第3章 紧凑型分离设备
分离器，这就意味着管式分离器中的界面水力负荷较低；由于水滴可以在流体中无障碍的通行，所以沉降速度更快。
当处理高粘度的流体时，乳状液是很容易形成的，所以有效的分离是很困难的。但是管式分离的概念表明它能有效的分离高粘度流体。乳化层分布在管式分离器中较大的油水交界区域上，因此变得非常薄。当分离发生在全段管线上时，流体将分成速度不同的两层。乳化层刚好在这两层中间，所以速度差将使乳化层承受巨大的剪切力，这将帮助破乳加强分离。（3）出口段
出口段主要是将分离出来的水回注，同时让分离出的油气混合物流出分离器。出口段装有用于控制过程中压力、温度和液位的设备，同时还提供一定的缓冲空间来储存分离出来的水，这样可以使水注入泵稳定地工作。
[17]
图3-9 出口段液体密封段示意图
1-凹槽；2-液体密封；3-管式分离器水平段尾端；4-输送管线；5-排水管
图3-9为出口段的液体密封段的放大示意图。液体密封段被设计成位于管式分离器下游尾端的弯曲段，实际上是一个用于将分离后的水从原油主流中去除的 “水封”。在液体密封上游段弯曲拐点的前端有一个凹槽，通过在主体管道壁面上开孔以排除分离后的水。来自井口的三相流在管式分离器进行分离后，油相和含量较少的气体通过液体密封段进入下游的输送管线中；
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第3章 紧凑型分离设备
排出的水用于回注。设计时必须保证该段的弯曲半径足够大，以使得管道爬行器和其它设备能够顺利通过。
3.3.2 管式分离器的优势
与常规重力式分离器相比，管式分离器拥有以下优势： ? 水滴有较短的沉降距离 ? 对乳化层有较大的剪切 ? 水相能够通过较大的交界面 ? 流体在分离器入口能够保证平稳
由于以上的优势，管式分离器能够减少设备重量和提高分离效率。Norsk Hydro已经在其Porsgrunn研究中心建立了一套现场模拟装置并进行了实验测试和资质认证工作。典型的油-水乳化液分离效果如下：①具有中等乳化稳定性的Troll原油，在含水质量分数低于60％时得到了有效分离，而此时常规的重力分离器却难以奏效；②具有较高的乳化稳定性Grane重质原油，在含水质量分数低于30％时重力分离器几乎难以奏效，而管式分离器在含水质量分数低于30％时能够进行有效分离(此时的分离效率与装配有VIEC的重力分离器在50％的设计载荷下运行时相当)。此外，管式分离器出水口的水质 明显好于常规重力分离器。管式分离器在100％设计载荷下所允许的气-液比(GLR)为1.0，在75％设计载荷下为1.8，在50％设计载荷下，GLR为4.0时仍然不会对油水分离产生负面影响。目前，FMC Technologies公司已经推出了管式分离器接合在水下生产系统中的设计样图。根据设计计算结果，在同样的处理能力和效率下，常规重力分离器的质量约320吨(整个分离站的总质量为450吨)，而管式分离器仅60吨(相应的总质量为212吨)。[18,19]
3.4 超音速气-液分离器
3.4.1 超音速气-液分离器简介
从1997年起，壳牌石油公司开展了天然气超音速脱水技术的研究，包
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第3章 紧凑型分离设备
括基础理论研究、数值模拟、实验室研究和现场试验研究。基础理论研究和数值模拟研究主要在荷兰的埃因霍恩科技大学等几所大学、Stork Product Engineering公司和Shell的研究机构中进行，开发了一些描述分离器内部复杂流动的分析和数值模拟工具。Shell公司于2000年与Beacom风险投资公司合资成立了专门研究和推广这项技术的Twister BV公司。
世界上第一个商业化运行的Twister超音速气-液分离器于2003年12月在Petronas和Shell的B11P—A开发中用于天然气脱水。这些气-液分离器在荷兰加工制造，内部元件采用Inconel合金以防止因处理气中CO2和H2S含量较高而引起腐蚀问题。该脱水系统包括6 个超音速分离器，每个分离器的处理能力约为280×104m3／d，总处理能力接近850×104m3／d(有备用分离器)，压力降达25％-30％，出口水露点达10℃，大修时间间隔可达20000h。该系统运行稳定，可靠性高，还节约投资和操作费用3-8千万美元 。
由于Twister超音速气-液分离器可以在非常低的环境温度下从气体种中分离液体，因此完全可以将其直接应用于海底。Twister BV公司和FMC公司已经完成了将Twister应用于海底的可行性研究，典型的Twister海底模块将6根Twister超音速气-液分离器垂直安装在液体脱气罐上部周围。虽然有几个部件在海底安装和运行之前还需要做进一步研发和资质认证，但已经报批了一个由欧盟资助的4年的研发计划，将于2007年完成小规模海底天然气处理装置样机的设计制造和安装调试。
国内江汉石油机械研究所已经针对该技术进行了相关研究。Twister BV公司在前期研发阶段，计算流体力学（CFD）数值模拟扮演了重要角色。该公司已经在CFX—5软件的基础上，专门定制开发了Twister CFD软件，能够对真实气体介质中的多相流现象进行有效模拟，并承接相关咨询业务。
3.4.2 超音速气-液分离器的原理
超音速气-液分离技术的实质是低温冷凝法，超音速分离器(或称为露点分离器)为其中的核心部件。如图3-10所示，超音速分离器沿着轴向可分为
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第3章 紧凑型分离设备
膨胀段、旋流分离段和压缩段三部分，气体混合物进入膨胀段末端的Laval喷嘴后，在自身压力作用下加速到超音速，由于该过程接近于绝热的等熵膨胀，气流混合物的温度和压力会急剧下降，其中的水蒸气和重烃冷凝形成微米级的细雾状液滴。带有凝析液的气体进入中间的旋流分离段，液滴在强旋涡运动作用下向外离心运动，从而在内壁形成大约几毫米厚的薄液膜层，通过环形槽清除后流人后面的液-液分离装置中。干气则继续前行进入压缩段，流速下降到亚音速，压力则上升恢复到原始压力的65％-80％ 。
图3-10 Twister超音速气-液分离器工作原理及典型工作参数
3.4.3 超音速气-液分离器的结构
超音速喷管的主要结构和关键技术主要有： (1)拉瓦尔喷管
拉瓦尔喷管是一种具有精确几何形状的收缩-扩张管道，可以将气流的速度提高到超音速水平，并导致温度急剧下降。通过喷管过程中，气体绝热膨胀，没有热量损失或加入，近似于90％的等熵过程。在喷管的喉道处，速度为350-400m／s。在喉道的后面是膨胀管，气体继续膨胀，压力和温度继续降低。到达喷管出口时，气体的温度与进口相比可以降低50-80℃。温度急剧下降的过程会产生尺寸非常小的液滴，在普通的设备中，液滴的出现
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