基于动态混合器的在线油水配混室内实验台的设计

北京石油化工学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题目名称： 基于动态混合器的在线油水配混室内实验台的设计 题目类型： 设计 学生姓名： 王晨阳 专 业： 机械工程及自动化 学 院： 机械工程学院 年 级： 机 -112 指导教师： 姬宜朋 2015 年 03 月 19 日 一 选题背景、研究意义及文献综述 1 选题背景及研究意义 国内外石油开采的实践表明：当 油田进入高含水期后，为了确保产量任务的完成和提高综合经济效益，必须开展治水夺油的工作 1。 水处理的难题已经成为现在油田，特别是海上油田进一步发展的瓶颈性问题。随着海上油田开采进入高含水期，加上前期开采采取的“稀井高产”的策略，导致海上油田生产过程中生产成本和原油产量之间的矛盾日益加剧。为了保持海上油田每天的产油量不变，只有增大采液量。于是水处理负担加剧的问题随之而来 2。 所以油水分离技术已经成为了国内外各大油田的研究重点。其中又因为海上平台特别是深海油田的海上平台承重和空间有限，不能安装更多的水处 理设施，于是紧凑型分离技术成为了未来分离技术发展的趋势 3。 但国内紧凑型分离技术的研究仍然处于起步阶段，室内实验是任何分离技术研究过程中必不可少的环节。为评价在研分离设备的分离性能，必须配置不同油滴粒径和不同含油量的污水。另外，对于将要进行现场试验的设备，也有必要针对性的开展室内验证性实验，为此，有必要在室内模拟油田现场的现场进行含油污水的配置。总而言之，污水的配混系统是室内实验中关键环节之一，中如何快速配置符合要求的含油污水成为了首要解决的问题。 不光我校目前对于气旋浮分离技术的研究离不开配置符合要求 的油水混合物，国内外都需要解决这个问题。 基于此，课题研究的背景就是为室内实验研究油水分离器 设计出符合要求的室内实验用在线油水配混系统。实现油滴粒径分布可调，污水中含油量稳态，且调整过程方便，设备维护简单又是其中的重点难点。 2 文献综述 2.1 紧凑型油水分离器 随着现代工业技术的不断发展，油水分离技术得到广泛应用。面对越来越困难的油水分离现状，基于不同工作原理，针对不同分离对象，多种油水分离技术随之诞生 4。 其中针对于石油业，紧凑型油水分离器更是研究中的重点课题，而水力旋流器以及气浮技术就是众多紧凑型油 水分离器的代表。 2.1.1 水力旋流器 水力旋流器主要有可根据各种应用的实际需要在不同场合下使用，结构简单，分离效率高，设备体积小 ,占地面积小 ,安装方便 ,运行费用低，使用方法简单，处理工艺简单 ,运转连续等优点。 当然 ,同其它任何设备一样 ,水力旋流器也存在一些不足之处 :对运行条件要求较高 ,分离过程同样为不完全分离 ,水力旋流器内部的高速旋转运动会对分散相液滴产生剪切破碎而不利于分离。 在进行进一步的应用开发的同时，旋流分离技术的研究应主要集中在以下几个方面： 加大机理研究的采样点密度，完善机理研究的数据汇总 ； 结合水力旋流器内部机理和外特性的关系，建立适合水力旋流器的模型 ,用以指导不同工艺条件和油水物性条件的水力旋流器的造型和设计； 不断设计新型的液一液分离水力旋流器 ,扩大应用领域 ,进一步提高分离精度特别是提高对小油滴的分离能力； 配套和优化水力旋流器分离系统，加快低剪切增压及聚结等设备的研制； 扩大水力旋流器应用领域，研发一机多能、机电一体化的化工新装置，如：旋流过滤器、旋流分离吸收器、旋流浮选调节器等 5。可以预见，水力旋流器构型的油田分离器已经成为了未来发展的趋势。 2.1.2 气浮技术 气浮 法工艺成熟、成本低廉、处理量大，可以去除粒径较小的分散油和部分溶解油，目前已被广泛应用于油田、石油化工、食品油生产等废水的处理。其设备具有结构紧凑、占地面积小、运行维护简单等优点。 但其主要缺点是水力停留时间较长，上浮油渣难以处理。为了克服传统气浮和旋流分离技术的缺点， 为了 满足各行业对含油废水处理所提出的新要求，国内外都进行了大量的室内试验 6。 为了早日解决水力旋流器以及气浮技术的这些缺点，室内试验就变得迫在眉睫，而实验就离不开不同 油滴粒径的稳态 油水混合物。由于运输成本以及对不同 油滴粒径的要求，室内实验 用在线油水配混系统的研究就变得顺理成章了。 2.2 油水混合技术 对于流体混合的问题是从 1883 年的非常著名的雷诺实验开始的。但是只有在最近的几十年里面大家才开始真正的意义上研究搅拌器。发展到现在工业生产中利用湍流混合机理实现液 -液混合的设备主要有射流喷射混合器、撞击流混合器、静态混合器、动态混合器等 7。 2.2.1 射流喷射混合器 射流喷射混合器是实现液 -液快速混合常用的设备 ，如图 2-1 其设计思想是将快速运动的液体流 (即射流或者第一流体 )以较高的速度喷射到缓慢流动或者静止的液体 (即主流体或第二流体 )中。在射流边界 ， 由于射流流体和主流体之间的速度差 ,而形成了一个混合层 ， 该混合层沿着射流流动方向扩展 ,通过夹带和混合 ， 使射流流体不断进入主流体中 。 射流流体的方向可以与主流体方向一致 (中心射流或同轴射流 ),也可以与主流体成一定的角度 (错流射流 )8。 图 2-1 射流喷射混合器 2.2.2 撞击流混合器 将两股液体以一定的方式进行高速撞击是实现液 -液快速混合的另一种重要方法。 如图 2-2 通过两股高速流动的流体瞬间激烈撞击 ,实现能量的快速耗散 ,从而迅速降低两股流体之间的离析程度，达到快速混合的目的 9。 图 2-2 撞击流混合器 2.2.3 静态混合器 静态混合器是最近 20 年发展起来的混合设备 ， 是指“借助流体管路的不同结构 ，得以在很宽的范围内使流体混合 ， 而没有机械转动的流体管路结构体”。如利用扭曲叶片或交错平板的组合等 ,流体经过这些结构单元后达到混合目的的设备。流体在流经静态混合器时 ， 受混合元件的约束 ， 产生分流、合流、旋转 ， 使流体达到充分的混合 10。 图 2-3 静态混合器 2.2.4 动态混合器 动态混合器是指在壳体或者管道内有高速旋转的部件存在 ， 流体在高速旋转部件的作用下产生很大的剪切 力， 不同流体在剪切力的作用下实现混合的设备 ，结构如图 2-3。对动态混合器的设计无固定的形式 11。 图 2-4 动态混合器 目前 室内油水配混主要采用动态混合器 ， 因其具有 设计无固定的形式 ，占地较 小等优点，更容易 为室内实验研究油水分离器 设计出符合实现油滴粒径分布可调，污水中含油量稳态，且调整过程方便，设备维护简单要求的室内实验用在线油水 配混系统。 2.4 动态混合器简介 动态混合器是指在壳体或者管道内有高速旋转的部件存在 ， 流体在高速旋转部件的作用下产生很大的剪切力 ， 不同流体在剪切力的作用下实现混合的设备。对动态混合器的设计无固定的形式 12。 国内外目前 关于动态混合器的研究也较多 ，目前主流有 动静齿圈式动态混合器、球窝型动态混合器，随动式动态混合器等 13。 2.4.1 动静齿圈式动态混 合器 动静齿圈式动态混合器是一种适用于高粘流休混合的高效动态混合器 。 其结构如图 2-4 所示 ， 它的混合元件由动齿圈和静齿圈组成。动静齿圈依次交替重叠组装起来 ， 动齿圈套在芯轴上 ， 静齿圈装在机筒中 ， 层层压紧。此种混合器具有下述特点 ： 其一 ， 熔体在动态混合器中向前流动的同 时， 受到的横向剪切是脉冲式的 ， 即当相邻动静齿圈上的邻近齿相向运动到贴近时 ， 对其流休产生一次强剪切作用 ， 这种脉冲剪切频率是很高的 。 因此 ， 大大加速了对流体的混合塑化作用 。 其二 ， 动静齿圈对流体有强烈的配位作用，由于动静齿圈之间的相对转动 ， 静齿圈齿槽中的流休 ,不断地被动齿“剥离”到下一级静齿圈其它位置的齿槽中去 ， 从而发生流体的宏观迁移 ， 流场中的流线走向 ， 不断地被从与流动方向平行的方向 ， 强制地改变到与流动方向垂直的方向上 ， 流线不断地以很高的频率被打乱 ， 显然对混合极为有利 ，其三 ， 在流场中 ， 流体在三维方向上均有复杂流动 ， 因此 ， 混合器具有三维混合功其四 ， 由于一个个静齿圈重叠起来所形成的筒内壁被覆形 ， 使传热面积增大 ， 而这种动静齿圈式混合器 ,其传热面积约为同等直径螺杆机筒传热面积的倍。这对流体的塑化是有利的 1415。 图 2-5 动静齿圈式混合器结构示意图 1 一 定位套 ,2 一芯轴 ,3 一螺杆 ,4 一动齿圈 , 5 一机筒 ,6 一静齿圈 ,7 一姗母 ,8 一法兰 2.4.2 球窝型动态混合器 球窝型动态混合器由混炼头和半剖分的混炼套组成。在混炼头的表面和混炼套的内圆表面上 ， 依次交错排布有若干排半径为 R 的半球窝。混合器可以直联在螺杆挤压机的头部 ， 也可以单独设置。图 2-5 为球窝型动态混合器装配结构示意图。当流体从一排球窝流入下一排球窝时 ， 由于混炼头的转动 ， 使得混炼头和混炼套上的相对应的球窝之间 ， 总是处于不断的开合状态。其相互接通的面积也是不断变化的 ，至此流体将受到的作用有 ： 剪切作用 ； 分 流、剥离配位作用 ； 挤压捏合作用。物料的混合可通过两种作用来实现 ， 其一是分散作用 ,其二是分布作用。加权平均总应变作为评价混合程度的一个指标 ， 其大小反映了分散混合作用的强弱。分流混合度则是反映了分布混合的能力。本文用以上两个指标对球窝型混合器的混合能力进行分析评价 1617。 图 2-6 球窝型动态混合器装配结构示意图 l 一法兰 ;2 一混炼套 ,3 一混练头 , 4 一机简 ,5 一环晾 ,6 一 螺杆 2.4.3 随动式动态混合器 管内流体在流动过程中对转子产生轴向力 ， 使转子绕转轴旋转，转子反作用于流体，改变流体的流 动方向，基于以上特征，将组合式转子及其辅助部件 .挂件 A转轴以及限位件等统称为随动式动态混合器。转子的叶片具有相同旋向，转子之间首尾配合连接形成一串，为了保证进出口流体能够均匀发展，主管路两端均保留了两个混合单元长度左右的空管段。随动式动态混合器中，甘油在与转子接触之前保持较为稳定的液柱形式，且基本在管路中下部流动。接触转子后，甘油较为稳定的液柱被转子叶片的螺棱分割，螺旋叶片阻隔，单一的高浓度聚集区域被分割成多个浓度聚集区。在转动的转子叶片的扰流作用下，处于管路中下部的甘油被带到管路中上部，在轴向流 动过程中 进一步被后续转子叶片的螺棱分割，并在流动过程中与转子表面发生摩擦。甘油在转子的带动下形成螺旋形流动，被层层“分 割 -分隔、扰流、摩擦 -混合溶解”，流动路径明显增加。经过转子之后 ， 随着甘油高浓度聚集区域被分割、分散，分散相颜色逐渐变淡，在混合溶液中的逐渐分布均匀 1920。 图 2-7 随动式动态混合器结构原理图 1 转轴； 2 挂件； 3 管路； 4 转子； 5 限位件 2.5 动态混合器的小 结 综上所述，针对于 动静齿圈式动态混合器 、球窝型动态混合器 ,条槽剥离型动态混合器 ,随动式动态混合器进行对 比。动静齿圈式动态混合器一种适用于高粘流休混合的高效动态混合器 ,这三种混合器的装备都有过于复杂且占地较大的缺点， 所以得出随动式动态混合器具有结构简单， 符合我校相关课题组对于室内实验用在线油水配混系统，实现油滴粒径分布可调，污水中含油量稳态，且调整过程方便，设备维护简单的设计要求。 2.6 在线 含油污水配置 系统 通过对所查阅的文献进行归纳和整理，对具有典型代表性的 在线 含油污水配 混实验装置 进行了优选。优选的在线含油污水配混系统有 何黎明课题组 的 在线 含油污水 配混系统， 大港油田设计院 的 在线 含油污水 配混系统， 陈文梅课 题组 的 在线 含油污水 配混系统。这几个实验系统各有特色，其优缺点的分析如下： 何黎明课题组 的 在线 含油污水 配混系统 采用白油和水的混合液进行配置，实验流程如图 2-8所示，打开旁通阀 9，开启搅拌机和齿轮泵 2，搅拌一定时间至混合液中分散相粒径相对稳定不变后，关闭旁通阀 9，开启主循环系统。白油和水的混合物液进入液体流量计 3；空气经过涡轮流量计 5计量后进入和油水混合物在三通 7处混合，然后进入重力式分离器的预分离筒。通过分离器分离出来的水相和油相排入搅拌池循环使用。使用 Malvern激光粒度测试仪对油出口处取出的样品进行 含水分析；紫外可见光分光光度计对水出口处取出的样品进行含油浓度分析 2122。 1-混合罐； 2-齿轮泵； 3-液体流量计； 4-空气压缩机； 5-涡轮流量计； 6-单向阀； 7-三通；8-重力分离器； 9-旁通阀； 10-取样口； 11-出口 图 2-8 该实验装置结构简单，操作方便， 通过分离器分离出来的水相和油相排入搅拌池循环使用 是其突出的优点，通过 搅拌机和齿轮泵 的搅拌可以达到 混合液中分散相 粒径相对稳定不变 的目的，不过 油滴粒径 大小 不 可 调节成为了其最大缺点。 大港油田设计院 的 在线 含油污水 配混系统 室内试验 的目的是测定单管旋流器在不同工况下的除油率、处理能力、溢流率参数等，为旋流器的现场操作提供合理参数。室内试验系统包括污水箱、螺杆泵、水力旋流器、量筒、压力表、搅拌器等 如 图 2-9。试验用液：原油与自来水按 1:599充分混合，用电热装置加温至 25 35 。原油密度为 856kg/m3(20 )。在试验中，净化水流量、污油出口流量均用量筒和秒表计量，水中含油浓度用 721分光光度计测定 232425。 1-污水箱 2-螺杆泵 3-水力旋流器 4-量筒 图 2-9 该实验系统最大的优点就是流程简单，操作方便。虽然通过搅拌器也可以达到污水中含油量稳态 的要求，但是其最大的缺点是无法按照要求配置出不同油滴粒径的含油污水。 .陈文梅课题组 的 在线 含油污水 配混系统 实验时，螺杆泵将清水送入水 力旋流器，通过螺杆泵可以调节旋流器的进口流量。 实验装置如图 2-10油田计量泵注入螺杆泵入口管线中，与水充分混合，从而可以调节油水混合物的含油浓度。 油在进入螺杆泵之前，先经过一旋涡泵，旋涡泵可实现油的分散、乳化以及油水混合物的均匀化作用。油水混合物经螺杆泵后，进入一静态混合器，用于进一步实现油相在水相中的分散和乳化，其最高分散程度可达1 2 m，混合不均匀系数在 5%以内。通过旋涡泵和静态混合器，可以控制进料中油滴的粒径。 随后，油水混合物经一电磁流量计，再进入水力旋流器。水力旋流器的底流和溢流经参数测试后进入废 料槽 262728。 除油旋流器分流 在线实验系统 图 2-10 本装置为 除油旋流器分流 在线实验系统，它具有可以 调节油水混合物的含油浓度 并做到 油的分散、乳化以及油水混合物的均匀化 及通过调节旋涡泵以及静态混合器可以做到 油滴的粒径 可调的优点。不过该系统的静态混合器不具备动态混合器结构简单，操作方便的优点。 第一及第二种室内油水配混系统虽然都是在线配混系统且可以做到 分散相粒径相对稳定 ，但是其不能按照实验需要调节 油滴粒径大小分布 ,而且由于前两种的油液混合池都是竖直的设计，油的密度小于水从而上浮导致油滴 粒径大小分布不均匀 。第三种室内实验用在线油水配混系统 设计 完全符合我校相关课题组对于实现油滴粒径分布可调，污水中含油量稳态，且调整过程方便，设备维护简单的设计要求。所以选择第三种室内试验系统。 二 研究的基本内容，拟解决的主要问题 2.1 主要研究以下方面的内容： 1 动态混合器的扇叶结构设计 。 2 动态混合器的轴承结构设计 。 3 动态混合器的外筒结构设计 。 室 内实验用在线油水配混系统设计 。 2.2 拟解决的主要问题： 1 绘制动态混合器的零件图和装配图 。 2 基于动态混合系统的油水配混系统 PID 图 。 3 基于动态混合系统的油水配混系统的三维造型图 。 三 研究步骤、方法 1.查阅资料了解随动式动态混合器工作机理。了解动 态混合器的在线油水配混系统实验台设计。 2.通过查阅资料了解 如何调节 油滴粒径分布 。控制 污水中含油量稳态 ，具体操作及设备维护方法，在线配混。 3.参考文献设计出符合 要求的 室内实验用在线油水配混系统。 四 主要参考文献 1陈文征 ,张贵才 ,尹海峰 . 波纹板聚结油水分离技术研究进展 J.石油矿场机械 ,2007,05(12):27-29+33. 2田楠 ,范海燕 ,马团校 . 井下油水分离技术在曹妃甸油田的应用 J.油气田地面工程 ,2011,12(17):95-96. 3白兰 ,吴一辉 ,张平 . 基于 MEMS 的微流体混合器的研究与进展 J.哈尔滨工业大学学报 ,2004,04(15):543-545. 4 秦小琼 , 吴卓 , 盛尚雄 . 大 粘 度 液 体 混 合 器 的 结 构 改 进 J. 化工 机械 ,2004,05(21):300-301+303. 5任闽燕 ,程军 ,张子玉 ,张安德 ,蒲兵 ,张健 . 井下油水分离采油技术 J.石油钻采工艺 ,2004,06(20):62-64+85-86. 6许正军 ,李梅 . 条槽剥离型动态混合器结构参数对混合性能的影响 J.中国纺织大学学报 ,1998,04(13):40-42+50. 7 李 海金 , 井 下 油 水 分 离 技 术 的 发 展 现 状 与 应 用 前 景 J. 国 外 石 油 机械 ,1998,05(17):52-61. 8 李海金 , 李 继 康 . 井 下 油 水 分 离 技 术 进 入 高 速 发 展 阶 段 J. 国 外 石 油 机械 ,1999,02(11):22-30. 9 李 海 金 ,B.R.Peachey. 井 下 油 水 分 离 技 术 进 入 高 速 发 展 阶 段 J. 国 外 油 田 工程 ,1999,05(9):18-21. 10邵建萍 ,牛宝荣 ,张兴平 . 井下油水分离技术综述 J.国外油田工程 ,2006,09(15):16-17. 11M.L.Wiggins, 牛 宝 荣 , 徐 军 林 . 井 下 油 水 分 离 技 术 综 述 J. 吐 哈 油气 ,2006,02(19):195-196. 12许正军 ,李梅 .条槽剥离型动态混合器的结构设计研究 J.中国纺织大学学报 ,1998,03(25):58-62. 13王峰 ,阎华 ,张震 ,关昌峰 ,杨卫民 .随动式动态混合器的混合性能 J.化工进展 ,2013,11(35):2574-2578. 14王峰 ,阎华 ,关昌峰 ,杨卫民 .转子间隔排布的随动式动态混合器的模拟研究 J.机械设计与制造 ,2014,04(11):185-187+191. 15李琴 ,彭云 ,黄志强 ,邱成松 ,靳永红 ,王楠 .稠油掺稀井下动态混合器数值模拟研究 J.石油机械 ,2014,04(17):72-76. 16蒋金云 ,孔令熙 ,李健 ,杜振阳 .凹槽型高效动态混合器 分流数混合效果评价 J.塑料 , 2014,03(22):100-102. 17王清 ,杨健民 ,陈重酉 ,于光炯 ,毛增敏 .对高效动态混合器结构的分析探讨 J.青岛大学学报 (工程技术版 ),1995,04(25):51-54. 18高辉 ,赵式英 ,郭英 ,王宝灵 .主辅螺杆挤出高效动态混合高速纺丝研究 J.合成纤维工业 , 1991, 04(28):9-13. 19赵式英 ,王宝灵 ,臧昆 . 球窝型动态混合器结构和机理的研究 J.合成纤维工业 ,1991,05(26):26-31. 20赵式英 ,蒋宝春 ,臧昆 . 动静齿圈式动态混合器结构和机理的研究 J.合成纤维工业 ,1991,06(18):27-32. 21骆培成 ,程易 ,汪展文 ,金涌 ,杨万宏 . 液 -液快速混合设备研究进展 J.化工进展 ,2005,12(11):1319-1326. 22马卫国 ,胡泽明 ,薛敦松 . 油水分离水力旋流器的研究与应用综述 J.国外石油机械 ,1995,02(22):71-76. 23 刘 新 平 , 王 振 波 , 金 有 海 . 井 下 油 水 分 离 采 油 技 术 应 用 及 展 望 J. 石 油 机械 ,2007,02(35):51-53. 24Trygve Husveg, Odile Rambeau. Performance of a deoiling hydrocyclone during variable flow ratesJ. Minerals Engineering, 2007, 20:368-379 25Boysan F, Ayers W H, Swithenbank to cyclone designJ. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 1982, 60: 222-230 26J.C.Ditria. The separation of solids and liquids with hydrocyclone based technology for water treatment and crude processing S. SPE, 28815, 1994 27Zhi-shan Bai,Hua-lin Wang.Numerical simulation of the separating performance of