陳朝輝，李 男，劉楚茹

（中國石油大學(xué), 北京 昌平 102249）

化工設(shè)計

發(fā)泡原油氣液分離器的設(shè)計

陳朝輝，李 男，劉楚茹

（中國石油大學(xué), 北京 昌平 102249）

原油發(fā)泡使得油氣分離效率低，造成很大的計量誤差，并會對設(shè)備造成損害。針對發(fā)泡原油的特性，研制了發(fā)泡原油氣液分離器。介紹了發(fā)泡原油分離器的整體結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)創(chuàng)新以及內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計。分析了氣液旋流器的數(shù)值模擬結(jié)果，并且優(yōu)化了氣液旋流器的結(jié)構(gòu)。

機械消泡；氣液分離器；設(shè)計；數(shù)值模擬

氣液分離器廣泛應(yīng)用在油田接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站中,油井采出液在接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站中首先要進行氣液分離，以便進行分別計量。原油發(fā)泡使得油氣分離不徹底，增大儀表計量誤差，并會對設(shè)備造成損害。特別是稠油粘度大、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高，使得原油易氣泡且氣泡膜強度大，導(dǎo)致自然消泡時間長，易形成穩(wěn)定的泡沫原油［1］。

因此，如何高效率地處理發(fā)泡原油是需要解決的一個重要問題。本文針對發(fā)泡原油的特性，對氣液分離器的結(jié)構(gòu)進行改造設(shè)計。

1 原油發(fā)泡機理及危害

1.1 發(fā)泡機理

泡沫是氣體被液體包住而形成的一種不穩(wěn)定分散體系。發(fā)泡和液體的化學(xué)組成，物化性質(zhì)及其他工作條件有關(guān)。純凈液體不能形成穩(wěn)定泡沫，這是因為其表面與內(nèi)部組成相同，形成泡沫后液膜收縮趨勢大，容易破滅。如果體系中存在一些表面活性物質(zhì)，它吸附在氣液界面上從而降低了介質(zhì)的表面張力。同時由于這種物質(zhì)形成吸附層時不易達到飽和，只是浸在液體中的組分比浸在氣體中的多，這樣泡沫內(nèi)壁形成的定向排列使相鄰氣泡不易合并，從而使泡沫更穩(wěn)定［2］。因稠油含有大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，具有較高的表面活性及很高的表面粘度，由其分子組成以及物化性質(zhì)決定了稠油具有較強的起泡性。

1.2 氣泡的危害

原油發(fā)泡帶來許多危害，造成巨大的經(jīng)濟損失。

（1）發(fā)泡會造成油氣油氣分離不徹底、處理量減少，增大儀表計量的誤差。

（2）發(fā)泡會造成裝置運行不正常或者產(chǎn)品不合格，現(xiàn)場反應(yīng)會出現(xiàn)“冒罐”的嚴(yán)重問題。并且在嚴(yán)重發(fā)泡情況下很難對工藝過程進行監(jiān)控。

（3）泡沫會增大液體的體積，從而使設(shè)備和管線的鋼材消耗量。

1.3 消泡方法及氣液分離器原理

工業(yè)上消泡的主要方法［3］有以下幾種:、自然消泡、化學(xué)消泡、物理消泡和機械消泡。物理消泡方法有熱學(xué)消泡、電法消泡、聲學(xué)消泡和真空消泡等。機械消泡的基本類型有:離心式、噴射式、檔板式、消泡網(wǎng)式和綜合式。氣液分離器根據(jù)氣液分離原理可分為［4］：重力沉降分離、過濾分離、慣性分離和離心分離。

2 發(fā)泡原油氣液分離器設(shè)計與研究

2.1 主要設(shè)計參數(shù)及工作原理

發(fā)泡原油氣液分離器的主要設(shè)計參數(shù)如下：

（1）設(shè)計壓力：0.8 MPa；

（2）設(shè)計溫度：90 ℃；

（3）設(shè)計處理量：1 000～2 000 m3/d；

（4）規(guī)格型號：2 400 mm ×7 200 mm；

（5）氣體脫除率≥95%；

（6）原油含水率≤92%。

發(fā)泡原油氣液分離器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其工作原理是：采出液切向進入氣液旋流器。氣體在壓力梯度和離心力的作用下向中心聚攏，螺旋向上進入溢流口，再經(jīng)氣體凝結(jié)器和絲網(wǎng)捕霧器后排出。液體在離心力的作用下緊貼壁面旋轉(zhuǎn)進入底流口，再均勻流向折流板。經(jīng)板上鋸齒狀條紋的拉泡作用，部分氣泡破碎。之后，液體進入分離器的集液區(qū)。集液區(qū)上部的油層經(jīng)加熱器加熱提高溫度，加速破乳和油水分離。油經(jīng)過防波器后進入油室，經(jīng)油出口排出。如果油受到擾動再次起泡，安裝在集液區(qū)頂部的消泡網(wǎng)可以起到消泡作用，防止“冒罐”。在油層重力作用下集液區(qū)下部的水層從油室底部進入水室，經(jīng)水出口排出。

圖 1 發(fā)泡原油氣液分離器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of gas-liquid separator for foaming crude

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

針對發(fā)泡原油的性質(zhì)，對氣液分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新。創(chuàng)新點如下：

（1） 可實現(xiàn)消泡和氣液分離的雙重功能，結(jié)構(gòu)緊湊，適用性好。傳統(tǒng)工藝大多消泡和氣液分離分開進行，占地面積大，結(jié)構(gòu)分散。

（2） 綜合應(yīng)用氣液旋流器、折流板、消泡網(wǎng)實現(xiàn)機械消泡。為了降低氣相負(fù)荷，避免氣體受到擾動后重新融入液相，在發(fā)泡原油分離器入口設(shè)有氣液旋流器。通過 Fluent模擬證明氣液旋流器能夠有效分離出采出液中的氣相。折流板一方面使自然消泡過程延長，另一方面設(shè)計的鋸齒狀拉泡板可加速泡沫的破裂。消泡網(wǎng)的消泡作用可防止發(fā)泡原油分離器出現(xiàn)“冒罐”。

（3） 具有防止稠油堵塞捕霧器的功能。分離器采用捕霧器與氣體凝結(jié)器串聯(lián)的形式。氣體先通過凝結(jié)器，除去氣體中夾帶的較大的液滴，然后再通過捕霧器進一步除去粒徑較小的液滴。因此具有防止稠油堵塞捕霧器的功能。

（4） 浮子液面控制器對油水界面自動穩(wěn)定控制。為了保證油水分離效果，需要穩(wěn)定油水界面。但是油水密度差太小或者存在油水乳化層,導(dǎo)致控制油水界面比較困難。通過堰板和浮子液面控制器將傳統(tǒng)的油水界面控制轉(zhuǎn)化為油室和水室的液面控制，并通過連桿結(jié)構(gòu)自動控制油、氣、水出口閥門的開度，從而實現(xiàn)對油水界面的自動穩(wěn)定控制。

（5）可有效實現(xiàn)整流穩(wěn)流。在油層進入油室時增設(shè)防波裝置，保證了油室液面的穩(wěn)定，同時加速了泡沫的破滅。同時，防渦器可減少油水的擾動。

2.3 設(shè)計內(nèi)部構(gòu)件

2.3.1 氣體凝結(jié)器(圖 2)

分離出的氣體往往攜帶著油滴，由于稠油粘度較大，含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)較多，如果直接通過捕霧器，油滴會粘附在絲網(wǎng)上，破壞絲網(wǎng)的正常工作狀態(tài)，甚至堵塞絲網(wǎng)。因此在經(jīng)過捕霧器時先通過氣體凝結(jié)器，即通過不斷改變氣體流動方向，使氣體與板發(fā)生碰撞凝結(jié)，除去氣體中夾帶的部分液滴。

圖 2 氣體凝結(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of gas condenser

2.3.2 氣液旋流器數(shù)值模擬及設(shè)計優(yōu)化

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在強旋流區(qū)加密網(wǎng)格。本文采用的基本方法和模型有：雷諾平均法、RNGk-ε模型、SIMPLE 算法、離散相模型、隨機游走模型等。鑒于分離器流場強旋轉(zhuǎn)特性，本文采用 QUICK 差分格式、PRESTO！壓力插補格式進行數(shù)值模擬。入口邊界氣液兩相流體均勻垂直流入，底流出口按充分發(fā)展處理。采用壁面函數(shù)法確定固壁邊界條件［5,6］。

鑒于 GAMBIT 操作繁瑣，本文運用 GAMBIT 前，使用 VB 編程，生成日志文件，再導(dǎo)入 GAMBIT 可實現(xiàn)快速建模。開發(fā)新界面如圖3所示。

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

保持其他參數(shù)不變，單入口和雙入口氣液旋流器的壓力云圖和速度分布如下：

圖 4 截面壓力分布云圖Fig.4 Sectional pressure contours

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

由圖 4、圖5和圖6可知：隨著氣泡粒徑增大，分離效率增大。這是因為離心力的作用以及小氣泡對液相的跟隨性較好。雙入口的壓力和速度分布較單入口壓力分布更具有對稱型。雙入口徑向壓力梯度增加，有利于分離。雙入口的分離效率大于單入口。綜上，雙入口要優(yōu)于單入口。

每次僅改變一個參數(shù)，而保持其他參數(shù)不變，進行氣液旋流器的壓力場和速度場的模擬并對比氣液分離效率，最終得出氣液旋流器的幾何參數(shù)為：雙入口，入口為矩形寬 25 mm、高 40 mm，底流口半徑 30 mm,溢流口深度為 60 mm,圓柱旋流腔直徑100 mm,圓柱旋流腔高度 120 mm，圓臺旋流器腔高度 380 mm。

3.1.2 其他構(gòu)件

折流板安裝時傾斜角為 15°每塊板上有 20 條帶有鋸齒狀的隔板，每塊隔板高度略高于流上折流板液膜的厚度。

絲網(wǎng)型捕霧器［7］的絲網(wǎng)由直徑為 0.2 mm 碳鋼絲編織而成。其孔隙率為 0.98，網(wǎng)墊比表面積為 350 m2/m2。帶液氣體與金屬絲網(wǎng)相撞時，下流聚并，形成較大的液滴，克服液滴表面張力和上升氣體速度的限制而降落下來。

防波器的每兩塊板之間距離為 10 mm，板 45°傾斜放置，板厚 4 mm，集液區(qū)的油層從左側(cè)流入右側(cè)，阻止波浪傳遞，并且隔住了泡沫層。使進入油室的界面氣泡含量少，容易控制。

其他構(gòu)件比如消泡網(wǎng)、防渦器、鞍座、法蘭、人孔等按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8-12］設(shè)計。

3 結(jié) 語

理論上，我們設(shè)計的氣液分離器可有效處理發(fā)泡原油，實現(xiàn)消泡和氣液分離的雙重功能，結(jié)構(gòu)緊湊，實用經(jīng)濟。因此，可適用于偏遠的稠油開采區(qū)塊和海上平臺，也可適用于地面空間有限的油田。

今后還可以做一些實驗方面的工作，以驗證發(fā)泡原油分離器的效果，進一步優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和改進操作條件。

［1］ 張瑞華,傅莉,張光旭. 泡沫原油油氣分離器的研制[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2004(09):19-21.

［2］ 滕紹新. 石油化工工藝中“發(fā)泡”現(xiàn)象的消除[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2007(05):98.

［3］ 葛成燦,王源升,余紅偉,魏徵. 泡沫及消泡劑的研究進展[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用,2010(06):81-85.

［4］ 王瑞,褚雅志,王領(lǐng),劉燕,馬曉迅. 組合式氣液分離器的結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代化工,2013(12):88-91.

［5］ 范大為. 氣—液分離水力旋流器理論與試驗研究[D]. 大慶:大慶石油學(xué)院,2009.

［6］ 鐘萬福. 除氣旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗研究[D]. 大慶:大慶石油學(xué)院,2009.

［7］ HG/T 21618-1998, 絲網(wǎng)除沫器[S].

［8］ HG/T 21517-2005, 回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔[S].

［9］ GB/T 9112-2010 鋼制管法蘭 類型與參數(shù)[S].

［10］ SY/T 0515-2007, 分離器規(guī)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, 分離器規(guī)范[S].

硅藻泥或?qū)⒂绊懲苛鲜袌霭l(fā)展格局

在市場上每年都有新的裝飾材料出現(xiàn)，尤其是墻面飾材，先后出現(xiàn)了墻面布軟包、各類乳膠漆、噴涂、液體壁紙、壁紙、墻基布、硅藻泥等。

最近記者在市場上走訪發(fā)現(xiàn)，各個品牌的硅藻泥產(chǎn)品如雨后春筍一樣涌現(xiàn)，發(fā)展之迅猛讓人驚訝。基于硅藻泥的生產(chǎn)銷售模式與涂料相仿，功能上甚至有超越之處，因此硅藻泥的市場爆發(fā)必然也將影響到涂料市場的格局。

這應(yīng)該引起涂料企業(yè)的注意。令人慶幸的是，據(jù)記者了解，部分涂料企業(yè)已經(jīng)注意到這個市場現(xiàn)象，并著手應(yīng)對。對于整個涂料行業(yè)來說，這種應(yīng)對首先應(yīng)該從了解硅藻泥的功能與市場前景開始。

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現(xiàn)的一種單細(xì)胞藻類生物，生存在海水或者湖水中，形體極為微小，常常以驚人的速度生長繁殖。硅藻是海洋或湖泊中一類最重要的浮游生物，分布極其廣泛。因為硅藻種類多、數(shù)量大，因而被稱為海洋的"草原"。

硅藻泥的特性與功能

凈化空氣。硅藻泥能夠吸附和分解各種有害氣體、煙味及異味，具有凈化空氣，除臭祛味的功能。

調(diào)節(jié)濕度。具有將空氣中的水分吸收、儲存并適時釋放、自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能。

隔音保溫。硅藻泥的吸音隔音效果相當(dāng)于同等厚度的水泥砂漿和石板的 2 倍以上，能夠縮短 50%的余響時間;而隔熱保溫效果是相同厚度水泥砂漿效果的6倍以上，大大節(jié)約了電能和采暖費用。

防火阻燃。硅藻泥還具有防火阻燃的功能，它只有熔點沒有燃點，不燃燒、不冒煙、無異味，火災(zāi)時也不會產(chǎn)生有毒氣體。

殺菌消毒。硅藻泥因其獨特的分子結(jié)構(gòu)，對水分的吸收和分解能夠產(chǎn)生“瀑布效應(yīng)”，將水分子分解成正負(fù)離子，具有極強的殺菌能力，經(jīng)檢測抑菌率高達 96%以上。

墻面自潔。經(jīng)檢驗，硅藻泥無任何有害重金屬，是高絕緣物質(zhì)，防靜電，不吸灰塵，能保持墻面永久清新。

另外，硅藻泥的壽命長達20年以上，不退色、不脫落、不開裂、耐氧化，始終如新。

硅藻泥中國市場現(xiàn)階段的狀況

目前，硅藻泥的發(fā)展空間巨大?？梢哉f，國內(nèi)硅藻泥行業(yè)還沒有一個品牌具備領(lǐng)軍行業(yè)的能力，為此留出更大的競爭空間。

“硅藻泥涂料由純天然材料構(gòu)成，不含任何有害物質(zhì)及有害添加劑(白石灰、石膏、光觸媒等)，材料本身為純綠色環(huán)保產(chǎn)品。其網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)大大增加了材料的表面積，能夠吸附分解空氣中甲醛等 voc 有害物質(zhì)，具有凈化空氣的效果。

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文獻標(biāo)識碼： 1671-0460（2014）07-1293-04

2014-05-21

陳朝輝（1993-），男，河南洛陽人，研究方向：油氣儲運工程。E-mail：18939001535@163.com。