【導(dǎo)讀】京石油化工學(xué)院學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人。現(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石油?；W(xué)院學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫”。文的內(nèi)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)。公開級學(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。的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)。中作了明確的說明并表示了謝意。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；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。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。陳家慶編著.石油石化工業(yè)環(huán)保技術(shù)概論.北京：中國石化出版社,20xx.石化出版社,20xx年9月.

　　

【正文】 得多。通常用離心強(qiáng)度 Sgc 來表征這種強(qiáng)化作用。Sgc 定義為離心加速度與重力加速度之比 ， grugc2S ?? (22) 由 smu /?? ， 2/ smu ?? ， mr ? 得， 3 )/(S 2 2 ??? msm smgc （ 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(jì)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(jìn)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(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。 已知 mmmd i 0 1 2 2 ?? hmsmVdVdQ iii /)(222 334222 ??????? ???? ?? （ 4） 壓力容器內(nèi)部旋流管的安裝排布問題 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 19 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)： ??? hm hmn i總 （ 24） 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(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。 圖 214 旋流管在容器內(nèi)的排列形式簡圖 經(jīng)計(jì)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 倍的換熱管外徑。因此設(shè)定中心距為 130mm。 管束與各腔室布局 方案的論證 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。 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，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 20 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(jìn)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(dú)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 221 所示。 圖 221 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(jìn)口； 22排水口； 23排油口； 25A隔離板； 25B排油槽； 25C排油管道； 26進(jìn)口腔； 27底流腔； 30旋流管 含油廢水從污水進(jìn)口 21 進(jìn)入到旋流器內(nèi)，以切線的方向進(jìn)入到旋流管頂部的內(nèi)旋入口 32，如圖 222 單 體旋流管局部放大圖所示，進(jìn)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(jìn)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)油水分離后的油相液體，并通過設(shè)置在隔離板上的排油管 25C 流至排油管 23 排出容器。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(dú)立排油，可區(qū)別于下文介紹的內(nèi)部公共排油形式 [20]。 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 21 通過局部放大圖很容易看到單體旋流管頂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，入口塊 32 與溢流管33 之間存在一段內(nèi)徑很小的軸向排油通道來連接 33 內(nèi)的內(nèi)徑稍大的溢流管，含油廢水的切向入口被設(shè)置在管壁一旁。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題，因?yàn)檫^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。 圖 222 單體旋流管局部放大圖 20容器壁； 25A隔離板； 25B排油槽； 25C排油管道 ； 26進(jìn)口腔； 27底流腔； 30旋流管；32入口塊； 33集油管； 37螺栓 實(shí)際處理中，水力旋流器組合設(shè)備的處理能力是取決于單體旋流器的數(shù)量和型號的。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。另外，內(nèi)部的溢流管道維修不方便，在海上平臺的環(huán)境上，將會給維修工人帶來麻煩。 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(diǎn)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(jì)是先前結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)如圖 223 所示。 (1) 原有設(shè)備的改進(jìn) 在專利 中，作者針對原有設(shè)備的處理量小，輸油管線維修不方便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 22 等缺點(diǎn)提出了新的組合式壓力容器結(jié)構(gòu)，很好的解決了兩腔室水力旋流器所存在的問題 [21]。 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。隔板上均勻分布著安裝孔，單體的水力旋流器通過安裝孔固定在壓力容器空間內(nèi)，在各個接觸點(diǎn)都設(shè)有良好的密封措施。各個腔體是通過法蘭和螺栓連接的。排油方式由獨(dú)立排油轉(zhuǎn)變?yōu)楣才庞?，這種方式大大減少 了維修過程中的困難和麻煩。并且，設(shè)備通過左端的封頭板可方便、快捷的進(jìn)行拆卸。通常，底流腔與進(jìn)水腔是固定密封的，通過拆卸封頭板來更換內(nèi)部的單體水力旋流管，這種方式有效的縮短了維修時間，降低了維修成本。 (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。內(nèi)設(shè)多個單體旋流管 150，從橫向方向通過隔離板的開孔 137和 138安裝在容器內(nèi)腔 ，各旋流子與隔板孔接觸的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 23 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，三個腔室通過螺栓連接，有較好的密封性。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。 圖 224 單體水力旋流器局部放大結(jié)構(gòu)圖 151旋流管； 152后膛入口； 153頂端溢流塊； 154頂端； 156扳手平面； 158旋流管底流通道； 161入口塊； 164護(hù)耳； 166后壁； 169軸向通道； 171溢流塞； 181旋流管末端； 185O形圈； 191軸肩 含油 廢 水從采油廢水口 131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)入單體旋流管中 頂部的切向入口 152與 161之間 ， 如圖 224單體旋流管局部放大圖所示，油水混合相 在 旋流管 內(nèi)部 高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 由于 密度、 離心力的差異，重質(zhì)相水被甩至管壁并 沿 底流 通道 158向底流口 流動，在底流腔內(nèi)收集，由 排水口 132排出。 輕質(zhì)油相的溢流過程是由溢流塞 171結(jié)構(gòu)實(shí)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(yùn)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。 相比與 Vortoil型水力 旋流器的排油方式，該設(shè)備采用公共排油。 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(jì)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。單體水力旋流器從結(jié)構(gòu)上看來，混合液進(jìn)口部與油相溢流口距離較近，但實(shí)際情況上，并不影響分離效率。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(jì)與三維實(shí)體模擬 24 相幾乎無法進(jìn)入到集油槽。 在壓力容器設(shè)備中，進(jìn)口腔和底流腔各設(shè)有一個排污口 13 135，排污口上設(shè)有閥門，可供維修使用。 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)際處理量的大小來調(diào)節(jié)各腔室的流量。 圖 225 單體旋流管結(jié)構(gòu)爆炸圖 159螺紋； 172凸臺； 175密封圈； 182孔； 183扳手平面 由單體水力旋流器局部放大圖和爆炸圖（如圖 225所示）可知，單體水力旋流管主要由延長管 151和護(hù)耳 164，旋流管頂端 154和 溢流塞 171組成。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。 針對圖 226所示的單體旋流管左視圖，可以很清楚的了解單體旋流管的切向入口設(shè)計(jì)問題。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(jì)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。為了減少混合液對內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的腐蝕性，入口塊 161采用的是耐腐蝕材料制造而成。整個進(jìn)口塊 161的側(cè)壁被設(shè)計(jì)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。在進(jìn)口弧形結(jié)構(gòu)上還設(shè)有護(hù)耳 164，它的形狀與頂端溢流塊 153大體一致，由圖 5單體旋流管的局部放大圖可清楚的看到，當(dāng)結(jié)構(gòu) 153與護(hù)耳 164裝配時，恰恰延長了單體管的內(nèi)部軸向距離，此類形式的設(shè)計(jì)也保障了裝備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 25 各個零件時的密封性能，如此配合是的進(jìn)口塊 161結(jié)構(gòu)在單體旋流管中更好的固定。 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。在實(shí)際的生產(chǎn)處理中，單體旋流管在經(jīng)過一段時期使用后，在內(nèi)部會堆積很多沉淀物，如果沒有頂端溢流塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，維修人員就需要從切向入口 162入手，將整個入口塊 161撬開，這樣就會破壞旋流管頂部結(jié)構(gòu)，特別是切向入口 162，任何磨損都可能會影響到單體旋流管的分離效率。頂端溢流塊 153的獨(dú)立設(shè)計(jì)，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。 圖 227 單體旋流管軸肩部分左視圖 181旋流管末端； 183扳手平面； 191軸肩； 19 193葉片 如圖 227所示的是單體旋流管頂部的溢流塞左視圖，溢流塞 171在末端有一個正六邊形的扳手平面 183，在延長管 151上，也存在相應(yīng)的一個扳手平面 156，這類結(jié)構(gòu)是為了安裝的方便和快捷，相關(guān)的工作人員可直接通過這兩個平面擰緊延長管151上的溢流塞，保障單體旋流管的良好的密封性能。 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 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