高效小型化三相分离器分离性能实验研究

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(中国石油大学(华东) 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

高效小型化三相分离器分离性能实验研究

牛丽茜，严磊，王建军

(中国石油大学(华东) 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

为得到低含水率的原油用作平台锅炉燃料，使用聚结板和电脱水配合工作的两段脱水工艺，设计了一种高效小型化三相分离器。通过动态实验方法对三相分离器分离性能进行深入探究，得到了不同聚结板布置方式和脱水电压对分离器内部油水两相流动及分离效率的影响，验证了两段脱水工艺的可行性。实验中以重质原油为分离介质，分离器内装填不锈钢梯形波纹板，使用平挂电极并加入矩形波交流脉冲电场。实验结果表明，增加聚结波纹板的数量能提升分离器分离性能，但造成了内部流场的紊乱，一种梯度变板距的波纹板布置方式给油滴提供了足够的上浮空间和流通能力，可解决内部流场紊乱的问题。在聚结板后加入电聚结能对已得到的低含水原油进行深度脱水，进一步提高分离器脱水效率。

三相分离器； 两段脱水； 分离性能； 动态实验

目前，海上平台热采所用蒸汽发生器的燃料可以是原油、柴油或者天然气，但是给海上平台供给任何一种燃料都比较困难。通常选取一口含水率低于5%(质量分数)的油井，将产出液直接供给锅炉燃烧使用。但是随着开采时间的推移，油井的含水率逐步升高，一旦含水率超过5%将无法满足锅炉的燃烧要求。

为了解决锅炉的燃料问题，笔者根据海上平台的现场条件，在参考工业应用油水分离设备的基础上，选择最为成熟的波纹板油水分离技术和电聚结脱水技术，设计了一种高效小型化三相分离器，并且通过实验研究了最为可靠的聚结板布置方式和电脱水装置，最终实现了采出液脱水的高效、稳定性和节能性[1]。

笔者设计的三相分离器采用的是两段脱水工艺，油井采出液通过入口经水洗破乳后首先进入重力分离段。根据stokes公式，为了得到分离水层的浅池，利用波纹板聚结油水分离技术，在分离器内填入了梯形不锈钢波纹板，能通过缩减油滴浮升的路径使得分散的小油滴在聚结内件表面聚并长大，从而提高分离效率[2，3]。这样得到的低含水原油中仍然含有大量的W/O型乳状液，其溢过堰板经布油管进入平挂电极，利用电路简单的矩形波交流脉冲电场，可以最大程度加速水珠中的正负离子，使之冲破乳化膜而发生振荡聚结，进行深度析水，最后得到满足条件的燃料产品[4-9]。

1 三相分离器分离性能实验

1.1实验装置

三相分离器分离性能实验装置见图1。整个实验台主要包括动力系统、管路混合系统、测控系统、储存加热系统及分离器等主要部分。

分离器筒体总长5 000 mm(不包括两端封头)、直径1 600 mm、壁厚5 mm，由类似鞍座的碳钢钢架支撑，以保证水平和强度。

为了保证实验和现场工况的一致性，选择采用技术较为成熟的梯型不锈钢波纹板，其板间距为25 mm，波纹顶角45°，板材表面光滑，是亲油疏水材质。梯型不锈钢波纹板的优点是可增大分离器分离比表面积，使流体接触充分，而且阻力小、流通量大、扩散性好，可有效改善油水混合物的流动状况，减少返混。

油箱、水箱、分离器及各个部件之间的连接使用PPR热水管，根据各部件位置及直径使用PPR材质的弯头、三通、喉箍、球阀等来保证部件之间的紧密连接。

此外，为防止油类介质遇冷后凝固堵塞，在油路上均设置伴热带和保温层。

1.入口和折流板 2.取样口 3.波纹聚结板 4.排污口 5.油堰 6.布油管 7.水平电极 8.油出口控制阀 9.水出口控制阀 10.转子流量计 11.蓄水箱 12.升压变压器 13.储油箱 14.清洗入口 15.螺杆泵 16.椭圆齿轮流量计 17.自吸泵 18.静态混合器 19.入口取样口图1 三相分离器分离性能实验装置

为保证取样样品的质量，经理论分析后在分离器具有典型特征的点开设取样口(图1)，5组共10个采样口距离入口的距离分别为660 mm、840 mm、1 170 mm、1 500 mm、2 330 mm，距离分离器底部的高度H分别为100 mm、200 mm。为避免对分离器内的流场造成影响，采样口应趋近于无穷小。受加工等因素影响，本实验使用的管径为DN18 mm。为避免样品中的油滴由于剪切作用遭到破碎或乳化，取样口一律使用钢芯球阀。

1.2介质物性

实验所用的分离介质为辛一站原油，其密度902 kg/m3，常温下为固体。实验开始前对其物性进行测量，主要包括吸光度，以用于拟合原油标准曲线进行后期测试。采用UV-6000PC紫外可见分光光度计完成吸光度测量，其工作原理主要是基于朗伯—比尔定律[10]。经扫描最佳测试波长为430 nm，得到的辛一站原油标准工作曲线见图2。拟合出的通用公式为C=977.96A-2.502，其中A为吸光度，C为含油质量浓度。

图2 辛一站原油标准工作曲线

采用DV-1 Pro数字式黏度计进行原油黏度测量，以确定实验最佳工况温度，得到的辛一站原油黏温曲线见图3。

图3 辛一站原油黏温曲线

由图3可以看出，实验所用原油的黏温曲线拐点大约在33 ℃。考虑到实验管路曲折，分离器体积庞大，为防止油品冷却阻塞管道以及得到稳定的油水乳状液，实验之前将油和水预热到50 ℃，以降低黏度和表面张力。

1.3实验方法

实验时，首先按照计算好的流量，通过调整油路和水路的干路阀和回路阀，使加热好的油和水按照含油10%(质量分数)的比例通过静态混合器均匀混合，对入口采样观察乳化程度后使介质进入分离器。待油水混合物充满分离器后调节出水口和油出口阀门，使分离过程达到动态平衡，若要使用电脱水装置，则需接入电极板电源并调节好升压器工作参数。用备用的油桶盛装油出口的原油，通过沉降分离完全除去含有的水分，然后移入储油箱继续使用。排出的水含油质量浓度很小，则可以直接通过管路返回水箱。待油水两相充分分离后，使用取样瓶迅速在各采样口、油出口和水出口进行适量取样。之后用石油醚萃取出水样中的油分，制得试样进行含油质量浓度测试。

对分离出的原油，则使用水分测定器，按照GB/T 260—1977《石油产品水分测定法》[11]，用蒸馏法测试油中含水率。

2 三相分离器分离性能实验结果与讨论

2.1停留时间对分离性能的影响

分离器内油水分离的停留时间主要通过控制入口体积流量来决定。实验时通过控制体积流量使入口混合物中含油10%(质量分数)，其他条件保持不变，在不加入聚结板的情况下分别选择入口体积流量为2 m3/h、1.8 m3/h、1.5 m3/h、1.2 m3/h、1.0 m3/h进行实验。分离器水出口含油质量浓度和油出口含水率随入口体积流量变化的曲线见图4。

图4 分离器出口指标随入口体积流量变化曲线

从图4可以看出，随着分离器入口体积流量的增大，油水混合物在分离器内的停留时间逐渐缩短，油出口含水率和水出口含油质量浓度都增大。这符合重力分离模型的理论，增大停留时间，可让油滴有充足的时间穿过油水界面进入油层，从而提高分离效果。在此实验条件下，1.5 m3/h的入口体积流量是明显的拐点，当入口体积流量进一步减小时，水出口含油质量浓度降低梯度已明显降低。虽然油出口含水率下降效果依旧明显，但考虑到实验的便捷及防止水温、油温降低，本次实验选择1.5 m3/h为最佳入口体积流量。

2.2填入聚结板对分离性能的影响

实验中暂不使用电脱水，依次向分离器内填入1块、2块、3块聚结板，各板完全相同，但之间留有间隔，其中第一块聚结板位于第一和第二采样口之间，第二块聚结板位于第二和第三采样口之间，第三块聚结板位于第三和第四采样口之间，整体为重力沉降和聚结分离相互交错布置。各条件下分离器出口指标对比见图5。

图5 填入聚结板条件下分离器出口指标对比

从图5分离器出口各数据可以看出，随着聚结板数量的增加，油出口的含水率和水出口的含油质量浓度都是持续降低的。这是由于随着聚结波纹板数量的增加，油滴在聚结板中停留的时间延长，流道不断改变，油滴碰撞几率和碰撞的时间大为增加，会使聚结除油的过程进行得更彻底，从而分离出更小的油滴。

为了研究重力分离和聚结除油相互交错的空间排布在分离器内部形成的油水质量浓度分布情况，对轴向分布的H为100 mm和200 mm采样口进行取样分析对比。两种高度下分离器水中含油质量浓度在是否填入聚结板4种实验条件下的轴向分布对比见图6。

聚结板数量增多虽然提高了分离器出口指标，但其对内部流场的不断改变使得油水分离过程变化更为复杂。由于各组波纹板之间存在重力沉降段，会导致前面从波纹板中聚结的油膜短暂堆积，造成严重的返混现象，在第三采样口附近水中含油质量浓度急剧上升(图6b)。

图6 不同高度下分离器水中含油质量浓度轴向分布

在实验过程中，随着聚结板数量的增加，分离器出口的流量控制会变得困难，油出口会出现间歇性的不稳定状态，此时含水率短暂提高，这是因为聚结板数量的增加和形成的大块浮油都会增大流动阻力，特别是影响油层的流动。对比两个高度下的水中含油质量浓度分布可以看出，分离过程主要发生在油水界面处，分离器底部的连续水相含油质量浓度低且分布稳定，说明聚结板具有整流和防止返混的作用[12，13]。

2.3聚结板空间布置对分离性能的影响

针对实验中聚结板布置方式引起的出口油品含水率大幅波动的情况，对聚结波纹板布置方式进行了改进，见图7。

布置方式二把3块聚结板并排放置，去掉了各单元之间的重力沉降段，使之成为一整体，长度达675 mm，置于第一和第四采样口之间。设计布置方式三时，主要考虑分离器内从入口到出口油水界面处油分质量浓度不断增大，油层厚度也不断增大，按照油分质量浓度增大的梯度使波纹板板层间距也依次增大，以适应变厚的油层，具体为3块波纹板无间隙相连，第一块板板层间距为25 mm，第二块板板层间距为50 mm，第三块板板层间距为75 mm，整体置于第一和第四采样口之间。

(a)方式一(b)方式二(c)方式三图7 聚结板空间布置方式

3块聚结板有间隔布置、无间隔布置和变板距布置方式下分离器出口指标对比见图8。

图8 不同聚结板布置方式下分离器出口指标对比

由图8可知，相对有间隔布置，无间隔布置方式下分离器出口指标变差，这不仅是因为内部流场波动造成出口不稳定，大块浮油造成流动阻力，很大程度上还是因为聚结板造成重力沉降段减少，使得聚结的油滴还未来得及浮升至液面就已经到达水出口附近并逃逸。而变板距布置方式下分离器出口指标有明显改观，特别是水出口含油质量浓度降幅明显，相比有间隔布置和无间隔布置方式分别下降了9.76%和11.78%。这是因为随着聚结板板距的逐渐增大，在保留其聚结作用的同时也给聚结的油滴以充分的时间浮升至油水界面，使得水层在流至出口附近时含油质量浓度已经非常低，实验过程中油出口流量和含水率都非常稳定。

为观察不同聚结板布置方式下分离器内部流场的稳定性，实验得出了H为200 mm和100 mm时各空间布置方式下分离器内含油质量浓度对比曲线，见图9。

图9 不同水层高度及聚结板布置方式下分离器内含油质量浓度

从图9可以看出，相对于有间隔布置方式，3块相连无间隔布置方式下流道变化简单，所以使得分离器内部的流场很稳定，轴向水层中含油质量浓度降幅也很稳定，仅在重力沉降段稍有返混，有聚结板的地方含油质量浓度降幅大再次验证了聚结除油技术的可靠性。变间距空间布置方式加大了聚结板的板距、减少了聚结空间，因此从聚结板出来的水层中含油质量浓度仍然较高。但整个过程减少了对分离器内油水两相流动的扰动，在油水分离过程中控制了油滴上升的速度，保证了浮升时间，使得质量浓度的降幅比较平稳，返混现象减少，所以最终出口指标却是最优的。

2.4电聚结脱水对分离性能的影响

在填入聚结板并保证其他条件不变的情况下打开电极板电源，调整升压变压器参数使二段脱水即电脱水正常工作，通过布油管均匀分配对低含水原油进行深度脱水处理。

脱水电压分别为1 300 V、1 500 V和1 800 V时分离器出口指标见图10。

图10 3种脱水电压下分离器出口指标对比

由图10可以看出，在加入电脱水处理后油出口含水率得到明显改善，脱水率较原来提高了81.3%～97.5%，水出口含油质量浓度也得到了优化。这是由于随着油井含水率的增加，在举升过程中油滴被不断剪切形成了很多稳定的乳化水，这些乳化水是无法通过重力沉降等常规方法脱除的。实验中布置的交流脉冲电场除了产生电场力作用使得水滴极化相互吸引发生偶极聚结外，还能以50次/s的速度改变电场方向，水滴振荡和摆动极大削弱了水滴表面的乳化膜，达到破乳目的，形成大水滴并且被析出脱除[14-16]。

脱水电压对脱水效率的影响很大，找到合适的工作电压不仅能达到低耗高效的目的，还能保证电极板正常工作，延长使用寿命。为此测试了不同入口条件下脱水电压不同时分离器的脱水效率并绘制成效率曲线，见图11。

图11 不同脱水电压下分离器脱水效率

由图11可以看出，不同入口条件下分离器脱水效率都随着脱水电压的增大先增加后降低，本实验条件下分别是在1 500 V和1 800 V附近达到了临界值，这是因为极化的水滴靠电场力相互吸引突破乳化膜，电压过低就不足以提供足够的偶极聚结力。随着脱水电压增大，电场力变强，不仅增强了偶极聚结力，还加大了水滴迁移速率。当电压超过临界脱水电压时，已经形成的大水滴会被持续拉扯直至破碎成一串小水滴，即出现电分散现象，破乳率反而降低，直接影响脱水效率。若继续增大电压，会造成脱水电流过大，发生垮电场现象，失去脱水作用甚至击穿电场，不仅耗费能量还损坏设备[9]。

3 结语

文中通过动态实验的方法，验证了三相分离器两段脱水工艺的可行性，对比分析了不同聚结板空间布置方式以及加入电聚结脱水后对分离性能的影响，研究认为，分离器内使用聚结波纹板后可提高分离效果并节省停留时间，这是因为聚结板充分利用碰撞聚结和润湿聚结使得小粒径油滴聚结长大后被波纹板捕获形成连续油相。增加聚结波纹板的数量可以提升分离器分离性能，但增加了分离器空间占有率并影响内部流场，合理的空间布置既能保证聚结板有效工作，又能减少空间占有率。

聚结板板层间的流道有充足的聚结碰撞空间，给予油滴足够的上浮空间和流通能力是聚结波纹板应改进的方向，为此提出了一种梯度变板距的波纹板布置形式以适应不断变厚的油层，并通过实验验证了其在提升油水分离效率的同时还可保证分离器内部流场及原油出口指标的稳定性。

聚结板结合电聚结的两段脱水工艺是行之有效的，电聚结能高效深度脱除低含水原油中的乳化水滴，临界脱水电压是电脱水工艺中的重要参数，其对保证高效低耗的原油生产及设备安全运行具有重要意义。

[1] 戴静君，毛炳生，张联盟.海上油、气、水处理工艺设备[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002.

(DAI Jing-jun，MAO Bing-sheng，ZHANG Lian-meng.Offshore Oil，Gas and Water Processing Equipment[M].Wuhan：Publication of Wuhan University of Technology，2002.)

[2] 徐应波，王树祥，杨相伟.应用浅池理论与聚结技术改进油田污水处理系统[J].水处理技术，2010(10)：115-118.

(XU Ying-bo，WANG Shu-xiang，YANG Xiang-wei. Applying Shallow Pool Theory and Coalescence Technology to Improve Oily Water Treatment System in Oilfield[J].Technology of Water Treatment，2010(10)：115-118.)

[3] D Wilkinson，B Waldie，M I Mohamad Nor，et al. Baffle Plate Configuration to Enhance Separation in Horizontal Primary Separators[J].Chemical Engineering，2000，77(3)：221-226.

[4] 马华伟，何利民，张黎明.油包水乳化物在交流电场中流动时的聚结特性[J].油气储运，2007，26(10)：35-38，61.

(MA Hua-wei，HE Li-min，ZHANG Li-ming.The Coalescence of Water-in-oil Emulsion with Laminar Flow State under the Influence of an AC Field[J].Oil & Gas Storage and Transportation，2007，26(10)：35-38，61.)

[5] Simmons M J H，KomoniboE. Residence Time Distribution and Flow Behavior within Primary Crude Oil-Water Separator Treating Well-head Fluids[J].Chemical Engineering Research and Design，2004，82(10)：1383-1390.

[6] Acikgoz M，LaheyR T. An Experiment Study of Three Phase Flow Regimes[J].Mutiphase Flow，1992，18(3)：327-336.

[7] 刘德生.水平管油气水三相流动规律研究进展[J].石油和化工设备，2013(16)：6-9.

(LIU De-sheng. Research Progression in Regulation of Oil-air-water Three-phase Flow Through Horizontal Pipes[J].Petro & Chemical Equipment，2013(16)：6-9.)

[8] 李振林.重力式油气水三相分离器内部流动研究[J].石油机械，1999，27(7)：11-12.

(LI Zhen-lin.Internal Flow Field in Gravity Oil-gas-water Separators[J].China Petroleum Machinery，1999，27(7)：11-12.)

[9] 刘磊，周芳德.油气水三相流中的复杂相态及压力降研究[J].工程热物理学报，2001，22(6)：747-750.

(LIU Lei，ZHOU Fang-de.Complex Phase Regimes and Pressure Drops in Oil-water-gas Three-phase Flow[J].Journal of Engineering Thermophysics，2001，22(6)：747-750.)

[10] 霍瑞岗.朗伯—比尔定律在化学分析中的应用及局限性[J].学周刊，2013(11)：14-15.

(HUO Rui-gang.The Application and Limitation of Longbow Bill’s Law in Chemical Analysis[J]. Learning Weekly，2013(11)：14-15.)

[11] GB/T 260—1977，石油产品水分测定法[S].

(GB/T 260—1997，Determination of Water Content in Petroleum Products[S].)

[12] 张黎明，何利民，王涛，等.含聚结构件油水分离器性能研究[J].高校化学工程学报，2009(2)：345-350.

(ZHANG Li-ming，HE Li-min，WANG Tao,et al. Separating Behavior with Coalescence Internals in Separator[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2009(2)：345-350.)

[13] 王敏，杨昌柱.波纹板聚结油水分离器的研究[J].交通与环保，2004，25(1)：26-28.

(WANG Min，YANG Chang-zhu. Development of Corrugated Plate Coalescing Oil-water Separator[J].Environmental Protection in Transportation，2004，25(1)：26-28.)

[14] 陈文征，张贵才，李爽.分离器聚结板表面性质对分离效果影响的探讨[J].石油机械，2008，36(3)：68-70.

(CHEN Wen-zheng，ZHANG Gui-cai，LI Shuang. Discussion on the Effect of Surface Property of Separator on Separation Efficiency [J].China Petroleum Machinery，2008，36(3)：68-70.)

[15] 孙治谦，金有海，王振波.油水重力分离原理及聚结破乳机理初探[J].化工机械，2009，36(6)：636-639.

(SUN Zhi-qian，JIN You-hai，WANG Zhen-bo.Principle of the Oil-water Gravity Separation and Elementary Researches on Coalescent Demulsification[J].Chemical Engineering & Machinery，2009，36(6)：636-639.)

[16] 孙治谦，金有海，王振波，等.不同含水率下电场参数对动态脉冲电脱水的影响[J].化学工程，2014，42(4)：18-22.

(SUN Zhi-qian，JIN You-hai，WANG Zhen-bo，et al.Impact of Electric Field Parameters on Dynamic Pulse Electric Dehydration Performance in Different Water Ratio Conditions[J].Chemical Engineering，2014，42(4)：18-22.)

(张编)

ExperimentalStudyonSeparationPerformanceofEfficientandMidgetThree-phaseSeparator

NIULi-qian，YANLei，WANGJian-jun

(China University of Petroleum， Qingdao 266580， China)

In order to obtain the low moisture content crude oil used as platform boiler fuel，two-stage dewatering by combination with coalescence-plate and electric dehydration are used to design a kind of efficient and midget three-phase separator and gets a deep study on separation performance through dynamic experiment method，to obtain the regularity of separator internal oil-water two-phase flow and separation efficiency which influenced by space layout of coalescence-plate and dehydration voltage，verifies the feasibility of two-stage dewatering. Experimenters use heavy crude as the separation medium，separator filled with trapezoid stainless steel corrugated plate and horizontal electrode with squaring AC and pulsed electric field. Experimental results show that increasing number of coalescence-plate can improve the separation performance，but also cause the fluctuation of the corresponding internal flow field，the coalescence-plate change the plate spacing as gradient can afford the oil drop plenty space of coalescing collision，channel with enough floating space and flow capacity to solve the problem. After the coalescence plate，the produced low moisture content crude oil can be dewatered seriously by electric dehydration which can further improve the dewatering efficiency of the separator.

three-phase separator；two-stage dewatering；separation performance；dynamic experiment

TQ051.8； TE968

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.002

1000-7466(2017)02-0006-07

2016-11-12

牛丽茜(1993-)，女，山东菏泽人，在读大学生，专业为化学工程与工艺。