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管-罐结合式静电聚结分离器工程样机设计

管-罐结合式静电聚结分离器工程样机设计

随着各大油田都处于开发的中后期,采出油含水量较高,通常形成油包水型乳状液,当含水量增大到某一值时,会转变成水包油型乳状液。原油破乳是油田生产中不可缺少的一个环节。在众多破乳方法中,电场破乳以其脱水效率高、对乳化液适应性强等特点而成为效果最好

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  • 详细描述

    管-罐结合式静电聚结分离器工程样机设计
    一、选题背景、研究意义及文献综述
    1.1 选题背景及研究意义
    随着各大油田都处于开发的中后期,采出油含水量较高,通常形成油包水型乳状液,当含水量增大到某一值时,会转变成水包油型乳状液。原油破乳是油田生产中不可缺少的一个环节。在众多破乳方法中,电场破乳以其脱水效率高、对乳化液适应性强等特点而成为效果最好、应用最广的原油破乳脱水方法,亦称之为“静电聚结”或“静电破乳”,相应的设备称为电脱水装置。
    我国小型边际油田资源丰富,由于其地层结构复杂、储量小、分布广等特点,一直得不到重视,加之传统原油脱水设备占地面积大,耗能高等特点,使得小型边际油田无利可图。因此,我们迫切需要一种紧凑高效的脱水设备
    紧凑型静电聚结分离器(CES)是西方发达国家近年来推出的代表性高效紧凑型原油脱水设备,推广应用后能够给传统的油气集输工艺带来巨大变革,但国内迄今尚未针对其开展系统深入的应用基础研究。而三相分离器的研究在国内外都已经是非常成熟的了,利用三相分离器与紧凑型静电分离器相结合来分离石油中的水,将能更好的处理石油。
    综上所述,传统的电脱水设备已经难以实现生产要求,随着原油脱水的难度不断加大,对其进行更新和改造势在必行。此外对于小型边际油田开发来讲,由于其原油储量小,分布广阔,传统脱水设备占地面积大,耗能高等特点,使得开采费用高。因此,开发能够实现占地面积小,效率高、能耗低的多相分离设备便成为石油天然气工业发展的迫切需要[2]。紧凑型静电聚结脱水设备是应含水油田、边际油田、海上油田以及绿色油田开发的客观需要而出现的一种新型油水分离技术设备,它能在保证聚结效果的前提下大幅减小所占体积并高安全性能。管-罐结合式静电聚结分离器是一种改进型静电聚结分离器,特别适合边际油田的开发。
    1.2 文献综述


    1.2.1 静电聚结的技术和理论
    (1)油水沉降分离基本理论
    静电聚结器破乳的最终目的是充分利用Stokes公式:
     
           (1-1)
     
    式中,g 为重力加速度;为分散相水颗粒粒径;、分别为油、水相密度;、分别为油、水相动力粘度。
    公式(1-1)是单个水滴在静止油相中沉降的简单近似,但它体现出了影响重力沉降的重要物理因素,例如,沉降速度与液滴直径的平方成正比,这也说明了通过静电聚结增加水滴直径的重要性。并且从公式还可以看出,油水密度差和及油相粘度μ也是影响沉降的重要物理参数[3,4]
    从公式(1-1)可以看出,增大液滴的直径和两相密度差,减小连续相粘度可以加快液滴沉降速度。密度差和粘度可由稀释和温度控制,而液滴的大小可以由施加的电场控制。因此,施加的电场控制着一个特定分离系统的效率。
    公式(1-1)只适用于单个并远离容器壁的液滴,以及无滑动的边界条件,用于计算靠近壁面的微粒或多粒子沉降(特别不是单分散相)时需要对公式进行修正。但如果表面活性剂使界面固定,对于非滑动边界条件还是适用的。然而,从公式可以看出,沉降速度与液滴大小的平方成比例,这就是说,在相分离之前使较小液滴聚结为大液滴是很重要的[2,4]
    (2)静电聚结原理
    原油能够形成乳化液的主要原因是原油中含有环烷酸/胶质和沥青质等天然“乳化剂”,这些成分均为表面活性物质。这些物质在原油中不断向水界面移动, 分散在水滴的表面,像一层保护膜一样使水滴稳定地包裹在油相之中,进而阻止了水滴的相互聚集。电场破乳技术的基本原理是利用高压电场,使原油中的分散相水颗粒发生变形并产生静电力,水分子产生定向排列,使两个水滴邻近的部分带有异性电荷,发生相互吸引而靠近。当距离足够近时,它们之间的电位差使水滴的保护膜被击破,两个水滴就结合在一起。根据电场电流方式的不同,水颗粒会发生电泳聚结、偶极聚结或振荡聚结,这样小水颗粒发生碰撞聚结变大并聚结成链进行沉降,这一过程即为静电聚结或静电破乳[5~9]。静电聚结过程如图1所示。

    1.2.2紧凑型静电聚结分离器
    紧凑型静电预聚结设备可以分为置于分离器筒体外上游侧的外置式和置于分离器筒体内上游侧的内置式两大类,即基于外置式紧凑型静电聚结技术的电脉冲诱导聚结器(EPIC)、紧凑型静电聚结器(CEC)、在线静电聚结器(IEC);基于内置式紧凑型静电聚结技术的容器内置式静电聚结器(VIEC)、低含水率聚结器(VIEC-LW)、高温式容器内置式静电聚结器(HT-VIEC)等[10,12]。 
    近年来,以美国Cameron公司紧凑型静电分离器(CES)为代表的紧凑型静电聚结设备又将研究重点重新转移到了将“水颗粒聚结与沉降过程同时进行”这一设计思路上来。研究人员基于对以往电脱水工艺优缺点的不断反思和总结,提出了更为紧凑高效的紧凑型静电分离器,一举成为当前备受关注的新型原油脱水用静电聚结设备。这些静电聚结设备都采用管式结构和高压绝缘电极,克服了传统工艺的缺点,具有紧凑、高效,破乳剂使用少的优点,即使在高含水的条件下也不发生短路和垮电场现象,因此在海洋石油、陆上高含水油田和绿色油田开发中得到越来越多的应用[13]
    1.2.3紧凑型静电聚结分离器发展历程
    Cameron公司自2007年开始展开针对紧凑型静电分离器的研发工作。2008年3月,Cameron公司申请了第一个关于CES的专利—《 High velocity electrostatic coalescing oil/water separator》。CES的结构设计先后经历了大“H”型、“L”型、小“y”型、大“Y”、斜体“H”、扁平“H”及新型“H”型7个主要阶段,至今已经逐步发展为较为成熟稳定的新型“H”型CES,简称“H型CES”。图2展示的是紧凑型静电分离器的外形结构的研发历程。

    图2 CES研发历程
     
    (1) 大“H”型 CES
    大“H”型紧凑型静电分离器是Cameron公司在CES领域的开发出的首套实验装置。如图3所示,设备外形结构类似于大写英文字母“H”,故命名为“H” 型紧凑型静电分离器。原油由装置右侧分离器顶部进入装置,经第一级电场作用进行首次分离,分离后的水相由第一级分离器底部的排水口排出;经过一级分离的原油通过水平放置的第二级分离器进行二次脱水,二次分离过程完成后进入图示左侧的分离装置,油相由顶部出口排出,水相由底部出口排出。

    图3 大“H”型CES实验装置
    大“H”型CES作为首款紧凑型静电分离器实验样机,难免存在一定的缺陷和不足。原油乳化液在进入大“H”型CES后,完成首次分离的原油在进入水平分离器过程中将受到较大的剪切作用,易发生二次乳化。另外大“H”型CES设备外形结构跨度较大,占地面积相对较大。
    早期开发的大“H”型紧凑型静电聚结器的工作原理如4所示,整体结构包括2个立管和1个水平管,右侧立管和水平管内装有绝缘电极。油水乳化液由右侧立管顶部进入第1级静电聚结区域,并实现首次油水分离,水相由右侧立管底部排水口排出。油相进入第2级静电聚结区域,并最终在左侧沉降管中实现第2次油水分离,水相从左侧立管底部排水口排出,油相由油出口排出。

    图4 大“H”型CES的工作原理图
     
    大“H”型CES的结构空间尺寸小,但是由于立管和水平管之间的直角设计,原油乳化液经过第1级高压电场静电聚结作用后进入水平管时将受到剪切作用,易发生二次乳化。
    (2) 大“L”型 CES
    基于对大“H”型CES实验装置实验结果的分析,Cameron公司的研究人员对大“H”型CES进行了改进和优化,产生了大“L”型CES,如图5所示。
    与大“H”型 CES 相比,大“L”型 CES 结构相对紧凑。竖直分离器由上下两部分组成。上部安装电极,下部用于乳化液水颗粒的聚结过程,上下两部分用法兰相连。原油由竖直分离器顶部进入,经过电场作用后,脱出的水分由底部排水口排出。在竖直分离器中部偏上位置,安装了水平方向的油相出口,脱水后原油由此排出。 

    在大“L”型 CES 的油出口增加了水平分离器的改进装置,是对常规大“L” 型 CES 的一种改进方式。该设备与常规大“L”型设备外形结构相似,只是在水平放置的油出口管道内,增加了水平分离器,其结构原理如图6所示。 

    图6 油出口安装了水平分离器的“L”型CES原理图
     
    常规大“L”型 CES 仅采用一级电场进行破乳脱水,原油经高压电场作用后,并无足够的时间与空间完成水颗粒的聚结过程,导致脱水效果不佳。在油出口增加水平分离器是对油出口含水率的又一有效的控制手段。然而在油出口增加水平分离装置,分离效率虽与普通大“L”型相比有所提高,仍然采用的是一级分离模式。因此出现了另一种对大“L”型设备的改良方式,其工作原理如图7所示。改良后的 CES 装置在常规大“L”型 CES 的油出口增加了高压电极,CES 可对原油中的水颗粒实施两次静电聚结作用。原油从第一级分离器顶部入口进入装置后,经过竖直分离装置的作用进行首次脱水,水颗粒经过静电聚结作用由底部水出口排出;原油乳化液再进入水平分离装置进行二次脱水,脱出的水分由水平分离器底部的排水口排出。
    然而这种改良设备也存在一定的设计缺陷,例如原油进入第二级分离器过程中,由于成 90°方向进入装置,可能受到较大剪切作用而发生二次乳化。水平分离器内部空间有限,特别是水平横管纵向距离较短,很难保证水颗粒在竖直方向有充足的聚结时间,影响最终脱水效果。

    二、研究的基本内容,拟解决的主要问题 
    管-罐结合式静电聚结分离器工程样机设计由以下设计部分组成:
    (1)管-罐结合式静电聚结分离器主体的设计及工艺计算。
    (2)管-罐结合式静电聚结分离器高压电极的设计及工艺计算。
    (3)高压/高频脉冲交流电源的选型。
    (4)乳化液储罐的设计及工艺计算。
    (5)输送设备的选型。
    (6)计量仪表的选型。
    (7)管线和阀门的选型。
    (8)经济型评价。
    (9)设计图纸的绘制。
    拟解决的主要问题:
    (1)立式沉降罐有两种结构方案,分析对比两种结构,确定最优方案。
    (2)设计高压电极芯的结构,由于高压电极芯需要完全绝缘,选择绝缘涂层
    (3)静电聚结分离器本体的结构设计
    (3)设计并绘制管-罐结合式静电聚结分离器
    三、研究步骤、方法
    本文采取以下研究方法:
    (1)从学校图书馆查阅与选题相关专业书籍和期刊论文;
    (2)通过互联网上各大数据库查阅有关的期刊等文献资料;
    (3)通过国家统计局网站查阅相关数据。
    (4)通过中华人民共和国国家知识产权局查阅与静电聚结分离器有关的申请专利
    (5)通过美国专利商标局查阅与静电聚结分离器有关的申请专利
    (6)通过阅读大量的有关管-罐结合式静电聚结分离器方面的书和期刊等,关注网上的研究成果获取第二手资料,并对此进行分析、归纳、总结,定性地分析得到了有关管-罐结合式静电聚结分离器的设计依据。
    (7)对管-罐结合式静电聚结分离器工程样机中的静电聚结分离器主体进行设计计算,管体设计依据GB/T17395——1998,用solidworks和AutoCAD绘图软件绘制其三维装配图和二维图零件图。
    (8)对管-罐结合式静电聚结分离器工程样机中的静电聚结分离器的重要部件高压电极芯外形结构进行设计计算,用solidworks和AutoCAD绘图软件绘制其三维装配图和二维图零件图。
    (9)依据《管道及储罐强度设计》对单接口罐和双接口罐进行结构设计计算,用solidworks和AutoCAD绘图软件绘制其三维装配图和二维图零件图。
    (10)管-罐结合式静电聚结分离器工程样机是一个撬装式设备需要一个支架,所以对支架进行设计,用solidworks绘图软件绘制其三维装配图。
    (11)输送设备泵的选型这个泵用在工程样机的工艺流程当中,计量仪表的选型如压力表、流量计等工艺流程中和立式沉降罐中可能会用到,高压外接交流电电源的选型为电极芯提供高压电,管路阀门的选型,过滤器的选型由于仪表等设备是高精度的需要进行过滤保护。
    四、研究工作进度
    目前已初步搜索完毕与论文相关的文献,并对其进行整理。撰写论文提纲以及开题报告。月底完成论文的初稿,这个阶段就需要阅读大量相关书籍获取二手资料,通过分析、归纳、总结,一步一步地撰写初稿,并及时与导师联系汲取意见。
    (1)第1周确定毕业设计题目,查阅中文与外文文献。
    (2)第2周初步撰写文献综述与外文翻译。
    (3)第3周完成文献综述、外文翻译、开题报告初稿,检查所查文献资料,应查阅15篇以上,英文5篇。
    (4)第4周完成开题报告,总体方案设计,并将开题报告上传至管理系统,准备PPT进行开题报告答辩。
    (5)第5周通过前四周的文献调研以及自己对课题的初步认识,利用solidwork将管-罐结合式静电聚结分离器工程样机的三维草图表示出来,并及时交与指导老师查看,通过老师指点发现其中的问题,查漏补缺进一步完善。
    (6)第6周按设计要求计算管-罐结合式静电聚结分离器工程样机的各个结构的尺寸,将设计计算的结果及时向老师汇报,老师无任何疑义之后,为下周正式画图做准备。
    (7)第7周中期检查:毕业论文初稿,学生工作日志,阶段设计结果。
    (8)第8周初步绘制管-罐结合式静电聚结分离器,用solidworks画出静电聚结分离器和立式沉降罐的三维装配图,用A utoCAD画出一级和二级静电聚结分离器的结构以及零件图,画出单接口罐和双接口罐的结构以及零件图,并及时向指导老师汇报成果。
    (9)第9周根据老师的指导对二维三维图进行修改,直到符合标准。
    (10)第10周对现场所需要的设备仪表进行选型。
    (11)第11-13周完成详细设计、图纸绘制、实验数据整理、论文撰写等,检查所有毕业设计资料并修改。
    (12)第14周周五之前上交所有毕业设计(论文)资料,机械工程学院教学委员会对所有毕业设计(论文)答辩资格审查,审查通过后,方可参加第一次答辩。
    (13)第15-16周,准备PPT,答辩。
    五、主要参考文献
    [1] 张宝生,李锐锋,张正龙,等. 原油脱水用管式静电聚结技术研究概况[J]. 北京石油化工学院学报,2013,21(3):36-40.
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    [6] 陈家庆,常俊英,王晓轩,等.原油脱水用紧凑型静电预聚结技术(一)[J].石油机械,2008,36(12):75-80.
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    [8] 陈家庆,朱玲,丁艺,等.原油脱水用紧凑型静电预聚结技术(三)[J].石油机械,2010,38(8):83-86.
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    [17] 周书院,张建红. 高效三相分离器的优化设计[J]. 油田地面工程,2010,29(10):49-50.
    [18] 曹建树, 李卫清,等.高效油水分离器结构性能研究[J]. 北京石油化工学院学报,2001,9(2):9-11.
    [19] 陆耀军,潘玉琦等.重力式油水分离设备整流构件的模拟实验优选研究[J]. 石油学报,1996,12(1):97-101.
    [20] 朱斌.气液分离器的结构优化[J]. 计算机仿真,2010,27(1):261-265.
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    [22] 张黎明,何利民等.重力分离器聚结构件数值模拟及优化研究[J]. 化工机,2008,35(1):17-21.
    [23] 杨帆. 重力式分离器物理聚结构件的研究[D].:[硕士学位论文]. 北京:中国石油大学,2010.
     

    目录
    一、选题背景、研究意义及文献综述 1
    1.1 选题背景及研究意义 1
    1.2 文献综述 1
    1.2.1 静电聚结的技术和理论 1
    1.2.2紧凑型静电聚结分离器 3
    1.2.3紧凑型静电聚结分离器发展历程 3
    1.2.5 总结 12
    1.2.6 三相分离器概述 13
    1.2.7 立式三相分离器结构与工作原理 13
    1.2.8 油水的沉降分离 15
    1.2.9 入口构件的选取 15
    1.2.10 三相分离器内的其它构件 16
    二、研究的基本内容,拟解决的主要问题 17
    三、研究步骤、方法 17
    四、研究工作进度 18
    五、主要参考文献 19


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