含油乳化污水分離處理系統(tǒng)試驗裝置設(shè)計

陳 剛

（西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安710065）①

目前，我國大部分油田采用了注水開發(fā)方式，每生產(chǎn)1t原油需要注水2～3t。隨著我國油田開發(fā)規(guī)模越來越大，含油污水產(chǎn)出量也愈來愈多。如果大量的含油污水得不到有效的分離處理，使其無法再利用，是對寶貴水資源的嚴(yán)重浪費。隨著全球范圍內(nèi)的水資源短缺的加劇，以及人們對環(huán)保的重視和對污染的治理力度的加大，含油污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用正加速進(jìn)行。目前的研究大多是采用旋流分離器［1－2］對含油污水進(jìn)行分離，而對含油乳化污水的分離試驗研究還欠缺。為了解決現(xiàn)有問題，筆者應(yīng)用多種分離技術(shù)設(shè)計了1套試驗裝置，用于研究含油乳化污水的分離技術(shù)。

1 總體方案

本試驗裝置對含油污水的分離方法是先破乳，再分離。所謂破乳就是將油水乳化物分解成為易于分離的油水混合物，破乳方法是空化破乳技術(shù)。分離方法是氣浮分離和旋流分離。

1.1 空化破乳原理

空化破乳的原理是：空化又稱氣蝕，是指當(dāng)壓力達(dá)到空氣的飽和蒸汽壓時，液體就會汽化，形成汽泡，而汽泡外面的液流的壓力都比較大，汽泡受壓破裂又重新凝結(jié)，在凝結(jié)過程中，液流質(zhì)點從四周高速向汽泡中心沖擊，從而產(chǎn)生水擊，使油水乳化物被打破，從而完成破乳。本套試驗裝置中利用2種設(shè)備實現(xiàn)油水乳化物的空化破乳，一種是文丘里管，另一種是箱體水力空化裝置。

1.2 氣浮分離原理

氣浮分離的原理是將氣體通入破乳后含油污水中，使水體成為水－氣－油滴三相混合物，由于大量微小氣泡粘附在油滴上，使油滴的整體密度明顯小于水而易與水分離，從而達(dá)到油水分離的目的。本套試驗裝置中利用氣浮罐實現(xiàn)氣浮分離。

1.3 旋流分離原理

當(dāng)破乳后的油水混合物，在一定的壓力下進(jìn)入環(huán)形空間，由于油、水的密度不同，在離心力的作用下，輕質(zhì)相（油）向中心運動，重相（水）向邊壁運動，從而實現(xiàn)油水分離。本套試驗裝置中利用旋流器實現(xiàn)旋流分離。

1.4 試驗系統(tǒng)流程

根據(jù)以上的分離技術(shù)要求和基本原理，筆者設(shè)計的試驗方案是：用柱塞泵［3］把油水乳化物分別通入箱體水力空化裝置和文丘里管，將破乳后的混合物分別通過氣浮罐和旋流器進(jìn)行分離。把最終分離出來的油的體積與試驗前加入水中的油的體積進(jìn)行比較，從而得到哪一種方法更有效。試驗裝置的設(shè)計方案如圖1。

2 主要部件的設(shè)計方案

2.1 文丘里管空化裝置

經(jīng)典文丘里管基本結(jié)構(gòu)由5部分組成：入口管，圓錐收縮管，圓柱喉管，圓錐擴散管，尾管，如圖2所示。文丘里管破乳原理是：當(dāng)油水乳化物通過文丘里管的喉管處，由于壓力的突降使乳化液發(fā)生空化，從而到達(dá)破乳的目的。

文丘里管的設(shè)計計算是根據(jù)經(jīng)典文氏管各部分結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系和試驗裝置的實際要求，從而確定文丘里管的結(jié)構(gòu)。

計算步驟：

1） 選擇試驗裝置的管路內(nèi)徑為Dv（入口管直徑）。

2） 確定喉管內(nèi)徑d。試驗系統(tǒng)選擇的柱塞泵的參數(shù)為：額定流量Q，壓力p，管路損失p1。文丘里管入口的壓力為p2＝p－p1。文丘里管的安裝高度的設(shè)計尺寸較小。所以，從泵口出來的流體速度vb與文丘里管的入口速度vA相同，即

式中：Q1為試驗裝置的設(shè)計流量；SA為文丘里管的入口面積。

利用伯努利方程［4］求得喉管內(nèi)徑d。以入口前端為1－1截面（過流斷面），以喉部為2－2截面列出伯努利方程：

式中：pA為1－1截面的液體壓力；pC為喉部入口處的壓力；vC為喉部液流速度；γ為液體重度，取9 180 N／m3；g為重力加速度，取9.8m／s2

查《水在不同溫度下的飽和蒸汽壓》表，取室溫為15℃，水的飽和蒸汽壓力為1.705 6kPa，取pC＝1.7kPa。將各參數(shù)代入式（3）得vC和Sd。又有Sd＝πd2，得dmax。

3） 整理文丘里管結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)經(jīng)典文丘里管的參數(shù)比例：入口喉管的長度L1約等于其內(nèi)徑Dv；圓錐收縮管長度L2為入口管內(nèi)徑Dv與喉管內(nèi)徑d之差的2.7倍；喉管的長度L3與其內(nèi)徑相等；收縮管錐角為20°±1°；擴散管的錐角為7～15°。

4） 分析確定文氏管的壁厚。文氏管的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是喉部，所以對喉部進(jìn)行壁厚分析選擇。喉部主要是要讓液體的壓力下降到飽和蒸汽壓以下，其不是用來承壓的，所以選擇壁厚為3mm，其余為2mm。

2.2 箱體水力空化裝置

本試驗裝置利用了和文丘里管一樣的原理，但結(jié)構(gòu)和形式完全不同。箱體水力空化裝置主要有3部分組成：箱體，噴盤，噴嘴。噴盤的作用就是將液流分為若干路通過噴嘴實現(xiàn)水力空化；噴嘴是將液體空化的直接裝置；箱體的功能是支撐噴盤和收集破乳后的油水混合物?？紤]箱體的實用，美觀，其外形設(shè)計為圓桶型；加蓋，用以懸掛噴盤。

1） 噴盤 其外形選擇為圓形，設(shè)計4個出口互成90°；內(nèi)部噴盤上表面要設(shè)計進(jìn)液口用于連接管路，對于內(nèi)部的流道設(shè)計為互相垂直的貫穿孔。其和管路、噴嘴的連接方式均為螺紋連接。噴盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2） 噴嘴 液流通過噴嘴前孔時壓力突降，發(fā)生空化，從而使油水乳濁液破乳。由于噴嘴的尺寸較小，其設(shè)計以易加工，易安裝為原則，結(jié)合多個設(shè)計方案，得到了最優(yōu)化的設(shè)計方案——六方頭內(nèi)嵌式噴嘴；噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算步驟與文丘里管的設(shè)計計算步驟一致，此處就不贅述了。

2.3 氣浮裝置

本試驗裝置用空氣壓縮機產(chǎn)生氣體，將氣體送入氣浮罐中，在罐中實現(xiàn)浮選［5］，設(shè)計流程如圖5，

為了產(chǎn)生微小氣泡，設(shè)計選用氣泡石，氣泡石可以使氣泡細(xì)化達(dá)到30～100μm，足以滿足氣浮的要求。氣浮罐是整個分離過程的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 旋流器

旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是參照經(jīng)典旋流器設(shè)計，使其能達(dá)到預(yù)期的效果。結(jié)構(gòu)如圖7所示

旋流器結(jié)構(gòu)尺寸計算步驟：

1） 設(shè)計計算核心尺寸和角度。圓柱旋流腔直徑D；進(jìn)料口直徑Di；溢流管直徑Do；尾管直徑Du；錐體角度θ；溢流管插入深度L；圓柱旋流腔的長度H。

2） 根據(jù)Rietema旋流器經(jīng)典比例確定相關(guān)尺寸。Di＝0.25D；Do＝0.34D；Du＝0.2D；L ＝0.4D；H＝0.6D；θ＝10°±5°。

參看《水力旋流器分離技術(shù)》［6］中的圓柱旋流腔D的選擇圖表，再根據(jù)試驗系統(tǒng)的實際情況，確定D，代入經(jīng)典比例中得到各部分的尺寸；θ取10°。通過錐角角度θ和D及Du確定了錐管的長度；根據(jù)旋流器的承壓情況，取旋流器壁厚為2mm。

3 結(jié)論

1） 設(shè)計的含油乳化污水分離試驗系統(tǒng)在對污水進(jìn)行分離處理時沒有采用任何的化學(xué)方法，只是依靠物理分離的方法，通過4種水力設(shè)備完成對污水的分離處理。這樣就省去了對分離出來的凈水再處理的環(huán)節(jié)，更為省時省力。

2） 該試驗系統(tǒng)在處理污水過程和結(jié)果對環(huán)境是無污染的，分離出來的產(chǎn)物都是可循環(huán)利用的。

3） 試驗證明該系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是可行的。將本套試驗裝置的最優(yōu)分離組合應(yīng)用于油田的污水處理，在完成分離后，將凈水回注地下，變害為利，解決了油田注水的水源問題和污水的排放問題。

4） 本套試驗系統(tǒng)只體現(xiàn)了4種分離組合，還并不完善，在日后的改進(jìn)中使其多樣化、精細(xì)化，這樣就可以得到更多的方案，可以更好地處理污水，對防止日趨枯竭的水資源和環(huán)境的日益惡化有積極意義。

［1］許敏.水力旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬及分離性能分析［J］.石油礦場機械，2012，41（3）：21－24.

［2］劉彩玉，陳立秋，李楓，等.脫水型旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬分析與研究［J］.石油礦場機械，2013，42（3）：6－10.

［3］劉延俊.液壓與氣壓傳動［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］張廣泰，韓成才.水力學(xué)與水力機械［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000：39－58.

［5］馬自俊.乳狀液與含油污水處理技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2006：134－140，215－22.

［6］趙慶國.水力旋流器分離技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：48－60，85.