旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究

旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 IV 摘 要 含油污水的处理是当今石油石化行业的一个难题。随着社会发展，人类社会对于石油天然气的需求越来越大，采油污水的量逐年增加。而随着人们环保意识的不断增强，对采油污水的处理标准日益严格，传统的单一单元处理方法已经很难满足实际要求，迫切需要研制开发高效、紧凑型的处理设备。西方发达国家近十多年里面先后研制开发了多种高效、紧凑型的采油污水处理设备，其中旋流气浮组合设备因其获得了成功的商业化应用而最为引人注目，如 Epcon 公司的紧凑型气浮装置(CFU)、美国 Natco 集团的立式气浮分离装置、 CETCO 公司的 CrudeSep等。 本文首先主要介绍了各种传统的单元处理技术，并详细阐述了气浮技术以及影响其处理效率的主要因素， 然后介绍了国内外代表性旋流气浮采油污水处理设备的基本结构和工作原理。 以我校自主研发的第二代含油污水处理用立式旋流气浮组合设备样机为基础，通过借鉴同类产品的相关设计参数和结构方案，自主提出了五种初步可行的结构方案，并对其进行了分析论证对比，确定了斜板出水圆顶集油方案为本次设计的切入点。通过满足旋流强度、水力停留时间、分散相油颗粒沉浮等基本要求，同时应用压力容器方面的相关知识，完成了主体结构的详细设计。论文还使用商业计算流体动力学 (CFD)软件 Fluent 对设备内部的流场进行了数值模拟，以进一步探讨设备内部部分关键结构尺寸对工作性能的影响，以优化结构设计。在此基础上，完成了第三代立式旋流气浮组合设备样机系统的整体设计和技术经济分析，使用 UGNX6.0 软件对整个样机系统及其安装布局进行了三维实体模拟，最后使用 AutoCAD 软件绘制了主体设备的全套设计图纸。整个工作为我校自主研发新型高效的含油污水处理设备进行了积极有益的探索， 部分结论具有较高的参考指导价值。 关键词 ：旋流气浮组合，含油污水，结构设计，数值模拟。 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 V Abstract The treatment of oily water has always been a main problem of the production of gasoline and natural gas. As the society develops, peoples need of gasoline and natural gas will become larger and larger; as a result the volume of oily polluted water will enlarge fast year after year. Which make it worse is that people become more and more aware of the importance of a better environment, the limit of the concentrate of discharged oily water become more and more strict. The traditional single produced water treatment technologies have been gradually unable to meet todays actual need. It is urgent to develop a unit which is both highly efficient and compact, among which the combination of cyclonic and flotation attracts people the most, such as the CFU developed by Epcon company, vertical flotation unit developed by Natco company and the CrudeSep unit developed by CETCO company. Firstly, the paper mainly introduce different traditional ways of oily water treatment, and talk briefly about flotation and the factors that affect the efficiency of it the most. Secondly, it introduces the basic designs and working ways of some representative units of oily water treatment. Based on the vertical flotation system of the second generation developed by our college and referring to parameters and basic structures of other successful units, five proposals that are preliminarily feasible are put up. The analysis and comparison of them are then carried out, and the plan using ramp to discharge water and dome to discharge oil is chosen to carry on the brief design. The design of the main structure is completed by utilizing the knowledge of pressure vessels to meet the requirements of Swirl strength, hydraulic residence time and flotation of dispersed oil particles. The paper also uses the commercialized CFD software Fluent to stimulate the flow in the vessel to research on the effects of key structure of some internal parts, which will help to optimize the design of them. Based on that, the design and technically economic analysis of the vertical flotation system of the third generation are completed. Later the three-dimension stimulation of the prototype and installation layout of the 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 VI whole system is carried out. At last, the full set of design drawings is completed. The whole work is an exploration that is very helpful to the development of highly efficient flotation system of our college, and some conclusions have a high value of reference. Key words: The combination of cyclonic and flotation, Oily waste water, Structural design, Stimulation 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 VII 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 油田含油污水处理的必要性 . 1 1.2 常规处理技术 . 2 1.3 旋流气浮组合型处理技术简介 . 10 1.4 影响气浮效率的主要因素 . 19 1.5 本文的工作内容 . 22 第二章 旋流气浮组合处理设备的方案论证 . 23 2.1 五种可行方案的构思 . 23 2.2 斜板出水圆顶集油方案设计 . 31 第三章 设备主体结构参数的设计计算 . 35 3.1 主要设计参数与罐体总体尺寸的确定 . 35 3.2 运行参数计算 . 38 3.3 工艺计算校核 . 38 第四章 旋流气浮组合处理设备的结构设计 . 43 4.1 设备主体部分详细设计 . 43 4.2 相关补强判定 . 51 4.3 内部零件结构设计 . 51 4.4 其他辅助设备的选型 . 53 4.5 焊缝探伤及压力测试 . 59 第五章 计算机辅助工程及经济核算 . 61 5.1 计算机辅助设计 . 61 5.2 CFD 数值模拟有效模型的建立 . 68 5.3 CFD 数值模拟的分析讨论 . 76 5.4 经济成本核算 . 91 第六章 结论与展望 . 94 6.1 结论 . 94 6.2 展望 . 94 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 1 第一章 前 言 1.1 油田含油污水处理的必要性 当今社会，石油与天然气的重要性不言而喻。然而，与很多其他的生产活动一样，在石油和天然气的开采过程中会产生大量的废水，这些废水一般称为产出水。产出水一般会含有多种有机和无机物质，直接排放会严重污染水体和土壤。 随着社会发展，人类社会对于能源的需求越来越大，迫使石油天然气工业生产出更多的产品，产生出更多得产出水。而另外一方面，环境问题日益严重，人们越来越注重清洁环保的生活，致使产出水排放标准日益严格。 另外，由于油气田老化，油井产出物含水率日益升高。随着陆上石油天然气的不断开采，其储藏量不断减少。海上开采成为未来石油天然气的发展方向，海上产出水产量不断增加（如 图 1-1） ，但是海上油田可以利用的空间有限，且空间十分昂贵，因而迫切需要在原有处理装置的空间内建设处理量更大的设备，设备应尽可能紧凑。 图 1-1 全球海上和陆上产出水量变化及预测图1旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 2 1.2 常规处理技术 油气井产出水含有油类、悬浮固体、胶体、和溶解物质等，其中油类按状态又可分为浮油、机械分散态油、乳化油、溶解油和固体附着油。一般的，油类是主要的去处对象，在除油的同时，其他物质就能得到有效的去除，因而下面主要介绍除油方法。 常规的产出水除油方法有很多种，下面略作介绍。 1.2.1 重力分离技术 重力分离技术依靠的是油的密度与水的密度的差异。如果水静止不动，油会自然上浮到液面。重力分离技术大体上可以分为两类：重力沉降和波纹板隔油。一般地，重力除油效率不高，因而处理装置体积较大，非常不适合海上使用，陆上使用尚可。 (1) 重力沉降 重力沉降是最简单的分离技术，让液体转入较大的沉降罐，仅有重力作用于油和水。装置的处理效果随着油类 API 值的减小变差，因而用来处理轻质油类效果最好。分离需要很长的时间，因而罐体体积很大。海洋应用时，空间非常昂贵，所以此种技术很不适用。当油到达液面以后，有很多撇油方法可以用来将其撇去。进水状况不同，最好的出水浓度为 50-100ppm，显然不能满足现在的实际要求。这类处理罐下游还需要有进一步的分离设备。 (2) 斜板隔油 1962 年出现了第一个波纹板隔油池。斜板隔油池的机理与重力沉降罐的相似，但是其内部倾斜的平板对油滴起到了表面聚结的作用， 同时斜板隔油池也运用了浅层沉降原理，加快了沉降速度。聚结作用使小的油滴合并成为大的油滴，能较快地上浮到水面。 在进水相同时，波纹板隔油池最大的优点在于，较小的装置可以达到与较大的重力沉降罐相似的处理效果，这就大大节约了成本。为了改善设备的处理效果，现今的波纹板隔油池采用一系列的斜板， 并常常与上面提到的聚结材料制成的斜板搭配使用。 斜板隔油池的缺点在于它们只能用来去除粒径大于 50m 的油滴，处理较小粒径的油滴需要大量的化学药剂。同时，斜板隔油池对流体的波动很敏感，在非稳态下，处理效果较差。在处理重油或乳化油时，装置很容易被大量固体堵塞。由于这旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 3 些限制，陆上的此种设备一般与重力沉降罐搭配使用。 1.2.2 混凝除油 自然除油可以去除粒径大于 100m 的浮油和大部分的分散油，但是废水中的乳化油和粒径小于 0.1m 的胶体颗粒则需采用化学方法去除。 常用的化学方法是混凝法，即向废水中投加化学药品，破坏胶体颗粒的稳定性，使废水中难以沉淀的胶体颗粒能互相聚集，形成大颗粒后沉淀下来2。 混凝过程包括混合、反应、凝聚和絮凝几个过程，其作用机理有压缩双电层、电中和、 吸附架桥和沉淀网捕四种。 然而此过程后会产生化学污泥， 造成二次污染，同时处理所需的化学药剂费用较高，这些都增加了其处理成本，都限制了混凝在除油中的应用。 1.2.3 粗粒化技术 亲水亲油的聚结材料作为一种传统的技术在分离工业中应用日益广泛3。这些材料可以使出水中油类物质的浓度达到很低值（小于 5ppm） ，尽管进水浓度可能达到 1500ppm。罐体组件可以非常紧凑，但是主要的问题在于材料对固体载荷非常敏感。 固体载荷可以引起固定通道的形成， 致使水流可以部分甚至全部绕过聚结材料。由于罐体材料的寿命有限，需要定期更换，因而这项技术需要细心操作，且花费较高。进水浓度越高，处理费用就越高。 可以处理不同性质的乳化液和不同特点的水体，这类技术灵活性较强。介质密度合适时，粒径大于等于 2m 粒径的颗粒都可以去除。当上游使用混凝剂时，运用此技术时应当小心操作，因为糊状的混凝材料可能会包裹聚结材料，降低装置的处理效率。 一些新的具有可行性且在产出水处理中运用日益广泛的技术是预聚结。 它们通过增大油滴粒径增强后续操作的处理效果，常常运用于重力分离和离心分离之前。增大粒径可以使接下来的除油过程更加简单。 这些设备常常由大量的成束的聚乙烯细丝组成。这些细丝在产出水流中提供很大的接触面积，吸引小的油颗粒并帮助它们聚结长大，直至油滴粒径太大不能被材料粘附，此时它们再次回到水中。 这种技术被证明可以将 20m 粒径的油滴平均聚结增大到原粒径的 400-500%。预聚结对悬浮固体和石蜡基原油敏感，因为它们容易固化在聚结材料中形成阻塞物，但是预聚结可以极大地强化下游操作的分离效果。 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 4 1.2.4 过滤 在油水分离方面，经济上具有可行性的过滤方法有很多种类。除油中最常用的有砂滤、核桃壳过滤、混合介质过滤器。然而，实际上所有的过滤方法（除了升流式过滤）都有一个共同点：它们都属于深度处理，不太适应较高进水浓度（大于50ppm）的污水。如果较高浓度的油水进入，介质层很快会被堵塞，在滤料中产生裂缝，使其被穿透，之后需要消耗大量的反冲洗水（用于清洗） 。这样，产生的大量的反冲洗废水又需要进行处理，因而其成本可能会很高。 (1)核桃壳过滤 除油中一种较为有效的滤料是压碎的核桃壳， 那是因为核桃壳高度亲水、 亲油，就是说尽管它可以很好地滤掉水中的油，但是它不会被堵塞或与油滴结合（如 图1-2、 1-3） 。因为这些特点，系统进行机械反冲洗时，油可以容易地被释放，滤床再次回到初始状态。 核桃壳过滤器在重油污水处理中频繁应用， 因为它可以将含油污水处理到很低的浓度，而且不会被油类较低的 API 值影响。去除水中油类的同时，它还可以去除95%的悬浮固体（其效果因进水浓度不同而变化） 。 图 1-2 典型的核桃壳过滤器 (2)砂滤 砂滤池的处理性能很接近核桃壳过滤器，但是由于一些很重要的不同，它们在油气工业中的应用日益减少（如 表 1-1） 。 旋流气浮组合设备的结构设计及相关问题研究 5 表 1-1 砂滤池与核桃壳过滤器基本比较 砂滤池 核桃壳过滤器 典型的过滤流量 6usgpm/ft212usgpm/ft2典型的反冲洗时间 12 分钟 8分钟 大概的滤料消耗速率 30%/年 5%/年 滤料再生 溶剂或表面活性剂冲洗 仅仅反冲洗 (3)混合介质过滤 混合介质过滤器由随深度增加孔隙度不断减小的不同介质组成， 这样做的结果是当水通过滤床时滤床捕获的成分粒径越来越小。 最常用的两种介质是石榴石和无烟煤。 图 1-3 介绍了典型的混合介质滤床的结构。除油的同时，混合介质滤床在去除水中的悬浮颗粒物方面也很有效。这类过滤装置通常仅用于去除固体，它们可以去除产出水中