油气集输课程设计 分离器设计计算两相及旋风式.docx
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油气集输课程设计分离器设计计算两相及旋风式
重庆科技学院
《油气集输工程》
课程设计报告
学院:
石油与天然气工程学院专业班级:
学生姓名:
学号:
设计地点（单位）重庆科技学院石油科技大楼
设计题目:
某低温集气站的工艺设计
——分离器设计计算（两相及旋风式）
完成日期:
年月日
指导教师评语:
成绩（五级记分制）:
指导教师（签字）:
摘要
天然气是清洁、高效、方便的能源。
天然气按在地下存在的相态可分为游离态、溶解态、吸附态和固态水合物。
只有游离态的天然气经聚集形成天然气藏，才可开发利用。
它的使用在发展世界经济和提高环境质量中起着重要作用。
因此，天然气在国民经济中占据重要地位。
天然气也同原油一样埋藏在地下封闭的地质构造之中，有些和原油储藏在同一层位，有些单独存在。
对于和原油储藏在同一层位的天然气，会伴随原油一起开采出来。
天然气分别通过开采、处理、集输、配气等工艺输送到用户，每一环节都是不可或缺的一部分。
天然气是从气井采出时均含有液体（水和液烃）和固体物质。
这将对集输管线和设备产生了极大的磨蚀危害，且可能堵塞管道和仪表管线及设备等，因而影响集输系统的运行。
气田集输的目的就是收集天然气和用机械方法尽可能除去天然气中所罕有的液体和固体物质。
本文主要讲述天然气的集输工艺中的低温集输工艺中的分离器的工艺计算。
本次课程设计我们组的课程任务是——某低温集气站的工艺设计。
每一组中又分为了若干个小组，我所在小组的任务是——低温集气站分离器计算。
在设计之前要查低温两相分离器设计的相应规范，以及注意事项，通过给的数据资料，确定在设计过程中需要使用公式，查询图表。
然后计算出天然气、液烃的密度，天然气的温度、压缩因子、粘度、阻力系数、颗粒沉降速度，卧式、立式两相分离器的直径，进出管口直径，以及高度和长度。
把设计的结果与同组的其他设备连接起来，组成一个完整的工艺流程。
关键字：
低温立式分离器压缩因子
摘要……………………………………………………………………………1
1.设计说明书…………………………………………………………………4
1.1概述……………………………………………………………………4
1.1.1设计任务……………………………………………………………4
1.1.2设计内容及要求……………………………………………………4
1.1.3设计依据以及遵循的主要规范和标准……………………………4
1.2工艺设计说明…………………………………………………………4
1.2.1工艺方法选择………………………………………………………4
1.2.2课题总工艺流程简介………………………………………………5
2.计算说明书…………………………………………………………………5
2.1设计的基本参数………………………………………………………5
2.2需要计算的参数………………………………………………………5
3.立式两相分离器的工艺设计………………………………………………6
3.1天然气的相对分子质量………………………………………………6
3.2天然气的相对密度……………………………………………………6
3.3压缩因子的计算………………………………………………………6
3.4天然气流量的计算……………………………………………………9
3.5液滴沉降速度…………………………………………………………10
3.5.1天然气密度的计算…………………………………………………10
3.5.2临界温度、压力的计算……………………………………………11
3.5.3天然气粘度的计算…………………………………………………11
3.5.4天然气沉降速度的计算…………………………………………13
3.6立式两相分离器的计算……………………………………………14
3.6.1立式两相分离器直径的计算……………………………………14
3.6.2立式两相分离器高度的计算……………………………………15
3.6.3立式两相分离器进出口直径的计算……………………………15
3.7管径确定……………………………………………………………16
3.8壁厚的确定…………………………………………………………16
3.9丝网捕雾器…………………………………………………………17
3.10设备选型……………………………………………………………17
4.旋风分离器的工艺设计……………………………………………………18
4.1.1根据进、出口速度检验K值及最后结果…………………………19
4.2压力降的计算………………………………………………………21
结论……………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………24
1设计说明书
遵循设计任务的要求，完成某低温集气站的工艺设计——分离器计算（两相及旋风）。
在设计之前要检查低温两相分离器设计的相应规范，以及注意事项，通过给的数据资料，确定在设计过程中需要使用的公式，查询图表。
然后计算出天然气、液烃的密度、天然气的温度、压缩因子、粘度、阻力系数、颗粒沉降速度、进出管口直径、高度、长度以及卧式、立式分离器的直径。
1.1概述
通过查有关资料和相关规范，通过设计任务书上的数据以及要求，计算出低温集气站两相分离器的工艺参数。
1.1.1设计任务
某低温集气站的工艺设计——分离器计算（两相）
1.1.2设计内容及要求
根据提供的资料进行某低温集气站的工艺设计——分离器计算（两相）；
编写设计报告和课程设计总结；
报告格式需符合学校课程设计撰写格式要求。
1.1.3设计依据以及遵循的主要规范和标准
《油气集输设计规范》（GB50350-2005）
《油气分离器规范》（SY/T0515-1997）
《油气分离器设计制造规范》（QHS3006-2003）
1.2工艺设计说明
根据课程设计老师布置的要求，查资料和规范，计算出相应的参数。
在设计的过程中，应该按照实际计算的公式或图表分别求出对应状态下的数值，合理利用相应的规范，设计出符合课程需求的工艺。
1.2.1工艺方法选择
气田集输工艺流程分为单井集输流程和多井集输流程。
按天然气分离的温度条件，又可分为常温分离工艺流程和低温分离工艺流程。
本次课程设计的任务是低温集气站的工艺设计。
低温集气站分离器的设计，通过节流降压的方法，是天然气中的含水量降低，从而达到脱水的目的。
1.2.2课题总工艺流程简介
多口气井节流降温分离多次节流凝液回收外输
2计算说明书
2.1设计的基本参数
设计的基本参数见表2.1
表2.1井口的产量、进站压力及温度
井号
产量（104m3/d）
进站压力（MPa）
进站温度（℃）
1
18
16
31
2
22
16
30
3
20
16
32
4
16
16
32
5
7
16
30
6
14
10
31
7
19
10
30
出站压力：
6MPa；天然气露点：
＜-5℃
进站气体组成（%）：
C1-85.33C2-2.2C3-2.0C4-1.7C5-1.23C6-0.9H2S-6.3
CO2=0.78
凝析油含量：
20g/m3；S=0.78
2.2需要计算的参数
天然气的相对分子质量、压缩因子、天然气节流后的比拟压力及温度、天然气的总流量、液体的沉降速度、分离器内直径、分离器气体出入口管径。
3立式两相分离器的工艺设计
3.1天然气的相对分子质量
人们把0℃、101325Pa时体积为22.4dm3天然气所具有的质量认为是天然气的相对分子质量。
天然气的相对分子质量是一种人们假想的相对分子质量。
其计算方法为：
（3.1）
式中：
M——天然气的相对分子质量；
yi——组分i的摩尔分数；
Mi——组分i的相对分子质量。
根据有进站气体组成（%）：
C1-85.33C2-2.2C3-1.7C4-1.56C5-1.23C6-0.9H2S-6.3CO2=0.78
用上述（3.1）公式可计算出天然气的相对分子质量为：
M=16×0.8533＋30×0.022＋44×0.017＋58×0.0156＋72×0.0123＋86×0.009＋34×0.063＋44×0.0078=20.115
3.2天然气的相对密度
天然气相对密度是在相同压力和温度下天然气的密度与空气密度之比，这是一个无量纲。
天然气的相对密度用符号S表示。
且一般情况下计算，得到干燥空气的分子量约为28.97，则有：
3.3压缩因子的计算
在某压力P和某温度T时n摩尔气体的实际体积除以在相同压力P和温度T时n摩尔气体的理想（计算）体积之商，即为该气体的压缩因子。
压缩因子主要有两种计算方法：
计算法、查图法。
本文用的是查图法计算出天然气的压缩因子。
天然气的相对密度S=0.696＜0.7，所以对于凝析气田气，通过查数据公式中的公式：
（3.2）
所以根据上述（3.2）公式可得：
因为气体组分中含较多硫化氢和二氧化碳，需对拟临界压力、温度进行修正，则根据校正系数：
（3.3）
式中:
A——H2S和CO2气体的总摩尔分数；
B——H2S气体的摩尔分数。
根据上述（3.3）公式可以通过带入已知数值计算得到：
再代入校正公式：
（3.4）
将已知的校正系数代入上述（3.4）公式中，可以得到
和
为校正后的压力、温度，分别为：
根据节流阀4、5号节流之后的压力和温度P=6MPa，T=（12.67+273.15）K=285.82K可以得到其比拟压力、比拟温度。
天然气的压力、温度、密度与其拟临界压力、拟临界温度和拟临界密度之比分别称为天然气的拟对比压力、拟对比温度、拟对比密度。
天然气的拟对比压力:
（3.5）
所以由上述（3.5）公式可计算出天然气的拟对比压力为：
天然气的拟对比温度:
（3.6）
所以由上述（3.6）公式可计算出天然气的拟对比温度为：
整理后查得下图3.3天然气压缩因子版图可得压缩因子:
图3.3天然气压缩因子图版
通过拟对比温度和拟对比压力的数据，根据下图中的图1压缩因子可查得天然气压缩因子为Z=0.792。
3.4天然气流量的计算
在标准状态下6、7号井的流量分别是Qg6=14×104m3/dQg7=19×104m3/d
天然气在标准状态下的流量与实际流量的转换公式为：
（3.7）
所以由上述（3.7）公式可计算出6、7号井天然气的实际流量分别为：
6号井：
7号井：
3.5液滴沉降速度
3.5.1天然气密度的计算
根据天然气密度计算的公式:
（3.8）
式中P——节流后的压力；
M——天然气的分子质量；
Z——压缩因子；
T——节流后的温度。
可以根据上述（3.8）公式算出在P=6MPa，T=（12.67+273.15）K=285.82K条件下天然气密度：
3.5.2临界温度、压力的计算
根据下图3.5可查到天然气在不同压力温度下的粘度。
气体的相对密度是0.696，从图2天然气的假临界特性中查得临界温度是217K，临界压力是4600KPa，计算求得临界参数。
图3.5.2天然气的假临界特性
P=6MPa，T=268.15K条件下：
3.6.3天然气粘度的计算
根据已知条件，6、7号井节流后温度为12.67℃可以根据下图3.5.3查得粘度数据。
从图3.5.3分子量、相对密度与粘度的关系中查得在101.325KPa和12.67℃条件下经过H2S和CO2含量的校正气体粘度0.0098mPa·S。
图3.5.3在101.325kPa（a）压力下气体的分子量、相对密度与粘度的关系
利用所算出来的对比压力和对比温度可以在下图3.5.4对比温度与粘度的关系中查得粘度比，然后在密度与粘度关系图中查出的数字相乘，就可得到流体的运动粘度。
图3.5.4对比温度与粘度的关系
其中上图3.5.4中：
——在操作温度和操作压力下的粘度，mPa·S
——在101.325kPa（绝）和操作温度下，mPa·S
从上图3.5.4中查得：
粘度的计算公式为：
（3.9）
已知颗粒直径取
、凝析油的密度为
、天然气的密度为
有上述（3.9）公式可以算出天然气的运动粘度为：
3.6.4天然气沉降速度的计算
已知上述计算出运动粘度为3695,可以根据下图3.5.4液滴在气体中的阻力系数计算列线图可以查得其阻力系数。
图3.5.4液滴在气体中的阻力系数计算列线图
查上图3.5.4可得阻力系数
，所以颗粒沉降速度为：
（3.10）
式中
——颗粒直径；
——液体的密度；
——气体的密度；
——阻力系数。
有上述（3.10）公式可以得到液滴的沉降速度为：
3.5立式两相分离器的计算
3.6.1立式两相分离器直径的计算
由前面的液体颗粒沉降速度公式可求得在给定条件下的液滴沉降速度W，在垂直上升的气流中，为了不是颗粒被气流携带出分离器，并考虑到分离器横截面积的利用情况，一般取气流计算速度：
（3.11）
其中系数
设在给定压力P和温度T的条件下，欲被分离的气体流量为Q，令其流经的横截面积为：
（3.12）
式中D——分离器的直径
流量的计算公式：
（3.13）
所以由上述（3.11）、（3.12）、（3.13）公式可以推导出计算出分离器的直径公式为：
（3.14）
已知
、
，代入上述（3.14）式可得：
3.6.2立式两相分离器高度的计算
分离器高度H的计算公式为：
（3.15）
将6、7号井的直径数据带到上述（3.15）得到：
3.5.3立式两相分离器进出口直径的计算
取进口速度V1=15m/s，V2=10m/s。
分离器进出路口直径D1、D2的计算公式为：
（3.16）
式中V1、V2——分别为气体的进口和出口速度，m/s
所以将6、7号井的流量分别代入上述（3-16）公式的进出口直径公式可分别计算出管径为：
6号井：
7号井：
3.7管径确定
根据资料查得管道直径公式为：
（3.17）
将Q6、Q7的流量带入上述（3.17）公式，计算得：
，
3.8壁厚的确定：
按照我国《输气管道工程设计施工规范》（GB50251-1994），可查得输气管道管段管壁厚度计算公式为：
（3.18）
根据上述（3.18）公式可分别计算出6、7号井口的分离器壁厚为：
3.9丝网捕雾器
根据《油气集输设计规范》（GB50350-2005），卧式两相分离器内通过丝网捕雾器的设计速度，一般取丝网最大允许速度的75%，查得气体通过丝网最大允许速度计算公式为：
（3.19）
式中：
——气体通过丝网最大允许速度，m/s；
——桑得斯-布朗（Souders-Brown）系数，
可取0.107m/s。
根据已知量带入上述（3.19）公式，计算可得气体通过丝网最大允许速度为：
捕雾器的面积应为S=q/υ，其中q为操作条件下气体的流量，则捕雾气的面积为：
3.10设备选型
按照SY/T0515-2007《油气分离器规范》可对分离器进行选型，本设计选择立式分离器的公称直径、筒体高度、公称容积等。
通过下表3.9来表示出6、7号井的分离器的选型。
表3.9两相分离器计算结果及选型结果
设备名称
工艺参数及几何尺寸
6号井
两相分离器
7号井
两相分离器
原
始
数
据
操作温度，℃
31
30
操作压力，MPa
10
10
工况下气体流量，m/s
0.021
0.029
工况下气相密度，kg/m3
64.13
64.13
工况下液相密度，kg/m3
780
780
工况下气体粘度，mPa·s
0.0127
0.0127
工况下气体的压缩因子
0.792
0.792
型式
立式重力式
立式重力式
计
算
值
液滴沉降速度，m/s
0.1
0.1
分离器直径计算值，m
0.59
0.68
捕雾器气流允许速度，m/s
0.36
0.36
捕雾器面积计算值，m2
0.78
1.07
选
用
值
选用公称直径，mm
600
800
筒体长度，mm
1800
2400
有效容积，m3
0.6
1.3
4旋风分离器的工艺设计
为了分离气流中的颗粒，仅仅依靠重力是不合理的，因为这就要使重力分离器的尺寸（直径）做的很大，多消耗钢材，增加基建投资。
因此在生产实践中还利用惯性力，就是使气流方向改变，产生离心力来增大分离效果。
主要利用离心力来分离气流中的颗粒的分离器称旋风式分离器。
4.1气液旋风分离器尺寸计算
由于旋风分离器的流动状态较为复杂，在目前旋风分离器所使用的公式中，主要设计参数均是实验数据，故其计算公式可简化为：
（4.1）
（4.2）
式中：
P——分离器压力损失，Pa；
——温度，℃；
——压缩因子；
——气体流量，m3/s（p=0.101325MPa，t=20℃）；
——压力，Pa
由于此处阻力系数CD为实验数据，故K值的取值范围一般为1~1.345，在设计计算中，可取K=1.266（K=1）进行计算。
在验算时，需使进口管线的天然气流速在15~25m/s，出口管线的天然气流速在5~15m/s的范围内。
分离器筒体的平均流速为2.45~4.43m/s。
天然气工况下流量为：
（4.3）
天然气流速为：
（4.4）
根据上述公式（4.3）、（4.4）联合可以得到一下计算公式：
（4.5）
①筒体直径D：
按公式（4.1），并设K=1
②进口管线直径为:
6号井：
进口管线速度按式（4.5）计算：
7号井：
进口管线速度按式（4.5）计算：
③出口管线直径为：
6号井：
出口管线速度速度按式（4.5）计算：
7号井：
出口管线速度速度按式（4.5）计算：
④同样可算得筒体平均速度：
6号井：
7号井：
4.1.1根据进、出口速度检验K值及最后结果
因为，进口速度在15～25m/s之间，出口速度在5～15m/s之间，筒体流速在2.45～4.43m/s之间。
所以，取K=1符合要求。
筒体高度H按H＝（1.5～2.0）D来计算：
取H＝2.0D，则
6号井：
H＝2.0D6=2.0×0.078=0.156m
7号井：
H=2.0D7=2.0×0.091=0.182m
根据上面的计算可知：
6号井：
进口管径为D1=0.47
0.078=0.037m
出口管径为D2=0.67
0.078=0.052m
排污管径为D3=0.25
0.078=0.020m
7号井：
进口管径为D1=0.47
0.091=0.043m
出口管径为D2=0.67
0.091=0.061m
排污管径为D3=0.25
0.091=0.023m
4.2压力降的计算
根据计算压力降的公式：
（4.6）
（4.7）
式中：
△P——除尘器压力损失，MPa；
k——计算系数，标准切向进口无进口叶片时k＝16；
有进口叶片时k＝7.5；螺旋面进口时k＝12；
g——当地重力加速度；
a——矩形进口宽度，jm；
b——矩形进口高度，m。
且a＝0.2D，b=0.4D，d=D，取K=16，根据上述（4.6）、（4.7）公式可得：
结论
立式两相分离器和卧式分离器的设计在课上老师也讲过一些基础知识和基本的工艺设计。
通过查阅相关资料，得出较为准确计算方法。
在做设计的过程中，首先确定课程所要求设计的两相和旋风分离器的基本参数，然后找到一些有关分离器的资料和相关规范进行查阅。
最后，根据所要设计的参数选择合适的公式，查阅相关图表，计算出分离器的直径、高（长）度以及进出口管线的直径。
在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。
感受良多，获益匪浅。
这两周中，我们小组分工合作、齐心协力，一起完成了课程设计前的准备工作（阅读课程设计相关文档）、小组讨论分工、课程设计总结报告，个人小结的任务。
在课程设计的第一天我们便对这次任务进行了规划和分工。
在以后的几天中，我们组的成员一起努力，查阅资料、小组讨论、对资料进行分析，并在这段时间里完成了设计，并最后撰写课程设计报告及个人总结。
和大家想的一样我们也会产生一些小矛盾，当然这是不可避免的。
在产生小矛盾的时候，我们没有逃避。
重要的是我们如何去解决它。
为什么会产生这些矛盾，以怎样的方式去解决它，这是我们应该去考虑的问题。
我想经过这样的一个过程我们会学到很多，学会了怎样去和别人沟通，理解别人所做的事，别人也会宽容的对待我们，从而我们就在无形之中加强了我们的人际交往能力。
这个经验对我们以后的人生将会发挥很大的作用。
通过这一次的课程设计，我不仅仅学到了专业知识，更使我懂得如何做事。
其实每一次的课程设计都是在教会我怎么样做事情，它告诉我完成一件事情，光靠团队的人数是没有任何优势的，关键在于团队之中大家是否能够团结协作用团队的形式完成这件事情。
我们组做的是低温集气站工艺设计，我们首先做的就是设计流程图，由于流程要求比较复杂，井口较多、压力不一样，所以我们失败了很多次。
经过一次一次修改、讨论后我们得到了最终的流程图。
经过大家的团结协作，我们很快且高效的完成此次课程设计。
参考文献
[1]梁平，王天祥.天然气集输技术[M].北京：
石油工业出版社2008.5
[2]《油田油气设计技术手册》编写组。
油田油气设计技术手册[M].北京：
石油工业出版社
1995.3
[3]中国石油天然气集团公司.GB50350-2005油气集输设计规范[M].北京：
中国计划出版社
2005
[4]顾安忠，鲁雪生，石玉美，等.液化天然气技术[M].北京：
机械工业出版社2003
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