容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟毕业设计论文(编辑修改稿)

容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

相对密度差上浮而进行分离，从而达到除油的目的。 自然除油可以去除含油废水中的浮油和分散油，即油珠粒径为 10～ 100μm。 由于自然除油在水流动状态下进行，所以除油效率的大小 与水流的流速有关。 实际上，废水中或多或少地含有悬浮固体，它具有吸附油珠的特性，从而降低了油珠的上浮速度。 自然除油法所应用的设备虽容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 3 运行费用低，方便管理，但是立式沉降罐体积庞大，去除效率低 [3]。 (2) 斜板除油 斜板除油是基于浅池沉降理论（又称 “ 浅层沉淀 ” 或 “ 浅层理论 ” ），实际上就是忽略了紊流、进出口水流的不均匀性、油珠颗粒上浮中的絮凝等因素，认为油珠颗粒在理想状态下进行重力分离。 在油水分离设备中加斜板，增加分离设备的工作表面积，缩小分离高度，可以提高油珠颗粒的去除效率。 由于斜板的存在，增大了湿周、缩小了水 力半径，因而雷诺数较小，水流流动处于层流状态，同时弗劳德数较大，更有利于油水分离，所以斜板除油成为目前常用的高效除油方法之一。 斜板除油装置基本上分为平流式和立式两种，对应的设备为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，上向流水与油珠的运动方向一致，下向流水与泥的流动方向一致，因而就造就了处理后的水与分离的油和泥重新混合，发生二次污染的可能。 粗粒化除油 粗粒化除油是使含油 污 水通过粗粒化材料所构成的填充床层使油珠变大 然 后沉降，其中处理的主要对象是水中的分散油 [4]。 含油污水通 过装有粗粒化材料的装置，在润湿聚结、碰撞聚结、截流、附着作用下油珠由小变大的过程该法用于处理分散油、乳化油，设备小、操作简单但滤料易堵塞，有表面活性剂时效果较差。 可作为粗粒化填料有聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等，其外形可做成粒状、纤维状、管状或胶结状。 目前粗粒化机理大体上有 “ 润湿聚结 ” 和 “ 碰撞聚结 ” 两种。 “ 润湿聚结 ” 理 论建立在亲油性粗粒化材料的基础上。 当含油废水经过亲油性材料组成的粗粒化床上时，分散油珠便在材料表面润湿并附着，这样材料表面被油膜包裹，再流来的油珠也更容易润湿附着在上面，因而附着的油珠不断 扩大形成油膜，由于浮力和反向水流冲击的作用，油膜开始脱落。 脱落的油膜到水相中形成油珠，该油珠粒径比聚集前多的油珠粒径大，从而达到粗粒化的目的。 “ 碰撞聚结 ” 理论建立在疏油材料基础之上。 当含油废水经过疏水性材料时，两个或多个油珠可能同时与疏油材料的管壁上碰撞或互相之间碰撞，使它们合并成大油珠，从而达到粗粒化的目的。 无论是亲油或疏油的粗粒化材料，两种聚结都同时存在，只是前者以 “ 润湿聚结 ” 作用为主，后者以 “ 碰撞聚结 ” 为主。 因此，无论是亲油性材料还是疏油性材容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 4 料只要粒径适合，就会有比较好的粗粒化效果。 其中技术关键是 粗粒化材料。 从材料的形状来看，可分为纤维状和颗料状；从材料的性质来看，许多研究者认为材质表而的亲油疏水性能是主要的，而且亲油性材料与油的按触角小于 70度为好。 当含油 污 水通过这种材料时，微细油粒便吸附在其表而上，经过 不断 碰撞，油珠逐渐聚结扩大而形成油膜。 最后在重力和水流推力下，脱离材料表面而浮升于水面。 粗粒化材料还可分为无机和有机两类。 外形可做成粒状、纤维状、管状。 胶结状聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等均可作为粗粒化填料，填料的种类如图 121所示。 图 121 填料材料示意图 粗粒化的主要缺点是定期对 聚结床清洗，定期更换聚结材料提高了运行费用。 目前有一种趋势就是将粗粒化技术与斜板除油技术结合起来，开发出聚结型斜板除油装备。 此装备的分离过程不存在重新混合，因而避免了单独使用斜板技术可能引起二次污染的可能性。 而且此装备不需要进行反冲洗、安装方便、不易破损。 混凝除油 混凝除油是一种化学方法。 当含油废水中的乳化油和尺寸小于 粒必须采用化学方法去除，即向废水中投加化学药剂，破坏胶体颗粒的稳定性，使废水中难以沉淀的胶体颗粒能相互聚集，形成大颗粒后沉淀下来。 混凝过程包括混合、反应、凝聚 和絮凝几个过程。 目前油田常用的混凝剂有精制硫酸铝、粗制硫酸铝、聚合氯化吕（ PAC）、氯化亚铁、硫酸亚铁、阳离子型聚丙烯酰胺 (PAM)等，有时也投加助凝剂促进混凝效果，但它本身不起混凝作用。 近年来化学混凝法主要集中在开发新的水处理药剂。 Thomas E. 低分子量的有机胺 ， 特别是季铵盐处理采油废水中的溶解有机物。 Doyle 用聚合物有机粘土吸附采油废水中的溶解有机物 ， 也取得了良好的试验结果。 在有机高分子絮凝剂方面 ， 多以丙烯酰胺和丙烯酸的二元及三元共聚物为主。 此外 ， 生物破乳剂、生物 絮凝剂、低污染或无污染的水质处理剂也是重要的研究方向。 化学容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 5 混凝与其他方法联合使用处理采油废水也取得较好的去除效果。 陈进富 教授 等采用粉末活性炭 (PAC)与阴离子聚丙烯酰胺 (HPAM)、阳离子聚丙烯酰胺 (YPAM)复配处理绥中某油田采油废水 ， CODCr去除率 %～ %， 随 PAC用量的增加 ， CODCr去除率有所增大。 PAC与 HPAM或 YPAM复配去除 CODCr较单独使用 PAC的效果好[5]。 气浮法除油 气浮法除油就是向废水中通入空气（有时还 一 同加入浮选剂），并以微小气泡的形式从水中析 出成为载体，使废水中的乳化液、微小悬浮颗粒等污染物质粘附在气泡上，随气泡一起上浮到水面，形成气、水、油珠三相混合体。 通过收集泡沫、浮油达到除油的目的。 含油废水中的乳化油易粘附在气泡上，增加其上浮速度。 气浮除油效率随着气泡与油珠和固体颗粒的接触效率和附着效率的提高而提高。 气液接触时间延长可提高接触效率和吸附效率，从而提高除油效率。 增大油珠直径，减小气泡直径和提高气泡浓度既可以提高接触效率，也可提高附着效率，因此是提高出有效率的重要措施。 其他一些因素如温度、 PH值、矿化度、处理水含油量和水中所含原油类型也都直 接或间接地影响除油效率 [6]。 生化处理技术 生化法主要是通过微生物的新陈代谢过程使污水中的有机物被降解 ， 转化成新的生物细胞及简单形式的无机物 ， 从而达到去除有机物的目的。 生化法是在初级处理基础上进行的二级处理技术 ， 已广泛应用于城市污水和印染、石化、酿造、造纸等工业污水的处理。 在采油污水处理方面近年来也有许多研究 ， 一般要求进入生化处理系统前含油 50mg/L， 厌氧折流板反应器、半推流式活性污泥系统、 ASBR、厌氧 好氧接触氧化等技术有很好的处理效果。 生化法是一种去除有机物污染很成熟的方法 ， 应用于 采油污水处理有很好的前景。 常见的几种简单的处理技术： (1) 生物降解技术：通过生物体的代谢作用降解、转化污水中的油 ， 可采用活性泥法、滴滤法、曝气法或接触氧化法、水生植物法、水生植物一化学絮凝法、地层渗透法等生化方法。 (2) 微生物絮凝技术：利用生物有机高分子絮凝物质替代化学絮凝剂处理含油污水，适于油气田勘探开发流动作业 [7]。 容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 6 (3) 高效生物降解技术：利用生物技术培育出对石油具有特殊降解能力的优势菌种，用细胞固定技术将其固定在合适的载体上，吃掉采油污水中的烃。 该技术能避免二次污染，降低处理费用，净化效 果比化学处理好。 水力旋流器除油 水力旋流分离技术是 20世纪 80年代以来迅速发展起来的油水分离技术 ， 旋流分离技术属于离心分离的范畴，根据离心力远远大于重力场而 得到 强化分离的效果。 在处理量和除油性能相同的条件下，重量比其他除油设备轻 80%— 90%，工程建设投资约低 50%。 水力旋流器分离工作的基本原理是离心沉降作用。 待分离的多相或非溶性单相介质以一定的压力从水力旋流器上部周边切向进入水力旋流器后，产生了强烈的旋转运动，由于介质间的密度差，所受的离心力、向心浮力和流体曳力的大小不同，受离心力沉降作用 ，大部分重相经旋流器底流口排出，而大部分轻相则由溢流口排出，从而达到分离的目的 [8]， 如图 122所示。 图 122 水力旋流器基本工作原理模型 水力旋流器的发展经历了一个相当长的历史阶段， 1891年， Bretney在 美国申请了第一个旋流器专利。 自此以后，旋流器在各个领域得到了很大的发展。 1914年，水力旋流器正式应用于磷肥的工业生产。 20世纪 30年代后期，水力旋流器以商品的形式出现，主要应用于纸浆水处理。 从 20世纪 40年代前开始，旋流器正式投入选煤的应用是从荷兰国家矿产部资助大吨位的选煤和矿石处理方面的研究开始的。 1953年， Van Rossum jiang将水力旋流器用于脱出油中的水分，为水力旋流器的应用开容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 7 拓了新的空间。 20世纪 80年代以后，许多科技工作者致力于水力旋流器的研究和推广应用，英国 BHRA流体工程中心发起 的水力旋流器国际学术研讨会，更是将水力旋流器的发展推到了极致。 20世纪 90年代，我国 大部分油田已进入中、高含水期开采阶段，已建的基于重力沉降原理的传统设备已不能满足处理大量采出液的要求，基于旋流分离原理的液液旋流分离技术作为重力分离的替代技术也就应运而生 [9]。 如今的水力旋流器处理量更大，产品粒度更细，应用领域更广泛，能够替代螺旋分级机完成一段磨矿的分级作业。 水力旋流器的应用包括固液分离、气液分离、固固分离、液液分离、液气固三相同时分离以及其他应用。 液液旋流分离器具有体积小、质量轻、分离效率高、工作可靠等 优点。 油水混合物在水力旋流器中一般仅停留 2— 4s，比传统设备内停留时间缩短近千倍，且旋流器的重量仅为传统设备的几十分之一。 水力旋流器分离技术是利用密度差进行多相分离的非均相机械分离过程，因此适用水力旋流器分离的物料必须是具有一定密度差的多相液体混合物。 目前水力旋流器还作为一种高效的颗粒分级设备。 当采出油、水密度差大 于 3/gcm ，采出水中油滴粒径大于 20181。 m时，旋流器可在几秒钟内迅速将油从水中分离出去。 在控制进出口压差为 ～ ， 当进水 含油量  1000 /mgL 时，出水含油可降到 50 /mgL。 水力旋流器技术很大程度上优于其他含油废水的 工艺处理除油技术。 如图 123所示，水力旋流器的分离效果与负载压强密切相关。 在压力持续增加的状态下，水力旋流器的去除效率大幅度增加，当压强超过某一点时，旋流器的去除效率呈平稳状态，不会有明显的上升，该点压强值为水力旋流器的最佳工作压强。 图 123 水 力旋流器负载压强与除油效率的关系 容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 8 水力旋流分离器通常可分为静态水力旋流器和 动态水力 旋流器。 静态水力旋流器用于固 液分离已经有较长历史，在石油工业中也被用于钻井液的处理，原油井口除砂等场合，而用于液 液分离则晚得多。 (1) 静 态水力旋流器 单体结构的油水分离用静态水力旋流器如图 124 所示。 油水混合液在一定压力下从入 口高速切向进入旋流器的旋流腔 ， 形成高速旋转的涡流因离心力的差异 ， 重质相水被甩至器壁并向底部流动 ， 从底流口排出 ， 轻质相油则被迫移向轴心并向上流动 ， 从溢流口排出 ， 从而实现油水分离过程。 按照使用场合与分离侧重点的不同 ， 静态水力旋流器可以分为脱油型、采出液预分离型、脱水型三类 ， 其外形结构基本类似 ，只是旋流管的数量、结构尺寸及操作参数有所区别。 脱油型静态水力旋流器因其占地少、分离效率高等优点在发达国家含油废水处理特别是海 上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备预分离水力旋流器能脱除高含水采出液中的大部分水相脱水型水力旋流器被用于脱除原油或凝析油中的残余含水量。 (2) 动态水力旋流器 如图 125所示 ， 这是世界上最早出现的动态水力旋流器，由法国 Total石油公司和 NEYRTEC公司于 1984年在欧共体资助下合作开发而成。 电机通过 V带带动转筒高速旋转 ， 油水混合液由泵输送经入口端流过旋转栅流道及其尾部的导向锥 ， 旋转栅对来液起导流及预旋转加速作用 ； 高速旋转的液流靠与转筒内壁间的摩擦作用形成更大、更强的 “ 旋流场 ”， 离心加速度超过 重力加速度的 1000倍；轻质相的油被迫向转筒中心运移而形成油核 ， 最终经溢流嘴及收油杆组件排出；重 质相水则向转筒壁运移 ， 同时在轴向力作用下由底流出口排出，最终实现油水分离 [10]。 图 124 油水分离的静态水力旋流器 容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟 9 图 125 Total 型动态水力旋流器结构 我国在此方面的技术研究起步较晚 ， 上个世纪 90年代 ， 动态水力旋流技术被引入我国。 1997年 ， 为解决大庆油田注聚采出液的处理难题 ， 大庆石油学院开始了该技术的研究工作 ， 并于当年试制了国内第 1台动态水力旋流器样机。 当年 8月 ， 该样机在大庆石油管理局某中转站投入现场试验 ， 其主要分离指标为 ： 当聚 合物含量在400ppm左右、水中含油 20xx～ 3000mg/L时 ， 经动态水力旋流器一级处理后含油量可降到 200mg/L以下 [11]。 液 液旋流分离器应用于油气储运方面主要包括以下几个方面： ① 水中除油。 静态旋流分离技术用于含。