天然氣處理工藝
第一章 概 述
原油和天然氣統(tǒng)稱為石油。原油只是以液態(tài)形式天然形成的比較重的烴類組分,而天然氣指的是以氣態(tài)形式存在的比較輕的烴類組分。來自氣井的天然氣叫氣井氣,來自油井從原油中分離出來的天然氣叫伴生氣。
第一節(jié)
1.1.1 天然氣的組成
天然氣是一種烴類氣體的混合物,其中也含有水和其他雜質(zhì),主要是由碳、氫、硫、氮、氧及微量元素組成的,以碳、氫為主,碳約占65%~80%,氫約占12%~20%,各種地區(qū)生產(chǎn)的天然氣組成是不同的,甚至同一儲層中不同的兩口井產(chǎn)出的天然氣組成也是不同的,而且,隨著油田開采的程度不同,同一口井產(chǎn)出的天然氣組成也會發(fā)生變化。
天然氣中含有的烴主要是甲烷,同時含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及少量的己烷、庚烷等更重的氣體。
1.1.2 天然氣的分類
天然氣有三種分類方法:
(1)按照礦藏特點分:主要分為氣井氣和伴生氣。
伴生氣:指的是來自油井從原油中分離出來的天然氣。
氣井氣:指來自氣井的天然氣。
(2)按照天然氣的烴類組成(即按天然氣中液烴含量)的多少來分類,可分為干氣、濕氣或貧氣、富氣。
C5界定法——干、濕氣的劃分
干氣:指在1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣中,C5(戊烷)以上重?zé)N液體含量天然氣的組成分類和性質(zhì)低于13.5立方厘米的天然氣。
濕氣:指在1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣中,C5以上烴液含量高于13.5立方厘米的天然氣。
C3界定法——貧、富氣的劃分
貧氣:指在1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣中,C3以上烴液含量低于94立方厘米的天然氣。
富氣:指在1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣中,C3以上烴液含量高于94立方厘米的天然氣。
(3)按照酸氣含量多少,天然氣可分為酸性天然氣和潔氣。
酸性天然氣:指含有顯著量的硫化物和二氧化碳等酸氣,這類物質(zhì)必須經(jīng)處理后才能達(dá)到管輸標(biāo)準(zhǔn)或商品氣氣質(zhì)指標(biāo)的天然氣。
潔氣:指硫化物含量甚微或根本不含的氣體,它不須凈化就可外輸和利用。
1.1.3 天然氣的物理性質(zhì)
由于天然氣是烴類混合物,而且這種混合物的組成經(jīng)常變化,所以其物理性質(zhì)也將發(fā)生變化,天然氣加工中最常用的物理性質(zhì)是:分子量、冰點、沸點、密度、濃度、粘度、臨界溫度、臨界壓力、汽化熱、比熱、熱值、蒸汽壓。
天然氣的相關(guān)概念:
1、天然氣的爆炸極限:天然氣與空氣形成的混合物中,當(dāng)天然氣在空氣中的含量達(dá)到一定的比例范圍,這種混合氣體具有爆炸的可能,這種比例范圍的高低限制即天然氣的爆炸極限,當(dāng)天然氣的體積分?jǐn)?shù)為5%~1
5%時,遇明火就會爆炸。
2、天然氣的濕度:天然氣含水的多少用濕度來表示,單位體積或單位質(zhì)量的天然氣所含水蒸汽的質(zhì)量稱為天然氣的絕對濕度(即含水量),單位為克/立方米或克/千克。
3、水露點:指在一定壓力條件下,天然氣與液態(tài)水平衡時(此時天然氣的含水量為最大含水量,即飽和含水量)所對應(yīng)的溫度。
4、烴露點:即一定壓力下,從天然氣中開始凝結(jié)出第一滴液烴時的溫度。它與天然氣的壓力和組成有關(guān)。
5、天然氣的熱值:單位體積或質(zhì)量的天然氣燃燒所發(fā)出的熱能稱為天然氣的燃燒值,又稱熱值。
第二節(jié) 油田氣的集輸
油田氣(即原油伴生氣)的集輸系統(tǒng)工程,一般包括:集氣、氣體處理加工; 干氣、輕烴的輸送;原油密閉輸送,原油穩(wěn)定,輕烴的儲存等。
1.2.1 油田氣的收集
原油從油井出來,經(jīng)過計量分離器計量其油氣量以后,油氣混輸進(jìn)轉(zhuǎn)油站的油氣分離器。油田氣從原油中分離出來進(jìn)集氣管網(wǎng),一般在采油廠的聯(lián)合站建自壓或增壓集氣站,增壓壓縮機(jī)多為多機(jī)組單級往復(fù)式壓縮機(jī),入口壓力可以浮動,出口壓力隨系統(tǒng)回壓而定,出口壓力最高0.4MPa。
1.2.2 原油密閉集輸
原油密閉集輸是從原油中通過原油穩(wěn)定方法,提取輕烴的首要條件,也是降低原油損耗的重要措施之一。
在轉(zhuǎn)油站,經(jīng)過油氣分離器的原油進(jìn)入游離水脫除器,再經(jīng)過含水緩沖罐、外輸加熱爐送至原油脫水站。在這里原油經(jīng)過游離水脫除器后進(jìn)脫水加熱爐加熱,并進(jìn)復(fù)合電脫水器,脫水后原油進(jìn)緩沖罐(原油含水量低于0.5%),再由泵輸進(jìn)原油穩(wěn)定裝置,穩(wěn)定后原油進(jìn)儲罐外輸。
轉(zhuǎn)油站、脫水站密閉流程中,采用了提前排放游離水,就地回?fù)降接吞镒⑺?,以減少生產(chǎn)能耗。
1.2.3 油田氣的加工處理
從自壓站來的油田氣進(jìn)入淺冷(或深冷)裝置,在這里與從原油穩(wěn)定裝置來的不凝氣一起進(jìn)行增壓、冷凍、分離,回收C3(或C2)以上的組分,其干氣外輸。
1.2.4 輕烴集輸儲運系統(tǒng)
輕烴集輸采用管輸方式,系統(tǒng)由生產(chǎn)裝置附屬的儲庫、中轉(zhuǎn)站、儲存總庫、外輸計量站以及相應(yīng)的管網(wǎng)組成。
輕烴回收裝置設(shè)置儲罐,儲罐的作用是沉降脫水、產(chǎn)品調(diào)和、外輸泵緩沖以及外輸管線一旦發(fā)生事故保證裝置正常生產(chǎn)或有計劃停產(chǎn)。儲罐儲存容量一般為裝置1~2天的輕烴生產(chǎn)量。
輕烴中轉(zhuǎn)庫主要作用是利用儲庫協(xié)調(diào)一天內(nèi)輕烴生產(chǎn)和外輸之間的不平衡量,以及管線發(fā)生事故時儲存清掃管線積液。
輕烴總庫的主要作用是利用儲罐協(xié)調(diào)輕烴生產(chǎn)和外輸之間的不平衡量,包括生產(chǎn)裝置產(chǎn)量波動,裝置不同檢修期造成的產(chǎn)量波動,以及乙烯廠檢修而合成氨不檢修,油田需繼續(xù)提供原料氣所回收的輕烴的儲存等。
輕烴總庫和總外輸計量站是油田為乙烯廠提供液態(tài)烴原料的總出口,是各輕烴回收裝置所產(chǎn)輕烴總匯集地,是輕烴儲運系統(tǒng)的樞紐。
1.2.5 干氣的外輸和返輸系統(tǒng)
油田氣回收后進(jìn)行處理和加工,回收輕烴后的大部分干氣輸給(大化和甲醇廠等)作為化工原料,部分干氣返輸給油田上的轉(zhuǎn)油站作為加熱爐和鍋爐的燃料,干氣返輸是集氣的逆過程,同時在夏季還有部分干氣注入儲氣庫儲存起來,在冬季采出以緩解天然氣供需緊張。
還有部分干氣用來發(fā)電和給居民用氣。
第二章 天然氣凈化
天然氣的凈化主要是指天然氣體的脫水、脫酸性氣體和脫除機(jī)械雜質(zhì)。 天然氣中常含有硫化氫、二氧化碳和水以及其它各種硫化物,硫化氫和二氧化碳都稱為酸性氣體。酸性氣體在水的存在下,能生成酸或酸性溶液,腐蝕設(shè)備和管道,同時也污染環(huán)境。一般規(guī)范要求硫化氫的含量為4ppm。二氧化碳含量過高會降低天然氣的熱值和管輸能力。
天然氣中水在一定的溫度和壓力下與烴類會形成水化物,造成堵塞管道、閥門,影響生產(chǎn)的正常運行,在深冷中,會堵塞冷箱、膨脹機(jī)出口,因此在脫甲烷塔等低溫部位要脫水,使其露點達(dá)到-100℃以下,二氧化碳含量達(dá)到2%以下。
第一節(jié) 天然氣中的水化物
天然氣水化物是由碳?xì)浠衔锖退M成的一種復(fù)雜而又不穩(wěn)定的化合物,是白色結(jié)晶固體,外觀類似松散的冰或壓實的雪。
天然氣水化物形成的主要條件:
(1)天然氣中要有足夠的水蒸汽,這是形成天然氣水化物的最基本條件。因此,如果降低天然氣中水的含量,使水蒸汽的分壓小于水化物的蒸汽壓,就不可能生成水化物。我公司的100#、150#三甘醇脫水裝置,其目的就是降低天然氣中的水蒸汽量,使氣體露點達(dá)到-20℃以下,以便于天然氣的輸送。
(2)適宜的壓力和溫度,即高壓低溫。
次要條件:
(1)很高的流速;
(2)壓力脈沖;
(3)任何形式的攪動;
(4)水化物結(jié)晶體的存在。
因此,水化物容易在節(jié)流閥處、壓縮機(jī)出口、閥門關(guān)閉不嚴(yán)處及管線彎頭的地方生成。
第二節(jié) 天然氣脫水方法
天然氣脫水就是把天然氣中的水份除掉,天然氣從井口出來時,一般含有游離水和水蒸汽兩種不同形態(tài)的水,分離器只能脫出天然氣中的游離水,無法脫除水蒸汽。
通常所說的脫水,嚴(yán)格的講是從天然氣中除去水蒸汽,所以我們把用吸收或吸附的方法脫除天然氣中水蒸汽的過程稱為天然氣脫水。
天然氣脫水的目的是為了降低天然氣的露點。
天然氣脫水的方法:
(1)液體吸收法(液體干燥劑脫水,如甘醇)
(2)固體吸附法(采用硅膠、分子篩脫水)
(3)低溫分離法
第三節(jié) 脫除天然氣中的酸性氣體
化學(xué)吸收法
干法 物理吸收法
直接氧化法
脫酸性氣體的方法
分子篩法
濕法
海綿鐵法
第三章 天然氣的淺冷分離
油田伴生氣經(jīng)過集氣站的初步分離、脫水,還不能滿足作為化工原料和管線長距離輸送的質(zhì)量要求。作為化工原料用的天然氣要求它的組分單一或純凈,燃燒產(chǎn)物對設(shè)備無害;作為燃料要有足夠的熱值,減少環(huán)境污染。在長距離管輸工藝中,要求其露點在任何時候都低于管線的任一點溫度,使其在輸送中,不會產(chǎn)生凝析液而積聚在管線內(nèi),最大限度地減少對設(shè)備、管線、儀表的堵塞或腐蝕。
通常稱以回收C3以上烴類為目的的天然氣處理裝置為淺冷裝置,淺冷裝置的負(fù)溫一般在-20℃~-25℃。
目前分公司天然氣淺冷裝置分為氨壓縮制冷和丙烷壓縮制冷兩種。 壓縮制冷是一種相變制冷,也就是利用液體變?yōu)闅怏w時吸熱效應(yīng)進(jìn)行制冷。壓縮制冷回路中主要設(shè)備有蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)。
壓縮制冷原理圖
工作時,系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物體(油田氣)的熱量而汽化,使被冷卻物體(油田氣)得到冷卻。而后制冷劑蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī),由壓縮機(jī)將其壓力升高到冷凝器的溫度下可以使制冷劑變成飽和液體時的壓力。從冷凝器出來的制冷劑的飽和液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器,這樣制冷劑在這個封閉系統(tǒng)中經(jīng)過汽化、壓縮、冷凝、節(jié)流四個過程,完成一個循環(huán)。其中蒸發(fā)器完成了使被冷卻物體溫度降低的作用,壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑蒸汽的作用,制冷劑經(jīng)壓縮在冷凝器中變?yōu)轱柡鸵后w后,節(jié)流閥起到使制冷劑降壓、降溫的作用。
制冷劑:在制冷裝置中不斷循環(huán)以實現(xiàn)制冷的工作物質(zhì)稱制冷劑,作為制冷劑,應(yīng)具備以下特點:
1、 在常壓下蒸發(fā)溫度要低,這是一個必要條件,因為只有蒸發(fā)溫度低,才能達(dá)到使被冷卻的物質(zhì)降低到特定溫度的要求,常見制冷劑的沸點如下:
常見制冷劑的沸點
2、蒸發(fā)壓力不要太低,最好不要低于常壓,這樣可以避免空氣滲漏進(jìn)入系統(tǒng)的可能,因為空氣進(jìn)入系統(tǒng),將要降低制冷裝置的制冷能力,使制冷裝置工作不正常。
3、冷凝壓力不要太高,冷凝壓力高,使得系統(tǒng)密封要求高,滲漏可能性大,高壓部分設(shè)備造價高。
4、單位容積制冷量大。單位容積制冷量是指壓縮機(jī)吸入1立方米制冷劑蒸汽所能產(chǎn)生的冷量,單位容積制冷量大,在制冷量一定時,可以減少制冷劑循環(huán)量,可以縮小壓縮機(jī)和整個制冷裝置的尺寸。
5、臨界溫度高,這樣可以用普通的冷卻介質(zhì)如冷卻水或空氣進(jìn)行冷卻。
6、制冷劑對系統(tǒng)無腐蝕作用,與潤滑油一起無化學(xué)變化,價格低廉,易于獲得,對人體健康無損害,無毒。
淺冷裝置的工藝流程包括天然氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和乙二醇系統(tǒng)。 工藝流程簡述:
淺冷裝置工藝流程簡圖
天然氣系統(tǒng):
原料氣經(jīng)除油器脫出凝析水和油滴后,經(jīng)增壓機(jī)增壓后依次進(jìn)入空冷器和水冷器冷卻,在一級三相分離器底部分離出水和重?zé)N,分離器頂部的氣體經(jīng)貧富氣換熱器、蒸發(fā)器后進(jìn)入二級三相分離器,分離器底部分離出輕烴進(jìn)入輕烴儲罐,頂部分離出的干氣經(jīng)貧富氣換熱器回收冷量后進(jìn)入外輸氣管網(wǎng)外輸。
制冷系統(tǒng):
從蒸發(fā)器中出來的氣態(tài)制冷劑,被制冷壓縮機(jī)壓縮,溫度、壓力升高,進(jìn)入冷凝器變成液氨后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收天然氣的熱量,實現(xiàn)制冷,自身氣化后重新進(jìn)入制冷壓縮機(jī)開始新的循環(huán)。
乙二醇系統(tǒng):
三相分離器中分離出的富乙二醇先進(jìn)入乙二醇分餾塔頂部冷凝器加熱,再進(jìn)入貧富乙二醇換熱器加熱后進(jìn)入閃蒸罐中,在閃蒸罐中閃蒸出攜帶的輕烴后進(jìn)入乙二醇分餾塔,塔頂分餾出水份,塔底的貧乙二醇重新注入天然氣系統(tǒng)。
主要設(shè)備:
原料氣壓縮機(jī)
制冷壓縮機(jī)
空冷器
貧富氣換熱器
第四章 天然氣的深冷分離
深冷裝置即以回收C2以上烴類為目的的天然氣處理裝置,深冷裝置從對原料氣的增壓、凈化、制冷均比淺冷要求條件高。
天然氣深冷流程的組成:
(1)天然氣的增壓和低溫制冷過程:天然氣的深冷分離是在一定的溫度和壓力下進(jìn)行的,所以必須進(jìn)行增壓和低溫制冷。
(2)氣體的凈化:為了防止天然氣中的雜質(zhì)如水、CO2以及其他的酸性氣體對后續(xù)加工過程的干擾,必須脫除其雜質(zhì)。
(3)脫甲烷及輕烴精分餾:脫甲烷塔是深冷分離的核心,輕烴精分餾是把輕烴中各個烷烴分離成單一烷烴產(chǎn)品,主要設(shè)備如脫甲烷塔、脫乙烷塔等。
分公司深冷裝置分為雙級膨脹無輔助冷劑制冷(薩南深冷)、單級膨脹
加輔助冷劑制冷工藝兩種。
相關(guān)概念:
節(jié)流膨脹:即氣體由較高的壓力經(jīng)節(jié)流裝置膨脹到較低的壓力,在這個過程中由于氣流經(jīng)節(jié)流裝置速度很高,來不及和環(huán)境換熱,所以可近似看作絕熱過程。膨脹所需的能量必須由氣體本身供給,從而引起氣體溫度下降。
節(jié)流閥與膨脹機(jī)的區(qū)別:節(jié)流閥膨脹過程簡單,但效率低;高壓氣體經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹后變?yōu)榈蛪簹?,且氣體溫度下降,氣體在膨脹過程中對外輸出功,其內(nèi)能下降更多,所以氣體膨脹前后溫度變化較大,效率高。
工藝流程:
雙級膨脹制冷工藝流程簡圖
流程簡述:
第五章 原油穩(wěn)定
第一節(jié) 概述
原油一般為淡黃色到黑色,流動或半流動的粘稠液體,是一種烴類混合物,相對密度為0.8~1.0 之間,不穩(wěn)定原油:指未經(jīng)處理,含有輕烴組分的原油。
原油分類:
(1)按相對密度分為輕質(zhì)原油(相對密度小于0.878)、中質(zhì)原油(相對密度在0.878~0.884之間)、重質(zhì)原油(相對密度大于0.884,一般含輕餾分很少,含蠟、硫和膠質(zhì)多)。
(2)按含硫量分為低質(zhì)原油(小于0.5%)、含硫原油(0.2%~2.0%)和高硫原油(大于2.0%)。
(3)按含蠟量分為低蠟原油(粘度為50mPa· s的餾分,凝點小于 16℃)、含蠟原油(粘度為53mPa· s的餾分,凝點在16~21℃)和多蠟原油(粘度為53mPa· s的餾分,凝點大于21℃)。
原油自地下采出后,大量的伴生氣雖然已在井口分離器分出,但由于氣液相間平衡關(guān)系,仍然有一部分輕組分留在原油中,使原油的蒸汽壓增高。
原油穩(wěn)定即采用一定的工藝方法把輕組分(主要是C1~C5輕烴)從原油中脫除來的過程,實際上也就是降低原油蒸汽壓的過程。
原油穩(wěn)定的意義是
(1)降低蒸發(fā)損耗,減少輸送與儲存時的損失。
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(2)回收輕烴,為石油化工提供原料,為工業(yè)及民用提供潔凈燃料。
(3)因為降低了原油的飽和蒸汽壓,可以減少輸送過程中由于輕組分汽化而造成的困難,降低管道流動阻力,節(jié)約加熱能量;也延長了輸送泵的使用壽命。
另外原油穩(wěn)定對減少環(huán)境污染,保證原油安全儲運也具有重要作用。 原油穩(wěn)定的深度是指從未穩(wěn)定原油中拔出多少揮發(fā)性最強(qiáng)的輕烴組分,拔出得越多原油穩(wěn)定深度越高。
《油田油氣集輸設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定:
(1)穩(wěn)定原油在最高儲存溫度下的飽和蒸汽壓不超過當(dāng)?shù)卮髿鈮?,非管輸?shù)脑鸵蜓b卸過程不能完全密閉,蒸汽壓應(yīng)略低,以減少蒸發(fā)損耗。
(2)原油穩(wěn)定過程中C6組分脫出量不超過原油中C6總含量的5%(質(zhì)量)。
原油穩(wěn)定的方法基本上可歸納為兩大類:負(fù)壓閃蒸和正壓分餾。 我分公司共有原油穩(wěn)定裝置11套,其中正壓6套,負(fù)壓5套。
第二節(jié) 負(fù)壓原穩(wěn)
負(fù)壓原油穩(wěn)定裝置是利用相平衡原理,采用負(fù)壓閃蒸工藝,回收原油中的輕組份,降低原油的飽和蒸氣壓,減少原油的集輸損耗,同時將其中的C3-C7組份變成價值更高的化工原料——液態(tài)烴。
原油穩(wěn)定平均溫度為65℃,平均系統(tǒng)壓力為-0.05MPa,平均輕烴收率46噸/萬噸。
工藝流程:脫水原油經(jīng)采油廠供油泵加壓至0.4MPa后,進(jìn)入加熱爐加熱至60℃,經(jīng)入口減壓閥減壓后進(jìn)入原油穩(wěn)定罐穩(wěn)定,罐底的穩(wěn)定原油經(jīng)
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穩(wěn)后油泵外輸,穩(wěn)定塔頂部用真空壓縮機(jī)抽真空,真空度為20~70kPa之間,抽出的脫出氣體增壓至0.2~0.5MPa,脫出氣經(jīng)冷凝器降溫至20~40℃,進(jìn)入三相分離器進(jìn)行輕烴、不凝氣、水的分離。分出的輕烴進(jìn)入儲罐,不凝氣進(jìn)入相鄰的淺冷裝置進(jìn)行處理,污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。
主要設(shè)備:真空壓縮機(jī)
原油穩(wěn)定塔
加熱爐
三相分離器
裝置特點:
(1)工藝簡單;
(2)能耗小。
第三節(jié) 正壓原穩(wěn)
正壓原油穩(wěn)定裝置是利用分餾原理,采用精餾法,回收原油中的輕組份,降低原油的飽和蒸氣壓,減少原油的集輸損耗,同時將其中的C3-C7組份變成價值更高的化工原料——液態(tài)烴。
原油平均溫度為220℃,塔頂溫度平均為120 ℃,平均輕烴收率240噸/萬噸。
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相關(guān)概念:
1、輕烴:輕烴是一種無色透明的液體,組分較輕,易揮發(fā),大量的揮發(fā)可使人窒息。用作化工原料,制乙烯、塑料等。
2、輕烴的組成:以丙烷和丁烷為主,還含有少量的乙烷、戊烷等,原穩(wěn)裝置和氣處理裝置生產(chǎn)的輕烴組成不同。
3、閥門:操作壓力容器以及管路中用作調(diào)解流量切斷或切換管路以及對管路和壓力容器起安全、控制作用的一種管件。
4、閥門的分類:
根據(jù)閥門在管路中的作用,可分為:截止閥、節(jié)流閥、止回閥、減壓閥、緊急切斷閥、過流閥、安全閥等。
根據(jù)閥門制作材料的不同可分為:不銹鋼閥、鑄鐵閥、銅閥、塑料閥、陶瓷閥等。
根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)形式不同可分為:閘閥、旋塞、球閥、蝶閥、隔膜閥、
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襯里閥等
5、安全閥的作用:當(dāng)容器內(nèi)的壓力超過某一數(shù)值時,就自動開啟,迅速排放容器內(nèi)部的超壓氣體,并發(fā)出響聲,警告操作人員采取降壓措施。
6、壓縮機(jī)的分類:
按工作原理分為容積式壓縮機(jī)和速度式壓縮機(jī),我們常見的活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)即屬于容積式壓縮機(jī);而離心式壓縮機(jī)屬于速度式壓縮機(jī)。
7、膨脹制冷的常用設(shè)備:主要有節(jié)流閥、氣波機(jī)和膨脹機(jī)。
8、 表壓=絕壓—大氣壓力
真空度=大氣壓—絕對壓力
9、三相分離器的用途:主要用來進(jìn)行油、氣、水的三相分離,其操作主要是控制好油水的界面,以保證烴、水的分離效果達(dá)到最佳。