【正文】 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(gè)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(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 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。整個(gè)進(jìn)口塊 161的側(cè)壁被設(shè)計(jì)為有兩個(gè)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(shí)，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) 163中，頂部設(shè)有一切向進(jìn)口槽 162，它位于整個(gè)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(shí)產(chǎn)生加速旋轉(zhuǎn)的渦流。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。 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。從結(jié)構(gòu)上看，溢流塞內(nèi)部的集油槽是一個(gè)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。 其中，混合液由切向入口進(jìn)入到旋流管 150，這會(huì)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。 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(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。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(shí)也保障了含油廢水的最大處理量。 (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(gè)套筒是通過螺栓 118配合連接， 內(nèi)部有兩個(gè)隔板121和 122，將設(shè)備橫向分為出油腔，入口腔和排水腔。并且，設(shè)備通過左端的封頭板可方便、快捷的進(jìn)行拆卸。各個(gè)腔體是通過法蘭和螺栓連接的。 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(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。 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。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(gè)數(shù)和排列方式，從而減少了含油廢水的處理量。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(huì)導(dǎo)致從溢流口會(huì)排出過多的未完成分離的混合液。每個(gè)旋流器單體頂部都有相應(yīng)的排油管，可見， 整個(gè)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]。輕相油通過頂部內(nèi)置在 33 內(nèi)的集油槽流入隔離板 25。 (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(gè)腔體 26 和 27，隔板 25 上分布著許多安裝孔，每個(gè)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。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。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。因此設(shè)定中心距為 130mm。 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(gè)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(huì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。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。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。 當(dāng)旋流器的進(jìn)料管內(nèi)徑為 id 時(shí)，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。通常用離心強(qiáng)度 Sgc 來表征這種強(qiáng)化作用。 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。 針對本設(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)系見表 21 所示。 β=176。m以上的油滴，平均停留時(shí)間約 3 秒種。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。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(shí)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(jì)與三維實(shí)體模擬 17 情況，本設(shè)計(jì)選擇 Thew 的 F 型單體水力旋流器結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖213 所示。（ 2）為了獲得強(qiáng)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(shí)間。角的長錐管分離，最后由長筒管延長分離時(shí)間、提高分離效果，完成全部分離過程 [18]。 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。 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。 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(jì)與三維實(shí)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(diǎn)是單錐、單入口、超短尾管或者無尾管。 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 。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。 水力旋流管單體結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì) 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。其次就是容器組合式水力旋流器的布局模式。 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(diǎn)，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)方面的相關(guān)知識，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所包含的全部工作內(nèi)容。 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)用在在引起越來越多的關(guān)注。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(dòng)，在底流腔內(nèi)收集，有排水口排出。 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(gè)空心的壓力容器，內(nèi)部有兩個(gè)隔板，將裝備橫向分為出油腔，入口腔和排水腔。每個(gè)隔間可以自由獨(dú)立控制運(yùn)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(dú)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(gè)容器的固 /液分離。按一定基準(zhǔn)對比產(chǎn)出水的流速，可調(diào)節(jié)各個(gè)壓力容器設(shè)備中旋流管的個(gè)數(shù)，從而保持各個(gè)旋流管在整個(gè)操作過程中的高效分離效果。 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(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)立打開或關(guān)閉。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。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。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(qiáng)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。 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(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)來改善水力旋流器的預(yù)分離效果 [14]。 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(shí)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(shí)，通?？梢詫⒍鄠€(gè)單體結(jié)構(gòu)按照一定方式并聯(lián)組合起來工作。 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(dòng)部件和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn) ， 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]。 ③ 原油脫水。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。靜態(tài)旋流分離技術(shù)用于含油污水除油，不僅能處理常規(guī)重力分離技術(shù)難于處理的介質(zhì)，而且設(shè)備體積小，性能穩(wěn)定可靠，分離能力是常規(guī)重力分離設(shè)備的幾十倍至數(shù)百倍，旋流器在環(huán)境保護(hù)中獲得廣泛的應(yīng)用。當(dāng)年 8月 ， 該樣機(jī)在大慶石油管理局某中轉(zhuǎn)站投入現(xiàn)場試驗(yàn) ， 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(shí) ， 經(jīng)動(dòng)態(tài)水力旋流器一級處理后含油量可降到 200mg/L以下 [11]。 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)水力旋流技術(shù)被引入我國。 (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 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。 按照使用場合與分離側(cè)重點(diǎn)的不同 ， 靜態(tài)水力旋流器可以分為脫油型、采出液預(yù)分離型、脫水型三類 ， 其外形結(jié)構(gòu)基本類似 ，只是旋流管的數(shù)量、結(jié)構(gòu)尺寸及操作參數(shù)有所區(qū)別。 (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。 圖 123 水 力旋流器負(fù)載壓強(qiáng)與除油效率的關(guān)系 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 8 水力旋流分離器通?？煞譃殪o態(tài)水力旋流器和 動(dòng)