油田污水處理復(fù)合式水力旋流器分離機(jī)理及特性研究

【摘要】： 近年來,我國主力油田已進(jìn)入中、高含水開采期,驅(qū)油方式已由原來的水驅(qū)向聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)發(fā)展。這些技術(shù)的應(yīng)用,在提高了原油采收率的同時(shí),給地面采出液的處理增加了難度。因而需要研究新的高效分離設(shè)備及高效處理工藝體系,以節(jié)省地面建設(shè)投資,改進(jìn)或簡化油氣集輸工藝流程。旋流分離技術(shù)的應(yīng)用正滿足了這種形勢的需求。作為常規(guī)水驅(qū)采出液,靜態(tài)水力旋流器在預(yù)分離和污水處理方面都有完整的配套工藝,在實(shí)踐中均得到了一定的應(yīng)用。但作為聚驅(qū)采出液和三元復(fù)合驅(qū)采出液的處理,靜態(tài)水力旋流器就很難適應(yīng)現(xiàn)場工況要求。動態(tài)水力旋流器雖有高強(qiáng)度旋渦流的優(yōu)點(diǎn),但殼體的振動是一個(gè)很難消除的因素,嚴(yán)重影響了分離效率的提高。 大慶石油學(xué)院旋流分離技術(shù)研究室在十幾年的研究工作基礎(chǔ)上,通過分析研究靜態(tài)和動態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn),力求尋找一種“取優(yōu)去劣”的動靜復(fù)合結(jié)構(gòu),解決油田含聚污水的處理難題。復(fù)合式旋流器就是在這一背景下產(chǎn)生的。復(fù)合式水力旋流器是動態(tài)水力旋流器和靜態(tài)水力旋流器的有機(jī)結(jié)合體,它一方面繼承了動態(tài)水力旋流器高強(qiáng)度旋渦流的優(yōu)點(diǎn),可以通過高速的旋渦流把原本難于分離的油從大粘度混合液中分離出來;另一方面它又繼承了靜態(tài)水力旋流器分離腔體不運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn),減少了分離單體因殼體振動而影響分離場、降低分離效率的問題。 為使復(fù)合式水力旋流器盡快應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際,應(yīng)該深入掌握復(fù)合式水力旋流器的分離機(jī)理和分離特性。復(fù)合式水力旋流器的分離機(jī)理研究也就是旋流分離場的理論研究。復(fù)合式水旋流器的分離場主要由壓力場和速度場構(gòu)成。在壓力場研究中,文中通過最大切向速度分界面把旋流區(qū)域劃分成兩個(gè)渦區(qū),即半自由渦區(qū)和強(qiáng)制渦區(qū),然后在兩個(gè)渦區(qū)內(nèi)分別分析了壓力分布和壓力損失的變化關(guān)系。利用半自由渦和強(qiáng)制渦內(nèi)的運(yùn)動方程與壓力梯度方程建立的方程組,結(jié)合復(fù)合式水力旋流器特定的邊界條件,在積分常數(shù)確定后,最終解出了兩個(gè)渦區(qū)內(nèi)的壓力分布解析式和壓力損失解析式。 為進(jìn)一步確定復(fù)合式水力旋流器單體的生產(chǎn)能力,通過復(fù)合式水力旋流器的壓力降函數(shù),結(jié)合前期研究的流量與旋轉(zhuǎn)柵直徑、旋轉(zhuǎn)柵角速度的關(guān)系式,推導(dǎo)出了復(fù)合式水力旋流器的生產(chǎn)能力方程,即單體處理量與旋轉(zhuǎn)柵大徑、壓力降、溢流口直徑的解析關(guān)系式,這為生產(chǎn)中操作參數(shù)的調(diào)定提供了依據(jù)。復(fù)合式水力旋流器在動靜結(jié)構(gòu)復(fù)合中的關(guān)鍵部件是旋轉(zhuǎn)柵,它一方面是旋流場的直接成因,另一方面是獲得高分離效率的關(guān)鍵因素之一。因此復(fù)合式水力旋流器的優(yōu)化設(shè)計(jì),主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。前期的研究結(jié)果表明,螺旋柵明顯優(yōu)于直體柵,但螺旋柵的螺旋升角到底多大是這次優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)。考慮到目標(biāo)函數(shù)建立上的困難以及現(xiàn)有仿真軟件的高可靠性,本次優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了分散參數(shù)優(yōu)化法。通過“FLUENT”軟件的模擬仿真,最終確定了合理的柵體升角。 為了穩(wěn)定流體在單體內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài),即穩(wěn)定流場,復(fù)合式水力旋流器分離單體的主體分離段內(nèi)錐腔的高次曲線光整設(shè)計(jì)是非常必要的。文中詳細(xì)介紹了基于標(biāo)準(zhǔn)Thew式結(jié)構(gòu)單體在三次曲線光整設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。另一方面,文中對復(fù)合式水力旋流器溢流口的結(jié)構(gòu)形式作了研究。 復(fù)合式水力旋流器的能耗主要包括壓力損失、局部壓力損失、粘滯損失、空氣柱和出口能量損失等幾個(gè)方面,文中分析了各種損失的成因及確定方法。 同時(shí),在室內(nèi)完成了模擬數(shù)據(jù)與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比工作和相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù),以驗(yàn)證模擬仿真的可行性與相關(guān)理論推導(dǎo)關(guān)系式的合理性。 最后,研究了樣機(jī)在現(xiàn)場工況條件下的試驗(yàn)情況。 【關(guān)鍵詞】：復(fù)合式水力旋流器 油田污水 分離特性 流場 能耗機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：大慶石油學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：X741
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要8-11
• 前言11-19
• 第一章 復(fù)合式水力旋流器的壓力場及單體生產(chǎn)能力19-27
• 1.1 渦域內(nèi)徑向壓力分布及能量損失19-23
• 1.1.1 半自由渦的壓力分布與壓降19-22
• 1.1.2 強(qiáng)制渦域的壓力分布與壓降22-23
• 1.2 復(fù)合式水力旋流器單體的生產(chǎn)能力23-26
• 1.3 本章小結(jié)26-27
• 第二章 復(fù)合式水力旋流器分離單體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27-39
• 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)27-29
• 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29-33
• 2.2.1 大錐段設(shè)計(jì)29-31
• 2.2.2 小錐段部分設(shè)計(jì)31
• 2.2.3 圓弧過渡段部分設(shè)計(jì)31-32
• 2.2.4 新型分離單體的加工32-33
• 2.3 溢流口表面輪廓形狀設(shè)計(jì)33-38
• 2.3.1 溢流口內(nèi)表面形狀設(shè)計(jì)的理論依據(jù)33-36
• 2.3.2 溢流口外表面形狀設(shè)計(jì)36-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第三章 復(fù)合式水力旋流器旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)39-54
• 3.1 CFD 的軟件選取與FLUENT 應(yīng)用的基本條件39-42
• 3.2 數(shù)值模擬42-46
• 3.2.1 多相流模型42
• 3.2.2 計(jì)算模型42-44
• 3.2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定44-46
• 3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析46-53
• 3.3.1 迭代計(jì)算的收斂46
• 3.3.2 模擬數(shù)據(jù)及分析46-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 第四章 復(fù)合式水力旋流器的能耗分析54-59
• 4.1 局部損失54-55
• 4.2 粘滯損失55-57
• 4.3 空氣柱內(nèi)和出口能量損失57
• 4.4 機(jī)電傳動機(jī)構(gòu)能耗57-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 第五章 復(fù)合式水力旋流器樣機(jī)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究59-81
• 5.1 實(shí)驗(yàn)條件59-61
• 5.2 實(shí)驗(yàn)方案61-62
• 5.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)62-63
• 5.4 測試結(jié)果與軟件模擬結(jié)果對比63-68
• 5.4.1 切向速度64-66
• 5.4.2 軸向速度66-68
• 5.5 直體柵與螺旋柵的對比實(shí)驗(yàn)68-69
• 5.6 三次曲線旋流分離體與Thew 式結(jié)構(gòu)單體的對比實(shí)驗(yàn)研究69-74
• 5.6.1 切向速度對比69-70
• 5.6.2 軸向速度對比70-72
• 5.6.3 壓力分布對比72-73
• 5.6.4 分離效率對比73-74
• 5.7 最佳操作參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)74-77
• 5.7.1 最佳入口流量的確定74-75
• 5.7.2 最佳分流比的確定75
• 5.7.3 最佳旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速的確定75-76
• 5.7.4 復(fù)合式旋流器在最佳工作條件下的分離效率76-77
• 5.8 復(fù)合式水力旋流器最佳生產(chǎn)能力通式驗(yàn)證試驗(yàn)77-78
• 5.9 內(nèi)縮角及背錐角溢流口的相關(guān)實(shí)驗(yàn)78-80
• 5.9.1 內(nèi)縮角溢流口與平頭溢流口的對比實(shí)驗(yàn)78-79
• 5.9.2 溢流口背錐角大小的實(shí)驗(yàn)優(yōu)選79-80
• 5.10 本章小結(jié)80-81
• 第六章 復(fù)合式水力旋流器樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)81-88
• 6.1 入口流量與底流壓力損失的關(guān)系82
• 6.2 入口流量和壓降比的關(guān)系82-83
• 6.3 分流比和壓降比的關(guān)系83
• 6.4 分流比和分離效率的關(guān)系83-85
• 6.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速對底流壓力損失及分離效率的影響85-87
• 6.6 本章小結(jié)87-88
• 結(jié)論88-90
• 一、本文的研究成果88
• 二、本文的創(chuàng)新點(diǎn)88-89
• 三、今后工作的展望89-90
• 參考文獻(xiàn)90-99
• 致謝99-100
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果100-102
• 個(gè)人簡介102

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前言    

前言    

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