油-氣-水三相分離器的設計【重力式油氣水三相分離器】【臥式】

油-氣-水三相分離器的設計【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-水三相分離器的設計【重力式油氣水三相分離器】【臥式】,三相,分離器,設計,重力,油氣 LOGO學生姓名：莊鑫學生姓名：莊鑫指導教師：張慢來指導教師：張慢來油氣水三相分離器油氣水三相分離器的設計的設計Company Logou1、綜合運用壓力容器課程的理論知識去分析解決分離器的、綜合運用壓力容器課程的理論知識去分析解決分離器的設計問題。設計問題。u2、掌握模具分離器設計的一般方法，培養(yǎng)正確的設計思維、掌握模具分離器設計的一般方法，培養(yǎng)正確的設計思維以及分析問題，解決問題的能力。以及分析問題，解決問題的能力。u3、利用所學知識，進行分離器的結構設計，并于利用所學知識，進行分離器的結構設計，并于CAD平臺平臺繪制總裝配圖與零件圖。繪制總裝配圖與零件圖。u4、學習分析軟件學習分析軟件ANSYS的應用，掌握對物體應力分析的的應用，掌握對物體應力分析的步驟。步驟。一、一、研研究的目的和意究的目的和意義Company Logou1、分離過程的分析；、分離過程的分析；u2、分離器尺寸的分析與選擇；、分離器尺寸的分析與選擇；u3、分離器各類零件的設計和選擇；、分離器各類零件的設計和選擇；u4、分離器總裝配圖繪制；分離器總裝配圖繪制；u5、主要零部件圖繪制；主要零部件圖繪制；u6、基于、基于ANSYS的應力分析。的應力分析。二、主要二、主要研研究究內內容容Company Logo典型分離器典型分離器結構構如下如下圖所示：所示：三、分離器三、分離器設計Company Logo 另一例典型分離器工作原理另一例典型分離器工作原理圖圖如下所示：如下所示：Company Logo 根據(jù)工作原理根據(jù)工作原理圖，綜合考合考慮分離器分離器內內部部氣氣體分離體分離與與油水油水分離部分，可以分離部分，可以將將原理原理圖改改進為如下所示：如下所示：Company Logo 假設液滴之間不存在相互作用力，而液滴的沉降假設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的勻速速度為液滴所受重力與浮力之差與阻力相等時的勻速運動時的速度。運動時的速度。那此時就可以得到那此時就可以得到3個公式，在算得相關參數(shù)后個公式，在算得相關參數(shù)后就可以運用迭代的方法得到速度的值。就可以運用迭代的方法得到速度的值。四、分離四、分離過程的分析程的分析Company LogoCompany Logo 分離器尺寸的分析分離器尺寸的分析 根據(jù)上步分析所得的沉降速度根據(jù)上步分析所得的沉降速度Vt的計算公式，可以的計算公式，可以分別在氣液分離與油水分離中求得半徑與分離段長度的關分別在氣液分離與油水分離中求得半徑與分離段長度的關系式：系式：五、分離器的尺寸五、分離器的尺寸設計 設計任務書中已給出的參數(shù)：設計任務書中已給出的參數(shù)：1）處處理能力：含水原油理能力：含水原油2000 m3/d、天然、天然氣氣2.0104 nm3/d 2）原油密度）原油密度860 kg/m3(200C)3）含水率）含水率85%89%阻力系數(shù)阻力系數(shù)Cd可通過經驗初定為可通過經驗初定為0.34，而天然氣密度則可查表知其，而天然氣密度則可查表知其在標況下為在標況下為0.7174kg/m3。所以可以通過。所以可以通過VB編程迭代得到氣相中液滴的編程迭代得到氣相中液滴的沉降速度沉降速度Vt與阻力系數(shù)與阻力系數(shù)Cd的值。的值。Company LogoVB運行結果如下：運行結果如下：Company Logo將將所得速度所得速度Vt代入之前所得的分離器直代入之前所得的分離器直徑與徑與分離分離階段筒體段筒體長度的度的關關系式之中就系式之中就可以得到二者可以得到二者間的的關關系如下系如下圖：由此就可以將分離器的尺寸初定為直徑由此就可以將分離器的尺寸初定為直徑4.5m，長，長度度12mCompany Logo進口構件：進口構件：開采量較大，應選用離心式進口構件。開采量較大，應選用離心式進口構件。除霧器：考慮到成本及維修難易程度，應選用平行除霧器：考慮到成本及維修難易程度，應選用平行板除霧器。板除霧器。其他各其他各類內內部部構構件的件的選取取Company Logo根據(jù)已知所得根據(jù)已知所得數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)畫畫出的裝配出的裝配圖如下：如下：基于基于ANSYS有限元分析的強度校核有限元分析的強度校核在壓力容器的應力分析設計過程中在壓力容器的應力分析設計過程中,壓力容器部件設計壓力容器部件設計所關心的是應力沿壁厚的分布規(guī)律及大小所關心的是應力沿壁厚的分布規(guī)律及大小,可采用沿壁厚方可采用沿壁厚方向的向的“校核線校核線”來代替校核截面。來代替校核截面。根據(jù)對所選根據(jù)對所選“校核線校核線”上的應力進行分類上的應力進行分類,得出各類應得出各類應力的值力的值,若滿足強度要求若滿足強度要求,則所設計容器是安全的。則所設計容器是安全的。Company LogoCompany Logo設計壓力的確定設計壓力的確定 因因本本設設計計中中不不包包含含對對壓壓力力容容器器的的水水壓壓試試驗驗、氣氣壓壓試試驗驗和和氣氣密密性性試試驗驗。所所以以直直接接采采用用壓壓力力容容器器設設計計規(guī)規(guī)范范GB150設設定定的的設設計計壓壓力力、腐蝕余量與單位容積充裝量。如下：腐蝕余量與單位容積充裝量。如下：液化石油氣(50飽和蒸氣壓大于1.62MPa)2.16l0.42介 質設計壓力MPa罐體腐蝕裕量mm單位容積充裝量（t/m3）應力分析結果圖：應力分析結果圖：Company Logo結果分析：果分析：Company Logo 從從結結果果模模擬擬圖圖10中中可可以以看看出出，最最大大應應力力強強度度出出現(xiàn)現(xiàn)在在過過渡段渡段與與球球殼殼連連接接處處，最大，最大應應力強度力強度值為值為260.594MPa?？煽梢娨姺址蛛x離器器的的結結構構在在內內壓壓作作用用下下產產生生了了一一定定的的變變形形，迫迫使使筒筒體體段段在在X方方向向產產生生位位移移，球球殼殼在在Y方方向向有有了了一一定定的的變變形。形。Company Logo主體材料的選用：主體材料的選用：因因容容器器所所受受的的最最大大應應力力已已知知，那那么么就就可可以以根根據(jù)據(jù)GB_713-2008_鍋鍋爐爐和和壓壓力力容容器器用用鋼鋼板板規(guī)規(guī)范范中中所所規(guī)規(guī)定定的標準來取最適宜來鑄造容器的材料的標準來取最適宜來鑄造容器的材料GB_713-2008部分常用材料規(guī)范如下：部分常用材料規(guī)范如下：根根據(jù)據(jù)GB_713-2008內內資資料料，可可以以查查得得最最適適宜宜當當容器材料的是容器材料的是Q345R。其力學性能如下：。其力學性能如下：50時時材材料料為為Q345R厚厚度度為為15mm的的鋼鋼板板抗抗拉拉強度為強度為510640Rm/(N/mm2)。Company Logo總結總結 這次畢業(yè)設計油氣水三相分離器的設計讓我對這次畢業(yè)設計油氣水三相分離器的設計讓我對的設計流程有了更清楚的認識，更重要的是復習了以前的設計流程有了更清楚的認識，更重要的是復習了以前書本上學到的理論知識，提高了我的自學能力以及抗打書本上學到的理論知識，提高了我的自學能力以及抗打擊能力?？梢哉f這既為我四年的大學生涯畫上了圓滿的擊能力?？梢哉f這既為我四年的大學生涯畫上了圓滿的句號，也為我將來的人生道路做了一個很好的鋪墊，是句號，也為我將來的人生道路做了一個很好的鋪墊，是通向將來職業(yè)生涯的橋梁。通向將來職業(yè)生涯的橋梁。Company LogoCompany LogoThe End 任務書 學院（系）專業(yè) 班級裝備學生姓名 指導教師/職稱 1. 畢業(yè)設計(論文)題目： 油-氣-水三相分離器的設計 2. 畢業(yè)設計（論文）起止時間：2013 年3 月 日～2013年 6月 日 3．畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分） 1）處理能力：含水原油2000 m3/d、天然氣2.0×104 nm3/d 2）原油密度860 kg/m3(200C) 3）含水率85%~89%， 4）參考資料： （1）馮叔初，油氣集輸、石油大學出版社，1988 （2）龔偉安，鉆井液固相控制技術與設備，石油工業(yè)出版社，1995 （3）周力行，湍流兩相流與燃燒的數(shù)值模擬，清華大學出版，1991 4．畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 （1）概述油-氣-水三相分離技術及進展、各種常見分離器介紹； （2）油-氣-水三相分離器設計方案分析與確定； （3）設備定尺計算； （4）結構設計及強度計算； （5）油-氣-水三相分離器內流場模擬。 5．畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求 1）翻譯與油-氣-水三相分離器有關的英文資料3000漢字； 2）完成畢業(yè)設計說明書一份； 3）繪制油-氣-水三相分離器總裝配圖； 4）繪制油-氣-水三相分離器二維加工圖、三維實體圖； 5）開題報告。 6．完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求 學習流體力學、多相流分離理論 熟悉Fluent或Comsol 上機200學時以上 任務書批準日期 2013年 3 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 2013年 3 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 教師評審意見 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 油-氣-水三相分離器的設計 指導教師 職 稱 講師 評審日期 2013年6月10日 評審參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 （注：此頁不夠，請轉反面） 評閱教師評語 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 油-氣-水三相分離器的設計 評閱教師 職 稱 講師 評閱日期 2013年6月11日 評閱參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評語： 評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 （注：此頁不夠，請轉反面） 答辯記錄及成績評定 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 油-氣-水三相分離器的設計 答辯時間 2013 年 6 月 13 日 8:00～17:40時 答辯地點 7教院會議室 一、答辯小組組成 答辯小組組長：眭滿倉 成 員：張善彪 謝麗芳 錢利勤 黃天成 門朝威 二、答辯記錄摘要 答辯小組提問（分條摘要列舉） 學生回答情況評判 三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_______分 畢業(yè)論文(設計)最終成績評定(依據(jù)指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文(設計)評分的相關規(guī)定) 等級(五級制)：_______ 答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 2013年 6月13日 院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章) IX 開題報告 題 目 名 稱 油-氣-水三相分離器的設計 院 （系） 專 業(yè) 班 級 學 生 姓 名 指 導 教 師 輔 導 教 師 開題報告日期 2013年4月19日 油-氣-水三相分離器的設計開題報告 1． 題目來源 生產實踐 2． 研究目的和意義 地層中到達油氣水井口并繼而沿出油管或采氣管流動時，隨壓力和溫度條件的變化，常常形成油氣水三相。為滿足油田儲存和管道輸送的需要，必須將已經形成的油、氣、水三相分離開。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介質和被分離物質的密度差（即重力場中的重度差）來實現(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，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題。因此，設計一種高效的分離器，對于提高分離效率、節(jié)省生產成本、降低能量損耗、獲取更高的經濟效率等具有重要的意義。 3． 主要參考文獻及資料名稱 [1] 夏清，姚玉英，陳常貴等. 化工原理[M]. 天津 ：天津大學出版社，2001 [2] 華南理工大學化工原理教研組. 化工過程及設備設計[M]. 廣州：華南理工大學出版社，1996 [3] 刁玉瑋，王立業(yè). 化工設備機械基礎（第五版）[M]. 大連：大連理工大學出版社, 2000 [4] 陳殿義. 國內外油頁巖開采方法和利用現(xiàn)狀[J]. 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ACC '07 10.1109/ACC.2007.4282265 [40] Real-Time Measurements of Oil, Gas and Water Contents Using an EM Wave Sensor for Oil-Marine-Environment Industries Wylie, S.R. ; Shaw, A. ; Al-Shamma'a, A.I. Microwave Conference, 2006. 36th European. 10.1109/EUMC.2006.281389 4． 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1. 分離器類型 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分離、油氣水三相分離器、計量分離器和生產分離器。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分離器、油氣水三相分離器。計量分離器和生產分離器按其工作壓力可分為真空(P<0.1MPa)、低壓(0.1MPa6MPa)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. 發(fā)展現(xiàn)狀 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構，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，內部安裝有疏流板、折流板和除霧器等一些簡單的內部構件，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，油水分離池的發(fā)展經歷了API(普通隔油池)、PPI（平行板隔油池）和CPI（波紋板隔油池）。API型油水分離池由美國石油學會研制，之后殼牌公司在此基礎上通過添加內部傾斜平板得到了PPI型油水分離池，不久又對其進行改進，將平板換為波紋板，不僅提升了分離效果，同時也降低了成本。CPI型油水分離池的優(yōu)點是油水分離效果好，停留時間短（一般不超過30分鐘），占地面積小。 英國Farm公司于70年代初開發(fā)了聚結板分離器，其內部聚結構件由V型板疊加構成，聚結板材料為玻璃纖維，聚結油滴可以從板上的放液孔垂直穿過。該設備對含油量在200～1000mg/L的污水的處理效果較好，出口水質可達到50mg/L。80年代CE-NATCO公司開發(fā)了商標為Performax的板式聚結器，這是一種錯流式組合波紋板。經過不斷研究開發(fā)，這種設備已廣泛應用于油氣分離、油水分離一集含油污水的凈化等方面。 前蘇聯(lián)油氣科學研究設計院以一般沉降理論為依托，研制出BAC-1-100型全自動三相分離器，該分離器內部采用的是堰板式結構，使油水界面實現(xiàn)了自動調節(jié)。美國CE-NATCO公司應用“淺池原理”研制出油水快速分離設備，該設備的特點是采用臥式結構，油氣水在分離器內部沿軸向流動，在軸向添加Performax金屬聚結器，打打縮短了油滴聚結沉降的時間，并使分離效率得到了一定的提高。雖然這兩種分離器的設計原理不同，但優(yōu)點相同，即乳化液停留時間短，油水分離效率高，分離后的原油和污水質量好并且操作平穩(wěn)。瑞典阿法拉法公司應用離心分離原理研制開發(fā)的蝶片式離心機占地面積小、重量輕、液體停留時間短，可分離的誰中油滴和固體顆粒的直徑分別為3μm、0.55μm，并且該設備可與其他設備組合應用，操作簡單，特別適合海上平臺的操作。美國的F.A.Kenawy等人在常規(guī)的重力式橫向流式分離器基礎上增加了一個機械裝置，將分離板由靜態(tài)設計改為了動態(tài)設計，從而優(yōu)化了油水分離過程。 2.1. 國外分離器發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國外的三相分離器研究已經比較成熟，三相分離器的生產也實現(xiàn)了標準化、系列化。比較知名的三相分離器生產廠商有英國的Expro公司、美國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支持，可以根據(jù)用戶的需求生產不同種類的多相分離設備。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技術和升級過后的Coriolis流量計，使得經過該設備分離后的各相純凈度和測量精度都得到了較大的提高；Expro公司根據(jù)泰國Nang Nuan油田的實際需要為其專門定制了一款多級分離設備，其原油處理流量為12000桶/日；此外Cameron公司現(xiàn)在市場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. 國內分離器發(fā)展現(xiàn)狀 我國對于油田地面設備的研究起步較晚，但自80年代起開始引進國外先進技術以來，我國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內外需求的不斷增加，涌現(xiàn)了許多有著較高技術水平的新分離器生產廠家。中國石油技術開發(fā)公司研發(fā)了一款新型高效的油氣水三相分離器，它使用防波板等內部構件以消除進液對于分離場的影響，另外該產品使用高性能的化學破乳劑，使用分離效果得到了較大改善，其中輕、重質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、中質原油高效油氣水三相分離器，該型三相分離器采用兩項專利技術，執(zhí)行ASME、ASPI、GB150及相關規(guī)范和標準，設備采用來液預處理、板槽式布液、機械破乳、高效填料聚結和整流、油水液位及油水界面自控等技術為油水分離和氣液分離提供了良好的流場環(huán)境及分離環(huán)境。中、高含水原油經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。 另外，威瑞泰默斯生產的高效復合三相分離器STS采用氣液中度旋流技術、壓縮氣浮選技術、油水界位精確測定技術、水洗技術、斜板沉降技術等，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；山東科瑞控股集團有限公司生產的YQ01型三相分離器，在提高分離效率減少設備投資的同時，也提高了產品的適用范圍，該產品可適應-40℃～60℃的環(huán)境溫度。 目前，我國有十幾家實力較強的分離器生產企業(yè)，部分產品分離效果已經達到了世界先進水平，有些產品甚至遠銷北美、南美、中東等地區(qū)，但國內所生產的三相分離器大多結構相似，技術單一，產品適應性較差。因此，分離器技術的豐富與發(fā)展還需要更多的研究與創(chuàng)新。 3. 油氣水三相分離器存在問題及發(fā)展趨勢 經過多年的發(fā)展，雖然油氣水三相分離器的種類與型號在不斷增多，分離效率也在不斷提高，但仍舊存在一些問題。 (l)分離效率低。隨著石油的不斷開采，多數(shù)油田的含水率大幅提升。我國89.6%油頁巖查明資源的含油率為5%～10%，通過地下原位轉化所輸出的采出液含水率也將會較高。因此致使原有油氣水三相分離器的分離效率降低。 (2)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計。若應用于其他油田，或該油田采出液組分發(fā)生變化，如含水率大幅增加，則會導致氣分離效果明顯變差。 (3)設備體積大。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大，導致使用成本增加。以臥式油氣水三相分離器為例，解決上述問題的一種有效方法就是對分離器內多相流進行流場分析，從而選取合適的內部構件并進行合理安裝。正確選取內部構件可縮短分離時間，提高分離效率，從而使分離器結構緊湊，有效減小占地面積。 隨著油頁巖等石油替代能源的出現(xiàn)及油田采出液含水率的提高，適應性強、結構緊湊、便于維護和維修的油氣水分離器的設計研制將成為國內外學者以及工程技術人員的工作重點。 5． 計劃任務書 長江大學畢業(yè)設計(論文)任務書 學院（系）機械工程學院 專業(yè) 過程裝備與控制工程 班級裝備10901 學生姓名 莊鑫 指導教師/職稱 張慢來/講師 1. 畢業(yè)設計(論文)題目： 油-氣-水三相分離器的設計 2. 畢業(yè)設計（論文）起止時間：2013 年3 月 日～2013年 6月 日 3. 畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）： 1）處理能力：含水原油2000 m3/d、天然氣2.0×10^4 nm3/d 2）原油密度860 kg/m3(200C) 3）含水率85%~89%， 4）參考資料： （1）馮叔初，油氣集輸、石油大學出版社，1988 （2）龔偉安，鉆井液固相控制技術與設備，石油工業(yè)出版社，1995 （3）周力行，湍流兩相流與燃燒的數(shù)值模擬，清華大學出版，1991 4. 畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 （1）概述油-氣-水三相分離技術及進展、各種常見分離器介紹； （2）油-氣-水三相分離器設計方案分析與確定； （3）設備定尺計算； （4）結構設計及強度計算； （5）油-氣-水三相分離器內流場模擬。 5. 畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求 1）翻譯與油-氣-水三相分離器有關的英文資料3000漢字； 2）完成畢業(yè)設計說明書一份； 3）繪制油-氣-水三相分離器總裝配圖； 4）繪制油-氣-水三相分離器二維加工圖、三維實體圖； 5）開題報告。 6. 完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求 學習流體力學、多相流分離理論 熟悉Fluent或Comsol 上機200學時以上 任務書批準日期 2013年 3 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 2013年 3 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 6． 論文的主要階段、進度與時間安排 畢業(yè)設計時間共計12周，具體安排如下： 第7周 查閱資料和翻譯外文資料 第8周 撰寫開題報告，準備開題報告答辯 第9周 確定三相分離器類型 第10周 對氣體分離部分進行設計 第11周 對油水分離部分進行設計 第12周 分析分離器縫間長度及長細比 第13周 計算分離器主題尺寸 第14周 分析并選取主要內部構件的尺寸 第15周 選取除霧器其他構件的尺寸 第16周 完成畢業(yè)論文 第17周 完成多媒體制作 第18周 修改畢業(yè)設計 7． 完成畢業(yè)設計必須具備的工作條件及解決辦法 首先在理論上要具備有較好的理論知識。通過老師的指導，在這基礎上還要對計算機的相關軟件有著較為熟練的應用。其次各類參考文獻的查閱可以利用學校圖書館以及簡便的網絡資源。最后在思想上要有飽滿的工作熱情和求實嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。 解決辦法：利用圖書館及電腦查閱相關的資料及文獻，大部分時間要在電腦上完成，在電腦上完成文字的打印及文獻的查詢，還有繪圖軟件的使用，遇到不懂的地方就向老師請教。 8． 指導老師審查意見 設計 題目名稱： 油氣水三相分離器的設計 題目類型： 學生姓名： 院 (系)： 專業(yè)班級： 指導教師： 輔導教師： 時 間： 至 目錄 畢業(yè)設計（論文）任務書 Ⅰ 畢業(yè)設計開題報告 Ⅱ 指導教師審查意見 Ⅲ 評閱教師評語 Ⅳ 答辯會議記錄及成績評定 Ⅴ 摘要 1 Abstract 2 1. 前言 3 2. 選題背景 4 2.1. 題目來源 4 2.2. 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4 2.2.1. 分離器類型 4 2.2.2. 發(fā)展歷程 4 2.2.3. 國外分離器發(fā)展現(xiàn)狀 6 2.2.4. 國內分離器發(fā)展現(xiàn)狀 6 2.3. 油氣水三相分離器存在問題及發(fā)展趨勢 7 3. 油氣水三相分離器的方案設計與結構設計 9 3.1. 三相分離器的結構及工作原理 9 3.1.1. 分離器選型 9 3.1.2. 分離器結構 9 3.1.3. 分離器工作原理 10 3.2. 三相分離器基礎設計理論 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. 分離器的縫間長度及長細比 18 4. 三相分離器的設計計算 20 4.1. 分離器的主體尺寸 20 4.2. 三相分離器的主要內部構件分析及選取 23 4.2.1. 進口構件的選取 23 4.3. 除霧器 24 4.4. 三相分離器內的其它構件 26 5. 基于ANSYS有限元分析的強度校核 28 5.1. 設計壓力 28 5.2. 容器的應力分析 29 5.3. 應力分析結果 30 6. 總結 31 6.1. 結論 31 6.2. 展望 31 致謝 33 附錄 34 第 1 頁 摘要 油氣水三相分離器的設計 [摘要]：隨著石油資源消耗的不斷增加以及可開采石油資源的減少，油頁巖成為備受關注的石油替代能源。油氣水三相分離器是油頁巖地表系統(tǒng)中的關鍵設備，采出混合液在臥式油氣水三相分離器中經由重力沉降以及碰撞聚結達到油、氣、水的分離。油氣田生產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回收輕質油及其它產品，這些裝置都有對油、氣、水混合液進行分離的工藝過程。本文針對生產實踐中所取得的一些數(shù)據(jù)進行模擬設計出所對應油氣水三相分離器的參數(shù)，并對其進行ANSYS模擬所受應力情況。 [關鍵詞]：油氣水三相分離，臥式分離器，ANSYS模擬。 第 1 頁 第 5 頁 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 地層中到達油氣水井口并繼而沿出油管或采氣管流動時，隨壓力和溫度條件的變化，常常形成油氣水三相。為滿足油田儲存和管道輸送的需要，必須將已經形成的油、氣、水三相分離開。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介質和被分離物質的密度差（即重力場中的重度差）來實現(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，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題。因此，設計一種高效的分離器，對于提高分離效率、節(jié)省生產成本、降低能量損耗、獲取更高的經濟效率等具有重要的意義。 第 39 頁 2選題背景 2. 選題背景 2.1. 題目來源 生產實踐。 2.2. 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2.2.1. 分離器類型 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分離、油氣水三相分離器、計量分離器和生產分離器[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分離器、油氣水三相分離器。計量分離器和生產分離器按其工作壓力可分為真空(P<0.1MPa)、低壓(0.1MPa6MPa)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構，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，內部安裝有疏流板、折流板和除霧器等一些簡單的內部構件，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，油水分離池的發(fā)展經歷了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石油學會研制，之后殼牌公司在此基礎上通過添加內部傾斜平板得到了PPI型油水分離池，不久又對其進行改進，將平板換為波紋板，不僅提升了分離效果，同時也降低了成本。CPI型油水分離池的優(yōu)點是油水分離效果好，停留時間短（一般不超過30分鐘），占地面積小。 圖1 臥式三相分離器內部結構圖 英國Farm公司于70年代初開發(fā)了聚結板分離器，其內部聚結構件由V型板疊加構成，聚結板材料為玻璃纖維，聚結油滴可以從板上的放液孔垂直穿過。該設備對含油量在200～1000mg/L的污水的處理效果較好，出口水質可達到50mg/L。80年代CE-NATCO公司開發(fā)了商標為Performax的板式聚結器，這是一種錯流式組合波紋板。經過不斷研究開發(fā)，這種設備已廣泛應用于油氣分離、油水分離一集含油污水的凈化等方面[4]。 前蘇聯(lián)油氣科學研究設計院以一般沉降理論為依托，研制出BAC-1-100型全自動三相分離器，該分離器內部采用的是堰板式結構，使油水界面實現(xiàn)了自動調節(jié)。美國CE-NATCO公司應用“淺池原理”研制出油水快速分離設備[5]，該設備的特點是采用臥式結構，油氣水在分離器內部沿軸向流動，在軸向添加Performax金屬聚結器，打打縮短了油滴聚結沉降的時間，并使分離效率得到了一定的提高。雖然這兩種分離器的設計原理不同，但優(yōu)點相同，即乳化液停留時間短，油水分離效率高，分離后的原油和污水質量好并且操作平穩(wěn)。瑞典阿法拉法公司應用離心分離原理研制開發(fā)的蝶片式離心機占地面積小、重量輕、液體停留時間短，可分離的誰中油滴和固體顆粒的直徑分別為3μm、0.55μm，并且該設備可與其他設備組合應用，操作簡單，特別適合海上平臺的操作。美國的F.A.Kenawy等人在常規(guī)的重力式橫向流式分離器基礎上增加了一個機械裝置，將分離板由靜態(tài)設計改為了動態(tài)設計，從而優(yōu)化了油水分離過程。 2.2.3. 國外分離器發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國外的三相分離器研究已經比較成熟，三相分離器的生產也實現(xiàn)了標準化、系列化。比較知名的三相分離器生產廠商有英國的Expro公司、美國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支持，可以根據(jù)用戶的需求生產不同種類的多相分離設備。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技術和升級過后的Coriolis流量計，使得經過該設備分離后的各相純凈度和測量精度都得到了較大的提高；Expro公司根據(jù)泰國Nang Nuan油田的實際需要為其專門定制了一款多級分離設備，其原油處理流量為12000桶/日；此外Cameron公司現(xiàn)在市場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. 國內分離器發(fā)展現(xiàn)狀 我國對于油田地面設備的研究起步較晚，但自80年代起開始引進國外先進技術以來，我國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內外需求的不斷增加，涌現(xiàn)了許多有著較高技術水平的新分離器生產廠家。中國石油技術開發(fā)公司研發(fā)了一款新型高效的油氣水三相分離器，它使用防波板等內部構件以消除進液對于分離場的影響，另外該產品使用高性能的化學破乳劑，使用分離效果得到了較大改善，其中輕、重質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、中質原油高效油氣水三相分離器，該型三相分離器采用兩項專利技術，執(zhí)行ASME、ASPI、GB150及相關規(guī)范和標準，設備采用來液預處理、板槽式布液、機械破乳、高效填料聚結和整流、油水液位及油水界面自控等技術為油水分離和氣液分離提供了良好的流場環(huán)境及分離環(huán)境。中、高含水原油經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 立式旋風分離器結構 另外，威瑞泰默斯生產的高效復合三相分離器STS采用氣液中度旋流技術、壓縮氣浮選技術、油水界位精確測定技術、水洗技術、斜板沉降技術等，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；山東科瑞控股集團有限公司生產的YQ01型三相分離器，在提高分離效率減少設備投資的同時，也提高了產品的適用范圍，該產品可適應-40℃～60℃的環(huán)境溫度[6]。 目前，我國有十幾家實力較強的分離器生產企業(yè)，部分產品分離效果已經達到了世界先進水平，有些產品甚至遠銷北美、南美、中東等地區(qū)，但國內所生產的三相分離器大多結構相似，技術單一，產品適應性較差[7]。因此，分離器技術的豐富與發(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題及發(fā)展趨勢 經過多年的發(fā)展，雖然油氣水三相分離器的種類與型號在不斷增多，分離效率也在不斷提高，但仍舊存在一些問題[8]。 分離效率低。隨著石油的不斷開采，多數(shù)油田的含水率大幅提升。我國89.6%油頁巖查明資源的含油率為5%～10%，通過地下原位轉化所輸出的采出液含水率也將會較高。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?，F(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計。若應用于其他油田，或該油田采出液組分發(fā)生變化，如含水率大幅增加，則會導致氣分離效果明顯變差。 設備體積大。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大，導致使用成本增加。以臥式油氣水三相分離器為例，解決上述問題的一種有效方法就是對分離器內多相流進行流場分析，從而選取合適的內部構件并進行合理安裝。正確選取內部構件可縮短分離時間，提高分離效率，從而使分離器結構緊湊，有效減小占地面積。 隨著油頁巖等石油替代能源的出現(xiàn)及油田采出液含水率的提高，適應性強、結構緊湊、便于維護和維修的油氣水分離器的設計研制將成為國內外學者以及工程技術人員的工作重點。 4三相分離器的設計計算 3. 油氣水三相分離器的方案設計與結構設計 3.1. 三相分離器的結構及工作原理 3.1.1. 分離器選型 生產分離器，即油氣或油氣水分離器，是油田生產的關鍵設備。它的作用是利用重力沉降原理使油井生產出的油氣混合物實現(xiàn)初步分離。 分離器的設計與選型是油氣生產系統(tǒng)設計中的重要一環(huán)。通常，分離器設計與選型的主要內容包括下述四個方面(不包括分離器上各類儀表及外部管線的設計)： 分離器型式的選擇，分離器尺寸的確定，分離器內部結構及附件的設計與選型，分離器結構設計(筒體及各類噴嘴)。 從系統(tǒng)上講，如果生產流體溫度較低且含水量較高，為了減少熱負荷，就需要提前分離游離水，即第一級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。 而無論是立式分離器，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)。 對于立式分離器和臥式分離器，上述第一項與第三項基本相同，而第二、第創(chuàng)項則不同。從重力沉降部分液滴下落方向與氣流運動方向來看，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行三相分離。 在油氣分離系統(tǒng)設計中，一般對氣、油比值高的油氣混合物采用臥式分離器，對中、低氣、油比值的油氣混合物采用立式分離器。 又因計劃任務書中要求原油密度為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. 分離器結構 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)四個部分： 1) 入口分流區(qū) 油田采出液在進入分離器時是典型的高粘湍流混合液，正是因為這種高粘狀態(tài)使其在進入分離器時動能比較大，而入口分流區(qū)也正是利用了混合液較高的動能，通過突然改變混合液的方向吸收其動能，達到氣液的初步分離。 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間。需要指出的是油與水的分離時間要明顯高于氣液的分離時間。 3) 重力沉降區(qū) 重力沉降區(qū)一般是對十氣體而言，即進入該區(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) 氣體在經過重力沉降區(qū)后，較大的液滴已經沉降至液體中，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除霧器時得以去除，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 臥式三相分離器結構示意圖 圖3是典型的臥式三相分離器結構示意圖，油井來液進入分離器后首先進入入口分流區(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，這種液流動量的突然改變，造成了氣液的預分離。預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間使油能聚集到上層而水沉降到底層，在大多數(shù)設計中，入口分流區(qū)往往裝有液相導管，將預分離后的液體引入油水界面以下，這樣可以促進水珠的聚沉。在經過集液區(qū)后，上層的油液溢過堰板進入其后的油室，通過液位控制閥實時排出油液控制油室的油位；為保持油水界面的高度，下層的水相經另一液位控制閥控制后由排水閥離開分離器。預分離后的氣體進入重力沉降區(qū)，并在氣相中攜帶的較大液滴完成沉降后經除霧器到達壓力控制閥，通過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)油氣分離的相對重要性可由直徑的 1/2 變到 3/4，但在通常情況下會選擇半滿狀態(tài)。 重力式分離器的設計主要是依據(jù)已有的設計規(guī)范和標準，而已有規(guī)范中只有對兩相分離器設計的規(guī)定[13]，對于三相分離器的設計計算，規(guī)范中并未涉及。另外，國內目前沒有通用的三相分離器的計算方法，探討較多的是以氣液沉降理論為依據(jù)進行的尺寸設計，盡管具體設計的名稱、公式、符號等略有差異，但其原理一致，且設計步驟基本通用，本章將以臥式三相分離器的設計為例對三相分離器設計進行理論研究。 3.2. 三相分離器基礎設計理論 對三相分離器進行尺寸設計，可以分為以下兩個部分，即氣液分離和油水分離。而無論是油水沉降部分還是氣體分離部分，都是以相關的約束條件為基礎，通過計算求取分離器的有效長度和分離器的直徑又或者二者的關系式[14]。 分離器的設計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條件，即液滴沉降、液滴的大小和停留時間。 3.2.1. 液滴沉降 在分離過程中，液滴在各個具體條件下分離效果不能進行直接計算，所以為了簡化計算過程，通常假設液滴是球形液滴，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的勻速運動時的速度。下面以氣體中液滴的沉降為例進行說明，設氣體中的液滴所受重力與浮力之差為，液滴下落時氣體對其阻力為，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）； 當液滴所受重力與浮力之差等于阻力時，液滴作勻速運動，此速度即為沉降速度。令，可得： （3） 當液滴周圍流動是層流時，斯托克斯定律適用于此過程且，此時 （4） 然而，在實際生產當中，斯托克斯定律并不適用于一切情況，根據(jù)流體流動狀態(tài)不同可根據(jù)雷諾數(shù)（Re）的大小確定此時運用的阻力系數(shù)表達式： （5） 在產品設計過程中，當需要獲得更準確的阻力系數(shù)時，就需要引入更加完整的阻力系數(shù)方程： （6） （7） 此時，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)； ……液滴對于水的相對密度（）； ……氣體對于水的相對密度（）； ……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算時需根據(jù)具體情況，使用不同的相對密度差、粘度和液滴尺寸。 3.2.2. 液滴尺寸 對于氣液分離部分而言，重力沉降區(qū)的作用在于除去預先選定好尺寸的液滴，為氣體進入除霧器做準備。因為如果有過多大顆粒的液滴存在，那么除霧器就會被浸漬，不能完成其應有的高純度凈化。根據(jù)一般油井分離器經驗，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的顆粒在經過重力沉降區(qū)之后可以被認為已經去除，而直徑更小的液滴會在離開分離器時被除霧器處理。所以在設計時，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行設計。但是對于油中水滴的脫除和水中油滴的脫除，要預測其尺寸是十分困難的，所以在進行分離器設計時通常將直徑為100油滴的沉降速度作為分離器參數(shù)設計依據(jù)[16]。 而水相中油滴的脫出通常很少考慮，是因為油滴從水相中脫出要比水滴從油相中分離容易的多，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. 停留時間 停留時間是指一個液體分子在容器中停留的平均時間。它需要保證氣液在分離器中達到平衡，而原油的儲存量要保證可以使閃蒸汽析出，同時油相中的水滴可以凝結成液滴沉降公式中所述的下沉尺寸。根據(jù)實際經驗來看，對十氣液分離，氣相的停留時間通常為30s～3min,而液相的停留時間則較長，通常需要3～30min，對于水相而言，若沒有可用的合適數(shù)據(jù)，通常采用10min作為其停留時間。 3.3. 氣相中的液滴分離 對重力式三相分離器進行尺寸設計，需要先確定分離器的有效長度和分離器尺寸直徑。對于氣液分離部分來講，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，并有足夠的時間使分離器內各相內達到相平衡。 根據(jù)沉降原理可以設立出針對氣體容量約束的尺寸方程（13），該方程的設立依據(jù)是氣體停留時間等于液滴沉降至液面所需的時間。對于“半滿式”容器來說，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有效長度的時間不大于液滴沉降至液面的時間時，才能保證液滴沉降的順利進行。如圖4所示氣體沿水平方向流動，其速度為，顆粒的沉降速度為，為了保證顆粒沉降的順利進行，必須保證處于最靠近輸入點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度內沉降至氣液分界面。 圖4 臥式分離器液滴沉降模型 設液滴隨氣流流過有效長度的時間為，液滴沉降至液面的時間為，則 （9） （10） 而氣體的流速可以通過氣體流量與橫截面積之比求得，即，其中 （11） （12） 而可通過沉降速度公式（8）求得，臨界狀態(tài)時液滴隨氣流流過有效長度的時間與液滴沉降至液面的時間相等，設=，可求得氣體容量約束方程： （13） 以上各式中，D……容器外徑（m）； ……有效長度（m）； T……運行溫度（K）； ……常溫常壓下氣體流量（）； P……運行壓力（）； Z……氣體壓縮系數(shù)； ……氣體流速（）； ……液滴對于水的相對密度（）； ……氣體對于水的相對密度（）； ……液滴直徑（）； ……阻力系數(shù)； 3.4. 油水的沉降分離 在對三相分離器進行液液分離之前需先考慮其的停留時間，這里的停留時間指水相停留時間和油相停留時間，原油的儲存量或者說油相的停留時間要保證游離水在該時間內可以聚結至足夠大的尺寸以達到下沉分離的目的，同時液相當中的氣體可以釋放出，使氣相和液相達到相平衡。該約束對于油氣兩相分離而言，即是指液體容量約束。設分離器有效長度部分的容積為，液體流量為，停留時間為則且，進而可知分離器內油相的體積如下： （14） 分離器內水相的體積為： （15） 因為容器為半滿式容器，故液體體積為容器體積的一半，即可知： （16） 聯(lián)立以上三個式子就可以得到停留時間限制而得的分離器直徑與有效長度的可取組合： （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（）； 、、……停留時間、油相停留時間、水相停留時間（）； 、、……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算，即上式中雷諾數(shù)計算公式（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間，可以確定水滴所能夠沉降的距離，從而可進一步推得油相厚度的最大尺寸。設油相中水滴的沉降時間為（），油層的厚度是（），則有，即： （18） 要使水滴能夠穿過油層，則必須使水滴在油相停留時間內的沉降距離大于油層本身的厚度，或者說水滴穿過油層的沉降時間小于在油相中的停留時間，臨界狀態(tài)下即二者相等?？紤]油相的停留時間單位為分鐘，故臨界狀態(tài)時為，即有： （19） 式中，……油層最大厚度（）； ……水滴在油相中的沉降時間（）； ……油相的粘度（）； 、……水相、油相對于水的相對密度； ……水在油相中的停留時間（）； ……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　 計算水相在分離器內體積的比例，即其在分離器內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　 計算最大直徑 因為水相中油滴的分離與油相中水滴的沉降原理及計算過程一致，只需將黏度及停留時間等參數(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，所以設計時通常以油層中水珠的分離為設計依據(jù)。 3.6. 分離器的縫間長度及長細比 除了已經經計算可以求解的分離器的有效長度以及分離器的直徑以外，分離器的縫間長度還應包括圖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。 基于氣體容量設計的分離器尺寸，縫間長度一部分用來均勻分布入口分流區(qū)的液流，另一部分需要用來安置氣出口處用于去除小液滴的除霧器裝置，其經驗計算公式為： （21） 而根據(jù)液體容量設計的分離器尺寸，分離器的縫間長度的一部分需用來均勻分布入口分流區(qū)及出口區(qū)的液流，該長度的經驗公式為： （22） 所以在計算分離器的總體長度時，應選取上述二式中的較大值。分離器尺寸設計的原則是在完成規(guī)定分離要求的前提下使分離器的成本盡可能達到最低。然而毫無疑問的一點是，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，會增加湍流的產生，還會增大氣體再次進入液體的可能性。根據(jù)以往資料及實際經驗表明，分離器的縫間長度與直徑的比值應控制在3～5之間，即最佳長細比為3～5。 4三相分離器的設計計算 4. 三相分離器的設計計算 4.1. 分離器的主體尺寸 因設計任務書中含水原油與天然氣的處理能力已經確定，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，故計算可知水相最大液體流量，油相最大液體流量。 在缺乏實驗數(shù)據(jù)的情況下，時原油的粘度可以用下式進行粗略計算： （23） （24） 因原油密度已知，故可以得到此時的原油的粘度為： （25） 德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦在假設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。 美國學者肯·阿諾德提出當乳狀液（即油水混合物）中含水率大于70%時[17]，油水將無法保持混合狀態(tài)，會迅速分層，并且此時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)相的體積分數(shù)。 由于本設計中含水率達到，故取，可以求得油相的粘度： （28） 通過經驗可取水在油相中的停留時間，故可通過之前所得公式計算最大油層厚度： 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，可通過上圖查得系數(shù)，進而可求得分離器最大直徑： 因此分離過程中溫度控制可假定維持20，而天然氣的動力粘度近似接近于20常壓下的空氣的動力粘度，即： 而阻力系數(shù)也可以根據(jù)經驗初定為0.34，天然氣密度則可查表得知其在標況下密度約為，以此即可通過VB編寫簡易循環(huán)程序迭代求解氣相中液滴的沉降速度與阻力系數(shù)，迭代結果如下： 在求得阻力系數(shù)后，即可通過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度的組合，據(jù)前式有： 再通過上式即可求得滿足停留時間約束且分離器直徑不大于的分離器直徑與有效長度的組合： 由于在上述兩式中，分離器直徑的單位為，有效長度的單位為，理論上在分離器直徑相同的情況下應該取上述兩個約束方程中較大的有效長度值。但計算后可以發(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度的組合時可以僅以停留時間約束方程為依據(jù)?？p間長度取之前兩式中計算所得的較大值。所得直徑與長度的組合關系如下表1所示： 直徑 有效長度 縫間長度 長細比 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 計算所得直徑與長度組合關系表 由表1可繪制分離器直徑與分離器長度的關系曲線圖圖6與分離器直徑與長細比的關系曲線圖圖7。 圖6 分離器直徑與分離器長度的關系曲線圖 圖7 分離器直徑與長細比的關系曲線圖 根據(jù)經驗，分離器的長細比應控制在3~5之內[18]，而由分離器直徑關系圖可知，分離器直徑大約在3~4m之間時，其長細比滿足要求，而當分離器直徑在該范圍內時，其長度約為10~15m。為了計算方便，分離器直徑選為3.5m，對應的分離器長度取整為12m。 4.2. 三相分離器的主要內部構件分析及選取 三相分離器的分離計算是建立在一個穩(wěn)定的流場基礎上的，同時理想化了一些因素，而分離器內液位控制等更需要一個相對穩(wěn)定的流場，為了能夠順利實現(xiàn)分離器的分離性能，有時需要添加一些內部構件，以使分離器的內部環(huán)境更適合分離的進行或者說能夠提高分離性能和穩(wěn)定性。 4.2.1. 進口構件的選取 進口構件也可以稱為入口分流器，他的作用主要是實現(xiàn)氣體和液體的預分離。進口構件有很多種，最基本的有以下兩種，分別是碰撞式和離心式。碰撞式的進口構件通常使用平板、彎板、圓盤等任意可以迅速改變進口流體的方向而不會在其中殘存液體或氣體的構件。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。對于油氣水三相分離器而言，在分離液進入分離器撞擊進口構件后，氣體迅速改變方向，流過進口構件，而液體則落至容器底部，從而完成氣體與液體的預分離。 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，這種構件主要要求擋板是耐沖擊的結構，而由于結構簡單，所以在早期得到了較多的應用。 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進入分離器的混合液進行預分離，這種分離器內通常安裝有旋流噴嘴或者將入口部分設計成切向流體軌道，使得入口流體進入后形成旋轉流。離心式的進口構件相對于其它進口構件而言，具有更高的分離效率，同時還可以減少分離液的泡沫與乳化問題，但是它的結構相對復雜，且要求較嚴格的計算，最重要的一點是離心式進口構件對流量的變化非常敏感，流量小或者流量不穩(wěn)定的情況下，這種進口構件很難發(fā)揮其作用，這也是這種構件在實際應用中受到的主要限制。 由于本設計中開采量較大，故應選用離心式進口構件。 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氣出口的前方，以避免在沉降分離段因尺寸過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三相分離器是至關重要的。除霧器的種類繁雜，在選型或者設計前，必須考慮以下幾點：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；捕霧器對液體的處理能力；分離器內是否適合安裝捕霧器以及除霧器的成本。 所有的分離器的設計都是以重力和拖曳力的平衡為設計依據(jù)的，對于重力式油氣水三相分離器而言，可以通過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，也可以通過使小液滴撞擊聚并為更大尺寸的方法去除。在類型眾多的除霧器產品中，應用最為廣泛的是沖擊型的除霧器，它在適應范圍、工作效率等很多方面都有優(yōu)勢。這種類型的除霧器通常是在分離器內安裝盤或者安裝折板，當氣流運動到折板或者盤的表面時，氣流會沿著其展開，氣流的速度越大，它所攜帶的液滴越是靠近盤或者折板的表面，而這些液滴是會被折板或者盤捕獲的，其機理有以下三種：慣性沖擊圖9（a）、直接攔截圖9（b）和布朗擴散圖9（c）。 圖9 沖擊型捕霧器作用機理 慣性沖擊又稱為間隙沖擊。經過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量，故其有足夠的能量沖破氣流的影響繼續(xù)沿直線運動，直到撞擊到除霧器折板或者說盤表面上。撞擊是除霧器最重要的機理。 直接攔截。對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的表面，相反的這些小液滴會被氣流攜帶，若這些運動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際距離比小液滴的半徑小，那么這些液滴就會碰到折板從而聚結起來。 布朗擴散。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產生隨機的布朗運動，其結果是這種隨機的運動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填料式也可以是平行板式，前者成本低但易堵塞，后者價格較高但不宜損壞或堵塞，而其尺寸通常交由生產商確定。 而因本設計中分離器尺寸設計較大的同時，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. 三相分離器內的其它構件 分離器內還有多種比較重要的內部構件[20]，這些構件沒有具體的設計標準，往往需要試驗模擬或根據(jù)實際經驗確定。 防渦器[21]是油氣水三相分離器內不可缺少的一種構件[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可能造成的渦流，因為這些渦流會造成分離器內的氣體下落至液體出口。 對于筒體較長的臥式分離器往往需要安裝整流板，這些所謂的整流構件大多是一些簡單的開孔平板或者柵板，并且與液流方向垂直放置。整流構件對于進口液流能量較大的情況是需要的，因為這些具有較大能量的液流在進入分離器時往往會使分離器內產生波浪，這些波浪對液位檢測是相當不利的，所以應該盡量避免或減小波浪的產生。 安裝在分離器內的聚結構件能夠促進油水分離的進行，它會使油相中的水滴或水相中的油滴發(fā)生聚結，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容易。 對于采出液中含沙量較大的情況，需要安裝專門的噴砂嘴和排砂管，因為大量泥沙的沉積不僅會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，通過噴出高壓流體（通常為水）達到清除沉積在容器底部泥沙的目的。噴砂嘴工作時，安裝于分離器底部的排砂管需要以可控的方式打開。 6總結 5. 基于ANSYS有限元分析的強度校核 5.1. 設計壓力 壓力容器設計規(guī)范GB150設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。容器裝有泄放裝置時，一般以容器的設計壓力作為容器超壓限度的起始壓力。需要時，可用容器的最大允許工作壓力作為容器超壓限度的起始壓力。采用最大允許工作壓力時，應對容器的水壓試驗、氣壓試驗和氣密性試驗相應的取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。 由于本設計中并無實際樣本進行實驗，故直接采用表2中常見介質的設計壓力、腐蝕裕量、單位容積充裝量。 介 質 設計壓力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 常見介質的設計屬性 所以可知，在本設計中設計壓力可定為2.16，罐體腐蝕裕量為1，單位容積充裝量為0.42。 5.2. 容器的應力分析 傳統(tǒng)的壓力容器標準與規(guī)范，一般屬于“常規(guī)設計”，以彈性失效準則為理論基礎，由材料力學方法或經驗得到較為簡單的適合于工程應用的計算公式，求出容器在載荷作用下的最大主應力，將其限制在許用值以內，即可確認容器的壁厚。對容器局部區(qū)域的應力、高應力區(qū)的應力不做精細計算，以具體的結構形式限制，在計算公式中引入適當?shù)南禂?shù)或降低許用應力等方法予以控制，這是一種以彈性失效準則為基礎，按最大主應力理論，以長期實踐經驗為依據(jù)而建立的一類標準[23]。 塑性理論指出，由于彈性應力分析求得的各類名義應力對結構破壞的危險性是不同的，隨著工藝條件的苛刻和容器的大型化，常規(guī)設計標準已經不能滿足要求，尤其是在應力集中區(qū)域。若不考慮應力集中而只按照簡化公式進行設計，不是為安全而過分浪費材料就是安全系數(shù)不夠。基于各方面的考慮，產生了“分析設計”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”相結合的“彈塑性失效”準則，要求對容器所需部位的應力做詳細的分析，根據(jù)產生應力的原因及應力是否有自限性，分為三類共五種，即一次總體薄膜應力（Pm）、一次局部薄膜應力（Pc）、一次彎曲應力（Pb）、二次應力（Q）和峰值應力（F）。 對于壓力容器的應力分析，重要的是得到應力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來代替校核截面。而基于彈性力學理論的有限元分析方法，是一種對結構進行離散化后再求解的方法，為了獲得所選“校核線”上的應力分布規(guī)律及大小，就必須對節(jié)點上的應力值進行后處理，即應力分類，根據(jù)對所選“校核線”上的應力進行分類，得出各類應力的值，若滿足強度要求，則所設計容器是安全的。 在壓力容器的應力分析設計中，壓力容器部件設計所關心的是應力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來代替校核截面，由于該壓力容器為軸對稱結構，本設計僅考慮對貯罐上半部即手孔一封頭，一筒體進行幾分析設計。 從上述分析可知，要完成壓力容器的應力分析設計，首先采用自底向上的方法建立有限元的幾何模型，劃分網格、施加載荷并完成有限元分析，然后進入后處理，沿容器壁厚定義路徑，將相關的應力計算結果映射到路徑，利用ANSYS的應力線性化原理，對路徑上的應力結果進行分類處理，根據(jù)材料的許用應力強度來評定應力的分類處理結果。 5.3. 應力分析結果 圖10 基于ANSYS的對分離器進行應力分析結果圖 從結果模擬圖10中可以看出，最大應力強度出現(xiàn)在過渡段與球殼連接處，最大應力強度值為260.594。 結構在內壓作用下產生了一定的變形，迫使筒體段在X方向產生位移，球殼在Y方向有了一定的變形。 所以根據(jù)此計算出來的最大應力強度值可以將分離器的主要材料初定為Q345R。50時材料為Q345R厚度為15的鋼板抗拉強度為510～640[24]。 故經過強度校核可知若使用Q345R材料，該筒體即符合要求。 ANSYS命令流見附錄1。 6. 總結 6.1. 結論 本文依據(jù)課題需要對分離器設計理論進行了研究并對油氣水臥式三相分離器進行了初步尺寸設計，在此基礎上，使用先進的計算分析軟件ANSYS對分離器的內部應力分布情況進行了分析研究。主要結論如下： 1) 依照分離器尺寸設計理論設計所得分離器油水可以達到分層的效果。氣液分離能夠達到設計要求；油水的分離效果則與設計要求稍有差距。對于初步設計所得的分離器，還需要安裝聚結構件等促進油水兩相的分離。 2) 對于入口流速較大的情況，有必要在入口部分添加構件用于減小其對流場的沖擊，并在沉降分離部分添加對氣體具有整流作用的構件，保證液滴沉降的順利進行，對于出口流速較大或出口情況不明的情形下，則應在出口前采取措施防止渦流的產生。 6.2. 展望 本文對三相分離器進行了初步設計及有限元分析研究，但在設計過程中忽略了一些次要的或者目前無法解決的因素，因此，對于三相分離器的研究還有很大的可以完善的地方： 1) 設計過程中，認為液滴為標準球形顆粒，并忽略了液滴之間相互作用的復雜情況，如果能夠將這些因素考慮進計算中，可能會提高分離器設計的精度。 2) 由于本設計未經實際檢驗，在無實際數(shù)據(jù)的情況下，許多參數(shù)按常規(guī)取值，這樣取值所得的結果是否完全合理還需要進一步驗證。 附錄1 基于ANSYS的應力分析命令流 參考文獻 [1] 胡曉林, 劉紅兵. 幾種油水分離技術介紹[J]. 熱力發(fā)電, 2008, 37(3): 91-92. 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[24] 2008 G B. 鍋爐和壓力容器用鋼板 [S][D]. 致謝 畢業(yè)設計已經接近了尾聲，這也意味著我的大學生活就要結束了，學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。? 首先，我要特別感謝我的指導老師張慢來老師。做設計的過程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。在這個過程中張老師給了我很大的的幫助，沒有他的盡心指導和嚴格的要求，我也不會順利完成這次設計。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)設計的每個階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式調整等各個環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導。這幾個月以來，張老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想給我以無微不至的關懷，在此謹向張老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。? 其次，還要感謝這四年來教我知識的每位老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。 最后，要向這四年大學生活期間所有幫助過我的同學們以及各位朋友們說一聲謝謝。 附錄1 基于ANSYS的應力分析命令流 附錄1 基于ANSYS的應力分析命令流 /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