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石油開採中的「三晉分家」——油氣水分離

油井開採出來的「黑金」——原油

五顏六色的手機殼、一次性的白色塑料袋、飛機的航空煤油、拖拉機的柴油,還有熱到融化不敢踩的柏油馬路,這些東西都跟什麼有關呢?答案是石油,出於它的原色,石油也被叫做「黑金」。那油井開採出來的「黑金」又是如何分離出油的呢?

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石油采出液分離

沈括曾在《夢溪筆談》里寫道:「鄜、延境內有石油,舊說『高奴縣出脂水』,即此也。生於水際,砂石與泉水相雜,惘惘而出,土人以雉尾挹之,乃采入缶中。頗似淳漆,然之如麻,但煙甚濃,所沾帷幕皆黑。」其中的「砂石與泉水相雜」道出了,石油的湧出是以混合液的形式。

科學家指出,從油藏豐富的地下抽出的產出液,通常都是不同分子質量的烴組分、水以及其他雜質組成的混合液。在常溫常壓下,相對分子質量較大的烴組分形成的混合物呈液態,通常稱為原油(石油)。而相對分子質量較小的烴組分形成的混合物呈氣態,通常稱為天然氣。在油藏的高溫、高壓條件下,天然氣溶解在原油中,以純液態形式在。

換一句話說,石油在開採過程中不光有油,同時還有較大的含水量和天然氣量(可能會攜帶出一定量的泥沙),要得到煉油廠使用的原油和用戶使用的天然氣就必須對油井產出的混合液進行處理。因此,油氣水分離是石油勘探開採到煉油成油品之間的一個必不可少的環節。

由於含水率的不同,混合液中的液體可能以「油包水」或者「水包油」的形式存在。雖然在物理本質上並沒有區別,但卻對兩相混合液的分離方法提出了不同的要求。當含水率大於70%時,呈現「水包油」的形態,此時的分離方法主要包括重力沉降法、化學法、離心分離法等;當含水率小於30%時,呈現「油包水」的形態,此時的分離方法以超聲波法、加熱法、旋流法、化學法等為主。

以重力沉降分離法為例,我們都知道,氣體的密度

在海洋採油平台上,如果天然氣開採量很少時,通常通過現場燃燒去除,形成壯觀的「火炬」。

油氣水混合液的重力分離

海上平台壯觀的「火炬」

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新型管道式分離技術

隨著石油開採從陸地走向海洋,傳統的油氣水處理器過於龐大、工藝流程複雜,難以解決深海海底分離和採油井井底分離等諸多難題。例如,海洋平台上空間有限,三千米水深的採油平台上增加一公斤有效載荷, 則平台的造價就需要增加一萬美元。因此從應用價值和經濟價值方面考量,研製出結構簡單、體積小、重量輕、分離效率高的分離設備應用于海洋平台顯得尤為重要。

研究人員在實際工程實踐中提出了各種各樣的分離手段和方法來解決這些問題。實際上,如果使液滴受離心力作用,則液滴承受的加速度可遠大於重力加速度,典型的商業離心機的離心力可達重力加速度的幾千倍,可見離心分離效率會遠遠高於重力沉降。基於此原理,工程師們發明了管道式離心分離器。

以油水混合物離心分離法為例,在管道式離心分離器中, 油水產生高速旋流,由於油和水之間存在密度差異,各相產生不同的離心力,重量大的水相在外側,相對重量小的油相在管道中心,由於內部壓力場的作用,分別從不同的溢流口流出,實現分離。

管道式離心分離器

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從海洋平台到餐館食堂

油氣水分離器不光可以在工業界大展身手,也是餐飲業不可或缺的好幫手。餐館和食堂在處理殘羹剩飯,都會用到一個半密閉式的鐵皮箱來分離出油脂泔水。這就是利用了密度不同,重力沉降的方法,實現的一個簡單易行的油水分離器。

分離技術像一個關鍵三岔路口的指示牌,為糾纏在一起卻又無法相容的三路,指引了各自的歸途。由於物理性質的不同,油、氣、水三相正好可以「三晉分家」、「分道揚鑣」、「各奔前程」了。

大到海洋平台油氣生產,小到囿於廚房的泔水處理,分離技術的廣泛應用,悄悄地改變了我們的生活。

泔水的分離技術

文中部分圖片來源於網路

來源:中國科學院力學研究所


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