海上原油处理过程中,由于含水率上升、水质变复杂等因素,传统“两级三相分离器+电脱水器”的生产水处理流程难以满足现如今的标准,同时其升级改造方案受平台空间和建造成本的限制,因此相关设计人员开始研发紧凑高效的原油处理设备。其中,管式静电聚结分离器通过将“电场+重力场(离心场)”多场协同耦合,原有罐体装置“管道化”,有效减少了现有工艺流程的占地面积。本文首先对管式静电聚结分离器进行概念性设计,并通过结构分析和理论计算初步确立管式静电分离器的关键结构尺寸;然后借助数值模拟软件ANSYS fluent对其流场进行仿真模拟,基于响应曲面法以分离效率为目标对模拟结果进行分析,确定了最优尺寸。对最优结构尺寸的分离器在不同工况参数下的分离性能进行数值模拟研究。研究结果表明,对于70%含水率的油水乳化液而言,只有保证聚结后水滴粒径在lOμm以上时分离器水出口含油浓度可小于2000ppm;而对于30%含水率的油水乳化液而言,必须使聚结后油滴粒径在150μm以上时分离器水出口含油浓度才可小于2000ppm。后续基于数值模拟软件Ansoft Maxwell对分离器内部的电场强度分布和影响电场强度的因素进行分析;搭建了一套同心圆环实验装置,利用该实验装置对所选电极材料进行电场击穿测试;并进行了电场破乳、电场脱水实验,得出不同含水率乳化液破乳脱水的最优电场参数。实验结果表明对于W/O型油水乳化液而言,乳化液的破乳效果由电压和电场频率共同决定,只有同时提高电压值和电场频率才能有效提高乳化液破乳性能。当乳化液含水率为30%时,在最优电场下加电8秒后乳化液底部有大量明水析出,其液滴粒径远大于150μm。最后设计并搭建了管式静电聚结分离器室内实验测试装置并进行实验分析。实验中测量了不同工况参数下分离器水出口和入口的含油浓度,结果表明,当分离器入口为W/O型乳化液且水质较好时(乳化液静置30秒分层),在额定工况条件下该分离器水出口含油浓度小于2000ppm;当水质较差时(乳化液静置10分钟分层),该分离器可通过减小流量、减小分流比、增大电场聚结能力等方式使水出口含油浓度小于2000ppm。但是实验装置在处理O/W型乳化液时,水出口含油浓度始终大于2000ppm。总体而言,本研究提出了一种“旋流分离+电场破乳”的管式静电分离设备,通过实验证明了设计的可靠性。为今后该技术在实际工程中推广应用奠定了基础,并为后续海上原油开发工艺提供了一种新的理论思路。