【正文】 th check. On the basis,the author pleted equipment assembly drawings and drawings of the main ponents by Auto CAD and use the NX UG to simulate threedimensional solid simulation work and NX UG paper work was a reference for design oilwater hydrocyclone separator of containers bined to remove oily water in general domestic manufacturers. Key words: produced water, hydrocyclones, structural design, physical simulation 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 III 目錄 第一章 引言 ......................................................... 1 含油污水的處理背景及意義 ........................................ 1 含油污水常規(guī)的處理方法和技術(shù) .................................... 2 國(guó)內(nèi)外的壓力容器組合式除油設(shè)備 ................................. 10 本文的工作內(nèi)容 ................................................. 14 第二章 水力旋流管結(jié)構(gòu)的選擇及設(shè)計(jì)方案的論證 ........................ 15 水力旋流管單體結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì) ................................... 15 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 容器外殼內(nèi)徑及壁厚 ............................................. 32 封頭設(shè)計(jì) ....................................................... 35 壓力容器法蘭設(shè)計(jì) ............................................... 36 開(kāi)孔及其補(bǔ)強(qiáng) ................................................... 39 容器支座的設(shè)計(jì) ................................................. 41 輔助零件的選擇 ................................................. 42 泵的選擇 ....................................................... 46 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)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 .............................. 51 計(jì)算機(jī)輔 助設(shè)計(jì) ................................................. 51 技術(shù)經(jīng)濟(jì)概算 ................................................... 58 第五章 結(jié)論與建議 .................................................. 60 結(jié)論 ........................................................... 60 建議 ........................................................... 60 參考文獻(xiàn) ............................................................ 61 致 謝 ............................................................ 63 聲 明 ............................................................ 64 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 1 第一章 引言 含油污水的處理背景及意義 近年來(lái)，石油石化行業(yè)已成為我國(guó)現(xiàn)代能源及國(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 。 含油 污 水中所含的油類物質(zhì)，包括天然石油、石油產(chǎn)品、焦油及其分餾物，以及食用動(dòng)植物油和脂肪類。采油污水中一般 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 ～ 10μm的乳化油， 的溶解油含量很低。 (5) 部分油田污水含表面活性劑。 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應(yīng)用。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。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。 “ 碰撞聚結(jié) ” 理論建立在疏油材料基礎(chǔ)之上。粗?；牧线€可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類。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(lái)。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。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。 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。 1914年，水力旋流器正式應(yīng)用于磷肥的工業(yè)生產(chǎn)。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)。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)。 (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(kāi)發(fā)而成。在油田開(kāi)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。 國(guó)內(nèi)外 的壓力容器組合式除油設(shè)備 中國(guó)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(gè)壓力容器殼體內(nèi)部，同時(shí)在容器內(nèi)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]。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(jì)與三維實(shí)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(guò)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(guò)程。分離出來(lái)的某一相被集中收集在收集箱內(nèi)，工作人員可以對(duì)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(jì)與三維實(shí)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(lái)越多的關(guān)注。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。 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。m。 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(jiàn)表 21 所示。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。該結(jié)構(gòu)設(shè)備基于美國(guó)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(guó) Southampton 大學(xué) Martin Thew 教授的研究工作。每個(gè)旋流器單體頂部都有相應(yīng)的排油管，可見(jiàn)， 整個(gè)排油過(guò)程中采用的方式是獨(dú)立排油，可區(qū)別于下文介紹的內(nèi)部公共排油形式 [20]。 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(kāi)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(jiǎn)圖看來(lái)，該裝備是一個(gè)空心的壓力容器 ，內(nèi)有兩塊隔板將壓力容器分為三個(gè)部分，即溢流腔、入口腔、底流腔。從它們的體積分布來(lái)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(shí)也保障了含油廢水的最大處理量。 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(shí)際處理量的大小來(lái)調(diào)節(jié)各腔室的流量。 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(dú)立設(shè)計(jì)是為了方便維修。頂端溢流塊 153的獨(dú)立設(shè)計(jì)，解決的維修過(guò)程中的繁瑣和麻煩，通過(guò)吊耳164就可以方便的對(duì)入口塊 161進(jìn)行拆卸 更換，減少了不必要的人力和成本。溢流塞通過(guò)特有的凸臺(tái)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。 輕質(zhì)油相的溢流過(guò)程是由溢流塞 171結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，它與延長(zhǎng)管 151的頂端相連，利用溢流塞底部的凸臺(tái)與頂端 154通過(guò)螺紋連接， 輕質(zhì)相油在離心力的作用下向上運(yùn)動(dòng) 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。各個(gè)腔體是通過(guò)法蘭和螺栓連接的。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可更好的解決混合液與油相的入口問(wèn)題，因?yàn)檫^(guò)小的溢流口尺寸不利于中心油柱的排出，過(guò)大的溢流口尺寸會(huì)導(dǎo)致從溢流口會(huì)排出過(guò)多的未完成分離的混合液。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(gè)空間，即進(jìn)水腔和底流腔。因此本設(shè)計(jì)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。 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 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(diǎn)為原點(diǎn)時(shí)錐柱連接截面處的軸向高度。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)生很高的內(nèi)剪切應(yīng)力，從而破碎水相中的油滴，降低分離效果。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]。 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 。 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)所包含的全部工作內(nèi)容。每個(gè)隔間可以自由獨(dú)立控制運(yùn)行。 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(wú)限開(kāi)關(guān)”型旋流器組，明顯的優(yōu)點(diǎn)就是容器內(nèi)旋流器組中的各個(gè)單個(gè)旋流管能夠獨(dú)立打開(kāi)或關(guān)閉。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內(nèi)充分的聚結(jié)，兼并和沉降，有利于分離效率的提高。 ③ 原油脫水。 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