容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 相對(duì)密度差上浮而進(jìn)行分離，從而達(dá)到除油的目的。自然除油可以去除含油廢水中的浮油和分散油，即油珠粒徑為 10～ 100μm。由于自然除油在水流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，所以除油效率的大小 與水流的流速有關(guān)。實(shí)際上，廢水中或多或少地含有懸浮固體，它具有吸附油珠的特性，從而降低了油珠的上浮速度。自然除油法所應(yīng)用的設(shè)備雖容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 3 運(yùn)行費(fèi)用低，方便管理，但是立式沉降罐體積龐大，去除效率低 [3]。 (2) 斜板除油 斜板除油是基于淺池沉降理論（又稱 “ 淺層沉淀 ” 或 “ 淺層理論 ” ），實(shí)際上就是忽略了紊流、進(jìn)出口水流的不均勻性、油珠顆粒上浮中的絮凝等因素，認(rèn)為油珠顆粒在理想狀態(tài)下進(jìn)行重力分離。在油水分離設(shè)備中加斜板，增加分離設(shè)備的工作表面積，縮小分離高度，可以提高油珠顆粒的去除效率。由于斜板的存在，增大了濕周、縮小了水 力半徑，因而雷諾數(shù)較小，水流流動(dòng)處于層流狀態(tài)，同時(shí)弗勞德數(shù)較大，更有利于油水分離，所以斜板除油成為目前常用的高效除油方法之一。斜板除油裝置基本上分為平流式和立式兩種，對(duì)應(yīng)的設(shè)備為平流式斜板隔油池和立式斜板除油罐。斜板除油的方法依然存在不足，上向流水與油珠的運(yùn)動(dòng)方向一致，下向流水與泥的流動(dòng)方向一致，因而就造就了處理后的水與分離的油和泥重新混合，發(fā)生二次污染的可能。 粗粒化除油 粗粒化除油是使含油 污 水通過粗粒化材料所構(gòu)成的填充床層使油珠變大 然 后沉降，其中處理的主要對(duì)象是水中的分散油 [4]。含油污水通 過裝有粗粒化材料的裝置，在潤(rùn)濕聚結(jié)、碰撞聚結(jié)、截流、附著作用下油珠由小變大的過程該法用于處理分散油、乳化油，設(shè)備小、操作簡(jiǎn)單但濾料易堵塞，有表面活性劑時(shí)效果較差。 可作為粗粒化填料有聚丙烯、無煙煤、陶粒、石英砂等，其外形可做成粒狀、纖維狀、管狀或膠結(jié)狀。目前粗粒化機(jī)理大體上有 “ 潤(rùn)濕聚結(jié) ” 和 “ 碰撞聚結(jié) ” 兩種。 “ 潤(rùn)濕聚結(jié) ” 理 論建立在親油性粗粒化材料的基礎(chǔ)上。當(dāng)含油廢水經(jīng)過親油性材料組成的粗粒化床上時(shí)，分散油珠便在材料表面潤(rùn)濕并附著，這樣材料表面被油膜包裹，再流來的油珠也更容易潤(rùn)濕附著在上面，因而附著的油珠不斷 擴(kuò)大形成油膜，由于浮力和反向水流沖擊的作用，油膜開始脫落。脫落的油膜到水相中形成油珠，該油珠粒徑比聚集前多的油珠粒徑大，從而達(dá)到粗粒化的目的。 “ 碰撞聚結(jié) ” 理論建立在疏油材料基礎(chǔ)之上。當(dāng)含油廢水經(jīng)過疏水性材料時(shí)，兩個(gè)或多個(gè)油珠可能同時(shí)與疏油材料的管壁上碰撞或互相之間碰撞，使它們合并成大油珠，從而達(dá)到粗粒化的目的。 無論是親油或疏油的粗粒化材料，兩種聚結(jié)都同時(shí)存在，只是前者以 “ 潤(rùn)濕聚結(jié) ” 作用為主，后者以 “ 碰撞聚結(jié) ” 為主。因此，無論是親油性材料還是疏油性材容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 4 料只要粒徑適合，就會(huì)有比較好的粗粒化效果。其中技術(shù)關(guān)鍵是 粗粒化材料。從材料的形狀來看，可分為纖維狀和顆料狀；從材料的性質(zhì)來看，許多研究者認(rèn)為材質(zhì)表而的親油疏水性能是主要的，而且親油性材料與油的按觸角小于 70度為好。當(dāng)含油 污 水通過這種材料時(shí)，微細(xì)油粒便吸附在其表而上，經(jīng)過 不斷 碰撞，油珠逐漸聚結(jié)擴(kuò)大而形成油膜。最后在重力和水流推力下，脫離材料表面而浮升于水面。粗粒化材料還可分為無機(jī)和有機(jī)兩類。外形可做成粒狀、纖維狀、管狀。膠結(jié)狀聚丙烯、無煙煤、陶粒、石英砂等均可作為粗粒化填料，填料的種類如圖 121所示。 圖 121 填料材料示意圖 粗粒化的主要缺點(diǎn)是定期對(duì) 聚結(jié)床清洗，定期更換聚結(jié)材料提高了運(yùn)行費(fèi)用。目前有一種趨勢(shì)就是將粗粒化技術(shù)與斜板除油技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)出聚結(jié)型斜板除油裝備。此裝備的分離過程不存在重新混合，因而避免了單獨(dú)使用斜板技術(shù)可能引起二次污染的可能性。而且此裝備不需要進(jìn)行反沖洗、安裝方便、不易破損。 混凝除油 混凝除油是一種化學(xué)方法。當(dāng)含油廢水中的乳化油和尺寸小于 粒必須采用化學(xué)方法去除，即向廢水中投加化學(xué)藥劑，破壞膠體顆粒的穩(wěn)定性，使廢水中難以沉淀的膠體顆粒能相互聚集，形成大顆粒后沉淀下來。混凝過程包括混合、反應(yīng)、凝聚 和絮凝幾個(gè)過程。 目前油田常用的混凝劑有精制硫酸鋁、粗制硫酸鋁、聚合氯化呂（ PAC）、氯化亞鐵、硫酸亞鐵、陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺 (PAM)等，有時(shí)也投加助凝劑促進(jìn)混凝效果，但它本身不起混凝作用。 近年來化學(xué)混凝法主要集中在開發(fā)新的水處理藥劑。 Thomas E. 低分子量的有機(jī)胺 ， 特別是季銨鹽處理采油廢水中的溶解有機(jī)物。 Doyle 用聚合物有機(jī)粘土吸附采油廢水中的溶解有機(jī)物 ， 也取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。在有機(jī)高分子絮凝劑方面 ， 多以丙烯酰胺和丙烯酸的二元及三元共聚物為主。此外 ， 生物破乳劑、生物 絮凝劑、低污染或無污染的水質(zhì)處理劑也是重要的研究方向。化學(xué)容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 5 混凝與其他方法聯(lián)合使用處理采油廢水也取得較好的去除效果。陳進(jìn)富 教授 等采用粉末活性炭 (PAC)與陰離子聚丙烯酰胺 (HPAM)、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (YPAM)復(fù)配處理綏中某油田采油廢水 ， CODCr去除率 %～ %， 隨 PAC用量的增加 ， CODCr去除率有所增大。 PAC與 HPAM或 YPAM復(fù)配去除 CODCr較單獨(dú)使用 PAC的效果好[5]。 氣浮法除油 氣浮法除油就是向廢水中通入空氣（有時(shí)還 一 同加入浮選劑），并以微小氣泡的形式從水中析 出成為載體，使廢水中的乳化液、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)粘附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成氣、水、油珠三相混合體。通過收集泡沫、浮油達(dá)到除油的目的。含油廢水中的乳化油易粘附在氣泡上，增加其上浮速度。 氣浮除油效率隨著氣泡與油珠和固體顆粒的接觸效率和附著效率的提高而提高。氣液接觸時(shí)間延長(zhǎng)可提高接觸效率和吸附效率，從而提高除油效率。增大油珠直徑，減小氣泡直徑和提高氣泡濃度既可以提高接觸效率，也可提高附著效率，因此是提高出有效率的重要措施。其他一些因素如溫度、 PH值、礦化度、處理水含油量和水中所含原油類型也都直 接或間接地影響除油效率 [6]。 生化處理技術(shù) 生化法主要是通過微生物的新陳代謝過程使污水中的有機(jī)物被降解 ， 轉(zhuǎn)化成新的生物細(xì)胞及簡(jiǎn)單形式的無機(jī)物 ， 從而達(dá)到去除有機(jī)物的目的。生化法是在初級(jí)處理基礎(chǔ)上進(jìn)行的二級(jí)處理技術(shù) ， 已廣泛應(yīng)用于城市污水和印染、石化、釀造、造紙等工業(yè)污水的處理。在采油污水處理方面近年來也有許多研究 ， 一般要求進(jìn)入生化處理系統(tǒng)前含油 50mg/L， 厭氧折流板反應(yīng)器、半推流式活性污泥系統(tǒng)、 ASBR、厭氧 好氧接觸氧化等技術(shù)有很好的處理效果。 生化法是一種去除有機(jī)物污染很成熟的方法 ， 應(yīng)用于 采油污水處理有很好的前景。常見的幾種簡(jiǎn)單的處理技術(shù)： (1) 生物降解技術(shù)：通過生物體的代謝作用降解、轉(zhuǎn)化污水中的油 ， 可采用活性泥法、滴濾法、曝氣法或接觸氧化法、水生植物法、水生植物一化學(xué)絮凝法、地層滲透法等生化方法。 (2) 微生物絮凝技術(shù)：利用生物有機(jī)高分子絮凝物質(zhì)替代化學(xué)絮凝劑處理含油污水，適于油氣田勘探開發(fā)流動(dòng)作業(yè) [7]。 容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 6 (3) 高效生物降解技術(shù)：利用生物技術(shù)培育出對(duì)石油具有特殊降解能力的優(yōu)勢(shì)菌種，用細(xì)胞固定技術(shù)將其固定在合適的載體上，吃掉采油污水中的烴。該技術(shù)能避免二次污染，降低處理費(fèi)用，凈化效 果比化學(xué)處理好。 水力旋流器除油 水力旋流分離技術(shù)是 20世紀(jì) 80年代以來迅速發(fā)展起來的油水分離技術(shù) ， 旋流分離技術(shù)屬于離心分離的范疇，根據(jù)離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力場(chǎng)而 得到 強(qiáng)化分離的效果。在處理量和除油性能相同的條件下，重量比其他除油設(shè)備輕 80%— 90%，工程建設(shè)投資約低 50%。 水力旋流器分離工作的基本原理是離心沉降作用。待分離的多相或非溶性單相介質(zhì)以一定的壓力從水力旋流器上部周邊切向進(jìn)入水力旋流器后，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于介質(zhì)間的密度差，所受的離心力、向心浮力和流體曳力的大小不同，受離心力沉降作用 ，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，而大部分輕相則由溢流口排出，從而達(dá)到分離的目的 [8]， 如圖 122所示 。 圖 122 水力旋流器基本工作原理模型 水力旋流器的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的歷史階段， 1891年， Bretney在 美國(guó)申請(qǐng)了第一個(gè)旋流器專利 。 自此以后，旋流器在各個(gè)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展 。 1914年，水力旋流器正式應(yīng)用于磷肥的工業(yè)生產(chǎn)。 20世紀(jì) 30年代后期，水力旋流器以商品的形式出現(xiàn)，主要應(yīng)用于紙漿水處理。從 20世紀(jì) 40年代前開始，旋流器正式投入選煤的應(yīng)用是從荷蘭國(guó)家礦產(chǎn)部資助大噸位的選煤和礦石處理方面的研究開始的。 1953年， Van Rossum jiang將水力旋流器用于脫出油中的水分，為水力旋流器的應(yīng)用開容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 7 拓了新的空間。 20世紀(jì) 80年代以后，許多科技工作者致力于水力旋流器的研究和推廣應(yīng)用，英國(guó) BHRA流體工程中心發(fā)起 的水力旋流器國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，更是將水力旋流器的發(fā)展推到了極致。 20世紀(jì) 90年代，我國(guó) 大部分油田已進(jìn)入中、高含水期開采階段，已建的基于重力沉降原理的傳統(tǒng)設(shè)備已不能滿足處理大量采出液的要求，基于旋流分離原理的液液旋流分離技術(shù)作為重力分離的替代技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生 [9]。如今的水力旋流器處理量更大，產(chǎn)品粒度更細(xì)，應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，能夠替代螺旋分級(jí)機(jī)完成一段磨礦的分級(jí)作業(yè)。 水力旋流器的應(yīng)用包括固液分離、氣液分離、固固分離、液液分離、液氣固三相同時(shí)分離以及其他應(yīng)用。液液旋流分離器具有體積小、質(zhì)量輕、分離效率高、工作可靠等 優(yōu)點(diǎn)。油水混合物在水力旋流器中一般僅停留 2— 4s，比傳統(tǒng)設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間縮短近千倍，且旋流器的重量?jī)H為傳統(tǒng)設(shè)備的幾十分之一。 水力旋流器分離技術(shù)是利用密度差進(jìn)行多相分離的非均相機(jī)械分離過程，因此適用水力旋流器分離的物料必須是具有一定密度差的多相液體混合物。目前水力旋流器還作為一種高效的顆粒分級(jí)設(shè)備。 當(dāng)采出油、水密度差大 于 3/gcm ，采出水中油滴粒徑大于 20181。m時(shí)，旋流器可在幾秒鐘內(nèi)迅速將油從水中分離出去。在控制進(jìn)出口壓差為 ～ ， 當(dāng)進(jìn)水 含油量 ? 1000 /mgL 時(shí)，出水含油可降到 50 /mgL 。 水力旋流器技術(shù)很大程度上優(yōu)于其他含油廢水的 工藝處理除油技術(shù)。如圖 123所示，水力旋流器的分離效果與負(fù)載壓強(qiáng)密切相關(guān)。在壓力持續(xù)增加的狀態(tài)下，水力旋流器的去除效率大幅度增加，當(dāng)壓強(qiáng)超過某一點(diǎn)時(shí)，旋流器的去除效率呈平穩(wěn)狀態(tài)，不會(huì)有明顯的上升，該點(diǎn)壓強(qiáng)值為水力旋流器的最佳工作壓強(qiáng)。 圖 123 水 力旋流器負(fù)載壓強(qiáng)與除油效率的關(guān)系 容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 8 水力旋流分離器通常可分為靜態(tài)水力旋流器和 動(dòng)態(tài)水力 旋流器。靜態(tài)水力旋流器用于固 液分離已經(jīng)有較長(zhǎng)歷史，在石油工業(yè)中也被用于鉆井液的處理，原油井口除砂等場(chǎng)合，而用于液 液分離則晚得多。 (1) 靜 態(tài)水力旋流器 單體結(jié)構(gòu)的油水分離用靜態(tài)水力旋流器如圖 124 所示。油水混合液在一定壓力下從入 口高速切向進(jìn)入旋流器的旋流腔 ， 形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流因離心力的差異 ， 重質(zhì)相水被甩至器壁并向底部流動(dòng) ， 從底流口排出 ， 輕質(zhì)相油則被迫移向軸心并向上流動(dòng) ， 從溢流口排出 ， 從而實(shí)現(xiàn)油水分離過程。 按照使用場(chǎng)合與分離側(cè)重點(diǎn)的不同 ， 靜態(tài)水力旋流器可以分為脫油型、采出液預(yù)分離型、脫水型三類 ， 其外形結(jié)構(gòu)基本類似 ，只是旋流管的數(shù)量、結(jié)構(gòu)尺寸及操作參數(shù)有所區(qū)別。 脫油型靜態(tài)水力旋流器因其占地少、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)在發(fā)達(dá)國(guó)家含油廢水處理特別是海 上石油開采平臺(tái)上已成為不可替代的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備預(yù)分離水力旋流器能脫除高含水采出液中的大部分水相脫水型水力旋流器被用于脫除原油或凝析油中的殘余含水量。 (2) 動(dòng)態(tài)水力旋流器 如圖 125所示 ， 這是世界上最早出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)水力旋流器，由法國(guó) Total石油公司和 NEYRTEC公司于 1984年在歐共體資助下合作開發(fā)而成。電機(jī)通過 V帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn) ， 油水混合液由泵輸送經(jīng)入口端流過旋轉(zhuǎn)柵流道及其尾部的導(dǎo)向錐 ， 旋轉(zhuǎn)柵對(duì)來液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用 ； 高速旋轉(zhuǎn)的液流靠與轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁間的摩擦作用形成更大、更強(qiáng)的 “ 旋流場(chǎng) ”， 離心加速度超過 重力加速度的 1000倍；輕質(zhì)相的油被迫向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移而形成油核 ， 最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出；重 質(zhì)相水則向轉(zhuǎn)筒壁運(yùn)移 ， 同時(shí)在軸向力作用下由底流出口排出，最終實(shí)現(xiàn)油水分離 [10]。 圖 124 油水分離的靜態(tài)水力旋流器 容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維實(shí)體模擬 9 圖 125 Total 型動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu) 我國(guó)在此方面的技術(shù)研究起步較晚 ， 上個(gè)世紀(jì) 90年代 ， 動(dòng)態(tài)水力旋流技術(shù)被引入我國(guó)。 1997年 ， 為解決大慶油田注聚采出液的處理難題 ， 大慶石油學(xué)院開始了該技術(shù)的研究工作 ， 并于當(dāng)年試制了國(guó)內(nèi)第 1臺(tái)動(dòng)態(tài)水力旋流器樣機(jī)。當(dāng)年 8月 ， 該樣機(jī)在大慶石油管理局某中轉(zhuǎn)站投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) ， 其主要分離指標(biāo)為 ： 當(dāng)聚 合物含量在400ppm左右、水中含油 20xx～ 3000mg/L時(shí) ， 經(jīng)動(dòng)態(tài)水力旋流器一級(jí)處理后含油量可降到 200mg/L以下 [11]。 液 液旋流分離器應(yīng)用于油氣儲(chǔ)運(yùn)方面主要包括以下幾個(gè)方面： ① 水中除油。靜態(tài)旋流分離技術(shù)用于含