【正文】 p。 任務(wù)書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教學(xué)院（部、系）院長（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 計劃完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽字） 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 I 摘要 目前， 采油污水的處理問題 已成為 石油工業(yè)上游行業(yè)經(jīng)常面對的一個生產(chǎn)性問題 。 由于單根水力旋流管的處理能力有限，因此工程實際中往往將多根水力旋流管并聯(lián)組 合 ，壓力容器組合式結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于運輸安裝而被眾多用戶青睞 。 通過閱讀相應(yīng)的 國外 專利 資料， 收集目前所用 的 各種類型單體旋流管的結(jié)構(gòu)與尺寸及水 力旋流器中單體旋流管的排布情況 。參考管殼式換熱器 的布管 方式、管板設(shè)計等方面的知識，依據(jù) GB1501998《鋼制壓力容器》， 完成 了 設(shè)備 的直徑、壁厚、 隔板、封板、 法蘭、鞍座等一系列所需元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 、選擇 和強度校核； 在此基礎(chǔ)之上，使用 Auto CAD 軟件繪制了設(shè)備裝配圖和主要零部件圖紙，并使用 NX UG 軟件進(jìn)行三 維實體模擬。 關(guān)鍵詞： 采油污水 ，水力旋流器，結(jié)構(gòu)設(shè)計 ，實體模擬 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 II Abstract Nowadays, produced water treatment has bee a production problem which is often faced in the oil industry. Among the many units treatment technology of produced water, because of its small size and no moving parts, hydrocyclone separation has been used widely. As a single hydrocyclone tube capacity is limited, so management of multiple hydrocyclones have been arranged in parallel binations in engineering vessels attracted many users because of its modular structure,pact structure and easy transportation. The design will be access on the basis of large number of documents, understanding of typical oil water separation unit of processing methods and reading the foreign patents currently, collected various types of single hydrocyclone tube structure and the size and hydrocyclone vortex tubes in the single arrangement. Make Cyclotech39。 據(jù)統(tǒng)計，海上石油資源總量約占全球資源總量的 34%，世界對海上石油寄予了很高的厚望。油田的開采和煉制，以及相關(guān)的海上石油勘探，開采事業(yè)的興起，促使含油污 水對環(huán)境造成的危害事件屢有發(fā)生。石油及其煉制品 (汽油 、 煤油 、 柴油 等 )在開采、煉制、貯運和使用過程中進(jìn)入 海洋 環(huán)境而造成的污染 ， 是目前一種世界性的 、 嚴(yán)重的海洋污染。目前經(jīng)由各種途徑進(jìn)入海洋的石油烴年約 600 萬噸，排入中國沿海的石油烴年約10 萬噸。它是一種典型的有機(jī)廢水。由于我國各油田地質(zhì)條件，開發(fā)方式，油層改造措施、注水水質(zhì)、集輸工藝等的不同，各油田采油污水的性質(zhì)差異很大。一般來 說，有以下特點： (1) 含油量高。油類在水中的存在形式根據(jù)含油顆粒大小的不同可分為浮油、分散油、乳化油和溶解油。 (2) 含有懸浮固體顆粒。 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 2 (3) 高含鹽量。無機(jī)鹽離子主要包括 ： Ca2+， Mg2+，K+， Na+， Fe2+， Cl， HCO3， CO32等。主要是腐生菌和硫酸鹽還原菌。 另外 ， 采油污水還具有高水溫 (40～ 80℃ )和高 pH 的特點 [1]。油氣勘探開發(fā)活動的增多，所產(chǎn)生的污染量也隨之增加，對環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重。在原有的初級處理基礎(chǔ)上 ， 結(jié)合油田實際情況增加深度處理單元可以進(jìn)一步凈化污水 ， 滿足油田的發(fā)展需要。 含油污水常規(guī)的處理方法和技術(shù) 目前，我國采油 污 水處理技術(shù)發(fā)展較快。 20 世紀(jì) 90 年代初，隨著離心除油技術(shù)的引進(jìn)、消化吸收，開 始 研制國產(chǎn)的水力旋流器，實現(xiàn)了水力旋流器處理技術(shù)。 重力除油 重力除油依靠油水的比重差通過油與水的自然分離 實現(xiàn) 除油效果。通常重力除油常分為自然除油和斜板除油。 (1) 自然除油 自然除油是指原水中不加混凝劑，依靠水中自然形成的微小油滴靠其與廢水的相對密度差上浮而進(jìn)行分離，從而達(dá)到除油的目的。由于自然除油在水流動狀態(tài)下進(jìn)行，所以除油效率的大小 與水流的流速有關(guān)。自然除油法所應(yīng)用的設(shè)備雖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 3 運行費用低，方便管理，但是立式沉降罐體積龐大，去除效率低 [3]。在油水分離設(shè)備中加斜板，增加分離設(shè)備的工作表面積，縮小分離高度，可以提高油珠顆粒的去除效率。斜板除油裝置基本上分為平流式和立式兩種，對應(yīng)的設(shè)備為平流式斜板隔油池和立式斜板除油罐。 粗?；? 粗?；褪鞘购?污 水通過粗?；牧纤鶚?gòu)成的填充床層使油珠變大 然 后沉降，其中處理的主要對象是水中的分散油 [4]。 可作為粗?；盍嫌芯郾?、無煙煤、陶粒、石英砂等，其外形可做成粒狀、纖維狀、管狀或膠結(jié)狀。 “ 潤濕聚結(jié) ” 理 論建立在親油性粗?；牧系幕A(chǔ)上。脫落的油膜到水相中形成油珠，該油珠粒徑比聚集前多的油珠粒徑大，從而達(dá)到粗?；哪康?。當(dāng)含油廢水經(jīng)過疏水性材料時，兩個或多個油珠可能同時與疏油材料的管壁上碰撞或互相之間碰撞，使它們合并成大油珠，從而達(dá)到粗?；哪康摹Ｒ虼?，無論是親油性材料還是疏油性材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 4 料只要粒徑適合，就會有比較好的粗?；Ч?。從材料的形狀來看，可分為纖維狀和顆料狀；從材料的性質(zhì)來看，許多研究者認(rèn)為材質(zhì)表而的親油疏水性能是主要的，而且親油性材料與油的按觸角小于 70度為好。最后在重力和水流推力下，脫離材料表面而浮升于水面。外形可做成粒狀、纖維狀、管狀。 圖 121 填料材料示意圖 粗粒化的主要缺點是定期對 聚結(jié)床清洗，定期更換聚結(jié)材料提高了運行費用。此裝備的分離過程不存在重新混合，因而避免了單獨使用斜板技術(shù)可能引起二次污染的可能性。 混凝除油 混凝除油是一種化學(xué)方法?；炷^程包括混合、反應(yīng)、凝聚 和絮凝幾個過程。 近年來化學(xué)混凝法主要集中在開發(fā)新的水處理藥劑。 Doyle 用聚合物有機(jī)粘土吸附采油廢水中的溶解有機(jī)物 ， 也取得了良好的試驗結(jié)果。此外 ， 生物破乳劑、生物 絮凝劑、低污染或無污染的水質(zhì)處理劑也是重要的研究方向。陳進(jìn)富 教授 等采用粉末活性炭 (PAC)與陰離子聚丙烯酰胺 (HPAM)、陽離子聚丙烯酰胺 (YPAM)復(fù)配處理綏中某油田采油廢水 ， CODCr去除率 %～ %， 隨 PAC用量的增加 ， CODCr去除率有所增大。 氣浮法除油 氣浮法除油就是向廢水中通入空氣（有時還 一 同加入浮選劑），并以微小氣泡的形式從水中析 出成為載體，使廢水中的乳化液、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)粘附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成氣、水、油珠三相混合體。含油廢水中的乳化油易粘附在氣泡上，增加其上浮速度。氣液接觸時間延長可提高接觸效率和吸附效率，從而提高除油效率。其他一些因素如溫度、 PH值、礦化度、處理水含油量和水中所含原油類型也都直 接或間接地影響除油效率 [6]。生化法是在初級處理基礎(chǔ)上進(jìn)行的二級處理技術(shù) ， 已廣泛應(yīng)用于城市污水和印染、石化、釀造、造紙等工業(yè)污水的處理。 生化法是一種去除有機(jī)物污染很成熟的方法 ， 應(yīng)用于 采油污水處理有很好的前景。 (2) 微生物絮凝技術(shù)：利用生物有機(jī)高分子絮凝物質(zhì)替代化學(xué)絮凝劑處理含油污水，適于油氣田勘探開發(fā)流動作業(yè) [7]。該技術(shù)能避免二次污染，降低處理費用，凈化效 果比化學(xué)處理好。在處理量和除油性能相同的條件下，重量比其他除油設(shè)備輕 80%— 90%，工程建設(shè)投資約低 50%。待分離的多相或非溶性單相介質(zhì)以一定的壓力從水力旋流器上部周邊切向進(jìn)入水力旋流器后，產(chǎn)生了強烈的旋轉(zhuǎn)運動，由于介質(zhì)間的密度差，所受的離心力、向心浮力和流體曳力的大小不同，受離心力沉降作用 ，大部分重相經(jīng)旋流器底流口排出，而大部分輕相則由溢流口排出，從而達(dá)到分離的目的 [8]， 如圖 122所示 。 自此以后，旋流器在各個領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展 。 20世紀(jì) 30年代后期，水力旋流器以商品的形式出現(xiàn)，主要應(yīng)用于紙漿水處理。 1953年， Van Rossum jiang將水力旋流器用于脫出油中的水分，為水力旋流器的應(yīng)用開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 7 拓了新的空間。 20世紀(jì) 90年代，我國 大部分油田已進(jìn)入中、高含水期開采階段，已建的基于重力沉降原理的傳統(tǒng)設(shè)備已不能滿足處理大量采出液的要求，基于旋流分離原理的液液旋流分離技術(shù)作為重力分離的替代技術(shù)也就應(yīng)運而生 [9]。 水力旋流器的應(yīng)用包括固液分離、氣液分離、固固分離、液液分離、液氣固三相同時分離以及其他應(yīng)用。油水混合物在水力旋流器中一般僅停留 2— 4s，比傳統(tǒng)設(shè)備內(nèi)停留時間縮短近千倍，且旋流器的重量僅為傳統(tǒng)設(shè)備的幾十分之一。目前水力旋流器還作為一種高效的顆粒分級設(shè)備。m時，旋流器可在幾秒鐘內(nèi)迅速將油從水中分離出去。 水力旋流器技術(shù)很大程度上優(yōu)于其他含油廢水的 工藝處理除油技術(shù)。在壓力持續(xù)增加的狀態(tài)下，水力旋流器的去除效率大幅度增加，當(dāng)壓強超過某一點時，旋流器的去除效率呈平穩(wěn)狀態(tài)，不會有明顯的上升，該點壓強值為水力旋流器的最佳工作壓強。靜態(tài)水力旋流器用于固 液分離已經(jīng)有較長歷史，在石油工業(yè)中也被用于鉆井液的處理，原油井口除砂等場合，而用于液 液分離則晚得多。油水混合液在一定壓力下從入 口高速切向進(jìn)入旋流器的旋流腔 ， 形成高速旋轉(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 ， 從底流口排出 ， 輕質(zhì)相油則被迫移向軸心并向上流動 ， 從溢流口排出 ， 從而實現(xiàn)油水分離過程。 脫油型靜態(tài)水力旋流器因其占地少、分離效率高等優(yōu)點在發(fā)達(dá)國家含油廢水處理特別是海 上石油開采平臺上已成為不可替代的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備預(yù)分離水力旋流器能脫除高含水采出液中的大部分水相脫水型水力旋流器被用于脫除原油或凝析油中的殘余含水量。電機(jī)通過 V帶帶動轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn) ， 油水混合液由泵輸送經(jīng)入口端流過旋轉(zhuǎn)柵流道及其尾部的導(dǎo)向錐 ， 旋轉(zhuǎn)柵對來液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用 ； 高速旋轉(zhuǎn)的液流靠與轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁間的摩擦作用形成更大、更強的 “ 旋流場 ”， 離心加速度超過 重力加速度的 1000倍；輕質(zhì)相的油被迫向轉(zhuǎn)筒中心運移而形成油核 ， 最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出；重 質(zhì)相水則向轉(zhuǎn)筒壁運移 ， 同時在軸向力作用下由底流出口排出，最終實現(xiàn)油水分離 [10]。 1997年 ， 為解決大慶油田注聚采出液的處理難題 ， 大慶石油學(xué)院開始了該技術(shù)的研究工作 ， 并于當(dāng)年試制了國內(nèi)第 1臺動態(tài)水力旋流器樣機(jī)。 液 液旋流分離器應(yīng)用于油氣儲運方面主要包括以下幾個方面： ① 水中除油。 ② 油中除水。在成品油應(yīng)用過程中 也常常采用旋流器，如在燃料油或液壓油使用中有時也使用旋流器除去油中的水。在油田開采的中后期，注水采油被廣泛采用，開采出的油水混合物中，含有大量的水，含水率一般在 30%～ 90%，為了使原油脫水凈化與污水除油凈化后，分別得到合格的油品和水質(zhì) [12]，有必要使進(jìn)入污水除油旋流器中的水含量保持在 %以內(nèi)，使進(jìn)入原油脫水凈化旋流器中的油含水穩(wěn)定在 20%下，為此要求在污水旋流除油及原油旋流脫水之前增設(shè)原油旋流預(yù)脫水環(huán)節(jié)，為污水旋流除油及原油旋流脫水凈化提供保障。 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 10 我國在水 力 旋流分離技術(shù)發(fā)展較晚， 20世紀(jì) 80年代末，國內(nèi)一些相關(guān)科研單位和企業(yè)才開始正式研究旋流器的分離技術(shù)，國內(nèi)普遍是引進(jìn)成套的旋流器設(shè)備，根據(jù)國外文獻(xiàn)資料中提供的油 水旋流器模型尺寸比例，結(jié)合自己的經(jīng)驗，設(shè)計出適合我國油田實際情況的油 水旋流器，開始了水利旋流分離器的實驗科研研究。工程中，常見的水力旋流器有壓力容器式，開放排架式，另外還有輻射蛛網(wǎng)式、垂直排列式、徑向分布式等。如 圖 131所 示，該設(shè)備的入口腔相對于其他兩腔體要大許多，即在不加大單體水力旋流器整體長度的前提下采用盡可能大的入口腔長度，另外在正對著入口腔的入口處及入口腔內(nèi)部靠近單