CN104773789B - 一种紧凑型三相分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型三相分离方法及装置。该方法组合了旋流、气浮和聚结技术，包括分离腔中气浮旋流场的建立和内筒中撇油液的聚结分离；所述装置包括罐体、分配器、射流排泄器、内筒和聚结内件、底部挡板，所述射流排泄器前部装有射流喷嘴以形成气液混合物，下部排泄管适当布置以在分离腔内建立旋转流场，从而发挥气浮与旋流分离的协同作用；所述内筒上端为撇油槽起撇油作用，内部为聚结内件可完成撇油液的聚结分离和油水独立外排，且内筒尺寸的合理设计使得分离腔内旋转流场的分布更加合理。该装置无需外部气体供应及气液辅助循环设施、结构紧凑、停留时间短、占地小，可广泛应用于含油、含气生产水或污水的脱气除油处理。

Description

一种紧凑型三相分离方法及装置

技术领域

本发明涉及一种组合了旋流、气浮和聚结技术的紧凑型三相分离方法及装置，适用于含油含气生产水或污水的脱气除油一体化处理，尤其但非排它的适用于石化酸性水的脱气除油处理。

背景技术

常规油水分离技术很多，如重力沉降、旋流分离、气浮、聚结、吸附、膜分离等，采用这些常规技术及其设备单元的串联组合来处理含油污水往往成本高、能耗高、占地大。气液分离则相对容易，分离要求不高时可采用降压闪蒸、离心脱气等简单的方法将气体分离出来，通常可将气液分离镶嵌在油水分离过程中，实现油水气的三相分离。

为节省海上平台空间、减轻负荷，欧美等国提出“内联化、紧凑化”的设计理念。近十多年来，将气浮与低强度旋流场组合，先后推出了一批紧凑型组合处理设备，如挪威Epcon公司的紧凑气浮装置(Compact Flotation Unit,CFU)、美国CETCO公司的美国Natco公司的VersaFlo^TM、法国VWS公司的Cophase^TM等都属于此类产品。CFU技术取得的巨大成功也引起了国内的重视，近几年已有多家单位申请了相关专利，根据其结构主要分为内筒内旋式和内筒外旋式两大类，由于起步较晚，国内设计基本延续国外的设计思路，做了结构方面的改变，且国内目前尚处于放大试验阶段，离工业化推广尚有不小距离。

CFU专利中，在微气泡的产生与注入方面，大多数专利采用在罐体外部设置气液循环回路的方法，使用射流喷嘴或溶气泵使循环水和循环气发生气液混合，然后通过罐内下部的分布器释放出气液混合物以产生气浮效果，这种方式的缺点是气泡未随进料一起在分离腔内旋流，这使得微小气泡与水的分离变得困难，同时回注液妨碍了分离腔内正常形式的旋流场；在旋流场的产生方面，大多数专利采用切向配置的进料入口或入口设螺旋导片的方法来产生旋流场，同时通过内筒的合理设置来增强旋流强度。VWS公司的专利CN102083509A中对气液混合和旋转流场的产生方法另辟蹊径，其采用喷嘴组件从第一流体室直接吸入气体和液体并发生混合，排泄管合理布置以在第二流体室内建立旋转流场，与前述方法比较省去了外部气液循环回路和螺旋导片，其缺点是由于吸气压差较小导致吸气量不够和气泡的分散效果不好，并且其未设内筒将导致第二流体室内的旋流场强度不够，进而影响除油效果。在排油方面，目前所有CFU专利都采用压力排油，排油液中大部分成分是水，油含量通常不到5％，尚未有任何CFU装置同时对排油液进行油水分离，因此排油液需送往两相分离器中进一步处理。

发明内容

针对上述现有CFU技术的不足，本发明将旋流、气浮和聚结技术组合于一体，提供了一种紧凑型三相分离方法及装置，适用于石油和石油化工行业含油含气生产水或污水的脱气除油处理。

本发明中方法部分的技术构思为：含油含气物料首先经分离装置的进料口进入分配器，由分配器将流体均匀分布到各射流排泄器中；射流排泄器由射流器和排泄管组成，液体流经射流器时，因射流作用从气相区吸入气体并破碎，形成含有大量微气泡的气液混合物，排泄管出口以适当的方位环形布置以使排出的气液混合物在分离腔内建立旋转流场；旋转流场所在区域称为旋流气浮区，该区充分发挥了气浮和离心的协同作用，密度较大的水向罐壁移动并以螺旋线方式向下运动，密度较轻的油滴和气泡则向罐中间移动，并由于径向速度差形成“微气泡-油滴粘附体”而结合上升，从而对油滴浮选；向下运动的水最终绕过底部挡板的边缘进入出料口而排出，向上运动的油滴和气泡到达水面后，油随撇油液(浮油和油水乳化液)流入撇油槽，气泡破裂进入气相区而完成一次气体循环；进入撇油槽的撇油液经过上整流板后进入聚结内腔，在流过聚结内件的过程中完成油滴的聚结长大，形成的大油滴在聚结内件外表面脱落进入聚结外腔并上升至内筒集油区，聚结分离后的水进入聚结外腔并向下进入内筒集水区，在聚结外腔中形成油水界面，然后油经内筒排油口排出至罐体排油口，水经内筒排水口排出至出料管；从而，在内筒中完成撇油液的聚结分离和油、水的独立排放。

具体技术方案如下：

一种紧凑型三相分离方法，包括以下步骤：

(1)含油含气的流体物料经分离装置的进料口进入分配器，由所述分配器将所述流体物料均匀分布到各射流排泄器中；所述射流排泄器由射流器和排泄管组成，流经所述射流器的液体因射流作用从气相区吸入气体并破碎，形成含有大量微气泡的气液混合物；

所述排泄管的出口呈环形设置，使排出的所述气液混合物在分离腔内形成的旋流气浮区的旋转流场中进行分离：向上运动的油滴和气泡到达水面后，油滴随撇油液流入撇油槽，气泡破裂进入气相区；向下运动的出料水绕过所述分离装置的底部挡板的边缘进入出料口排出；

(2)所述撇油液经过上整流板进入聚结内腔，

在流经聚结内件的过程中聚结长大，形成的大油滴在聚结内件外表面脱落进入聚结外腔并上升至内筒集油区，聚结分离后的水进入所述聚结外腔并向下流入内筒集水区，在所述聚结外腔中形成油水界面，然后油相经内筒排油口排出至罐体排油口，水相经内筒排水口排出至出料管。

所述撇油液是浮油和油水乳化液。

步骤(1)中所述流体物料为不含固体颗粒的带压液体，压力为0.1～3.6MPa，使射流器和聚结内件能够正常运行，若进料含固体颗粒则需在进装置前进行脱固预处理。

步骤(1)所述分配器将流体动能转变为压力能、缓冲进料、减少扰动并均分流体，对进料流体的稳定和均分，将直接影响到射流吸气和旋转流场的稳定性。

步骤(1)中所述分离腔是罐体与内筒之间的区域，其上部为所述气相区、下部为所述旋流气浮区；

所述气相区占分离腔体积比为15～35％，气相区压力为0.05～3.6MPa，维持液面的稳定和适当的气体循环量以保障撇油和射流气浮的正常进行，可通过压力控制器控制，多余的气体通过排气口排出。

步骤(1)中所述射流器吸入的气液体积比为5～20％，产生的所述微气泡的直径为100～500μm。气泡直径太大则不利于分散和气浮除油，太小则不利于气泡的上浮和气泡与水的分离，吸气比可调控至旋流气浮除油的最佳效率值。

步骤(1)中所述排泄管的竖直高度为所述罐体内径的0.2～0.55倍、插入液面的深度为罐体内径0.15～0.3倍。适当的插入深度能保证液面的稳定以使撇油稳定，排泄管出口建立的旋流气浮区的特性为旋流离心强度为10～50的重力加速度、停留时间为20～180s、重力沉降速度为10～25mm/s，该区的有效高度等于停留时间与重力沉降速度的乘积，这些特性能保证气泡和油滴的高效离心分离和充足的上浮时间。

步骤(2)中所述内筒的高度和直径对旋流气浮和聚结分离性能的影响都很大，所述撇油槽位于所述内筒的上部，所述内筒的下部为圆柱段，撇油槽和圆柱段的设计要便于更好的撇油和引导旋流；所述内筒的总高度为所述罐体高度的0.35～0.65倍，所述圆柱段外径为罐体内径的0.3～0.6倍，所述撇油槽的上端面外径为所述圆柱段外径的1.2～1.5倍；所述撇油槽上端面位于液面处(即，旋转流场的上表面)，其外形与旋转液面的形状相适应。

所述撇油液与所述出料水的流量比为分流比，所述分流比为2～10％，其大小根据旋流气浮和聚结的综合分离情况调至最佳值。

步骤(2)所述油水界面通过内筒界位计对内筒排油和排水的阀门进行联动控制。

一种实现上述任一所述分离方法的装置，所述装置包括罐体、分配器、射流排泄器、内筒和底部挡板；其中，分配器位于罐体上部，分配器入口与罐体进料口相连，分配器出口连接射流排泄器；内筒位于罐体中部，内筒中心轴线与罐体中心轴线重合；底部挡板位于罐体下部和出料口上部；

所述罐体的径高比为1：2～1：3，设有进料口、排气口、排油口、排泥口、出料口、聚结出水口、压力控制计、液位计和界位计接口；其中，进料口、排气口和压力控制器位于罐体上部封头适当位置；排油口和聚结出水口分别与内筒排油口和内筒排水口的位置对应；出料口和排泥口位于罐体下部封头适当位置处；液位计接口位置根据罐体分离腔内液面位置设置；罐体界位计接口位置应与内筒界位计的位置对应；

所述分配器为球形或多边棱柱形，所述分配器的出口均匀分布于其水平四周；

所述射流排泄器包括处于前部的射流器和处于后部的排泄管，所述射流器为带有吸气导管的射流喷嘴，所述排泄管为入口与所述射流喷嘴连接的弯管，插入液面的深度为罐体内径0.15～0.3倍；所述排泄管的出口呈环形设置，与竖直方向的夹角为30°～70°、旋向是顺时针或逆时针，以建立满足分离要求的旋转流场；

所述内筒的上部为撇油槽，下部为圆柱段；所述撇油槽的上端为锯齿状溢流堰，下部为连接上整流板的下部圆筒；所述圆柱段的内部空间依次被所述撇油槽的下部圆筒、上整流板、聚结内件、下整流板分割成聚结内腔、聚结外腔、内筒集油区和内筒集水区四个区域。

所述聚结内件的形状为方形或柱形，由单一聚结材料或多种聚结材料构成，其处理量为装置总进料量的2～10％。

所述底部挡板为圆形或锥角小于30°的锥形。

所述撇油槽的上部形状为球冠状、椭球状或台锥状。

所述底部挡板位于稍高于罐体下封头直边，其外径为所述罐体内直径的0.8～0.95倍，以阻挡内旋流的微小气泡和油滴，保证出水来自外周。

所述上整流板和下整流板为开孔筛板形式，所述上整流板的开孔区域为其与聚结内腔和聚结外腔的连接区域，与所述聚结内件连接处不开孔；所述下整流板的开孔区域为其与所述聚结外腔的连接区域。

所述聚结外腔上设有通过罐体界位计接口安装于罐体外部的界位计，所述界位计对内筒排油和排水的阀门进行联动控制，可实现油、水的连续外排或间断外排或间断排油、连续排水。

所述装置采用并联或多级串联形式连接。

本发明的优点和有益效果在于：各射流排泄器产生的气液混合物等量均匀，建立了稳定的旋流场，并省去了罐体外部的气液循环回路；内筒外部尺寸的合理设计强化了分离腔的旋流离心强度，撇油槽的设计有利于撇油；撇油分流比可根据旋流气浮和聚结的综合分离情况调至最佳值；内筒内部区域和聚结内件的设计，可完成撇油液中油与水的聚结分离和独立排放；成功实现了旋流、气浮和聚结三种技术的有机结合，其微气泡与旋转流场的产生和分布合理；撇油液中油与水的聚结分离和独立排放设计具有原创性，整个装置结构紧凑、性能高效。

附图说明

图1是三相分离流程示意图；

图2是实施例1的装置整体结构示意图；

图3是实施例1的射流排泄器与分配器连接和分布的示意图；

图4是实施例1的射流排泄器的结构示意图；

图5是实施例1的内筒的结构示意图。

符号说明：

21进料口；22分配器；23射流排泄器；24排油口；25内筒；

26底部挡板；27排泥口；28出料口；29聚结出水口；210内筒界位计；

211液位计；212排气口；41吸气导管；42射流喷嘴；43排泄管；

51撇油槽溢流堰；52撇油槽圆筒段；53上整流板；54聚结内腔；

55聚结内件；56聚结外腔；57下整流板；58内筒集水区；

59内筒集油区；510内筒排油口；511内筒排水口；512内筒界位计接口。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

某石化硫磺装置中的酸性水脱气除油分离过程采用该发明的方法和装置进行中试试验，采用单级处理，其三相分离流程示意图参阅图1，装置结构示意图参阅图2～5：

装置包括罐体、分配器22、射流排泄器23、内筒25和底部挡板26。

罐体的径高比为1：2～1：3，设有进料口、排气口212、排油口、排泥口27、出料口28、聚结出水口29、压力控制计、液位计211和内筒界位计接口512。

分配器22为球形或多边棱柱形，出口均匀分布于其水平四周。

射流排泄器23包括射流器和排泄管43，射流器为带有吸气导管41的射流喷嘴42，排泄管43为入口与射流喷嘴42连接的弯管，插入液面的深度为罐体内径0.15～0.3倍；排泄管43的出口呈环形设置，其与竖直方向的夹角为30°～70°、旋向是顺时针或逆时针，以建立满足分离要求的旋转流场；

内筒25的上部为撇油槽，下部为圆柱段；撇油槽的上端为锯齿状撇油槽溢流堰51，下部为连接上整流板的撇油槽圆筒段52；圆柱段的内部空间依次被撇油槽圆筒段52、上整流板53、聚结内件55、下整流板57分割成聚结内腔54、聚结外腔56、内筒集油区59和内筒集水区58四个区域。

聚结内件55的形状为方形或柱形，由单一聚结材料或多种聚结材料构成，其进料量为装置总进料量的2～10％。

底部挡板26为圆形或锥角小于30°的锥形，位于稍高于罐体下封头直边，其外径为所述罐体内直径的0.8～0.95倍，以阻挡内旋流的微小气泡和油滴，保证出水来自外周。

撇油槽的上部形状为球冠状、椭球状或台锥状。

上整流板53和下整流板57为开孔筛板形式，上整流板53的开孔区域为其与聚结内腔54和聚结外腔56的连接区域，与聚结内件55连接处不开孔；下整流板57的开孔区域为其与聚结外腔56的连接区域。

聚结外腔56上设有通过内筒界位计接口512安装于罐体外部的内筒界位计512，对内筒排油和排水的阀门进行联动控制，实现油、水的连续外排或间断外排或间断排油、连续排水。

酸性水自装置外来，首先经进料口21进入分配器22，由分配器22将流体均匀分布到各射流排泄器23中。图4是本实施例射流排泄器结构示意图，如图4所示，流体流经射流喷嘴42时由于射流作用将会经吸气导管41从气相区中吸入循环气体并将其破碎，形成含有大量微气泡的气液混合物，排泄管43出口以适当的方位环形布置以使排出的气液混合物在分离腔内建立气浮旋流分离场；在气浮旋流场中密度较大的水向罐壁移动并以螺旋线方式向下运动，最终绕过底部挡板26的边缘进入出料口28而排出，密度较轻的油滴和气泡则向罐中间移动，并由于径向速度差形成“微气泡-油滴粘附体”而结合上升，向上运动的油滴和气泡到达水面后，油随撇油液流入撇油槽51，气泡破裂进入气相区而完成一次气体循环，多余的气体经排气口212排出；进入撇油槽51的撇油液经过上整流板53后进入聚结内腔54，在流过聚结内件55的过程中完成油滴的聚结长大，大油滴在聚结内件55外表面脱落进入聚结外腔56并上升至内筒集油区59，聚结分离后的水进入聚结外腔56并向下进入内筒集水区58，在聚结外腔56中形成油水界面，然后油经内筒排油口510排出至罐体排油口24，水经内筒排水口511排出至出料管；从而，在内筒25中完成撇油液的聚结分离和油、水的独立排放。

进一步，进料压力不小于0.15MPa，进料不含或微含固体颗粒。

进一步，罐体分离腔液位通过液位计211显示，内筒中油水界位通过内筒界位计210显示。

进一步，压力控制器安装在排气口212后的管路上，控制分离腔液位稳定和适宜的循环气量。

进一步，调节撇油分流比，得到旋流气浮和聚结的综合分离效果的最佳值。

中试试验的结果为：处理量为4m³/h的单级试验样机，进料含油浓度为350～400mg/L时，出料中水的含油量基本稳定在30mg/L左右，脱油效率可稳定在90％以上；排出油的含水量在30～50μg/kg；气体脱除方面由于NH₃、H₂S、CO₂的溶解性和测量难度，尚无具体的脱气效率数据，但气体在分离腔中的释放和排气口稳定排气现象明显。以上证明了该方法和装置具有良好的脱气除油效果。

Claims (17)

1.一种紧凑型三相分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)含油含气的流体物料经分离装置的进料口进入分配器，由所述分配器将所述流体物料均匀分布到各射流排泄器中；所述射流排泄器由射流器和排泄管组成，流经所述射流器的液体因射流作用从气相区吸入气体并破碎，形成含有大量微气泡的气液混合物；

所述排泄管的出口呈环形设置，使排出的所述气液混合物在分离腔内形成的旋流气浮区的旋转流场中进行分离：向上运动的油滴和气泡到达水面后，油滴随撇油液流入撇油槽，气泡破裂进入气相区；向下运动的出料水绕过所述分离装置的底部挡板的边缘进入出料口排出；

(2)所述撇油液经过上整流板进入聚结内腔，在流经聚结内件的过程中聚结长大，形成的大油滴在聚结内件外表面脱落进入聚结外腔并上升至内筒集油区，聚结分离后的水进入所述聚结外腔并向下流入内筒集水区，在所述聚结外腔中形成油水界面，然后油相经内筒排油口排出至罐体排油口，水相经内筒排水口排出至出料管。

2.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述撇油液是浮油和油水乳化液。

3.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述流体物料为不含固体颗粒的带压液体，压力为0.1～3.6MPa。

4.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述分离腔是罐体与内筒之间的区域，其上部为所述气相区、下部为所述旋流气浮区；

所述气相区占所述分离腔体积比为15～35％，气相区压力为0.05～3.5MPa。

5.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述射流器吸入的气液体积比为1～20％，产生的所述气泡的直径为30～200μm。

6.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述排泄管的竖直高度为所述罐体内径的0.2～0.55倍、插入液面的深度为所述罐体内径的0.15～0.3倍。

7.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述撇油槽位于所述内筒的上部，所述内筒的下部为圆柱段；所述内筒的总高度为所述罐体高度的0.35～0.65倍，所述圆柱段外径为罐体内径的0.3～0.6倍，所述撇油槽的上端面外径为所述圆柱段外径的1.2～1.5倍；所述撇油槽上端面位于液面处，即，所述旋转流场的上表面处。

8.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，所述撇油液与所述出料水的流量比为分流比，所述分流比为2～10％。

9.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤(2)所述油水界面通过内筒界位计对内筒排油和排水的阀门进行联动控制。

10.一种实现权利要求1至9中任一所述分离方法的装置，其特征在于，所述装置包括罐体、分配器、射流排泄器、内筒和底部挡板；其中，分配器位于罐体的上部，且分配器入口与罐体进料口相连，分配器出口连接射流排泄器；内筒位于罐体中部，且内筒的中心轴线与罐体的中心轴线重合；底部挡板位于罐体下部和出料口上部；

所述罐体的径高比为1：2～1：3，设有进料口、排气口、排油口、排泥口、出料口、聚结出水口、压力控制计、液位计和界位计接口；其中，进料口、排气口和压力控制计位于罐体上部封头；排油口和聚结出水口分别与内筒的排油口和内筒的排水口的位置对应；出料口和排泥口位于罐体下部封头；液位计的接口位置由罐体分离腔内液面位置决定；界位计接口与内筒界位计的位置对应；

所述分配器为球形或多边棱柱形，所述分配器的出口均匀分布于其水平四周；

所述射流排泄器包括处于前部的射流器和处于后部的排泄管，所述射流器为带有吸气导管的射流喷嘴，所述排泄管为入口与所述射流喷嘴连接的弯管，插入液面的深度为罐体内径的0.15～0.3倍；所述排泄管的出口呈环形设置，其与竖直方向的夹角为30°～70°、旋向是顺时针或逆时针，形成满足分离要求的旋转流场；

所述内筒的上部为撇油槽，下部为圆柱段；所述撇油槽的上端为锯齿状溢流堰，下部为连接上整流板的下部圆筒；所述圆柱段的内部空间依次被所述撇油槽的下部圆筒、上整流板、聚结内件、下整流板分割成聚结内腔、聚结外腔、内筒集油区和内筒集水区四个区域。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述聚结内件的形状为方形或柱形，由单一聚结材料或多种聚结材料构成，其处理量为装置总进料量的2～10％。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述底部挡板为圆形或锥角小于30°的锥形。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述撇油槽的上部形状为球冠状、椭球状或台锥状。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述底部挡板位于稍高于罐体下封头直边，其外径为所述罐体内直径的0.8～0.95倍。

15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述上整流板和下整流板为开孔筛板形式，所述上整流板的开孔区域为其与聚结内腔和聚结外腔的连接区域；所述下整流板的开孔区域为其与所述聚结外腔的连接区域。

16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述聚结外腔上设有通过罐体界位计接口安装于罐体外部的界位计。

17.根据权利要求10至16任一所述的装置，其特征在于，所述装置采用并联或多级串联形式连接。