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)論文

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1、 密 級(jí) 公 開 學(xué) 號(hào) 070403 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 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 64 / 73 石油化工學(xué)院 學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議 論文《 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 》系本人在石油化工學(xué)院學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“石油化工學(xué)院學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)”。本人承諾：已提交

2、的學(xué)位論文電子版與印刷版論文的容一致，如因不同而引起學(xué)術(shù)聲譽(yù)上的損失由本人自負(fù)。 本人完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以與全文部分瀏覽服務(wù)。公開級(jí)學(xué)位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書對(duì)于“非公開學(xué)位論文”在期限過(guò)后同樣適用。 院系名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 作者簽名： 學(xué) 號(hào)： 070403 2011 年 5月 27 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡

3、我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。 作 者 簽 名：　日　 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日　　期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊?/p>

4、文的部分或全部容。 作者簽名：　 日　 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)

5、位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 北 京 石 油 化 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文）任 務(wù) 書 學(xué)院（系）機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)環(huán)境工程班級(jí)環(huán)07-2 學(xué)生指導(dǎo)教師/職稱進(jìn)富/教授、家慶/ 教授 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 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 2.任務(wù)起止日期： 2011年2月21日 至 2011年6月07日 3.畢業(yè)

6、設(shè)計(jì)（論文）的主要容與要求（含原始數(shù)據(jù)與應(yīng)提交的成果） (1)題目簡(jiǎn)介與主要容 將水力旋流器應(yīng)用于液—液分離是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的新技術(shù)，具有常規(guī)液—液分離技術(shù)所不可比擬的一系列優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于石油工業(yè)上游行業(yè)采油污水的處理，而其在石油化工、醫(yī)藥、市政環(huán)保等行業(yè)的潛在應(yīng)用正在引起越來(lái)越多的關(guān)注。由于單根水力旋流管的處理能力有限，因此工程實(shí)際中往往將多根水力旋流管并聯(lián)組合并以類似管殼式換熱器的方式組裝。為了完成含油污水在所有旋流管之間的有效分配以與各旋流管頂部溢流口和底流口液體的有效收集。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備制造商如美國(guó)Cooper Cameron、英國(guó)Cyclotech Ltd等都先后

7、提出了各具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，國(guó)無(wú)論是在單根水力旋流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還是在組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案上，都是跟蹤國(guó)外。本題目將在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，了解各種典型的油-水分離單元處理技術(shù)，收集國(guó)外目前所用各種類型單體旋流管的結(jié)構(gòu)與尺寸，能進(jìn)行類比設(shè)計(jì)；以Cyclotech公司的B20系列脫油型水力旋流器為切入點(diǎn)，掌握其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的全部技術(shù)細(xì)節(jié)，借鑒管殼式換熱器等壓力容器設(shè)計(jì)方面的相關(guān)知識(shí)，完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所包含的全部工作容。 (2)原始數(shù)據(jù) 處理量：50m3/h；入口含油量：100~200mg/L；外排凈化水中的含油量<30 mg/L。 (3)應(yīng)該提交的成果 ①查閱中文文獻(xiàn)不少于

8、12篇、英文文獻(xiàn)不少于4篇；②開題報(bào)告或文獻(xiàn)綜述；③不少于2萬(wàn)字符的英文文獻(xiàn)原件與其翻譯后的A4打印件；④設(shè)計(jì)圖紙：手繪1A0裝配圖，機(jī)繪全套零件圖；⑤包含全部零件與其裝配關(guān)系的UG NX或Pro-E三維實(shí)體模型；⑥按照校方規(guī)定格式的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)裝訂本。 4.主要參考文獻(xiàn) (1) 家慶 編著. 石油石化工業(yè)環(huán)保技術(shù)概論. ：,2005. (2) 永訓(xùn) 主編；忠勛, 何桂華, 鄧波 副主編. 油田采出水處理設(shè)計(jì)手冊(cè). : , 2005年9月. (3) Kevin A. Juniel. Practical application of produced water treating t

9、echnology for land-based injection operations. NATCO Group, May 2003 Revision. (4) Ahmadun Fakhru’l-Razi, Alireza Pendashteh, Luqman Chuah Abdullah, Dayang Radiah Awang Biak, Sayed Siavash Madaeni, Zurina Zainal Abidin. Review of technologies for oil and gas produced water treatment. Journal of Haz

10、ardous Materials, 2009, 170(2-3): 530-551. (5) Alastair Sinker. Less oil in, less oil out: aholistic approach to enhanced produced water treatment. Produced Water Society, Houston, 17th – 19th January 2007. (6) A B Sinker, M Humphris, N Wayth. Enhanced deoiling hydrocyclone performance without res

11、orting to chemicals. SPE 56969, presentation at the 1999 Offshore Europe Conference held inAberdeen, Scotland, 7–9 September 1999. (7) Kevin J. O’Brien, Pate A. Thompson. Stephen T. McCoy. Three chamber vessel for hydrocyclone separator. United States Patent No.5336410, August 9, 1994. (8) S. M. S

12、troder, E. E. Wolfenberger. Hydrocyclone separsation: a preferred means of water separation and handling in oilfield production. SPE27671, presentation at the 1994 SPE Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference held in Midland, texas, 16-18 march 1994. (9) J. C. Ditria, M. E. Hoyack. The separat

13、ion of solids and liquids with hydrocyclone-based technology for waste treatment and crude processing. SPE28815, presentation at the SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference held in Melbourne, Australia, 7-10 November 1994. (10) 慶國(guó)，明賢 編著. 水力旋流器分離技術(shù). ：化學(xué)工業(yè), 2003年8月. (11) 褚良銀，文梅 著. 旋轉(zhuǎn)流分離理論. : 冶金工業(yè), 200

14、2年10月. (12) 龐學(xué)詩(shī) 編著. 水力旋流器技術(shù)與應(yīng)用. : , 2011年01月. (13) 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．GB 150-1998. 鋼制壓力容器. ：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn), 1998. (14)葉國(guó)林，龍漢編著. UG NX6三維造型實(shí)例圖解. ：清華大學(xué), 2007年12月. 5.進(jìn)度計(jì)劃與指導(dǎo)安排 第01周—— 接受題目，校文獻(xiàn)查閱，著手撰寫文獻(xiàn)綜述； 第02周 —— 校外文獻(xiàn)查閱，翻譯與本題目有關(guān)的英文資料，撰寫文獻(xiàn)綜述； 第03周 —— 撰寫、修改文獻(xiàn)綜述，按照規(guī)定格式上交Word打印版，準(zhǔn)備開題報(bào)告； 第04周 —— 根據(jù)指導(dǎo)教師的建議 ，修改所有上交材料； 第

15、05周 —— 研究體會(huì)壓力容器組合式水力旋流分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的論證和選擇； 第06周 —— 進(jìn)行油水旋流分離器Cyclotech B20型裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是原水入口、排水口、排油口之間的合理布局和注意要點(diǎn),重點(diǎn)考慮各組件的布局與安裝和密封問(wèn)題； 第07周 —— 進(jìn)行B20型裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第08周 —— 討論修改總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第09周 —— 手工繪制裝配圖； 第10周 —— 修改手工繪制的裝配圖，并利用計(jì)算機(jī)繪制裝配圖和主要零件圖； 第11周 —— 利用Pro/E或者UG進(jìn)行三維實(shí)體模擬； 第12周 —— 檢查全部圖紙； 第13周 —— 撰寫畢

16、業(yè)論文，并輸入計(jì)算機(jī)； 第14周 —— 整理資料，修改圖紙與論文，按照規(guī)定時(shí)間上交全套畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 第15周 —— 根據(jù)評(píng)閱教師與指導(dǎo)教師的意見，進(jìn)一步修改圖紙與論文，準(zhǔn)備答辯； 第16周 —— 整理所有資料，進(jìn)行畢業(yè)答辯。 任務(wù)書審定日期年月日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期年月日 教學(xué)院（部、系）院長(zhǎng)（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期年月日 指導(dǎo)教師（簽字） 計(jì)劃完成任務(wù)日期 年月日 學(xué)生（簽字） 摘要 目前，采油污水的處理問(wèn)題已成為石油工業(yè)上游行業(yè)經(jīng)常面對(duì)的一個(gè)生產(chǎn)性問(wèn)題。在眾多的采油污水單元處理技術(shù)中，基于水力旋流器的離心分離技術(shù)因其占地面

17、積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件而得到了廣泛應(yīng)用。由于單根水力旋流管的處理能力有限，因此工程實(shí)際中往往將多根水力旋流管并聯(lián)組合，壓力容器組合式結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于運(yùn)輸安裝而被眾多用戶青睞。 本設(shè)計(jì)將在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，了解國(guó)外各種典型的油-水分離單元處理的方法和技術(shù)。通過(guò)閱讀相應(yīng)的國(guó)外專利資料，收集目前所用的各種類型單體旋流管的結(jié)構(gòu)與尺寸與水力旋流器中單體旋流管的排布情況。以Cyclotech公司的B20系列脫油型水力旋流器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)比較與分析，選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，解決了有限空間污水在各水力旋流管入口的分配、各水力旋流管溢流口液體的收集和外排等結(jié)構(gòu)布局問(wèn)題。參考管殼式換熱器的布管方式、管

18、板設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，依據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》，完成了設(shè)備的直徑、壁厚、隔板、封板、法蘭、鞍座等一系列所需元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇和強(qiáng)度校核；在此基礎(chǔ)之上，使用Auto CAD軟件繪制了設(shè)備裝配圖和主要零部件圖紙，并使用NX UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體模擬。整個(gè)論文的工作為了國(guó)一般廠家自主設(shè)計(jì)研制容器組合式旋流分離器去除含油污水提供了一定的參考借鑒。 關(guān)鍵詞：采油污水，水力旋流器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)體模擬 Abstract Nowadays, produced water treatment has become a production problem which is ofte

19、n faced in the oil industry. Among the many units treatment technology of produced water, because of its small size and no moving parts, hydrocyclone separation has been used widely. As a single hydrocyclone tube capacity is limited, so management of multiple hydrocyclones have been arranged in para

20、llel combinations in engineering practice.Pressure vessels attracted many users because of its modular structure,compact structure and easy transportation. The design will be access on the basis of large number of documents,understanding of typical oil - water separation unit of processing methods

21、 and technologies.By reading the foreign patents currently, collected various types of single hydrocyclone tube structure and the size and hydrocyclone vortex tubes in the single arrangement. Make Cyclotech's B20seriesDeoilhydrocycloneas a starting point, the author compared and analyzed the structu

22、re and selected a better structural design to solved the hydrocyclone wastewater inlet distribution within the limited space ,the structure problem of collected liquid of hydrocyclone overflow and outer. Learning from relevant knowledge of heat exchangers’piping means and other sheet design,accordin

23、g to GB 150-1998 《Steel Pressure Vessels》,the author completed the equipment diameter,wall thickness,diaphragm,seal plates,flanges,saddles and a series of components required for the structural design,selected and made strength check. On the basis,the author completed equipment assembly drawings and

24、 drawings of the main components by Auto CAD and use the NX UG to simulate three-dimensional solid simulation work and NX UG software.The paper work was a reference for design oil-water hydrocyclone separator of containers combined to remove oily water in general domestic manufacturers. Key words

25、: produced water, hydrocyclones, structural design,physical simulation 目錄 第一章引言1 1.1 含油污水的處理背景與意義1 1.2 含油污水常規(guī)的處理方法和技術(shù)2 1.3 國(guó)外的壓力容器組合式除油設(shè)備10 1.4 本文的工作容14 第二章水力旋流管結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)方案的論證15 2.1 水力旋流管單體結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)15 2.2 管束與各腔室布局方案的論證19 第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算32 3.1 容器外殼徑與壁厚32 3.2 封頭設(shè)計(jì)35 3.3 壓力容器法蘭設(shè)計(jì)36 3.4 開孔與其補(bǔ)強(qiáng)39 3

26、.5 容器支座的設(shè)計(jì)41 3.6 輔助零件的選擇42 3.7 泵的選擇46 3.8 焊縫探傷與壓力測(cè)試49 第四章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析51 4.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)51 4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)概算58 第五章結(jié)論與建議60 5.1 結(jié)論60 5.2 建議60 參考文獻(xiàn)61 致 63 聲 明64 第一章 引言 1.1 含油污水的處理背景與意義 近年來(lái)，石油石化行業(yè)已成為我國(guó)現(xiàn)代能源與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，石油在世界能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)很大的比重，特別是海洋石油資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上石油資源總量約占全球資源總量的34%，世界對(duì)海上石油寄予了很高的厚望。目前

27、，隨著我國(guó)石油石化工業(yè)的迅猛發(fā)展，油氣產(chǎn)量的持續(xù)上升，對(duì)環(huán)境所造成環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。油田的開采和煉制，以與相關(guān)的海上石油勘探，開采事業(yè)的興起，促使含油污水對(duì)環(huán)境造成的危害事件屢有發(fā)生。 海上采油與海上石油運(yùn)輸?shù)纳鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)，引起了世界的高度關(guān)注。石油與其煉制品(汽油、煤油、柴油等)在開采、煉制、貯運(yùn)和使用過(guò)程中進(jìn)入海洋環(huán)境而造成的污染，是目前一種世界性的、嚴(yán)重的海洋污染。進(jìn)入海洋環(huán)境的石油與其煉制品主要來(lái)自：經(jīng)河流或直接向海洋注入的各種含油污水；海上油船漏油、排放和油船事故等；海底油田開采溢漏與井噴；逸入大氣中的石油烴的沉降與海底自然溢油等。目前經(jīng)由各種途徑進(jìn)入海洋的石油烴年約600萬(wàn)噸，排入

28、中國(guó)沿海的石油烴年約10萬(wàn)噸。 含油污水中所含的油類物質(zhì)，包括天然石油、石油產(chǎn)品、焦油與其分餾物，以與食用動(dòng)植物油和脂肪類。它是一種典型的有機(jī)廢水。從對(duì)水體的污染來(lái)說(shuō)，主要是石油和焦油。由于我國(guó)各油田地質(zhì)條件，開發(fā)方式，油層改造措施、注水水質(zhì)、集輸工藝等的不同，各油田采油污水的性質(zhì)差異很大。另外，油田其他污水（如：洗井污水，鉆井污水，生活污水等）的混入，使得采油污水的成分更加復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，有以下特點(diǎn)： (1)含油量高。一般采油污水含有1000～2000mg/L的原油，有些含油量可達(dá)5000 mg/L以上。油類在水中的存在形式根據(jù)含油顆粒大小的不同可分為浮油、分散油、乳化油和溶解油。采油污

29、水中一般90%左右的油類是以粒徑>100μm的浮油和10～100μm的分散油形式存在，另外10%主要是0.1～10μm的乳化油，<0.1μm的溶解油含量很低。 (2) 含有懸浮固體顆粒。顆粒粒徑一般為1～100μm，主要包括粘土顆粒、粉砂和細(xì)砂等。 (3) 高含鹽量。油田采油污水一般無(wú)機(jī)鹽的含量很高，從幾千到幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)mg/L，各油田甚至各區(qū)塊、油層都不同。無(wú)機(jī)鹽離子主要包括：Ca2+，Mg2+，K+，Na+，F(xiàn)e2+，Cl-，HCO3-，CO32-等。 (4) 含細(xì)菌。主要是腐生菌和硫酸鹽還原菌。 (5) 部分油田污水含表面活性劑。 另外，采油污水還具有高水溫(40～80℃)和

30、高pH的特點(diǎn)[1]。 隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣產(chǎn)量持續(xù)上升，石油天然氣工業(yè)目前已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。油氣勘探開發(fā)活動(dòng)的增多，所產(chǎn)生的污染量也隨之增加，對(duì)環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重。而外界對(duì)采油污水的處理和回用的要求將會(huì)日益提高。在原有的初級(jí)處理基礎(chǔ)上，結(jié)合油田實(shí)際情況增加深度處理單元可以進(jìn)一步凈化污水，滿足油田的發(fā)展需要。本文針對(duì)采油污水的不同性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行有效處理。 1.2含油污水常規(guī)的處理方法和技術(shù) 目前，我油污水處理技術(shù)發(fā)展較快。20世紀(jì)60年代，產(chǎn)生了重力除油流程，70年代至80年代出現(xiàn)了通過(guò)壓力儲(chǔ)油罐、壓力過(guò)濾罐的壓力流程，葉輪氣體浮選機(jī)國(guó)產(chǎn)化后，浮選流程得到了普遍推廣

31、應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，隨著離心除油技術(shù)的引進(jìn)、消化吸收，開始研制國(guó)產(chǎn)的水力旋流器，實(shí)現(xiàn)了水力旋流器處理技術(shù)。本文主要介紹幾種典型的常見處理方法。 1.2.1重力除油 重力除油依靠油水的比重差通過(guò)油與水的自然分離實(shí)現(xiàn)除油效果。重力除油可以去除廢水中的浮油與大部分分散油達(dá)到除油的目的。通常重力除油常分為自然除油和斜板除油。重力除油的主要設(shè)備有立式除油罐、斜板式隔油池與粗粒化除油罐等[2]。 (1)自然除油 自然除油是指原水中不加混凝劑，依靠水中自然形成的微小油滴靠其與廢水的相對(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10～100μ

32、m。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)

33、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。 1.2.2 粗?；? 粗?；褪鞘购臀鬯ㄟ^(guò)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(guò)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(guò)程該法用于處理分散油、乳化油，設(shè)備小、

34、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?；盍嫌芯郾?、無(wú)煙煤、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?；瘷C(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?；牧系幕A(chǔ)上。當(dāng)含油廢水經(jīng)過(guò)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(lái)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?；哪康?。 “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(guò)疏

35、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?；哪康?。 無(wú)論是親油或疏油的粗?；牧?，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(wú)論是親油性材料還是疏油性材料只要粒徑適合，就會(huì)有比較好的粗?；ЧＦ湫g(shù)關(guān)鍵是粗?；牧稀牟牧系男螤顏?lái)看，可分為纖維狀和顆料狀；從材料的性質(zhì)來(lái)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(guò)這種材料時(shí)，微細(xì)油粒便吸附在其表而上，經(jīng)過(guò)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

36、浮升于水面。粗?；牧线€可分為無(wú)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(wú)煙煤、粒、石英砂等均可作為粗粒化填料，填料的種類如圖1-2-1所示。 圖1-2-1填料材料示意圖 粗?；闹饕秉c(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?；夹g(shù)與斜板除油技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開發(fā)出聚結(jié)型斜板除油裝備。此裝備的分離過(guò)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。 1.2.3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0.1μm的膠體顆粒必須采用化學(xué)方法去除

37、，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(lái)。混凝過(guò)程包括混合、反應(yīng)、凝聚和絮凝幾個(gè)過(guò)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(lái)化學(xué)混凝法主要集中在開發(fā)新的水處理藥劑。Thomas E. R.報(bào)道了使用低分子量的有機(jī)胺，特別是季銨鹽處理采油廢水中的溶解有機(jī)物。Doyle D.H.等利用聚合物有機(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

38、丙烯酸的二元與三元共聚物為主。此外，生物破乳劑、生物絮凝劑、低污染或無(wú)污染的水質(zhì)處理劑也是重要的研究方向?；瘜W(xué)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。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15.19%～30.10%，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]。 1.2.4 氣浮法除油 氣浮法除油就是向廢水入空氣（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

39、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(guò)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]。 1.2.5生化處理技術(shù) 生化法主要是通過(guò)微生物的新代過(guò)程使污水中的有機(jī)物被降解，轉(zhuǎn)化成新

40、的生物細(xì)胞與簡(jiǎn)單形式的無(wú)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(lái)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(guò)生物體的代作用降解、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

41、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]。 (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。 1.2.6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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的油水分離技術(shù)，旋流分離技術(shù)屬于離心分離的疇，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一樣的條件下，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

42、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1-2-2所示。 圖1-2-2 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

43、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

44、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、液氣固三一樣時(shí)分離以與其他應(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(guò)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0.0

45、5，采出水中油滴粒徑大于20μm時(shí)，旋流器可在幾秒鐘迅速將油從水中分離出去。在控制進(jìn)出口壓差為0.2～0.8MPa的情況下，當(dāng)進(jìn)水含油量1000時(shí)，出水含油可降到50。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1-2-3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(guò)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1-2-3 水力旋流器負(fù)載壓強(qiáng)與除油效率的關(guān)系 圖1-2-4 油水分離的靜態(tài)水力旋流器 水力旋流分離器通?？煞譃殪o態(tài)水力旋流器和動(dòng)態(tài)水

46、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1-2-4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(guò)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)尺寸與操作參數(shù)有所區(qū)別。 脫油型靜態(tài)水力

47、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1-2-5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(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)柵流道與其尾部的導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)來(lái)液起導(dǎo)流與預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用；高速旋轉(zhuǎn)的液流靠與轉(zhuǎn)筒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(guò)重力加速度的1000倍

48、；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)溢流嘴與收油桿組件排出；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1-2-5Total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，為解決油田注聚采出液的處理難題，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)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2000～3000mg/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

49、[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)用于含油污水除油，不僅能處理常規(guī)重力分離技術(shù)難于處理的介質(zhì)，而且設(shè)備體積小，性能穩(wěn)定可靠，分離能力是常規(guī)重力分離設(shè)備的幾十倍至數(shù)百倍，旋流器在環(huán)境保護(hù)中獲得廣泛的應(yīng)用。 ②油中除水。在油田開采的初中期，油中含有一定量的水，為了減少輸送成本和便于原油加工，需要將油中的水去除。在成品油應(yīng)用過(guò)程中也常常采用旋流器，如在燃料油或液壓油使用中有時(shí)也使用旋流器除去油中的水。 ③原油脫水。在油田開采的中后期，注水采油被廣泛采用，開采出的油水混合物中，含有大量的水，含水率一般在30%～90%，為了使原油脫

50、水凈化與污水除油凈化后，分別得到合格的油品和水質(zhì)[12]，有必要使進(jìn)入污水除油旋流器中的水含量保持在0.2%以，使進(jìn)入原油脫水凈化旋流器中的油含水穩(wěn)定在20%下，為此要求在污水旋流除油與原油旋流脫水之前增設(shè)原油旋流預(yù)脫水環(huán)節(jié)，為污水旋流除油與原油旋流脫水凈化提供保障。 水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)能力大、分離效率高、占地面積小、無(wú)傳動(dòng)部件和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，在選礦、洗煤、石油、天然氣、石化、三廢處理、淀粉工業(yè)、食品與飲料、造紙工業(yè)、高嶺土、水泥工業(yè)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13]。 我國(guó)在水力旋流分離技術(shù)發(fā)展較晚，20世紀(jì)80年代末，國(guó)一些相關(guān)科研單位和企業(yè)才開始正式研究旋流

51、器的分離技術(shù)，國(guó)普遍是引進(jìn)成套的旋流器設(shè)備，根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)資料中提供的油-水旋流器模型尺寸比例，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出適合我國(guó)油田實(shí)際情況的油-水旋流器，開始了水利旋流分離器的實(shí)驗(yàn)科研研究。 水力旋流器除油技術(shù)是一種重要的分離技術(shù)，但是在實(shí)際情況下，單體的水力旋流器難以滿足較大的處理流量的要求時(shí)，通?？梢詫⒍鄠€(gè)單體結(jié)構(gòu)按照一定方式并聯(lián)組合起來(lái)工作。工程中，常見的水力旋流器有壓力容器式，開放排架式，另外還有輻射蛛網(wǎng)式、垂直排列式、徑向分布式等。 1.3 國(guó)外的壓力容器組合式除油設(shè)備 1.3.1中國(guó)石油學(xué)院研發(fā)的組合式油田采出液預(yù)分離水力旋流器 該設(shè)備是將多根單體結(jié)構(gòu)的油田采出液預(yù)分離水力旋

52、流器進(jìn)行組合、固定在一個(gè)壓力容器殼體部，同時(shí)在容器部結(jié)構(gòu)上采用一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)來(lái)改善水力旋流器的預(yù)分離效果[14]。如圖1-3-1所示，該設(shè)備的入口腔相對(duì)于其他兩腔體要大許多，即在不加大單體水力旋流器整體長(zhǎng)度的前提下采用盡可能大的入口腔長(zhǎng)度，另外在正對(duì)著入口腔的入口處與入口腔部靠近單體水力旋流器入口一側(cè)設(shè)計(jì)有擋流板組件，使油水混合液先經(jīng)過(guò)擋流板組件，在入口腔使其中的油進(jìn)行一定程度的聚結(jié)和兼并，并發(fā)生一次沉降。該設(shè)備大大提高了處理量，而且隨著處理亮的增大可以有效的降低壓力的波動(dòng)程度，使處理效果更加穩(wěn)定，另外該設(shè)備采用大入口腔設(shè)計(jì)，入口處增加擋流板，是油進(jìn)入旋流器之前在入口腔充分的聚結(jié)，兼并和沉降，

53、有利于分離效率的提高。 含油廢水從進(jìn)水口5進(jìn)入到壓力容器中，通過(guò)進(jìn)水口對(duì)面的擋流板組件4，使混合液中的油發(fā)生一定程度的聚結(jié)和沉降。隨即，在一定壓力下以切線的方向通過(guò)單體旋流管3的入口9，進(jìn)入到旋流器中進(jìn)行油水分離的過(guò)程，在離心力的作用下，油水兩相由于密度差的不同進(jìn)行強(qiáng)效分離，重質(zhì)相的水通過(guò)底流口10排至排水腔7，輕質(zhì)相油通過(guò)溢流出口8進(jìn)入到排油腔1，完成油水分離的過(guò)程。 圖1-3-1組合式油田采出液預(yù)分離水力旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1-排油腔；2-隔離板；3-旋流管；4-擋流板；5-進(jìn)水口；6-進(jìn)水腔；7-排水腔；8-溢流出口； 9-旋流管切向入口；10-底流出口 1.3.2NATCO公

54、司的水力旋流裝置 壓力容器式Oilspin AV系列旋流分離器是NATCO公司針對(duì)優(yōu)化除油效率、增強(qiáng)抗腐蝕能力提出的水力旋流分離設(shè)備之一。如圖1-3-2所示，所有的旋流管單體安裝在壓力容器部，采用管板支撐，便于旋流器從容器撤出和更換。 圖1-3-2壓力容器式Oilspin AV系列旋流分離器 該設(shè)備容器部的所有單體旋流管均采用具有三個(gè)含油污水的切向入口，如圖1-3-3所示，這樣的單體結(jié)構(gòu)可以使部流場(chǎng)分布均勻，同時(shí)可以強(qiáng)化旋流管流體的旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)穩(wěn)定的自由漩渦形成。該設(shè)備主要用于含油污水的處理，含油污水以一定的速度進(jìn)入到壓力容器組合式設(shè)備的入口腔，通過(guò)橫向安裝在容器部的單體旋流管，進(jìn)行油

55、水分離的過(guò)程。在離心力強(qiáng)化分離的作用下，重質(zhì)相水和輕質(zhì)相油完成分離。 圖1-3-3 三切向入口的水力旋流器 在Oilspin AV系列旋流分離器的基礎(chǔ)之上，NATCO公司提出了Oilspin AVi水力旋流器設(shè)備，如圖1-3-4所示，這是一種“無(wú)限開關(guān)”型旋流器組，明顯的優(yōu)點(diǎn)就是容器旋流器組中的各個(gè)單個(gè)旋流管能夠獨(dú)立打開或關(guān)閉。Oilspin AVi水力旋流器能夠通過(guò)自動(dòng)遙控旋流管的水壓開關(guān)系統(tǒng)打開或關(guān)閉部分旋流管，使其高校操作圍覆蓋較大的流速圍[15]。按一定基準(zhǔn)對(duì)比產(chǎn)出水的流速，可調(diào)節(jié)各個(gè)壓力容器設(shè)備中旋流管的個(gè)數(shù)，從而保持各個(gè)旋流管在整個(gè)操作過(guò)程中的高效分離效果。 圖1-3

56、-4Oilspin AVi水力旋流器互動(dòng)處理能力 1.3.3英國(guó)Cyclotech公司的B20裝置 英國(guó)Cyclotech公司推出的B20系列設(shè)備除油型水力旋流器如圖1-3-5所示，該設(shè)備由M-I SWACO公司提供了所有入口和高速腔的表面襯材料來(lái)降低含油廢水處理中的腐蝕性[16]。 圖1-3-5 英國(guó)Cyclotech公司的B20裝置示意圖 單獨(dú)的水力旋流器被固定在容器腔，通過(guò)處理單元的壓降完成了整個(gè)容器的固/液分離。懸浮混合液在壓力的作用下以切線的方向進(jìn)去分離器，流體高速旋轉(zhuǎn)，兩相在壓力，速度，密度差的影響下達(dá)到分離的目的。分離出來(lái)的某一相被集中收集在收集箱，工作人員可以對(duì)收集

57、箱定期清理[16]。 M-I SWACO公司向Cyclotech提供了隔離腔室的做法，通過(guò)設(shè)置部擋板的做法將容器劃分成兩個(gè)或者三個(gè)隔間。每個(gè)隔間可以自由獨(dú)立控制運(yùn)行。這一方法可以有效的增加旋流器單體的數(shù)量，該操作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，方便管理，降低使用成本，如圖1-3-6所示。 該公司的水力旋流器設(shè)備在結(jié)構(gòu)上屬于三腔體水力旋流器，從其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖看來(lái)，該裝備是一個(gè)空心的壓力容器，部有兩個(gè)隔板，將裝備橫向分為出油腔，入口腔和排水腔。設(shè)單體旋流管，從橫向方向通過(guò)隔離板的開孔安裝在容器腔，各旋流子與隔板孔接觸的圓周方向有良好的密封，使得三個(gè)腔體彼此隔離，只有通過(guò)旋流管連接。含油污水從采油廢水口進(jìn)入到入口

58、腔，油水混合液經(jīng)一定的壓力由旋流管周圍的切向方向進(jìn)入各單體旋流管中，在部由于離心力的差異，重質(zhì)相水被甩至管壁并向底流口流動(dòng)，在底流腔收集，有排水口排出。輕質(zhì)相油在離心力的作用下向上運(yùn)動(dòng)從溢流口排除進(jìn)入排油腔收集，從而達(dá)到油水的分離目的。 圖1-3-6 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖 1.4 本文的工作容 水力旋流器目前主要應(yīng)用于石油工業(yè)上游行業(yè)采油污水的處理，而其在石油化工、醫(yī)藥、市政環(huán)保等行業(yè)的潛在應(yīng)用在在引起越來(lái)越多的關(guān)注。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備制造商如美國(guó)Cooper Cameron、英國(guó)Cyclotech公司等先后提出了各種針對(duì)實(shí)際情況的水力旋流器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，國(guó)的發(fā)展較慢，往往都是跟蹤國(guó)

59、外的發(fā)展。 本文主要在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，了解各種典型的油-水分離單元處理技術(shù)，以英國(guó)Cyclotech公司的B20系列脫油型水力旋流器為切入點(diǎn)，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)細(xì)節(jié)，借鑒管殼式換熱器等壓力容器設(shè)計(jì)方面的相關(guān)知識(shí)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所包含的全部工作容。 第二章 水力旋流管結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)方案的論證 在Cyclotech公司的B20脫油型水力旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最先需要解決的就是壓力容器組合設(shè)備中的單體旋流管的選擇與排列分布問(wèn)題。其次就是容器組合式水力旋流器的布局模式。隨著含油廢水處理工藝的不斷發(fā)展和完善，近年來(lái)在常見的壓力容器組合式油水旋流器中，主要出現(xiàn)了下文所介紹的四種類型的水

60、力旋流器布局模式。 2.1 水力旋流管單體結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì) 2.1.1 旋流管單體結(jié)構(gòu)選型 液-液水力旋流管是20世紀(jì)80年代開發(fā)的高新技術(shù)，目前世界各仍在研發(fā)過(guò)程中。常用的除油型液-液水力旋流管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是小直徑、小錐角、長(zhǎng)錐體或長(zhǎng)筒體。通常，錐體長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑的40～48倍，給料壓力一般是130～150kPa，最高可達(dá)200kPa以上。目的在于提高工作液體的切線速度、增大慣性離心力、延長(zhǎng)分離過(guò)程，提高分離效果。 從結(jié)構(gòu)上劃分，水力旋流器可分為單錐型旋流管和雙錐型旋流管兩大類。與雙錐型相比，單錐型設(shè)計(jì)不同之處首先在于取消了同心縮徑段，同時(shí)在平行尾管設(shè)有1個(gè)芯部定向器以增加細(xì)小油粒的捕獲

61、，主要的特點(diǎn)就是單錐、單入口。 圖2-1-1 Amoco單錐管和KNN單錐管結(jié)構(gòu)示意圖 單錐型旋流管按照主要的研究開發(fā)單位來(lái)劃分一般可分為Amoco單錐管、KNN單錐管，如圖2-1-1所示，KNN單錐管由哈薩克斯坦建筑工程學(xué)院學(xué)者于1988年首創(chuàng)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單錐、單入口、超短尾管或者無(wú)尾管。相比之下Amoco單錐管因尾管設(shè)計(jì)相對(duì)較長(zhǎng)，分離時(shí)間加長(zhǎng)而得到的分離效果更佳[17]。 雙錐型旋流管最早由英國(guó)Southampton大學(xué)的Martin Thew等人于20世紀(jì)80年代初首創(chuàng)，最具代表性的就是F型液-液旋流分離管。如圖2-1-2所示，自上而下由圓筒渦旋段、同心縮徑段、細(xì)錐段、平行尾管

62、段等部分組成；上部開設(shè)有一個(gè)或2個(gè)同向圓筒渦旋段的切向入口，頂部設(shè)有出油口，底部設(shè)有凈水出口。當(dāng)預(yù)分離的兩相流體（油水混合物）沿切線方向給入旋流器單體結(jié)構(gòu)后，首先在短筒腔形成旋流，隨后經(jīng)20°角的短錐管加速，在經(jīng)1.5°角的長(zhǎng)錐管分離，最后由長(zhǎng)筒管延長(zhǎng)分離時(shí)間、提高分離效果，完成全部分離過(guò)程[18]。 圖2-1-2雙錐型旋流管結(jié)構(gòu)示意圖 Martin Thew等人提出油水分離靜態(tài)水力旋流器的三條設(shè)計(jì)原則：（1）由于油水兩液相之間的密度差較小，故需要產(chǎn)生很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)離心力以保證輕相能產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)。（2）為了獲得強(qiáng)離心力并避免過(guò)大的壓力降，要求旋流器的直徑很小，但要有很大的長(zhǎng)徑比來(lái)保證足夠的

63、停留時(shí)間。（3）必須保證空氣柱處的流體穩(wěn)定，不能產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，否則會(huì)產(chǎn)生重混，降低分離性能。 根據(jù)上述這三條原則和Cyclotech公司B20系列脫油型水力旋流器的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，本設(shè)計(jì)選擇Thew的F型單體水力旋流器結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1-3所示。 圖2-1-3 F型單體水力旋流器結(jié)構(gòu)圖 F型雙錐型旋流管結(jié)構(gòu)特征為雙錐雙入口，工程上常用的規(guī)格為35，38，52，58，60，75，125mm共7種，最小的分離粒徑為10-15μm。分離粒度是水力旋流器分離過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)，也是選擇計(jì)算設(shè)備和工藝過(guò)程控制的主要依據(jù)。水力旋流管設(shè)計(jì)的最小公稱尺寸不應(yīng)小于28mm（公稱尺寸的設(shè)計(jì)位

64、置在同心縮徑段和細(xì)錐段交匯處），進(jìn)一步縮小公稱尺寸會(huì)產(chǎn)生很高的剪切應(yīng)力，從而破碎水相中的油滴，降低分離效果。這種型號(hào)的水力旋流器處理含油量小于3%的污水時(shí)，除油率可達(dá)97%，能有效去除10μm以上的油滴，平均停留時(shí)間約3秒種。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：取Dn=35mm，則D=2Dn=70mm，Du=0.5Dn=17.5mm，Do=3mm，Di=0.35Dn=12.25mm，L1=2Dn=70mm，L2=30Dn=1050mm，α=20°，β=1.5°。 2.1.2 旋流管根數(shù)與在壓力容器的排布情況 （1）入口切向速度的計(jì)算： 根據(jù)Kelsall的實(shí)驗(yàn)理論，在溢流管底部以下的任一水平截面處，切向速

65、度都可以表示成 (2-1) 式中，n——指數(shù)； C——常數(shù)。 針對(duì)本設(shè)計(jì)參數(shù)，其切向速度分布的n與常數(shù)C隨著軸向位置的變化關(guān)系見表2-1所示。 計(jì)算旋流器入口切向速度時(shí)，取Z=L，，由有， 解得，0.57m/s。 表2-1 切向流速-旋轉(zhuǎn)半徑關(guān)系中的指數(shù)與常數(shù) 軸向位置 n C Z=L/2 0.352163 0.0977404 Z=(2/3)L 0.364492 0.120813 Z=(5/6)L 0.373569 0.140209 Z=L 0.381381 0.158575 注：L表示以錐體壁面與中心軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)時(shí)錐柱連接截面處的軸向高度

66、。 （2）離心力強(qiáng)度的計(jì)算 在旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)中，進(jìn)入水力旋流器的固體顆粒或液滴、氣泡等所受到的慣性離心力比在重力場(chǎng)中所受的重力要大得多。通常用離心強(qiáng)度Sgc來(lái)表征這種強(qiáng)化作用。Sgc定義為離心加速度與重力加速度之比， (2-2) 由，，得， （3）單體旋流器生產(chǎn)能力的計(jì)算 生產(chǎn)能力是指單位時(shí)間一臺(tái)設(shè)備的料液的體積量，正確估算水力旋流器的生產(chǎn)能力是設(shè)計(jì)分離系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，對(duì)于液—液旋流器，雖然其生產(chǎn)能力也隨進(jìn)口壓力變化，但一旦旋流器的尺寸以與物料性質(zhì)一定，則生產(chǎn)能力是可以在一定的圍變化的。 當(dāng)旋流器的進(jìn)料管徑為時(shí)，單體水力旋流器的生產(chǎn)能力為， (2-3) 式中，——旋流器的生產(chǎn)能力，； ——進(jìn)料管直徑，mm； ——入口切向速度，。 已知 （4）壓力容器部旋流管的安裝排布問(wèn)題 首先，根據(jù)原始數(shù)據(jù)和實(shí)際安裝情況估算出水力旋流器安裝根數(shù)： （2-4） 根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)取127根單體水力旋流管。參考《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》中管殼式換熱器的安裝方式，換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。其中，正三角形排列的形式可以在同