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、采油废水处理用 PECT-F 型设备的结构设计与三维实体模拟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

2、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VAbstractThe 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 treat

3、ment 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 coalesce

4、nce is the most representative.In the paper, firstly, introduced some available separation methods，and thenBased 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 th

5、e 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 co

6、mpleted the detailed structure design and computer-aided design.Key words：produced water, coalescence, hydrocyclone , Structural design目录第一章前 言11.1 油田含油废水处理背景及意义11.2 含油废水主要单元处理方法11.3 国外先进组合除油技术71.4 本文的工作内容10第二章设计方案论证112.1 两腔式多衬里 VORTOIL 旋流器112.2 紧凑型三腔体水力旋流器122.3 “三角形”式排布的水力旋流器192.4 本设计方案的确定23第三章结构设计

7、计算263.1 旋流管单体263.2 容器外壳内直径及壁厚283.3 封头设计303.4 容器法兰设计323.5 开孔及其补强343.6 其它辅助零件的选择393.7 焊缝探伤433.8 压力测试443.9 技术经济核算45第四章计算机辅助设计484.1 AUTOCAD 制图484.2 PRO/E 三维实体模拟49第五章结论和展望555.1 结论555.2 展望55参 考 文 献56致谢58声明59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0.73.5 吨含油废水，

8、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 1.125.6 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

9、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 4060；（2）矿化度高，一般为 20005000mg/L，甚至可达数万数十万 mg/L；（3）pH 值较高，一般为 7.58.5；（4） 废水中含有细菌，主要是腐生菌和硫酸盐还原菌；（5）

10、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57（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

11、，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

12、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

13、破乳剂、絮凝剂等。Thomas ER 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 DH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

14、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

15、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

16、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，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

17、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0.20.3MPa，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

18、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

19、-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

20、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

21、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

22、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：

23、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

24、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。水力旋流子的几何形状是达到所需最佳工艺分离效果的关键，英国 Cyclotech公司研发的 B20 系列脱油旋流子（如图 1-2-2）的设计为最佳的长度、直径比。图 1-2-2 B 20 系列脱油旋流子其优点为：由旋转流产生最大的加速度场；一个油滴达到轴向石油核心所必须的行程是最小径向距离；油滴到达轴向油核心的停留时间最长。这样的超细外形可实现高密度安装，因而在确保分离效果的前提下达到流量和处理能力的最大化。这项处于领先地位的结构设计将油分离的效率与能力得以平衡和优化。在确保满足设计要求的条件下进一步降低了成本，提高了

25、效率10。水力旋流器除油技术是一种重要的分离技术，但当单体结构的水力旋流器难以满足较大的处理流量要求时，可以将多个单体结构按照一定方式并联组合起来进行工作。常用的组合方式有压力容器式、开放排架式，另外还有辐射蛛网式、径向分布式、罐装式、垂直排列式等。1.3 国外先进组合除油技术1.3.1 美国 Natco 集团的 TridairTM VersafloTM 诱导气浮统为了解决因采油废水排海而带来的环境挑战，实现“零环境危害排放”的预期目标，相关石油公司和水处理设备生产企业自 20 世纪 90 年代末期以来，针对前面总结出的各项油田污水处理技术的优缺点，为了降低成本，对采油污水处理技术进行适当的组

26、合或改进，取长补短，成功研发了一批新型采油废水处理技术和设备， 从而更好地满足了当前油田处理污水的需要。目前比较先进的气浮旋流粗粒化除油设备是美国 Natco 集团的 TridairTM VersafloTM 诱导气浮统，其外形和结构如图 1-3-1 所示，气浮塔外装有液位计，液位高度可通过出水阀门开启度进行调节。当液位达到收油高度时，自动打开收油阀门，收油后自动关闭。图 1-3-1 美国 Natco TridairTM VersafloTM 诱导气浮系统结构图其特点是：大量的向上气泡和向下油水均匀的分布在塔的横断面上；喷射器均匀的分散气泡使之充满塔底的横断面上，气泡要达到足够的体积使它们上升

27、的速度超过水流向下的速度，喷射器要有向塔内喷射足够的气体从而获得有效气浮的能力；塔的横断面上有一个人孔，用来处理油层固体的阻塞，协助混合液中油滴间的碰撞结合并不断均匀分配塔内向下流的混合液；喷射器用来混合再循环水和气体， 在高效的打碎成相同大小的气泡后把曝气水排到塔底的一个圆形水平横板后把微细气泡均匀分配到气浮塔的横断面上11。1.3.2 挪威 Epcon 公司 CFU 装置挪威Epcon公司自成立以来，以其完备的技术手段和研发能力，在短短的三年时间，完成了一系列具有严谨科学设计结合良好的节能环保性能的水处理技术及产品，对含油污水、乳化水、高含悬浮物等污水系统，采用非化学方式，即免除添加各种破

28、乳剂等化学物品的方式，实现高质量油水分离效果，使处理后水中含油量10mg/L。根据欧盟颁布的防止海洋污染的OSPAR公约规定，从2006年起，海上石油天然气勘探开发过程中生产排放污水的含油要低于15%。应用Epcon公司的专利技术（Epcon CFU结构如图1-3-2所示）,可以在无须添加任何化学添加剂的前提下，将水中含油处理到15%以下。因此，Epcon系列产品正日渐成为石油天然气工业新一代污水处理技术应用的代表性产品12。图1-3-2 Epcon公司的CFU结构1.3.3 英国 Cyclotech 公司的 PECT-F 装置英国 Cyclotech 公司推出的 PECT-F性能增强聚结技术

29、（如图 1-3-3 所示），把粗粒化除油与水力旋流器除油有机的结合起来，取得了良好的分离效果。PECT-F 技术目前主要用于设计水力旋流器的入口腔内，换句话说，尽管是非标准设计但对那些三腔体结构的水力旋流器仍然适用。而且，其设计有足够的灵活性以适应不同生产配置的需要，以最大限度地适用于任何水力旋流器的制造商。其进口设备的功能包括：（1）使进入入口腔的流体主流方向一致以达到最佳的流体流动分布，同时尽量加大与聚结材料的接触时间；（2）提供一个牢固的结构来放置带粗粒化材料的壳体。PECT-F 采用滤芯形式，安装在水力旋流器的入口腔，水力旋流器入口腔在设备中通常占有较大的容积，这样为采油废水提供了大约

30、 20 秒的停留时间。这一关键特性使得 PECT-F 能够让微小颗粒絮凝，而沙粒不会堵塞在其中。PECT-F 可用于任何形式的水力旋流器，其最大直径可达 1270mm，建造滤壳的材料通常是 316L 不锈钢或双不锈钢。对于不同的应用实例，可采用不同的滤芯材料及表面处理技术。图 1-3-3 PECT-F性能增强聚结技术的应用PECT-F 装置的优点总结如下：（1） 可提高原有设备效率的 80%；（2） 提升水力旋流器的操作弹性，使之在低流量下仍能保持较高的分离效率；（3） 消除或减少对化学清洁剂的依赖；（4） 扩大水力旋流器的应用范围至重油，凝析油和其他临界状态下的应用；（5） 方便对原有水力旋

31、流器进行扩容改造，不需改动现有设备及管道；（6） 由于利用了现有的停留时间，相比较其他方法，如增加辅助设备等，其投资相对较低，较少了成本；（7） 无需动力技术，PECT-F 既不需要外部控制，也不需要外部动力设备13。1.4 本文的工作内容PECT-F 技术一经推出，在北海 Andrew 和 Cyrus 油田进行了实地的实验，取得良好的分离效果，在国外迅速受到业内人士的广泛关注，成为现阶段最具潜力的采油污水分离处理技术之一。但是，到目前为止我国在这一方面的研究还没有形成系统的理论。所以本文的工作内容就是以英国 Cyclotech 公司研发的 PECT-F 型设备为参考，设计一种把粗粒化技术和利

32、用水力旋流除油技术相结合的油水分离设备， 并在此基础对此设备进行结构设计和三维实体模拟。完成此题目的主要问题是先了解粗粒化法的除油原理和水力旋流器的原理及结构；了解把这两种方法结合的除油设备与其他油水分离器的区别；及其自身的优点，在此基础上提出自己的总体设计方案。包括这种油水分离器的整体结构设计， 工艺流程设计及主要零件的设计和强度校核等。第二章设计方案论证在 PECT-F 型设备的设计计算中，最先要解决的就是水力旋流器中旋流管的排布问题。在过去二十多年的时间里，通过相关公司研究人员的不断努力，主要出现了三种类型的水力旋流器布局模式，下文将对这些结构作以具体介绍。2.1 两腔式多衬里 Vort

33、oil 旋流器2.1.1 设备的总体描述Vortoil 水力旋流器是一种液- 液分离旋流器，其几何结构是基于英国Southampton 大学 Martin Thew 教授于 20 世纪 70 年代的研究工作。旋流管安装在一个壳体内，旋流管与壳体之间充满液体，旋流管浸入液体之中能够抑制旋流管的内旋流的不稳定性。Vortoil 水力旋流器的溢流口的尺寸相对于传统的固-液水力旋流器小得多。过小的溢流口尺寸不利于中心油柱的排出，过大的溢流口尺寸会导致从溢流口排出过多的水。Vortoil 水力旋流器大多采用两个切向入口，以渐开线的形式切入旋流器内壁，旋流器的衬里安装在一个压力容器内如图 2-1-1 所示

34、14。溢流排出有两种方式： 内部公共排出口和外部独立排出口，图示为外部独立排出口。图 2-1-1 两腔式多衬里 Vortoil 旋流器及其局部放大图10-压力容器式水力旋流器；20-容器壁；21-采油污水进口；22-排水口 23-排油口 25-隔板 26-进口腔；27-底流腔；30-旋流管；31-延长管；32-内旋入口；33-溢流管道；37-螺栓2.1.2 图示具体说明整个压力容器 10，被隔板 25 将分成进口腔 26 和底流腔 27 两部分。隔板 25上有若干个开口，每个旋流管单体 30 就是通过这些开口安装在容器内部。在此设备中，分离后的轻质相油的收集是关键。从局部放大图中很容易看见隔板

35、 25 包括两半，即 25A 和 25B。它们构成了一个空间来收集油。经旋流管 30 分离出的油通过管道 25C 从容器壁 20 上的排油口 23 排出。从这个局部放大图中也很容易看见旋流管 30 是由多个部分组成的，它们都安装在容器内部。旋流管 30 包括一个延长管 31，它两端的内部直径大小不同。旋流管上还有一个内旋入口 32，它与延长管 31 的较大直径端相连。油水混合物经入口 32 进入容器内部的旋流管 30后，形成高速旋转的涡流，由于离心力的差异，轻质相油通过溢流管道 33 由排油口 23 排出；重质相水则被甩至管壁并向底流口处流动，在底流腔内收集，最后从排水口 22 排出。这些组成

36、部分 31、32 和 33 由螺栓 37 连接起来，并通过螺丝与隔板 25 固定在一起，各连接部分都有很好的密封。在容器内部旋流管与容器的固定也是通过螺栓实现的，同时因为海上平台的工作环境很恶劣，这些内部固定部分给维修人员的工作带来了困难。由于海上平台空间的限制，而水力旋流器处理能力的大小与其体积大小和旋流管单体的个数有关。这个设备中的溢流管道的回流管和螺栓占据了容器内部的空间，这样限制了旋流管的安装个数。因此，目前的一个研究方向是提出一种更紧凑、更容易维修的水力旋流设备，它可以在继承原有设备优点的基础上克服以上缺点， 达到更好的除油效果。2.2 紧凑型三腔体水力旋流器近年来随着水力旋流器应用

37、领域的不断扩展，研究人员对已有的水力旋流设备的改进也在不断进行。鉴于上述两腔式多衬里 Vortoil 旋流器存在的缺点与不足， Kevin J.O Brien 等人于 1993 年 3 月 16 日发表的一篇题为“紧凑型三腔体水力旋流器”的专利（专利号 US 5194150）里提出了一种更为先进的水力旋流器设备15（如图 2-2-1 所示）。2.2.1 设备的总体描述此设备从整体看来是一个空心的压力容器。内部有两个隔板，在横向把容器分成了三个腔体，从左到右依次是排油腔、入口腔和排水腔。空心旋流管从横向通过隔板上的开孔安装在容器内部。每根旋流管都有一个或两个切向入口、一个底流口和一个溢流口。旋流

38、管和隔板孔接触的圆周方向有很好的密封，使得三个腔体之间是彼此隔离的，只通过旋流管相通。图 2-2-1 紧凑型三腔体水力旋流器100-水力旋流器；110-压力容器；112-入口腔壁；114-底流腔壁；116-溢流腔壁 121、122-隔板；125-封头；118、126-螺栓；131-入口；132-排水口；133-排油口；134、135-排污口； 137、138-隔板开口；141-入口腔；142-底流腔；145-溢流腔；150-旋流管；155-溢流口此设备总体上是一个空心压力容器，一端固定，另一端可拆。可拆端的封头通过螺栓与容器相连。两个隔板横向布置于容器内部。每根旋流管都有一个顶盖和与之相对的尾

39、端。油水混合物经一定压力由旋流管圆周的切向方向进入旋流管后，形成高速旋转的涡流；由于离心力的差异，重质相水被甩至管壁并向底流口处流动， 在底流腔内收集，最后从排水口排出，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。旋流管被安装在隔板的开口处，这样每个旋流管的底流口都在一个腔体内，溢流口在另一个腔体内。每个旋流管的顶端有一个固定部分，这样保证旋流管在隔板每个开孔处有很好的固定，防止其旋转。以上提供了一种组装水力旋流器的方法：把旋流管由容器的可拆端通过第一个隔板上的开口深入到容器内部，直到旋流管的顶端轴肩在隔板口处固定。旋流管的尾端将继续深入到第二块隔板的开孔处，直到两者充分

40、密封。2.2.2 设备各部件的具体描述由图 2-2-1 所示的紧凑型三腔体水力旋流器的示意图可见，压力容器 110 大体是由三部分组成的。主要组成部分是一对空心套筒112 和114，套筒上配有法兰112A和 114A，两套筒由螺栓 118 连接。另一套筒 116 与容器的第一个空心套筒 112 的自由端以螺栓相连。由图可见，第三部分 116 的长度要比第一部分 112 和第二部分114 小得多，这是由于这部分将收集体积较小的油相，为了节省容器内部空间所以做此设计。容器的自由端配有平板封头 125，它与第一部分的法兰 112A 用螺栓 126 相连。在容器的各连接处都配有密封圈，达到了良好的密封

41、效果。在容器内部，有两块隔板 121、122，第一块隔板 121 固定在第一个空心部分112 与第三部分 116 的连接处；第二块隔板固定在第一个空心部分 112 于第二部分114 的连接处。两块隔板将其分成三个腔体：入口腔 141 在溢流腔 145 和底流腔 143之间。容器 110 有一个混合液入口 131 在腔体壁 114 上，油水混合液由入口 131 进入压力容器腔体内部，经旋流管的分离作用后重质相水由底流腔的排水口 132 排出；轻质相油由溢流腔 145 的排油口 133 排出。剩下的两个排污口 134、135 配有阀门，以便维修时使用。131、132 和 133 也配有阀门，以供根

42、据实际处理量的大小调节各项流量。隔板 121 和 122 上有开口 137 和 138 以便插入旋流管 150。由于旋流管轴向尺寸的差异，开口 137 的尺寸要比 138 的大，这样方便旋流管的安装。由于安装要求，开口 137 和 138 必须是轴向平行的，而且也与容器 110 轴向平行。为了说明方便， 图示的压力容器只有一根旋流管，在实际应用中，每个开口都插满了旋流管或其他填充物。安装得旋流管的根数越多，设备的处理能力越大。旋流管包括一个伸长管 151 和两个相对的开口 154 和 155，顶端开口 154 的直径通常比尾端开口 155 的大。管 151 由其外壁围成了一个空间 158，它有

43、特定的内部形状。在管 151 顶端 154 的附近是一个后膛开口 152，用来把入口块 161 插入管151 内。后膛开口 152 是在圆周曲线上的一个矩形切口，所以入口块 161 的安装要深入到空心管 151 的内部，这样使管 151 露在外面的表面是光滑的，如图 2-2-2、2-2-3、2-2-4 所示。图 2-2-2 旋流管 150 的局部放大图151-管；152-后膛入口；153-顶端溢流出口；154-顶端；156- 扳手平面 ；158-底流通道；161-入口块；163-顶层墙体；164-护耳；166-后壁；169-轴向通道；171-溢流塞；181-末端；185-O 形圈；190-固定

44、部分；191-轴肩图 2-2-3 旋流管 150 的局部放大图的爆炸图172-凸台；159、173-螺纹；171-溢出塞；182-孔；183-扳手平面图 2-2-4 旋流管顶端左视图161-入口块；162-插槽；163-顶部弧形墙；164-护耳；165、167-侧壁入口块 161 包括一个后壁 166，它延长了入口块 161 轴向进入空心管 151 的长度。顶部弧形墙 163 被支撑在后膛开口处。顶壁 163 有一个进口槽 162，它定位于管 151 纵向的切线方向，使进入旋流管 150 的混合液加速旋转产生涡流。进口槽162 是流线型的称之为涡旋入口，混合液会腐蚀入口块 161 所以它是用抗

45、腐蚀材料制造成的。进口块 161 前部有开口，这样混合液可以由这个开口进入到旋流管 150内部从尾段 155 排出。进口块 161 的后壁 166 包括一个轴向部分 169，使混合液中的一相从管 151 的顶端 154 流出，进口块 161 的侧壁 167 有平面 167A 与管 151 的内部轴向平面部分相啮合，这样使进口块 161 在管 151 中固定。进口块 161 上还有一个拉环 164，它扩大了底部的轴向长度。拉环 164 的形状与管 151 的顶端溢流出口 153 一致，同时提供了一个光滑的表面。从图 3、4 可以清楚地看到，拉环 164 与顶端溢流出口 153 补偿了后膛开口 1

46、52 的纵向长度。当拉环 164 与顶端溢流出口 153 相套叠时，在操作中入口块 161 可以固定在适当的位置。水力旋流器经过一段时间的使用在旋流管 150 内会堆积一些沉淀物，若没有顶端溢流出口 153，维修人员需要在切向狭槽 162 中插入螺丝锤，把入口块 161 撬开， 这样会损坏狭槽 162。狭槽 162 的设计是标准件，对其任何的磨损都可能降低旋流器的性能，加速了入口块 161 的磨损。所以有了拉环 164，检查维修时，工作人员通过拉环 164 可以很容易的将入口块 161 从管 151 中取出。旋流管 150 还包括一个溢流塞 171，它与延长管 151 的顶端 154 相连，溢

47、流塞171 包括一个凸台 172 方便插入开口端 154，凸台部分 172 上还有螺纹与 159 在管内啮合。凸台 172 上有一个密封圈 175 使其与入口块 161 的后壁 166 能很好的密封。轴向溢流通道 178 在溢流管 171 内部，与入口块 161 的轴向通道 169 平行，接收从通道 169 流出的溢流液。轴向溢流通道 178 一直延长到溢流塞 171 的末端 181 使溢流液排到溢流腔 145。溢流塞的末端 181 有若干孔 182，这些孔为溢流液从溢流通道 178 流至溢流腔 145 提供了另一个出口。溢流塞 171 在末端有一个六边形的扳手平面 183（从图 2-2-5

48、可见）。延长管151 也有一个扳手平面 156，这样维修人员可以通过这两个平面拧紧溢流塞 171。溢流塞 171 包括一个固定部分 190，通过它旋流管 150 可以在压力容器 110 内固定。固定部分 190 上有一轴肩 191 一直延伸到溢流塞 171 的末端 181。此轴肩部份 190的直径比旋流管 150 的其它部分以及隔板 121 和 122 上的孔 137 和 138 都大，这样，轴肩可紧靠在隔板 121 的孔 137 处。安装旋流管 150 时，取掉封头 125，把旋流管150 插入孔 137 和 138 后，轴肩经紧靠在隔板 121 上，溢流塞 171 的末端 181 轻轻地贴

49、在可拆端 125A，当封头 125 固定在可拆端 125A 后，末端 181 与封头 125 很近，此时，固定部分 190 在隔板 121 和密封投 125 间固定。因此，旋流管 150 在压力容器 110 内通过开口 137、138 隔板 121 和封头 125 固定。图 2-2-5 轴肩部分左视图181-末端；183-扳手平面；191-轴肩；192、193-叶片在溢流塞 171 外表面临近轴肩 191 有一对 O 形圈 185，O 形圈 185 使每根旋流管 150 都与隔板 121 的每个开口 137 有良好密封，这样使得入口腔 141 中的介质不会溢流到溢流腔 145 中，保证了两个腔

50、体之间的连接只通过旋流管 150。同理，旋流管 150 在于隔板 122 上的孔 138 的接触部位也有一对 O 形圈 185，所以入口腔141 中的介质也不会流到底流腔 143 中。目前，为了安装方便、节省空间对旋流管 150 的改进已经使得其包括尽可能少的部分。把旋流管 150 安装到压力容器 110 内的过程包括：把 O 形圈 185 从凸台部分 172 套在旋流管 150 外圆周方向的环形沟里，入口块 161 通过后膛开口 152 插入管 151，拉环 164 进入开口 153，溢流塞 171 与延长管 151 通过插入鼻子部分 172到管 151 开口端 154 相连。混合液是通过切

51、向入口 162 进入旋流管 150，由于冲量使旋流管 150 有旋转的趋势，这个旋转的趋势加速了 O 型的圈磨损，所以要限制其旋转，溢流塞 171 的轴肩 191 就起到固定的作用。需要注意的是，每根旋流管都是一模一样的，旋转趋势也相同。轴肩 191 有叶片 192、193。从图 2-2-6 可看到，旋流管在容器中按六边形排布，这样旋流管在容器内保证了一个密集的排列方式。这种六边形的排列方式（如图 2.3.2-5 所示）使得 6 根旋流管定位在角上且它们与内壁 116A 距离最近，这些角上的旋流管 150A 由于叶片的固定，不会自由转动。图 2-2-6 旋流管在容器内排列左视图混合液由切向入口

52、 162 进入旋流管 150，是旋流管 150 产生一个旋转的趋势，阻止旋转的反向力来源于入口块 161，而入口块 161 又与管 151 相连，所以入口块161 是否旋转取决于管 151。管 151 通过螺纹与溢流塞 171 相连，溢流塞 171 的叶片 192、193 限制了管 151 的旋转。这样，在水力旋流器的操作过程中，依靠上紧或放松螺丝来防止旋流管 150 的旋转。由于各腔体的压力不同，设计中的一个实际特点是隔板 121 的宽度要比封头125 小。这是因为入口腔 141 的压力要大于溢流腔 145 的压力，因此，这个压力差使得隔板 121 只能望封头方向偏移。同时，溢流塞 171

53、的轴肩 191 与隔板 121 相连，而且溢流塞 171 的末端 181 轴向与封头 125 很近，这样限制了隔板 121 往封头 125处偏移的可能。所以由于溢流塞 171 固定部分 190 的支撑，隔板 121 的宽度可适当设计得窄点。封头 125 是标准件，可以承受压力容器 110 内的压力，这种设计减小了容器的占地空间同时减小了重量，满足实际生产的需要。2.2.3 国内相似设备范例大庆石油学院贺杰等人在专利号为 CN2348097Y 的专利中介绍了一种组合式油田采出液预分离水力旋流器，此设备的整体布局与前述的紧凑型三腔体水力旋流器类似，该组合式油田采出液预分离水力旋流器在大庆油田的应用

54、取得了良好的分离效果，这种新型的水处理设备，它将多根单体结构的油田采出液预分离水力旋流器按上述（三腔体紧凑型水力旋流器）的分布进行组合、固定在压力容器内部（如图 2-2-7 所示），并在容器内部结构采用一些独特的设计来实现增大水力旋流器的处理量并改进其分离效果，具有高效、节能、无运动件、易于操作维修等多项优点， 它的成功应用极大简化现有的工艺流程和工艺设备，产生巨大的经济效益及社会效益16。图2-2-7 静态水力旋流器的压力容器式结构示意图2.3 “三角形”式排布的水力旋流器2.3.1 传统设备概述随着研究的深入，研究人员进一步发现，目前限制水力旋流器性能的一个重要因素是混合液在进入旋流管单体

55、时小液滴的干扰。针对这一结论 Keith J. Girdler 在美国专利 US6918494B2 里面提出了一种新型的水力旋流器内旋流管的排布方式。在此专利提出之前传统的水力旋流器内旋流管的安装是彼此平行的，一种典型的结构如图 2-3-1 所示17。其外形是一个圆柱形的压力容器 12，容器内部有两块隔板14 和 16，隔板在轴向对旋流管 18 起到支撑作用。每根旋流管 18 都有一个溢流部分 20，一个入口部分 22，一个分离腔 24 和一个底流部分 26。油水混合液在压力的作用下由入口 30 进入入口腔 28，液体从入口腔 28 通过旋流管单体 18 的入口 31进入其入口部分 22，轻质

56、相油从溢流口 20 流至溢流腔再由排油口 33 排出容器；重质相水进入底流部分 26 排至底流腔再由排水口 35 排出容器。值得注意的是，每根旋流管 18 都有一个大的圆柱形部分 32，其直径“D”是旋流管的最大直径所在处，从图可见每根旋流管都是彼此平行且邻近的，最大直径出现在径向的同一位置，这样旋流管 18 之间的最小距离是由入口部分 22 的直径“D” 所决定的，这样占据了容器内大量空间。此外，由于以往的设计每根旋流管的入口31 都在容器径向的同一位置，这样在径向某一位置造成了入口的密集，混合液在进入旋流管之前在入口处会有彼此的干扰，这样会降低水力旋流器的性能。图 2-3-1 传统水力旋流

57、器结构简图2.3.2 对原有设备的改进在专利US6918494B2中作者通过对原有设备的改进提出了一种新的旋流管排布方式（如图2-3-2所示），很好的解决了传统水力旋流器存在的占用内部空间大、进口小液滴干扰严重的问题。图 2-3-2 “三角形”式排布的水力旋流器为了说明方便仅以三根旋流管18a、18b、18c为例对此设备加以说明。18a、18b、18c的单体结构与前述一致，18b装有一个溢流延长部分40，它被固定在连接隔板14 内部和旋流管的入口部分22b，18c也有一个溢流延长部分42，它被固定在连接隔板14内部和旋流管的入口部分22c，但18c的溢流部分42要长于18b的溢流部分40，两溢流部分都是管状结构，这样为液体从溢流口20排至溢流腔提供了一个通道。值得注意的是，溢流延长部分40和42