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摘 要： 摘 要: 介紹了罐底油的現(xiàn)狀及罐底油中渣顆粒和油滴及水在離心力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力情況, 建立了相應(yīng)的物理模型; 推導(dǎo)出了渣顆粒的離心沉降分離速度、沉降層厚度和油滴的向心分離速度、向心層厚度的表達(dá)式; 通過(guò)小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)罐底油進(jìn)行了三相分離實(shí)驗(yàn)研究, 分析了溫
摘 要: 介紹了罐底油的現(xiàn)狀及罐底油中渣顆粒和油滴及水在離心力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力情況, 建立了相應(yīng)的物理模型; 推導(dǎo)出了渣顆粒的離心沉降分離速度、沉降層厚度和油滴的向心分離速度、向心層厚度的表達(dá)式; 通過(guò)小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)罐底油進(jìn)行了三相分離實(shí)驗(yàn)研究, 分析了溫度、分離轉(zhuǎn)數(shù)等對(duì)分離效果的影響。實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果基本吻合, 為罐底油的簡(jiǎn)單有效分離提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 罐底油; 渣顆粒; 油滴; 三相分離
為了保障石油資源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 建立大型石油儲(chǔ)備基地勢(shì)在必行。由于我國(guó)油田的開(kāi)發(fā)方針受前蘇聯(lián)的影響較大, 采用注水開(kāi)發(fā)保持地層壓力。在獲得穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí), 采出液中原油含水率迅速上升, 目前國(guó)內(nèi)東部各大油田的綜合含水率已達(dá) 90%左右。而且原油開(kāi)采時(shí)含有很多的泥沙和礦物質(zhì)。在長(zhǎng)時(shí)間的存放過(guò)程中, 原油中的少量渣( 機(jī)械雜質(zhì)、沙粒、泥土、重金屬鹽類(lèi)以及石蠟和瀝青質(zhì)等重油性組分) , 因密度差而自然沉降積累在油罐底部, 形成又黑又稠的膠狀物質(zhì)層, 其數(shù)量一般高達(dá)儲(chǔ)罐容量的 1%。加之大量水的影響, 使罐底形成油、水、渣顆粒三相的混合物, 即罐底油。大型石油儲(chǔ)罐的清洗和罐底油的處置問(wèn)題將日益突出, 人們采取了各種處理方法, 但其效果都不十分理想。本文從理論和小型實(shí)驗(yàn)上采用離心沉降、向心分離的方法, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種成分的一次有效分離。
1 三相分離物理模型
擬將罐底油在試管離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn), 所以將試管離心機(jī)中的試管及其中的罐底油簡(jiǎn)化為如圖 1 所示的三相分離物理模型。圖中: dx 表示三相分離中的渣顆粒的微單元層, dr 表示油的微單元層。在繞 O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí), 由于離心力的作用, dx 層向 O1 方向移動(dòng), 實(shí)現(xiàn)渣顆粒的離心沉降分離; dr 層向 O 方向移動(dòng), 實(shí)現(xiàn)油的向心分離; 中間層為水。并假設(shè): ①分離機(jī)的振動(dòng)對(duì)分離的影響可以忽略; ②罐底油中渣顆粒分布均勻, 大小用平均粒徑來(lái)代替; ③每一層中的渣( 油滴) 分離速度相同; ④忽略渣、油、水分離時(shí)的相互干擾; ⑤渣顆粒表面光滑, 其球形系數(shù)為 1。⑥分離過(guò)程中流體一直處于層流流動(dòng)狀態(tài)。
2 渣顆粒的沉降分離速度及沉降層厚度
2. 1 渣顆粒的受力
4 實(shí)驗(yàn)
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
如圖 2 所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備, 是由試管離心機(jī)及自制的恒溫箱等組成。
4.2 實(shí)驗(yàn)方法
(1)測(cè)定罐底油特性: 粘度、閃點(diǎn)、三種成分的質(zhì)量含量;
(2)將恒溫箱加熱到實(shí)驗(yàn)溫度;
(3)將物料裝入試管內(nèi), 保溫 5 分鐘;
(4)離心機(jī)啟動(dòng),按設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn), 分別按預(yù)定時(shí)間取出試管, 測(cè)定沉降和向心分離物質(zhì)的量及水的量。
4.3 結(jié)果分析
4.3.1 時(shí)間對(duì)三相分離效果的影響
圖 3 是在特定溫度、特定轉(zhuǎn)數(shù)下, 隨著分離時(shí)間的延長(zhǎng), 分離出來(lái)的三層物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化。其中: 中層的水逐漸增多直到最大量; 沉降層( 下層) 物質(zhì)逐漸增多直到分離徹底; 向心層( 上層) 物質(zhì)逐漸減少直到分離徹底。從油的向心分離厚度公式可以看出, 隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 向心層的物質(zhì)量應(yīng)該越來(lái)越多, 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻相反。其原因: 含水原油多為“油包水”形乳化液, 在短時(shí)離心力作用下,“油包水”[2] 的狀態(tài)難以打破, 水與油滴一起進(jìn)入了上層中。隨著離心力作用時(shí)間的增長(zhǎng)“, 油包水”的狀態(tài)被打破, 水就逐漸從向心分離層中分離出來(lái)。
4.3.2 溫度、轉(zhuǎn)數(shù)同時(shí)對(duì)罐底油最終分離結(jié)果的影響。
全方位考慮溫度、轉(zhuǎn)數(shù)的影響。如圖 4 所示, 將 10 g 罐底油在不同溫度下分離徹底后得到的結(jié)果繪制成的三維圖。從圖中看出: 隨著溫度的升高轉(zhuǎn)數(shù)的增大, 分離出的向心層的量逐漸減少。但向心層內(nèi)的油含量越來(lái)越高( 最高可達(dá) 100%) �？梢赃_(dá)到十分理想的分離效果。
4.3.3 實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果對(duì)比
通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)油及渣顆粒的理論結(jié)果進(jìn)行修正, 得出 Z=1.374, Y=0.945。從圖 5 中看出, 修正后的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近, 最 大 誤 差 分 別 為 6.975%和 6.939%。 5 結(jié)論:
( 1) 得出罐底油三相分離的渣顆粒沉降分離速度、沉積層厚度、油滴的向心分離速度、向心層厚度的理論計(jì)算公式;
( 2) 所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及分離方法, 可以打破“油苞水”實(shí)現(xiàn)對(duì)罐底油的有效向心、離心三相分離, 并得到了理想的分離效果, 為罐底油的簡(jiǎn)單實(shí)用分離提供實(shí)驗(yàn)依據(jù);
( 3) 提出的理論計(jì)算公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合, 表明理論計(jì)算公式正確, 可以應(yīng)用到罐底油的實(shí)際分離之中。
符號(hào)說(shuō)明:
de—非球形粒子的當(dāng)量直徑( m) ;
d!—油滴的直徑(!m) ;
v—渣顆粒相對(duì)于液體的運(yùn)動(dòng)速度( m/s) ;
u—液體的流動(dòng)速度( m/s) ;
#—水的密度( kg/m3 ) ;
$s—渣顆粒的密度( kg/m3 ) ;
$!—油滴的密度( kg/m3 ) ;
%—水的動(dòng)力粘度( "a·S) ;
F0—渣顆粒所受的離心力( N) ;
FB—渣顆粒所受的向心浮力( N) ;
Ff—渣顆粒所受阻力( N) ;
!—回轉(zhuǎn)角速度(l /s) ;
n—離心機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)(r /min) ;
t—所選定液層以下的顆粒分離結(jié)束所用的分離時(shí)間(s) ;
z、!—積分變量;
h—所選顆粒分離結(jié)束后在沉積層中距試管底部的高度( m) ;
hs—渣顆粒所形成的沉降層厚度( m) ;
h"—油的向心層厚度( m) ;
Z、Y—實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的修正系數(shù), 無(wú)量綱。
參考文獻(xiàn):
[1] 孫啟才、金鼎武.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)計(jì)算 [M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1978.
[2] Ladislav Svarovsky. Advance in Solid - Liquid Separation [J].Chemical Engineering, 1979: 30, 69- 78. 責(zé)任編輯: 孫玉祥( 0791- 3708057)