油气水三相分离器的设计.doc

毕业论文(设计)题目名称： 油气水三相分离器的设计 题目类型： 毕 业 设 计 学生姓名： 庄鑫 院 (系)： 机械工程学院 专业班级： 装备10901 指导教师： 张慢来 辅导教师： 张慢来 时 间： 2013.4 至 2013.6 目录毕业设计（论文）任务书毕业设计开题报告指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录及成绩评定摘要1Abstract21. 前言32. 选题背景42.1. 题目来源42.2. 国内外现状和发展趋势42.2.1. 分离器类型42.2.2. 发展历程42.2.3. 国外分离器发展现状62.2.4. 国内分离器发展现状62.3. 油气水三相分离器存在问题及发展趋势73. 油气水三相分离器的方案设计与结构设计93.1. 三相分离器的结构及工作原理93.1.1. 分离器选型93.1.2. 分离器结构93.1.3. 分离器工作原理103.2. 三相分离器基础设计理论113.2.1. 液滴沉降113.2.2. 液滴尺寸133.2.3. 停留时间143.3. 气相中的液滴分离143.4. 油水的沉降分离153.5. 分离器的最大直径173.6. 分离器的缝间长度及长细比184. 三相分离器的设计计算204.1. 分离器的主体尺寸204.2. 三相分离器的主要内部构件分析及选取234.2.1. 进口构件的选取234.3. 除雾器244.4. 三相分离器内的其它构件265. 基于ANSYS有限元分析的强度校核285.1. 设计压力285.2. 容器的应力分析295.3. 应力分析结果306. 总结316.1. 结论316.2. 展望31致谢33附录34油气水三相分离器的设计学生：庄鑫，机械工程学院指导教师：张慢来，机械工程学院摘要：随着石油资源消耗的不断增加以及可开采石油资源的减少，油页岩成为备受关注的石油替代能源。油气水三相分离器是油页岩地表系统中的关键设备，采出混合液在卧式油气水三相分离器中经由重力沉降以及碰撞聚结达到油、气、水的分离。油气田生产的天然气及原油含有不凝气,通常采用轻烃回收、原油稳定、天然气净化等装置来回收轻质油及其它产品，这些装置都有对油、气、水混合液进行分离的工艺过程。本文针对生产实践中所取得的一些数据进行模拟设计出所对应油气水三相分离器的参数，并对其进行ANSYS模拟所受应力情况。 关键词：油气水三相分离，卧式分离器，ANSYS模拟。AbstractThe Design of Oil-Gas-Water Three Phases Separator With the increasing consumption of oil resources and the reduction of recoverable oil resources, oil shale become a major concern for oil alternative energy sources. Gas-water three-phase separator oil shale surface system is the key equipment, recovery of oil and gas mixture in a horizontal three-phase separator water via gravity sedimentation and collision coalescence reach oil, gas and water separation. Oil and gas production of natural gas and crude oil containing non-condensable gas, usually hydrocarbon recovery, stabilization of crude oil, natural gas purification device for recovering light oil and other products, these devices have on the oil, gas and water mixture for separation process . In this paper, the production practice some of the data obtained for the corresponding analog design gas-water three-phase separator parameter, and its ANSYS simulation the stress situation.1. 前言地层中到达油气水井口并继而沿出油管或采气管流动时，随压力和温度条件的变化，常常形成油气水三相。为满足油田储存和管道输送的需要，必须将已经形成的油、气、水三相分离开。目前分离器主要有重力式分离器和离心式分离器，重力式分离器的主要分离作用是利用生产介质和被分离物质的密度差（即重力场中的重度差）来实现的，主要用于气液两相分离和油气水三相分离；离心式分离器是藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开，故主要用于固液分离和液液分离（重液体和轻液体及乳浊液等）。但这两种分离器都存在着分离效率低的问题。因此，设计一种高效的分离器，对于提高分离效率、节省生产成本、降低能量损耗、获取更高的经济效率等具有重要的意义。2. 选题背景2.1. 题目来源生产实践。2.2. 国内外现状和发展趋势2.2.1. 分离器类型油气田上使用的分离器按其外形主要有两种形式：即立式和卧式分离器。此外还有偶尔使用的球形和卧式双筒体分离器等。按分离器的功能可分为油气两项分离、油气水三相分离器、计量分离器和生产分离器1。按其工作压力可分为真空<0.1MPa、低压<1.5MPa中压<6MPa和高压>6MPa。分离器等按其工作温度可分为常温和低温分离器。按分离所利用的能量可分为重力式、离心式和混合式等。油气田上使用的分离器按其外形主要有两种形式：即立式和卧式分离器。此外还有偶尔使用的球形和卧式双筒体分离器等。按分离器的功能可分为油气两项分离器、油气水三相分离器。计量分离器和生产分离器按其工作压力可分为真空(P<0.1MPa)、低压(0.1MPa<P<1.5MPa)中压(1.5MPa<P<6MPa)和高压(P>6MPa)分离器等。按其工作温度可分为常温和低温分离器。按分离所利用的能量可分为重力式、离心式和混合式等。2.2.2. 发展历程重力式分离器的研制最初是以油气或油水两相分离作为目的的。最早的油气分离器基本都是采用空筒结构，发展较成熟的早期油气两相分离器以前苏联油田上使用的CTT型卧式分离器2为代表，该型分离器由疏流室、集液室、油气接收室以及分离器室四部分组成，内部安装有疏流板、折流板和除雾器等一些简单的内部构件，可以处理有较广范围汽油比的油气混合液；而早期的油水分离器是由油水分离池发展而来，油水分离池的发展经历了API(普通隔油池)、PPI（平行板隔油池）和CPI（波纹板隔油池）3。API型油水分离池由美国石油学会研制，之后壳牌公司在此基础上通过添加内部倾斜平板得到了PPI型油水分离池，不久又对其进行改进，将平板换为波纹板，不仅提升了分离效果，同时也降低了成本。CPI型油水分离池的优点是油水分离效果好，停留时间短（一般不超过30分钟），占地面积小。图1 卧式三相分离器内部结构图英国Farm公司于70年代初开发了聚结板分离器，其内部聚结构件由V型板叠加构成，聚结板材料为玻璃纤维，聚结油滴可以从板上的放液孔垂直穿过。该设备对含油量在2001000mg/L的污水的处理效果较好，出口水质可达到50mg/L。80年代CE-NATCO公司开发了商标为Performax的板式聚结器，这是一种错流式组合波纹板。经过不断研究开发，这种设备已广泛应用于油气分离、油水分离一集含油污水的净化等方面4。前苏联油气科学研究设计院以一般沉降理论为依托，研制出BAC-1-100型全自动三相分离器，该分离器内部采用的是堰板式结构，使油水界面实现了自动调节。美国CE-NATCO公司应用“浅池原理”研制出油水快速分离设备5，该设备的特点是采用卧式结构，油气水在分离器内部沿轴向流动，在轴向添加Performax金属聚结器，打打缩短了油滴聚结沉降的时间，并使分离效率得到了一定的提高。虽然这两种分离器的设计原理不同，但优点相同，即乳化液停留时间短，油水分离效率高，分离后的原油和污水质量好并且操作平稳。瑞典阿法拉法公司应用离心分离原理研制开发的蝶片式离心机占地面积小、重量轻、液体停留时间短，可分离的谁中油滴和固体颗粒的直径分别为3m、0.55m，并且该设备可与其他设备组合应用，操作简单，特别适合海上平台的操作。美国的F.A.Kenawy等人在常规的重力式横向流式分离器基础上增加了一个机械装置，将分离板由静态设计改为了动态设计，从而优化了油水分离过程。2.2.3. 国外分离器发展现状目前，国外的三相分离器研究已经比较成熟，三相分离器的生产也实现了标准化、系列化。比较知名的三相分离器生产厂商有英国的Expro公司、美国Cameron公司、Schlumberger公司、贝克休斯公司等，这些公司都有自己完善的技术支持，可以根据用户的需求生产不同种类的多相分离设备。Schlumberger公司于2008年底推出了一款新型的三相分离器CleanPhase，此三相分离器由于使用了SmartWeir技术和升级过后的Coriolis流量计，使得经过该设备分离后的各相纯净度和测量精度都得到了较大的提高；Expro公司根据泰国Nang Nuan油田的实际需要为其专门定制了一款多级分离设备，其原油处理流量为12000桶/日；此外Cameron公司现在市场适用范围最广的一款大型三相分离器的原油处理量为200000桶/日。2.2.4. 国内分离器发展现状我国对于油田地面设备的研究起步较晚，但自80年代起开始引进国外先进技术以来，我国的分离器制造水平得到了很大的提高，特别是近些年随着国内外需求的不断增加，涌现了许多有着较高技术水平的新分离器生产厂家。中国石油技术开发公司研发了一款新型高效的油气水三相分离器，它使用防波板等内部构件以消除进液对于分离场的影响，另外该产品使用高性能的化学破乳剂，使用分离效果得到了较大改善，其中轻、重质原油高效三相分离器出口油含水率不大于0.3%，污水含油率不大于300mg/L，分离气体含液率不大于0.05g/Nm³。华油惠博普科技有限公司（HBP）为大港油田提供了一种新型的轻、中质原油高效油气水三相分离器，该型三相分离器采用两项专利技术，执行ASME、ASPI、GB150及相关规范和标准，设备采用来液预处理、板槽式布液、机械破乳、高效填料聚结和整流、油水液位及油水界面自控等技术为油水分离和气液分离提供了良好的流场环境及分离环境。中、高含水原油经该型三相分离器一次脱水能使原油含水降至0.3%以下，污水含油低于300mg/L。 图2 立式旋风分离器结构另外，威瑞泰默斯生产的高效复合三相分离器STS采用气液中度旋流技术、压缩气浮选技术、油水界位精确测定技术、水洗技术、斜板沉降技术等，有效消除了段赛流的影响，加速了油水的分离，取得了较高的分离效果；山东科瑞控股集团有限公司生产的YQ01型三相分离器，在提高分离效率减少设备投资的同时，也提高了产品的适用范围，该产品可适应-4060的环境温度6。目前，我国有十几家实力较强的分离器生产企业，部分产品分离效果已经达到了世界先进水平，有些产品甚至远销北美、南美、中东等地区，但国内所生产的三相分离器大多结构相似，技术单一，产品适应性较差7。因此，分离器技术的丰富与发展还需要更多的研究与创新。2.3. 油气水三相分离器存在问题及发展趋势经过多年的发展，虽然油气水三相分离器的种类与型号在不断增多，分离效率也在不断提高，但仍旧存在一些问题8。分离效率低。随着石油的不断开采，多数油田的含水率大幅提升。我国89.6%油页岩查明资源的含油率为5%10%，通过地下原位转化所输出的采出液含水率也将会较高。因此致使原有油气水三相分离器的分离效率降低。普适性低。现有的油气水三相分离器基本上都是根据某一油田的具体情况设计。若应用于其他油田，或该油田采出液组分发生变化，如含水率大幅增加，则会导致气分离效果明显变差。设备体积大。一般油气水三相分离器体积较大，尤其是卧室油气水三相分离器占地面积相当大，导致使用成本增加。以卧式油气水三相分离器为例，解决上述问题的一种有效方法就是对分离器内多相流进行流场分析，从而选取合适的内部构件并进行合理安装。正确选取内部构件可缩短分离时间，提高分离效率，从而使分离器结构紧凑，有效减小占地面积。随着油页岩等石油替代能源的出现及油田采出液含水率的提高，适应性强、结构紧凑、便于维护和维修的油气水分离器的设计研制将成为国内外学者以及工程技术人员的工作重点。3. 油气水三相分离器的方案设计与结构设计3.1. 三相分离器的结构及工作原理3.1.1. 分离器选型生产分离器，即油气或油气水分离器，是油田生产的关键设备。它的作用是利用重力沉降原理使油井生产出的油气混合物实现初步分离。分离器的设计与选型是油气生产系统设计中的重要一环。通常，分离器设计与选型的主要内容包括下述四个方面(不包括分离器上各类仪表及外部管线的设计)：分离器型式的选择，分离器尺寸的确定，分离器内部结构及附件的设计与选型，分离器结构设计(筒体及各类喷嘴)。从系统上讲，如果生产流体温度较低且含水量较高，为了减少热负荷，就需要提前分离游离水，即第一级分离器就采用三相分离器，使得在加热之前把游离水分离出来。而无论是立式分离器，还是卧式分离器，它们都由下列四部分组成：入口分流区，即分离器入口初始分离部分；重力沉降区，即油气重力沉降部分；除雾器区，即气体出口除雾部分；集液区，即盛液部分(包括油、水分离)。对于立式分离器和卧式分离器，上述第一项与第三项基本相同，而第二、第创项则不同。从重力沉降部分液滴下落方向与气流运动方向来看，在立式分离器中二者相反，而在卧式分离器中二者垂直。因此，卧式分离器更宜于液滴沉降。从盛液部分看，卧式分离器气液界面大，液体中所含的气泡易于上升至气相空间，且在液相中，水与油在卧式分离器中更容易分离。因此，卧式分离器更适于进行三相分离。在油气分离系统设计中，一般对气、油比值高的油气混合物采用卧式分离器，对中、低气、油比值的油气混合物采用立式分离器。又因计划任务书中要求原油密度为860 kg/m3(20°C)，含水率为85%89%，故可选卧式三相分离器。9-123.1.2. 分离器结构油田上使用的卧式三相分离器包括入口分流区、集液区、重力沉降区和除雾器区四个部分：1) 入口分流区油田采出液在进入分离器时是典型的高粘湍流混合液，正是因为这种高粘状态使其在进入分离器时动能比较大，而入口分流区也正是利用了混合液较高的动能，通过突然改变混合液的方向吸收其动能，达到气液的初步分离。2) 集液区集液区位十二相分离器的底部，主要为液体中气体的析出及油水的沉降分离提供充足的停留时间。需要指出的是油与水的分离时间要明显高于气液的分离时间。3) 重力沉降区重力沉降区一般是对十气体而言，即进入该区域后气体的速度下降，气体中携带的较大的液滴由十重力的作用落到气液交界面，而更小的液滴则需要依靠后面的除雾器除去，以保证分离所得气体中不含液体或含量很少。4) 除雾器区气体在经过重力沉降区后，较大的液滴已经沉降至液体中，但气体中仍含有大量的小液滴(通常为小于100m液滴)，这些液滴将在气体通过除雾器时得以去除，去除的液滴在聚并成为较大液滴后落入集液区。3.1.3. 分离器工作原理图3 卧式三相分离器结构示意图图3是典型的卧式三相分离器结构示意图，油井来液进入分离器后首先进入入口分流区，并撞击到入口挡板上，使分离液的方向和速度发生很大变化，这种液流动量的突然改变，造成了气液的预分离。预分离后的液体落入集液区，在集液区分离器提供充足的时间使油能聚集到上层而水沉降到底层，在大多数设计中，入口分流区往往装有液相导管，将预分离后的液体引入油水界面以下，这样可以促进水珠的聚沉。在经过集液区后，上层的油液溢过堰板进入其后的油室，通过液位控制阀实时排出油液控制油室的油位；为保持油水界面的高度，下层的水相经另一液位控制阀控制后由排水阀离开分离器。预分离后的气体进入重力沉降区，并在气相中携带的较大液滴完成沉降后经除雾器到达压力控制阀，通过压力控制阀控制气体的排出量保证分离器压力的恒定。气液界面根据油气分离的相对重要性可由直径的 1/2 变到 3/4，但在通常情况下会选择半满状态。重力式分离器的设计主要是依据已有的设计规范和标准，而已有规范中只有对两相分离器设计的规定13，对于三相分离器的设计计算，规范中并未涉及。另外，国内目前没有通用的三相分离器的计算方法，探讨较多的是以气液沉降理论为依据进行的尺寸设计，尽管具体设计的名称、公式、符号等略有差异，但其原理一致，且设计步骤基本通用，本章将以卧式三相分离器的设计为例对三相分离器设计进行理论研究。3.2. 三相分离器基础设计理论对三相分离器进行尺寸设计，可以分为以下两个部分，即气液分离和油水分离。而无论是油水沉降部分还是气体分离部分，都是以相关的约束条件为基础，通过计算求取分离器的有效长度和分离器的直径又或者二者的关系式14。分离器的设计不论是气体分离部分还是油水分离部分，都需要考虑以下三个条件，即液滴沉降、液滴的大小和停留时间。3.2.1. 液滴沉降在分离过程中，液滴在各个具体条件下分离效果不能进行直接计算，所以为了简化计算过程，通常假设液滴是球形液滴，并目液滴之间不存在相互作用力，而液滴的沉降速度为液滴所受重力与浮力之差与阻力相等时的匀速运动时的速度。下面以气体中液滴的沉降为例进行说明，设气体中的液滴所受重力与浮力之差为，液滴下落时气体对其阻力为，则可知： （1） （2）式中，重力与浮力之差（N）；阻力（N）；阻力系数；液滴沉降速度（）；g重力加速度（）；液体密度，气体密度（）；液滴直径（m）；当液滴所受重力与浮力之差等于阻力时，液滴作匀速运动，此速度即为沉降速度。令，可得： （3）当液滴周围流动是层流时，斯托克斯定律适用于此过程且，此时 （4）然而，在实际生产当中，斯托克斯定律并不适用于一切情况，根据流体流动状态不同可根据雷诺数（Re）的大小确定此时运用的阻力系数表达式：（5）在产品设计过程中，当需要获得更准确的阻力系数时，就需要引入更加完整的阻力系数方程：（6）（7）此时，可令，即可得沉降速度的方程15如下：（8）式中，液滴直径（）；Re雷诺数；液滴对于水的相对密度（）；气体对于水的相对密度（）；水的密度（）；气体的密度（）；气相粘度（）；阻力系数；水相中油滴的上浮和油相中水滴的沉降都处于层流状态，符合斯托克斯定律，所以沉降速度都可用上式表示。而所不同的地方是在于计算时需根据具体情况，使用不同的相对密度差、粘度和液滴尺寸。3.2.2. 液滴尺寸对于气液分离部分而言，重力沉降区的作用在于除去预先选定好尺寸的液滴，为气体进入除雾器做准备。因为如果有过多大颗粒的液滴存在，那么除雾器就会被浸渍，不能完成其应有的高纯度净化。根据一般油井分离器经验，重力沉降区可以去除直径大小大约为100的液滴，即直径大于100的颗粒在经过重力沉降区之后可以被认为已经去除，而直径更小的液滴会在离开分离器时被除雾器处理。所以在设计时，为了去除直径大小为100的液滴，可以在该区域使用气体容量方程进行设计。但是对于油中水滴的脱除和水中油滴的脱除，要预测其尺寸是十分困难的，所以在进行分离器设计时通常将直径为100油滴的沉降速度作为分离器参数设计依据16。而水相中油滴的脱出通常很少考虑，是因为油滴从水相中脱出要比水滴从油相中分离容易的多，这可以从沉降速度公式中看出，油的粘度是水的5-20倍，所以，油滴的沉降速度要比水滴大得多。3.2.3. 停留时间停留时间是指一个液体分子在容器中停留的平均时间。它需要保证气液在分离器中达到平衡，而原油的储存量要保证可以使闪蒸汽析出，同时油相中的水滴可以凝结成液滴沉降公式中所述的下沉尺寸。根据实际经验来看，对十气液分离，气相的停留时间通常为30s3min,而液相的停留时间则较长，通常需要330min，对于水相而言，若没有可用的合适数据，通常采用10min作为其停留时间。3.3. 气相中的液滴分离对重力式三相分离器进行尺寸设计，需要先确定分离器的有效长度和分离器尺寸直径。对于气液分离部分来讲，所确定的分离器尺寸必须能够满足使液滴从气体落入液体的气体容量，并有足够的时间使分离器内各相内达到相平衡。根据沉降原理可以设立出针对气体容量约束的尺寸方程（13），该方程的设立依据是气体停留时间等于液滴沉降至液面所需的时间。对于“半满式”容器来说，液面位于容器的1/2高度处。在卧式分离器中，气体流向和油滴沉降的方向垂直，只有液滴随气流流过有效长度的时间不大于液滴沉降至液面的时间时，才能保证液滴沉降的顺利进行。如图4所示气体沿水平方向流动，其速度为，颗粒的沉降速度为，为了保证颗粒沉降的顺利进行，必须保证处于最靠近输入点的颗粒能够沉降在沉降区尾部之前，沉降至沉降区末尾时为临界状态，在这种情况下，可以保证所有液滴都可在有效长度内沉降至气液分界面。图4 卧式分离器液滴沉降模型设液滴随气流流过有效长度的时间为，液滴沉降至液面的时间为，则（9）（10）而气体的流速可以通过气体流量与横截面积之比求得，即，其中（11）（12）而可通过沉降速度公式（8）求得，临界状态时液滴随气流流过有效长度的时间与液滴沉降至液面的时间相等，设=，可求得气体容量约束方程：（13）以上各式中，D容器外径（m）；有效长度（m）；T运行温度（K）；常温常压下气体流量（）；P运行压力（）；Z气体压缩系数；气体流速（）；液滴对于水的相对密度（）；气体对于水的相对密度（）；液滴直径（）；阻力系数；3.4. 油水的沉降分离在对三相分离器进行液液分离之前需先考虑其的停留时间，这里的停留时间指水相停留时间和油相停留时间，原油的储存量或者说油相的停留时间要保证游离水在该时间内可以聚结至足够大的尺寸以达到下沉分离的目的，同时液相当中的气体可以释放出，使气相和液相达到相平衡。该约束对于油气两相分离而言，即是指液体容量约束。设分离器有效长度部分的容积为，液体流量为，停留时间为则且，进而可知分离器内油相的体积如下：（14）分离器内水相的体积为：（15）因为容器为半满式容器，故液体体积为容器体积的一半，即可知：（16）联立以上三个式子就可以得到停留时间限制而得的分离器直径与有效长度的可取组合：（17）以上式中，、容器有效体积、容器中油相体积、容器中水相体积（）；、停留时间、油相停留时间、水相停留时间（）；、液体流量、油流量、水流量（）；、液体、油相、水相的横截面积（）；D容器外径（m）；有效长度（m）；油滴在水相中的沉降及水滴在油相中的沉降为层流状态，即颗粒沉降速度（）可以用斯托克斯公式计算，即上式中雷诺数计算公式（7）。综合考虑水滴在油相中的沉降速度以及在油相中的停留时间，可以确定水滴所能够沉降的距离，从而可进一步推得油相厚度的最大尺寸。设油相中水滴的沉降时间为（），油层的厚度是（），则有，即：（18）要使水滴能够穿过油层，则必须使水滴在油相停留时间内的沉降距离大于油层本身的厚度，或者说水滴穿过油层的沉降时间小于在油相中的停留时间，临界状态下即二者相等。考虑油相的停留时间单位为分钟，故临界状态时为，即有：（19）式中，油层最大厚度（）；水滴在油相中的沉降时间（）；油相的粘度（）；、水相、油相对于水的相对密度；水在油相中的停留时间（）；液滴直径（）；3.5. 分离器的最大直径在油相和水相的停留时间都已知的情况下，得到油层的最大厚度以后，可按以下步骤确定分离器的最大直径： 计算水相在分离器内体积的比例，即其在分离器内所占截面积与分离器截面积的比例：（20） 根据截面积的比例，可通过分离器半满状态下截面积比例确定系数。图5 分离器半满状态下的系数 计算最大直径因为水相中油滴的分离与油相中水滴的沉降原理及计算过程一致，只需将黏度及停留时间等参数替换即可得出，又由于油滴从水相中分离较水滴从油相中分离容易，所以设计时通常以油层中水珠的分离为设计依据。3.6. 分离器的缝间长度及长细比除了已经经计算可以求解的分离器的有效长度以及分离器的直径以外，分离器的缝间长度还应包括图4分离器中除了有效分离沉降部分以外的前端入口分流区L1及后端出口区L2部分。基于气体容量设计的分离器尺寸，缝间长度一部分用来均匀分布入口分流区的液流，另一部分需要用来安置气出口处用于去除小液滴的除雾器装置，其经验计算公式为：（21）而根据液体容量设计的分离器尺寸，分离器的缝间长度的一部分需用来均匀分布入口分流区及出口区的液流，该长度的经验公式为：（22）所以在计算分离器的总体长度时，应选取上述二式中的较大值。分离器尺寸设计的原则是在完成规定分离要求的前提下使分离器的成本尽可能达到最低。然而毫无疑问的一点是，分离器的直径越低其总体成本就越低，但随着分离器直径的减小，会增加湍流的产生，还会增大气体再次进入液体的可能性。根据以往资料及实际经验表明，分离器的缝间长度与直径的比值应控制在35之间，即最佳长细比为35。4. 三相分离器的设计计算4.1. 分离器的主体尺寸因设计任务书中含水原油与天然气的处理能力已经确定，而原油密度为，含水率为，含水原油最大液体流量，气相最大液体流量，故计算可知水相最大液体流量，油相最大液体流量。在缺乏实验数据的情况下，时原油的粘度可以用下式进行粗略计算：（23）（24）因原油密度已知，故可以得到此时的原油的粘度为：（25）德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在假设分散相的颗粒是弹性小球且其直径不大于颗粒间距离的情况下，推荐使用下式：（26）式中，乳状液的粘度，（）；连续相的粘度（）；含水率。美国学者肯·阿诺德提出当乳状液（即油水混合物）中含水率大于70%时17，油水将无法保持混合状态，会迅速分层，并且此时水相将取代油相成为连续相；肯·阿诺德以此现象提出确定油水混合物粘度的范式方程：（27）式中，油水混合物的粘度，（）；油相的粘度（）；非连续相的体积分数。由于本设计中含水率达到，故取，可以求得油相的粘度：（28）通过经验可取水在油相中的停留时间，故可通过之前所得公式计算最大油层厚度：再由此前所得公式可求解水相所占截面积与分离器筒体截面积比值：截面积比值已知，可通过上图查得系数，进而可求得分离器最大直径：因此分离过程中温度控制可假定维持20，而天然气的动力粘度近似接近于20常压下的空气的动力粘度，即：而阻力系数也可以根据经验初定为0.34，天然气密度则可查表得知其在标况下密度约为，以此即可通过VB编写简易循环程序迭代求解气相中液滴的沉降速度与阻力系数，迭代结果如下：在求得阻力系数后，即可通过求解满足气体容量约束方程且不大于最大分离器直径的分离器直径与有效长度的组合，据前式有：再通过上式即可求得满足停留时间约束且分离器直径不大于的分离器直径与有效长度的组合：由于在上述两式中，分离器直径的单位为，有效长度的单位为，理论上在分离器直径相同的情况下应该取上述两个约束方程中较大的有效长度值。但计算后可以发现气体容量约束方程的与的组合要明显小于停留时间所确定的与的组合。因此可以得知，本课题在求解合适的分离器直径与长度的组合时可以仅以停留时间约束方程为依据。缝间长度取之前两式中计算所得的较大值。所得直径与长度的组合关系如下表1所示：直径有效长度缝间长度长细比250016.822.48.96300011.66715.5565.18535008.57112.0713.44940006.56310.5632.64145005.1859.6852.152表1 计算所得直径与长度组合关系表由表1可绘制分离器直径与分离器长度的关系曲线图图6与分离器直径与长细比的关系曲线图图7。图6 分离器直径与分离器长度的关系曲线图图7 分离器直径与长细比的关系曲线图根据经验，分离器的长细比应控制在35之内18，而由分离器直径关系图可知，分离器直径大约在34m之间时，其长细比满足要求，而当分离器直径在该范围内时，其长度约为1015m。为了计算方便，分离器直径选为3.5m，对应的分离器长度取整为12m。4.2. 三相分离器的主要内部构件分析及选取三相分离器的分离计算是建立在一个稳定的流场基础上的，同时理想化了一些因素，而分离器内液位控制等更需要一个相对稳定的流场，为了能够顺利实现分离器的分离性能，有时需要添加一些内部构件，以使分离器的内部环境更适合分离的进行或者说能够提高分离性能和稳定性。4.2.1. 进口构件的选取进口构件也可以称为入口分流器，他的作用主要是实现气体和液体的预分离。进口构件有很多种，最基本的有以下两种，分别是碰撞式和离心式。碰撞式的进口构件通常使用平板、弯板、圆盘等任意可以迅速改变进口流体的方向而不会在其中残存液体或气体的构件。在速度相同的情况下，密度越大的组分其拥有的能量越大，也因此越不容易改变方向。对于油气水三相分离器而言，在分离液进入分离器撞击进口构件后，气体迅速改变方向，流过进口构件，而液体则落至容器底部，从而完成气体与液体的预分离。碰撞式入口分流器依靠的是撞击所造成的速度的急剧变化，这种构件主要要求挡板是耐冲击的结构，而由于结构简单，所以在早期得到了较多的应用。图8 典型的离心式入口分流器离心式入口分流器依靠离心力对进入分离器的混合液进行预分离，这种分离器内通常安装有旋流喷嘴或者将入口部分设计成切向流体轨道，使得入口流体进入后形成旋转流。离心式的进口构件相对于其它进口构件而言，具有更高的分离效率，同时还可以减少分离液的泡沫与乳化问题，但是它的结构相对复杂，且要求较严格的计算，最重要的一点是离心式进口构件对流量的变化非常敏感，流量小或者流量不稳定的情况下，这种进口构件很难发挥其作用，这也是这种构件在实际应用中受到的主要限制。由于本设计中开采量较大，故应选用离心式进口构件。4.3. 除雾器除雾器也叫捕雾器或者雾沫脱除器19，通常安装于分离器内气出口的前方，以避免在沉降分离段因尺寸过小而未能沉降的小液滴随气体流出分离器。分离器中如果不安装除雾器而对气出口所流出的气体的纯净度又有较高要求，那么就必须增大分离器的沉降分离段或者采用其它手段使重力沉降的液滴范围更大，即使如此也很难保证更小的液滴都能够顺利完成沉降，所以除雾器的作用与效果对三相分离器是至关重要的。除雾器的种类繁杂，在选型或者设计前，必须考虑以下几点：分离器沉降分离段可去除的液滴范围以及除雾器需要去除的液滴尺寸；捕雾器对液体的处理能力；分离器内是否适合安装捕雾器以及除雾器的成本。所有的分离器的设计都是以重力和拖曳力的平衡为设计依据的，对于重力式油气水三相分离器而言，可以通过降低气体流速的方法减小拖曳力从而完成去除气体中小液滴的目的，也可以通过使小液滴撞击聚并为更大尺寸的方法去除。在类型众多的除雾器产品中，应用最为广泛的是冲击型的除雾器，它在适应范围、工作效率等很多方面都有优势。这种类型的除雾器通常是在分离器内安装盘或者安装折板，当气流运动到折板或者盘的表面时，气流会沿着其展开，气流的速度越大，它所携带的液滴越是靠近盘或者折板的表面，而这些液滴是会被折板或者盘捕获的，其机理有以下三种：惯性冲击图9（a）、直接拦截图9（b）和布朗扩散图9（c）。图9 冲击型捕雾器作用机理惯性冲击又称为间隙冲击。经过分离器沉降分离部分的气流中较大的液滴（110 m），由于本身具有较大的质量，故其有足够的能量冲破气流的影响继续沿直线运动，直到撞击到除雾器折板或者说盘表面上。撞击是除雾器最重要的机理。直接拦截。对于气体流中更小的液滴（0.31m），它们的能量不足以摆脱气流的束缚，不能继续沿直线撞击到折板或盘的表面，相反的这些小液滴会被气流携带，若这些运动的气流非常接近除雾器折板，以至于液滴的中心线到折板的实际距离比小液滴的半径小，那么这些液滴就会碰到折板从而聚结起来。布朗扩散。气流中携带的更小的液滴（指的是小于0.3m的液滴），尽管能量很小，难以冲破气流的约束，也不会被气流携带至非常接近折板的表面，但它们由于足够小，在和其他的气体分子撞击后会产生随机的布朗运动，其结果是这种随机的运动能够使这些小液滴撞击到折板并最终聚并。冲击型的除雾器可以是丝网填料式也可以是平行板式，前者成本低但易堵塞，后者价格较高但不宜损坏或堵塞，而其尺寸通常交由生产商确定。而因本设计中分离器尺寸设计较大的同时，流量也较大，故可选用故障率较低的平行板除雾器，除雾器大小自取。4.4. 三相分离器内的其它构件分离器内还有多种比较重要的内部构件20，这些构件没有具体的设计标准，往往需要试验模拟或根据实际经验确定。防涡器21是油气水三相分离器内不可缺少的一种构件22，它分别安装于油出口和水出口前，用以阻止液体在流出分离器时可能造成的涡流，因为这些涡流会造成分离器内的气体下落至液体出口。对于筒体较长的卧式分离器往往需要安装整流板，这些所谓的整流构件大多是一些简单的开孔平板或者栅板，并且与液流方向垂直放置。整流构件对于进口液流能量较大的情况是需要的，因为这些具有较大能量的液流在进入分离器时往往会使分离器内产生波浪，这些波浪对液位检测是相当不利的，所以应该尽量避免或减小波浪的产生。安装在分离器内的聚结构件能够促