浅析除油罐设计

文章编号：1004-2970（2016）01-0041-04

马文衡* 王惠芳 王永 伟娜 赵紫印 昌飚

（1.中国石油华北油田公司采油工程研究院；2.中国石油华北油田公司地球物理勘探研究院；3.中国石油华北石化分公司）

11 1123

马文衡等. 浅析除油罐设计. 石油规划设计，2016，27（1）：41～44

摘要 根据重力分离式水平流和向下流立式除油罐的工作原理，通过对采出水中轻质及重质

成分与水的分离过程分析，提出了采出水油水泥三相分离的特点。比较API推荐的水平流与SY/T 0083《除油罐设计规范》行业标准推荐的向下流立式除油罐设计概念的差别、设计计算的异同和设备结构的变化，提出在三相分离效果上，水平流立式除油罐优于向下流立式除油罐，并应加强立式除油罐的排泥研究。

关键词 采油水处理；除油罐设计；水平流；向下流

中图分类号：TE86 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1004-2970.2016.01.010

石油和石油化工行业的污水中多含有石油类物质。去除石油类物质是污水重复利用或排放的重要处理内容之一。

石油是多种复杂化合物的混合物。除少量组分溶于水外，大部分呈细分散颗粒或胶体状态悬浮于水中。去除这些细分散的油滴或颗粒可以用重力分离的方法，胶体状态的油滴（或颗粒）也可先使之聚结成较大的颗粒再用重力分离。除油罐则是重力分离的最常用设备。

除油罐是由除油池发展而来。发达国家在石油

［1］

炼制污水处理中先使用一种水平流除油池，水在水平流动中油滴浮升至水面、重质的悬浮物（包括重油和胶质沥青）沉于池底。液面上油层被收起，池底泥被推入集泥槽，排走，水被净化。这就是API（美国石油学会）矩形多流道除油池（API Rectangular Maltichannal Separator）见图1，由于除油池施工复杂且存在安全隐患，逐渐被钢制立式除油罐取代。上世纪80年代API在总结了多种立式罐

中心布水，径向流到周边收水槽，处理后的水通过

排管排出的结构特点，推荐了斯泰理斯（Stires）

［2］

设计的水平流立式除油罐，见图2。此后这种除油罐在油田采出水和炼油厂污水处理中广为使用。

我国石油行业水处理设计对除油罐的设计和运行也十分重视，于1994年编制了SY/T 0083《除油罐设计规范》，并于2008年进行修订。这一规范推荐采用向下流立式除油罐，见图3。

自SY/T 0083《除油罐设计规范》发布以来，使除油罐设计更为周到详细，规范中所列的相关参数更使设计有依据，起到重要指导作用。但是，使用中也发现有些问题值得讨论，关于一些设计概念问题与API推荐做法有差异。

1 油田采出水中的“油”

油田采出水除“油”主要是去除“石油”。 石油成分十分复杂，是多种化合物的混合物，

* 马文衡，男，高级工程师。1981年毕业于华北石油职工大学采油工程专业。现在中国石油华北油田公司采油工程研究院主要从事油田化学方面研究

工作。地址：河北省任丘市采油工程研究院，062552。E-mail：mawh@petrochina.com.cn

42 2016年1月 马文衡等：浅析除油罐设计 第27卷 第1期

21 5

15 346 7

814

9

13 12 11 10 1—布水装置（竖向缝布水板）；2—分离器流道；3—水面；4—可转收；5—收油挡板；6—出水堰；7—出水排水管；8—出水槽；

9—水流；10—污泥泵吸口管；11—排泥导栓；12—集泥斗；13—流道闸孔；14—（进水）前室；15—闸板墩

图1 API 矩形多流道除油池示意图

其中包含有油质、胶质和沥青。能为石油醚溶解的泡的大小等因素都会影响分离效果。斯泰理斯式立部分为“油脂”，其相对密度小于1.0，为黏性较小、式除油罐为解决这一问题设了一个气、液分离罐见常温下易于流动的液体。余下不溶于石油醚的组分图2。对于不含或含少量气体的进水可以不考虑气有一部分可溶于正己烷，称为“胶质”，相对密度约液分离。 为1.0，为不易流动的液体或半固体；另一部分可溶3.2 油水分离

油田采出水中不仅有相对密度小于1.0的轻质于甲苯，为“沥青”质，常温下成固体或半固体，

油，也有相对密度大于1.0的重质油和地层中泥沙相对密度大于1.0。

以及腐蚀产物等固体悬浮物。油水的分离过程不只采出水经除油罐主要能去除其中不溶于水的、

是形成水表面的油层分离，也包括水和油泥的分离。 相对密度大于或小于1.0的“石油类物质”。对于溶

于水以及相对密度接近1.0的“油”难以去除。

2 沉泥中的“油”

油田采出水中的重质部分沉于除油罐底形成泥，也称为油泥。油泥中“油”的含量还是较多的。例如，中原油田某污水站含油污泥，当含水率为

33

98.5%时，含油达27×10 mg/L，密度约为1.40 g/cm。江汉油田某污水站含油污泥，当含水率为99.5%时，

33

含油为19×10 mg/L，密度约为1.34 g/cm。采出水处理时污泥量可占处理水量的1%～3%。对干化的

［3］

污泥测定表明，其含油量达15%～20%。

4 水平流和向下流除油罐的异同

4.1 工作原理

水平流和向下流立式除油罐的工作原理相同，都是重力分离，符合斯托克斯（Stokes）原理。 u

g

(w0)(Ds104)2 （1） 18式（1）中：u——油滴上浮（或下沉）速度，m/s；

2

g——重力加速度，m/s；w——水的相对密度，kg/m；0——油的相对密度，kg/m；(w0)——水与油的密度差，kg/m，差值为正时上浮，差值为负时下沉；Ds——油滴直径，μm；——水的黏度，Pa·s。不仅油滴，其他杂质也会按这一规律从水中浮起或下沉。

4.2 设计概念

4.2.1 水的流动方向

向下流立式除油罐只能完成轻质油和水的分离，不能实现三相分离，水平流式可以很好地实现三相分离。

从图3可知，在向下流立式除油罐中，污水从

3

3

3

3 除油罐的三相分离功能

3.1 气液分离

在油田采出水中有时会含有天然气或CO2。如图1所示，当水平流式矩形分离池运行时，如果进处理设备的污水中含有较多气体，气泡会在布水装置（图1中的1）处从水中溢出，使分离段水中气泡量减少，减少对后面油、水、泥分离的影响。如果采用向下流立式罐的形式，水的流速、流向、气

第27卷 第1期 石 油 规 划 设 计 2016年1月 43

除油罐上部进入油水分离区，向下流动，水中轻质油滴随水流动，同时在浮力作用下浮升。设水的流速为uw，油滴上浮速度为u。当uw≥u时，油滴被带走，进入罐底部的集水口（图3中的7）；当uw＜u时，油滴会上浮，理论上达到液面进入油层时，

被收走，实现了轻质油的去除。而水中重质部分杂质则与水流同时（或较早些）达到集水口（同时也就成为集泥口），与水同时流出除油罐，无法实现泥水的分离。为达到API矩形水平流分离池的油与水及水与泥的分离效果，斯泰理斯立式除油罐采用中心筒开布水孔（见图2中的A处）的方法使水流沿罐的径向在分水隔板上（图2中的4）流动，在Ⅰ区形成水平流动的油与水分离区，使油与水分离（水与泥也产生分离）、分离后的油进入液面上的油层（泥进入下面的泥层）。在隔板边缘与罐壁的空隙处，即在Ⅱ区水向下流也有一定的分离作用。然后在Ⅲ区再次改为径向流动，再次形成分离区。水通过集水孔（图2中B处）进入中心筒，由出水管排出。

这种水平流动使立式除油罐形成了两个有效分离区，减小了油滴上升距离，更符合浅池重力分离理论。也避免了水与泥为同一出口的弊端，使集泥排泥更有效。

1 4

5 6 2

78 3

1—污水进水口；2—气液分离罐；3—进水管；4—中心筒；

5—盲板；6—伞形分水隔板；7—出水管；8—出水口

图2 斯泰理斯立式除油罐示意图

4.2.2 泥的沉积区

从图2看出，在水平流立式罐中主要的积泥区是伞形分水隔板边缘与除油罐壁之间的环形罐底，

为排泥方便，其罐底设计为锥形（图中未显示），排泥效果好。从图3的运行情况可知，虽然向下流立式除油罐三相分离效果不好，但是，仍有部分泥沉积，而这种沉积应发生在除了出水集水口外的其他罐底上。二者相比，向下流立式除油罐的积泥面积会更大，集泥和排泥更难。由于集水口同时也能排泥，所以当泥层堆积到一定厚度时，虽然进水水质很好，但是，出水中含泥较多，出水水质比进水水质还差，出现反数据，即出水含油和含固体悬浮物高于进水。这种情况下即使单独设排泥管，排泥效果也不会好。

4 23

915 6

8

10

7 1—进水管；2—配水室；3—配水管；4—集油槽；5—出油 管；6—中心管柱；7—集水口；8—出水管；9—溢流管；

10—排污管

图3 SY/T 0083推荐的立式除油罐示意图

4.2.3 设计计算方法

SY/T 0083《除油罐设计规范》中推荐的立式除油罐未列出设计计算的具体内容。作为设计依据，只要求水的有效停留时间为3～4 h。

斯泰理斯式立式除油罐仍然按水平流式矩形除油池的基本理论计算。

水平流式要求设计的基本资料包括：水的密度，油的密度，水的黏度，设定去除油滴直径150 μm。按式（2）计算浮升速度。

u1.226108(w

0)



（2） 式（2）符号意义和单位见式（1）。假定罐底面积的1/2是用于重力分离，可求出水平流区的平均深度，并可以计算出停留时间。求出实际分离区的体积，

可以计算出最大可能处理量［1］

。

计算内容还包括气水分离罐直径、布水口的高

44 2016年1月 马文衡等：浅析除油罐设计 第27卷 第1期 和宽，分水隔板的直径、流道的平均深度、罐的高度。出水口、集水孔的尺寸等各项相关内容。 4.2.4 实例

对一个采出水量为5 000 m3

/d，水温50 ℃，水的

相对密度为3

w1.029 g/cm，黏度为=0.006 Pa·s，油的相对密度为3

0=0.810 g/cm，

去除油滴的颗粒直径为150 μm的水处理场进行除油罐计算：依据API

推荐的计算方法，水平流立式除油罐可以选一个

300 m3

标准钢制立式拱顶罐，罐直径D2=7.8 m，罐壁高H=7.0 m；依据SY/T 0083《除油罐设计规范》推荐的方法，向下流式按有效停留时间3～4 h，罐

容积应为600～800 m3，选用700 m3

标准罐，罐壁高H=9.1 m，罐直径D2=10.3 m。由此可见，处理同样的采出水量，罐的容积差1倍多。

4.3 处理效果

在我国的石油行业，对采出水处理大量采用的是向下流立式除油罐，目前还没看到水平流立式除油罐的运行资料。据国外报导资料显示，水平流除油罐的除油效率一般可以达到50%～70%，对含油

超过400 mg/L的水处理效果会更好［1］

。

目前国内广泛使用向下流立式除油罐，除油效果波动很大，一般为30%～70%。但是，有时会出现反数据，即出水含油和含悬浮固体高于进水。这种数据有时会达到20%。需要特别指出的是去除悬浮固体颗粒物的效果差，这也证明了向下流立式罐三相分离效果差的缺点，例如，某油田注水系统水质监测结果表明，除油罐去除悬浮物的反数据有时达约30%。另一个原因是向下流立式除油罐排泥困难，多数罐的运行靠清罐来排泥，大多为一年1～2次，由于泥不能及时排除，严重破坏了水处理系统的有效运行，造成出水水质有时比进水水质差。

5 结论

一是，重力式自然沉降除油罐的设计在很多情

况下（如在炼油厂污水和油田采出水处理时），要作为一个三相分离设备来考虑，既有轻质的油，也有重质杂质（包括重质油）形成的泥。水平流立式除油罐与向下流立式除油罐相比，完成三相分离效果更好。向下流实际上主要是二相分离。

二是，对含有较多气体的水用除油罐进行处理时应选用有气液分离装置的除油罐。

三是，自然沉降立式除油罐采用API推荐的水平流立式除油罐从理论上分析比向下流立式除油罐更合理；从设计的实际计算结果分析，比向下流立式除油罐的体积更小；从排泥的可行性分析，比向下流立式除油罐泥的堆积更集中，更便于排泥。

四是，目前国内还很少采用API推荐的水平流式（斯泰理斯式设计）除油罐，虽然国外（特别是北美）采用的很多，效果也很好，但国内多采用SY/T 0083《除油罐设计规范》要求的向下流立式除油罐，且国内对水平流立式除油罐缺少深入研究。

五是，收油和排泥是完成三相分离的重要运行环节。目前国内外对收油环节都较为重视，可以看到一些较为详细的液位控制等方面的内容，但是，对除油罐排泥系统却研究不够，应加强这方面的研究。

参考文献：

[1] Bryant W. Bradley. Two Oilfield Water Systems[M].

Malabar Florida: Robert E. Krieger Publishing Company,1987:127-139.

[2] Joe Stires. Design of a High-Rate, High-Volume

Oil/Water Separator [J]. Journal of PetroleumTechnology,1982,34(11):2637-24.

[3] 匡少平,吴信荣.含油污泥的无害化处理与资源化

利用[M].北京:化学工业出版社,2009:62-67.

收稿日期：2015-05-07

编辑：廉践维