（机械工程专业论文）聚合物驱游离水脱除设备研制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文研究目的在于较为完整的掌握用于大庆油田聚合物驱采出液处理的 游离水脱除器的结构、使用工艺及现场应用的技术。 游离水脱除器是处理聚合物驱地面采出液的关键设备之一。对它的研究 分为3 个步骤：1 室内聚结填料试验2 现场中型应用试验。3 进行生产应用。 通过室内聚结填料试验、现场中型应用试验、进行生产应用，完成了整 个研究过程总结以上研究结果，我们获得以下结论。 i 通过室内聚结填料试验，确定了的游离水脱除器聚结填料的结构参 数，确定了游离水聚结填料的各影响参数，为现场应用提供技术支持。续验 和模拟计算都表明，影响聚结填料脱除效因素有流量、填料组长度、填料比 表面积、填料材质。流量对油水分离的分离程度影响很大。填料组长度在一 定范围内，加长填料组，有利于油水分离；但超过某一数值，加长填料组， 对油水分离的影响效果不大。因此，选取合适的填料组长度，对于工业应用， 具一定的经济意义。产一， 2 通过现场中型应用试验，我们得出：采出液含聚合物后，增加了水的 粘度，使游离水脱除难度加大采出水的粘度仍随聚合物浓度增加而增加； 游离水脱除器的脱除质量与采出液中聚合物含量有关。廉合物含量小，所需要 l 的停留对阅短、聚合物含量高，所需要的停留时阀则加长：游离水脱除的效果使 用的破乳剂品种和加入量有关；处理聚合物骡采出液时，建议使用破乳剂 f p w - 3 2 0 。卜 3 通过生产应用，不断完善了研究结果，为大庆油用不同采油厂提出了 达到处理指标的游离水脱除参数。现场应用测试标明，研制的游离水脱除器 哈尔滨t 稃大学硕十学忙论文 满足了大庆油不断增长的处理聚合物驱采出液处理的需要，处理后各项指标 f 达到了预定指标。完成的技术指标：在来液含水：6 0 9 0 ，操作温度：3 8 【 4 2 停留时间：2 0 m i n 加药量f p w - 3 2 02 0 r a g l 或s p l 6 93 0 4 0 m g l 的情况f ，采出液处理后达到：油中含水 3 0 ，污水含油 2 0 0 0 m g l ， 形成一套适合于注聚合物驱的原油脱游离水配套设备上人一 4 用聚驱游离水脱除器，每建一个站，一次可节省基建投资1 2 0 万元， 每年节省生产费用总计3 1 0 9 万元。大庆油田已建3 0 座联合站系统，仅节约 壤建投资3 0 1 2 0 = 3 6 0 0 万元：每年节省生产费用9 3 0 2 7 万元，经济效益十 分显著。 关键词：游离水：脱除：游离水脱除器：聚合物：聚合物驱 哈尔滨1 ：稳大学硕十学何论文 a b s t r a c t t h i ss t u d ya i m st om a s t e rt h ef w k o s t r u c t u r e ，t h e 仃e a ：c i n gp r o c e s s e sa n d o i l f i c l d sa p p l i c a t i o n s t e c h n o l o g yo f f w k o t h ef w k oi so n eo ft h ek e yf a c i l i t i e si n t r e a t i n g p r o d u c e df l u i do f p o l y m e rf l o o d i n gi nd a q i n g o i lf i e l d t h es t u d yi sd i v i d e di n t ot h r e es t e p s i e ( 1 ) i n d o o r sc o a l e s c e n c e t e s t ( i ) m i d d l e - s c a l ep r o d u c t i o nu s e ( 3 ) t h e o i l f i e l d s a p p l i c a t i o nu s e s t h r o u g h t h ei n d o o rc o a l e s c e n c et e s ta n dm i d d l es c a l ep r o d u c t i o nu s ea n dt h e p r o d u c t i o na p p l i c a t i o nu s e s ，t h er e s e a r c hp r o c e s s e sh a v eb e e nf i n i s h e d t os i l mu p a b o v e r e s e a r c h i n gr e s u l t s ，w eo b t a i nt h ec o n c l u s i o n s a sf o l l o w s 1 t h r o u g ht h ei n d o o rc o a l e s c e n c et e s t , w eh a v ed e t e r m i n e dt h es t r u c t u r e p a r a m e t e r o f c o a l e s c e n c em a t e r i a l so f f w k oa n dd e t e r m i n e dt h e a f f e c t i n gf a c t o r s o fc o a l e s c e n c em a t e r i a l ；t h e yw e r et h eb a s e sf o rt h eu s eo ff w k o i no i l f i e l d s p r o d u c t i o n u s e t h et e s ta n d s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h er e m o v i n ge f f i c i e n c yo fc o a l e s c e n c em a t e r i a l a r ef l o wr a t e t h e p a c k i n gl e n g t h o fc o a l e s c e n c em a t e r i a l ，t h er a t i o - s u r f a c et h e c o n t e n t so f c o a l e s c e n c em a t e r i a l t h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o ri sf l o wr a t e a tac e r t a i nr a n g e o ft h e p a c k i n gl e n g t h , i n c r e a s i n gt h el e n g t ho fp a c k i n gi sp r o p i t i o u s t ot h e s e p a r a t i o no f w a t e ra n do i l i ft h el e n g t hi sm o r et h a naf i x e dl e n g t h ，i n c r e a s i n g t h el e n g t ho f p a c k i n g ，i ti sn o u s et oi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y s od e t e r m i n i n gt h e s u i t a b l ep a c k i n gl e n g t hi sv a l i df o r p r a c t i c a lu s e s 2 t h r o u g ht h em i d d l es c a l ep r o d u c t i o nu s e eh a v eg a i n e dt h a tw i t ht h e a p p e a ro fp o l y m e ri nt h ep r o d u c e df l u i d ，t h ev i s c o s i t yo fw a t e rw a si n c r e a s e d ，i t m a d et h es e p a r a t i o no ff r e e - w a t e rb e c o m ed i f f i c u l t y t h e v i s c o s i t y o fw a t e r 哈尔滨= i ：程大学硕士学位论文 i n c r e a s e dw i t ht h ec o n t e n ti n c r e a s eo fp o l y m e ri nt h ep r o d u c e df l u i d t h eq u a l i t y o ff w k oi s r e s p e c t t o p o l y m e rc o n t e n t s o ft h ep r o d u c e df l u i d t h el e s so f p o l y m e rc o n t e n t s ，t h es h o r t e r o ft h es e t t l et i m e t h em o r eo f p o l y m e rc o n t e n t s ，t h e l o n g e ro ft h es e r l et i m e o t h e r w i s e ，t h ek n o c k o u te f f i c i e n c yo ff r e e w a t e ri s r e l a t e dt ot h et y p ea n dt h eq u a n t i t yo fd e m u l s i f i e r w h e nt r e a t i n gt h ep r o d u c e d f l u i dw i t hp o l y m e r , w er e c o m m e n dt h a ti ti sb e t t e rt ot l s et h ed e m u l s i f i e ro f f p w 一3 2 0 3 t h r o u g ht h ep r o d u c t i o n 印p l i c a t i o n su s e ，t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r eb e e n i m p r o v e da n dt h ep a r a m e t e r ss u i t e df o rd i f f e r e n to i l f i e l d sh a v eb e e nt a k e no u t t h eo i l f i e l d sa p p l i c a t i o n su s ep r o v e dt h a tt h ed e v e l o p e df w k o w e r es a t i s f i e dt o t h en e e d sf o rd a q i n go i f f i e l dt oc o n t i n u o u s l yi n c r e a s et h et r e m i n gp r o d u c e df l u i d s o fp o l y m e rf l o o d i n g ，a n dt h ep a r a m e t e r sa r es m i s f l e df o rt h ep r e c o n c e r t e dv a l u e t h ea c h i e v e dv a l u ea r e ：t h ei n l e tw a t e rc o n t e n t s ：6 0 9 0 。t h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e3 8 4 2 。c ，s e t t l 啦t i m e ：2 0 m i n ，t h ed e m u l s i f i e rd o s a g e ：f p w - 3 2 0 2 0 m g l o rs p l 6 9 3 0 4 0 m g l ，t h eo u t l e t ：w a t e rc o n t e n t si no i l 3 0 ， o i lc o n t e n t si nw a t e r 2 0 0 0 n a g l a tt h es a m et i m e ，w eh a v ee s t a b l i s h e das e t o ff w k os u i t e df o rp o l y m e r f l o o d i n g 4 t oa p p l yf w k o o f p o l y m e rf l o o d i n g t oc o n s t r u c tat r e a t i n gs t a t i o n c a ns a v e c a p i t a l c o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n t1 2m i l l i o n i no n ey e a r3 10 9 m i l l i o n so f p r o d u c f i o ne x p e n s e sc o u l db es a v e d i n d a q i n g o i l f i l e d3 0s e t su n i t e d s t a t i o n sh a v eb e e nc o n s t r u c t e ds oo n l yt h es a v e d c a p i t a lc o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n t s w o u l db e3 6m i l l i o n s ，i no n ey e a rt h ep r o d u c t i o ne x p e n s e sw o u l ds a v et o9 3 ，0 2 7 m i l l i o n s t h ee c o n o m yb e n e f i t sr r et r e m e n d o u s k e y w o r d s ：f r e ew a t e r ；r e m o v e ；f w k o ；p o l y m e r ；p o l y m e r f l o o d i n g 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 以注聚合物驱油为主体的三次采油技术，是一项适合于大庆油阳的增油 措施。经过“八五”攻关，基本技术界限已经确定，达到了工业化应用的条 件。聚合物驱油技术在“九五”期间的工业化应用，已经成为大庆油田高水 平、高效益、可持续发展的重要基础。经过多年的攻关，我们研制出了适应 聚合物驱采出液处理的高效破乳剂，开发了包括游离水脱除和电脱水在内的 原油脱水配套工艺技术。其研究成果的推广应用和在实践中的完善，解决了 生产中存在的问题，确保了聚合物驱油技术工业化顺利实施。 在“八五”末及“九五”期间，在喇嘛甸、萨尔图油用的大部分地区， 开展了大规模工业化聚合物驱采油。截止2 0 0 0 年底，转油站、放水站和脱水 站建成情况和建成规模分别见表1 1 和表1 2 。到2 0 0 3 年底，全油罔聚合物 驱累计采油已经达到6 0 1 2 1 7 xi 0 t 。 表1 1 转油站、放水站和脱水站建成情况 工程概况 项目名称数量 单位 萨中萨北萨南喇嘛甸合计 转油站座 i 01 2522 9 放水站座 522413 脱水站座 2 2 哈尔滨_ j ：程大学硕十学位论文 表1 2 转油站、放水站和脱水站建成能力 建成能力 项目名称规模 单位 萨中萨北萨南喇嘛甸合计 转油站1 0 t d l n ，q 8 7 04 6 02 7 02 6 2 3 放水站l o t d 8 5 01 8 43 8 31 1 7 42 5 9 1 一段1 0 1 t d 7 6 4 7 6 4 脱水站 二段1 0 1 t d 0 6 50 6 5 在“九矗”期间，大庆油田每年要注入干粉5 万吨，新增含聚合物采出 液5 0 0 0 力吨。在“十五”其间，聚合物驱每年将新增产能1 0 0 0 万吨以上， 聚合物驱已成保持油田持续稳产的主要措施。 1 1 项目研究的目的及意义 油田地两坐产的丁艺流程框图及见表： 。从生产流程框图看出，从油井 产出的采出液，先进入计量问，计量、汇总后，进入中转站，进行气液分离， 然后输送至n 联合站系统进行油水分离，合格的原油进入原油稳定系统，最 后进入成品油储罐，经外输泵输送到炼油厂或火车运到炼油厂。 从地面采出液的组成来看，油井采出液为油气水三相，油中含水在 8 0 一9 2 。在计量间，对要进行计量的单井完成简单的气液分离后，进行单井 计量；之后，混合输送到中转站。在中转站，完成气液分离，采用设备为气 液分离器和天然气缓冲罐。分离的天然气进入气体处理系统，而分离出来的 液体，含水率为8 0 9 2 。通过泵升压后输送到联合站。在联合站，首先进行 游离水脱除。将食水率8 0 9 2 的食水原油，沉降分离如游离水，使分离后的 油介质为乳化液，含水率低于3 0 ，成油包水形念。而分离出来的水，含油 量低于0 3 ，进入污水处理系统。由游离水脱除器分离后的乳化油，再进入 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 3 油田地面工艺及设备 原油 采油井计量间中转站联台站外输系统 稳定站 采油井有3多口采油井多座计量间 多座中转站 脱除原油成品油储 汇合、集中。 种：抽油机、在计量间汇汇合、集中。中的组份罐、外输泵 完成游离水 螺杆泵、潜台。同时完完成气液分 脱除、乳化油 组份，降低外输炉 油电泵。成每口油井离。气体单脱水、污水处饱和蒸汽 采出液为油的计量、掺独输送、液 理、注永站升 压、达到稳 压。脱水合格 气水3 相。水分配。介体用外输泵定的目的。 的原油输送 质为油气水升压后输送 到原油稳定 士耍设备 3 相。到联合站。 装置。处理合为原油稳 格的污水升 定装蓝。 压后进入注 水系统。 电脱水器，进行电化学脱水，脱除乳化液中的水份，成为合格原油，此时， 原油中含水率低于0 5 ；而在电脱水器中脱除的那部分水也与游离水脱除器 脱除的大量游离水一起，进入污水处理系统中。 油田生产中脱水最主要的环节是游离水脱除和乳化液破乳脱水。丽游离 水脱除则是油田脱水的关键环节，在此部分，需要脱除8 0 以上的采出水。 由于采用聚合物驱采油，地面采出液的性质与常规注水开采相比发生了很大 变化，使采出液处理的难度加大。因此，本课题的主要目的就是，1 ：展聚合物 驱游离水脱除器的研究，开发出适合于聚合物驱采出液处理的新型游离水脱 除器。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 项目研究方式 图1 1 所示为一台典型的游离水脱除器。它分为入口布液部分、油水初 步导流分布区、第一段分离聚结填料、第一沉降分离区、第二段分离聚结填 料、加速沉降分离区、缓冲区和油水收集排除结构部分组成。 油水混合物进入分离器( 油为分散相) ，经过波纹板填料时，随着流体的 流动，同时由于重力和浮力的作用，油滴上浮到作为聚结元件的波纹板的下 表面进行聚结、分离，在出口区，已经分离的油和水沿着各自的出口排出。 游离水脱除设备的效果好坏，与聚结填料的聚结效果、排列方式以及设 备的整体结构有很大的关系。 厂 ? 州 j j 、 y - j 一1 _ 制 ， l ；、 i j1 r 、 t i州 图1 1 波纹板填料油水分离器 本项目的研究分为： ( 1 ) 室内聚结填料试验首先进行室内聚结填料试验，确定出合适的游 离水脱除器聚结填料。 ( 2 ) 现场中型应用试验。在油田现场，确定出合适的各项结构参数，为 油田地面工程提供依据。 ( 3 ) 进行生产应用。通过生产应用，不断完善研究结果。 1 3 项目的研究内容 1 3 1 室内聚结填料试验 填料机理研究、结构简化、实验、流经填料的油滴分布形态分布测试、 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 填料厚度与聚结效果分析。新型填料的开发：针对注聚合物驱采出液游离水 的特点，进一步开发新型填料，研究填料的材质及组份、表面特性、板材厚 度、分块结构。 1 3 2 现场中型应用试验 针对注聚合物驱采出液游离水的特点，优选设备的进液方式、结构；乳 化油的收集结构、安装位置；游离水的收集结构、安装位置等。 1 3 3 进行生产应用试验 填料的分布方式、组合形式及安装结构的研究：研究填料在设备内的稚 置位簧、组合形式及填料安装所要求的结构。 1 4 项目取得的成果及获得的效益 经过刻苦攻关，取得了下列成果。 ( 1 ) 完成的技术指标：在来液含水：6 0 9 0 ，操作温度：3 8 - - 4 2 c ， 停留时间：2 0 m i n 加药量f p w 一3 2 02 0 m g l 或s p l 6 93 0 4 0 m g l 的情况 下，采出液处理后达到：油中含水 3 0 ，污水含油 2 0 0 0m g l ，形成 套适合于注聚合物驱的原油脱游离水配套设备； ( 2 ) 完成了生产设备的系列化：规模为：5 0 0 0 m ：d 、8 0 0 0m 3 d 和1 2 0 0 0 m ： d 。 ( 3 ) 聚合物驱游离水脱除器在油l ；r 的产能工程中全部得到应用。到 2 0 0 3 年，已达到了全部处理聚合物驱采出液。靠聚合物驱技术。大庆油i ：1 t2 0 0 3 年新增原油1 0 0 0 万吨，弥补了由于含水率递增等各种不利因素造成的产能大 幅度递减，保证了4 7 8 0 万吨产油计划的完成。 ( 4 ) 采用开发的游离水脱除器，使大庆油阳每年节能降耗、降低地面建 哈尔滨工程大学硕十学位论文 设投资3 6 0 0 万元、降低生产成本达9 6 2 7 多万元。 ( 5 ) 该项目参与的“九五”国家重大技术装备国产化研制项目中“大 庆聚合物驱三次采油成套装备研制”获得2 0 0 0 年度国家科技进步二等奖： 同时，参加的配套项目“聚合物驱采出液高效处理技术研究”获得2 0 0 1 年 度中国石油天然气集团公司技术创新奖二等奖。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章游离水脱除器填料 2 1 波纹聚结板填料简介 波纹板聚结填料是把聚结分离法和重力分离法结合起来的一种加速重力 分离的措施其中波纹板填料是聚结元件。具有设备简单、效率高的优点。 波纹板聚结油水分离机理是：油滴在重力作用下浮升于聚结介质表面，依靠 油滴与聚结介质表面发生吸附、润湿、碰撞、聚结等过程，使油滴长大形成 液膜或大液滴，在重力和流体流动的作用下，液膜或大油滴从聚结介质表面 脱除，完成油和水的分离。 r 参 图2 1 波纹板聚结油水分离过程 若干波纹平行且垂直排列的波纹板片所组成的波纹板填料是油水分离器 中最常用的波纹板填科，一系列波纹板组交错放置，缩短了油滴的浮升高度 和时间；波纹板提供了流体的曲折通道和微倾角，增大了油滴的碰撞和聚结 表面，有利于板上油膜的上浮并且波纹板组件的强度和刚度增大了，从而更 快完成油水分离。 图2 2 为与波纹板方向垂真的法线截面上波纹填料片结构示意图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 波纹板片结构示意图 波纹板填料作为聚结元件，其作用主要有以下几个方面： ( 1 ) 填料将分离器分割为多层通道，从而缩短了分散相的浮升( 或沉降) 距离( 浅池原理) ； ( 2 ) 填料为油水分离器提供了较大的分散相聚结表面： ( 3 ) 填料交错放置所形成的通道提供了更大的分散相颗粒问碰撞的机率； ( 4 ) 填料波峰处更利于聚结油滴的上浮和固体物质的下沉。 研究表明，波纹板填料片的波纹倾角、波峰高、波距、波纹板厚及波纹 板的材质、填料板组长度等是其影响油水分离效果的主要因素，也是丌发、 设计波纹聚结板填料的重要方面。 2 聚合物对油水分离的影晌 采出液中由于聚合物( 聚丙烯酰胺) 的存在使采出液性质发生了明显的 变化。一方面增大了污水的粘度，另一方面增大了油水乳状液的稳定性。在 这两方面的作用下，明显地降低了油滴的浮升速度，使较大直径的分散相能 够长时间地存在于连续相中，使油水分离的难度大大提高了。采用常规的沉 降分离技术难以使含聚合物的游离水得到经济合理的处理。因此，必须提高 和完善新型高效的游离水脱除设备，以解决聚合物驱采出液的游离水脱除问 题。 2 3 波纹聚结板填料的开发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 研究表明，对于波纹板填料片，较小的波纹倾角、较小的波峰距和适宜 的填料板组长度是设计波纹聚结板填料所应保证的条件，波纹板厚及波纹板 的材质也是其影响油水分离效果的重要因素。针对耳前聚合物驱采出液游离 水脱除技术中存在的问题，新型波纹聚结板填料的开发必须考虑到以下几个 方面： 2 3 1 填料材质选择 考虑到聚合物通常溶于水的特点，- 开发适合于聚合物驱采出液的亲水、 亲油的新型材料。本课题研究设计采用复合聚丙烯材料，材料中加入3 c a t 0 ：； 及抗老化剂等配料，此材料具有明显的亲油性，从而有利于油相在板面的聚 结、成膜，材料刚度及抗老化性能都比普通塑料有明显提高。试验表明，本 材料对于水相流动阻力较小，从而有利于含有聚合物的水相流动及砂粒的沉 降。 2 3 2 填料结构确定 波纹板聚结填料的几何特性主要根据聚结法油水分离原理、分离要求及 具体分离物系状况等具体情况确定。研究表明，通常理论上填料的板距越小、 波纹倾角越小，分散相的浮升( 或沉降) 距离越短，油水分散体系赖以分相的 聚结表面更大，从而有利于提高分离效率。实际若波峰距太小，容易造成填 料的堵塞。实际设计时，波峰距、波纹倾角的选取还要考虑有利于固体颗粒 的沉降及油滴的上浮。 本研究设计出两种波纹聚结板填料：n p - 1 型及n p - 2 型，两种型号填料 的波峰高分别为1 8 r a m 和1 2 r a m ，比表面积分别约为2 5 0 m 2 m 3 和3 5 0i t 2 m 3 。填料板的表面拉有竖直小纹，其作用是增大分散相的碰撞、聚结机会， 同时有利于固体颗粒的沉降及油滴的上浮，填料的刚度也因此得到增强。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 交错放置的填料板组采用穿钉或焊接连接，避免了填料的分解或破碎， 保证了安装后填料的整体结构，从而保证波纹聚结板填料性能的充分发挥。 2 4 填料中流体的流动形态分析及油水分离模型的建立 2 4 1 填料中流体的流动形态分析 波纹板填料的倾斜面可以看作倾斜板，而且波纹板聚结机理与斜板类似， 因而在理论分析时，我们将波纹板按等比表面积原则。简化为斜置平板。考 虑到波纹板的交错放置，在研究时，波纹板填料的油水分离过程可以认为是 油水两相通过图2 - 3 所示的并流和逆流分离的组合过程。 油水两相分散体系流经斜板平板通道的分离过程中，油滴随着水相流动， 同时由于浮力的作用而上浮。当其浮升至上平板下表面后，便与板面吸附、 聚结，由此产生一由轻相所组成的沿平板壁面而向上流动的流动膜，此轻相 流动膜流至平板上端就升浮到容器顶部轻相油层之中，从而完成分离过程。 图2 3 斜板间液液分离流动形式 如图2 3 所示，当油水两相分散体系的主流方向为由下至上沿流体板间 通道流动，而分散相油滴所形成的轻相流动膜的排除方向与分散体系的主流 方向同向，此过程我们称之为并流过程。当油水两相分散体系的主流方向为 由上至下沿流体板间通道流动，此时，分散相油滴所形成的轻相流动膜的排 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 除方向与分散体系的主流方向相反，这个过程我们称之为逆流过程。 2 4 2 波纹板填料简化为倾斜平板的方法 在理论分析和计算中，按等比表面积原则将波纹板简化为斜置平板，具 体简化方法如下。 图2 4 波纹板片集合尺寸 图2 4 为与波纹板方向垂直的法线截面上波纹填料片的几何尺寸示意图。 填料的比表面积由下式表示。 口：坐掣 2 ，口= _ o ( 一1 ) 力廿 经简化后，板间距离为： 告12 差h 4 罂2 b 揣c o s 2 协：， 露一 一 f 毒1 2 5 油水分离模型的建立 波纹板填料的倾斜面可以看成倾斜平面，而且波纹板聚结机理与斜板类 似，因而在理论分析时，我们将波纹板按等比表面积原则简化为斜置平板。 对图2 2 所示结构的波纹板填料，其比表面积a 为： a 二二一 ( 2 - 3 ) b c o s ( ； 2 ) 。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对高为h 、宽为b 、长为l 的填料板组，按等比表面积原则简化为倾斜角 度为4 5 。的斜甏平板的板数n 、板间距h 为： n ； 坚 ( 2 4 ) 4 2 b c o s ( ( 2 ) ( 2 5 ) 波纹板填料油水分离过程中分散相液滴的未被脱除量的计算需要知道 轻、重两相的速度分布。液液分散体系在倾斜平板间进行分层层流流动过程 中，斜板倾角为n ，轻相液层厚度为6 ，斜板间距为h = 6 ，轻、重两相速 度分布式为( 轻相下标为l ，重相下标为h ) ： 驴州( 2 一嗤厩+ 3 ( 2 - 2 ( 扣。 ( 2 _ 6 ) = 壁铲云厩芷鼍笋虬 ， 式中诉，分别为轻相和重相的平均速度：矾为轻相近界面速度，幽 ( 2 - 8 ) 式表示，七为重、轻相近界面速度比。 琏：兰盟然(2-8)2 1 蚌+ 也，( 兄一1 ) 波纹板填料油水分离过程中分散相液滴的未被脱除量可通过将整个分离 器分为两部分( 分别进行并流和逆流分离过程) ，分别计算其未被脱除量加和 得到。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5并流过程液液分相模型 图2 6 逆流过程液液分相模型 图2 5 和图2 6 分别为并流和逆流分离过程的液液分相模型。对于任一 滴直径咖的液滴，定义其刚好被脱除的最大进口位置为“临界进口位置”儿。 分离器出口处未被脱除的油相总含量c ，可由下式计算得到： = 袅r ，( 办) ( “。彤) ( 办) ( 2 9 ) 式中出为临界粒径，0 为进口处分散相总含量，俐为进口处液滴的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体积粒径分布函数，为流道内y 位置处连续相速度。“临界进口位置”只并 流时由式： 局+ 鼍 岫碳= ( 2 圳) 得出，逆流时由： 蜀 此砩2 三 ( 2 1 1 ) 得出：l 为板长：疋为液滴在连续相中浮升过程中沿x 方向走行距离， 可由液滴在连续相中浮升速度舻d d 及行程s 沿x ，y 方向分解并积分得到； 屁为液滴沿流动膜流动、碰撞并聚结过程中沿x 方向走行距离，可由液滴沿 流动膜流动速度与碰撞、聚结时间之积得到( 即肛0 ，实际求解时轻相液 层厚度为6 由( 5 ) 式迭代求解( 并流时取- ，逆流时取+ ，) ： 1 2 擘尼j 一万) 巧+ 3 胁2 ( 矗一6 ) 2 巧千9 纬占2 巧( 2 一1 2 ) 一占2 ( 一占) ( 只h 向) 吕s i n 口【鸬( 矗一艿) + k p h 5 = 0 最终c 。可由( 6 ) 式迭代求解得出结果： 即= q c o 。( 2 - 1 3 ) 油水分离效率也最终可由公式2 1 4 求得。： r = ( g 一) g 。 ( 2 - 1 4 ) 2 6 本章小结 本章简要介绍游离水脱除器中所用填料的作用、结构，比表面积的计算 方法；波纹板填料简化为倾斜平板的方法、填料中的两种流动形态：逆流时 斜板间液液双相的分层流动、并流时斜板间液液双相的分层流动；以及油水 分离模型的建立方法。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 实验目的 第3 章室内试验情况 油水分离是一种典型的液液分散体系分相过程，油水分离技术在原油脱 水和污水处理方面的应用具有重要的意义。波纹板填料油水分离器是一种新 型的油水分离装置，其结构参数对分离效率影响很大。对波纹板填料油水分 离过程进行实验研究及模拟分析，以期达到解决以下问题的目的。 通过观察实验现象，进一步研究油水分离机理，在此基础上建立正确的油 水分离数学模型，得到波纹板填料油水分离过程较为准确的理论分析、计算方法； 进一步研究油水分离过程的影响因素，寻找提高分离效率的方法： 验证并完善模型的准确性，为游离水脱除器的设计提出设计方法； 改进和开发更高效的油水分离填料； 寻找油水分离过程适宜的操作条件和游离水脱除器的结构形式。 3 2 实验装置说明 3 2 1 实验流程 1 阀门2 转子流量计3 高位水槽4 高位油槽 5 油水分离器 6 波纹板填料7 取样1 38 排气口9 静态混合器1 0 电加热器 1 1 齿轮泵 图3 1波纹板填料油水分离流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实验流程见图3 1 ，实验介质为连续相水和分散相2 0 4 机油的体系。 3 2 2 实验流程的主要特点 为使分离器进料分布均匀，采用多股进料的形式： 进出口设簧多个取样口，便于测定和比较浓度分布情况及粒径分粕 情况； 油水分离器壁用钢化玻璃制成，便于观察实验现象，同时，分离器 拆卸容易，便于更换作为分离、聚结内件的填料形式。 按最大流速选取静态混合器，当需减少油水分离器内的流量时，可 使迸料从旁路流过，这样保证分离器进出的粒径分稚恒定。 3 2 3 装置中主要设备 油水分离器。本实验油水分离器为长2 0 0 0 毫米，宽9 0 毫米，高6 1 0 毫米，用钢化玻璃制成的长方体，其中安放波纹板填料作为分离。聚结内件， 填料放置数量及填料型式由实验研究确定，本实验采用n p 1 ( 2 5 0y 1 和 n p - 2 ( 3 5 0 两种油水分离填料。 静态混合器。为使油水充分混合，装置中选择了s v - 3 5 5 0 6 5 0 0 b 型 静态混合器。混合器长1 m ，公称直径d n 5 0 毫米。 加热器a 为了研究较高温度的分离过程，选用7 - - ，加热功 率1 0 k w 。 3 2 4 实验测试方法 油相含水测试采用原油含水分析仪；水相含油测试中，我们采用特制多 种规格的取样瓶；对于不同油水比例，选择适宜的取样瓶，使测量误差能控 制在很小的范围；油滴粒径分布采用显微照相和计算机图像分析方法，轻、 6 哈尔滨工程大学硕七学能论文 重两相界面现象由激光粒子成像法测试。 3 3 不含聚合物介质的实验 3 3 1 实验测试方法及粒径分布参数的确定 本实验采用2 0 # 机油和水作为操作介质，其中2 0 # 机油物理数据由实际测 试确定。表3 1 为2 0 # 机油在不同温度下的粘度、密度及机油水的界面张力。 界面张力用滴体积法测定。 表3 12 扩机油的物性 温度密度( k g m 3 )粘度( m p a s )界砸张力( m n m ) 2 0 28 8 5 91 5 8 ，42 7 1 4 2 5 o8 8 2 31 1 4 ，l2 5 9 7 3 0 o8 7 9 78 4 12 4 8 5 3 8 08 7 3 55 3 2 2 3 6 6 3 2 。 实验测得的油珠粒径体积分布见表3 2 油珠粒径分布的显微照片见图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 2油滴粒径的体积分布 粒径范围平均粒径 序号频率体积频率 累加频率 p f i jum 1 53 3 81 2 1 0 0 0 0 3 2 90 0 0 0 3 2 9 25 - 1 08 1 29 60 0 0 3 6 2 10 0 0 3 9 5 0 31 0 1 51 3 0 44 30 0 0 6 7 1 8 o 0 1 0 6 6 8 41 5 - 2 01 7 6 52 80 0 1 0 8 4 8o 0 2 1 5 1 6 52 0 - 2 52 2 6 41 6o 0 1 3 0 8 2 0 0 3 4 5 9 8 62 5 - 3 02 6 7 51 1 0 0 1 4 8 3 50 0 4 9 4 3 3 73 0 3 53 1 6 81 0 0 0 2 2 4 0 20 0 7 1 8 3 5 83 5 - 4 03 7 2 51 0 0 0 3 6 4 1 80 1 0 8 2 5 3 94 0 - 4 54 2 5 39 o 0 4 8 7 8 20 1 5 7 0 3 5 1 04 5 - 5 04 7 4 680 0 6 0 2 5 7 o 2 1 7 2 9 2 1 15 0 - 5 55 2 6 6 80 0 8 2 3 1 30 2 9 9 6 0 5 1 25 5 - 6 05 8 0 27 0 0 9 6 3 3 l0 3 9 5 9 3 6 1 36 0 - 6 56 2 7 770 1 2 1 9 8 0 0 5 1 7 9 1 6 1 46 5 - 7 06 7 3 66o 1 2 9 2 0 90 6 4 7 1 2 5 1 57 0 - 7 57 1 8 35o 1 3 0 5 6 4 0 7 7 7 6 8 9 1 67 5 - 8 07 7 2 63 0 0 9 7 4 8 10 8 7 5 1 7 0 1 78 0 - 8 58 2 2 4 20 0 7 8 3 8 2 0 9 5 3 5 5 2 1 88 5 - 9 08 7 0 3 1 0 0 4 6 4 4 50 9 9 9 9 9 7 1 8 _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ l - - - - - _ _ - - l _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - l o 。一 图3 2油滴粒径分布( 放大倍数为8 0 0 ) 研究表明，油水分离中油滴的粒径分布符合难态分布，即： 僻) 2 丽1 e x p - ( 1 噼- a ) 2 2 0 - 2 ( 3 - 1 ) 式中：0 、a 为分布参数，需根据实测粒径分布进行确定。 采用非线性最小二乘法回归粒径分布参数，可以计算出分布参数0 、a 的数值。 3 3 2 油水分相实验 根据实验目的，在实验中，我们通过以下操作变换完成实验过程： 进入分离器的油含量从3 5 02 5 ，从而测试不同油含量下分离器的分 离效率； 变换水和油进料总量，从0 6 m 1 h 到1 2 呱h 。以此改变介质在分离 器内的停留时间，研究流速对分离器的分离效率的影响程度。 变换波纹板填料的型式，本实验采用n p _ 1 和n p - 2 两种油水分离填料 进行实验。填料板长1 3 8 0 毫米，宽为8 0 毫米，高为6 0 0 毫米。通过比较两 种填料的结构参数及分离效率，来寻找更高效的分离、聚结填料型式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实验数据见表3 3 、表3 4 。 表3 3n p - 1 型油水分离填料油水分相结果比较 序总流量温度平均流速c i 1 3 测试结果计算结果 号 m 3 hm sv c o u t n c o u t n 1o 6 02 8 53 4 7 23 7 5 00 0 8 29 7 8 10 0 9 89 7 3 0 20 6 02 8 53 4 7 25 9 0 80 1 2 69 7 8 70 1 4 69 7 ，5 3 30 6 02 8 53 4 7 27 7 4 4o 1 6 89 7 8 3o ，1 8 3 9 7 6 4 4o 6 02 9 o3 4 7 28 8 1 30 1 8 29 7 ，9 30 2 0 29 7 。7 l 5o 6 02 9 o3 4 7 21 0 3 6 10 2 2 39 7 8 50 2 2 89 7 8 0 6o 6 02 9 o3 4 7 21 2 5 3 80 2 3 69 8 1 20 2 5 99 7 9 3 7o 6 02 8 53 4 7 21 4 0 4 00 2 5 3 9 8 2 00 2 7 89 8 0 2 8o 6 02 8 53 4 7 21 6 5 1 1 0 2 8 39 8 2 70 3 0 49 8 1 6 9o 6 02 8 53 4 7 21 8 0 6 50 3 0 39 8 3 2o 3 1 7 9 8 2 5 1 00 6 02 8 53 4 7 22 0 8 5 40 2 9 89 8 5 70 3 3 5 9 8 3 9 1 11 2 02 8 o6 9 4 43 4 2 6 0 2 2 59 3 4 30 2 3 69 3 1 1 1 21 2 02 8 o6 9 4 4 4 7 3 50 3 0 79 3 5 20 3 1 79 3 3 0 1 31 2 02 7 56 9 4 46 9 5 20 4 2 19 3 9 4 0 4 4 39 3 ，6 3 1 41 2 02 7 56 9 4 48 3 7 l 0 4 8 49 4 2 20 5 1 69 3 8 4 1 51 2 02 7 56 9 4 41 0 7 3 90 5 9 6 9