采油废水处理用PECT-F型设备的结构设计与三维实体模拟

采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 III摘 要 采油废水是环境的严重污染源，随着石油行业的不断发展，含油废水的处理问题也面临着新的挑战，传统的单一处理技术已无法满足含油废水处理的要求，目前寻求各单元处理技术的组合技术来进一步提高处理效率、 减小处理装置的空间尺寸已成为发展趋势，而在众多被探索的组合技术当中，旋流粗粒化组合技术具有良好的发展前景，但是目前国内在这一领域的研究还没有形成系统的理论。 本文首先介绍了几种常规的采油污水处理方法， 然后在阅读大量英文文献的基础上， 首次在国内系统整理介绍了国外有关旋流粗粒化组合处理装置的最新研究进展。以英国 Cyclotech公司的 PECT-F设备为对象，借鉴其结构特点，对其进行了具体的结构设计以及相关的强度校核。 并在此基础上完成详细的结构设计和三维实体模拟等工作。 关键词： 采油废水，粗粒化，水力旋流器，结构设计 采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 IVAbstract The oily waste water has been a serious source of pollution .With the development of the Oil industry， the treatment of produced water is also facing new challenges. The traditional single produced water treatment technology has gradually unable to meet the standard of oily waste water treatment. It is urgent trend to seek a combination of processing unit to improve the efficiency and reduce the space requirement. And in the most explored combinational technology, the combination of cyclonic and coalescence is the most representative. In the paper, firstly, introduced some available separation methods， and then Based on a extensive reading of English documents, the author systematically introduced the cyclone and coalescence and for the first time in our country, this paper systematically presented the latest research development of Combined cyclone and coalescence at abroad. Moreover, according to the patent of combined cyclone and coalescence from the Cyclotech Group in Britain, the detailed structure design and corresponding strength check of the equipment also carried out. The author also completed the detailed structure design and computer-aided design. Key words： produced water, coalescence, hydrocyclone , Structural design 采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 V目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 油田含油废水处理背景及意义 . 1 1.2 含油废水主要单元处理方法 . 1 1.3 国外先进组合除油技术 . 7 1.4 本文的工作内容 . 10 第二章 设计方案论证 . 11 2.1 两腔式多衬里 VORTOIL 旋流器 . 11 2.2 紧凑型三腔体水力旋流器 . 12 2.3 “三角形”式排布的水力旋流器 . 19 2.4 本设计方案的确定 . 23 第三章 结构设计计算 . 26 3.1 旋流管单体 . 26 3.2 容器外壳内直径及壁厚 . 28 3.3 封头设计 . 30 3.4 容器法兰设计 . 32 3.5 开孔及其补强 . 34 3.6 其它辅助零件的选择 . 39 3.7 焊缝探伤 . 43 3.8 压力测试 . 44 3.9 技术经济核算 . 45 第四章 计算机辅助设计 . 48 4.1 AUTOCAD 制图 . 48 4.2 PRO/E 三维实体模拟 . 49 第五章 结论和展望 . 55 5.1 结论 . 5 5 5.2 展望 . 5 5 参 考 文 献 . 56 致 谢 . 58 声 明 . 59 采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 1第一章 前 言 1.1 油田含油废水处理背景及意义 含油废水是一种典型的有机废水，量大面广且对环境危害大，石油石化工业是含油废水的最主要来源。 我国石化炼油厂每加工 1 吨原油产生 0.7 3.5 吨含油废水，目前实际加工量在每年 1.6 亿吨左右，据此计算产出含油废水每年高达 1.12 5.6亿吨，因此含油废水处理技术的研究工作无论对于环境保护，还是对于降低运营成本而言都有重要意义。从分离工程的角度来看，含油废水的处理问题实际上是油水两相分离技术问题。由于机械分离是非传质分离的一种重要方式，因此人们对于研制开发新型高效机械分离技术的努力从未间断， 这一点在油水分离设备中体现得更为明显。 随着我国石油和天然气地质储量开始大幅度增长，油气产量持续上升，石油天然气工业目前已进入了一个新的发展阶段。由于油气勘探开发活动的增多，所产生的污染量也随之增加，对环境造成的污染日益严重。现阶段我国各大油田都存在采油废水外排不达标的问题，所以采油废水达标外排技术越来越受到人们的重视，现急需建立经济、高效的采油废水处理方法。 油田废水处理站所处理的废水主要有三种来源，一是采出液经脱气、脱水处理后分离传输过来的废水，这部 分水也称为“采油废水（ produced water）”；二是洗盐废水；三是洗井水。这三种废水中的主要污染物为原油1。本文仅针对采油污水的处理方法作以论述。采油废水一般具有以下 6 个特点： （ 1）水温高，一般为 40 60； （ 2）矿化度高，一般为 2000 5000mg/L，甚至可达数万数十万 mg/L； （ 3） pH 值较高，一般为 7.5 8.5； （ 4）废水中含有细菌，主要是腐生菌和硫酸盐还原菌； （ 5）溶解氧（ DC）含铁量较低； （ 6）残存一定数量的破乳剂2。 针对采油废水的这些不同的性质，国内外有很多不同的处理方法。 1.2 含油废水主要单元处理方法 1.2.1 重力除油 采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 2（ 1）自然除油 自然除油指原水中不加混凝剂， 水中自然形成的细小油珠靠它与废水的相对密度差上浮，达到除油目的。此法可以去除废水中的浮油和大部分散油，但必须在水流动状态下进行，故除油效率的高低直接与水的向下流速有关。实际上，废水中或多或少的含有悬浮颗粒，它具有吸附油珠的特性，从而降低了油珠的上浮速度。而油珠的上升速度越高，除油效率越高。又由于自然除油不投加混凝剂，只靠微小油珠、悬浮颗粒与污水的相对密度差上浮或下沉将水、泥、油分离，因此去除效率低，而且体积大、占地面积大。 （ 2）斜板除油 斜板除油的基本原理是 “浅层理论 ”，简单地说，就是沉淀池越浅，就越能缩短沉淀时间，提高除油效率。因此在油水分离器设备中加斜板，增加分离设备的工作表面积，缩小分离高度，可以提高油珠的去除效率。此外，由于斜板的存在，增大了湿周、缩小了水力半径，因而雷诺数减小，水流动处于层流状态，同时弗劳德数较大，更有有利油水的分离，所以斜板除油是目前常用的高效除油方法之一，也是利用重力分离技术的除油方法。但目前油田常用的斜板，其含油污水在板间多为上向流或下向流，这就产生了油、水、泥在一个流线方向移动。其中，上向流水与油珠的运动方向一致，下向流水与泥的流动方向一致，因而就造成了处理后的水与已分离的油和泥重新混合，发生二次污染的可能。 1.2.2 混凝除油 混凝除油是通过向废水中加入混凝剂，通过压缩双电层和电中和作用，破坏胶体的稳定性、使胶体凝聚、颗粒不断增大，最后由于重力沉淀下来，达到油水分离目的。混凝除油可以去除废水中的乳化油和胶体颗粒3。混凝过程包括混合、反应、凝聚和絮凝几个过程。目前油田常用的混凝剂有精制硫酸铝、粗制硫酸铝、聚合氯化铝（ PAC）、氯化亚铁、硫酸亚铁、阳离子型聚丙烯酰胺（ PAM）等。 近年来化学混凝法主要集中在开发新的水处理药剂4。这些化学药剂去除采油污水中的油、 COD、 SS 等，可以投加 O3、 ClO2、 H2O2等氧化剂，或投加破乳剂、絮凝剂等。 Thomas E R 报道了使用低分子量的有机胺，特别是季铵盐处理采油废水中的溶解有机物。 Doyle D H等利用聚合物有机粘土吸附采油废水中的溶解有机物，也取得了良好的试验结果。化学混凝与其他方法联合使用处理采油废水也取得较好的去除效果4。石油大学的陈进富等采用粉末活性炭 (PAC)与阴离子聚丙采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 3烯酰胺 (HPAM)、阳离子聚丙烯酰胺 (YPAM)复配处理绥中某油田采油废水的COD5。去除率为 15.9% 30.0%，随 PAC 用量的增加， COD 去除率有所增大。 1.2.3 粗粒化除油 粗粒化除油亦称聚结除油，是指采油污水通过一个装有粗粒化材料 (填充物 )的设备时，油珠粒径由小变大的过程。粗粒化设备能去除直径大于 20m 的油珠，主要是去除废水中的分散油。 粗粒化除油的机理目前尚处于探讨阶段，未形成统一的理论，但大体上有 “润湿聚结 ”和 “碰撞聚结 ”两种解释。“润湿聚结”理论建立在亲水性粗粒化材料的基础上。当含油废水经过亲水性材料组成的粗粒化床时，分散油珠便在材料表面润湿并附着，这样材料表面几乎被油包住，再流来的油珠也更容易润湿并附着在上面，因而附着的油珠不断聚结扩大并形成油膜。由于浮力和反向水流冲击作用，油膜开始脱落，于是材料表面得到一定更新。脱落的油膜到水相中形成油珠，该油珠粒径比聚集前的油珠粒径要大，从而达到粗粒化的目的。 “水力聚结”理论建立在疏油材料基础之上。无论是由粒状还是纤维状粗粒化材料组成的粗粒化床，其空隙均构成互相连续的通道，犹如无数根直径很小并弯曲交错的微管。当含油废水经该床时，因粗粒化材料的疏油性两个或多个油珠有可能同时与管壁碰撞或互相之间碰撞，其冲量足可以使它们合并成为一个较大的油珠，从而达到粗粒化的目的。 粗粒化技术的关键是粗粒化材料，目前常用的粗粒化材料有石英砂、无烟煤、陶粒、树脂等。 目前有一种趋势就是将粗粒化技术与斜板除油技术结合起来， 开发出聚结型斜板除油装置。此装备的分离过程不存在重新混合，因而避免了单独使用斜板技术可能引起二次污染的可能性。而且此装置不需要进行反冲洗、安装方便、不易破损。 1.2.4 气浮除油 该方法主要是利用油水间表面张力大于油气间表面张力， 油疏水而气相亲水的特点，将空气通入污水中，同时加入浮选剂使油粒黏附在气泡上，气泡吸附油及悬浮物上浮到水面，从而达到分离的目的。常见的气浮法有以下几种 : （ 1）叶轮旋切气浮 叶轮旋切时， 把水从周围的环形微孔板甩出， 于是安装叶轮的立管形成了真空，采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 4使气从水层上的气顶进入立管，同时水也进入立管，水气混合后一起被高速甩出。当混合流体通过微孔板时，剪切力将气体破碎为微细气泡。气泡在上浮过程中，附着到油珠和固体颗粒上。 （ 2）射流气浮 当含油废水从喷嘴（ eductor/nozzle assembly）以高速喷出时，在吸入室形成负压，从进气管吸入空气；当气水混合物进入喉管后，空气被粉碎成微小气泡，然后进入扩散段，将动能转化为势能，进一步压缩气泡，增大空气在水中的溶解度，最后进入气浮区进行分离。 （ 3）立式诱导气浮塔 立式诱导气浮塔的浮选机理与卧式射流气浮基本相同， 但立式气浮塔产生微米级的密集气泡，可有效去除直径为 58m的油珠和固体颗粒，使含油量降到 6mg/L以下。 （ 4）加压溶气气浮 加压溶气气浮 (DAF)是用水泵将废水加压到 0.2 0.3MPa，同时注入空气，在容器罐中是空气溶解于含油废水中。废水经过减压阀进入浮选池，由于突然减压到常压，这时溶解于废水中的空气变形成许多细小的气泡释放出来。 1.2.5 水力旋流器除油 旋流分离技术属于离心分离的范畴，可分为旋风分离和旋液分离两种，而以水为主体介质的旋液分离器往往也被称为水力旋流器。 水力旋流器有动态水力旋流和静态水力旋流两大类，其中静态水力旋流器因其无运动元件、构造简单、占地面积小而在工程实际中备受青睐。 早在 1891 年 Bretney 就申请了第一个静态水力旋流器专利， 20 世纪 30 年代静态水力旋流器已产品化； 20 世纪 60 年代，静态水力旋流器已发展成为一种标准的固 -液分离设备。相比之下，其在液 -液分离方面的应用要比固 -液分离晚得多，在含油废水型的液 -液分离中更是起步较晚6。 油 -水旋流分离技术研究始于 20 世纪 60 年代末期。在 60 年代末英国Southampton 大学的 M.T.Thew 率先开始研究油 -水旋流器，通过多年的大量试验确定了 35mm 和 60mm 两种污水除油旋流器模型，并在 1980 年 BHRA 组织的国际旋流器学术会议开始陆续公布了他们的研究成果。此后， Thew 的研究成果转让给BWN Vortoil 公司。 BWN Vortoil 公司在 1981 年根据 Thew 的旋流器模拟制成了Vortoil 样机，并在炼油厂用含油污水进行小规模试验。 1985 年， Vortoil 旋流器开采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 5始商业性应用。目前， Vortoil 旋流器已在世界许多油田获得了广泛使用。到八十年代末，其他人又在 Thew 的旋流器的基础上对旋流器的操作性能、流场分布、结构优化等方面进行了大量研究，如美国 Conoco 公司和 Amoco 公司。从此以后水力旋流器逐渐成为工业应用的新型设备。 我国在油 -水旋流分离技术研究方面起步较晚， 20 世纪 80 年代末，国内有关科研单位开始正式成立旋流器科研课题进行研究。他们在引进成套旋流器设备的同时，根据国外文献资料中提供的油 -水旋流器模型尺寸比例，结合自己设计经验，设计出适合我国油田实际情况的油 -水旋流器，开始了油 -水旋流分离技术的实验研究。 水力旋流分离技术属于离心分离范畴， 根据离心力场远大于重力场的原理发展起来。在污水除油方面，它是利用油水密度不同、互不相容及含油污水在水力旋流器中高速旋转时产生的离心力的差异来实现油水分离7。其工作原理是：油水混合液在一定压力下从入口高速切相近入旋流器的旋流腔，形成高速旋转的涡流。因离心力的差异，重质相水被摔之器壁并向底部流动，从底流口排出，轻质相油则被迫移向轴心并向上流动，从溢流口排出，从而实现油水分离过程（如图 1-2-1 所示）。 图 1-2-1 水力旋流器原理 目前最常见的静态水力旋流管是锥型结构的， 锥型结构中又有双锥型旋流管和单锥型旋流管。双锥型旋流管最早就是由英国 Southampton 大学的 M.T.Thew 等人首创的，自上而下由圆筒涡流段、同心缩进段、细锥段、平行尾管段等部分组成；上部开设一个或两个通向圆筒涡流段的切向入口，顶部设有溢流口，底部设有底流口。与双锥型相比，单锥型设计的不同之处首先在于取消了同心缩径段，同时在平行尾管段设有 1 个芯部定向器以增加对细小油粒的捕获。 此外， 旋流管还有曲线结构的。 例如华东理工大学化工机械研究所研制的 HL28采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟 6型旋流管属于此类，这种类型的旋流管根据液体的流场设计，把原有的大、小锥段改成了二次曲线的锥体；英国 Southampton 大学的 Martin Thew 等和 Derek Alan Colman 设计的流线型旋流管 (UK Patent Application GB2211765A)， 同传统锥型旋流管相比，因采用流线型结构而减少了液体阻力，所以分离效果更佳。 除了上述常规的结构类型， 根据不同的需要研究人员研制出了几种新型结构的旋流管：具有特殊溢流管结构的水力旋流器、注聚废水静态水力旋流分离器、充气旋流器 (ASH)、复合式水力旋流器、低入口压力静态水力旋流器。 水力旋流器是目前国内外最具发展前途的液 -液分离设备之一。它具有体积小、无易损件、使用寿命长、运转连续、处理时间短、分离效率高和管理方便等许多突出的优点口，已经被越来越多的部门及有关技术人员重视8。但是水力旋流器在用于含油污水处理时，如果液体旋转速度过高，就会导致油滴剪切破碎，从而增大分离难度。而且水力旋流器对于小粒径油滴的分离效果差。油水分离水力旋流器的分离粒径一般在 30 左右；直径小于 30的油滴在水力旋流器内被分离的概率小于 50 ，而对于直径小于 11的油滴，其被分离的概率基本为零。因此，水力旋流器对直径小于 30的乳化油去除效率较低9。 水力旋