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正文內(nèi)容

容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬畢業(yè)設計論文(參考版)

2025-06-29 17:42本頁面
  

【正文】 (2) 原有設備改進針對傳統(tǒng)水力旋流器的結構特點和不足,在專利US6918494B2中作者Keith “三角形 ”分布的壓力容器式水力旋流組合形式,該結構有效的解決了傳統(tǒng)設備中旋流管入口部分進口液體。這樣的排列會影響壓力容器中單體水力旋流器的安裝個數(shù)。在這種情況下,各個單體旋流管之間是平行安裝的,而且相鄰兩根單體旋流管之間的安裝距離較近,所有的最大直徑位置都被排布在徑向的同一位置上,這就會影響到單體水力旋流器的具體安裝。圖229 傳統(tǒng)水力旋流器結構簡圖12壓力容器;14,16隔離板;18單體旋流管;20溢流部分;22混合液入口部分;24分離部分;26底流部分;28 混合液入口腔;30混合液入口;33排油口;35排水口;36 公共排水管油水混合液在壓力的作用下,通過混合液入口30高速運動進入到壓力容器的混合液入口腔28中,液體從入口腔28以切線的方向進入單體水力旋流管18的入口31進入到入口部分22中,進行油水分離過程,含油廢水在單體旋流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),所形成的高速旋轉(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,從底流口的公共排出口36排出,輕質(zhì)相油則被迫移向軸心并向上流動,從溢流口容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬2920流至溢流腔在由排油口33排出壓力容器設備 [22]。該設備的進水腔的體積最大,即在不加大單體水力旋流器整體長度的前提下,盡可能的增大入口腔的長度,可以更大量的處理含油廢水。這類結構在原有技術的基礎上,通過改變單體旋流管的排布方式提升了傳統(tǒng)設備的處理效率。這6個的水力旋流器 150A由于位置的特殊性,它在工作過程中受到內(nèi)層116A的限制,是無法自由旋轉(zhuǎn)的。圖228 組合旋流管在容器內(nèi)排列左視圖由圖228可知容器組合式單體旋流分離器的安裝情況,所有旋流管在壓力容器內(nèi)按照正六邊形均勻分布,正六邊形外接于圓,這種方式充分利用了圓柱形設備內(nèi)的有限空間,最大限度的保證了單體水力旋流器整體的數(shù)量,從而在同體積的壓力容器設備中可以處理最大量的含油廢水。在靠近軸肩191的位置上,有一對O 形圈185(如圖225所示),O形圈結構使每一根單體水力旋流器150 與隔板121的每個開口處有良好的密封性能,它使入口腔的含油廢水不會因為安裝空隙流進分離后的溢流腔內(nèi),保證了各個腔室只能由水力旋流管連接。這種設計,增加了溢流腔與進水腔的密封性能。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;19193葉片容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬27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,也存在相應的一個扳手平面156,這類結構是為了安裝的方便和快捷,相關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。在實際的生產(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立設計,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構,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。在進口弧形結構上還設有護耳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,當結構153與護耳164裝配時,恰恰延長了單體管的內(nèi)部軸向距離,此類形式的設計也保障了裝備各個零件時的密封性能,如此配合是的進口塊161結構在單體旋流管中更好的固定。為了減少混合液對內(nèi)部結構的腐蝕性,入口塊161采用的是耐腐蝕材料制造而成。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計問題。圖225 單體旋流管結構爆炸圖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和護耳164,旋流管頂端154和溢流塞171組成。在壓力容器設備中,進口腔和底流腔各設有一個排污口13135,排污口上設有閥門,可供維修使用。單體水力旋流器從結構容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬25上看來,混合液進口部與油相溢流口距離較近,但實際情況上,并不影響分離效率。相比與Vortoil型水力旋流器的排油方式,該設備采用公共排油。圖224 單體水力旋流器局部放大結構圖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。內(nèi)設多個單體旋流管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。通常,底流腔與進水腔是固定密封的,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。排油方式由獨立排油轉(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。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),在各個接觸點都設有良好的密封措施。(1) 原有設備的改進在專利 中,作者針對原有設備的處理量小,輸油管線維修不方便等缺點提出了新的組合式壓力容器結構,很好的解決了兩腔室水力旋流器所存在的問題 [21]。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。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進口腔;27底流腔;30旋流管;32入口塊;33集油管;37螺栓實際處理中,水力旋流器組合設備的處理能力是取決于單體旋流器的數(shù)量和型號的。通過局部放大圖很容易看到單體旋流管頂部的結構設計,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置在管壁一旁。在此設備中,分離后的輕質(zhì)相油的收集是一個關鍵的過程,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)油水分離后的油相容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬22液體,并通過設置在隔離板上的排油管 25C 流至排油管 23 排出容器。圖221 VORTOIL型水力旋流器結構簡圖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 222 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。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。從幾何尺寸上來看,該結構的水力旋流器,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。 管束與各腔室布局方案的論證 兩腔室 Vortoil 型旋流器(1) 設備的總體概述Vortoil 型旋流器的結構是一種典型水力旋流器結構。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。圖 214 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。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。?V/s已知 i ?容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬20hmsVdQiii /)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): (24)??hmQni總根據(jù)實際情況,本設計取 127 根單體水力旋流管。S gc 定義為離心加速度與重力加速度之比, (22)gruc2S??由 , , 得,smu/?? 2/?? ../.)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。(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?、氣泡等所受到的慣性離心力比在重力場中所受的重力要大得多。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構設計與三維實體模擬19)035.(u8.???解得, 。 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 (21)Crn??u式中,n —— 指數(shù);C —— 常數(shù)。 ,β=176。m 以上的油滴,平均停留時間約 3秒種。水力旋流管設計的最小公稱尺寸不應小于 28mm(公稱尺寸的設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。m。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容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬18構情況,本設計選擇 Thew 的 F 型單體水力旋流器結構為設計準則,其結構簡圖如圖 213 所示。 (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。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]。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構后,首先在短筒腔內(nèi)形成旋流,隨后經(jīng) 20176。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。圖 211 Amoco 單錐管和 KNN 單錐管結構示意圖容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬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 211 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),結構特點是單錐、單入口、超短尾管或者無尾管。從結構上劃分,水力旋流器可分為單錐型旋流管和雙錐型旋流管兩大類。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。 水力旋流管單體結構選擇與設計 旋流管單體結構選型液液水力旋流管是 20 世紀 80 年代開發(fā)的高新技術,目前世界各仍在研發(fā)過程中。其次就是容器組合式水力旋流器的布局模式。容器組合式油水旋流分離器的結構設計與三維實體模擬15本文主要在查閱大量文獻資料的基礎上,了解各種典型的油水分離單元處理技術,以英國Cyclotech公司的B20 系列脫油型水力旋流器為切入點,掌握結構設計過程的技術細節(jié),借鑒管殼式換熱器等壓力容器設計方面的相關知識,完成結構設計所包含的全部工作內(nèi)容。圖136 水力旋流器結構示意圖 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注。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。該公司的水力旋流器設備在結構上屬于三腔體水力旋流器,從其結構簡圖看來,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。每個隔間可以自由獨立控制運行。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]。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。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。圖
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