CN201407025Y - 一种油水分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种油水分离装置，其特征在于：它包括一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的上部管和下部管，所述下部管内侧的管壁上间隔设置有若干孔洞，所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管的管壁通过若干连接管连接对应的所述孔洞。本实用新型利用油水之间的密度差以及在螺旋管中旋转产生的离心力等分离原理，并采用一体连通的上部管和下部管，在下部管管壁的内侧不同位置开孔的方法，将经过离心分离后产生的油相汇集到集油管后通过单独的油相出液口流出，以实现油水分离的目的。本实用新型采用螺旋管的螺距为大于等于螺旋管管外径的1倍或小于螺旋管管外径的2倍，因此能有效地减小分离系统的体积，并有效地提高了油水混合液的分离效率，使油水分离更加精确。本实用新型可广泛应用在各种油气田分离系统中。

Description

一种油水分离装置

技术领域

本实用新型涉及一种将油水两相混合液进行分离的装置，特别是关于一种应用在海洋生产平台、水下生产系统以及陆上油气田分离系统中的油水分离装置。

背景技术

目前，在海上油气田和陆上油气田生产过程中，油水分离工艺占据着很重要的地位，螺旋管分离技术作为一项新的分离技术，目前还没有在工业中得到广泛的应用。中国科学院力学所的一项实用新型专利“一种复合式油水分离装置”(专利公开号：CN 201101907Y)中首次将螺旋管分离技术与其它分离技术结合应用在分离器中，它采用对螺旋管外壁进行开孔将水相放出的方法实现油水的分离。在较低的螺旋管进口流速下，重力加速度对螺旋管内油水分布情况起着重要的影响作用，当进口流速较大、重力加速度相对于离心加速度较小时，管内油水界面会呈现倒“V”字型，此时管内油水分布情况也不同于低流速下管内的油水分布。螺旋管的开孔位置取决于管内油水分布情况，同时开孔位置直接影响了螺旋管的整体分离效率，为了能使管内连续的油水两相尽可能完全、快速的分离，必须采用一种合理的开孔方法。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能将油气田中油水精确分离的油水分离装置。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种油水分离装置，其特征在于：它包括一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的上部管和下部管，所述下部管内侧的管壁上间隔设置有若干孔洞，所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管的管壁通过若干连接管连接对应的所述孔洞。

所述上部管的长度为：

根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为：

其中R为所述螺旋管的旋转半径，D为螺旋管内径，u_cont为油相的动力粘度，d为水相颗粒直径，ρ_disp为水相颗粒的密度，ρ_cont为油相密度，u为油水混合液在所述上部管进口的流速。

所述上部管的长度采用以下步骤得到：1)假设油水混合液在所述上部管中的流动为理想状态的层流，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则水相颗粒受到的离心加速度为：

从而可得到水相颗粒的离心力为：

其中u为油水混合液在所述上部管进口的流速，g为水相颗粒的重力加速度，R为所述螺旋管的旋转半径，ρ_disp为水相颗粒的密度，V为水相颗粒的体积；由于所述上部管内的流动为层流，将离心加速度的公式带入斯托克斯重力沉降公式

中，可得水相颗粒的沉降速度为：

其中d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相密度；μ_cont为油相的动力粘度；2)根据沉降速度和所述螺旋管的管内径确定水相颗粒在所述上部管内的沉降时间为：t＝D/v′；3)根据水相颗粒的沉降时间和油水混合液在进口的流速确定所述上部管的长度为：

所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了一螺旋管，并将螺旋管分为一体连通的上部管和下部管，当油水混合液经过上部管流动后，可以产生离心力，使密度较大的水相液体向螺旋管管壁外侧移动，同时油相液体在水相液体的压力作用下向螺旋管管壁内侧聚集，因此实现了油水分离的状态。2、本发明由于采用在下部管内侧的管壁上间隔设置若干个孔洞，以及在下部管的中心设置有集油管，使集油管通过若干个连接管与对应的孔洞连接，从而使得聚集在管壁内侧的油相液体可以通过连接管流入集油管，并由集油管底部油相出液口流出，水相液体则由下部管底部的水相出液口流出，因此实现了油水分离的目的。3、本发明由于较精确地设计了上部管的长度和圈数，并确定螺旋管的螺距大于等于螺旋管管外径的1倍或小于螺旋管管外径的2倍，因此能有效地减小分离系统的体积，并有效地提高了油水混合液的分离效率，使油水分离更加精确。本发明可广泛应用在各种油气田分离系统中。

附图说明

图1是本实用新型的整体示意图

图2是图1的剖面示意图

图3是本实用新型的水相颗粒受力分析

图4是本实用新型在低流速下主体螺旋管内油水界面示意图

图5是本实用新型在高流速下主体螺旋管内油水界面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1、图2所示，本实用新型包括一螺旋管1，螺旋管1分为一体连通的上部管2和下部管3，在下部管2的管壁内侧间隔设置有若干孔洞4，在下部管2的中心设置一集油管5，将集油管5的管壁通过若干连接管6连接下部管2内壁对应的孔洞4。

本实用新型利用油水之间的密度差以及油水混合液在螺旋管1中旋转流动产生的离心力，使油水混合液在上部管2内从上而下油水界面逐渐出现分离，经过一段时间形成稳定的油水界面并且界面逐渐清晰，并进入下部管3中。此时密度较大的水相液体向下部管3的外侧运移，从而使下部管3内为体积份数较大的水相液体，并从下部管3底部的水相出液口7流出；油相液体则在水相液体压力作用下沿径向向下部管3管壁内侧聚集，并通过连接管6流入集油管5，使集油管5内为体积份数较大的油相液体，油相液体从集油管5底部的油相出液口8流出。

上述实施例中，上部管2可以采用以下步骤求出其螺旋管长度和圈数：

1)假设油水混合液在上部管2中的流动为理想状态的层流，水相颗粒直径为d，螺旋管1的旋转半径为R，油水混合液的在上部管2进口的流速为u，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则体积为V的水相颗粒受到的离心加速度a为：

a＝u²/R    (1)

如图3所示，由于考虑到水相颗粒还受到重力加速度g的作用，实际上体积为V的水相颗粒受到离心加速度a的方向并不是水平向外的，而是与水平方向存在一定的夹角

由公式(1)可推得水相颗粒运移速度与水平方向夹角为

则实际上水相颗粒的离心加速度a为：

$a=\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}---\left(2\right)$

从而可得到水相颗粒的离心力F为：

$F=\mathrm{ma}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}\mathrm{gV}\×\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}---\left(3\right)$

其中u为油水混合液在上部管2进口的流速；g为水相颗粒的重力加速度；R为螺旋管1的旋转半径；ρ_disp为水相颗粒的密度，即分散相密度；

由于上部管2内的流动为层流，将离心加速度a的公式(2)带入Stokes(斯托克斯)重力沉降公式

中，可得出在上部管2内油水混合液在进口的流速为u时水相颗粒的沉降速度v′为：

$v^{\′}=d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}/18{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}---\left(4\right)$

其中d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相密度，即连续相密度；μ_cont为油相的动力粘度。由公式(4)可以看出，螺旋管1内水相颗粒在油相中的沉降速度v′与水相颗粒直径d、油水混合液在上部管2进口的流速u成二次方关系，与水相和油相的两相液体之间密度差(ρ_disp-ρ_cont)成正比。

2)根据沉降速度v′和螺旋管1的管内径D确定沉降时间t：螺旋管1管内径D的尺寸选择要综合考虑油水混合液在上部管2进口的流速u、油水混合液的流量Q以及系统整体压降ΔP等因素，即D＝f(Q，u，ΔP，…)。在螺旋管1的管内径为D时，水相颗粒在上部管2内的沉降时间t为：

t＝D/v′(5)

3)根据沉降时间t和水相颗粒在上部管2进口的流速u确定使油水充分分离所需要的上部管2的长度L为：

$L=t\×u=\frac{18\mathrm{uD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}}---\left(6\right)$

由公式(6)可知，当水相颗粒受到水平方向的加速度比较大时，水相颗粒受到的重力加速度g可以忽略，则此式可简化为：

$L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})u}---\left(7\right)$

进而由上部管2的长度L可确定为达到充分的分离而需要的上部管2的圈数n为：

$n=L/2\mathrm{\πR}=\frac{9{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\π}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}---\left(8\right)$

由公式(8)可以计算出在流体流速与管径一定时，不同情况下的水相颗粒充分沉降所需要的上部管2的圈数。

上述各实施例中，螺旋管1的螺距应大于等于螺旋管1管外径的1倍或小于螺旋管1管外径的2倍，考虑到加工以及施工等其它因素，螺距还可适当增大。因此这样设计螺距能有效地减小分离系统的体积，并且提高了油水混合液的分离效率，这种分离系统尤其适合在海洋采油平台的分离系统中使用。连接管6的管径应根据上部管2的进口中含油率的大小做相应的调整，同时还应考虑油相粘度大小以及其它因素的影响，从而确保油相能顺利地通过连接管6流入集油管5中。随着油相不断的通过连接管6流入集油管5中，下部管3内的油相会逐渐减少，因此下部管3的内侧开孔数量应从上而下逐渐减少，以确保整个装置的分离效率；集油管5的尺寸大小应满足能顺利地将所有连接管6流入的油相快速的输送至下一级设备。本实施例中连接管6的管径设置为d_connect＝D/4，集油管5的管径与螺旋管1的管径相同。

本实用新型在使用时，系统的运转完全依靠系统进出口压差进行工作，不需要外部动力输入，没有可移动部件。由于螺旋管1内最终形成的油水界面形状与上部管2的进口中流进油水混合液的流速u相关。当上部管2的进口中流进油水混合液的流速u较低、油水混合物的离心加速度a相对于重力加速度g不大时，螺旋管1内的油水界面近似呈斜“C”型(如图4所示)，其中网格部分为水相液体，斜条部分为油相液体；随着上部管2的进口中流进油水混合液的流速u增大，离心加速度a也会逐渐增大，螺旋管1内油水重力沉降分离作用相对于离心分离作用逐渐变得不明显，也就是当离心加速度a与重力加速度g的比值u²/Rg足够大，此时螺旋管1内油水界面近似呈倒“V”字型(如图5所示)，其中网格部分为水相液体，斜条部分为油相液体。由此可知，无论何种情况本实用新型都能实现将油相液体集中在螺旋管1管壁的内侧，不受限于油水混合液在上部管2的进口的流速u。本实用新型中u²/Rg值达到16时油水界面为倒“V”字型。

综上所述，本实用新型主要是通过连接管6将下部管3内分离后的油水两相分开。在不同工况下，在下部管3管壁内侧不同位置开孔以及选择合理的开孔数量，会给螺旋管分离系统的总体分离效率造成影响，开孔位置，以及孔间距越合理，螺旋管分离效率将会越高。

Claims (4)

1、一种油水分离装置，其特征在于：它包括一螺旋管，所述螺旋管分为一体连通的上部管和下部管，所述下部管内侧的管壁上间隔设置有若干孔洞，所述下部管的中心设置一集油管，所述集油管的管壁通过若干连接管连接对应的所述孔洞。

2、如权利要求1所述的一种油水分离装置，其特征在于：所述上部管的长度为：

$L=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})u}$

根据所述上部管的长度得到所述上部管的圈数为：

$n=L/2\mathrm{\πR}=\frac{9{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}D}{\mathrm{\π}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})d^{2}u}$

其中R为所述螺旋管的旋转半径，D为螺旋管内径，u_cont为油相的动力粘度，d为水相颗粒直径，ρ_disp为水相颗粒的密度，ρ_cont为油相密度，u为油水混合液在所述上部管进口的流速。

3、如权利要求2所述的一种油水分离装置，其特征在于：所述上部管的长度采用以下步骤得到：

1)假设油水混合液在所述上部管中的流动为理想状态的层流，且油水两相液体之间不存在剪切作用，则水相颗粒受到的离心加速度为：

$a=\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}$

从而可得到水相颗粒的离心力为：

$F=\mathrm{ma}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}\mathrm{gV}\×\sqrt{g^2+\frac{u^4}{R^2}}$

其中u为油水混合液在所述上部管进口的流速，g为水相颗粒的重力加速度，R为所述螺旋管的旋转半径，ρ_disp为水相颗粒的密度，V为水相颗粒的体积；

由于所述上部管内的流动为层流，将离心加速度的公式带入斯托克斯重力沉降公式 $v=\frac{d^{2}g({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})}{18{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}$ 中，可得水相颗粒的沉降速度为：

$v^{\′}=d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cont}})\sqrt{g^2+u^4/R^2}/18{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}$

其中d为水相颗粒直径；ρ_cont为油相密度；μ_cont为油相的动力粘度；

2)根据沉降速度和所述螺旋管的管内径确定水相颗粒在所述上部管内的沉降时间为：

t＝D/v′

3)根据水相颗粒的沉降时间和油水混合液在进口的流速确定所述上部管的长度为：

$L=t\×u=\frac{18\mathrm{RD}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cont}}}{d^2({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{disp}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ont}})u}.$

4、如权利要求2或3所述的一种油水分离装置，其特征在于：所述螺旋管的螺距大于等于所述螺旋管的管外径的1倍、小于所述螺旋管的管外径的2倍。

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