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基于微泡浮选的多流态强化油水分离研究

李小兵  
【摘要】:油田采出水处理是矿场油田开发利用和环境保护面临的重要课题,是油田开采必不可少的生产环节。随着三次采油技术的广泛应用,油田采出污水产出量大,水质复杂且难处理问题突出,现有技术已经无法满足油田正常生产的要求。因此,迫切需要开发与三次采油技术配套的采出水处理技术,开发无药剂添加、不产生含聚油泥、操作简单、能耗低的物理除油工艺及设备。旋流–静态微泡浮选分离是将常规旋流器和常规泡沫柱分离结合起来,集旋流分离、气浮与聚结分离于一体的高效分离方法。旋流–静态微泡浮选柱在煤炭分选、有色金属选矿、铁矿提质降杂、油水分离等领域得到了广泛应用。本论文从基于微泡浮选的旋流分离强化除油、聚结分离强化除油等方面开展研究,对于油水分离用浮选柱的开发和工业应用提供理论指导。主要研究内容包括以下几个方面: 研究了基于微泡浮选的旋流分离强化除油机理。分析了旋流器中油滴的受力情况,描述了浮选柱内置旋流器油水旋流分离过程。研究了起泡剂浓度,给料速度,循环压力,充气速率等操作参数对脱油率的影响规律。建立了旋流分离脱油率的数学模型。采用PIV粒子成像测速仪测试了浮选柱内置旋流器速度场分布。 研究了基于微泡浮选多元聚结强化除油机理。深入分析基于浮选柱内旋流段、管流段和气浮段的流体行为和油滴聚结、破碎过程,提出了旋流–静态微泡浮选柱中旋流聚结(90o碰撞聚结)、管流聚结(0o碰撞聚结)、层流聚结(180o碰撞聚结)机制。考察了充气速率、温度、给料速度、循环压力以及粘度等操作条件对旋流聚结效果的影响规律,充气速率、温度、给料速度以及粘度等操作参数对层流聚结效果的影响规律,充气速率、循环压力、粘度、管段长度、管段直径以及含油浓度等操作参数对管流聚结效果的影响规律。建立了旋流聚结、层流聚结和管流聚结的数学模型。明确了旋流聚结、管流聚结与层流聚结过程能有效处理粒径范围。 利用流体力学软件Fluent对浮选柱内的两相流场进行数值模拟,获得了浮选柱旋流段、管流段和气浮段三部分经过旋流聚结、管流聚结和层流聚结后油相的浓度场分布和油滴粒径分布云图。模拟结果和试验结果相吻合。 研究了基于射流的气含率调控强化除油机理。分析了喷嘴口径、充气速率、起泡剂用量、循环压力四个参数对气含率的影响规律。确定了适合于油水分离的气含率不应低于10%最佳范围。建立了基于操作参数影响预测气含率的数学模型,以及基于BP神经网络和基于GRNN神经网络的气含率预测模型。 通过静态实验,研究了吸附时间、投放煤种、煤粉颗粒粒径、含油污水pH值、含油浓度等因素对原油在煤粉颗粒表面的吸附规律。实验结果表明,随着吸附时间的延长,石油类物质在煤粉颗粒表面吸附量先增加而后趋于平衡;同一粒级下无烟煤对石油类物质的吸附量大于贫(瘦)煤及褐煤,同一煤种下细粒级吸附量大于粗粒级的吸附量;石油类物质在无烟煤表面吸附量随pH值增加缓慢减少,pH值对吸附量的影响不大。石油类物质在+0.046mm粒级煤粉表面吸附符合Freundlich等温吸附规律,在-0.046mm粒径煤粉表面吸附符合Langmuir吸附等温规律。吸附过程符合二级吸附动力学模型,吸附形式为物理吸附与化学吸附共存的吸附过程,物理吸附为主,化学吸附为辅。 认识到聚合物驱采出水处理过程实质是两种生产(采油生产、采出水处理)、两种循环(水循环、聚合物循环)的采出水循环体系,应进行进行适度处理,既要使出水达到回注要求,同时使聚合物最大限度的保留。在此原则下,以旋流–静态微泡浮选柱为主要分离设备,利用煤的天然吸附性,以煤粉作为吸附剂,选择性吸附采油污水中原油,保留聚合物,开发了聚合物驱采油污水浮选柱选择性吸附气浮工艺。结合浮选柱多元聚结作用和充填材料聚结作用,开发浮选柱聚结气浮工艺,配套开发油煤基吸附料资源化回收利用技术。 通过浮选柱聚结气浮–载体选择性吸附气浮工艺集成,在胜利油田孤六联建设了2000m3/d“浮选柱聚结气浮–选择性吸附气浮”工业系统。工业试验结果表明,该技术具有工艺独特、指标先进、无底泥产生等特点。针对含油浓度1000 mg/L~2000mg/L、悬浮物120mg/L左右的进水,处理后出水含油浓度为23.39 mg/L,总脱油率为97.70%。同时,每处理1m3水可减少污泥排放量1.87Kg,污泥量减少,既简化了整体处理工艺,又降低了处理成本。 该论文有图143幅,表15个,参考文献139篇。


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