容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬

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密 級 公 開學 號 070403畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬院 （ 系 、 部 ） ： 機械工程學院姓 名：班 級： 環(huán) 072專 業(yè)： 環(huán)境工程指 導 教 師 ： 陳進富/陳家慶教 師 職 稱 ： 教授/教授2011 年 5 月 27 日·北京容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬北京石油化工學院學位論文電子版授權(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)計與三維實體模擬 》系本人在北京石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 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“北京石油化工學院學位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學術(shù)聲譽上的損失由本人自負。 本人完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務。公開級學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)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 機械工程學院 作者簽名： 學 號： 070403 2011 年 5 月 27 日容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬北 京 石 油 化 工 學 院畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文）任 務 書學院（系） 機械工程學院 專業(yè) 環(huán)境工程 班級 環(huán) 07-2 學生姓名 指導教師/職稱 陳進富/教授、陳家慶/ 教授 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬2.任務起止日期： 2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 07 日3.畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容與要求（含原始數(shù)據(jù)及應提交的成果）(1) 題目簡介與主要內(nèi)容將水力旋流器應用于液—液分離是二十世紀八十年代出現(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，目前主要應用于石油工業(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)的潛在應用正在引起越來越多的關(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及各旋流管頂部溢流口和底流口液體的有效收集。西方發(fā)達國家的設(shè)備制造商如美國 Cooper Cameron、英國 Cyclotech Ltd 等都先后提出了各具自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，國內(nèi)無論是在單根水力旋流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，還是在組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案上，都是跟蹤國外。本題目將在查閱大量文獻資料的基礎(chǔ)上，了解各種典型的油-水分離單元處理技術(shù)，收集國內(nèi)外目前所用各種類型單體旋流管的結(jié)構(gòu)與尺寸，能進行類比設(shè)計；以 Cyclotech 公司的 B20 系列脫油型水力旋流器為切入點，掌握其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的全部技術(shù)細節(jié)，借鑒管殼式換熱器等壓力容器設(shè)計方面的相關(guān)知識，完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計所包含的全部工作內(nèi)容。(2) 原始數(shù)據(jù)處理量：50m 3/h；入口含油量：100~200mg/L；外排凈化水中的含油量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 1～100 μm，主要包括粘土顆粒、粉砂和細砂等。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬2(3) 高含鹽量。油田采油污水一般無機鹽的含量很高，從幾千到幾萬甚至十幾萬 mg/L，各油田甚至各區(qū)塊、油層都不同。無機鹽離子主要包括：Ca2+，Mg 2+， K+，Na +，F(xiàn)e 2+，Cl -，HCO 3-，CO 32-等。(4) 含細菌。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℃)和高 pH 的特點 [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)進入了一個全新的發(fā)展階段。油氣勘探開發(fā)活動的增多，所產(chǎn)生的污染量也隨之增加，對環(huán)境造成的污染也日益嚴重。而外界對采油污水的處理和回用的要求將會日益提高。在原有的初級處理基礎(chǔ)上，結(jié)合油田實際情況增加深度處理單元可以進一步凈化污水，滿足油田的發(fā)展需要。本文針對采油污水的不同性質(zhì)對其進行有效處理。1.2 含油污水常規(guī)的處理方法和技術(shù)目前，我國采油污水處理技術(shù)發(fā)展較快。20 世紀 60 年代，產(chǎn)生了重力除油流程，70 年代至 80 年代出現(xiàn)了通過壓力儲油罐、壓力過濾罐的壓力流程，葉輪氣體浮選機國產(chǎn)化后，浮選流程得到了普遍推廣應用。20 世紀 90 年代初，隨著離心除油技術(shù)的引進、消化吸收，開始研制國產(chǎn)的水力旋流器，實現(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油與水的自然分離實現(xiàn)除油效果。重力除油可以去除廢水中的浮油及大部分分散油達到除油的目的。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、斜板式隔油池及粗?；凸薜?[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密度差上浮而進行分離，從而達到除油的目的。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狀態(tài)下進行，所以除油效率的大小與水流的流速有關(guān)。實際上，廢水中或多或少地含有容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬3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。自然除油法所應用的設(shè)備雖運行費用低，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” ） ，實際上就是忽略了紊流、進出口水流的不均勻性、油珠顆粒上浮中的絮凝等因素，認為油珠顆粒在理想狀態(tài)下進行重力分離。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，水流流動處于層流狀態(tài)，同時弗勞德數(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，對應的設(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動方向一致，下向流水與泥的流動方向一致，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 粗粒化除油粗?；褪鞘购臀鬯ㄟ^粗粒化材料所構(gòu)成的填充床層使油珠變大然后沉降，其中處理的主要對象是水中的分散油 [4]。含油污水通過裝有粗?；牧系难b置，在潤濕聚結(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、操作簡單但濾料易堵塞，有表面活性劑時效果較差?？勺鳛榇至；盍嫌芯郾o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?；瘷C理大體上有“潤濕聚結(jié)”和“碰撞聚結(jié)”兩種?！皾櫇窬劢Y(jié)”理論建立在親油性粗?；牧系幕A(chǔ)上。當含油廢水經(jīng)過親油性材料組成的粗?；采蠒r，分散油珠便在材料表面潤濕并附著，這樣材料表面被油膜包裹，再流來的油珠也更容易潤濕附著在上面，因而附著的油珠不斷擴大形成油膜，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，從而達到粗?；哪康??！芭鲎簿劢Y(jié)”理論建立在疏油材料基礎(chǔ)之上。當含油廢水經(jīng)過疏水性材料時，兩個或多個油珠可能同時與疏油材料的管壁上碰撞或互相之間碰撞，使它們合并容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬4成大油珠，從而達到粗?；哪康摹o論是親油或疏油的粗?；牧?，兩種聚結(jié)都同時存在，只是前者以“潤濕聚結(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料只要粒徑適合，就會有比較好的粗?；Ч?。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。當含油污水通過這種材料時，微細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?；牧线€可分為無機和有機兩類。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?；盍希盍系姆N類如圖1-2-1所示。圖 1-2-1 填料材料示意圖粗?；闹饕秉c是定期對聚結(jié)床清洗，定期更換聚結(jié)材料提高了運行費用。目前有一種趨勢就是將粗粒化技術(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方法。當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方法去除，即向廢水中投加化學藥劑，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、凝聚和絮凝幾個過程。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、陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)等，有時也投加助凝劑促進混凝效果，但它本身不起混凝作用。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬5近年來化學混凝法主要集中在開發(fā)新的水處理藥劑。Thomas E. R.報道了使用低分子量的有機胺，特別是季銨鹽處理采油廢水中的溶解有機物。Doyle D.H.等利用聚合物有機粘土吸附采油廢水中的溶解有機物，也取得了良好的試驗結(jié)果。在有機高分子絮凝劑方面，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?；瘜W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。陳進富教授等采用粉末活性炭(PAC)與陰離子聚丙烯酰胺(HPAM)、陽離子聚丙烯酰胺(YPAM)復配處理綏中某油田采油廢水，COD Cr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復配去除 CODCr較單獨使用PAC的效果好 [5]。1.2.4 氣浮法除油氣浮法除油就是向廢水中通入空氣（有時還一同加入浮選劑），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。氣液接觸時間延長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)生化法主要是通過微生物的新陳代謝過程使污水中的有機物被降解，轉(zhuǎn)化成新的生物細胞及簡單形式的無機物，從而達到去除有機物的目的。生化法是在初級處理基礎(chǔ)上進行的二級處理技術(shù)，已廣泛應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，一般要求進入生化處理系統(tǒng)前含油50mg/L ，厭氧折流板反應器、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物污染很成熟的方法，應用于采油污水處理有很好的容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬6前景。常見的幾種簡單的處理技術(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)：利用生物有機高分子絮凝物質(zhì)替代化學絮凝劑處理含油污水，適于油氣田勘探開發(fā)流動作業(yè) [7]。(3) 高效生物降解技術(shù)：利用生物技術(shù)培育出對石油具有特殊降解能力的優(yōu)勢菌種，用細胞固定技術(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，降低處理費用，凈化效果比化學處理好。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)離心力遠遠大于重力場而得到強化分離的效果。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入水力旋流器后，產(chǎn)生了強烈的旋轉(zhuǎn)運動，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容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬7水力旋流器的發(fā)展經(jīng)歷了一個相當長的歷史階段，1891年，Bretney在美國申請了第一個旋流器專利。自此以后，旋流器在各個領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。1914年，水力旋流器正式應用于磷肥的工業(yè)生產(chǎn)。20世紀30年代后期，水力旋流器以商品的形式出現(xiàn)，主要應用于紙漿水處理。從20世紀40年代前開始，旋流器正式投入選煤的應用是從荷蘭國家礦產(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，為水力旋流器的應用開拓了新的空間。20世紀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用，英國BHRA流體工程中心發(fā)起的水力旋流器國際學術(shù)研討會，更是將水力旋流器的發(fā)展推到了極致。20世紀90年代，我國大部分油田已進入中、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)也就應運而生 [9]。如今的水力旋流器處理量更大，產(chǎn)品粒度更細，應用領(lǐng)域更廣泛，能夠替代螺旋分級機完成一段磨礦的分級作業(yè)。水力旋流器的應用包括固液分離、氣液分離、固固分離、液液分離、液氣固三相同時分離以及其他應用。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。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)停留時間縮短近千倍，且旋流器的重量僅為傳統(tǒng)設(shè)備的幾十分之一。水力旋流器分離技術(shù)是利用密度差進行多相分離的非均相機械分離過程，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設(shè)備。當采出油、水密度差大于0.05 ，3/gcm采出水中油滴粒徑大于20μm時，旋流器可在幾秒鐘內(nèi)迅速將油從水中分離出去。在控制進出口壓差為0.2～0.8MPa的情況下，當進水含油量 1000 時，出水?/L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/mgL除油技術(shù)。如圖1-2-3 所示，水力旋流器的分離效果與負載壓強密切相關(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，當壓強超過某一點時，旋流器的去除效率呈平穩(wěn)狀態(tài)，不會有明顯的上升，該點壓強值為水力旋流器的最佳工作壓強。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬8圖1-2-3 水力旋流器負載壓強與除油效率的關(guān)系水力旋流分離器通?？煞譃殪o態(tài)水力旋流器和動態(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，從底流口排出，輕質(zhì)相油則被迫移向軸心并向上流動，從溢流口排出，從而實現(xiàn)油水分離過程。按照使用場合與分離側(cè)重點的不同，靜態(tài)水力旋流器可以分為脫油型、采出液預分離型、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)點在發(fā)達國家含油廢水處理特別是海上石油開采平臺上已成為不可替代的標準設(shè)備預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圖 1-2-4 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)計與三維實體模擬9的殘余含水量。(2) 動態(tài)水力旋流器如圖1-2-5所示，這是世界上最早出現(xiàn)的動態(tài)水力旋流器，由法國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。電機通過 V帶帶動轉(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向錐，旋轉(zhuǎn)柵對來液起導流及預旋轉(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、更強的“旋流場”，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)筒壁運移，同時在軸向力作用下由底流出口排出，最終實現(xiàn)油水分離[10]。圖 1-2-5 Total 型動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)我國在此方面的技術(shù)研究起步較晚，上個世紀90年代，動態(tài)水力旋流技術(shù)被引入我國。1997年，為解決大慶油田注聚采出液的處理難題，大慶石油學院開始了該技術(shù)的研究工作，并于當年試制了國內(nèi)第1臺動態(tài)水力旋流器樣機。當年8月，該樣機在大慶石油管理局某中轉(zhuǎn)站投入現(xiàn)場試驗，其主要分離指標為：當聚合物含量在400ppm左右、水中含油2000～3000mg/L時，經(jīng)動態(tài)水力旋流器一級處理后含油量可降到200mg/L以下 [11]。液-液旋流分離器應用于油氣儲運方面主要包括以下幾個方面：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)境保護中獲得廣泛的應用。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。在成品油應用過程中也常常采用旋流器，如在燃料油或液壓油使用中有時也使用旋流器除去油中的水。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬10③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]，有必要使進入污水除油旋流器中的水含量保持在0.2%以內(nèi)，使進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及原油旋流脫水之前增設(shè)原油旋流預脫水環(huán)節(jié)，為污水旋流除油及原油旋流脫水凈化提供保障。水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、生產(chǎn)能力大、分離效率高、占地面積小、無傳動部件和易于實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點，在選礦、洗煤、石油、天然氣、石化、三廢處理、淀粉工業(yè)、食品及飲料、造紙工業(yè)、高嶺土、水泥工業(yè)等許多領(lǐng)域得到廣泛應用 [13]。我國在水力旋流分離技術(shù)發(fā)展較晚，20世紀80年代末，國內(nèi)一些相關(guān)科研單位和企業(yè)才開始正式研究旋流器的分離技術(shù)，國內(nèi)普遍是引進成套的旋流器設(shè)備，根據(jù)國外文獻資料中提供的油-水旋流器模型尺寸比例，結(jié)合自己的經(jīng)驗，設(shè)計出適合我國油田實際情況的油-水旋流器，開始了水利旋流分離器的實驗科研研究。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，通?？梢詫⒍鄠€單體結(jié)構(gòu)按照一定方式并聯(lián)組合起來工作。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 國內(nèi)外的壓力容器組合式除油設(shè)備1.3.1 中國大慶石油學院研發(fā)的組合式油田采出液預分離水力旋流器該設(shè)備是將多根單體結(jié)構(gòu)的油田采出液預分離水力旋流器進行組合、固定在一個壓力容器殼體內(nèi)部，同時在容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上采用一些獨特的設(shè)計來改善水力旋流器的預分離效果 [14]。如圖1-3-1所示，該設(shè)備的入口腔相對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度的前提下采用盡可能大的入口腔長度，另外在正對著入口腔的入口處及入口腔內(nèi)部靠近單體水力旋流器入口一側(cè)設(shè)計有擋流板組件，使油水混合液先經(jīng)過擋流板組件，在入口腔內(nèi)使其中的油進行一定程度的聚結(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，入口處增加擋流板，是油進入旋流器之前在入口腔內(nèi)充分的聚容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬11結(jié)，兼并和沉降，有利于分離效率的提高。含油廢水從進水口5進入到壓力容器中，通過進水口對面的擋流板組件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單體旋流管3的入口9，進入到旋流器中進行油水分離的過程，在離心力的作用下，油水兩相由于密度差的不同進行強效分離，重質(zhì)相的水通過底流口10排至排水腔內(nèi)7，輕質(zhì)相油通過溢流出口8進入到排油腔1內(nèi)，完成油水分離的過程。圖1-3-1 組合式油田采出液預分離水力旋流器結(jié)構(gòu)簡圖1-排油腔；2- 隔離板；3- 旋流管；4- 擋流板；5-進水口；6-進水腔；7-排水腔；8-溢流出口；9-旋流管切向入口；10- 底流出口1.3.2 NATCO 公司的水力旋流裝置壓力容器式Oilspin AV系列旋流分離器是NATCO公司針對優(yōu)化除油效率、增強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內(nèi)部，采用管板支撐，便于旋流器從容器內(nèi)撤出和更換。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬12圖 1-3-2 壓力容器式 Oilspin AV 系列旋流分離器該設(shè)備容器內(nèi)部的所有單體旋流管均采用具有三個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)可以使內(nèi)部流場分布均勻，同時可以強化旋流管內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)，促進穩(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入到壓力容器組合式設(shè)備內(nèi)的入口腔，通過橫向安裝在容器內(nèi)部的單體旋流管，進行油水分離的過程。在離心力強化分離的作用下，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“無限開關(guān)”型旋流器組，明顯的優(yōu)點就是容器內(nèi)旋流器組中的各個單個旋流管能夠獨立打開或關(guān)閉。Oilspin AVi 水力旋流器能夠通過自動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，使其高校操作范圍覆蓋較大的流速范圍 [15]。按一定基準對比產(chǎn)出水的流速，可調(diào)節(jié)各個壓力容器設(shè)備中旋流管的個數(shù)，從而保持各個旋流管在整個操作過程中的高效分離效果。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬13圖 1-3-4 Oilspin AVi 水力旋流器互動處理能力1.3.3 英國 Cyclotech 公司的 B20 裝置英國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內(nèi)腔的表面內(nèi)襯材料來降低含油廢水處理中的腐蝕性 [16]。圖1-3-5 英國Cyclotech公司的B20裝置示意圖單獨的水力旋流器被固定在容器腔內(nèi)，通過處理單元的壓降完成了整個容器的固/液分離。懸浮混合液在壓力的作用下以切線的方向進去分離器內(nèi)，流體高速旋轉(zhuǎn)，兩相在壓力，速度，密度差的影響下達到分離的目的。分離出來的某一相被集中收集在收集箱內(nèi)，工作人員可以對收集箱定期清理 [16]。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬14M-I SWACO公司向Cyclotech 提供了隔離腔室的做法，通過設(shè)置內(nèi)部擋板的做法將容器劃分成兩個或者三個隔間。每個隔間可以自由獨立控制運行。這一方法可以有效的增加旋流器單體的數(shù)量，該操作可實現(xiàn)自動化運行，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)簡圖看來，該裝備是一個空心的壓力容器，內(nèi)部有兩個隔板，將裝備橫向分為出油腔，入口腔和排水腔。內(nèi)設(shè)單體旋流管，從橫向方向通過隔離板的開孔安裝在容器內(nèi)腔，各旋流子與隔板孔接觸的圓周方向有良好的密封，使得三個腔體彼此隔離，只有通過旋流管連接。含油污水從采油廢水口進入到入口腔，油水混合液經(jīng)一定的壓力由旋流管周圍的切向方向進入各單體旋流管中，在內(nèi)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，在底流腔內(nèi)收集，有排水口排出。輕質(zhì)相油在離心力的作用下向上運動從溢流口排除進入排油腔收集，從而達到油水的分離目的。圖1-3-6 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖1.4 本文的工作內(nèi)容水力旋流器目前主要應用于石油工業(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)的潛在應用在在引起越來越多的關(guān)注。西方發(fā)達國家的設(shè)備制造商如美國Cooper Cameron 、英國Cyclotech公司等先后提出了各種針對實際情況的水力旋流器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，國內(nèi)的發(fā)展較慢，往往都是跟蹤國外的發(fā)展。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬15本文主要在查閱大量文獻資料的基礎(chǔ)上，了解各種典型的油-水分離單元處理技術(shù)，以英國Cyclotech公司的B20 系列脫油型水力旋流器為切入點，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的技術(shù)細節(jié)，借鑒管殼式換熱器等壓力容器設(shè)計方面的相關(guān)知識，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計所包含的全部工作內(nèi)容。容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬16第二章 水力旋流管結(jié)構(gòu)的選擇及設(shè)計方案的論證在 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及排列分布問題。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 80 年代開發(fā)的高新技術(shù)，目前世界各仍在研發(fā)過程中。常用的除油型液-液水力旋流管的結(jié)構(gòu)特點是小直徑、小錐角、長錐體或長筒體。通常，錐體長度相當于直徑的 40～48 倍，給料壓力一般是 130～150kPa，最高可達 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、延長分離過程，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)計不同之處首先在于取消了同心縮徑段，同時在平行尾管設(shè)有 1 個芯部定向器以增加細小油粒的捕獲，主要的特點就是單錐、單入口。圖 2-1-1 Amoco 單錐管和 KNN 單錐管結(jié)構(gòu)示意圖容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬17單錐型旋流管按照主要的研究開發(fā)單位來劃分一般可分為 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院學者于1988 年首創(chuàng)，結(jié)構(gòu)特點是單錐、單入口、超短尾管或者無尾管。相比之下 Amoco單錐管因尾管設(shè)計相對較長，分離時間加長而得到的分離效果更佳 [17]。雙錐型旋流管最早由英國 Southampton 大學的 Martin Thew 等人于 20 世紀 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、細錐段、平行尾管段等部分組成；上部開設(shè)有一個或 2 個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。當預分離的兩相流體（油水混合物）沿切線方向給入旋流器單體結(jié)構(gòu)后，首先在短筒腔內(nèi)形成旋流，隨后經(jīng) 20°角的短錐管加速，在經(jīng) 1.5°角的長錐管分離，最后由長筒管延長分離時間、提高分離效果，完成全部分離過程 [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)生很強的旋轉(zhuǎn)離心力以保證輕相能產(chǎn)生徑向運動。 （2）為了獲得強離心力并避免過大的壓力降，要求旋流器的直徑很小，但要有很大的長徑比來保證足夠的停留時間。 （3）必須保證空氣柱處的流體穩(wěn)定，不能產(chǎn)生波動現(xiàn)象，否則會產(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際結(jié)容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬18構(gòu)情況，本設(shè)計選擇 Thew 的 F 型單體水力旋流器結(jié)構(gòu)為設(shè)計準則，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 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程的質(zhì)量指標，也是選擇計算設(shè)備和工藝過程控制的主要依據(jù)。水力旋流管設(shè)計的最小公稱尺寸不應小于 28mm（公稱尺寸的設(shè)計位置在同心縮徑段和細錐段交匯處） ，進一步縮小公稱尺寸會產(chǎn)生很高的內(nèi)剪切應力，從而破碎水相中的油滴，降低分離效果。這種型號的水力旋流器處理含油量小于 3%的污水時，除油率可達 97%，能有效去除 10μm 以上的油滴，平均停留時間約 3秒種。設(shè)計參數(shù)如下：取 Dn=35mm，則D=2Dn=70mm，Du=0.5Dn=17.5mm，Do=3mm ，Di=0.35Dn=12.25mm ，L 1=2Dn=70mm，L 2=30Dn=1050mm，α=20° ，β=1.5° 。2.1.2 旋流管根數(shù)及在壓力容器內(nèi)的排布情況（1）入口切向速度的計算：根據(jù) Kelsall 的實驗理論，在溢流管底部以下的任一水平截面處，切向速度都可以表示成(2-1)Crn??u式中，n —— 指數(shù)；C —— 常數(shù)。針對本設(shè)計參數(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。計算旋流器入口切向速度時，取 Z=L， ，由 有，mr035.?Crn??u容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬191587.0)035.(u8.???解得， 0.57m/s。??u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 CZ=L/2 0.352163 0.0977404Z=(2/3)L 0.364492 0.120813Z=(5/6)L 0.373569 0.140209Z=L 0.381381 0.158575注：L 表示以錐體壁面與中心軸線的交點為原點時錐柱連接截面處的軸向高度。（2）離心力強度的計算在旋轉(zhuǎn)的流場中，進入水力旋流器的固體顆?；蛞旱巍馀莸人艿降膽T性離心力比在重力場中所受的重力要大得多。通常用離心強度 Sgc 來表征這種強化作用。S gc 定義為離心加速度與重力加速度之比，(2-2)gruc2S??由 ， ， 得，smu/57.0?? 2/8.9su?? m035.9/.)7(2??gc（3）單體旋流器生產(chǎn)能力的計算生產(chǎn)能力是指單位時間內(nèi)一臺設(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)計分離系統(tǒng)的一個重要方面，對于液—液旋流器，雖然其生產(chǎn)能力也隨進口壓力變化，但一旦旋流器的尺寸以及物料性質(zhì)一定，則生產(chǎn)能力是可以在一定的范圍內(nèi)變化的。當旋流器的進料管內(nèi)徑為 時，單體水力旋流器的生產(chǎn)能力為，id(2-3)??VQi2?式中， —— 旋流器的生產(chǎn)能力， ；Q3/mh—— 進料管直徑，mm；id—— 入口切向速度， 。?V/s已知 i 0125.5.12?容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬20hmsVdQiii /48.0/134.57.0)12.(2 334????? ?????（4）壓力容器內(nèi)部旋流管的安裝排布問題首先，根據(jù)原始數(shù)據(jù)和實際安裝情況估算出水力旋流器安裝根數(shù)：（2-4）43.10/48.053??hmQni總根據(jù)實際情況，本設(shè)計取 127 根單體水力旋流管。參考《過程設(shè)備設(shè)計》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樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍。因此本設(shè)計中的旋流管單體排列安裝方式為正三角形排列形式 [19]，如圖 2-1-4 所示。圖 2-1-4 旋流管在容器內(nèi)的排列形式簡圖經(jīng)計算，旋流管在容器內(nèi)部分布的六角形層數(shù)為 6 層，對角線上單體旋流管個數(shù)為 13，圓柱段壁厚為 5mm，則單根旋流管外殼最大直徑為 φ100mm。旋流管在容器中按六邊形排布，這樣旋流管在容器內(nèi)保障了一個密集的排列方式，這種六邊形的排列方式使得 6 根旋流管定位在角上且它們與內(nèi)壁距離最近，這些角上的旋流管由于葉片的固定，不會自由轉(zhuǎn)動。為了防止旋流管間的干涉、便于拆卸，每根旋流管之間留有一定的間隙，參考換熱管中心距的選擇，通常換熱管中心距不小于 1.25 倍的換熱管外徑。因此設(shè)定中心距為 130mm。2.2 管束與各腔室布局方案的論證2.2.1 兩腔室 Vortoil 型旋流器(1) 設(shè)備的總體概述Vortoil 型旋流器的結(jié)構(gòu)是一種典型水力旋流器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)備基于美國容器組合式油水旋流分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維實體模擬21Conoco 公司的研發(fā)技術(shù)而發(fā)展的，結(jié)構(gòu)原型是基于英國 Southampton 大學 Martin Thew 教授的研究工作。從幾何尺寸上來看，該結(jié)構(gòu)的水力旋流器，相對于其他的固液分離器要小很多，這樣可更好的處理一般流量的含油廢水。該設(shè)備結(jié)構(gòu)屬于兩腔室結(jié)構(gòu)，在容器內(nèi)由一塊隔板將其分為兩個空間，即進水腔和底流腔。單體旋流管多采用兩個切向入口，并且排油方式采用獨立排油。(2) 結(jié)構(gòu)具體說明容器內(nèi)部通過隔離板 25 被隔成兩個腔體 26 和 27，隔板 25 上分布著許多安裝孔，每個單體的水力旋流器 30 通過板上的安裝孔被橫向安裝在壓力容器內(nèi)，左右兩腔室和隔板通過螺栓固定安裝，如圖 2-2-1 所示。圖2-2-1 VORTOIL型水力旋流器結(jié)構(gòu)簡圖10-壓力容器式水力旋流器；20-容器壁；21-采油污水進口；22- 排水口；23-排油口；25A-隔離板；25B-排油槽； 25C-排油管道；26-進口腔；27-底流腔；30- 旋流管含油廢水從污水進口 21 進入到旋流器內(nèi)，以切線的方向進入到旋流管頂部的內(nèi)旋入口 32，如圖 2-2-2 單體旋流管局部放大圖所示，進入單體的含油廢水高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，油水兩相在密度差的作用下進行分離，重相水通過旋流管底部流入集水腔 27 通過排水管 22 排出壓力容器。輕相油通過頂部內(nèi)置在 33內(nèi)的集油槽流入隔離板 25。在此設(shè)備中，分離后的輕質(zhì)相油的收集是一個關(guān)鍵的過程，從局部放大圖中可清晰的看到，隔離板 25 分別由 25A 和 25B 兩部分共同構(gòu)成，它們之間形成了一個內(nèi)封閉的空間來收集單體旋流器內(nèi)油水分離后的油相