水三相点（共3篇）
水三相点 篇1
摘要：随着管道混输技术越来越受到重视,多相流动的研究已经成为国内外研究的热点。本文就国内混输管道流动规律研究的现状和研究进展进行了综述。指出只有在对多相流动的流型和压降规律有足够认识的基础上,才能提出准确、合理的流型判别方法和压降模型,才能使油气水多相管流的研究工作取得突破性的进展,为实现油气水多相输送提出理论支持。
关键词：油气水混输,模拟软件,流型,压降
随着海洋油气田的开发和配套技术的发展,油气水混相输送技术已成为各国的研究热点。采用混输技术后,可以简化海上处理工艺,节省平台建设投资和运行费用及平台空间,提高海上油气田开发的效益;可以降低井口回压,提高油气田的生产能力,增加老油田生产后期产量;比油气分输少建一条管道,节约昂贵的沙漠或海底管道投资;是实现边际油田、沙漠深部或水下采油不可缺少的技术之一;可以将处理厂建在条件较好的地方进行油气深化处理,提高资源利用率。国内外已建的大口径、长距离混输管道多为凝析气/液管道,大油气比、高压力,小油气比的原油/气/水管线较少。
近年来,国内对油气水三相流动规律及工艺计算方法、混输工艺技术、混输设备应用技术进行了系统的研究,目前已取得多相流试验环道及中试基地建设、多相流量计标定装置建设等成果,有些设备已应用于现场,为实际应用和进一步研究奠定了基础。
1 油气水三相流管道流动规律研究进展
科研工作者20世纪70年代就已开始了对油气水三相流的研究,在实验方面已经却的了相当可喜的进展,但仅限于水平管道的压降和流型判别方面。由于油气水三相流动没有统一的流型划分,关于流型转变规律的研究较少,故下文主要对水平管道油气水多相流动的流型划分及压降预测的研究两个方面进行介绍。
1.1 流型划分
大多数科研者是在气液、油水两相流流型划分的基础上对油气水三相流的流型进行研究的。由于油水是两种互不溶解的两相液体,它们之间的相互作用和新形成流体的形态对其流型有多大的影响,与两相流流型判别有多大差异,都无法给出定量答案。因此油气水三相流的流型判别比两相流的流型判别更加困难[1]。
现在的油气水三相流流型划分主要使用两种方法,一种是仿照气液两相流的流型判别方法;另一种是针对油气水三相混合中的不同形态,结合气液两相流的特点,重新确定三相流的流型划分标准。
宫敬等人[2]在实验室中观察到了分层分离流、气团分散流、段塞分散流、气团分离流、段塞间歇流、分层波浪分散流等6种流型,总结了含水率变化对三相流流型的影响。在反相前,随含水率的不断增加,对于气液流动特性,实验表明段塞流更容易形成,对于油水两相流动特性,分散流更容易形成;反相后,趋势与之相反[2]。
1.2 压降预测
气液两相管流在压降理论研究方面已经却的了相当大的成果,很多科研工作者认为三相流的压降规律应该是和气液两相流完全相同的,但是随着研究的深入,科研工作者越来越认识到,将气液两相流所得出的压降理论完全套用于油气水三相流压降是不够准确的。在研究油气水三相压降规律时,还必须考虑的是油水混合液体在三相流动过程中,其物理性质是不断改变的,因此,在三相流压降理论研究中必须考虑这一点。
至今,国内开展的三相流压降理论研究可主要归结成两个方面,一是先分析油水混合液,在此基础上套用两相流的理论。二是建立三流体模型,从微观力学的视角研究油气水三相流的压降规律。
章龙江[3]针对多重油水乳状液在建立了油气水分层流过程的三流体、四流体模型,这些模型是针对水平管道提出的。其中三流体压降模型主要是针对三层分层流提出的。四流体压降模型主要是针对四层分层流动过程建立的,通过这些模型,可以确定不同油气水分层流下的相分率和压降参数。
刘文红[4]利用实验获得的三相流实验数据来研究三相流管道的摩擦压降特性。用实验数据修正气液两相流经典压降模型—Chisholm压降模型,由于确定了不同流型下公式中的相关参数。其论文中的结果表示,使用此种方法改进的Chisholm模型具有很广的使用范围。
2 结束语
总之,要提出准确合理的流型判别模型和压降模型判别方法,就必须对多项流的流型和压降规律有足够的认识。这样油气水多相管流的机理研究才能取得突破性的进展。
多相流管输技术有着潜在的巨大经济效益和应用前景。中国当前这方面的技术与国外有着很大的差距。要克服这种差距,就必须学习借鉴国外的成果,但是一味的借鉴,并不一定能取得成功。要想取得适合中国国情的多相流技术,就必须结合中国实际条件进行创造性的研究。必须在我国所产原油是高含蜡、高粘稠油这一基础上进行理论研究和实用技术研究。
参考文献
[1]徐孝轩,宫敬.水平管中油气水三相流动研究进展[J].化工机械,2005,32(6):329335,377
[2]宫敬,刘德生.水平管内油气水三相流动规律研究[J].石油化工高等学校学报,2011,24(2):87-91
[3]章龙江.油气水三相管流流型及水力计算方法研究[D].中国石油大学(北京),2005
[4]刘文红等.水平管内油气水三相流分流型阻力特性实验研究[J].工程热物理学报,2005,26(1):80-83
水三相点 篇2
营养师指出，人体本身有留钾排钠的机制，红豆是高钾食物，加上丰富的纤维，能帮助排便与利尿。红豆经浸泡、加水焖煮后制成“红豆水”。网络上还盛传各式煮红豆水的方法，但饮用前，两位专家先帮你破除几个盲点：
1.每个人都适用红豆水？
红豆水对因口味重、压力或排便不顺引起的水肿更有效。疾病引起的水肿患者要特别注意控制水的摄入。比如慢性肾脏病患，因肾脏过滤功能失调，喝进去的水排不出去，反而加重身体负担，不建议饮用红豆水。此外，红豆水尽量热饮，否则会延缓代谢。
2.煮红豆水该用什么豆？
红豆古名赤小豆，也有人说两者是不同品种，到底哪种好？红豆与赤小豆分属不同品种。赤小豆在中医里属药材，外观较一般红豆细长，偏暗紫色，常有人将两者搞混。赤小豆的利水作用比红豆还要强一些，但用一般红豆也有利水的功效。
3.太瘦的人不适合吃红豆或喝红豆水？
利水不等于脱水。红豆虽然有利尿功能，但不至于像利尿剂一样，引起脱水或口干舌燥。
4.红豆水该怎么煮？
可以采用以下方法煮红豆水：
红豆1杯洗净，加入4～5杯冷水，浸泡约30分钟。
水不倒掉，煮到滚。水滚后关火，盖上锅盖焖煮15～30分钟，锅里的红豆约一半有破皮，一半没破，水呈半透明红褐色。
水三相点 篇3
在各种不同形式的分离器当中,卧式三相分离器中液滴的沉降与气体的运动方向相互垂直,从而导致气体中的液滴易于分离,同时分离器内较大的气液界面面积使得液体中的气泡能够更好地析出,因此该形式的分离器更易于油气的分离,加之卧式三相分离器分离性能往往高于立式三相分离器且造价较低,因而在实际生产中得到广泛应用。然而卧式三相分离器也存在占地面积较大、采出液含固体杂质较多时设计复杂等不足。
对于重力式三相分离器的研究很早就引起了国内外众多学者和研究机构的关注。早在20世纪初便有学者根据实践经验提出了“浅池理论”,为高效分离技术的发展奠定了理论基础。后来,人们逐渐认识到,建立在对分离器内多相流的流动机理和规律清楚认识之上的分离器计算才更为准确。因此,重力式分离器内多相流动流场的研究日益受到重视。美国学者Power等[1]通过大量实验研究得出了分离器的水处理量公式,并认为对于150μm以上的油滴,当油水界面高度达到分离器内径的0.769倍时,分离器的水处理量达到最大。Arnold等[2]发现如果入口的流体是紊流的状态或者是非稳定流,将会增大油水混合物中水滴之间聚并的概率,使得油层中的水滴更易于沉降。Watazl等[2]实验测得了粒径为360μm水滴的运动轨迹,研究发现液滴的运动在层流状态下是规则的,随着雷诺数的增大,液滴运动轨迹逐渐变得紊乱且不确定。李巍等[3]研究了卧式油水分离器的工作原理及分离器内油水重力分离的原理,研究表明,针对不同的油水混合物的流动情况,可以通过增加不同形式的分离内部构件来达到缩短分离时间,提高分离效率的效果,并提出了一种简便,易于工程中使用的计算方法来确定油水分离器的内部构件。鞠薇等[4]通过数值模拟研究发现,聚结构件的角度越大板间距越小越有利于液滴的聚集凝结。何生兵等[5]采用Fluent结合UDF的方法,数值模拟了振动和非振动工况下分离器内的油气水三相分离过程,发现振动对分离器内三相的分离效果有较大影响,设计过程中需要考虑。刘士海等[6]对三相分离器内液相晃动对分离器结构设计的影响进行了研究,提出了提高液相晃荡固有频率的方法来避开共振频带。贺会群等[7]采用数值模拟的方法研究了旋流分离器内油水混合物的流动状况,并预测了旋流分离器的性能。
综上所述,国内外在重力式油气水三相分离器的设计和研究方面已经进行了大量工作,但是针对海洋石油平台重力式油气水三相分离器设计的研究还需要进一步深入。
一般来说,影响重力式三相分离的主要因素有液滴的直径、介质的密度差、表面和界面张力、粘度、温度、压力、停留时间、气体流速、泡沫、乳化液等,除此之外,分离效率还与流动状态和流体的波动等特性有关。因此,在设计中,为了达到较好的状态,还需要在分离器内布置稳流部件。
三相分离器的设计包括:气体中分离油滴计算,油、水分离计算,原油中析出的气泡计算,分离器尺寸的确定等。其中尺寸设计包括尺寸的设定、管口尺寸的计算、停留时间的选取(决定了堰板位置及高度)、液位的控制、气液分离等诸多内容,而设备尺寸的确定主要与停留时间有关系,停留时间又和油品有关系,工程上设计的停留时间主要依据是脱水实验报告的结果。
气体中油滴的计算和油水分离计算均有相关约束条件。一般来说,分离器的设计需要综合考虑上述条件。基于此,本文将重点针对卧式重力分离器进行分析,本文重点介绍分离器设备尺寸的确定和聚结板的选取。希望对工程设计提供建设性参考。
1 三相分离器设计原理
分离器设计时一般要求液滴直径大于100μm的部分直接从气体中分离,小于100μm的液滴一般利用碰撞作用完成分离,这一部分主要采用丝网除雾器完成。
下面将从气体中液滴的沉降、液滴的大小和停留时间来说明分离器设计计算过程中的计算方法和应该注意的问题。
1.1 液滴沉降
由于液滴在沉降过程中产生聚并等现象,导致液滴在各个具体条件下的分离效果尚不能准确计算,一般为了简化计算,会通常引入如下假设:
(1)假设液滴是球形;
(2)液滴之间没有相互作用力;
(3)液滴的沉降速度为液滴所受负浮力与阻力相等时的匀速运动。
在计算过程中,通常认为颗粒在分离器中的运动速度为常数,同时液滴既不粉碎成细沫,也不集聚成大块状的液团。
以气体中液滴的沉降为例,液滴在气流中一般受到三个作用力,分别是自身重力Fg、气体对液滴的浮力Fb(气体中液滴所受重力与浮力之差称负浮力FB),以及液滴下落过程中气体对其的阻力FD
式中CD———阻力系数;
dl———液滴直径/m;
ρg,ρl———分别为气体和液滴的密度/kg·m-3;
vt———液滴沉降速度/m·s-1。
当液滴所受到的阻力、浮力和自身重力相平衡时,液滴作匀速运动,此时的速度为其沉降速度vt,其大小可由受力平衡获得
其中阻力系数由于流态的不同而有不同的表达式,在实际设计中需要考虑完整的曳力系数曲线的范围。
1.2 液滴的大小
三相油-气-水分离器中气体分离段采用除雾元件脱除气体中的雾沫。在重力沉降区可以对气体进行预处理,为捕雾器内气体的高纯度净化做准备。首先需要预先选定要在重力沉降区去除液滴的大小。经验发现,若要在重力沉降区域能够去除140μm液滴,则捕雾器就不会被掩没。一般来说100μm的颗粒可以在气体分离段被有效脱除。
(1)水中油滴尺寸
油的粘度是水的5~20倍,因此油滴沉降速度比水滴沉降速度大很多,导致油滴从水相中分离比水滴从油相中分离更容易些。试验发现经过三相分离器处理后的水相中油的含量从数百mg/L到2 000 mg/L不等,因此考察水相中的油滴尺寸并不是一个有效的考察标准。计算时,如果水相的停留时间明显小于油相的停留时间,那么为了去除污水中的油,应该采用沉降方程对水相进行核查。
(2)油中水滴尺寸
要预测能够脱离出油相的液滴尺寸十分困难。如果没有可用的实验室或附近油田的数据,一般认为大于500μm的水滴可以从油层中脱除。
1.3 停留时间
假定在流动停止的情况下,一个液体微团保留在容器内的平均时间即为停留时间。因此停留时间等于分离器内存储的液体体积除以液体的流速。为保证液体和气体在分离器压力下能达到平衡,则需要某一特定种类的液体存储。
此外,还需要一定的油层厚度来维持游离水有时间聚结成足够大的下沉液滴。实验测得停留时间一般从3~30 min不等。停留时间通常会随原油相对密度和粘度的增加而增加。同样对于水相来讲,水层厚度应该保证水中大多数的油滴有足够的时间聚并,且上浮到达油水界面,进而产生油相和水相得充分分离。具体停留时间在有脱水报告的情况下按照脱水实验报告确定,在没有脱水实验报告时,可以参考API 12J《油气分离规范》[8]中的规定,按照不同温度下油的重度来确定。
2 三相分离器设计要点
2.1 筒体尺寸设计
美国石油学会给出的卧式分离器设计通常采用的最小筒体长度与直径的比值为2.0。筒体长度一般为1 524 mm、2 286 mm或3 048 mm。筒体长度(即两个封头焊接接头之间的长度)的增量建议为762 mm。
国内卧式分离器设计一般采用中国石油天然气行业标准《分离器规范(SY/T 0515—2007)》[8],但是与美国石油协会不同的是,在设计过程中分离器通常采用的最小筒体长度与直径的比值是3.0,筒体长度的增量也增加为800 mm。对于公称直径DN600以下分离器直径的增量值建议为100 mm,DN600以上分离器直径的增量值建议为200 mm[9]。
2.2 油水分离
一般来说,重力式三相分离器内,气液分离能够满足设计要求,但实际的油水分离效果往往与设计要求有差距。因此,对于初步设计所得的分离器,还需要安装聚结构件促进油水两相的分离。目前工程上广泛采用的是波纹板油水分离技术。
波纹板聚结油水分离技术指的是重力分离和聚结分离结合与一体的一项新型油水分离的技术。重力法除油的基本原理指的是利用水和油的密度差异,油滴在设备内上浮,水相则由于重力作用在设备内下沉。
在流量一定及分离器内径尺寸一定的条件下,油水分离所需要的时间越长,所需分离器的长度就越大。因此,要确定分离器长度,需要计算油水分离所需要的时间。而油水的分离时间又取决于油滴的上浮速度,因此首先需计算出油滴的上浮速度。在层流条件下,可以应用斯托克斯公式来计算油滴的浮升速度
式中vo———油滴上浮的速度/m·s-1;
do———上浮油滴的直径/m;
ρw———水的密度/kg·m-3;
ρo———油的密度/kg·m-3;
oμw———水的动力粘度/Pa·s。
对一定粒径的油滴,其效率为
式中A———油滴的浮升面积/m2;
Q———分离器的处理量/m3。
可见油滴的分离效率只与油相及水相的物性、油滴粒径、处理量和油滴浮升面积有关,而与浮升高度无关。
因此,为了提高油滴的脱除效率,可以通过提升油滴的浮升面积方法,即通过多层板结构增大浮升面提高油滴脱除效率。此外,由于板组当量直径的减小,可使流体在较大流量下保持层流状态,有利于油滴的浮升。
假设油滴的脱除效率为100%,当采用n层板结构时,可脱除的最小油滴直径为
式中do,min———可以脱除油滴的最小直径;
n———板组层数;
W———多层板的宽度/m;
L———多层板的长度/m。
由式(6)可见,相同处理量时,多层板结构中板的层数越多板间距就越小,可以脱除的油滴粒径就会变得越小。在相同脱除效率的情况下,板层越多处理量越大,分离时间越短。
由式(5)可知,油滴粒径越大则可被脱除效率就越高。为了提高油滴的脱除效率,往往希望通过采用技术手段能使水中的油滴合并聚结为大油滴,进而得以分离。
实际设计过程中还需要根据油水浓度的比例确定属于“油包水”还是“水包油”进而精确地确定出油水两相间的曳力关系式。
2.3 聚结板的选择
近年来迅速发展的波纹板聚结油水分离技术正是基于上述理论,通过采用多层波纹板组,缩短油滴浮升高度,以提高油滴的分离效率。同时,油水混物在板组内流动过程中,由于过流断面不断发生变化以及波纹状流道,导致流体的速度大小和方向不断发生改变,从而增大了油滴碰撞聚结的几率。这样,较小的油滴在聚结板组间运动的过程中不断聚结变大,并通过润湿、吸附、聚结等相互作用,在波纹板的上、下表面形成油膜。由于不断变化着的油相速度大小和方向,使得油膜沿着板面移动,达到其临界值时发生脱落。此外,因为水相的密度比油相大,水相会在重力作用下沉降,到达下层波纹板的上表面,从而更快地实现了油和水的分离。
随着聚结板倾角的增大,油滴上浮及水的下沉速度加快,聚结分离速度提高;但加快的油滴流动速度使油滴在板间的停留时间变短,不利于油滴在板上的聚结[10]。在实际工程应用中,聚结构件具有减小流体速度的作用,板间距越小,这种阻碍作用越强;板间距对聚并分离的效果实际上并不像传统所认为的那样,即板间距越小聚并分离效果越好。当板间距小到一定范围后,继续减小板间距对分离效果的提升将变得微乎其微甚至效果变差。目前广泛使用的波纹板宽度为200 mm或300 mm,倾斜角度为30°或45°,相比较而言,45°时这种作用较小。
3 结论
本文主要以海洋石油平台上卧式三相分离器为研究对象,介绍了其工作原理及分离器内气液分离和油水分离的原理,并结合油水分离的难点,给出了设计和计算油水分离设备时的要点。分析结果表明,针对不同的油水混合物的流动情况,需要综合考虑液滴沉降、液滴的大小和停留时间对多相流动的影响。此外,油水分离是难点,需要通过增加内件来提升分离效率。同时,文中着重分析了油水分离器内部构件(聚结板)对油水分离工艺的影响以及聚结板的工作原理,并给出了聚结板的选择依据,为今后对卧式油水分离器的内件工艺设计及分离器内件的工程选取提供了理论依据。
参考文献
[1]肖容,王全.对油气水三相分离器的认识与实践[J].油田地面工程,1993,12(4):23-27.
[2]Kenneth E Arnold.Petroleum Engineering Handbook-Volume III Facilities and Construction Engineering[M].Society of Petroleum Engineers,Richardson,TX,U.S.A.1997.
[3]李巍,伊锋,孙章权,等.油水分离器及其内部构件的工艺设计计算方法的研究[J].应用能源技术,2012(10):9-12.
[4]鞠薇.卧式沉降三相分离器设计及数值研究[M].大连:大连理工大学,2014.
[5]何生兵,倪玲英.振动对油水分离器处理效率影响研究[J].石油矿场机械,2015,44(12):14-18.
[6]刘士海,岑康,伍绍国.油气水分离器内液相的晃荡固有频率研究[J].石油矿场机械,2014,43(9):13-17.
[7]贺会群,杨振会,吴刚,等.油水旋流分离器流场模拟分析与研究[J].石油机械,2005,33(12):1-5.
[8]SY/T-0515-2007.中华人民共和国石油天然气行业标准—分离器规范[S].国家发展和改革委员会,1989.
[9]刘玉梅.油气水分离器国内外设计标准[J].行业论坛,2014,33(9):1-4.