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(jù)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(jù)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成正比，與水油的密度差成正比,與油的粘度成反比。通過增大水分密度,擴大油水密度差,減小油液粘度可以提高沉降分離速度,從而提高分離效率。

經(jīng)過進一步的探索,1904年Hazen根據(jù)實踐經(jīng)驗提出了"淺池理論",即在重力沉降過程中,分散而非結絨顆粒的沉降效果以顆粒的沉降速度與池面積為函數(shù)衡量,與池深、沉降時間無關,也即提高沉降池的處理能力有兩個途徑:

一是擴大沉降面積,

二是提高水分沉降速度。提高水分沉降速度的措施可以通過斯托克斯公式得出,擴大沉降面積的措施是在容器內設置多層水平隔板。以這一理論為基礎,1950年美國殼牌公司[3]研制成功第1臺平行板捕集器,其可去除水中最小為60μm的油滴。上世紀70年代Fram公司開發(fā)了V型板分離器,上世紀80年代CENATCO公司開發(fā)了板式聚結器,

這是一種錯流式組合波紋板,經(jīng)過不斷改進,這種設備在油氣分離、油水分離和含油污水凈化方面都得到了應用。

在較為深入研究油水分離機理的基礎上,根據(jù)相應理論研制出了高效蒸發(fā)設備,其按分離過程大體分為預分離室、沉降分離室以及油室和水室3部分。

預分離室內一般設有蝶形轉向器和均質布液板,其原理是通過多次改變油水乳化液的運行方向和流速,強化機械破乳作用,從而進一步加快油水分離速度。通過活性水洗滌可以大大降低乳狀液界面膜強度,由于乳化液與水層間的剪切和摩擦作用,使其界面膜破裂,從而促進液滴聚并,使其粒徑變大,加速油水分離。沉降分離室主要起進一步分離凈化的作用,油水分離器是設計的關鍵。

利用油水密度的不同,使高速旋轉的油水混合液產(chǎn)生不同的離心力,從而使油與水分開。由于離心設備可以達到非常高的轉速,產(chǎn)生高達幾百倍重力加速度的離心力,因此離心設備可以較為*地將油水分離開,并且只需很短的停留時間和較小的設備體積。由于離心設備有運動部件,日常維護較難,因此只應用于試驗室的分析設備和需要減小占地面積的場所。

利用離心分離原理工作的一種主要設備是水力旋流器,它用于將作為連續(xù)相的液體與作為分散相的固粒、液滴或氣泡進行物理分離的設備。分散相與連續(xù)相之間的密度差越大,兩相就越容易分離。與重力場中的情況類似,在兩相之間的密度差一定的條件下,分散相的顆粒直徑越大,在重力場中達到平衡狀態(tài)時兩相之間反向運行的速度差越大,因此就越容易分離。

電蒸發(fā)作為油水處理的最終手段,在油田和煉油廠得到廣泛應用,其原理是乳狀液置于高壓的交流或直流電場中,由于電場對水滴的作用,削弱了乳狀液的界面膜強度,促進水滴的碰撞、合并,最終聚結成粒徑較大的水滴,從原油中分離出來。由于用電蒸發(fā)處理含水量較高的原油乳狀液時,會產(chǎn)生電擊穿而無法建立極間必要的電場強度,所以,電脫法不能獨立使用,只能作為其它處理方法的后序工藝。

利用油水對固體物質親和狀況的不同,常用親水憎油的固體物質制成各種蒸發(fā)裝置。用于油水分離的固體物質應具有良好的潤濕性。適合這種要求的材料有:陶瓷、木屑、纖維材料、核桃殼等。例如大港油田的陶粒蒸發(fā)器,用陶粒作填料,當油水混合物流經(jīng)陶粒層時,被迫不斷改變流速和方向,增加了水滴的碰撞聚結幾率,使小液滴快速聚結沉降。

氣浮法是依靠水中形成微小氣泡,攜帶絮粒上浮至液面使水凈化的一種方法。條件是附在油滴上的氣泡可形成油氣顆粒。由于氣泡的出現(xiàn)使水和顆粒之間密度差加大,且顆粒直徑比原油油滴大,所以用顆粒密度代替油密度可使上升速度明顯提高。即當1個氣泡(或多個氣泡)附在1個油滴上可增加垂直上升速度,從而可脫除直徑比50μm小得多的油滴。