【正文】 率的重要措施。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。 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 (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(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。 水力旋流器分離工作的基本原理是離心沉降作用。 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) 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 BHRA流體工程中心發(fā)起 的水力旋流器國際學(xué)術(shù)研討會，更是將水力旋流器的發(fā)展推到了極致。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。 當(dāng)采出油、水密度差大 于 3/gcm ，采出水中油滴粒徑大于 20181。如圖 123所示，水力旋流器的分離效果與負(fù)載壓強密切相關(guān)。 (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。 (2) 動態(tài)水力旋流器 如圖 125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。當(dāng)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(biāo)為 ： 當(dāng)聚 合物含量在400ppm左右、水中含油 20xx～ 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]。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。 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(yīng)用 [13]。 國內(nèi)外 的壓力容器組合式除油設(shè)備 中國大慶石油學(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)分離水力旋流器進(jìn)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(yù)分離效果 [14]。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(jìn)入到旋流器中進(jìn)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(jìn)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(jìn)入到排油腔 1內(nèi)，完成油水分離的過程 。該設(shè)備主要用于含油污水的處理，含油污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 12 以一定的速度進(jìn)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(jìn)行油水分離的過程。按一定基準(zhǔn)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。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]。 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。 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 14 圖 136 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖 本文的工作內(nèi)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)用在在引起越來越多的關(guān)注。其次就是容器組合式水力旋流器的布局模式。通常，錐體長度相當(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。 圖 211 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 16 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 211 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)特點是單錐、單入口、超短尾管或者無尾管。 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，首先在短筒腔內(nèi)形成旋流， 隨后經(jīng) 20176。（ 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。m。m以上的油滴，平均停留時間約 3 秒種。 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 21 所示。通常用離心強度 Sgc 來表征這種強化作用。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。 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。該結(jié)構(gòu)設(shè)備基于美國Conoco 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(xué) Martin Thew 教授的研究工作。 (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 221 所示。每個旋流器單體頂部都有相應(yīng)的排油管，可見， 整個排油過程中采用的方式是獨立排油，可區(qū)別于下文介紹的內(nèi)部公共排油形式 [20]。由于海上平臺的空間是有限的，而該設(shè)備內(nèi)部的溢流管道和固定的螺栓占據(jù)了一定的壓力容器內(nèi)部空間，限制了單體水力旋流器的個數(shù)和排列方式，從而減少了含油廢水的處理量。 圖 223 三腔體壓力容器式設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖 100水力旋流器； 110壓力容器； 112入口腔壁； 114集水腔壁； 116溢流腔壁； 125封頭板；11 126螺栓； 131入口； 132排水口； 133排油口； 13 135排污口； 137138隔板開口；141入口腔； 143底流腔； 145溢流腔； 150旋流管； 155底流口 該水力旋流器設(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)有兩塊隔板將壓力容器分為三個部分，即溢流腔、入口腔、底流腔。并且，設(shè)備通過左端的封頭板可方便、快捷的進(jìn)行拆卸。從它們的體積分布來看，進(jìn)口腔室最大，溢流腔最小，在節(jié)約了內(nèi)部空間的同時也保障了含油廢水的最大處理量。 其中，混合液由切向入口進(jìn)入到旋流管 150，這會使旋流管單體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的趨勢，入口塊 161的不對稱設(shè)計起到了阻止旋轉(zhuǎn)的反向力，這樣，在水力旋流器的操作過程中，是通過緊錮螺紋來解決工作過程中的不穩(wěn)定。 13 132和 133相應(yīng)的進(jìn)出口上也設(shè)有閥門，以供根據(jù)實際處理量的大小來調(diào)節(jié)各腔室的流量。在進(jìn)口弧形結(jié)構(gòu) 163中，頂部設(shè)有一切向進(jìn)口槽 162，它位于整個旋流管結(jié)構(gòu)的頂部，進(jìn)口設(shè)計為切向方向，是為了使高速的混合液體進(jìn)入單體結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生加速旋轉(zhuǎn)的渦流。 圖 226 單體旋流管頂端左視圖 162切向進(jìn)口槽； 163進(jìn)口弧形結(jié)構(gòu)； 164護(hù)耳； 16 167側(cè)壁 頂端溢流塊 153的獨立設(shè)計是為了方便維修。 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 26 溢流塞 171上還有一個很重要的軸肩結(jié)構(gòu) 191，此軸肩所在同心圓的直徑比。頂端溢流塊 153的獨立設(shè)計，解決的維修過程中的繁瑣和麻煩，通過吊耳164就可以方便的對入口塊 161進(jìn)行拆卸 更換，減少了不必要的人力和成本。整個進(jìn)口塊 161的側(cè)壁被設(shè)計為有兩個平面 167A形狀，這是為了與單體旋流管內(nèi)部軸向平面結(jié)構(gòu)相配合，使其在安裝時，進(jìn)口塊 161可更方便的在管 151軸向延長方向固定。溢流塞通過特有的凸臺結(jié)構(gòu) 17密封圈結(jié)構(gòu) 175和旋流管頂端的螺紋固定在旋流管頂端 154上，保障了單體水力旋流器的密封性能，后膛入口 152與入口塊 161之間的矩形切口是圓周曲線方向上的切向入口，混合液體由此進(jìn)入到單體管中進(jìn)行分離。從結(jié)構(gòu)上看，溢流塞內(nèi)部的集油槽是一個內(nèi)徑漸開闊的狹長錐型空間，特別是軸向通道 169，相比之 下，內(nèi)徑最小，含油廢水在以一定的壓力進(jìn)入到旋流管內(nèi)，混合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 24 相幾乎無法進(jìn)入到集油槽。 輕質(zhì)油相的溢流過程是由溢流塞 171結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，它與延長管 151的頂端相連，利用溢流塞底部的凸臺與頂端 154通過螺紋連接， 輕質(zhì)相油在離心力的作用下向上運動 至油相通道 169進(jìn)入旋流管頂部溢流 槽 178， 從溢流口排除進(jìn)入排油腔 143收集，從而達(dá)到油水的分離目的。 (2) 結(jié)構(gòu)具體說明 如圖 223所示的三腔體水力旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖， 該壓力容器 110主要部分由一對空心套筒 112和 114組成，兩個套筒是通過螺栓 118配合連接， 內(nèi)部有兩個隔板121和 122，將設(shè)備橫向分為出油腔，入口腔和排水腔。各個腔體是通過法蘭和螺栓連接的。 三腔室水力旋流器結(jié)構(gòu) 基于對上述的兩腔室 Vortoil 型 旋流器所存在的缺點和不足 ， Kevin ’Brien于 1994 年 8 月提出了“三腔體水力旋流器”結(jié)構(gòu)專利（ ），該結(jié)構(gòu)設(shè)計是先前結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)如圖 223 所示。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可更好的解決混合液與油相的入口問題，因為過小的溢流口尺寸不利于中心油柱的排出，過大的溢流口尺寸會導(dǎo)致從溢流口會排出過多的未完成分離的混合液。輕相油通過頂部內(nèi)置在 33 內(nèi)的集油槽流入隔離板 25。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(jìn)水腔和底流腔。因此設(shè)定中心距為 130mm。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 214 所示。 當(dāng)旋流器的進(jìn)料管內(nèi)徑為 id 時，單體水力旋流器的生產(chǎn)能力為， ?? VdQ i22? (23) 式中 ， Q —— 旋流器的生產(chǎn)能力， 3/mh； id —— 進(jìn)料管直徑， mm； ?V —— 入口切向速度， /ms。 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 表 21 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 Z=(2/3)L Z=(5/6)L Z=L 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。 β=176。水力旋流管設(shè)計的最小公稱尺寸不應(yīng)小于 28mm（公稱尺寸的設(shè)計位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產(chǎn)生很高的內(nèi)剪切應(yīng)力，從而破碎水相中的油滴，降低分離效果。 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) 構(gòu)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 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(zhǔn)則，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖213 所示。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]。 雙錐型旋流管最早由英國 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。 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 。 水力旋流管單體結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計 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)過程中。 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 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(xì)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。含油污水從采油廢水口進(jìn)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(jìn)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。每個隔間可以自由獨立控制運行。 圖 135 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。 圖 133 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 134 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。如 圖 132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。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(jìn)入旋流器之前在入口腔內(nèi)充分的聚結(jié)，兼并和沉降，有利于分離效率的提高。 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?