Vorsep型旋流气浮组合设备的结构设计与三维实体模拟

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1、摘要随着洋深水油田和边际油田的开发，采油废水的处理不仅仅是石油上游行 业所面临的一个环保性问题，更是一个生产性问题。传统单一的处理单元已经 无法满足对含油废水处理标准，因此有必要基于各种成熟的单元技术来研制开 发组合处理技术，旋流气浮组合技术是其中颇具代表性的一种。本文首先介绍了含油废水的组成及来源，并详细介绍了旋流、气浮及粗粒化等单元处理技术，并对国外相关旋流气浮组合技术的发展进行较为详细的描述。然后以西门子公司的 Vorsep 型气浮旋流组合设备为参照对象，通过借鉴国外已经成功应用的产品研发案例，如挪威 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、

2、美国 CETCO 公司的 CrudeSep 等，运用压力容器的相关知识来确定设计所需的工艺参数，完成了详细的结构设计和三维实体模拟。关键词：采油废水，油水分离，气浮，旋流，气浮旋流组合VAbstractWith the extend of the oil resources development time and continued exploitation of marginal oil field and offshore deep water oilfield. Produced water disposal problem is not only the oil industry u

3、pstream industries often in the face of a production problem, it is also an production issue.Traditonal units has been unable to meet standards of produced water treatment. Therefore, it is basis of traditional units to research and produce combinational technology And in the most explored combinati

4、onal technology, the combination of cyclonic and flotation is the most representative.This paper first reviewed the formation and the sources of produced water, and some available separation methods including flotation , hydrocyclone and coalescence.Then a full description of the development of the

5、combination of cyclonic and flotation is given. Through referencing so successful application cases abroad such as the SIEMENS of united ,the Vertical gas induced flotation cell of Natco Group in United States and the CrudeSep of CETCO Oil-filed Services in United States, the CFU of M-I Epcon AS in

6、Norway to determine the necessary technical parameters of design, complete structural design, its final full 3D simulation.Key words ： Produced water, oily waste water separation, flotation, hydrocyclone, combination of cyclonic and flotation.目录第一章 前言1.1 含油废水的组成及其来源11.2 常规的处理方法11.3 气浮旋流组合技术相关发展81.4

7、本文的工作内容9第二章 气浮旋流组合设备的介绍及其方案论证2.1 气浮旋流组合的相关研究11第三章 气浮旋流组合设备的结构设计计算3.1 设备的工作原理及结构介绍213.2 组合设备的工艺参数223.3 设备本体结构设计223.4 其他辅助设备的选型363.5 容器检察39第四章 技术经济分析与计算机辅助设计4.1 技术经济分析404.2 计算机辅助设计41第五章 结论与展望5.1 结论465.2 对进一步研究及展望46参考文献47致谢49声明50摘要随着洋深水油田和边际油田的开发，采油废水的处理不仅仅是石油上游行业所面临的一个环保性问题，更是一个生产性问题。传统单一的处理单元已经无法满足对含

8、油废水处理标准，因此有必要基于各种成熟的单元技术来研制开发组合处理技术，旋流气浮组合技术是其中颇具代表性的一种。本文首先介绍了含油废水的组成及来源，并详细介绍了旋流、气浮及粗粒化等单元处理技术，并对国外相关旋流气浮组合技术的发展进行较为详细的描述。然后以西门子公司的 Vorsep 型气浮旋流组合设备为参照对象，通过借鉴国外已经成功应用的产品研发案例，如挪威 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、美国 CETCO 公司的 CrudeSep 等，运用压力容器的相关知识来确定设计所需的工艺参数，完成了详细的结构设计和三维实体模拟。关键词：采油废水，油水分

9、离，气浮，旋流，气浮旋流组合10AbstractWith the extend of the oil resources development time and continued exploitation of marginal oil field and offshore deep water oilfield. Produced water disposal problem is not only the oil industry upstream industries often in the face of a production problem, it is also an p

10、roduction issue.Traditonal units has been unable to meet standards of produced water treatment. Therefore, it is basis of traditional units to research and produce combinational technology And in the most explored combinational technology, the combination of cyclonic and flotation is the most repres

11、entative.This paper first reviewed the formation and the sources of produced water, and some available separation methods including flotation , hydrocyclone and coalescence.Then a full description of the development of the combination of cyclonic and flotation is given. Through referencing so succes

12、sful application cases abroad such as the SIEMENS of united ,the Vertical gas induced flotation cell of Natco Group in United States and the CrudeSep of CETCO Oil-filed Services in United States, the CFU of M-I Epcon AS in Norway to determine the necessary technical parameters of design, complete st

13、ructural design, its final full 3D simulation.Key words：Produced water, oily waste water separation, flotation, hydrocyclone, combination of cyclonic and flotation.目录第一章 前言1.1 含油废水的组成及其来源11.2 常规的处理方法11.3 气浮旋流组合技术相关发展81.4 本文的工作内容9第二章 气浮旋流组合设备的介绍及其方案论证2.1 气浮旋流组合的相关研究11第三章 气浮旋流组合设备的结构设计计算3.1 设备的工作原理及结构

14、介绍213.2 组合设备的工艺参数223.3 设备本体结构设计223.4 其他辅助设备的选型363.5 容器检察39第四章 技术经济分析与计算机辅助设计4.1 技术经济分析404.2 计算机辅助设计41第五章 结论与展望5.1 结论465.2 对进一步研究及展望46参考文献47致谢49声明50Vorsep 型旋流气浮组合设备的结构设计与三维实体模拟第一章前言1.1 含油废水的组成及其来源油田的含油废水主要有三种来源，一是采油废水，二是洗盐废水，三是洗井水1。由于中国大部分油田已经进入开发的中、后期，地层采出水量的不断提高， 注水量成倍增长，回注水水质要求也更加严格，油田采出废水处理设备急需升级

15、改造。中国大部分油田的污水处理装置多建于二十世纪六七十年代，且多采用“老三套”工艺，工艺设备陈旧老化，出水很难达标，随着国家对环境保护的提高和低渗油田的相继开发。于是，含油废水的处理越来越受关注。油田采油废水是各油层的产出液经原油脱水工艺处理后的脱出水。它包括油层中原有的地层水及注入到油井的注入水。采油废水成分复杂，而且不同油区含油污水的成分也有很大差别。由于采出水在地下时与高温高压的油层接触，溶进了盐类、原油、悬浮物、有害气体、有机物等，采出原油经脱水工艺处理时，还要加入破乳剂和漂白剂。因而，油田采油废水中一般含有一定量的原油、无机离子、硫化物、有机酚、氰、细菌、固体颗粒以及水站原油处理中所

16、投加的破乳剂、絮凝剂和杀菌剂等化学药剂，既无法达到采出水回注地层的水质要求，也不能满足排放水质指标，因此必须对油田采油废水进行有效处理5。1.2 常规的处理方法我国采油废水处理技术发展较快，20 世纪 60 年代，产生了重力除油流程，70 年代至 80 年代出现了通过压力除油罐，压力过滤罐的压力流程等。20 世纪90 年代初，随着离心除油技术的引进化吸收，开发研究了国产水力旋流器，实现了水力旋流器流程废水处理技术1，本文介绍几种典型的单元处理技术。1.2.1 重力沉降自然除油的原理是水中自然形成的微小油滴靠其与废水的相对密度差上浮而进行分离。它可以去除含油废水中的浮油和分散油，即油珠粒径为 1

17、0100m 以上的油。因为自然除油在水流动状态下进行，故除油效率高低和水的流速有关。斜板除油是基于浅层理论。该理论忽略了紊流、进出口水流的不均匀性、油珠颗粒上浮中的絮凝等因素，认为油珠颗粒在理想状态下进行重力分离。即假定：过水断面上各点的水流速度相等，且油珠颗粒上浮时的水平分速度等于水流速度；油珠颗粒等速上浮；油珠颗粒上浮到水面即被去除。含油废水在这种重力分离池中的分离效率(也成除油效率)，以大于浮升速度49u 的油珠颗粒去除率来表示：E =u Q A(1-1)式中，E 油珠颗粒的分离效率；u 油珠的上浮速度；A 除油设备水平面工作面积。斜板除油装置基本上分为平流式和立式两种，对应的设备和构筑

18、物为平流式斜板隔油池和立式斜板储油罐。平流式斜板隔油池常用于炼油厂含油废水的处理中。1.2.2 粗粒化除油粗粒化除油是使含油废水通过粗粒化材料所构成的填充床层使油珠变大让后沉降，其中处理的主要对象是水中的分散油。可作为粗粒化填料有聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等，其外形可做成粒状、纤维状、管状或胶结状。目前粗粒化机理大体上有“润湿聚结”和“碰撞聚结”两种。“润湿聚结”理论建立在亲油性粗粒化材料的基础上。当含油废水经过亲油性材料组成的粗粒化床上时，分散油珠便在材料表面润湿并附着，这样材料表面被油膜包裹，再流来的油珠也更容易润湿附着在上面，因而附着的油珠不断扩大形成油膜，由于浮力和反向水流冲击的作用

19、，油膜开始脱落。脱落的油膜到水相中形成油珠，该油珠粒径比聚集前多的油珠粒径大，从而达到粗粒化的目的。“碰撞聚结”理论建立在疏油材料基础之上。当含油废水经过疏水性材料时， 两个或多个油珠可能同时与疏油材料的管壁上碰撞或互相之间碰撞，使它们合并成大油珠，从而达到粗粒化的目的。无论是亲油或疏油的粗粒化材料，两种聚结都同时存在，只是前者以“润湿聚结”作用为主，后者以“碰撞聚结”为主。因此，无论是亲油性材料还是疏油性材料只要粒径适合，就会有比较好的粗粒化效果。其中技术关键是粗粒化材料。从材料的形状来看，可分为纤维状和颗料状； 从材料的性质来看，许多研究者认为材质表而的亲油疏水性能是主要的，而且亲油性材料

20、与油的按触角小于 70 度为好。当含油废水通过这种材料时，微细油粒便吸附在其表而上，经过小断碰撞，油珠逐渐聚结扩大而形成油膜。最后在重力和水流推力下，脱离材料表面而浮升于水面。粗粒化材料还可分为无机和有机两类。外形可做成粒状、纤维状、管状。胶结状聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等均可作为粗粒化填料，填料的种类如图 1-1 所示，除油效果表 1-1 所示。图 1-1 填料材料示意图粗粒化的主要缺点是定期对聚结床清洗，定期更换聚结材料提高了运行费用。表 1-1 部分填料除油效果聚结材料名称比润湿度Th / Tw粒度/mm表面积m2 / g含油量mg / L除油率%进水出水范围平均范围平均聚丙烯0.33

21、3-4441-63322717-19566.670.6聚苯乙烯0.671-2443-1499310-3621.377.2FY-101 蜡3.60.8-2.0443-1499312-3419.379.3FY1010.670.8-2.0443-1499318-3928.869.2GDX11.50.8-2.040043-1491106-229.491.543 石英砂0.170.8-1.2443-1499322-4834.263.21.2.3 水力旋流器除油水力分离技术属于离心分离范畴，根据离心力远远大于重力场而强化分离效果，相应的设备有静态水力旋流器和动态水力旋流器等。其中静态水力旋流器可用于固-液

22、分离和液-液分离。静态水力旋流器用于固-液分离已经有较长历史，在石油工业中也被用于钻井液的处理、原油井口除砂等场合，而用于液-液分离则晚得多。水力旋流器有两类：动态水力旋流和静态水力旋流。(1) 静态水力旋流器如图 1-1 所示，油水混合液在一定压力下从入口高速切向进入旋流器的旋流腔，形成高速旋转的涡流。因离心力的差异，重质相水被甩至器壁并向底部流动， 从底部口排出；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。图 1-2 液-液分离型水力旋流器静态水力旋流器结构紧凑，无运动部件、构造简单、单位容积的生产能力较大、占面积小、造价低、材料消耗少，在处理量和除油性能相同的条

23、件下，重量比其它设备轻，工程建设比其他设备投资低。脱油型静态水力旋流器起源于英国。从 20 世纪 60 年代末开始，由英国南安普顿大学 MartinThew 教授领导的多相流与机械分离研究室开始水中除油旋流分离器的研究，发明了双锥双入口型液- 液旋流分离器。在试验过程中取得满意效果。随后设计出双锥型旋流器具有相同分离性能但处理量要高出 1 倍的单锥型旋流分离器。经过几何优化设计，Conoco 公司提出了 K 型旋流分离器，对于直径小于 10m 的油滴分离性能提高更加明显。由于旋流分离器具有许多独特的优点，旋流脱油技术在发达国家含油废水处理特别是在海上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备。目前

24、以美国 Baker Hughes Process 公司、Axsia Serck Baker、Krebs Engineers 以及英国 Cyclotech Ltd.、Conoco Vortoil Separation Systems 等几家公司在油水分离用静态水力旋流器的生产与应用方面走在世界前列。但是由于单个静态水力旋流器的处理量少，需多台单体联合使用。常用的组合方式有压力容器式（如图 1-3 所示）、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。图 1-3 静态水力旋流器结构示意图静态水力旋流器的缺点是：因为它是靠离心力除油，所以对悬浮物和粒径小的乳化油去除率很低，后续流

25、程应加强去除乳化油和悬浮物的处理工艺。(2) 动态水力旋流器如图 1-4 所示，动态水力旋流器是电机带动筒体高速旋转，筒内叶片使水旋流，处理量比静态要大。动态水力旋流器作为一种油水高效处理设备，能将有密度差的不互溶液体介质进行离心分离。它不仅克服了静态旋流器沿轴向由液体分离速度衰减而引起旋流强度减弱的问题，而且极大地提高了分离效率，扩展了应用范围。其具有功能多、效率高、操作工艺简便、体积及占地面积小、运行工艺封闭等特点，对处理量及入口压力范围的调节弹性极具灵活，能避免二次污染， 对环保极为有利。但缺点是结构稍复杂，有一定的振动，旋流器内壁磨损较大， 操作维护有一定的难度等，并且未技术成熟度能到

26、油田现场大规模应用的地步。图 1-4 动态水力旋流器的结构示意图1.2.4 气浮法除油气浮法也称浮选法，其原理是设法使水中产生大量的微气泡，以形成水、气、及被去除物质的三相混合体，在界面张力、气泡上升浮力和静水压力差等多种力的共同作用下，促进微细气泡粘附在被去除的微小油滴上后，因粘合体密度小于水而上浮到水面，从而使水中油粒被分离去除。气浮法通常作为对含油污水隔油后的补充处理。各种浮选处理方法最本质的区别，在于水中形成气泡的方式和气泡大小的差异。根据这一特点，浮选处理法大体上可分为四大类，即溶气浮选法、诱导浮选法、电解浮选法和化学浮选法。在这些方法中，应用于含油污水处理较多的是溶气溶气浮选法、叶

27、轮浮选法和射流浮选法。(1) 加压溶气气浮加压气浮工艺是用加压泵将加有混凝剂的含油废水打入加压溶气罐中，同时与注入溶气罐的压缩空气混合后上浮。变压气浮装置由气浮装置、浮选装置和溶气系统组成。它集凝聚、气浮、撇油、沉加压溶气气浮是用水泵将废水加压到0.20.3MPa，同时注入空气，在溶气罐中使空气溶解于含油废水中。如图 1-5 所示，废水经过减压阀进入浮选池，由于突然间到常压，这时溶解于废水中的空气便形成许多细小的气泡释放出来。其主要优点：气泡尺寸小、均匀、操作稳定、设备简单、管理维修方便除油率高。但是流程复杂、停留时间长、设备庞大、操作麻烦、耗电量大，这个系统不适合空间有限的地方使用，通常用于

28、污水处理工艺中。图 1-5 部分回流式压力溶气气浮工艺(2) 叶轮旋切气浮叶轮式气浮装置的浮选比全流程加压溶气气浮的溶气量大 50 倍，停留时间缩短 5 倍。当二者除油效率相同时，叶轮旋切气浮机的造价仅为溶气气浮的 60%。耐冲击负荷、适用于油田污水处理。但是叶轮旋切气浮机国产化程度低，液位控制难度大，仪表需引进且运动部件多，又因外形为方形，易出现死水区。而且浮选中必须添加浮选剂、气泡大小不均匀可能产生无效气泡并且马达，轴承和桨叶都需要经常维护，维修比较麻烦。如图 1-6 所示，叶轮旋转时，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，使气体从水层上的气顶进入立管，同时水也进入立管，

29、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，而后浮至水面成为浮渣，浮渣由浮选槽两侧溢油堰上方的浮渣撇除器撇除。为了达到最佳的分离效果，气浮单元必须做到：在水中含有合适数量的小气泡；泡沫的大小适当；要保持一个稳定的环境，以便泡沫上浮；作为浮渣被撇除的部分占进水比例最小；防止任何有害气体泄漏，如 VOCs。图 1-6 含油废水处理用叶轮式气浮装置及其水力特性示意图1-轴；2-传动带；3-马达；4-气进口；5-立管；6-孔板管罩；7-堰板；8-刮渣板；9-浮渣槽；10-转子；11-圆 锥滚子轴承；12-主轴承；13-双密封构件

30、；14-主轴；15-大型转子其中叶轮旋切气浮中旋切叶轮是关键部件，以专利产品形式出现。NATCO集团的TRIDAIRMECHANICALTMInduced Gas Flotation System、Petreco 的WemcoDepurator Systems 都属于此类产品。其中前者的外形如图1-7所示。图 1-7 美国 TRIDAIRMECHANICALTM 外形图目前，国内外在含油污水处理中广泛应用了叶轮气浮，如前苏联和美国的油田含油污水处理以及国内的中原油田、河南油田、胜利油田、青岛石化、沧州炼油厂等含油污水处理。(3) 射流气浮射流浮选装置是近年来出现的一种新型油田污水处理设备，其结

31、构与叶轮机类似。射流浮选机是利用射流泵的原理，采用污水或净化水为喷射流体，如图1-8 所示，当水从喷嘴高速喷出时，在喷嘴的吸入室形成负压，气体被吸入吸入室，水高速通过混合段时，携带的气体被剪切形成微细气泡；在浮选室，气泡上浮，并附着在油珠和固体颗粒上，将其带至水面。喷嘴是射流气浮装置中的关键部件，喷嘴的位置直接影响除油效果，喷嘴入水较深为好。图 1-8 卧式射流气浮的多级串联结构该浮选技术的主要用于采油废水的处理。射流气浮产生气泡直径小，浮选效率高，制造、安装、维修方便，操作安全，并且噪声小(因为无空压机)，总体能耗低，产生气泡均匀，能去粒径较小的分散油，出油效率好于叶轮式具有很大的应用前景。

32、但是水里停留时间较长，喷嘴设计要求较高。1.3 气浮旋流组合技术相关发展离心力场强化气浮的想法被提出以来，水力旋流器式气浮机经历了较长的发展过程。在 20 世纪 30 年代，法国燃料加工工业公司制造了第一台旋流式浮选机，之后不久，荷兰国家矿业局制造出了第一台浮选旋流器；它们是水力旋流器式气浮机的前身。20 世纪 40 年代末，德国狄特立希(Dittrich)和墨提克(Mottig) 首次真正把水力旋流器结构引进了气浮，设计制造出第一台水力旋流器式浮选机。20 世纪 70 年代，有旋流浮选机生产实践方面的报道，但其内部结构及流场与普通旋流器有较大差别，而且体积大。之后，人们便开始将其引用到油水、

33、污水的处理中， 20 世纪 80 年代初，出现了一种称作 ASH ( air-sparged hydrocyclone)的浮选旋流器。随着科学技术的发展与进步，近年来国内外油田采油废水的治理工艺在不断探索的同时已得到强化和改进。鉴于以上单元处理技术的条件限制，人们不断的探索改进的方法，为了满足各行业对含油废水处理所提出的新要求，如减少产生水污染，提高水的重复利用率，减少占地面积，可用于不稳定区域等工作环境， 压缩最终排水量，循环使用，废水回用以达到降低能耗，减少对环境污染的有效方法。但是相关单元技术已经发展成熟，因此近年来出现了寻求组合各单元技术来达到进一步提高处理效率、降低处理装置的空间尺寸

34、的趋势，实现结构上的Compact，功能上的 Optimization，取得了不少实质性的研究成果。在各种组合处理技术中，目前尤以旋流分离与气浮分离技术的组合研究更为引人关注。旋流气浮是一种新兴技术，与传统的重力场浮选及常规的水力旋流技术相比具有许多突出的优点，而国内目前尚处于实验室初步研究阶段。最近几年国内以中国石油大学、大庆石油学院、华东理工大学等单位为代表， 开始研究充气式水力旋流器。如图 1-9 所示，一定压力下，含油污水由进料口切向进入旋流器，由于受器壁限制，液流高速旋转并逐渐下移，沿器壁形成旋流层。这些旋转着的液体向下进入圆锥段后，由于旋流器的内径逐渐缩小，液体速度加快，产生越来越

35、强的离心力场，在离心力作用下，油滴逐渐向旋流器的中心运动，与此同时，压缩空气从铜管的细孔挤入旋流层，在高速旋转流体的强剪切作用下分割成大量的细小气泡，这些气泡和油滴结合，形成稳定的粘附。粘附油滴的气泡径向穿越旋流层， 向压力低的中心移动，在旋流器的中心汇集成含油的泡沫柱。在泡沫柱底部和溢流管口间的压力作用下，富含油的泡沫经溢油口排出，含油较少的水则从底流口排出11。虽然处理效率提高，改善了原有单体的不足，但是操作复杂而且很难在油田现场应用，无法走成品化道路。图 1-9 充气式水力旋流器示意图但国外对于气浮旋流组合研究的方向是气浮与弱旋流的组合，国内研究的旋流器单体注入气体的研究，他们的技术路线

36、完全不同。国外对气浮与弱旋流组合的研究取得了很大的进展，已经出现了多种相关商业化产品，并且应用到油田现场。相关的产品如挪威 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、美国 CETCO 公司的 CrudeSep、英国 Cyclotech 公司的DeepSweep、德国 SIEMENS 公司的 Cyclosep、Vorsep 等。1.4 本文的工作内容将气浮分离技术与弱旋流分离技术的组合技术来处理含油废水，与传统的常规处理技术相比较有许多突出优点，然而国内对象相关研究的内容处于初步阶段。本文将重点查阅外文文献的基础上，全面了解国内外的各种旋流与气浮组合设

37、备的结构特点，通过借鉴 SIMENS 公司三代紧凑型气浮设备的基本结构，完成全部结构设计，最后对其进行三维实体模拟。第二章 气浮旋流组合设备的介绍及其方案论证2.1 气浮旋流组合的相关研究国内相关研究较少，但在国外气浮和弱旋流紧凑型设备应用方面取得了较大进展，出现了一批紧凑型组合处理设备，如 Epcon 公司的紧凑型气浮设备(CFU)， CETCO 公司的 CrudeSep 设备，Cyclotech 公司的 DeepSweep 设备，NATCO 公司的 Tridair Versaflo IGF 设备，SIMENS 公司三代紧凑型气浮设备并作详细介绍。2.1.1 Epcon 公司的 CFU 设备

38、M-I Epcon AS 成立于 2001 年，是挪威一家集研发设计、制造销售和技术服务为一体的石油污水处理设备供应公司。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好的节能环保性能的水处理技术及相关产品，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，使处理后水中含油降低到 515 ppm。经实践证明，与传统污水处理工艺相比，该公司设计生产的污水处理装置具有性能稳定、操作简单、低成本高效益等优势。因此很快受到国际石油工业的关注和推广应用。并在 2006 年 2 月该公司被 M-I S

39、WACO 公司收购，现在是 M-I SWACO 的一部分。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%或少于 30mg/L。应用 EPCON 公司的 CFU 紧凑型设备，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。EPCON 的 CFU 技术不需要外部能源就能可靠有效的分离水、石油、天然气来达到处理水的高标准。CFU 设备比传统的应在海上平台的气浮设备体积小， 水力停留时间短。把气浮和弱旋流技术组合

40、，因为液体的比重不同使小油滴更容易聚结从而从水中分离出来。分离过程主要是因为罐的内部设计和从水中释放剩余气体产生气浮所影响的。而且引进外部气体和絮凝剂使分离过程得到优化。在容器上方的出油管使分离出的石油和天然气不断的被去除，如图 2-1 所示。CFU 技术的优点是：重量轻，设备小巧，应用广泛，坚固耐用，操作简单， 含油浓度小于 10mg/L，设备中无活动部件，维修费用低。图 2-1 Epcon 公司的 CFU 设备2.1.2 CETCO 公司的 CrudeSorb 设备CETCO 的CrudeSep 设备可以安装在三相分离器入口或出口可以高效的去除石油，天然气和固体。CrudeSep 设备本质

41、上是一个紧凑型的四相分离器，是一个接近常压、常温下工作的竖直容器，通过气浮和旋流增强重力分离过程。如图2-2 所示，含油废水在一定压力下切向进入容器入口，经由入口导流板在容器内部形成旋流，这种旋流会产生离心力，从而影响油珠的流动路径。通过一定量的溶解气体在容器内被释放，使流入的油滴和絮凝颗粒与小气泡碰撞结合，从而向液体表面移动，形成浮选，到达液体表面，这些小油滴就会聚集在一起，形成油膜。若油滴在最初时没有黏附到气泡上，将随着水流向下走，在离心力作用下， 他们将会转向容器的中心，在一个低位处，循环水进入装置，循环水中微小气泡将会移向中心向上走，捕获水中残留的油份，上升至液面。液面的油膜通过容器中

42、心的油槽内排出。CrudeSep 设备最主要的特点就是对于单元内的油水分离的速度和水力停留时间的控制。同时结构尺寸上更加紧凑，他的占地面积和重量都约为常规气浮单元的 1/3。并且可以采用串联方式增强容器的处理效果。图 2-2 CETCO 的 CrudeSep 设备2.1.3 Cyclotech 公司的 DeepSweep 紧凑型气浮设备该设备结合现代旋流约束涡流理论，大大强化现代最佳气浮分离器的设计， 以达到高效油水分离。确保分离效果不受设备摇摆的影响，适合在 FPSO（Floating Production Storage & Offloading 浮式生产储存卸货装置）上使用。该设备关设计

43、要点如图 2-3 所示：立式容器设计，在增强分离效果的同时大幅度减小设备占地尺寸。采用独特的强化气浮分离工艺，充分利用溶解气和导入气。采用独特的外部可调气/液接触和导入系统，使得导入气以“微气泡”的形式进入设备。这些“微气泡”由涡流带动流经整个设备，然后，汇集至中心液面。这也是该技术命名的由来。采用循环水泵以提高系统的操作弹性，并提供动力用于引入气体。选用合理的长径比，减低液体轴向速度，同时又使油颗粒至油出口的径向游移距离最短。优化进口位置，使之与预期的轴向油浓度相配，避免油水短路进入洁净水出口，同时，又不至于搅动分离器的出口油层。采用较低的加速度场，并结合独特的内件设计结构，尽可能避免流体在

44、任何情形下发生短路。同时， 也考虑轴向/径向油浓度梯度分布，优化油水分离的效率。适宜的撇油设计将油的富集浓度大大提高，从而，大幅度降低了返回系统的水量。简单实用的内部设计，消除设备受固体颗粒或结构的影响。特别适合于浮动生产，确保设备的分离特性不受摇摆的影响。在排放要求及其严酷的条件下，也可将设备设计成两级串联使用。其特点是高效，典型的排油浓度为 525mg/L；紧凑、操作弹性广，可比例放大，极低的维护要求，含沙对该结构没有影响，固定式内件，设备中无活动部件。图 2-3 Cyclotech 公司的 DeepSweep 紧凑型气浮设备2.1.4 NATCO 集团的 Tridair Versaflo

45、 IGF 设备如图 2-4 所示，Versaflo 的工作原理：工业废水包含油和固体污染物进入立式气浮设备顶部向容器底部流动，同时气泡在容器底部被引入从而向容器顶部上浮。随着气泡的上升，气泡碰撞、接触小油滴和被油包裹住的固体。在这种情况下，这些污染物被气泡上浮到表面，然后从容器内被移走。气泡的形成和分散是通过喷射器使用循环再生水所实现的，清洁的水通过容器底部被排走。图 2-4 NATCO 公司的 Versaflo IGF 设备立式诱导气浮的主要特点：(1) 大量的向上气泡和向下油水均匀地分布在塔横断面上。(2) 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，使它们速度的上升

46、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效果。(3) 塔内的一个主要气浮装置是一个喷射器，它产生向下平均流速为 2ft/min的水流。(4) 塔内典型总水力停留时间在 26min。进口系统用来从油水混合物进口处分离气体，在与油滴结合前，传到旋流筒内在上层混合。(5) 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。(6) 排水口不断从塔的底层引出水。撇油斗前有一个堰用来防止上升气泡超过堰表面。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

47、到气浮塔的横断面上。(7) 专有油滴的进口设备以去除气体使进口液体均匀分布。低水流速度促进分离效率的提高。(8) 径向射流器产生均匀分布的整个横截面面积的小气泡从而达到高效浮选的目的。VersaFlo IGF 设备适合运行在剧烈晃动下如浮式生产储油轮和其他浮动平台。2.1.5 SIEMENS 公司的三代紧凑型气浮设备2004 年 7 月 31 日西门子正式完成从其设在法国巴黎的母公司 Veolia Environnement（威立雅环境）手中对 US Filter（美净集团）的收购。US Filter 世界范围内的 5,800 名员工，以及其年销售额达 12 亿美元的产品、系统及服务业务都将归

48、于西门子工业系统及服务集团（I&S）麾下，并组建一个全新的“水处理技术”部。西门子已成为工业和市政水处理和废水处理系统和服务的全球领先供应商之一。通过收购 US Filter（美净集团），西门子正在扩展其在迅速增长的水处理市场的业务。US Filter（美净集团）是北美市政及工业水处理产品及服务的市场领导者。在全球范围内 US Filter（美净集团）拥有 157 个分支机构，与大约五万个市政社区、十万个工业客户有业务联系。超过 1000 项专利确保该公司有广泛的产品及解决方案可供销售。该公司的总部将设于宾夕法尼亚州的沃伦戴尔（Warrendale, Pennsylvania）。通过收购 Mo

49、nosep 公司，它的尖端技术使西门子水处理技术分部扩大其在石油天然气行业的产品和服务系列。Monosep 已在全球 23 个国家安装 600 多套油田采出水处理系统，每天水处理总量达到 481 万桶。此外，Monosep 公司还是水处理和分离技术设备和服务、反渗透系统以及回流服务全球领先的供应商之一。在此基础上西门子在 20072009 年推出三代紧凑型旋流气浮设备。(1) SPINSEP 立式浮选设备第一代在 2007 年被推出，SPINSEP 立式浮选系统组合多种方法把工业废水去油。技术的改进和设计成立式容器来减少占地面积为这一创新的浮选系统需要。它可应用在近海、陆上的产出水中含有中等浓

50、度的油脂去除，炼油废水的处理，含油废水的处理和去除造纸工业废水中的纸浆。如图 2-5 所示，进水口处切向安装 Spiralsep 装置，该装置使进入的小油滴发生碰撞聚结作用，又因为是切向进入，所以在罐中产生弱旋流作用。溶气气浮泵产的小气泡在容器罐的底部均匀分布并匀速向上上浮，小气泡就可长时间的接触小油滴，使小油滴附着在气泡向上上升到液体表面。没有附着在气泡上的小油滴通过该设备的中间层的粗粒化材料，把小油滴聚结，形成大油滴，而存在填料间小油滴通过筒体中释放到小气泡上升到液体表面，达到清洗滤料中的石油目的。并且根据油滴和水的密度不同油滴上升到液体表面。当上升到液体表面的油层达到挡油板的高度时候，油

51、层被撇到储油槽。产生浮选气泡的有多种方法，其中包括 DGF、射流器和喷射管。西门子公司使用一种专利泵来产生细小气泡。该泵采用双片面叶轮，然后将水和气体进入泵然然后加速混合产生小气泡。该 DGF 技术允许瞬时调整在气泡大小，带来更大的适应性来改变水的化学特征。该设备适用在极端晃动的条件下，像浮动平台。在造成潜在的晃动环境中， 该设备以减少表面积来减少容器内的湍流，使容器内油水脱脂效率增大，从而降低油水脱脂比使除油效率最大化。图 2-5 SPINSEP 立式浮选设备(2) CYCLOSEP 立式浮选设备CYCLOSEP 立式浮选为第二代紧凑型浮选设备在 2007 年被推出，它在处理工业产出水和废水

52、中代表一个新的概念。在这个独立的容器罐内，使用专门气旋和浮选工艺来消除油滴，油脂和固体。把先进的旋流技术安装在立式容器罐中， 没有间断的把产出水中的固体去除。内部设计采用了旋流器使固体不容易堵塞或短路。在第一代的基础上，它可应用近海、陆上的产出水中含有含油高浓度的沙和固体去除，含油废水的处理其中包括固体。如图 2-6 所示，当含油废水进入 CYCLOSEP 立式浮选设备，含油废水进水口处切向安装 Spiralsep 装置，并且连接多个组合的水力旋流器。含油废水中小油滴进入 Spiralsep 装置发生碰撞聚结作用，凝聚成油珠颗粒。分别进入单个高速旋转地水力旋流器，根据油水密度差通过高速的离心力

53、使水在外壁向下运动从水相口流出，油滴在中心向上运动在油相出口流出。油相出口的油珠，通过油水的密度差，使油珠受到向上的浮力到达液体表面流入储油槽。水相出口的水通过中心筒从中心筒上部流出，目的是使水力停留时间最大化，促进气泡与水中的小油滴长时间接触。溶气气浮泵产的小气泡在容器罐的底部均匀分布并匀速向上上浮，小气泡也可长时间的接触小油滴，使小油滴附着在气泡向上上升到液体表面。没有附着在气泡上的小油滴通过该设备的中间层的粗粒化材料，把小油滴聚结， 形成大油滴，根据油滴和水的密度不同油滴上升到液体表面形成油层。当液体表面的油层达到挡油板的高度时候，油层被撇到储油槽。水流通过气浮区低于过滤的填料，来清洗滤

54、料中的石油，使油滴上升到液面然后被撇到石油罐中，出水流量的水位是自动调节和独立变化的。回收的石油被提炼出来送到运营商，含水石油罐中的石油是通过一级控制开关来开动传送泵得以实现。第二代的产生的气浮装置和第一代同样 DGF 技术的专利的泵来产生细小气泡，但是它使从而使化学品的成本节约高达 50。该系统也适合在极端的运动下运行，运行效果不会受太大影响。图 2-6 CYCLOSEP 立式浮选设备(3) Vorsep 紧凑型浮选设备在 2009 年 1 月 19 日推出该公司的 Vorsep 紧凑型浮选设备是 Siemens 公司的第三代产品。该设备比前两代设备紧凑而且重量轻，很适合在空间和重量有限的海

55、上平台使用。Vorsep 紧凑型浮选设备与标准的气浮设备相比减少至少 80% 水力停留时间。在同样的水力停留时间减少了设备的存储水所以没有在有限的空间及重量下减少分离效率。该设备在前两代的基础上，去除近海、陆上石油生产中的水的污染物，采油废水的处理，也可在炼油厂二级油水分离中应用。如图 2-7 所示，含油废水从容器底部入口切向进入倒锥形内部套筒，通过导流板，产生弱旋流作用促使液体加速分离，提高油水分离效率。从倒锥型内部套筒的顶部流出，使通过旋流作用凝聚到一起的油滴上浮到液体表面。且溶气气浮泵分两个管道一个进入倒锥形套筒内促使分离水中的油分。另一个管道进入容器罐内使气泡均匀分布在容器罐内，小气泡

56、匀速上升，在上过程中使废水中的小油滴粘附到气泡上产生向上的浮力，使油滴上升到液体表面。其中没有附着在气泡上的小油滴通过中间层的聚结介质，使小油滴聚结，根据油水密度差使小油滴上升液体表面。当聚结介质达到饱和状态使，通过该设备的反冲洗作用，清洗聚结介质后，重新开始油水分离。其中上升到液面的小油滴通过内部头的弧形面使油滴聚集到中心管，在中心管流出，洁净水在容器底部被排出。从 Vorsep 紧凑型浮选设备的洁净水可用于回注或外排。图 2-7 Vorsep 紧凑型浮选设备Vorsep 设备具有独特的溶气气浮(DGF)技术，它采用专有的 Brise 的泵产生细小气泡。泵采用双片面叶轮，然后将水和气体进入泵

57、然然后加速混合产生小气泡。DGF 技术允许瞬时调整在气泡大小，带来更大的适应性来改变水的化学特征，使该设备适合在极端晃动的条件。气浮旋流组合设备与以往常用的油水分离设备相比有多种优点：占地面积小，设备重量轻，适合有限空间内的应用，分离效率高，水力停留时间大幅度减小。以上是对气浮旋流组合设备的简要要介绍，他们各自有各自的缺点，鉴于国内对此方面的研究处于空白阶段。本文将重点研究 SIMENS 公司的 Vorsep 紧凑型浮选设备结构，并确定本设计工艺流程。工艺流程如图 2-8 所示：图 2-8 紧凑气浮旋流组合运行流程图第三章 气浮旋流组合设备的结构设计计算3.1 设备的工作原理及结构介绍如图 3

58、-1 所示，设备的主体部分为紧凑型旋流气浮组合罐，组合罐为一个竖直的柱状容器。采油废水由容器罐底部切向进入内部套筒，另一管路直接进入内部套筒流入溶气气浮液体，通过内部套筒中的导流板把气-液混合物经过导片引流，在内部套筒形成向上的旋流，进而在内部套筒中形成旋转的离心力场。由于离心作用和溶气气浮释放的气泡作用，密度较大的水相和泥渣向套筒内壁移动其中泥渣由于重力作用下降到内部套筒底部，等聚集到一定程度，在内部套筒底部的排泥口，排出。而油相，还有粘附油滴的小气泡等较轻的组分则产生径向向内的相对迁移，内部套筒中心区域安装一个防涡杆，防止产生涡流。气-液由于导板和旋流作用上升到内同上端，在上端流出。由于一

59、部分油滴粘附在气泡上，粘附体的密度远远低于水的密度，因此上升的容器罐的液体表面。溶气气浮装置设计了两个支管，一个支管进入内部套筒，另一支管进入组合罐并呈圆形布水头，使溶气气浮均匀分布在容器罐中。在内部套筒中部分油滴未接触到气泡的小油滴再次接触到气泡并粘附上，因为密度原因而上浮上升到液体表面。通过两次的气浮过程，最终在罐内液面上部产生油层和气泡的浮渣层。通过弧形的顶帽，当油层聚集到一定程度，就在顶帽的中心套筒流到，储油槽中， 等到聚集一定程度后，在储油槽被排出。罐的中间部分是填料层，作用是使上升的气泡与下降的油水混合液充分的碰撞，增大气泡黏附油滴及固体颗粒的几率，同时使用填料来增加小油滴相互之间

60、的碰撞结合，形成大油滴上升排到撇油槽， 为了促进油水分离效果。并在中间填料层位置设计了一个上手孔，用来更换填料。当聚结介质达到饱和状态时，把含油废水入口，排油口和排水口关闭，打开反冲洗的入口和排出口进行反冲洗， 然后静置，关闭反冲洗入口和排水口。重新打开含油废水的入口，排油口和排水口，再次循环运作。图 3-1 气浮旋流组合设备示意图3.2 组合设备的工艺参数气浮旋流组合技术有许多特征参数，对于紧凑型气浮旋流组合罐的设计而言，主要参数包括水力停留时间、离心加速度、分离效率、处理量和回流比等。其中影响这些参数的条件是：(1)气液接触时间；(2)气泡直径和密度，直径小密度大气浮效果好；(3)油珠的粒

61、径，油珠粒径大则分离效果好。对于分离效果的影响，其主要影响因素是离心加速度。下面主要介绍水力停留时间、离心加速度、回流比。3.2.1 水力停留时间浮选罐的结构及有效水力停留时间决定着浮选罐的水流状态和气泡与颗粒物质的接触效率和附着效率。有效停留时间 HRT 是指浮选罐的有效容积与总进水量的比值，用公式可表示为：HRT = WQ3 = WQ2 (1 + h)(3-1)式中，HRT 浮选罐的有效停留时间，h；W 浮选罐的有效容积， m3 ；Q 浮选罐的总进水量， Q = Q + Q(m3 / h)3312通过参阅外文文献可知，紧凑型旋流气浮组合罐的有效水力停留时间一般取在 10120s 范围内，当

62、 HRT 取 4080s 时，处理效果好。若停留时间太短，水流的冲击力大，浮选中的污水处于较强的紊流状态，这样不但不利于气泡与颗粒的粘附，反而会将部分已粘附在气泡上的絮体打碎。而水力停留时间过长，则影响处理的效率。本设计拟取 HRT 为 60s。3.2.2 离心加速度当流体环绕某一中心轴作圆周运动时，在与中心轴距离为 r、切向速度为ut 的位置上，即离心加速度，=u 2a t r(3-2)离心分离的关键参数为离心加速度 a，由上式可知 a 是由水流的切向速度和流体据中心轴的距离决定的。紧凑型旋流气浮组合罐的有效水力停留时间一般取在 10200s 范围内，而当离心加速度的值取在 30g50g m

63、 / s 2 范围内时效果比较理想。设计拟采用 a 为 40g m / s 2 左右，约为 400 m / s 2 。3.2.3 回流比含油废水经紧凑型旋流气浮组合罐处理后，从底流口流出，一部分净化水由出水口排出，另一部分以回流的形式依次经过循环泵、气浮喷射器打回组合罐的下部。设这部分回流水的流量为Qc ， Qc 与紧凑型旋流气浮组合罐入口流量Qi 的比值定义为回流比，用 i 表示，Qi = Qci(3-3)当入口流量一定时，回流比的大小直接决定着回流水的流量，同时也影响着组合罐内射流气浮所产生气泡的直径、数量以及分布情况，进而对组合罐的气浮性能起着重要作用。3.2.4 分流比进入紧凑型旋流气浮组合罐的流量为Qi ，液体最终从两个出口排出，它们的流量分别是出油口流量Qu 和出水口流量Qd 。通常要引入分流比的概念描述两出口流量之间的比例关系，它包括溢流分流比 Fu