CN108939615A - 一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置，包括分离外筒和旋流聚结器。分离外筒上端设有过滤网和气体排出管，下端设有原油排出管和排污口，一侧设有进液管，另一侧设有排水管。旋流聚结器包括切向入口管、下导流分离腔、中心外管、中心管、上导流分离腔和集油斗，切向入口管与进液管相连，集油斗通过中心管与原油排出管相连。工作时，多相来液首先进入旋流聚结器，经过离心分离和碰撞聚结后，气体经过滤网过滤后进入气体排出管；分离出的油和少量气体在旋流聚结器上端的集油斗集中，经原油排出管排出；油水混合物在分离外筒经重力沉降后，水通过排水管排出，固体杂质经排污口排出。

Description

一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置
技术领域
本发明属于石油产业油/气/水分离技术领域，具体地，涉及一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置。
背景技术
现有技术中，随着世界范围内各大油田逐步进入开采中后期，油井产出物中的含水率逐渐上升，在开发初期建造的油/气/水分离装置已经难以应对，使用过程中经常会出现含水率高于15％的原油乳化液进入电脱水器的情况。由于常规工频/高压交流电源和普通裸露金属电极对高含水原油的适应性较差，致使电脱水器难以正常运行，且针对工艺流程前端的三相分离器的改扩建工作往往受投资过大或空间紧张等因素的制约而难以实施。
同时，随着海洋油气资源开发向更深水域和边际小区块发展，对包括电脱水器在内的处理设备提出了新要求。对于深水油田开发而言，TPL、Spar、Semi等平台的造价非常昂贵，因此迫切需要使用高效紧凑型油气技术处理设备来简化工艺流程、降低平台占用面积和减轻上部重量。
为应对上述高含水油田、深水油田、边际油田以及绿色油田不断开发的需要，自20世纪90年代末以来，国外相关石油公司和原油脱水设备供应商围绕高效紧凑型分离技术和设备开展了一系列卓有成效的应用基础研究工作。主要通过充分利用离心力场等原理，大幅度减小分离设备的占地面积和体积。其中，水力旋流器因其结构紧凑、无运动部件而最早受到关注，被广泛设置在立式分离器内部用于污水除油、原油脱水和高含水原油预分离等场合，但是立式分离器的分离外筒尺寸多数仍是按照传统的斯托克斯定律制定，多相流体经过内置水力旋流器后，在离心力作用下，旋流器内高速旋转流体的剪切力及湍动作用很容易造成液滴的破碎和聚并，且液滴聚并后的尺寸已明显超过传统分离器的规定值，此时仍按照传统液滴尺寸计算时会导致分离外筒尺寸的计算结果偏大。
因此，亟需设计一种新型紧凑型立式分离装置，以克服现有技术中的种种缺陷。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明提供一种本发明旨在克服上述已有分离装置的不足，进而提供一种基于新的分离外筒改进设计方法的紧凑型立式分离装置。
所要解决的技术问题包括：根据离心分离和聚结的特点，设计旋流聚结器的结构尺寸，达到满意的多相分离效果，且无固相杂质沉积堵塞现象；根据旋流聚结器内液体破碎和聚并的特点，设计出分离外筒的合理尺寸，使分离器结构更加紧凑。
本发明解决其技术问题所采用的方案如下：
一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置，包括分离外筒1和旋流聚结器8，所述分离外筒1垂直方向的上端设有过滤网2和气体排出管3，下端设有原油排出管4和排污口5；所述分离外筒1水平方向的一侧设有进液管6，另一侧设有排水管7；所述旋流聚结器8包括切向入口管9、下导流分离腔10、中心外管11、中心管12、上导流分离腔13和集油斗14；所述切向入口管9呈水平方向设置，与所述进液管6相连；所述下导流分离腔10呈垂直方向设置，其下端与所述切向入口管9相连，上端与所述中心外管11相连；所述中心外管11呈垂直方向设置，其上端与所述上导流分离腔13相连；所述中心管12呈垂直方向设置，位于所述中心外管11的内部，其上端与所述集油斗14相连，下端与所述原油排出管4相连。
优选地，所述旋流聚结器8的离心加速度范围为20～50倍的重力加速度，涡流数范围为5～28。
优选地，所述旋流聚结器8的入口结构采用切向无叶片式。
优选地，所述旋流聚结器8利用自由涡与强制涡的组合涡，使油中的水实现聚结和离心沉降，水在离心力的作用下向周围运动而油则相对集中在漩涡中心处，在漩涡中心处为强制涡流，而强制涡流的自由液面为开口向上的抛物线，在中心处压力很低，因此分离出的油和一部分气体从中部通过集油斗经原油排出管流出。
优选地，所述分离装置工作时，多相来液首先进入所述旋流聚结器8，经过离心分离和碰撞聚结后，气体经所述过滤网2过滤后进入所述气体排出管3；分离出的油和少量气体在所述旋流聚结器8上端的所述集油斗14集中，经所述原油排出管4排出；油水混合物在所述分离外筒1经重力沉降后，水通过所述排水管7排出，固体杂质经所述排污口5排出。本发明与已有技术相比，具有如下有益的效果：
1)分离过程集合离心、聚结、重力、过滤等分离原理，分离效率高；
2)提出一种新的分离外筒改进设计方法，充分考虑到离心力场中剪切力及湍动作用造成的液滴破碎和聚并过程，使得计算结果更真实。该方法可大幅度减小分离器外筒尺寸，实现分离器整体结构的紧凑性。
3)分离器内旋流聚结器形成的涡流所产生的离心力仅为20～50倍的重力加速度，避免了内部流场强烈的剪切作用，提高了分离器的分离效率和分离能力；采用离散相模型对含固体杂质流体在旋流聚结器内的流动进行模拟，分析得出流动过程中固体杂质能够顺利流出旋流聚结器，没有堆积沉淀产生堵塞现象。
附图说明
图1为本发明的一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置的整体结构示意图；
图2为本发明的一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置的旋流聚结器的俯视图；
图3为本发明的一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置的旋流聚结器的工作原理示意图；
图4为本发明的一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置的紧凑型立式分离外筒尺寸的改进设计计算流程；
附图标记说明如下表示：
1-分离外筒，2-过滤网，3-气体排出管，4-原油排出管，5-排污口，6-进液管，7-排水管，8-旋流聚结器，9-切向入口管，10-下导流分离腔，11-中心外管，12-中心管，13-上导流分离腔，14-集油斗。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本发明的一个宽泛实施例中，一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置，主要包括分离外筒和旋流聚结器，其中，
分离外筒位于分离装置的外部，其垂直方向的上端设有过滤网和气体排出管，下端设有原油排出管和排污口；水平方向的一侧设有进液管，另一侧设有排水管。
旋流聚结器位于分离装置的内部，主要包括切向入口管、下导流分离腔、中心外管、中心管、上导流分离腔和集油斗，其中切向入口管与进液管相连，集油斗通过中心管与原油排出管相连。
工作时，多相来液首先进入旋流聚结器，经过离心分离和碰撞聚结后，气体经过滤网过滤后进入气体排出管；分离出的油和少量气体在旋流聚结器上端的集油斗集中，经原油排出管排出；油水混合物在分离外筒经重力沉降后，水通过排水管排出，固体杂质经排污口排出。
其中，经充分考虑旋流聚结器对流体产生的离心聚并和剪切破碎的影响，分析得到旋流聚结器的优选离心加速度范围为(20～50)g(g为重力加速度)，涡流数范围为5～28，旋流聚结器的入口结构采用切向无叶片式入口。
另外，分离外筒的改进设计方法(即分离外筒的尺寸确定)如下：
1)运用计算流体动力学(CFD)商业软件Fluent，首先根据液滴聚并原理和群体平衡方程(PBE)对分散相油滴经过旋流聚结器后的有效直径进行理论计算，再利用VOF多相流模型对两种可能的最大油滴粒径进行多工况数值模拟验证；
2)确定油滴经过旋流聚结器后的有效粒径后，代入Henschke液滴沉降速度计算模型中得到油滴上浮速度，最后再根据液滴有效粒径、液滴沉降速度以及停留时间确定出分离外筒的尺寸。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细解释。
如图1和2所示，一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置，主要包括分离外筒1和旋流聚结器8，其中，
分离外筒1垂直方向的上端设有过滤网2和气体排出管3，下端设有原油排出管4和排污口5；水平方向的一侧设有进液管6，另一侧设有排水管7。
旋流聚结器8主要包括切向入口管9、下导流分离腔10、中心外管11、中心管12、上导流分离腔13和集油斗14，其中，
切向入口管9呈水平方向设置，与进液管6相连；
下导流分离腔10呈垂直方向设置，其下端与切向入口管9相连，上端与中心外管11相连；
中心外管11呈垂直方向设置，其上端与上导流分离腔13相连；
中心管12呈垂直方向设置，位于中心外管11的内部，其上端与集油斗14相连，下端与原油排出管4相连。
工作时，多相来液首先进入旋流聚结器8，经过离心分离和碰撞聚结后，气体经过滤网2过滤后进入气体排出管3；分离出的油和少量气体在旋流聚结器8上端的集油斗14集中，经原油排出管4排出；油水混合物在分离外筒1经重力沉降后，水通过排水管7排出，固体杂质经排污口5排出。
旋流聚结器8的工作原理如图3所示。旋流聚结器8利用自由涡与强制涡的组合涡，使油中的水能够实现聚结和离心沉降，水在离心力的作用下向周围运动而油则相对集中在漩涡中心处，在漩涡中心处为强制涡流，而强制涡流的自由液面为开口向上的抛物线，在中心处压力很低，因此分离出的油和一部分气体从中部通过集油斗经原油排出管流出。
采用ANSYS Fluent对旋流聚结器8的几何尺寸、入口结构进行二维、三维数值模拟计算，充分考虑旋流聚结器8对流体产生的离心聚并和剪切破碎的影响，经过比较分析得到旋流聚结器8的优选离心加速度范围为(20～50)g(g为重力加速度)，涡流数范围为5～28，入口结构采用切向无叶片式入口。
应当意识到，上述关于旋流聚结器8的离心加速度和涡流数范围仅为示例，不能理解为对本发明的限制。
最终采用离散相模型对含固体杂质流体在内部旋流器内的流动进行模拟，分析得出流动过程中固体杂质能够顺利流出内部旋流器，没有堆积沉淀产生堵塞。
分离外筒1尺寸的改进设计计算流程如图3所示。分离外筒1的主体尺寸是根据新的基于理论方法和数值模拟的改进设计方法计算得到的。
首先，根据液滴聚并模型和群体平衡模型对分散相油滴经过旋流聚结器后的有效直径进行理论计算和数值模拟验证；
接着，考虑到旋流分离后流体的流动状态对液滴破碎过程的影响，利用VOF多相流模型对两种可能的最大油滴粒径进行多工况模拟计算，以确定油滴经过旋流聚结器后的有效粒径；
最后，再根据液滴沉降速度计算模型得到的油滴上浮速度、液滴的有效粒径以及停留时间确定出分离器外筒的最佳经济尺寸。
上述改进设计计算流程可大幅度减小分离外筒的尺寸，实现分离装置整体结构的紧凑性。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于新型分离外筒改进方法的紧凑型立式分离装置，包括分离外筒(1)和旋流聚结器(8)，其特征在于，
所述分离外筒(1)垂直方向的上端设有过滤网(2)和气体排出管(3)，下端设有原油排出管(4)和排污口(5)；
所述分离外筒(1)水平方向的一侧设有进液管(6)，另一侧设有排水管(7)；
所述旋流聚结器(8)包括切向入口管(9)、下导流分离腔(10)、中心外管(11)、中心管(12)、上导流分离腔(13)和集油斗(14)；
所述切向入口管(9)呈水平方向设置，与所述进液管(6)相连；
所述下导流分离腔(10)呈垂直方向设置，其下端与所述切向入口管(9)相连，上端与所述中心外管(11)相连；
所述中心外管(11)呈垂直方向设置，其上端与所述上导流分离腔(13)相连；
所述中心管(12)呈垂直方向设置，位于所述中心外管(11)的内部，其上端与所述集油斗(14)相连，下端与所述原油排出管(4)相连。
2.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，所述旋流聚结器(8)的离心加速度范围为20～50倍的重力加速度，涡流数范围为5～28。
3.根据权利要求1-2任一项所述的分离装置，其特征在于，所述旋流聚结器(8)的入口结构采用切向无叶片式。
4.根据权利要求3所述的分离装置，其特征在于，所述旋流聚结器(8)利用自由涡与强制涡的组合涡，使油中的水实现聚结和离心沉降，水在离心力的作用下向周围运动而油则相对集中在漩涡中心处，在漩涡中心处为强制涡流，而强制涡流的自由液面为开口向上的抛物线，在中心处压力很低，因此分离出的油和一部分气体从中部通过集油斗经原油排出管流出。
5.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，所述分离装置工作时，多相来液首先进入所述旋流聚结器(8)，经过离心分离和碰撞聚结后，气体经所述过滤网(2)过滤后进入所述气体排出管(3)；分离出的油和少量气体在所述旋流聚结器(8)上端的所述集油斗(14)集中，经所述原油排出管(4)排出；油水混合物在所述分离外筒(1)经重力沉降后，水通过所述排水管(7)排出，固体杂质经所述排污口(5)排出。
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