一種含油污水三相分離技術
作者；鄭曉敏
隨著油田伴生氣產量下降和裝置中設備的長期運行，初步分離后的污水中含油量大于100 g/L，遠超過污水處理場的接收標準(≤500 mg/L)，只能將其排放至三氣廠火炬區(qū)域的燃燒池。這樣處理含油污水會造成2個問題：一是含油污水可能滲入地下，對周圍的農田和地下水構成威脅；二是污水中輕油的揮發(fā)會對大氣造成污染，同時存在安全隱患。
1 油水分離方法的研究
油水混合物中水狀態(tài)主要有溶解水、乳化水、游離水3種。各種油水分離方法的共同點是，創(chuàng)造良好條件使油水依靠密度差和所受重力不同而分層。目前已知的油水分離方法主要有重力沉降分離、離心式分離、電分離、吸附分離、聚結分離等，各種分離方法比較結果見表1。
長時間靜置是測試含油污水中水狀態(tài)的一種有效方法。該方法是將油水混合物試樣靜置于試管內，觀察油水分層情況，水層厚度隨沉降時間的延續(xù)而增加，油品的水含量降低。開始水層厚度隨時間迅速增加，原有水含量迅速降低。一段時間后水層厚度基本不再增加，油品中水含量的降低趨于平緩。此時分出的水稱游離水，水層上方的油水混合物稱油水乳狀液，頂層為水含量很少的油品。
對三氣廠裝置的含油污水取樣，并對樣品進行不同時間靜置分離實驗，含油量測定方法采用《水質石油類和動植物油的測定》( GB/T 16488-1996)，污水樣品檢測結果見表2。
從表2可以看出，含油污水經過6 min靜置后，污水中的含油量就已降到了500 mg/L以下，且兩相之間沒有出現明顯的油水乳狀液。由此表明，僅采取重力沉降方法就可以使分離后三氣廠裝置含油污水達標，并可回收其中輕油。
重力沉降方法是由于油、氣、水的相對密度不同，組分一定的油水混合物在一定的壓力和溫度下，當系統(tǒng)處于平衡時就會形成一定比例的油、氣、水相。當相對較輕的組分處于層流狀態(tài)時，較重組分液滴根據斯托克斯公式的運動規(guī)律沉降，重力式沉降分離設備即根據這一基本原理進行設計。由斯托克斯公式可知，沉降速度與油中水分半徑的平方呈正比，與水油的密度差呈正比，與油的黏度呈反比。通過增大水分密度、擴大油水密度差、減小油液黏度可以提高沉降分離速度，從而提高分離效率。
2污水量的計算
三氣廠裝置含油污水主要是由水和輕油（主要組分是C，~ C6）組成，其來源主要有2部分：一是原料氣分離器底部的含油污水；二是凝液壓送罐中含水輕油中的游離水。這2部分的含油污水量均無法采用計量設施直接計量得出。因此，采用裝置工藝建模方法來計算含油污水的平均產出量，采用原料氣分離器和凝液壓送罐的液位變化值來計算含油污水的瞬時最大排放量。
三氣廠裝置含油污水是由攜帶飽和水的原料氣降壓后分離產生的輕烴和游離水。以原料氣的組成為基礎，利用HYSYS工藝模擬軟件，建立工藝流程（見圖1），計算出含油污水的產出量約為4 m3/d。
根據三氣廠生產報表的長期統(tǒng)計結果顯示，原料氣分離器和凝液壓送罐的含油污水采用間歇排放的方式，原料氣分離器含油污水排放時間間隔大于20 min，最大排放量為0.17m3；凝液壓送罐的排放時間間隔大于4h，最大排放量為0.7m3。
3三相分離器的計算
三相分離器是三相分離技術的關鍵，容器內2種互不相溶液體有相同的停留時間，按要求的停留時間和容器的物料衡算，可求出分離器的結構尺寸。
三相分離器采用臥式設計，油水分離空間應能滿足最大流量0. 87 m3/20 min的分離要求，確保了含油污水的分離效果。按照油水分離區(qū)體積等于油水停留時間內流人分離器的液量的原則，臥式分離器的計算公式如下：
式中，m為液體占分離器橫截面分數，取值范圍0.5~0. 75，常取0.5；t。為分離器油水分離的有效長度；Q。、Q。分別為油相、水相流量；t。、t。分別為油相、水相停留時間，一般取to=tw。
本次計算m取0.5，
;泊水混合相流量按瞬時最大值0. 87 m3/20 min，求得D =0.9 m，L。=2.7 m。最終，三相分離器的外型尺寸設計為φ1000 mm x3 000 mm。
4 三相分離技術的研究
4.1 常規(guī)三相分離技術
常規(guī)的三相分離器結構見圖2所示，含油污水進入這種三相分離器后，氣相聚集在分離器上部空間進行排放；液相通過分流器進入集液區(qū)，在聚結板作用下使小液滴聚結、粒徑增大、加速沉降，后在油水分離腔內進行油水分離。分離后的水相在液位高差的作用下通過連通管進入水腔，由液位計、控制閥控制排放；分離后的油相通過油堰板進入油腔，由液位計、控制閥控制排放。
這種三相分離器具有破除小液滴能力強、污水品質穩(wěn)定、裝置整體結構緊湊等優(yōu)點，但也帶來了一些問題：①內部結構復雜，設備制作、內部防腐、后期維護的難度大；②油腔和水腔的設置，縮短了油水分離時間，影響分離效果；③三相分離器的穩(wěn)定運行必須依靠液位計、控制閥等儀控設備，增加了投資。
4.2 新型三相分離技術
根據三氣廠含油污水的性質，研發(fā)出了新型含油污水的三相分離技術，示意圖見圖3。
該三相分離技術的工作原理是：含油污水在三相分離器中靜置分離，輕油層到達輕油管口高度時直接溢出進行輕油回收，沉降后的污水直接通過罐底的污水管線排放至污水收集罐，倒U型彎管線水平段高度由油水界面設計高度來確定。
由于三相分離器內部結構的簡單化，為確保油水分離效果，將三相分離器的氣液界面高度設定為0. 75D，即輕油管線出口高度為750 mm；初步確定將油水界面控制在350 mm，則分離器內油層厚度為400 mm，輕油的密度為634 kg／m3。計算出倒U型彎管線水平段距分離器罐底高度為600 mm。必須注意的是，三相分離器初次投運時，進入的物料如果為大量輕油，會使輕油進入污水收集罐，造成污水的污染，因此初次投運前必須在三相分離器底部加入一定量的水。
另外，為避免產生虹吸現象，在三相分離器頂部與倒U型彎管線水平段設計了氣相平衡線，確保油水在大流量波動的情況下分離設施的穩(wěn)定運行。
采用這種三相分離技術，減少了液位計（液位開關）、調節(jié)閥等儀控設備的購置、安裝，降低了儀表維護人員、裝置操作人員的勞動強度。
5應用情況
新型三相分離技術現場應用后，回收后的輕油清澈透明，分離后水相各項指標均滿足污水處理場的進水指標要求，見表3。
目前該裝置運行穩(wěn)定，分離后的輕油和污水均能達到相關要求。該項目的成功應用，實現了含油污水油、水、氣三相有效分離，解決了含油污水對周邊環(huán)境的污染，消除了由此帶來的安全隱患。同時，分離后的輕油的有效回收，每年給企業(yè)創(chuàng)造了100余萬元的經濟效益。
6結論
(1)新型三相分離處理技術摒棄了復雜內部結構的常規(guī)三相分離器，采用倒U型管控制油水界位，減少了儀控設備的使用，降低了設備制造和后期維護難度，有著很好的推廣作用。
(2)在現場條件不完備的情況下，采用多種方法對含油污水產生量進行測定、計算，并分析確定了各種方法的適用范圍，為三相分離系統(tǒng)的設計提供了可靠數據。
(3)根據現場實際情況，突破油水分離設備常規(guī)計算方法，確定了三相分離器的設計參數，保證了油水分離效果，確保分離后的污水達標排放。
7摘要：針對油田伴生氣中壓深冷處理裝置產生的含油污水，介紹了油水分離方法的研究、含油污水排放量及分離器的計算、新型三相分離技術的研究及應用，最終達到了油、水、氣三相的有效分離，給企業(yè)帶來了良好的經濟效益和社會效益。該技術具有設備內部結構簡單、儀控設備少、后期維護難度低等優(yōu)點，有著較好的推廣性。
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