且优化了气液旋流器的结构。

机械消泡；气液分离器；设计；数值模拟

气液分离器广泛应用在油田接转站和联合站中,油井采出液在接转站或联合站中首先要进行气液分离，以便进行分别计量。原油发泡使得油气分离不彻底，增大仪表计量误差，并会对设备造成损害。特别是稠油粘度大、胶质沥青质含量高，使得原油易气泡且气泡膜强度大，导致自然消泡时间长，易形成稳定的泡沫原油［1］。

因此，如何高效率地处理发泡原油是需要解决的一个重要问题。本文针对发泡原油的特性，对气液分离器的结构进行改造设计。

1 原油发泡机理及危害

1.1 发泡机理

泡沫是气体被液体包住而形成的一种不稳定分散体系。发泡和液体的化学组成，物化性质及其他工作条件有关。纯净液体不能形成稳定泡沫，这是因为其表面与内部组成相同，形成泡沫后液膜收缩趋势大，容易破灭。如果体系中存在一些表面活性物质，它吸附在气液界面上从而降低了介质的表面张力。同时由于这种物质形成吸附层时不易达到饱和，只是浸在液体中的组分比浸在气体中的多，这样泡沫内壁形成的定向排列使相邻气泡不易合并，从而使泡沫更稳定［2］。因稠油含有大量的胶质和沥青质，具有较高的表面活性及很高的表面粘度，由其分子组成以及物化性质决定了稠油具有较强的起泡性。

1.2 气泡的危害

原油发泡带来许多危害，造成巨大的经济损失。

（1）发泡会造成油气油气分离不彻底、处理量减少，增大仪表计量的误差。

（2）发泡会造成装置运行不正常或者产品不合格，现场反应会出现“冒罐”的严重问题。并且在严重发泡情况下很难对工艺过程进行监控。

（3）泡沫会增大液体的体积，从而使设备和管线的钢材消耗量。

1.3 消泡方法及气液分离器原理

工业上消泡的主要方法［3］有以下几种:、自然消泡、化学消泡、物理消泡和机械消泡。物理消泡方法有热学消泡、电法消泡、声学消泡和真空消泡等。机械消泡的基本类型有:离心式、喷射式、档板式、消泡网式和综合式。气液分离器根据气液分离原理可分为［4］：重力沉降分离、过滤分离、惯性分离和离心分离。

2 发泡原油气液分离器设计与研究

2.1 主要设计参数及工作原理

发泡原油气液分离器的主要设计参数如下：

（1）设计压力：0.8 MPa；

（2）设计温度：90 ℃；

（3）设计处理量：1 000～2 000 m3/d；

（4）规格型号：2 400 mm ×7 200 mm；

（5）气体脱除率≥95%；

（6）原油含水率≤92%。

发泡原油气液分离器的结构简图如图1所示，其工作原理是：采出液切向进入气液旋流器。气体在压力梯度和离心力的作用下向中心聚拢，螺旋向上进入溢流口，再经气体凝结器和丝网捕雾器后排出。液体在离心力的作用下紧贴壁面旋转进入底流口，再均匀流向折流板。经板上锯齿状条纹的拉泡作用，部分气泡破碎。之后，液体进入分离器的集液区。集液区上部的油层经加热器加热提高温度，加速破乳和油水分离。油经过防波器后进入油室，经油出口排出。如果油受到扰动再次起泡，安装在集液区顶部的消泡网可以起到消泡作用，防止“冒罐”。在油层重力作用下集液区下部的水层从油室底部进入水室，经水出口排出。

图 1 发泡原油气液分离器结构简图Fig.1 Structure of gas-liquid separator for foaming crude

2.2 关键技术及创新

针对发泡原油的性质，对气液分离器的内部结构进行创新。创新点如下：

（1） 可实现消泡和气液分离的双重功能，结构紧凑，适用性好。传统工艺大多消泡和气液分离分开进行，占地面积大，结构分散。

（2） 综合应用气液旋流器、折流板、消泡网实现机械消泡。为了降低气相负荷，避免气体受到扰动后重新融入液相，在发泡原油分离器入口设有气液旋流器。通过 Fluent模拟证明气液旋流器能够有效分离出采出液中的气相。折流板一方面使自然消泡过程延长，另一方面设计的锯齿状拉泡板可加速泡沫的破裂。消泡网的消泡作用可防止发泡原油分离器出现“冒罐”。

（3） 具有防止稠油堵塞捕雾器的功能。分离器采用捕雾器与气体凝结器串联的形式。气体先通过凝结器，除去气体中夹带的较大的液滴，然后再通过捕雾器进一步除去粒径较小的液滴。因此具有防止稠油堵塞捕雾器的功能。

（4） 浮子液面控制器对油水界面自动稳定控制。为了保证油水分离效果，需要稳定油水界面。但是油水密度差太小或者存在油水乳化层,导致控制油水界面比较困难。通过堰板和浮子液面控制器将传统的油水界面控制转化为油室和水室的液面控制，并通过连杆结构自动控制油、气、水出口阀门的开度，从而实现对油水界面的自动稳定控制。

（5）可有效实现整流稳流。在油层进入油室时增设防波装置，保证了油室液面的稳定，同时加速了泡沫的破灭。同时，防涡器可减少油水的扰动。

2.3 设计内部构件

2.3.1 气体凝结器(图 2)

分离出的气体往往携带着油滴，由于稠油粘度较大，含胶质、沥青质较多，如果直接通过捕雾器，油滴会粘附在丝网上，破坏丝网的正常工作状态，甚至堵塞丝网。因此在经过捕雾器时先通过气体凝结器，即通过不断改变气体流动方向，使气体与板发生碰撞凝结，除去气体中夹带的部分液滴。

图 2 气体凝结器结构示意图Fig.2 Structure of gas condenser

2.3.2 气液旋流器数值模拟及设计优化

本文采用非结构化网格，并在强旋流区加密网格。本文采用的基本方法和模型有：雷诺平均法、RNGk-ε模型、SIMPLE 算法、离散相模型、随机游走模型等。鉴于分离器流场强旋转特性，本文采用 QUICK 差分格式、PRESTO！压力插补格式进行数值模拟。入口边界气液两相流体均匀垂直流入，底流出口按充分发展处理。采用壁面函数法确定固壁边界条件［5,6］。

鉴于 GAMBIT 操作繁琐，本文运用 GAMBIT 前，使用 VB 编程，生成日志文件，再导入 GAMBIT 可实现快速建模。开发新界面如图3所示。

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

保持其他参数不变，单入口和双入口气液旋流器的压力云图和速度分布如下：

图 4 截面压力分布云图Fig.4 Sectional pressure contours

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

由图 4、图5和图6可知：随着气泡粒径增大，分离效率增大。这是因为离心力的作用以及小气泡对液相的跟随性较好。双入口的压力和速度分布较单入口压力分布更具有对称型。双入口径向压力梯度增加，有利于分离。双入口的分离效率大于单入口。综上，双入口要优于单入口。

每次仅改变一个参数，而保持其他参数不变，进行气液旋流器的压力场和速度场的模拟并对比气液分离效率，最终得出气液旋流器的几何参数为：双入口，入口为矩形宽 25 mm、高 40 mm，底流口半径 30 mm,溢流口深度为 60 mm,圆柱旋流腔直径100 mm,圆柱旋流腔高度 120 mm，圆台旋流器腔高度 380 mm。

3.1.2 其他构件

折流板安装时倾斜角为 15°每块板上有 20 条带有锯齿状的隔板，每块隔板高度略高于流上折流板液膜的厚度。

丝网型捕雾器［7］的丝网由直径为 0.2 mm 碳钢丝编织而成。其孔隙率为 0.98，网垫比表面积为 350 m2/m2。带液气体与金属丝网相撞时，下流聚并，形成较大的液滴，克服液滴表面张力和上升气体速度的限制而降落下来。

防波器的每两块板之间距离为 10 mm，板 45°倾斜放置，板厚 4 mm，集液区的油层从左侧流入右侧，阻止波浪传递，并且隔住了泡沫层。使进入油室的界面气泡含量少，容易控制。

其他构件比如消泡网、防涡器、鞍座、法兰、人孔等按照相关国家标准或行业标准［8-12］设计。

3 结 语

理论上，我们设计的气液分离器可有效处理发泡原油，实现消泡和气液分离的双重功能，结构紧凑，实用经济。因此，可适用于偏远的稠油开采区块和海上平台，也可适用于地面空间有限的油田。

今后还可以做一些实验方面的工作，以验证发泡原油分离器的效果，进一步优化设备结构和改进操作条件。

［1］ 张瑞华,傅莉,张光旭. 泡沫原油油气分离器的研制[J]. 石油工业技术监督,2004(09):19-21.

［2］ 滕绍新. 石油化工工艺中“发泡”现象的消除[J]. 内蒙古石油化工,2007(05):98.

［3］ 葛成灿,王源升,余红伟,魏徵. 泡沫及消泡剂的研究进展[J]. 材料开发与应用,2010(06):81-85.

［4］ 王瑞,褚雅志,王领,刘燕,马晓迅. 组合式气液分离器的结构研究[J].现代化工,2013(12):88-91.

［5］ 范大为. 气—液分离水力旋流器理论与试验研究[D]. 大庆:大庆石油学院,2009.

［6］ 钟万福. 除气旋流器结构设计及实验研究[D]. 大庆:大庆石油学院,2009.

［7］ HG/T 21618-1998, 丝网除沫器[S].

［8］ HG/T 21517-2005, 回转盖带颈平焊法兰人孔[S].

［9］ GB/T 9112-2010 钢制管法兰 类型与参数[S].

［10］ SY/T 0515-2007, 分离器规范[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, 分离器规范[S].

硅藻泥或将影响涂料市场发展格局

在市场上每年都有新的装饰材料出现，尤其是墙面饰材，先后出现了墙面布软包、各类乳胶漆、喷涂、液体壁纸、壁纸、墙基布、硅藻泥等。

最近记者在市场上走访发现，各个品牌的硅藻泥产品如雨后春笋一样涌现，发展之迅猛让人惊讶。基于硅藻泥的生产销售模式与涂料相仿，功能上甚至有超越之处，因此硅藻泥的市场爆发必然也将影响到涂料市场的格局。

这应该引起涂料企业的注意。令人庆幸的是，据记者了解，部分涂料企业已经注意到这个市场现象，并着手应对。对于整个涂料行业来说，这种应对首先应该从了解硅藻泥的功能与市场前景开始。

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现的一种单细胞藻类生物，生存在海水或者湖水中，形体极为微小，常常以惊人的速度生长繁殖。硅藻是海洋或湖泊中一类最重要的浮游生物，分布极其广泛。因为硅藻种类多、数量大，因而被称为海洋的"草原"。

硅藻泥的特性与功能

净化空气。硅藻泥能够吸附和分解各种有害气体、烟味及异味，具有净化空气，除臭祛味的功能。

调节湿度。具有将空气中的水分吸收、储存并适时释放、自动调节室内湿度的功能。

隔音保温。硅藻泥的吸音隔音效果相当于同等厚度的水泥砂浆和石板的 2 倍以上，能够缩短 50%的余响时间;而隔热保温效果是相同厚度水泥砂浆效果的6倍以上，大大节约了电能和采暖费用。

防火阻燃。硅藻泥还具有防火阻燃的功能，它只有熔点没有燃点，不燃烧、不冒烟、无异味，火灾时也不会产生有毒气体。

杀菌消毒。硅藻泥因其独特的分子结构，对水分的吸收和分解能够产生“瀑布效应”，将水分子分解成正负离子，具有极强的杀菌能力，经检测抑菌率高达 96%以上。

墙面自洁。经检验，硅藻泥无任何有害重金属，是高绝缘物质，防静电，不吸灰尘，能保持墙面永久清新。

另外，硅藻泥的寿命长达20年以上，不退色、不脱落、不开裂、耐氧化，始终如新。

硅藻泥中国市场现阶段的状况

目前，硅藻泥的发展空间巨大。可以说，国内硅藻泥行业还没有一个品牌具备领军行业的能力，为此留出更大的竞争空间。

“硅藻泥涂料由纯天然材料构成，不含任何有害物质及有害添加剂(白石灰、石膏、光触媒等)，材料本身为纯绿色环保产品。其网孔状结构大大增加了材料的表面积，能够吸附分解空气中甲醛等 voc 有害物质，具有净化空气的效果。

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文献标识码： 1671-0460（2014）07-1293-04

2014-05-21

陈朝辉（1993-），男，河南洛阳人，研究方向：油气储运工程。E-mail：18939001535@163.com。