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油田污水处理复合式水力旋流器分离机理及特性研究

李枫  
【摘要】: 近年来,我国主力油田已进入中、高含水开采期,驱油方式已由原来的水驱向聚合物驱和三元复合驱油技术发展。这些技术的应用,在提高了原油采收率的同时,给地面采出液的处理增加了难度。因而需要研究新的高效分离设备及高效处理工艺体系,以节省地面建设投资,改进或简化油气集输工艺流程。旋流分离技术的应用正满足了这种形势的需求。作为常规水驱采出液,静态水力旋流器在预分离和污水处理方面都有完整的配套工艺,在实践中均得到了一定的应用。但作为聚驱采出液和三元复合驱采出液的处理,静态水力旋流器就很难适应现场工况要求。动态水力旋流器虽有高强度旋涡流的优点,但壳体的振动是一个很难消除的因素,严重影响了分离效率的提高。 大庆石油学院旋流分离技术研究室在十几年的研究工作基础上,通过分析研究静态和动态水力旋流器的优缺点,力求寻找一种“取优去劣”的动静复合结构,解决油田含聚污水的处理难题。复合式旋流器就是在这一背景下产生的。复合式水力旋流器是动态水力旋流器和静态水力旋流器的有机结合体,它一方面继承了动态水力旋流器高强度旋涡流的优点,可以通过高速的旋涡流把原本难于分离的油从大粘度混合液中分离出来;另一方面它又继承了静态水力旋流器分离腔体不运动的优点,减少了分离单体因壳体振动而影响分离场、降低分离效率的问题。 为使复合式水力旋流器尽快应用到生产实际,应该深入掌握复合式水力旋流器的分离机理和分离特性。复合式水力旋流器的分离机理研究也就是旋流分离场的理论研究。复合式水旋流器的分离场主要由压力场和速度场构成。在压力场研究中,文中通过最大切向速度分界面把旋流区域划分成两个涡区,即半自由涡区和强制涡区,然后在两个涡区内分别分析了压力分布和压力损失的变化关系。利用半自由涡和强制涡内的运动方程与压力梯度方程建立的方程组,结合复合式水力旋流器特定的边界条件,在积分常数确定后,最终解出了两个涡区内的压力分布解析式和压力损失解析式。 为进一步确定复合式水力旋流器单体的生产能力,通过复合式水力旋流器的压力降函数,结合前期研究的流量与旋转栅直径、旋转栅角速度的关系式,推导出了复合式水力旋流器的生产能力方程,即单体处理量与旋转栅大径、压力降、溢流口直径的解析关系式,这为生产中操作参数的调定提供了依据。复合式水力旋流器在动静结构复合中的关键部件是旋转栅,它一方面是旋流场的直接成因,另一方面是获得高分离效率的关键因素之一。因此复合式水力旋流器的优化设计,主要表现在旋转栅结构参数的优化设计上。前期的研究结果表明,螺旋栅明显优于直体栅,但螺旋栅的螺旋升角到底多大是这次优化设计的任务。考虑到目标函数建立上的困难以及现有仿真软件的高可靠性,本次优化设计采用了分散参数优化法。通过“FLUENT”软件的模拟仿真,最终确定了合理的栅体升角。 为了稳定流体在单体内的运动状态,即稳定流场,复合式水力旋流器分离单体的主体分离段内锥腔的高次曲线光整设计是非常必要的。文中详细介绍了基于标准Thew式结构单体在三次曲线光整设计中的设计依据和设计方法。另一方面,文中对复合式水力旋流器溢流口的结构形式作了研究。 复合式水力旋流器的能耗主要包括压力损失、局部压力损失、粘滞损失、空气柱和出口能量损失等几个方面,文中分析了各种损失的成因及确定方法。 同时,在室内完成了模拟数据与样机实验数据的对比工作和相关实验任务,以验证模拟仿真的可行性与相关理论推导关系式的合理性。 最后,研究了样机在现场工况条件下的试验情况。


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