设计未来的精巧型分离系统

来源： 2007年02月03日 10:19

赵立新　蒋明虎　译
摘　要　文章对常规分离设备及一些新型的小型分离设备（如离心机、水力旋流器、螺旋分离器及分流器等）的特点进行了简单的介绍。
主题词　离心机　小型分离设备　水力旋流器
简　　介
　　油气公司一直都在寻找更有效的方法来生产石油和天然气。常规分离技术由于占地大、重量大而非常不经济。为了提高经济性, 同时提高设备的分离效率, 产生了许多更好的分离设备设计方案, 研制出了更小型化、更轻便的气/液分离及油/水分离装置。
常规分离器
　　常规的分离装置主要包括两相或三相分离器。这些分离器通常是圆柱形的容器, 有立式的, 也有卧式的。
　　在常规的两相分离器当中, 液体进入分离器后冲击入口转换装置。该冲击使得动量突然变化, 并在重力的作用下, 使液体落向分离器的底部, 并进入下一部分—重力沉降段。当有气体流经这一段时, 气体中小的液滴在重力的作用下被分离出, 并落向气/液分离界面。液体收集段提供了足够的存留时间, 使溶解气从油中溢出并上升到蒸气段。zui后一个分离段是吸雾器, 采用叶片、丝网或平板来在气体离开容器之前聚结并去除非常小的液滴。
　　三相分离器将气体从液体中分离出, 同时将油从水中分离出。常规的三相分离器包括一个提供液体和气体间实现初步分离的入口转换器。三相分离器的入口转换器与两相分离器的不同, 它包括一个下导管, 可将液体引入油水界面的下方。三相分离器的液体收集段也比两相分离器的要长, 以提供足够的存留时间来形成位于水面上方的油层和乳化层。
　　界面高度控制器或堰体可以将油水界面保持在设计的高度上。油和水在容器的分离段被zui终排出掉。
小型分离器
　　常规的分离器利用重力来分离液体。由于气体和液体具有不同的密度, 重力使得较重的液体沉降到分离器的底部, 较轻的液体上升到分离器的顶部。如果作用于液体的力能够增加, 分离过程将会更加迅速。提高分离速度可降低所需存留时间, 并减少容器的尺寸。一些小型的分离器就是利用离心力来实现液体分离的。小型分离器可以实现大量的气/液分离、油/水分离和脱水处理。
　　但小型分离器比常规分离装置对流量的变化要敏感得多, 液体界面的控制也比较困难。因此在气/液分离器中存在气体中携带液体的现象和液体中携带气体的现象, 在油/水分离器中存在分离出的油和水不纯净的现象。
1. 大量气/液分离
　　用于大量气/液分离的装置有许多, 包括螺旋分离器、分流器、离心机、旋流器和两相涡轮分离器等。
　　螺旋分离器是一个结构简单的小型分离装置, 可以用在井下, 也可用作地面的处理装置。多相液体沿轴向从设备的底部进入, 容器上的固定式螺旋叶片使液体旋转。液体由于密度差的存在而流向器壁, 一部分气体通过位于容器中心的出口被排除掉, 而剩余的气体和液体则继续运动并沿轴向从设备顶部排出。
　　分流器包括一个一级分离器和一个二级分离器, 都是利用离心力来分离液体和气体的。液体经过一级分离器内部的曲面后产生离心力, 并通常可将99% 的液体去除掉; 二级分离器再去除剩余气体中存留的液滴, 以获得高质量的气体。
　　离心机则利用离心力分离气体中的重颗粒。气体进入倒置的涡旋当中, 并zui终从容器的顶部排出。液体则保持在边壁处, 向下由容器底部排出。
　　目前有几种类型的气/液分离用旋流器。在典型设计当中, 液体以高速进入一个立式的圆柱形或锥形旋流器中, 高速涡流产生了径向加速度场, 使气体流向轴心区域, 并由顶部的轴向出口排出; 而液体则从底部的切向出口排出。
　　两相涡轮分离器通过能量恢复来实现油气的分离。它采用两相喷嘴将气/液混合介质的热
能和压能转变为动能, 使高速的两相混合介质冲击旋转圆柱体, 产生分离混合介质的离心力。
2. 大量油/水分离
　　大量油/水分离用的小型分离器的主要类型是带有内件的高性能分离器、水力旋流器, 或者是电磁脉冲感应聚结器（EP IC′s）。
　　高性能的内件包括容器入口处的一组叶片以及位于其后可使整个容器高度加大的隔板。内件可以添加到已有的容器中, 也可设计到新容器中。这些内件通过极大地减少入口处的紊流状态、快速地在分离器内部形成稳定的状态而加大分离的速度。
安装于压力容器内部的水力旋流器在锥管内形成离心液流通道, 这使大量液相被分离出,同时聚结连续相中的分散相液滴。水力旋流器的安装加大了处理量的大小, 减小了泡沫形成的可能性。
　　在EP IC 中, 液体进入高压直流电磁感应场中, 在那里不断地受到脉冲作用。脉冲作用使水聚结成大的液滴而更易于在后续处理设备中分离。EP IC 仅仅用于油是在连续相的情况下。
3. 脱水处理
　　立式浮选设备、水力旋流器、带喷气装置的水力旋流器、叠片式离心机和简化式离心机都是可用作脱水处理的小型分离器。用于脱水处理的水力旋流器和用于大量油/水分离的水力旋流器是类似的。
　　带喷气装置的水力旋流器是一个具有切向入口的立式容器。液体进入水力旋流器后形成一层薄的液体层, 沿着带孔的管壁螺旋运动进入压缩空气所在的区域。气泡与液体接触后, 粘附水中的油滴并上升到容器的顶部。
　　叠盘式离心机是一个在结构上包括许多高速旋转盘的分离设备。由叠盘提供的大的重力作用及大的相当沉降面积产生了良好的分离效果。简体结构离心机通常不包括叠盘。入口液流进入转子与定子之间的环形空间后, 混合介质快速加速到与转子等同的速度并产生分离。通过两种类型离心机的运行都可以获得高质量的水流或高质量的油流。
井下分离处理
　　井下分离技术的发展的核心问题是乳化液形成之前在井眼中进行的油/水分离。通过利用一个小型的井下分离器, 油和水在液体被搅动并乳化之前而分离开。如果实施井下分离的井同时将分离出的水回注, 则可以减少将这部分水提升到地面所需的能量。
地面分离处理
　　小型分离器的使用减少了生产设备所需的占地及其自身重量的大小。混合相的初步分离及原油处理系统决定了生产设备的重量、占地及设备的成本。在多相计量装置中如果采用水力旋流器则可不必使用常规的测试分离器。如果气体流量足够则可以用分流器替代常规的两相分离器。带高性能内件的改进结构的三相分离器或水力旋流器减少了重油分离所需的容器的数量, 因为重油分离要求有更长的存留时间, 因此通常采用多个并联容器进行处理。离心机在油和水的处理方面都可以采用。
结　　论
　　在过去的十年当中, 气/液分离和油/水分离技术都得到了飞速的发展。小型分离设备在替代常规分离设备方面越来越引起了人们的注意。由于小型分离器的设计技术通常为技术,其设备价格一般也比较高, 因此对于设计工程师来说, 了解不同类型小型分离器的优势及局限性是非常重要的。

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