第四章 气液分离

•已知重力沉降区气体允许流速Vg和分离条件下的气体处 理量Qg 2 对于立式分离器： Qg D vgv , D 4Qg
4
vgv
对于卧式分离器：液面控制在0.5D处
Qg
D2
8
vgh , D
8Qg
vgh
•考虑进入分离器的油气两相比例随时间的变化以及混合 物流量的波动,引入载荷波动系数β （1.2～1.5）。 •采用标准状态下的气体处理量Qgs以及工程单位（m3/d）
v d d2 g o g 18 g
0.153g 0.714 d 1.143 o g d
0.428 0.286 g g 0.714
v
gdd o g v 1.74 g
0.5
可见，油滴的匀速沉降速度与油滴直径、分离压力和温度有关。
第一节 油气两相分离器
在油气集输的过程中，油气混合物的分离总是
在一定的设备中进行的。这种根据相平衡原理，利
用油气分离机理，借助机械方法，把油井混合物分 离为气相和液相的设备称为气液分离器，或称油气 分离器。
（一）分离器的类型
按外型分：立式，卧式 按功能分：油气两相分离器、油气水三相分离器、计 量分离器、生产分离器。 按工作压力分：真空（<0.1MPa）、低压（<1.5MPa） 、中压（1.5～6MPa）、高压（>6MPa）分离器 按工作温度分：常温、低温分离器 按实现分离主要利用的能量分：重力式、离心式和混 合式
分离器质量检验指标
平衡分离效果
o
Go1 Go 2 100% Gl1 G g 2 Gg 1 Gg 2
↑
原油的脱气程度 g
100% ↑
天然气通过分离器后的质量增加率
机械分离效果
气体带液率 ko ↓ 液体带气率 k g ↓ 分离器外形尺寸 处理能力的大小
停留时间
分离器的工艺计算
油滴流态的判断
层流变为过渡流时
v1d1 g 2
v1 2 g d1 g
1 3
g

d12 g o g 18 g
d1 3.3 g g o g
2 g
过渡流变为湍流时
v2 d2 g
g
500
v2
500 g d2 g
6.其他形式的分离器
离心式分离器
•优点：占空间小，效率高。 •缺点：分离效果受油气混 合物流速的影响敏感，有较 大的压力降。 •常用于天然气甘醇脱水塔 气体出口下游，回收甘醇溶 液。也常应用其原理作重力 式分离器的入口分流器。
油气
离心式分离器
（二）对分离器的要求
•要求：分离器应创造良好条件，使溶解于原油中的气体 及气体中的重组分在分离压力和温度下尽量析出和凝析， 使油气两相接近平衡状态。这就要求在分离器内的气液接 触面积大，气液在分离器内有必要的停留时间。 •分离器内油气接近平衡状态的程度可用原油脱气程度和 天然气通过分离气后的质量增加百分数表示。
上式中，油滴沉降阻力系数CD与油滴形状、周围气体流动状 态有关。 • 流态用雷诺数判断，雷诺数的表达式为：
d d d g Re g
CD
• 阻力系数与雷诺数的关系
1.按相关式计算油滴匀速沉降速度（阻力系数法）
CD 24 3 0.5 0.34 Re Re
计算粒径为dd的阻力系数CD时，需用迭代法。步骤为： ①设CD=0.34，由式(4-4)计算该油滴的沉降速度vd； ②由求得的vd按式(4-5)求Re； ③由Re按式(4-6)求CD； ④由CD按式(4-4)求vd，与上一个vd进行比较，若在控制误 差范围内，计算所得的即为欲求的沉降速度； ⑤否则，返回步骤②直至前后两次求得的vd在控制误差范 围内。
vgv 0.7 ~ 0.8 v
d
卧式
Levgv Lev d vgh 0.7 ~ 0.8 1 hD D 1 hD D
液位在一半直径处,即hD=0.5 俄罗斯 立式
vgh
d
2 Le vgv D
vgv 0.75 ~ 0.8 v
按气体处理量确定分离器尺寸
o g
Go1 Go 2 Go1 Gg1 Gg 2 Gg1
式中
Go1 , Go 2
Gg1 , Gg 2
——分离前、后原油的质量流量； ——分离前、后天然气的质量流量；
•油气混合物组成、分离压力、温度相同条件下，ηo 和ηg 越大，表示分离器内气液两相越接近平衡状态，分离器的 平衡分离作用越完善。 •影响分离性能的因素： –油气最大流量、最小流量和平均流量； –分离压力和温度； –油气混合物进入分离器时形成段塞流的倾向； –油气物性； –原油发泡倾向； –砂、铁锈等固体杂质含量； –油气混合物的腐蚀性等。
1.74[
gd 2 o g
g
]0.5
d 2 43.5 g g o g
2 g
1 3
当d≤d1时为层流，d1<d≤d2为过渡流，d>d2时为湍流。
3.图解法求油滴匀速沉降速度
联立式（4-4）和式（4-5）：
C D (Re)2
★公式推导
Qg
D 2
4
gv

D 2
1 gv 1 4 24 60 60 D 2 gv
（1）
考虑载荷波动系数 ：
Qgvs PQg Z s Ts PTs Qg （4） ZT Ps PsTZ
24 60 60 67858 2 gv D

4
Ps Q gvs Z s Ts
油滴匀速沉降速度
重力 浮力 阻力
3 d d
6
3 d d
o g
g g
2 d d2 vd
6
R CD
4
2
g
油滴匀速沉降时，合力为零：
3 d d
6
( o g ) g CD
2 d d2 vd
4 2
g
vd [
4 gdd ( o g ) 3C D g
]0.5
•立式分离器：
pTS 1 QgVs psTZ 0.5 QgvS 67858 D 2 v gv D [ ] 或 pSTZ vgV pTs 260
•液位0.5D处卧式分离器：
QgHS 67858 DL e v gv pTS pSTZ
卧式分离器的气体处理能力为同直径立式分离器的Le/D倍。
3 4 gdd g ( o g ) 2 3 g
由上式求得CDRe2后，由上图查得CD，代入式（4-4）可 求得油滴的匀速沉降速度Vd。
4.阿基米德准数法求油滴匀速沉降速度
A 令：r d d ( o g ) g g
3
2g
，Ar 为无因次数，称为阿基米德准数，
与雷诺数有关，其值见表4-2。 表4-2 Re与Ar数的关系
•用阿基米德准数求油滴沉降速度时，先根据欲求沉降 速度的油滴直径dd 和分离条件下的油气物性参数，求 出 Ar 后，在表4-2选择相应的公式算出Re，再按Re定 义式（4-5）计算出油滴沉降速度Vd，这样避免了繁琐 的迭代。
Re
vd d d g
g
（二）气体允许流速和处理量
•立式分离器中气流方向与油滴沉降方向相反。立式分离 器油滴沉降的必要条件：油滴匀速沉降速度大于或等于气 体在流通截面上的平均流速，即
涤气器使用的场合：
在生产分离器气体出口管线下游，回收气流中因温 度、压力变化而产生的凝液； 在压缩机上游捕集气流内液滴，提高压缩机效率和 寿命； 气体冷却器下游从气流中分离产生的凝液； 天然气脱水、脱酸气的设备上游，分离气流中的游 离液体和固体杂质，以免影响脱水、脱酸气的效率并 损坏设备； 废气排放管或火炬上游应安装涤气器（也称分液罐 ），否则可能产生火雨。
第四章 气液分离
第一节 第二节 第三节 第四节 油气两相分离器 油气水三相分离器 分离器结构、控制和安全 多级分离
两个重要概念
★平衡分离：根据相平衡原理，组成一定的石油在某一压 力和温度下，就有确定的气液相组成和数量，压力温度改 变时，气液相组成和数量也随之而变，这就称为～，为自 发过程。 ★机械分离：为满足油气井产品计量、矿场加工、储存和 管道输送的需要，将已形成的气液两相分开，用不同的管 线输送，称之为～。
•集液区：为液体提供必要的停留时间使液体进一步脱气 ，收集从重力沉降区和捕集器分出的液体，平衡进液量 和排液量的不均衡，有一定的缓冲作用。 •捕雾器：利用折板、丝网垫或能产生离心力的部件，除 去气体中仍然携带的直径在10～100 μm之间的液滴。分 离器中常用的捕雾器有折板式和丝网式等。 •压力、液位控制： •安全防护部件：分离器是压力容器，按规定应在容器上 安装防止超压的安全阀，有时还装有易爆片与安全阀一 起保护分离器的安全运行。
4.卧式与立式分离器的比较： ①在立式分离器重力沉降和集液区内，分散相运动的方 向与连续相运动的方向相反，而在卧式分离器中两者是 垂直的。显然，卧式分离器的气液机械分离性能优于立 式。 ②在卧式分离器中，气液界面面积较大，有利于分离器 内气体达到相平衡。 ③无论是平衡分离还是机械分离，卧式分离器均优于立 式，即：在相同气液处理量下，卧式分离器尺寸较小、 制造成本较低。同时，卧式分离器有较大的集液区体积 ，适合处理发泡原油和伴生气的分离以及油气水三相分 离。 ④卧式分离器还有易于安装、检查、保养，易于制成撬 装装置等优点。
vd vg
•卧式分离器中气体流向和油滴沉降方向垂直。卧式分离 器油滴沉降的必要条件：油滴沉降至集液区所需的时间应 小于或等于油滴随气体流过重力沉降区所需的时间，即
Le (1 hD ) D Le vd 或v g vg vd (1 hD ) D