SLS-1含油污水分离处理系统实验装置设计论文.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）SLS-1含油污水分离处理系统实验装置设计摘要：目前，我国大部分油田采用了注水开发方式，每产生一吨原油需要注水2-3吨，因而水和石油生产的关系极其密切，随着我国油田开发的规模越来越大含油污水的产出量愈来愈多。而国内大部分实验设备及其研究内容都是油水分离技术，对于分离出来的污水的再处理还没有专门的实验台。尤其是对水里的乳化油，用物理方法处理还没有看到这样的系统，该方面的研究还主要集中在用化学方法破乳，机械分离法，这种方法势必造成二次污染。本文所设计的含油污水分离处理系统实验装置主要是从四个方面（气浮分离技术，文丘里管的空化射流技术，旋流技术，喷盘空化射流技术）对含油污水进行分离试验，其主要目的是为了对：油田污水处理装置设计优化、动态性能测试及分析研究；油田污水处理系统的设计优化及开发研究；空化射流破乳技术基础研究；因此，油田污水处理回注技术的研究与开发对于油田的生产具有极其重要的作用，从而对节约水资源，保护环境具有重大意义。 关键词：污水分离；实验装置；分离技术The design of experiment equipmental in separatrion treatment of oily wastewaterAbstract: At present most of our oilfield water-flooding mode adopted by the ton crude requires every produce injected 2-3 tons. Thus water and oil production relation are very close. As our country oilfield development scale is more and more big, oily water disposing of it is getting more and more .Whereas most of domestic laboratory equipment and research contents are water-oil separation technology. There isnt the special test bench to separate the sewage processing. Especially for water physical treatments, emulsified fuel still hasnt seen such system, this research is also mainly concentrated in the chemically broken breast, mechanical isolation. This method would cause secondary pollution .This paper is designed by the separation of oily wastewater treatment systems experiment device is mainly from four aspects (floating separation technology, venturi tube of cavitation jet technology, hydrocyclone technology, spray the jet technology) to PanKong separate oily waste-water. Its main purpose is to test for oilfield sewage treatment plant design optimization, dynamic performance testing and analysis. Oilfield sewage treatment system design optimization and development research; Cavitation jet broken breast technology basic research. Therefore, the oilfields sewage treatment back note technology research and development for oil production to have the extremely vital role. Thus to save the water resources and protects the environment are of great significance. .Keywords: sewage separation; test set; separation technology西安石油大学本科毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1 研究的意义和目的11.2 国内外研究状况11.2.1 国内研究状况11.2.2 国外发展现状31.2.3 综上所述：41.3 本设计的主要内容42 油水分离实验台总体方案设计63 气浮装置设计计算73.1 气浮法原理73.2 气浮法的设计参数73.3 投药量计算83.4 药剂量83.5 溶气罐计算83.6 溶气罐的直径83.7 理论溶解空气量93.8 理论需气量93.9 溶气罐实际所需的空气量为：93.10 供气量103.11 空压机所需压力103.12 压力容器壳体厚度的设计计算103.13 压力试验113.14 反应室计算113.15 气浮分离池计算123.15.1 气浮分离池的有效容积123.15.2气浮分离池的有效长度133.16 溶气设备133.17 气浮池传动机构的设计143.18 减速器地选择154 单管旋流子及设计计算174.1 液-液旋流器的工作原理174.2 液液水力旋流器的结构特征184.3 旋流器的基本结构参数194.4 单体旋流器的结构设计194.4.1 设计方案194.4.2 物料平衡要求的确定与计算204.5 旋流器初步设计参数214.6 下面给出流体从泵的出口到旋流器的入口压降的计算：214.7计算旋流器公称直径234.8 确定旋流器的结构尺寸234.9 旋流器材料，局部结构的选择与壁厚的计算244.9.1 材料的选择244.9.2 局部结构的设计244.9.3 旋流器壁厚计算244.10 单管旋流器的强度校核255 文丘里管水力空化装置设计计算285.1 文丘里管的的主要性能参数285.2 影响文丘里管性能的主要因素285.3 文丘里管的结构设计296 箱体水力空化装置设计计算336.1 初步计算射流箱体的容积336.2 该射流箱体内的喷射装置337 管路壁厚367.1 管路材料的选型367.2 管路直径和长度的确定367.3 管子壁厚的确定377.4 管子强度的校核388 管路附件设计选择408.1 阀的介绍408.2 阀门的调节机构448.3 阀门的选择448.4 法兰连接的密封469 泵和电机的选型设计489.1 泵的选型设计489.1.1 泵选型的一般程序489.1.2 泵选型原则499.1.3 泵的选型依据509.1.4 快速确定泵的种类和规格的原则方法509.2 电动机的选型5110 流量计的选择5511 温度传感器5712 压力变送器5812.1 压力变送器技术性能5812.2 压力变送器物理性质5813 总结60参考文献61致谢62西安石油大学本科毕业设计（论文）1 绪论设计背景：水是人们赖于生存的物质基础，是不可替代的最宝贵的自然资源。我国是一个水资源不足的国家。水资源的不足已经成为制约国民经济和社会发展的重要因素。节约用水、提高水的利用率显得特别重要，其中重要的途径之一就是搞好水处理工作。所以，油水分离技术对日趋枯竭的水资源和环境的日益恶化有着积极意义。1.1 研究的意义和目的随着工业化的迅速发展，油品的使用量越来越大，但由于各种技术的限制和管理落后等原因，大量油品进入水体，形成污染。同时随着含油废水的来源的增多，石油工业的采油、炼油、贮油运输及化工工业都会产生含油废水，油轮压舱水、洗舱水、机械工业的冷润滑液、轧钢水的废水中也都含有大量的油品。油污染作为一种常见的污染对环境保护和生态平衡危害极大，并且含油废水是一种量大面广且危害严重的污染源， 随着全球范围水资源短缺的加剧，以及人们对环保的重视和对污染治理力度的加大，含油废水处理技术的研究与应用已是人们的迫切追求。所以，随着我国油田开发的规模越来越大，含油污水产出量越来越多，由于含油污水中含有一定量的原油和其它物质，如不及时处理，随意排放会给人民生活和生产带来严重危害。对含油污水进行处理，并且回注地下，变害为利，解决了油田注水的水源问题和污水排放问题，在生产实践中含油污水回注是合理开发和利用水资源的正确途径。因此在过去的几十年里，人们在分离理论，设备结构及技术等方面已进行了而深入而广泛的研究，并已取得很大的进步。然而，由于水利旋流器内流体流动过程的复杂性，目前关于水力旋流器分离数学模型的研究达到实用化程度的仍然是以经验模型或半经验模型为主。由于经验模型固有的缺陷，人们将致力于研究水力旋流器的理论模型。在设备结构与技术方面，高效多功能一体化的含污水处理设备将成为研究热点。实现有油-水，可溶性有机物-水，悬浮物-谁之间的强化传质作用技术和有机物强化化学技术依然是今后含油水处理研究的重要方向。1.2 国内外研究状况1.2.1 国内研究状况在国内80 年代发展起来的新型分离设备液-液水力旋流器是, 按其结构的不同可分为静态水力旋流器和动态水力旋流器2 种。在油田采出液的预分离方面, 静态水力旋流器具有一定的优势,但仅仅依靠静态水力旋流器不能达到深度水处理的要求。 聚结过程处理含油污水技术在70年代已开始应用所用的床层聚结颗粒为球状和纤维状 ,近来有采用直立的型板的,如采用波纹板、多棱形板 ,也有采用直立的多孔管。在研发新型聚结材料方面, 天津大学的张鹏飞、姚芳连等人研制的高效复合板油水分离器中，将亲油性材料聚丙烯一面进行氧化处理， 赋予其亲水性，一面保持材质不变，实验结果表明，复合聚结板式油水分离器比普通聚结板式分离器的分离效率提高了25%，处理能力提高了40%，且能有效阻止流体扰动而产生的油层夹水，水层夹油及油膜，水膜的断流 。华中科技大学王敏等以镀锌板为基材，在其表面涂覆一层亲油性涂料, 开发了一种新型聚结板材。针对我国目前油田对聚结机理的研究较少，对聚结材料除油性能了解不多的现状，浙江大学陈雷、王鹤立等人对聚结除油性能及机理进行了深入研究, 他们分别对聚丙烯、陶粒、石英砂，无烟煤、不锈钢及聚氯乙烯等几种不同性质、不同形状的聚结材料进行对比实验，最后得出结论: 采用聚结除油时，润湿聚结机理和碰撞聚结机理同时存在时，更有利于聚结效果的提高，且填料的空间构形是影响聚结效率的重要因素。70年代末期 ,吸气浮选技术被用于污水处理 ,取得了较好的效果。公司的叶轮吸气浮选机已被广泛应用,除油效果较好 ,其结构如图 3所示但叶轮浮选机制造，维修麻烦,能耗较高。为克服叶轮吸气浮选机的缺点 ,又出现了喷射浮选装置 ,如图4所示喷射浮选装置用液气射流泵代替旋转叶轮 ,这样可用一个水泵提供动力 ,大大节省了能耗 ,且制造安装，维修方便 ,操作安全,具有很大的研究和应用前景。早在1885 年,人们发现管内旋流运动可用来除去空气中的尘埃,而水力旋流器根据这个发现逐渐发展起来的1 。在随后的一百多年中,水力旋流器一直被认为是分离两种具有不同密度的介质(互不相溶)的首选设备。并且,其应用领域也越来越广,如:选矿、化工、石油、食品、纺织、医药等许多工业部门。水力旋流器是一种新型、高效、经济的分离设备,它在油田油水分离系统中所发挥的作用将越来越大。1.2.2 国外发展现状目前，国外油田含油污水处理工艺与我国大体相同，主要也是除油和过滤两个阶段，多以气浮选、水力旋流器、高效聚结除油装置为主。比较典型的是Bakers油田含油污水处理站，该站采用气浮选和两级过滤工艺。另外，还有美国帕若根工程服务公司研制出的三合一含油污水处理系统（TCC），该系统把聚结、沉降、旋流和气浮方法组合成一体，除油效率高达95以上。80 年代初, 英国南安普顿实例中也证明了进行柱塞优化选配的合理性。动态水力旋流器最初是为了适应海洋平台上处理含油的油田产出水而开发的。 在此之前,海上石油生产用的水处理设备与陆上使用的设备类似,质量重、 占地面积大、 费用高, 不能满足海上平台的要求。1989年中国海洋石油公司与美国石油公司在南海联合开发的流花11-1油田，开始在海上石油开采平台上使用旋流分离器处理含油污水。国内油田也引进了旋流脱油设备。国内自南海油田进口油水分离旋流分离器以来，一些科研院所开始在仿制的基础上进行研究，但是，由于旋流分离器内流场（三维不对称湍流流场）的复杂性，加之国内研究起步晚、起点低，缺乏系统性的研究，旋流脱油技术在国内还没有全面推广。在70年代末期重力分离技术有了很大的发展,多层板隔油池有平板、斜板 、波纹板及“人”字形、蜂窝形、管状结构等各种形式 ,应用最为广泛的是斜板管#隔油池。图 1 所示是斜板隔油池的主要结构自从斜板隔油池问世以来,于操作费用低,无二次废料的处理和污染问题,因而人们对这类板式油水分离设备一直给予了很大关注。不但出现了不少专利,且陆续有多种新型油水分离设备商品化。如美国公司的隔油设备和美国公司的产品，以减少板距来提高其除油效率,但固定支撑比较困难,且装置 空间有效利用率低。又如美国公司的产品，采用六角形锥体成型板构成板组,以强化油水分离过程,但结构复杂,制造成本高。 英国石油公司发明了一种分离器,用于水面上浮油的分离。这种分离器 由若干回转圆盘组成,动力设备可采用 电动机,风动马达或液压马达。分离器内还装有刮料装置,用于刮除回转盘上收集到的浮油。分离出的油被送入油槽内。发明了一种气流净化工艺,所采用的是一种吸附式过滤器。当该过滤器吸附的杂质达到某种程度,便会用某种输入的惰性气体所解吸 ,使过滤器恢复原有的吸附性能。这种工艺过程十分简单,而且控制方便在建立的三相分离模拟实验装置上, 对美国C2E N atco 公司的Perfo rmax 分离器、河南石油勘探局的HN S2 型分离器和近年研究开发的重力式油水分离结构优化的设备进行了研究。结果表明, 结构优化设备的分离特性优于HN S2 型分离器和美国C2E N atco 公司的Perfo rmax 分离器, 是新型高效重力式油水分离设备更加理想、实用的结构模式。美国Nu- Corp国际技术公司开发一种油水分离系统 XpaK 系统,分离效率达97%。该系统利用不互溶液体的不同比重方法, 可适用于不同浮力的不互溶液体的任何混合物。在分离过程(流程)中,固体物首先被隔离出来, 并在一个感应涡旋式固体悬浮罐中回收这些固体物。1.2.3 综上所述：（1）各种含油污水处理技术各有 自己的优缺点和适用范围 ,欲开发一种普遍适用的技术是很难的 ,因此单独使用某种分离方法效果往往不佳。在实际应用中，必须把若干种方法联合使用,组成完整的处理工艺。如现在广泛应用的处理工艺是隔油 、气浮和过滤。（2）选择合适的污水处理技术 ,不但要考虑技术本身的特点,还要考虑含油污水的性质 ,包括：水温 ,水中含油量,水溶解的无机盐和其他化学药品,水中油滴的粒度分布 ,油的凝点 ,水中固体颗粒含量及其粒度分布。（3）一般说来 ,如果油的密度较小 ,乳化不很严重 ,可采用浮升一 聚结技术， 因其可以在较短的时间内达到较高的脱油效率。对于油密度较大 ,固体悬浮物较多的含油污水 ,可采用吸气浮选。如果对处理水质要求较高,则采用多级串联处理工艺 ,如浮升聚结 一 吸气浮选 一过滤。（4）化学药剂的使用非常重要。在处理含油污水中,加人适宜的化学药剂,可达到较好的处理效果。适宜的化学药剂不但与水质有关,而且与药剂的种类和浓度有关,必须通过实验进行选择 ,以达到最佳处理效果。（5）现有污水处理设备的改进主要是其内部构件的改进和采用新技术1.3 本设计的主要内容（1）查阅收集有关油污分离技术的资料，理解分离原理和实验结构，实验步骤, 了解国内外分离技术的研究与应用现状和发展趋势，搞清本次毕业设计所要设计的内容，在此基础上完成开题报告。（2）查阅有关油水分离的外文资料并选定一篇进行翻译。（3）分析常规分离技术的特点及其所存在的缺陷，提出SLS-1含油污水分离装置系统实验装置设计的最优方案。（4）画出结构草图，并根据任务书所给数据进行计算和校核，并对初步方案和草图进行修改。（5）根据系统的要求，进行系统硬件、软件的应用、研究了数据采集与处理、串口通信的实现中重点、难点问题，进行了各个模块的具体实现；（6）完成毕业设计论文。2 油水分离实验台总体方案设计一般而言，含有污水中油在水中的存在状态是不同的，对于一些油污在水中处于不溶状态，也就是说油和水没有融为一体。这种油水混合物可以选用旋流分离技术进行分离，主要原是有油和水的密度是不同的，由于密度大的其向心力就大，促使其往管路的边上移动，继而顺着管壁移动，从底流口流出。而密度小的其向心力小，始终处于旋流器的中心位置，继而向上移动从上溢流口流出，从而达到了油水分离的目的。但是对于乳化油，分散油和部分溶解油，对于这种流体，其油和水成为一的，无法根据其密度差进行分离，所以，就必须使这种油水混合物通过某种方法来使油和水成为非溶解，非乳化状态。本实验台的含油污水的分离原则选用的是先破乳，再旋流分离，而破乳的方法是：气浮法，其原理是要是将气体通入含油水，使水体成为水-气-油滴三相混合体系，由于大量微小气泡从水中析出粘附在油滴上，使油滴的整体密度明显小于水而易与水发生分离，从而达到油水分离的目的。而空化射流技术，其原理主要是用高压柱塞泵将含油混合物打入文丘里管内，在喷嘴处产生低压，速度极具增加，继而通向扩散管（其压力增大，速度减小）使得油水混合包破裂，再经旋流分离，就可以达到最佳的效果。根据以上的分离技术要求和基本原理，我们设计的实验方案是用离心泵把油水混合物抽入重力沉降箱内（必须在进入各个分离装置之前）在用高压柱塞泵把油水混合物分别通入各个分离装置后，再进入旋流器进行分离。其实验方案流程如下图所示：图2-1 油水分离实验台方案图3 气浮装置设计计算3.1 气浮法原理气浮法亦称浮选法，其工作原理是设法在水中通入或者产生大量的微细气泡，形成水，汽及去除的物质三相非均一体，在界面张力，气泡上浮里和静水压力差的作用下，使气泡和被去除物质结合体上浮至水面，实现油水分离。3.2 气浮法的设计参数根据实验方案的的流程图可知：该气浮方式为全溶气气浮法。（1）流程如下图所示：图3-1 气浮流程示意图（2）进水水质: PH=6.58.5 含油量100mg/L1. 投加药剂剂（品种和数量根据实际水质筛选决定）：硫酸铝2535mg/L;或或有机分子凝聚剂110 mg/L;2. 混凝反应：管道和水泵混合无反应室：3. 溶气罐：宜采用一间气浮池配一个溶气罐，溶气压力0.30.55Mpa（表压），溶气时间13min，直径=24，压缩空气的压力为20.5Mpa。4. 气泡颗粒：取30100 5. 气浮分离：停留时间6090min，水平流速46mm/s，有效水深 1.52,5m，池宽可以选2m，长宽比=3左右。池顶也可以加盖。6. 刮渣机：链条链板式或者行车式，刮板行进速度50100mm/s，推荐逆刮，也可以顺刮。3.3 投药量计算 （3-1）式中：G每小时药剂消耗量，Kg/h；M投药量，mg/l；Q处理废水量，m3/h。根据原始数据：废水的处理量为3m3/h，投药量为20mg/L。计算得到药剂的消耗量为： =60Kg/l。3.4 药剂量 （3-2）式中：药剂量，即每小时投加药剂溶剂液量，kg/h； 每小时的药剂消耗量； C药液重量百分浓度；(假设溶液溶液浓度为0.1)。=60/0.1=600kg/h3.5 溶气罐计算 （3-3）式中：W溶气罐的有效容积，m3； q单个溶气罐的进水量； t溶气罐的停留时间，一般为13分钟。代入数据得到：=0,1m33.6 溶气罐的直径 （3-4）式中：D溶气罐的直径； W溶气罐的有效容积； =圆周率；H溶气罐圆柱部分的高度；设计溶气罐高H=0.6m.代入数据得到：= =0.46m查表得到该容器的公称直径是500mm。3.7 理论溶解空气量 （3-5）式中：C理论溶解空气量；ml/L； P溶气罐的绝对压力； 溶解系数。见表239。代入数据得到：已知废水的温度为20，查下表得到736 =17.88.溶气罐的工作压力为0.5Mpa,相当于5个大气压，故容气量为：C1=17.885=89.4ml空气/L水。3.8 理论需气量 C1= =17.88 （5-1）=71.52.表4-1 不同温度下的KT值和736KT值温度 KT值736KT00.037727.75100.029521.71200.024317.88300.020615.16400.017913.17500.014511.703.9 溶气罐实际所需的空气量为：q1= （3-6）式中：q1溶气罐所需的空气量，m3/h； C1理论需要的溶气量，ml/L；溶气效率，一般选0.60.9；q溶气罐进水量,m3/h。代入数据得到： q1=m3/min。3.10 供气量 q2=2Nq1 （3-7）式中：q2供给的空气量, m3/h； N溶气罐的个数；q1每个溶气罐所需的溶气量；2富裕系数。代入数据得到： Q2=2N q1=2 1 0.24=0.48 m3/min可选用风量为0.5m3/min的空压机。3.11 空压机所需压力因为溶气罐的工作压力为0.5mpa，空气管道的沿程阻力和局部阻力可逐项计算，一般空气管道总阻力不会超过0.1Mpa。故空压机所需的压力为：P2=p+p阻 (3-8)式中：p2供风风压，Map p溶气罐表压，一般为0.350.55 ，Map；p阻空气管道阻力，Map。代入数据得到：P2=0.5+0.1=0.6 Map故可以选择名牌压力为0.7 Mpa或者0.8 Mpa。3.12 压力容器壳体厚度的设计计算1.该容器内的工作介质为易腐蚀，不易爆的流体，所以壳体的材料选用20#。2.设计压力 p=（1.051.10）0.5=0.5250.55（Mpa），取p=0.53 Mpa。3.计算压力pc。由于溶气内是液体介质，考虑液位静压力，故取pc=p+,初步估计液体的高度为0.4m，为液体的重度。则pc=0.53+0.49093.5=0.5336Mpa。4.设计温度t和许用应力。根据介质温度，设定t=20，则=130 Mpa。5.焊接系数。筒体全溶透双面焊对接接头，20%局部探伤，取=0.85；封头采用全溶透双面焊对接接头，100%全部探伤，取=0.85。腐蚀裕量C2，由于空气介质对碳钢的腐蚀程度较小，故去C2=2.0mm。6.计算厚度= （3-9）代入数据得到=1.23mm设计厚度为=+ C2=1.23+2=2.23mm考虑到钢板厚度负偏差C1和圆整量，取=8mm（C1=0.8mm），则有效厚度 =（C1- C2）=8-（0.8+2）=5.2mm。按照GB1501998的规定，=3mm，故满足要求。3.13 压力试验首先计算试验压力，因本设计条件无特殊要求，可以选用水压试验。常温下=113Mpa，水压试验的最低压力为： PT=1.25p=1.250.5336=0.579 Mpa在进行压力试验前的应力校核。查表得到=245 Mpa，试验压力下圆筒的应力为：=29Mpa30水的密度,油的密度水的动力粘性进口含油量约1000mg/L，底流出口含油量40mg/L根据王军、胡纪军、李太平等人在2002年5月第16卷第3期河南石油中发表的论文双锥型液-液旋流分离器分离特性试验研究中提到，通过试验表明，当旋流器结构一定时，压降仅与进口流量有关，不受溢流量的影响。压降与沿程阻力损失和局部阻力损失有关。4.6 下面给出流体从泵的出口到旋流器的入口压降的计算：管路压力的降低原因有多种，但是其主要原因是局部压力损失和沿程压力损失两者的共同作用导致的。（1） 计算沿程水头损失的公式是达西公式 （4-3）式中：为沿程阻力系数； d为管路直径； v为管路内流体的速度； g为重力加速度。流体的流量为3m3/h，管路的公称直径为50mm。由公式计算得到流体的速度为0.44m/s，初步估计管路的有效长度为7m。计算该管路流体的雷诺数Re= （4-4）式中：v-为管路内流体的速度； d-为管路直径； -为管路内油水混合物的运动粘度系数（查水力学和水利机械教材）的到=。代入数据得到雷诺数Re=425.32320 即该流动区域为层流区，则=0.15 （4-5）把以上数据代入沿程阻力的计算公式得到：=0.12m。(2) 计算局部阻力损失：式中：为局部阻力系数（查水力学和水力机械教材表54局部阻力系数）的到弯头处得局部阻力系数为： （4-6）式中：R为管路中心线处得半径； 为弯管的角度为900。此处的R=53.5mm。代入数据得到：弯管处得局部阻力系数 1=0.13126，弯头的个数为六个。查（水力学和水力机械教材表54局部阻力系数）截止阀处得局部阻力系数2=1.6. 阀的个数为7个。代入上面得到的数据：则管路的局部阻力为 =（27+16）=（0.78+11.2）=0.118m。从而的到总的阻力损失：=0.118+0.12=0.238m。即压降=式中：为油水混合物的重度；（查水力学和水力机械教材表13）即 压降=0.2389093.5=2164.8Pa。4.7 计算旋流器公称直径根据公式（8-1）计算旋流器的公称直径： （4-7）式中：Qi旋流器的入口流量为3m3/h；连续油水相的密度取986Kg