郝黎霞 呂儀軍 趙國(guó)成

中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

T型油水分離器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郝黎霞*呂儀軍 趙國(guó)成

中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

重力式油水分離器是石化領(lǐng)域常用的油水分離設(shè)備。本文從設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用幾方面闡述一種T型油水分離器，對(duì)油水分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作及設(shè)備的設(shè)計(jì)選型提供一定的參考。

T型油水分離器 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計(jì)

在石油化工和化工裝置中，油水混合物的分離是一種至關(guān)重要的工藝過(guò)程，重力式油水分離器是一種經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)分離目的的工藝設(shè)備。

傳統(tǒng)的油水分離器，大部分采用臥式或立式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)的油水分離器在連續(xù)生產(chǎn)裝置中，油水界面會(huì)隨著油相和水相的流出出現(xiàn)波動(dòng)擾動(dòng)，存在界面不穩(wěn)定的缺陷，而且容易出現(xiàn)返混和短路流的情況，此外，處理能力相同的情況下，臥式分離器比立式分離器的占地面積大許多，會(huì)出現(xiàn)布置空間不夠的情況；立式結(jié)構(gòu)的油水分離器相對(duì)占地面積小，但由于垂直高度較大，油滴的上浮時(shí)間就會(huì)大于混合物的水平流動(dòng)時(shí)間，這樣油滴就沒(méi)有充分的上浮時(shí)間，導(dǎo)致相當(dāng)部分的液流未經(jīng)充分分離就排出罐體，油相與水相難有良好的分離效果。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、油水界面穩(wěn)定，油水分離效果好，可連續(xù)化操作、處理量大的T型油水分離器。

1 設(shè)計(jì)原理及理論依據(jù)

油水分離的眾多方法中，重力分離法是最基本最常用的一種，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)。重力分離器是利用重力、對(duì)密度存在差異、互不相容的不同種流體進(jìn)行分離的一種設(shè)備。

根據(jù)斯托克斯(Stokes)公式的基本原理，重力油水分離器主要依靠的是油和水之間的密度差異，在一個(gè)相對(duì)平衡的系統(tǒng)里，混合物將以一定比例形成水相和油相，在這個(gè)系統(tǒng)中相對(duì)較重的組分水以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行沉降，而比較輕的組份油則以層流狀態(tài)表現(xiàn)，Hazen的“淺池理論”和斯托克斯公式是這種分離方法最主要的理論依據(jù)。

淺池理論默認(rèn)油水混合物的重力分離在理想狀態(tài)下進(jìn)行，忽略紊流和進(jìn)出口水流不均勻等因素，假設(shè)分離器的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，分離器底部距油水界面的高度為H，油水混合物的水平流速為U，油滴在水中的浮升速度為ν，混合物經(jīng)分離器后得以分離的條件：

(1)

從式(1)可以得出，油水混合物若要實(shí)現(xiàn)充分分離，油水混合物水平流經(jīng)分離器的時(shí)間要大于油滴上浮的時(shí)間，這樣油滴才能有充分的時(shí)間上浮，與水相充分分離[1]。當(dāng)油水混合物的處理量一定，且油滴浮升高度H恒定，即水平流速U不變，在保證分離效果不變的前提下，若要減小分離的尺寸，即縮短分離器的長(zhǎng)度L，就需增大油滴的浮升速度ν，油滴浮升速度由斯托克斯公式確定：

(2)

式中，v為油滴浮升速度m/s；ρw為水的密度，kg/m3；ρo為油的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為油滴粒徑，m；μw為水的粘度，Pa·s。

從式(2)可知，油滴的浮升速度正比于油水的密度差，同時(shí)正比于油滴粒徑平方。

2 油水分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

T型油水分離器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 T型油水分離器典型結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的T型油水分離器與傳統(tǒng)型相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分離效率高、可連續(xù)化生產(chǎn)，采用T型結(jié)構(gòu)明顯增加流體在分離器中的停留時(shí)間，生產(chǎn)過(guò)程中可以維持油水界面相對(duì)平穩(wěn)，且大幅降低返混和渦流情況，在達(dá)到相同的分離效率時(shí)能滿(mǎn)足更大的生產(chǎn)分離處理能力，同樣的處理能力條件下能比其他容器具有更小的設(shè)備體積，占地面積也更小，同時(shí)降低設(shè)備生產(chǎn)和維修費(fèi)用，具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

2.1T型組合結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)將立式罐體和臥式罐體結(jié)合在一起，且臥式罐體最好位于立式罐體的中段，兩者形成一個(gè)“T”字形結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下能夠最大限度的提高處理量，也能提高油水的停留時(shí)間，采用臥式罐體進(jìn)料并快速實(shí)現(xiàn)油水分層，利用立體罐體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定出油和出水，使油水的分層面穩(wěn)定在在臥式罐體的垂直高度內(nèi)；升高的臥式罐體不再占用地面面積，有利于其它設(shè)備的布置。

2.2 進(jìn)料管出口采用喇叭型

臥式罐體左端底部設(shè)有液體混合物進(jìn)料管，液體混合物進(jìn)料管的出口采用喇叭型狀，并正對(duì)著左封頭，同時(shí)由支撐板支撐和加強(qiáng)拉筋固定，出口直徑的放大降低了流體的壓力并有效的減少來(lái)流能量，抑制和消除來(lái)流的返混和渦流情況，增加液滴的聚結(jié)機(jī)會(huì)，有較好的預(yù)分離作用。

2.3 進(jìn)液分離區(qū)設(shè)置人孔

臥式罐體進(jìn)液分離區(qū)設(shè)置人孔，其上配有觀察視鏡，視鏡可視范圍對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)油水分層處，便于生產(chǎn)中直觀地觀察分析油水混合物的分層效果。

2.4 集油出水區(qū)設(shè)置出水管

立式罐體集油出水區(qū)設(shè)置出水管，出水管設(shè)于立式筒體的內(nèi)部，上端氣相空間相通，在一些寒冷地區(qū)，此結(jié)構(gòu)避免出水管外置的凍結(jié)現(xiàn)象，此外對(duì)于油水密度差比較小的介質(zhì)，避免因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工操作誤差，水相液封高度發(fā)生微量變化，進(jìn)而導(dǎo)致油水界面的較大波動(dòng)，最終影響分離效果。

3 T型油水分離器的工作原理

圖1為典型T型油水分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。本T型油水分離器采用臥式罐體和立式罐體組合的結(jié)構(gòu)，油水混合物由進(jìn)料口進(jìn)入臥式罐體內(nèi)，臥式罐體為油水混合物提供足夠的分離停留時(shí)間，使混合物沿著臥式罐體一邊向立體罐體方向流動(dòng)一邊實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)分層，逐漸沿罐體縱向形成明顯的油水界面，在兩個(gè)罐體的連接處，分層的油相迅速上浮充滿(mǎn)立式罐體的上段，水相沉集至立式罐體的下段，靜置，立式罐體進(jìn)一步提高分離效果和分離處理能力，分離出的水相由底部通過(guò)內(nèi)出水管經(jīng)水相出口排出，油相通過(guò)罐體側(cè)壁上的輕油出口排出，最終實(shí)現(xiàn)輕油與水相的充分分離。

臥式罐體與立式罐體連接處的具體高度位置確定原則：

(1)根據(jù)進(jìn)料的油水體積比確定，可保障油和水在分離器內(nèi)的停留時(shí)間一致，即臥式罐體的油水界面保證油相和水相在臥式罐體的停留時(shí)間相同，立式罐體的油水界面保證油相和水相在立式罐體的停留時(shí)間相同，連接臥式罐體與立式罐體保證兩個(gè)油水界面齊平。

(2)若混合物中有一相較少，可以適當(dāng)增加該相的體積。

(3)按照分離要求，除了實(shí)現(xiàn)油水分離器的主要功能，把液體分離為兩相外，還看分離目標(biāo)是以油的質(zhì)量為準(zhǔn)還是以水的質(zhì)量為準(zhǔn)，如果要求水相油含量盡可能少，就適當(dāng)增加水相的停留時(shí)間；相反則適當(dāng)增加油相的停留時(shí)間。

4 T型油水分離器的應(yīng)用實(shí)例

以某蓖麻油制取20000t/a癸二酸項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)為例，簡(jiǎn)述T型油水分離器的設(shè)計(jì)方案。在該項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)工藝中，副產(chǎn)14000t/a仲辛醇，而粗仲辛醇里面含有水、微量仲辛酮和苯酚等雜質(zhì)，為保證仲辛醇產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WYJ001-91中的一級(jí)品要求，堿裂反應(yīng)生產(chǎn)的揮發(fā)物冷凝后必須把水和有機(jī)物相分離，生產(chǎn)裝置中設(shè)計(jì)了一臺(tái)T型油水分離器，以實(shí)現(xiàn)仲辛醇油水分離，合理確定油水穩(wěn)定分界面及出水管管口與出油口間距是關(guān)鍵，具體設(shè)計(jì)方案如下：

粗仲辛醇進(jìn)料量2100kg/h，含水50%(wt)，有機(jī)雜質(zhì)1.21%(wt)，分離要求是水分含量≤2%(v/v)，油相的平均密度取840kg/m3，水的密度取1000kg/m3，混合物流量2.3m3/h。

4.1 設(shè)備尺寸的確定

油水分離器的尺寸取決于滯留時(shí)間(油水分離所需要的時(shí)間)，而滯留時(shí)間又取決于油滴的上浮速度，因此根據(jù)斯托克斯公式(層流條件下)計(jì)算出油滴的上浮速度，但實(shí)際生產(chǎn)中，無(wú)法測(cè)定液滴的直徑，也無(wú)法保證分離過(guò)程中油滴不破碎、不合并，更無(wú)法避免油滴與器壁之間的作用力，因此采用斯托克斯公式進(jìn)行估算存在一定的誤差和風(fēng)險(xiǎn)性。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)是以取樣試驗(yàn)、測(cè)定的油水分離時(shí)間為準(zhǔn)，仲辛醇油水沉降分離時(shí)間為5h，則油水分離器的尺寸為5×2.3=11.5m3，取12m3，直徑取1600mm，流體水平流速為1.14m/s，油滴上浮速度取0.95m/s(采用斯托克斯公式估算)，根據(jù)淺池理論，取臥式罐體長(zhǎng)度2000mm，取立式罐體筒體高度4000mm，見(jiàn)圖2。

4.2 油水界面的設(shè)計(jì)

油水界面應(yīng)按照進(jìn)料中油水的體積比分配，這樣就可以保障油和水在分離器內(nèi)的停留時(shí)間一致，結(jié)合實(shí)際進(jìn)料情況，仲辛醇體積流量大于水相的體積流量，考慮適當(dāng)增加水相的體積進(jìn)而適當(dāng)增加水相停留時(shí)間，以保障水相中油含量盡量少，提高仲辛醇的回收率，本設(shè)計(jì)的油水界面取在設(shè)備的中心高度處，且臥式罐體與立式罐體的連接處應(yīng)保證兩個(gè)油水界面齊平，見(jiàn)圖2。

4.3 油相出口和水相出口間距h的設(shè)計(jì)

以立管a處油水界面為參考面。

圖2 T型仲辛醇油水分離器結(jié)構(gòu)

管外壓力：

P1=ρ油·g·H1

管內(nèi)壓力：

P2=ρ水·g·H2

P1=P2

H2=ρ油·H1/ρ水=840×1850÷1000=1554 mm

h=H1-H2=1850-1554=296 mm

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，提出工藝設(shè)備數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。

5 結(jié)語(yǔ)

在石油化工中，油水分離器是實(shí)現(xiàn)油水混合物分離的一種至關(guān)重要的工藝設(shè)備，油水分離器存在巨大的市場(chǎng)需求，因此進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，保證分離效果，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化自動(dòng)操作及提高設(shè)備處理能力勢(shì)在必行。本文主要從設(shè)計(jì)理論依據(jù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理幾方面闡述T型結(jié)構(gòu)的新型油水分離器，該分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、油水界面穩(wěn)定、分離效果好、可連續(xù)化操作、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于20000t/a癸二酸項(xiàng)目，并滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需求，也對(duì)同類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和相關(guān)人員提供一定的參考。

1 候 健.重力油水分離器的關(guān)鍵技術(shù)及性能研究 [D].北京：北京化工大學(xué)，2014

2017-02-09)

*郝黎霞：工程師。2010年畢業(yè)于中北大學(xué)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話(huà)：(027)81926323， E-mail: haolixia@cwcec.com。