含油乳化污水分離處理系統試驗裝置設計

陳 剛

（西安石油大學 機械工程學院，西安710065）①

目前，我國大部分油田采用了注水開發方式，每生產1t原油需要注水2～3t。隨著我國油田開發規模越來越大，含油污水產出量也愈來愈多。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重浪費。隨著全球范圍內的水資源短缺的加劇，以及人們對環保的重視和對污染的治理力度的加大，含油污水處理技術的研究與應用正加速進行。目前的研究大多是采用旋流分離器［1－2］對含油污水進行分離，而對含油乳化污水的分離試驗研究還欠缺。為了解決現有問題，筆者應用多種分離技術設計了1套試驗裝置，用于研究含油乳化污水的分離技術。

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。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，是指當壓力達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，在凝結過程中，液流質點從四周高速向汽泡中心沖擊，從而產生水擊，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種設備實現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，從而達到油水分離的目的。本套試驗裝置中利用氣浮罐實現氣浮分離。

1.3 旋流分離原理

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

1.4 試驗系統流程

根據以上的分離技術要求和基本原理，筆者設計的試驗方案是：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行比較，從而得到哪一種方法更有效。試驗裝置的設計方案如圖1。

2 主要部件的設計方案

2.1 文丘里管空化裝置

經典文丘里管基本結構由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生空化，從而到達破乳的目的。

文丘里管的設計計算是根據經典文氏管各部分結構尺寸之間的關系和試驗裝置的實際要求，從而確定文丘里管的結構。

計算步驟：

1） 選擇試驗裝置的管路內徑為Dv（入口管直徑）。

2） 確定喉管內徑d。試驗系統選擇的柱塞泵的參數為：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。將各參數代入式（3）得vC和Sd。又有Sd＝πd2，得dmax。

3） 整理文丘里管結構尺寸。根據經典文丘里管的參數比例：入口喉管的長度L1約等于其內徑Dv；圓錐收縮管長度L2為入口管內徑Dv與喉管內徑d之差的2.7倍；喉管的長度L3與其內徑相等；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。文氏管的關鍵結構是喉部，所以對喉部進行壁厚分析選擇。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，但結構和形式完全不同。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。考慮箱體的實用，美觀，其外形設計為圓桶型；加蓋，用以懸掛噴盤。

1） 噴盤 其外形選擇為圓形，設計4個出口互成90°；內部噴盤上表面要設計進液口用于連接管路，對于內部的流道設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。噴盤結構如圖3所示。

2） 噴嘴 液流通過噴嘴前孔時壓力突降，發生空化，從而使油水乳濁液破乳。由于噴嘴的尺寸較小，其設計以易加工，易安裝為原則，結合多個設計方案，得到了最優化的設計方案——六方頭內嵌式噴嘴；噴嘴結構如圖4所示。其結構的設計計算步驟與文丘里管的設計計算步驟一致，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生氣體，將氣體送入氣浮罐中，在罐中實現浮選［5］，設計流程如圖5，

為了產生微小氣泡，設計選用氣泡石，氣泡石可以使氣泡細化達到30～100μm，足以滿足氣浮的要求。氣浮罐是整個分離過程的關鍵，其結構如圖6所示。

2.4 旋流器

旋流器的結構設計是參照經典旋流器設計，使其能達到預期的效果。結構如圖7所示

旋流器結構尺寸計算步驟：

1） 設計計算核心尺寸和角度。圓柱旋流腔直徑D；進料口直徑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Rietema旋流器經典比例確定相關尺寸。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》［6］中的圓柱旋流腔D的選擇圖表，再根據試驗系統的實際情況，確定D，代入經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；根據旋流器的承壓情況，取旋流器壁厚為2mm。

3 結論

1） 設計的含油乳化污水分離試驗系統在對污水進行分離處理時沒有采用任何的化學方法，只是依靠物理分離的方法，通過4種水力設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節，更為省時省力。

2） 該試驗系統在處理污水過程和結果對環境是無污染的，分離出來的產物都是可循環利用的。

3） 試驗證明該系統在工業生產中的應用是可行的。將本套試驗裝置的最優分離組合應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） 本套試驗系統只體現了4種分離組合，還并不完善，在日后的改進中使其多樣化、精細化，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境的日益惡化有積極意義。

［1］許敏.水力旋流器內部流場數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.脫水型旋流器結構參數模擬分析與研究［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：機械工業出版社，2006.

［4］張廣泰，韓成才.水力學與水力機械［M］.西安：陜西科學技術出版社，2000：39－58.

［5］馬自俊.乳狀液與含油污水處理技術［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［M］.北京：化學工業出版社，2003：48－60，85.