卧式双堰型三相分离器液层厚度的计算模型.pdf

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1、第54卷第3期2017年6月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVbl．54NO．3Jun．2017·单元设备·卧式双堰型三相分离器液层厚度的计算模型徐博雅，邓朝俊，何雄元，王虢元，黄卫星(四川大学化学工程学院，成都610065)摘要：针对卧式双堰型三相分离器设计方法的不足，分析了双堰型三相分离器的结构原理及操作特点，并考虑堰板高差、溢流堰顶液层厚度、溢流速度及集油槽底部流动阻力，应用能量守恒方程建立了液层厚度的计算模型；同时建立双堰型三相分离器实验装置，在较宽的油／水流量及油／水比的范围对

2、分离器的流动过程和液层厚度进行了实验观察与测试。结果表明，按理想的静力学关系建立的液层厚度模型显著偏离实际，而本文提出的液层厚度计算模型预测值与实验测试值吻合良好，最大偏差小于6．5％。基于该模型，可分别确定分离器中轻相液层与重相液层的厚度和沉降分离段长度，进而明确液．液分离过程的控制步骤，从而为传统设计方法(停留时间法)的改进提供了重要依据。关键词：三相分离器；重力沉降；油水分离；液层厚度；堰板高差中图分类号：TQ051．8：TH122文献标识码：A文章编号：1009．3281(2017)03．0023．005卧

3、式三相重力分离器是一种利用流体密度差来实现气．液．液三相分离的过程设备，在油气田采集物(气一水．油)的分离中具有广泛的应用[1]。根据操作工况的不同和分离器内气．液、液．液界面的控制要求不同，卧式三相重力分离器有多种形式【2]，其中比较精密的是双堰板型分离器，如图1所示。双堰板型分离器最大的特点是轻重相都有溢流堰，通过设计轻相溢流堰的高度日以及轻、重相两个溢流堰的高差△日，可有效控制分离器内气．液、液．液界面的位置，因而具有更好的操作稳定性和工况适应性，尤其适用于相界面控制比较困难的工况[3-7]。目前关于双堰型分

4、离器的设计方法典型的有美国石油工程协会的API12J方法【8]，以及Svreck&Monnery【21和Arnold&Stewart【91提出的方法。在这些方法中，分离器的设计分为气一液分离区和液．液分离区两部分，其中气．液分离区的设计采用液滴沉降理论方法，而液．液分离区的结构尺寸则主要是通过工程经验选取液相停留时间来计算确定【9]。其不足之处在于：①不同工况下实现分离要求的液相停留时间是不同的，一般设计者难于掌握；②液．液分离包括从轻相区分离重相流体和从重相区分离轻相流体两个过程，这两个分离过程的停留时间一般是不

5、同的，甚至差别较大，因此两个过程采用同一停留时间设计往往会导致达不到分离要求或过于保守”01；③液一液分离区设计主要基于普通气液分离器设计思想，并没有将液相区的设计与双堰板结构的功能相联系。本文从双堰板结构具有控制和调节液．液界面的功能原理出发，通过对双堰型分离器的结构特点和操作分析，结合内部流动情况的实验观察，应用液．液两相的能量守恒方程推导建立了液相分离区液．液界面高度的计算模型，讨论了影响液．液界面位置的影响因素，并进一步通过实验数据确定模型参数，建立了液．液界面高度的计算公式，从而为改进传统设计方法(停留时

6、间法)提供了有力支撑。1双堰型三相分离器结构及操作特点卧式双堰型三相分离器如图1所示。分离器沿横向可分为三段：入口段、沉降分离段和采集段。气液分离器和镇静板是人口段的常规部件，其中气液分离器主要功能是实现气．液预分离，实际应用中可有多种形式；而镇静板的主要作用是减缓入口段液相区的两相波动，也兼有液．液预分离的功能，但主要是抑制波动为沉降分离段提供稳定的操作条件[1”。收稿日期：2017．02．23作者简介：徐博雅(199l一)，男，四川成都人，硕士研究生。主要从事三相分离器设备结构及内部构件研究工作。2017年6月

7、徐博雅．卧式双堰型三相分离器液层厚度的计算模型25上式经常用于双堰型三相分离器的理论推导以及堰板高度设计B引。本文实验表明：由于式(3)只考虑了静压对液层高度的影响，忽略了流动所带来的影响，包括堰顶液层厚及流速等因素，因此其计算出的液层厚度与实际情况有较大出入。2．2实际分离工况下液层厚度的理论模型如图l所示，实际分离工况下沉降分离段末端的压力分布的影响因素包括：轻相溢流堰高度H和双堰板的高差△H、溢流堰顶的液层厚度民和d”溢流堰顶的液层流速∥。和∥H、轻相收集槽底部的流动阻力△Pf。设轻重相液．液界面压力为P。，

8、气相操作空间压力为只，则液一液界面至轻相溢流堰顶的能量方程为：只=只+lD。．g(厶rL+6。一^。)+』卫；垒：(4)液．液界面至重相溢流堰顶的能量方程为：只=只+lD。g(风+6。一矗。)+里马譬￡+△只(5)由以上能量方程，并令密度比为)，印。加。，可得重相液层厚度的模型方程为：，一(瑚一凰)．(7氏一乱)．(刖H2一∥L2)．△只向”2——ii可+—