侯 健 俞接成 蘇民德

(1.北京石油化工學(xué)院；2.北京化工大學(xué))

重力油水分離器分離效果的實(shí)驗(yàn)研究*

侯 健**1,2俞接成1蘇民德1

(1.北京石油化工學(xué)院；2.北京化工大學(xué))

通過實(shí)驗(yàn)分析了影響重力油水分離器分離效果的因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：入口流速越低，油滴粒徑越大，油水分離效果越好；聚結(jié)構(gòu)件對重力油水分離器分離效果具有明顯影響，平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件更有利于提高油水分離效率；本實(shí)驗(yàn)采用平行蛇形板構(gòu)件或平行波紋板構(gòu)件，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下，水出口含油量低于0.5%，油出口含油率接近50%，具有良好的油水分離效果。

重力油水分離器 分離效果 入口流速 攪拌轉(zhuǎn)速 聚結(jié)構(gòu)件

我國經(jīng)濟(jì)目前正處于快速發(fā)展階段，對能源的需求也不斷增大，石油和天然氣的開采和利用已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱[1]。目前我國油田進(jìn)入高含水期，大部分油田已經(jīng)進(jìn)入中后期開采階段，隨著油田的老化和回注水量的增加，原油采出液的含水率不斷上升，有些油田采出液的含水率高達(dá)90%以上。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，減少含油污水對環(huán)境造成的污染與危害事件，必須對原油的采出液進(jìn)行油水分離[2]。

油水分離器是原油處理過程中不可缺少的核心設(shè)備，并發(fā)揮著越來越重要的作用。重力分離器因其具有結(jié)構(gòu)簡單、流動(dòng)阻力小、使用維護(hù)費(fèi)用低以及可以處理大流量的油水混合物等優(yōu)點(diǎn)成為采油平臺上分離設(shè)備的首選。目前重力分離器還存在著很多不足，需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

目前國內(nèi)油田的重力油水分離設(shè)計(jì)，大多是以孤立液滴的沉降浮升為基準(zhǔn)進(jìn)行分析和確定結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)中忽略了分散相液滴之間的相互碰撞聚結(jié)，因而設(shè)計(jì)的分離器結(jié)構(gòu)尺寸偏大，造成不必要的材料浪費(fèi)和場地問題，且如果這種分離器放在海洋平臺上，設(shè)備的安裝更將成為問題[4～6]。

為了提高重力油水分離器的分離效果，筆者針對可能影響分離效果的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了混合液入口流速、油滴粒徑和不同聚結(jié)構(gòu)件對油水分離效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括重力油水分離器、油水混合攪拌罐、變頻控制電機(jī)及離心輸送泵等設(shè)備(圖1)。輸送管路材料為304不銹鋼，規(guī)格為φ48mm×8mm，內(nèi)徑為32mm，配有渦輪流量計(jì)、壓力表和相應(yīng)閥門。在攪拌罐中配制5%含油率的油水混合液，由輸送泵將其送入重力油分離器中，通過調(diào)節(jié)閥可以控制分離器的入口流量，油水混合液在重力分離器中分離，油、水分別從油出口和水出口輸出，流回?cái)嚢韫藓笾匦禄旌涎h(huán)使用。

2 實(shí)驗(yàn)及測量

2.1實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)將討論混合液入口流速、油水混合攪拌轉(zhuǎn)速(油滴粒徑)及不同聚結(jié)構(gòu)件等因素對油水分離效果的影響。入口流速選擇了0.5、1.0、1.5m/s，攪拌轉(zhuǎn)速選擇了200、250r/min，聚結(jié)構(gòu)件選擇了無聚結(jié)構(gòu)件、平行平板、平行蛇形板、背向蛇形板和平行波紋板。筆者分別制定了在使用相同平行蛇形板構(gòu)件條件下，驗(yàn)證不同入口流速和不同攪拌轉(zhuǎn)速對分離效果影響的實(shí)驗(yàn)方案和在相同攪拌轉(zhuǎn)速200r/min條件下，驗(yàn)證不同入口流速和不同聚結(jié)構(gòu)件對分離效果影響的實(shí)驗(yàn)方案。

圖1 重力油水分離實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

首先在攪拌罐內(nèi)分別加入570L水和30L白油(10#)，配制600L含油量為5%的油水混合液；通過變頻器電源控制攪拌槳分別以200、250r/min的轉(zhuǎn)速攪拌混合液，使油水充分混合，調(diào)制成不同油滴粒徑的油水混合物；混合后由輸送泵在管路內(nèi)循環(huán)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入分離器的油水混合物流量(入口流速分別為0.5、1.0、1.5m/s)；調(diào)節(jié)出口閥門，控制油出口和水出口分流比為1∶19；待實(shí)驗(yàn)管路穩(wěn)定運(yùn)行30min以上后，分別從入口、聚結(jié)前取樣口(上、中、下)、聚結(jié)后取樣口(上、中、下)、油出口和水出口取樣品50mL。

2.3測量方法

首先將取樣用的燒杯依次貼上標(biāo)簽，分別稱量空燒杯質(zhì)量并記錄；依次從入口、聚結(jié)前取樣口(上、中、下)、聚結(jié)后取樣口(上、中、下)、油出口和水出口取待測樣品50mL；將樣品全部轉(zhuǎn)入分液漏斗，以25mL石油醚洗滌采樣燒杯并轉(zhuǎn)入分液漏斗，充分震蕩3min，靜置待完全分層后，將油水層分離；石油醚層轉(zhuǎn)入新燒杯，水層轉(zhuǎn)入原采樣燒杯并加入25mL石油醚重復(fù)萃取水中的油，待靜置分層后分離；合并兩次的萃取液置入原燒杯，得到含有石油醚的油相組分；將水浴鍋內(nèi)的水加熱到65℃，將燒杯置于水浴鍋中加熱1h，待石油醚完全蒸除后，取出燒杯并干燥，用天平稱量其質(zhì)量；減去空燒杯質(zhì)量得到油組分的質(zhì)量，進(jìn)而求得油組分的體積和在樣品中的體積分?jǐn)?shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)所測試樣中油的體積分?jǐn)?shù)C的計(jì)算式為：

式中V——所測試樣體積，L；

W1——空燒杯質(zhì)量，kg；

W2——燒杯加油總質(zhì)量，kg；

ρ——白油密度，kg/L。

3.1入口流速和攪拌轉(zhuǎn)速對油水分離效果的影響

入口流速和攪拌轉(zhuǎn)速對油水分離效果的影響如圖2所示。從圖2可以看出：隨著入口流速的增加，水出口的含油率逐漸上升，油出口的含油率逐漸下降；入口流速越低，水出口含油量越低，油出口含油量越高，油水分離效果越好。攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，水出口含油率要低于攪拌轉(zhuǎn)速為250r/min時(shí)的水出口含油率，油出口含油率要高于攪拌轉(zhuǎn)速為250r/min時(shí)的油出口含油率；攪拌轉(zhuǎn)速越低，入口油水混合物中油滴粒徑越大，說明油滴粒徑越大，油水分離效果越好。在本實(shí)驗(yàn)中，采用平行蛇形板構(gòu)件時(shí)，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min條件下，水出口含油量低于0.5%，油出口含油量接近50%，具有良好的油水分離效果。

圖2 入口流速和攪拌轉(zhuǎn)速對油水分離效果的影響

3.2入口流速和聚結(jié)構(gòu)件對油水分離效果的影響

入口流速和聚結(jié)構(gòu)件對油水分離效果的影響如圖3所示。從圖3可以看出：隨著入口流速的增大，水出口的含油率逐漸上升，油出口含油率下降；入口流速越低，水出口含油量越低，油出口含油率越高，油水分離效果越好；4種聚結(jié)構(gòu)件下的水出口含油率均低于無聚結(jié)構(gòu)件下的水出口含油率，油出口含油率均高于無聚結(jié)構(gòu)件下的油出口含油率；平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件對油滴的聚結(jié)效果更明顯，從而使油水分離更徹底，水出口含油率更低，油出口含油率更高；平行平板構(gòu)件和背向蛇形板構(gòu)件對油滴的聚結(jié)效果相對一般。這是由于平行平板構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為簡單，背向蛇形板構(gòu)件在相同尺寸內(nèi)隔板數(shù)量相對較少，對提高油滴顆粒碰撞幾率的影響相對較?。黄叫猩咝伟鍢?gòu)件和平行波紋板構(gòu)件的形狀更有利于油滴顆粒在流動(dòng)過程中的碰撞，從而提高油滴聚結(jié)幾率；而平行蛇形板構(gòu)件分離效果略好于平行波紋板構(gòu)件，分析認(rèn)為是聚結(jié)板折角的影響，平行蛇形板構(gòu)件的折角為135°，平行波紋板構(gòu)件的折角為120°，液體流經(jīng)聚結(jié)板，流速的大小和方向都有一定的變化，從而導(dǎo)致液層間存在剪切和漩渦，對油水分離效率具有一定影響。在本實(shí)驗(yàn)中，采用平行蛇形板構(gòu)件或平行波紋板構(gòu)件時(shí)，在入口流速為0.5m/s、攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min條件下，水出口含油率低于0.5%，油出口含油量接近50%，具有良好的油水分離效果。

圖3 入口流速和聚結(jié)構(gòu)件對油水分離效果的影響

不同聚結(jié)構(gòu)件下取樣口的含油率如圖4所示，從圖4可以看出：混合液經(jīng)過聚結(jié)構(gòu)件后，上取樣口(300mm處)含油率均有上升，說明聚結(jié)構(gòu)件具有使油滴碰撞聚結(jié)從而加速油滴上浮的作用；使用平行平板構(gòu)件和背向蛇形板構(gòu)件時(shí)，聚結(jié)前、后上取樣口的含油率之差約為2%～3%，使用平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件時(shí)，聚結(jié)前、后上取樣口的含油率之差約為10%～15%，說明平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件對油滴的聚結(jié)效果更好。

圖4 不同聚結(jié)構(gòu)件下取樣口含油率

4 結(jié)論

4.1在入口流速較低時(shí)，油水混合物分離效果比較理想，隨著流速增加，分離效果逐漸下降，因此減小分離器入口流速有利于改善分離器效果。

4.2油水混合攪拌罐攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)，入口油水混合物中油滴粒徑越大，分離效率越好。

4.3聚結(jié)構(gòu)件對重力分離器分離效果具有明顯影響，平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件有利于油滴顆粒的碰撞聚結(jié)，從而加速油滴上浮，提高油水分離效率。

4.4本實(shí)驗(yàn)所用的重力油水分離器在入口流速為0.5m/s、攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下，采用平行蛇形板構(gòu)件或平行波紋板構(gòu)件，水出口含油量低于0.5%，油出口含油率接近50%，具有良好的油水分離效果。

[1] 陸耀軍，王金昌.油水重力分離技術(shù)及其進(jìn)展[J]. 油氣田地面工程，1999，18(4)：6～9.

[2] 陸耀軍.油水重力分離設(shè)備技術(shù)及進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2001，20(4)：50～53.

[3] 蔡飛超，馬濤，騰照峰.重力油水分離特性的數(shù)值研究[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(2)：24～27.

[4] 鄧小偉，楊小紅，王恩成，等.軟件模擬設(shè)計(jì)使三相分離器的體積縮小50%[J].國外油田工程，2002，18(10)：63～64.

[5] 孫治謙，王振波，吳存仙，等.油水重力分離過程油滴浮升規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].過程工程學(xué)報(bào)，2009，9(1)：23～27.

[6] 倪玲英，何利民.含聚結(jié)填料分離器的分離特性試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械，2007，36(10)：61～64.

ExperimentalResearchonSeperatingEffectofGravityOil-WaterSeparator

HOU Jian1,2,YU Jie-cheng1, SU Min-de1

(1.BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China; 2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

*北京市教育委員會科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(12010223006)。

**侯 健，男，1988年6月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)01-0024-05

2014-04-29，

2014-05-16)

(Continued on Page 67)