油-氣-水三相分離器的設(shè)計(jì)【重力式油氣水三相分離器】【臥式】,重力式油氣水三相分離器,臥式,油-氣-水三相分離器的設(shè)計(jì)【重力式油氣水三相分離器】【臥式】,三相,分離器,設(shè)計(jì),重力,油氣
設(shè)計(jì)
題目名稱(chēng)： 油氣水三相分離器的設(shè)計(jì)
題目類(lèi)型：
學(xué)生姓名：
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目錄
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) Ⅰ
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 Ⅱ
指導(dǎo)教師審查意見(jiàn) Ⅲ
評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ) Ⅳ
答辯會(huì)議記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定 Ⅴ
摘要 1
Abstract 2
1. 前言 3
2. 選題背景 4
2.1. 題目來(lái)源 4
2.2. 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 4
2.2.1. 分離器類(lèi)型 4
2.2.2. 發(fā)展歷程 4
2.2.3. 國(guó)外分離器發(fā)展現(xiàn)狀 6
2.2.4. 國(guó)內(nèi)分離器發(fā)展現(xiàn)狀 6
2.3. 油氣水三相分離器存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì) 7
3. 油氣水三相分離器的方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1. 三相分離器的結(jié)構(gòu)及工作原理 9
3.1.1. 分離器選型 9
3.1.2. 分離器結(jié)構(gòu) 9
3.1.3. 分離器工作原理 10
3.2. 三相分離器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論 11
3.2.1. 液滴沉降 11
3.2.2. 液滴尺寸 13
3.2.3. 停留時(shí)間 14
3.3. 氣相中的液滴分離 14
3.4. 油水的沉降分離 15
3.5. 分離器的最大直徑 17
3.6. 分離器的縫間長(zhǎng)度及長(zhǎng)細(xì)比 18
4. 三相分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.1. 分離器的主體尺寸 20
4.2. 三相分離器的主要內(nèi)部構(gòu)件分析及選取 23
4.2.1. 進(jìn)口構(gòu)件的選取 23
4.3. 除霧器 24
4.4. 三相分離器內(nèi)的其它構(gòu)件 26
5. 基于ANSYS有限元分析的強(qiáng)度校核 28
5.1. 設(shè)計(jì)壓力 28
5.2. 容器的應(yīng)力分析 29
5.3. 應(yīng)力分析結(jié)果 30
6. 總結(jié) 31
6.1. 結(jié)論 31
6.2. 展望 31
致謝 33
附錄 34
第 1 頁(yè)
摘要
油氣水三相分離器的設(shè)計(jì)
[摘要]：隨著石油資源消耗的不斷增加以及可開(kāi)采石油資源的減少，油頁(yè)巖成為備受關(guān)注的石油替代能源。油氣水三相分離器是油頁(yè)巖地表系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，采出混合液在臥式油氣水三相分離器中經(jīng)由重力沉降以及碰撞聚結(jié)達(dá)到油、氣、水的分離。油氣田生產(chǎn)的天然氣及原油含有不凝氣,通常采用輕烴回收、原油穩(wěn)定、天然氣凈化等裝置來(lái)回收輕質(zhì)油及其它產(chǎn)品，這些裝置都有對(duì)油、氣、水混合液進(jìn)行分離的工藝過(guò)程。本文針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中所取得的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)出所對(duì)應(yīng)油氣水三相分離器的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行ANSYS模擬所受應(yīng)力情況。
[關(guān)鍵詞]：油氣水三相分離，臥式分離器，ANSYS模擬。
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Abstract
Abstract
The 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
1. 前言
地層中到達(dá)油氣水井口并繼而沿出油管或采氣管流動(dòng)時(shí)，隨壓力和溫度條件的變化，常常形成油氣水三相。為滿足油田儲(chǔ)存和管道輸送的需要，必須將已經(jīng)形成的油、氣、水三相分離開(kāi)。目前分離器主要有重力式分離器和離心式分離器，重力式分離器的主要分離作用是利用生產(chǎn)介質(zhì)和被分離物質(zhì)的密度差（即重力場(chǎng)中的重度差）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要用于氣液兩相分離和油氣水三相分離；離心式分離器是藉離心沉降速度的不同將輕重不同或互不溶解的兩種液體分開(kāi)，故主要用于固液分離和液液分離（重液體和輕液體及乳濁液等）。但這兩種分離器都存在著分離效率低的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種高效的分離器，對(duì)于提高分離效率、節(jié)省生產(chǎn)成本、降低能量損耗、獲取更高的經(jīng)濟(jì)效率等具有重要的意義。
第 39 頁(yè)
2選題背景
2. 選題背景
2.1. 題目來(lái)源
生產(chǎn)實(shí)踐。
2.2. 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
2.2.1. 分離器類(lèi)型
油氣田上使用的分離器按其外形主要有兩種形式：即立式和臥式分離器。此外還有偶爾使用的球形和臥式雙筒體分離器等。按分離器的功能可分為油氣兩項(xiàng)分離、油氣水三相分離器、計(jì)量分離器和生產(chǎn)分離器[1]。按其工作壓力可分為真空<0.1MPa、低壓<1.5MPa中壓<6MPa和高壓>6MPa。分離器等按其工作溫度可分為常溫和低溫分離器。按分離所利用的能量可分為重力式、離心式和混合式等。
油氣田上使用的分離器按其外形主要有兩種形式：即立式和臥式分離器。此外還有偶爾使用的球形和臥式雙筒體分離器等。按分離器的功能可分為油氣兩項(xiàng)分離器、油氣水三相分離器。計(jì)量分離器和生產(chǎn)分離器按其工作壓力可分為真空(P<0.1MPa)、低壓(0.1MPa
6MPa)分離器等。按其工作溫度可分為常溫和低溫分離器。按分離所利用的能量可分為重力式、離心式和混合式等。
2.2.2. 發(fā)展歷程
重力式分離器的研制最初是以油氣或油水兩相分離作為目的的。最早的油氣分離器基本都是采用空筒結(jié)構(gòu)，發(fā)展較成熟的早期油氣兩相分離器以前蘇聯(lián)油田上使用的CTT型臥式分離器[2]為代表，該型分離器由疏流室、集液室、油氣接收室以及分離器室四部分組成，內(nèi)部安裝有疏流板、折流板和除霧器等一些簡(jiǎn)單的內(nèi)部構(gòu)件，可以處理有較廣范圍汽油比的油氣混合液；而早期的油水分離器是由油水分離池發(fā)展而來(lái)，油水分離池的發(fā)展經(jīng)歷了API(普通隔油池)、PPI（平行板隔油池）和CPI（波紋板隔油池）[3]。API型油水分離池由美國(guó)石油學(xué)會(huì)研制，之后殼牌公司在此基礎(chǔ)上通過(guò)添加內(nèi)部?jī)A斜平板得到了PPI型油水分離池，不久又對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將平板換為波紋板，不僅提升了分離效果，同時(shí)也降低了成本。CPI型油水分離池的優(yōu)點(diǎn)是油水分離效果好，停留時(shí)間短（一般不超過(guò)30分鐘），占地面積小。
圖1 臥式三相分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
英國(guó)Farm公司于70年代初開(kāi)發(fā)了聚結(jié)板分離器，其內(nèi)部聚結(jié)構(gòu)件由V型板疊加構(gòu)成，聚結(jié)板材料為玻璃纖維，聚結(jié)油滴可以從板上的放液孔垂直穿過(guò)。該設(shè)備對(duì)含油量在200～1000mg/L的污水的處理效果較好，出口水質(zhì)可達(dá)到50mg/L。80年代CE-NATCO公司開(kāi)發(fā)了商標(biāo)為Performax的板式聚結(jié)器，這是一種錯(cuò)流式組合波紋板。經(jīng)過(guò)不斷研究開(kāi)發(fā)，這種設(shè)備已廣泛應(yīng)用于油氣分離、油水分離一集含油污水的凈化等方面[4]。
前蘇聯(lián)油氣科學(xué)研究設(shè)計(jì)院以一般沉降理論為依托，研制出BAC-1-100型全自動(dòng)三相分離器，該分離器內(nèi)部采用的是堰板式結(jié)構(gòu)，使油水界面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)。美國(guó)CE-NATCO公司應(yīng)用“淺池原理”研制出油水快速分離設(shè)備[5]，該設(shè)備的特點(diǎn)是采用臥式結(jié)構(gòu)，油氣水在分離器內(nèi)部沿軸向流動(dòng)，在軸向添加Performax金屬聚結(jié)器，打打縮短了油滴聚結(jié)沉降的時(shí)間，并使分離效率得到了一定的提高。雖然這兩種分離器的設(shè)計(jì)原理不同，但優(yōu)點(diǎn)相同，即乳化液停留時(shí)間短，油水分離效率高，分離后的原油和污水質(zhì)量好并且操作平穩(wěn)。瑞典阿法拉法公司應(yīng)用離心分離原理研制開(kāi)發(fā)的蝶片式離心機(jī)占地面積小、重量輕、液體停留時(shí)間短，可分離的誰(shuí)中油滴和固體顆粒的直徑分別為3μm、0.55μm，并且該設(shè)備可與其他設(shè)備組合應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單，特別適合海上平臺(tái)的操作。美國(guó)的F.A.Kenawy等人在常規(guī)的重力式橫向流式分離器基礎(chǔ)上增加了一個(gè)機(jī)械裝置，將分離板由靜態(tài)設(shè)計(jì)改為了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化了油水分離過(guò)程。
2.2.3. 國(guó)外分離器發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)外的三相分離器研究已經(jīng)比較成熟，三相分離器的生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。比較知名的三相分離器生產(chǎn)廠商有英國(guó)的Expro公司、美國(guó)Cameron公司、Schlumberger公司、貝克休斯公司等，這些公司都有自己完善的技術(shù)支持，可以根據(jù)用戶的需求生產(chǎn)不同種類(lèi)的多相分離設(shè)備。Schlumberger公司于2008年底推出了一款新型的三相分離器CleanPhase，此三相分離器由于使用了SmartWeir技術(shù)和升級(jí)過(guò)后的Coriolis流量計(jì)，使得經(jīng)過(guò)該設(shè)備分離后的各相純凈度和測(cè)量精度都得到了較大的提高；Expro公司根據(jù)泰國(guó)Nang Nuan油田的實(shí)際需要為其專(zhuān)門(mén)定制了一款多級(jí)分離設(shè)備，其原油處理流量為12000桶/日；此外Cameron公司現(xiàn)在市場(chǎng)適用范圍最廣的一款大型三相分離器的原油處理量為200000桶/日。
2.2.4. 國(guó)內(nèi)分離器發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)于油田地面設(shè)備的研究起步較晚，但自80年代起開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以來(lái)，我國(guó)的分離器制造水平得到了很大的提高，特別是近些年隨著國(guó)內(nèi)外需求的不斷增加，涌現(xiàn)了許多有著較高技術(shù)水平的新分離器生產(chǎn)廠家。中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司研發(fā)了一款新型高效的油氣水三相分離器，它使用防波板等內(nèi)部構(gòu)件以消除進(jìn)液對(duì)于分離場(chǎng)的影響，另外該產(chǎn)品使用高性能的化學(xué)破乳劑，使用分離效果得到了較大改善，其中輕、重質(zhì)原油高效三相分離器出口油含水率不大于0.3%，污水含油率不大于300mg/L，分離氣體含液率不大于0.05g/Nm3。
華油惠博普科技有限公司（HBP）為大港油田提供了一種新型的輕、中質(zhì)原油高效油氣水三相分離器，該型三相分離器采用兩項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，執(zhí)行ASME、ASPI、GB150及相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備采用來(lái)液預(yù)處理、板槽式布液、機(jī)械破乳、高效填料聚結(jié)和整流、油水液位及油水界面自控等技術(shù)為油水分離和氣液分離提供了良好的流場(chǎng)環(huán)境及分離環(huán)境。中、高含水原油經(jīng)該型三相分離器一次脫水能使原油含水降至0.3%以下，污水含油低于300mg/L。
圖2 立式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)
另外，威瑞泰默斯生產(chǎn)的高效復(fù)合三相分離器STS采用氣液中度旋流技術(shù)、壓縮氣浮選技術(shù)、油水界位精確測(cè)定技術(shù)、水洗技術(shù)、斜板沉降技術(shù)等，有效消除了段賽流的影響，加速了油水的分離，取得了較高的分離效果；山東科瑞控股集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的YQ01型三相分離器，在提高分離效率減少設(shè)備投資的同時(shí)，也提高了產(chǎn)品的適用范圍，該產(chǎn)品可適應(yīng)-40℃～60℃的環(huán)境溫度[6]。
目前，我國(guó)有十幾家實(shí)力較強(qiáng)的分離器生產(chǎn)企業(yè)，部分產(chǎn)品分離效果已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，有些產(chǎn)品甚至遠(yuǎn)銷(xiāo)北美、南美、中東等地區(qū)，但國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的三相分離器大多結(jié)構(gòu)相似，技術(shù)單一，產(chǎn)品適應(yīng)性較差[7]。因此，分離器技術(shù)的豐富與發(fā)展還需要更多的研究與創(chuàng)新。
2.3. 油氣水三相分離器存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，雖然油氣水三相分離器的種類(lèi)與型號(hào)在不斷增多，分離效率也在不斷提高，但仍舊存在一些問(wèn)題[8]。
分離效率低。隨著石油的不斷開(kāi)采，多數(shù)油田的含水率大幅提升。我國(guó)89.6%油頁(yè)巖查明資源的含油率為5%～10%，通過(guò)地下原位轉(zhuǎn)化所輸出的采出液含水率也將會(huì)較高。因此致使原有油氣水三相分離器的分離效率降低。
普適性低。現(xiàn)有的油氣水三相分離器基本上都是根據(jù)某一油田的具體情況設(shè)計(jì)。若應(yīng)用于其他油田，或該油田采出液組分發(fā)生變化，如含水率大幅增加，則會(huì)導(dǎo)致氣分離效果明顯變差。
設(shè)備體積大。一般油氣水三相分離器體積較大，尤其是臥室油氣水三相分離器占地面積相當(dāng)大，導(dǎo)致使用成本增加。以臥式油氣水三相分離器為例，解決上述問(wèn)題的一種有效方法就是對(duì)分離器內(nèi)多相流進(jìn)行流場(chǎng)分析，從而選取合適的內(nèi)部構(gòu)件并進(jìn)行合理安裝。正確選取內(nèi)部構(gòu)件可縮短分離時(shí)間，提高分離效率，從而使分離器結(jié)構(gòu)緊湊，有效減小占地面積。
隨著油頁(yè)巖等石油替代能源的出現(xiàn)及油田采出液含水率的提高，適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、便于維護(hù)和維修的油氣水分離器的設(shè)計(jì)研制將成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員的工作重點(diǎn)。
4 三相分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算
3. 油氣水三相分離器的方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1. 三相分離器的結(jié)構(gòu)及工作原理
3.1.1. 分離器選型
生產(chǎn)分離器，即油氣或油氣水分離器，是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。它的作用是利用重力沉降原理使油井生產(chǎn)出的油氣混合物實(shí)現(xiàn)初步分離。
分離器的設(shè)計(jì)與選型是油氣生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。通常，分離器設(shè)計(jì)與選型的主要內(nèi)容包括下述四個(gè)方面(不包括分離器上各類(lèi)儀表及外部管線的設(shè)計(jì))：
分離器型式的選擇，分離器尺寸的確定，分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及附件的設(shè)計(jì)與選型，分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(筒體及各類(lèi)噴嘴)。
從系統(tǒng)上講，如果生產(chǎn)流體溫度較低且含水量較高，為了減少熱負(fù)荷，就需要提前分離游離水，即第一級(jí)分離器就采用三相分離器，使得在加熱之前把游離水分離出來(lái)。
而無(wú)論是立式分離器，還是臥式分離器，它們都由下列四部分組成：
入口分流區(qū)，即分離器入口初始分離部分；重力沉降區(qū)，即油氣重力沉降部分；除霧器區(qū)，即氣體出口除霧部分；集液區(qū)，即盛液部分(包括油、水分離)。
對(duì)于立式分離器和臥式分離器，上述第一項(xiàng)與第三項(xiàng)基本相同，而第二、第創(chuàng)項(xiàng)則不同。從重力沉降部分液滴下落方向與氣流運(yùn)動(dòng)方向來(lái)看，在立式分離器中二者相反，而在臥式分離器中二者垂直。因此，臥式分離器更宜于液滴沉降。從盛液部分看，臥式分離器氣液界面大，液體中所含的氣泡易于上升至氣相空間，且在液相中，水與油在臥式分離器中更容易分離。因此，臥式分離器更適于進(jìn)行三相分離。
在油氣分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般對(duì)氣、油比值高的油氣混合物采用臥式分離器，對(duì)中、低氣、油比值的油氣混合物采用立式分離器。
又因計(jì)劃任務(wù)書(shū)中要求原油密度為860 kg/m3(20°C)，含水率為85%~89%，故可選臥式三相分離器。[9-12]
3.1.2. 分離器結(jié)構(gòu)
油田上使用的臥式三相分離器包括入口分流區(qū)、集液區(qū)、重力沉降區(qū)和除霧器區(qū)四個(gè)部分：
1) 入口分流區(qū)
油田采出液在進(jìn)入分離器時(shí)是典型的高粘湍流混合液，正是因?yàn)檫@種高粘狀態(tài)使其在進(jìn)入分離器時(shí)動(dòng)能比較大，而入口分流區(qū)也正是利用了混合液較高的動(dòng)能，通過(guò)突然改變混合液的方向吸收其動(dòng)能，達(dá)到氣液的初步分離。
2) 集液區(qū)
集液區(qū)位十二相分離器的底部，主要為液體中氣體的析出及油水的沉降分離提供充足的停留時(shí)間。需要指出的是油與水的分離時(shí)間要明顯高于氣液的分離時(shí)間。
3) 重力沉降區(qū)
重力沉降區(qū)一般是對(duì)十氣體而言，即進(jìn)入該區(qū)域后氣體的速度下降，氣體中攜帶的較大的液滴由十重力的作用落到氣液交界面，而更小的液滴則需要依靠后面的除霧器除去，以保證分離所得氣體中不含液體或含量很少。
4) 除霧器區(qū)
氣體在經(jīng)過(guò)重力沉降區(qū)后，較大的液滴已經(jīng)沉降至液體中，但氣體中仍含有大量的小液滴(通常為小于100μm液滴)，這些液滴將在氣體通過(guò)除霧器時(shí)得以去除，去除的液滴在聚并成為較大液滴后落入集液區(qū)。
3.1.3. 分離器工作原理
圖3 臥式三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是典型的臥式三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖，油井來(lái)液進(jìn)入分離器后首先進(jìn)入入口分流區(qū)，并撞擊到入口擋板上，使分離液的方向和速度發(fā)生很大變化，這種液流動(dòng)量的突然改變，造成了氣液的預(yù)分離。預(yù)分離后的液體落入集液區(qū)，在集液區(qū)分離器提供充足的時(shí)間使油能聚集到上層而水沉降到底層，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，入口分流區(qū)往往裝有液相導(dǎo)管，將預(yù)分離后的液體引入油水界面以下，這樣可以促進(jìn)水珠的聚沉。在經(jīng)過(guò)集液區(qū)后，上層的油液溢過(guò)堰板進(jìn)入其后的油室，通過(guò)液位控制閥實(shí)時(shí)排出油液控制油室的油位；為保持油水界面的高度，下層的水相經(jīng)另一液位控制閥控制后由排水閥離開(kāi)分離器。預(yù)分離后的氣體進(jìn)入重力沉降區(qū)，并在氣相中攜帶的較大液滴完成沉降后經(jīng)除霧器到達(dá)壓力控制閥，通過(guò)壓力控制閥控制氣體的排出量保證分離器壓力的恒定。氣液界面根據(jù)油氣分離的相對(duì)重要性可由直徑的 1/2 變到 3/4，但在通常情況下會(huì)選擇半滿狀態(tài)。
重力式分離器的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)已有的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，而已有規(guī)范中只有對(duì)兩相分離器設(shè)計(jì)的規(guī)定[13]，對(duì)于三相分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算，規(guī)范中并未涉及。另外，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有通用的三相分離器的計(jì)算方法，探討較多的是以氣液沉降理論為依據(jù)進(jìn)行的尺寸設(shè)計(jì)，盡管具體設(shè)計(jì)的名稱(chēng)、公式、符號(hào)等略有差異，但其原理一致，且設(shè)計(jì)步驟基本通用，本章將以臥式三相分離器的設(shè)計(jì)為例對(duì)三相分離器設(shè)計(jì)進(jìn)行理論研究。
3.2. 三相分離器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論
對(duì)三相分離器進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，可以分為以下兩個(gè)部分，即氣液分離和油水分離。而無(wú)論是油水沉降部分還是氣體分離部分，都是以相關(guān)的約束條件為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算求取分離器的有效長(zhǎng)度和分離器的直徑又或者二者的關(guān)系式[14]。
分離器的設(shè)計(jì)不論是氣體分離部分還是油水分離部分，都需要考慮以下三個(gè)條件，即液滴沉降、液滴的大小和停留時(shí)間。
3.2.1. 液滴沉降
在分離過(guò)程中，液滴在各個(gè)具體條件下分離效果不能進(jìn)行直接計(jì)算，所以為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，通常假設(shè)液滴是球形液滴，并目液滴之間不存在相互作用力，而液滴的沉降速度為液滴所受重力與浮力之差與阻力相等時(shí)的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。下面以氣體中液滴的沉降為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)氣體中的液滴所受重力與浮力之差為，液滴下落時(shí)氣體對(duì)其阻力為，則可知：
（1）
（2）
式中，……重力與浮力之差（N）；
……阻力（N）；
……阻力系數(shù)；
……液滴沉降速度（）；
g……重力加速度（）；
……液體密度，氣體密度（）；
……液滴直徑（m）；
當(dāng)液滴所受重力與浮力之差等于阻力時(shí)，液滴作勻速運(yùn)動(dòng)，此速度即為沉降速度。令，可得：
（3）
當(dāng)液滴周?chē)鲃?dòng)是層流時(shí)，斯托克斯定律適用于此過(guò)程且，此時(shí)
（4）
然而，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，斯托克斯定律并不適用于一切情況，根據(jù)流體流動(dòng)狀態(tài)不同可根據(jù)雷諾數(shù)（Re）的大小確定此時(shí)運(yùn)用的阻力系數(shù)表達(dá)式：
（5）
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)需要獲得更準(zhǔn)確的阻力系數(shù)時(shí)，就需要引入更加完整的阻力系數(shù)方程：
（6）
（7）
此時(shí)，可令，即可得沉降速度的方程[15]如下：
（8）
式中，……液滴直徑（）；
Re……雷諾數(shù)；
……液滴對(duì)于水的相對(duì)密度（）；
……氣體對(duì)于水的相對(duì)密度（）；
……水的密度（）；
……氣體的密度（）；
……氣相粘度（）；
……阻力系數(shù)；
水相中油滴的上浮和油相中水滴的沉降都處于層流狀態(tài)，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計(jì)算時(shí)需根據(jù)具體情況，使用不同的相對(duì)密度差、粘度和液滴尺寸。
3.2.2. 液滴尺寸
對(duì)于氣液分離部分而言，重力沉降區(qū)的作用在于除去預(yù)先選定好尺寸的液滴，為氣體進(jìn)入除霧器做準(zhǔn)備。因?yàn)槿绻羞^(guò)多大顆粒的液滴存在，那么除霧器就會(huì)被浸漬，不能完成其應(yīng)有的高純度凈化。根據(jù)一般油井分離器經(jīng)驗(yàn)，重力沉降區(qū)可以去除直徑大小大約為100的液滴，即直徑大于100的顆粒在經(jīng)過(guò)重力沉降區(qū)之后可以被認(rèn)為已經(jīng)去除，而直徑更小的液滴會(huì)在離開(kāi)分離器時(shí)被除霧器處理。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，為了去除直徑大小為100的液滴，可以在該區(qū)域使用氣體容量方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是對(duì)于油中水滴的脫除和水中油滴的脫除，要預(yù)測(cè)其尺寸是十分困難的，所以在進(jìn)行分離器設(shè)計(jì)時(shí)通常將直徑為100油滴的沉降速度作為分離器參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)[16]。
而水相中油滴的脫出通常很少考慮，是因?yàn)橛偷螐乃嘀忻摮鲆人螐挠拖嘀蟹蛛x容易的多，這可以從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. 停留時(shí)間
停留時(shí)間是指一個(gè)液體分子在容器中停留的平均時(shí)間。它需要保證氣液在分離器中達(dá)到平衡，而原油的儲(chǔ)存量要保證可以使閃蒸汽析出，同時(shí)油相中的水滴可以凝結(jié)成液滴沉降公式中所述的下沉尺寸。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)十氣液分離，氣相的停留時(shí)間通常為30s～3min,而液相的停留時(shí)間則較長(zhǎng)，通常需要3～30min，對(duì)于水相而言，若沒(méi)有可用的合適數(shù)據(jù)，通常采用10min作為其停留時(shí)間。
3.3. 氣相中的液滴分離
對(duì)重力式三相分離器進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，需要先確定分離器的有效長(zhǎng)度和分離器尺寸直徑。對(duì)于氣液分離部分來(lái)講，所確定的分離器尺寸必須能夠滿足使液滴從氣體落入液體的氣體容量，并有足夠的時(shí)間使分離器內(nèi)各相內(nèi)達(dá)到相平衡。
根據(jù)沉降原理可以設(shè)立出針對(duì)氣體容量約束的尺寸方程（13），該方程的設(shè)立依據(jù)是氣體停留時(shí)間等于液滴沉降至液面所需的時(shí)間。對(duì)于“半滿式”容器來(lái)說(shuō)，液面位于容器的1/2高度處。在臥式分離器中，氣體流向和油滴沉降的方向垂直，只有液滴隨氣流流過(guò)有效長(zhǎng)度的時(shí)間不大于液滴沉降至液面的時(shí)間時(shí)，才能保證液滴沉降的順利進(jìn)行。如圖4所示氣體沿水平方向流動(dòng)，其速度為，顆粒的沉降速度為，為了保證顆粒沉降的順利進(jìn)行，必須保證處于最靠近輸入點(diǎn)的顆粒能夠沉降在沉降區(qū)尾部之前，沉降至沉降區(qū)末尾時(shí)為臨界狀態(tài)，在這種情況下，可以保證所有液滴都可在有效長(zhǎng)度內(nèi)沉降至氣液分界面。
圖4 臥式分離器液滴沉降模型
設(shè)液滴隨氣流流過(guò)有效長(zhǎng)度的時(shí)間為，液滴沉降至液面的時(shí)間為，則
（9）
（10）
而氣體的流速可以通過(guò)氣體流量與橫截面積之比求得，即，其中
（11）
（12）
而可通過(guò)沉降速度公式（8）求得，臨界狀態(tài)時(shí)液滴隨氣流流過(guò)有效長(zhǎng)度的時(shí)間與液滴沉降至液面的時(shí)間相等，設(shè)=，可求得氣體容量約束方程：
（13）
以上各式中，D……容器外徑（m）；
……有效長(zhǎng)度（m）；
T……運(yùn)行溫度（K）；
……常溫常壓下氣體流量（）；
P……運(yùn)行壓力（）；
Z……氣體壓縮系數(shù)；
……氣體流速（）；
……液滴對(duì)于水的相對(duì)密度（）；
……氣體對(duì)于水的相對(duì)密度（）；
……液滴直徑（）；
……阻力系數(shù)；
3.4. 油水的沉降分離
在對(duì)三相分離器進(jìn)行液液分離之前需先考慮其的停留時(shí)間，這里的停留時(shí)間指水相停留時(shí)間和油相停留時(shí)間，原油的儲(chǔ)存量或者說(shuō)油相的停留時(shí)間要保證游離水在該時(shí)間內(nèi)可以聚結(jié)至足夠大的尺寸以達(dá)到下沉分離的目的，同時(shí)液相當(dāng)中的氣體可以釋放出，使氣相和液相達(dá)到相平衡。該約束對(duì)于油氣兩相分離而言，即是指液體容量約束。設(shè)分離器有效長(zhǎng)度部分的容積為，液體流量為，停留時(shí)間為則且，進(jìn)而可知分離器內(nèi)油相的體積如下：
（14）
分離器內(nèi)水相的體積為：
（15）
因?yàn)槿萜鳛榘霛M式容器，故液體體積為容器體積的一半，即可知：
（16）
聯(lián)立以上三個(gè)式子就可以得到停留時(shí)間限制而得的分離器直徑與有效長(zhǎng)度的可取組合：
（17）
以上式中，、、……容器有效體積、容器中油相體積、容器中水相體積（）；
、、……停留時(shí)間、油相停留時(shí)間、水相停留時(shí)間（）；
、、……液體流量、油流量、水流量（）；
、、……液體、油相、水相的橫截面積（）；
D……容器外徑（m）；
……有效長(zhǎng)度（m）；
油滴在水相中的沉降及水滴在油相中的沉降為層流狀態(tài)，即顆粒沉降速度（）可以用斯托克斯公式計(jì)算，即上式中雷諾數(shù)計(jì)算公式（7）。綜合考慮水滴在油相中的沉降速度以及在油相中的停留時(shí)間，可以確定水滴所能夠沉降的距離，從而可進(jìn)一步推得油相厚度的最大尺寸。設(shè)油相中水滴的沉降時(shí)間為（），油層的厚度是（），則有，即：
（18）
要使水滴能夠穿過(guò)油層，則必須使水滴在油相停留時(shí)間內(nèi)的沉降距離大于油層本身的厚度，或者說(shuō)水滴穿過(guò)油層的沉降時(shí)間小于在油相中的停留時(shí)間，臨界狀態(tài)下即二者相等。考慮油相的停留時(shí)間單位為分鐘，故臨界狀態(tài)時(shí)為，即有：
（19）
式中，……油層最大厚度（）；
……水滴在油相中的沉降時(shí)間（）；
……油相的粘度（）；
、……水相、油相對(duì)于水的相對(duì)密度；
……水在油相中的停留時(shí)間（）；
……液滴直徑（）；
3.5. 分離器的最大直徑
在油相和水相的停留時(shí)間都已知的情況下，得到油層的最大厚度以后，可按以下步驟確定分離器的最大直徑：
1 計(jì)算水相在分離器內(nèi)體積的比例，即其在分離器內(nèi)所占截面積與分離器截面積的比例：
（20）
2 根據(jù)截面積的比例，可通過(guò)分離器半滿狀態(tài)下截面積比例確定系數(shù)。
圖5 分離器半滿狀態(tài)下的系數(shù)β
3 計(jì)算最大直徑
因?yàn)樗嘀杏偷蔚姆蛛x與油相中水滴的沉降原理及計(jì)算過(guò)程一致，只需將黏度及停留時(shí)間等參數(shù)替換即可得出，又由于油滴從水相中分離較水滴從油相中分離容易，所以設(shè)計(jì)時(shí)通常以油層中水珠的分離為設(shè)計(jì)依據(jù)。
3.6. 分離器的縫間長(zhǎng)度及長(zhǎng)細(xì)比
除了已經(jīng)經(jīng)計(jì)算可以求解的分離器的有效長(zhǎng)度以及分離器的直徑以外，分離器的縫間長(zhǎng)度還應(yīng)包括圖4分離器中除了有效分離沉降部分以外的前端入口分流區(qū)L1及后端出口區(qū)L2部分。
基于氣體容量設(shè)計(jì)的分離器尺寸，縫間長(zhǎng)度一部分用來(lái)均勻分布入口分流區(qū)的液流，另一部分需要用來(lái)安置氣出口處用于去除小液滴的除霧器裝置，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：
（21）
而根據(jù)液體容量設(shè)計(jì)的分離器尺寸，分離器的縫間長(zhǎng)度的一部分需用來(lái)均勻分布入口分流區(qū)及出口區(qū)的液流，該長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為：
（22）
所以在計(jì)算分離器的總體長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)選取上述二式中的較大值。分離器尺寸設(shè)計(jì)的原則是在完成規(guī)定分離要求的前提下使分離器的成本盡可能達(dá)到最低。然而毫無(wú)疑問(wèn)的一點(diǎn)是，分離器的直徑越低其總體成本就越低，但隨著分離器直徑的減小，會(huì)增加湍流的產(chǎn)生，還會(huì)增大氣體再次進(jìn)入液體的可能性。根據(jù)以往資料及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，分離器的縫間長(zhǎng)度與直徑的比值應(yīng)控制在3～5之間，即最佳長(zhǎng)細(xì)比為3～5。
4 三相分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算
4. 三相分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1. 分離器的主體尺寸
因設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中含水原油與天然氣的處理能力已經(jīng)確定，而原油密度為，含水率為，含水原油最大液體流量，氣相最大液體流量，故計(jì)算可知水相最大液體流量，油相最大液體流量。
在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，時(shí)原油的粘度可以用下式進(jìn)行粗略計(jì)算：
（23）
（24）
因原油密度已知，故可以得到此時(shí)的原油的粘度為：
（25）
德國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在假設(shè)分散相的顆粒是彈性小球且其直徑不大于顆粒間距離的情況下，推薦使用下式：
（26）
式中，……乳狀液的粘度，（）；
……連續(xù)相的粘度（）；
……含水率。
美國(guó)學(xué)者肯·阿諾德提出當(dāng)乳狀液（即油水混合物）中含水率大于70%時(shí)[17]，油水將無(wú)法保持混合狀態(tài)，會(huì)迅速分層，并且此時(shí)水相將取代油相成為連續(xù)相；肯·阿諾德以此現(xiàn)象提出確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（）；
……非連續(xù)相的體積分?jǐn)?shù)。
由于本設(shè)計(jì)中含水率達(dá)到，故取，可以求得油相的粘度：
（28）
通過(guò)經(jīng)驗(yàn)可取水在油相中的停留時(shí)間，故可通過(guò)之前所得公式計(jì)算最大油層厚度：
再由此前所得公式可求解水相所占截面積與分離器筒體截面積比值：
截面積比值已知，可通過(guò)上圖查得系數(shù)，進(jìn)而可求得分離器最大直徑：
因此分離過(guò)程中溫度控制可假定維持20，而天然氣的動(dòng)力粘度近似接近于20常壓下的空氣的動(dòng)力粘度，即：
而阻力系數(shù)也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初定為0.34，天然氣密度則可查表得知其在標(biāo)況下密度約為，以此即可通過(guò)VB編寫(xiě)簡(jiǎn)易循環(huán)程序迭代求解氣相中液滴的沉降速度與阻力系數(shù)，迭代結(jié)果如下：
在求得阻力系數(shù)后，即可通過(guò)求解滿足氣體容量約束方程且不大于最大分離器直徑的分離器直徑與有效長(zhǎng)度的組合，據(jù)前式有：
再通過(guò)上式即可求得滿足停留時(shí)間約束且分離器直徑不大于的分離器直徑與有效長(zhǎng)度的組合：
由于在上述兩式中，分離器直徑的單位為，有效長(zhǎng)度的單位為，理論上在分離器直徑相同的情況下應(yīng)該取上述兩個(gè)約束方程中較大的有效長(zhǎng)度值。但計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)氣體容量約束方程的與的組合要明顯小于停留時(shí)間所確定的與的組合。因此可以得知，本課題在求解合適的分離器直徑與長(zhǎng)度的組合時(shí)可以僅以停留時(shí)間約束方程為依據(jù)?？p間長(zhǎng)度取之前兩式中計(jì)算所得的較大值。所得直徑與長(zhǎng)度的組合關(guān)系如下表1所示：
直徑
有效長(zhǎng)度
縫間長(zhǎng)度
長(zhǎng)細(xì)比
2500
16.8
22.4
8.96
3000
11.667
15.556
5.185
3500
8.571
12.071
3.449
4000
6.563
10.563
2.641
4500
5.185
9.685
2.152
表1 計(jì)算所得直徑與長(zhǎng)度組合關(guān)系表
由表1可繪制分離器直徑與分離器長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖圖6與分離器直徑與長(zhǎng)細(xì)比的關(guān)系曲線圖圖7。
圖6 分離器直徑與分離器長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖
圖7 分離器直徑與長(zhǎng)細(xì)比的關(guān)系曲線圖
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，分離器的長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)控制在3~5之內(nèi)[18]，而由分離器直徑關(guān)系圖可知，分離器直徑大約在3~4m之間時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比滿足要求，而當(dāng)分離器直徑在該范圍內(nèi)時(shí)，其長(zhǎng)度約為10~15m。為了計(jì)算方便，分離器直徑選為3.5m，對(duì)應(yīng)的分離器長(zhǎng)度取整為12m。
4.2. 三相分離器的主要內(nèi)部構(gòu)件分析及選取
三相分離器的分離計(jì)算是建立在一個(gè)穩(wěn)定的流場(chǎng)基礎(chǔ)上的，同時(shí)理想化了一些因素，而分離器內(nèi)液位控制等更需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)，為了能夠順利實(shí)現(xiàn)分離器的分離性能，有時(shí)需要添加一些內(nèi)部構(gòu)件，以使分離器的內(nèi)部環(huán)境更適合分離的進(jìn)行或者說(shuō)能夠提高分離性能和穩(wěn)定性。
4.2.1. 進(jìn)口構(gòu)件的選取
進(jìn)口構(gòu)件也可以稱(chēng)為入口分流器，他的作用主要是實(shí)現(xiàn)氣體和液體的預(yù)分離。進(jìn)口構(gòu)件有很多種，最基本的有以下兩種，分別是碰撞式和離心式。碰撞式的進(jìn)口構(gòu)件通常使用平板、彎板、圓盤(pán)等任意可以迅速改變進(jìn)口流體的方向而不會(huì)在其中殘存液體或氣體的構(gòu)件。在速度相同的情況下，密度越大的組分其擁有的能量越大，也因此越不容易改變方向。對(duì)于油氣水三相分離器而言，在分離液進(jìn)入分離器撞擊進(jìn)口構(gòu)件后，氣體迅速改變方向，流過(guò)進(jìn)口構(gòu)件，而液體則落至容器底部，從而完成氣體與液體的預(yù)分離。
碰撞式入口分流器依靠的是撞擊所造成的速度的急劇變化，這種構(gòu)件主要要求擋板是耐沖擊的結(jié)構(gòu)，而由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以在早期得到了較多的應(yīng)用。
圖8 典型的離心式入口分流器
離心式入口分流器依靠離心力對(duì)進(jìn)入分離器的混合液進(jìn)行預(yù)分離，這種分離器內(nèi)通常安裝有旋流噴嘴或者將入口部分設(shè)計(jì)成切向流體軌道，使得入口流體進(jìn)入后形成旋轉(zhuǎn)流。離心式的進(jìn)口構(gòu)件相對(duì)于其它進(jìn)口構(gòu)件而言，具有更高的分離效率，同時(shí)還可以減少分離液的泡沫與乳化問(wèn)題，但是它的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且要求較嚴(yán)格的計(jì)算，最重要的一點(diǎn)是離心式進(jìn)口構(gòu)件對(duì)流量的變化非常敏感，流量小或者流量不穩(wěn)定的情況下，這種進(jìn)口構(gòu)件很難發(fā)揮其作用，這也是這種構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中受到的主要限制。
由于本設(shè)計(jì)中開(kāi)采量較大，故應(yīng)選用離心式進(jìn)口構(gòu)件。
4.3. 除霧器
除霧器也叫捕霧器或者霧沫脫除器[19]，通常安裝于分離器內(nèi)氣出口的前方，以避免在沉降分離段因尺寸過(guò)小而未能沉降的小液滴隨氣體流出分離器。分離器中如果不安裝除霧器而對(duì)氣出口所流出的氣體的純凈度又有較高要求，那么就必須增大分離器的沉降分離段或者采用其它手段使重力沉降的液滴范圍更大，即使如此也很難保證更小的液滴都能夠順利完成沉降，所以除霧器的作用與效果對(duì)三相分離器是至關(guān)重要的。除霧器的種類(lèi)繁雜，在選型或者設(shè)計(jì)前，必須考慮以下幾點(diǎn)：分離器沉降分離段可去除的液滴范圍以及除霧器需要去除的液滴尺寸；捕霧器對(duì)液體的處理能力；分離器內(nèi)是否適合安裝捕霧器以及除霧器的成本。
所有的分離器的設(shè)計(jì)都是以重力和拖曳力的平衡為設(shè)計(jì)依據(jù)的，對(duì)于重力式油氣水三相分離器而言，可以通過(guò)降低氣體流速的方法減小拖曳力從而完成去除氣體中小液滴的目的，也可以通過(guò)使小液滴撞擊聚并為更大尺寸的方法去除。在類(lèi)型眾多的除霧器產(chǎn)品中，應(yīng)用最為廣泛的是沖擊型的除霧器，它在適應(yīng)范圍、工作效率等很多方面都有優(yōu)勢(shì)。這種類(lèi)型的除霧器通常是在分離器內(nèi)安裝盤(pán)或者安裝折板，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到折板或者盤(pán)的表面時(shí)，氣流會(huì)沿著其展開(kāi)，氣流的速度越大，它所攜帶的液滴越是靠近盤(pán)或者折板的表面，而這些液滴是會(huì)被折板或者盤(pán)捕獲的，其機(jī)理有以下三種：慣性沖擊圖9（a）、直接攔截圖9（b）和布朗擴(kuò)散圖9（c）。
圖9 沖擊型捕霧器作用機(jī)理
慣性沖擊又稱(chēng)為間隙沖擊。經(jīng)過(guò)分離器沉降分離部分的氣流中較大的液滴（1~10 μm），由于本身具有較大的質(zhì)量，故其有足夠的能量沖破氣流的影響繼續(xù)沿直線運(yùn)動(dòng)，直到撞擊到除霧器折板或者說(shuō)盤(pán)表面上。撞擊是除霧器最重要的機(jī)理。
直接攔截。對(duì)于氣體流中更小的液滴（0.3~1μm），它們的能量不足以擺脫氣流的束縛，不能繼續(xù)沿直線撞擊到折板或盤(pán)的表面，相反的這些小液滴會(huì)被氣流攜帶，若這些運(yùn)動(dòng)的氣流非常接近除霧器折板，以至于液滴的中心線到折板的實(shí)際距離比小液滴的半徑小，那么這些液滴就會(huì)碰到折板從而聚結(jié)起來(lái)。
布朗擴(kuò)散。氣流中攜帶的更小的液滴（指的是小于0.3μm的液滴），盡管能量很小，難以沖破氣流的約束，也不會(huì)被氣流攜帶至非常接近折板的表面，但它們由于足夠小，在和其他的氣體分子撞擊后會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的布朗運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果是這種隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)能夠使這些小液滴撞擊到折板并最終聚并。
沖擊型的除霧器可以是絲網(wǎng)填料式也可以是平行板式，前者成本低但易堵塞，后者價(jià)格較高但不宜損壞或堵塞，而其尺寸通常交由生產(chǎn)商確定。
而因本設(shè)計(jì)中分離器尺寸設(shè)計(jì)較大的同時(shí)，流量也較大，故可選用故障率較低的平行板除霧器，除霧器大小自取。
4.4. 三相分離器內(nèi)的其它構(gòu)件
分離器內(nèi)還有多種比較重要的內(nèi)部構(gòu)件[20]，這些構(gòu)件沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往往需要試驗(yàn)?zāi)M或根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。
防渦器[21]是油氣水三相分離器內(nèi)不可缺少的一種構(gòu)件[22]，它分別安裝于油出口和水出口前，用以阻止液體在流出分離器時(shí)可能造成的渦流，因?yàn)檫@些渦流會(huì)造成分離器內(nèi)的氣體下落至液體出口。
對(duì)于筒體較長(zhǎng)的臥式分離器往往需要安裝整流板，這些所謂的整流構(gòu)件大多是一些簡(jiǎn)單的開(kāi)孔平板或者柵板，并且與液流方向垂直放置。整流構(gòu)件對(duì)于進(jìn)口液流能量較大的情況是需要的，因?yàn)檫@些具有較大能量的液流在進(jìn)入分離器時(shí)往往會(huì)使分離器內(nèi)產(chǎn)生波浪，這些波浪對(duì)液位檢測(cè)是相當(dāng)不利的，所以應(yīng)該盡量避免或減小波浪的產(chǎn)生。
安裝在分離器內(nèi)的聚結(jié)構(gòu)件能夠促進(jìn)油水分離的進(jìn)行，它會(huì)使油相中的水滴或水相中的油滴發(fā)生聚結(jié)，成為較大尺寸的液滴，這些較大的液滴在重力的作用下沉降相對(duì)容易。
對(duì)于采出液中含沙量較大的情況，需要安裝專(zhuān)門(mén)的噴砂嘴和排砂管，因?yàn)榇罅磕嗌车某练e不僅會(huì)占用分離器的有效工作體積，還有可能堵塞油水出口，影響分離器的正常工作，噴砂嘴需要與高壓泵連接，通過(guò)噴出高壓流體（通常為水）達(dá)到清除沉積在容器底部泥沙的目的。噴砂嘴工作時(shí)，安裝于分離器底部的排砂管需要以可控的方式打開(kāi)。
6總結(jié)
5. 基于ANSYS有限元分析的強(qiáng)度校核
5.1. 設(shè)計(jì)壓力
壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范GB150設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。容器裝有泄放裝置時(shí)，一般以容器的設(shè)計(jì)壓力作為容器超壓限度的起始?jí)毫?。需要時(shí)，可用容器的最大允許工作壓力作為容器超壓限度的起始?jí)毫?。采用最大允許工作壓力時(shí)，應(yīng)對(duì)容器的水壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)相應(yīng)的取1.25倍、1.15倍和1.00倍的最大允許工作壓力值，并在圖樣和銘牌中注明。
由于本設(shè)計(jì)中并無(wú)實(shí)際樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故直接采用表2中常見(jiàn)介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力、腐蝕裕量、單位容積充裝量。
介 質(zhì)
設(shè)計(jì)壓力MPa
罐體腐蝕裕量≥mm
單位容積充裝量（t/m3）
液氨
2.16
2
0.52
液氯
1.62
4
1.2
液態(tài)二氧化硫
0.98
4
1.2
丙烯
2.16
l
0.43
丙烷
1.77
l
0.42
液化石油氣(50℃飽和蒸氣壓大于1.62MPa)
2.16
l
0.42
液化石油氣(其余情況)
1.77
1
0.42
正丁烷
0.79
l
0.51
異丁烷
0.79
1
0.49
丁烯、異丁烯
0.79
1
0.5
丁二烯
0.79
1
0.55
表2 常見(jiàn)介質(zhì)的設(shè)計(jì)屬性
所以可知，在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)壓力可定為2.16，罐體腐蝕裕量為1，單位容積充裝量為0.42。
5.2. 容器的應(yīng)力分析
傳統(tǒng)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，一般屬于“常規(guī)設(shè)計(jì)”，以彈性失效準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)，由材料力學(xué)方法或經(jīng)驗(yàn)得到較為簡(jiǎn)單的適合于工程應(yīng)用的計(jì)算公式，求出容器在載荷作用下的最大主應(yīng)力，將其限制在許用值以內(nèi)，即可確認(rèn)容器的壁厚。對(duì)容器局部區(qū)域的應(yīng)力、高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力不做精細(xì)計(jì)算，以具體的結(jié)構(gòu)形式限制，在計(jì)算公式中引入適當(dāng)?shù)南禂?shù)或降低許用應(yīng)力等方法予以控制，這是一種以彈性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，按最大主應(yīng)力理論，以長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而建立的一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[23]。
塑性理論指出，由于彈性應(yīng)力分析求得的各類(lèi)名義應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性是不同的，隨著工藝條件的苛刻和容器的大型化，常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足要求，尤其是在應(yīng)力集中區(qū)域。若不考慮應(yīng)力集中而只按照簡(jiǎn)化公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，不是為安全而過(guò)分浪費(fèi)材料就是安全系數(shù)不夠?；诟鞣矫娴目紤]，產(chǎn)生了“分析設(shè)計(jì)”這種理念。采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為界限的“塑性失效”與“彈性失效”相結(jié)合的“彈塑性失效”準(zhǔn)則，要求對(duì)容器所需部位的應(yīng)力做詳細(xì)的分析，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因及應(yīng)力是否有自限性，分為三類(lèi)共五種，即一次總體薄膜應(yīng)力（Pm）、一次局部薄膜應(yīng)力（Pc）、一次彎曲應(yīng)力（Pb）、二次應(yīng)力（Q）和峰值應(yīng)力（F）。
對(duì)于壓力容器的應(yīng)力分析，重要的是得到應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來(lái)代替校核截面。而基于彈性力學(xué)理論的有限元分析方法，是一種對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化后再求解的方法，為了獲得所選“校核線”上的應(yīng)力分布規(guī)律及大小，就必須對(duì)節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值進(jìn)行后處理，即應(yīng)力分類(lèi)，根據(jù)對(duì)所選“校核線”上的應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)，得出各類(lèi)應(yīng)力的值，若滿足強(qiáng)度要求，則所設(shè)計(jì)容器是安全的。
在壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中，壓力容器部件設(shè)計(jì)所關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來(lái)代替校核截面，由于該壓力容器為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)僅考慮對(duì)貯罐上半部即手孔一封頭，一筒體進(jìn)行幾分析設(shè)計(jì)。
從上述分析可知，要完成壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，首先采用自底向上的方法建立有限元的幾何模型，劃分網(wǎng)格、施加載荷并完成有限元分析，然后進(jìn)入后處理，沿容器壁厚定義路徑，將相關(guān)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果映射到路徑，利用ANSYS的應(yīng)力線性化原理，對(duì)路徑上的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)處理，根據(jù)材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)評(píng)定應(yīng)力的分類(lèi)處理結(jié)果。
5.3. 應(yīng)力分析結(jié)果
圖10 基于ANSYS的對(duì)分離器進(jìn)行應(yīng)力分析結(jié)果圖
從結(jié)果模擬圖10中可以看出，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在過(guò)渡段與球殼連接處，最大應(yīng)力強(qiáng)度值為260.594。
結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生了一定的變形，迫使筒體段在X方向產(chǎn)生位移，球殼在Y方向有了一定的變形。
所以根據(jù)此計(jì)算出來(lái)的最大應(yīng)力強(qiáng)度值可以將分離器的主要材料初定為Q345R。50時(shí)材料為Q345R厚度為15的鋼板抗拉強(qiáng)度為510～640[24]。
故經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核可知若使用Q345R材料，該筒體即符合要求。
ANSYS命令流見(jiàn)附錄1。
6. 總結(jié)
6.1. 結(jié)論
本文依據(jù)課題需要對(duì)分離器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究并對(duì)油氣水臥式三相分離器進(jìn)行了初步尺寸設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的計(jì)算分析軟件ANSYS對(duì)分離器的內(nèi)部應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析研究。主要結(jié)論如下：
1) 依照分離器尺寸設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)所得分離器油水可以達(dá)到分層的效果。氣液分離能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求；油水的分離效果則與設(shè)計(jì)要求稍有差距。對(duì)于初步設(shè)計(jì)所得的分離器，還需要安裝聚結(jié)構(gòu)件等促進(jìn)油水兩相的分離。
2) 對(duì)于入口流速較大的情況，有必要在入口部分添加構(gòu)件用于減小其對(duì)流場(chǎng)的沖擊，并在沉降分離部分添加對(duì)氣體具有整流作用的構(gòu)件，保證液滴沉降的順利進(jìn)行，對(duì)于出口流速較大或出口情況不明的情形下，則應(yīng)在出口前采取措施防止渦流的產(chǎn)生。
6.2. 展望
本文對(duì)三相分離器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)及有限元分析研究，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略了一些次要的或者目前無(wú)法解決的因素，因此，對(duì)于三相分離器的研究還有很大的可以完善的地方：
1) 設(shè)計(jì)過(guò)程中，認(rèn)為液滴為標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒，并忽略了液滴之間相互作用的復(fù)雜情況，如果能夠?qū)⑦@些因素考慮進(jìn)計(jì)算中，可能會(huì)提高分離器設(shè)計(jì)的精度。
2) 由于本設(shè)計(jì)未經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，在無(wú)實(shí)際數(shù)據(jù)的情況下，許多參數(shù)按常規(guī)取值，這樣取值所得的結(jié)果是否完全合理還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
附錄1 基于ANSYS的應(yīng)力分析命令流
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致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近了尾聲，這也意味著我的大學(xué)生活就要結(jié)束了，學(xué)生活一晃而過(guò)，回首走過(guò)的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，感慨良多。?
首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師張慢來(lái)老師。做設(shè)計(jì)的過(guò)程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。在這個(gè)過(guò)程中張老師給了我很大的的幫助，沒(méi)有他的盡心指導(dǎo)和嚴(yán)格的要求，我也不會(huì)順利完成這次設(shè)計(jì)。每次遇到難題，我最先做的就是向張老師尋求幫助，而張老師每次不管忙或閑，總會(huì)抽空和我面談，然后一起商量解決的辦法。徐老師平日里工作繁多，但我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式調(diào)整等各個(gè)環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導(dǎo)。這幾個(gè)月以來(lái)，張老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向張老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。?
其次，還要感謝這四年來(lái)教我知識(shí)的每位老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。
最后，要向這四年大學(xué)生活期間所有幫助過(guò)我的同學(xué)們以及各位朋友們說(shuō)一聲謝謝。
附錄1 基于ANSYS的應(yīng)力分析命令流
附錄1 基于ANSYS的應(yīng)力分析命令流
/GRA,POWER
/GST,ON
/PLO,INFO,3
/GRO,CURL,ON
/CPLANE,1
/REPLOT,RESIZE
WPSTYLE,,,,,,,,0
WPSTYLE,,,,,,,,0
*SET,r1,2250
*SET,r2,2250
*SET,t1,17
*SET,t2,15
*SET,lc,12000
*SET,l,1
*SET,p,2.16
*SET,e,2e5
*SET,nu,0.3
*SET,nt,5
*SET,ns,30
*SET,nc,30
*SET,nl,5
*SET,ra,0.6
/PREP7
ET,1,PLANE82
KEYOPT,1,3,1
KEYOPT,1,5,0
K