重力式油水分离系统的研究进展

实验数据处理报告重力式油水分离系统的研究进展学院电气与自动化工程学院专业自动化方向检测技术与自动化装置年级 2011姓名吴昊学号 2011203232重力式油水分离系统的研究进展摘要目前实现油水分离的方法有很多种,而其中重力分离过程具有不需外加动力、装置制造成本和运行费用低、维护简便、大规模推广容易、回收的油可再利用等优点。

因而应用最广泛实用的仍是重力分离技术。

本文重点介绍了重力油水分离技术的基本原理和特点, 阐述了重力油水分离技术装备研究的进展状况,讨论了重力油水分离技术的发展方向，同时，结合天津大学三相流实验装置的特点，对油水分离提出了建议。

关键词：重力；油水分离；技术；进展石油是现代社会应用最为广泛的能源物质。

我国目前原油年产量约为2亿吨，但仍无法满足人民日益增长的需求。

而原油开采方面的技术，包括油水分离技术都有待提高。

一方面，在工业应用中，石油工业在环保方面存在很多问题: 钻井污水年排放量很大，而除少量进行了处理并达标排放，其余均未处理；采油污水年排放量3800 ×104t,排放达标率只有52 %,其中稠油污水基本全部超标排放；炼油污水年排放量2460 ×104t,排放达标率虽较高,也仅为74 %。

所以含油污水的处理和再利用是一项涉及环境保护和资源开发的重要工作,现实意义重大。

另一方面，在天津大学流量实验室三相流实验装置上，也有一个简单的油水分离罐用于实验，但由于其体积小（小于油罐与水罐容量总和）、分离慢、分离效果一般而遭到实验室管理人员，特别是做油水实验的同学一定的诟病。

一、油水分离方法介绍由于环境工程科学研究的深入，出现了很多关于油水分离的方法，不同类型的含油污水要采用不同的处理方法。

目前国内外含油污水的处理方法主要分为以下两大类：1.1 物理法物理法包括重力法、过滤法、离心分离法等方法。

1.1.1 重力分离法重力分离法是初级处理方法,它利用油和水的密度差及油和水的不相溶性,在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。

重力除油可去除水中的浮油及大部分分散油达到初步除油的目的。

分散在水中的油珠在浮力作用下缓慢上浮、分层,油珠上浮速度取决于油珠颗粒的大小、油与水的密度差、流动状态及流体的粘度。

重力分离法的特点是能接受任何浓度的含油水,同时实现油水分离。

1.1.2 过滤法过滤法是将废水通过设有孔眼的装置或通过由某种介质组成的滤层, 使水中的悬浮物得以去除, 油田通常采用的过滤方式是使采油污水通过石英砂、无烟煤等滤料, 使污水中的一部分原油和固体悬浮物滞留在细小滤料组成的滤层中, 这样采油污水便得到处理。

1.1.3 离心法离心法是使装有污水的容器高速旋转, 形成离心力场实现油水分离, 常用的设备为水力旋流器。

1.2 其他方法在油水分离方面，除了物理方法应用较为广泛外，国内外还研究发展了一些其他的方法，但是它们应用不是很广泛，只能在某些特定场合起到较为良好的效果，比如说：浮选法、生物法、化学法、电化学法、膜分离法、超声波分离法、吸附法等等。

这些方法有不同的适用范围, 需要针对不同的情况进行研究, 确定适合的工艺。

二、重力式油水分离基本理论重力分离法是利用油和水的密度差及油和水的不相溶性, 在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。

它是一种传统的实现油从水中分离的物理方法。

从实用的角度来看, 重力分离过程无需外加动力, 不消耗药剂, 无二次污染, 运行维护费用低, 是最经济的一种方法。

2.1 浅池理论1904年，哈真（Hazen ）提出了浅池理论：设斜管沉淀池池长为L ，池中水平流速为V ，颗粒沉速为u 0，在理想状态下，L/H ＝V/ u 0。

可见L 与V 值不变时，池身越浅，可被去除的悬浮物颗粒越小。

若用水平隔板，将H 分成3层，每层层深为H/3，在u0与v 不变的条件下，只需L/3，就可以将u0的颗粒去除。

也即总容积可减少到原来的1/3。

如果池长不变，由于池深为H/3，则水平流速可正加的3v ，仍能将沉速为u 0的颗粒除去，也即处理能力提高。

同时将沉淀池分成n 层就可以把处理能力提高n 倍。

对于池中油珠的理论脱除效率可表示为:()20018d Q gA w ρραµη−= 式中:μ———污水的动力黏度, Pa·s;do———油珠颗粒直径,μm;A———隔油池的表面积,m 1;α——隔油池表面积修正系数。

从上式可以看出, 要提高分离池的处理能力有两个途径: 一是扩大浮升表面积; 二是提高油珠上浮速度。

2.2 聚结理论油滴的聚结有两种不同的机理存在: 一种是“润湿聚结”; 另一种是“碰撞聚结”。

“润湿聚结”理论建立在亲油材料的基础上。

由于流体体系中的液滴首先在聚结介质(固体物质) 表面上润湿并吸附, 然后其他液滴与先吸附的液滴碰撞聚集, 使介质上被吸附的液滴不断增大,当增大到一定程度时, 流体的曳力将聚结的液滴从介质表面脱除, 连续的润湿吸附、碰撞、聚集和脱除,使连续相和分散相分层, 进而达到两相分离。

润湿聚结效果很大程度上取决于润湿介质的选取。

“碰撞聚结”理论建立在疏油材料基础上。

碰撞聚结发生的主要原因是分散相颗粒相互碰撞使得颗粒之间的界面破裂, 使两个或几个颗粒合并为一个颗粒。

对于碰撞聚结, 颗粒能够聚结为大颗粒的条件是促使颗粒聚结的力超过连续相和分散相之间的界面张力。

三、整体设备发展概况长期以来,人们为了提高设备的技术经济性能,开展了诸多研究,先后开发出了多种设备型式及其内部结构。

就设备型式来说,典型的主要有立式、卧式和球形三种,其中卧式设备兼有高效和便于制造的优点,因此得到了极为广泛的应用。

而按所采用的分离原理, 基本上可分为两大类: 一类为平行板式油水分离器; 另一类为聚结式油水分离器。

3.1 平行板式油水分离器平行板式油水分离器是在普通重力油水分离器中放置若干块相互平行、间距相等的平板, 操作时轻液相( 在此作为分散相) 液滴升至上部板面形成层膜, 在静压的作用下, 层膜沿平板向上流动, 后续上升的液滴停滞在层膜上并随其流动, 经过一定的时间后融合于层膜, 实现了分散相液滴的分离,在分离器出口便得到被分离的两相。

目前, 平行板式分离器中斜板板形或断面的形状如图1所示的几种, 常见的是MWS形、长方形、波纹形。

图1 斜板断面图1950年壳牌( Shell) 石油公司根据“浅池理论”研制出来PPI型油水分离器。

它是在API型油水分离器(平流式油水分离器) 内沿水流方向安装数量较多的倾斜平行板(板断面的形状为长方形, 如图1所示) ,不仅增加了有效分离面积, 而且也提高了整流效果。

斜板间距为100 mm, 倾角为45°。

在斜板内被分离的油, 沿着斜板的下面上升, 而后收集到捕油顶盖内, 再从顶盖一端的溢流管流出, 从而回收原水中的油珠。

这种装置可去除大于80 μm的油珠。

CPI为波纹斜板式隔油装置,也是由壳牌( Shell)石油公司研制出来的一种斜板式油水分离器。

和PPI 型油水分离器一样,它也是一种斜板式分离装置。

但斜板的断面形状不是普通的长方形,而是波纹形。

由于斜板的间距为20～40 mm, 可以使每单位容积的分离面积增大,而且采用波纹型断面,使得水力半径较小, 水力条件与PPI相比较优。

因此, 油水分离效果好, 可分离大于60 μm的油珠。

其优点是停留时间短(一般不超过30 min) ,占地面积小。

20世纪90年代初期, 余杰研究设计了一种带翼斜板油水分离装置, 它是由一系列固定间距的翼板叠置在一起的正六面组合体, 每块基板倾斜放置, 与水平成45°角, 以利于进入格子间内的油滴沿斜板向上浮升。

流体中油粒的分离过程如图2所示。

流进的油粒分成两部分:一部分流入主流路的平行层流区; 另一部分进入翼板内的环流区域。

实验表明,该装置具有高分离效能, 粒径大于39μm 的油滴通过装置后,其去除率达95%以上,27～39μm的油滴去除率也达到78%。

这是因为翼片顶端槽内有低速环流所造成的良好浮升环境, 另外, 由于该装置具有主流区和翼片间的涡流区, 水流以翼片顶端为分离点, 发生一系列的旋涡群, 夹带着油颗粒旋转着向下游翼片输送, 当涡流流动与下一翼片碰撞后, 其中部分油颗粒便送入片槽内的环流区内,这种强制输送和动态分离作用是翼片斜板具有高效分离性能的主要原因。

图2 带翼斜板的组成及油水分离过程3.2 聚结式油水分离装置所谓聚结是指含油废水通过一个装有填充物(聚结材料) 或具有特殊流道构型的装置, 在废水流经该装置时, 使油粒由小变大的过程, 聚结除油是聚结及相应的分离过程的总称。

英国Fram公司于20世纪70年代初开发了先进的聚结板分离器(CPS) , 其中的聚结元件为一叠V型板, 聚结板由玻璃纤维制成, 板上有放液孔,允许聚结油滴垂直穿过板。

该设备主要适合处理油质量浓度为200～1 000 mg/L, 出口油质量浓度为50 mg/L左右的污水。

通过现场应用证明了其独特的优越性。

20世纪80年代, 美国C- ENATCO公司开发了商标为Performax的板式聚结器(见图3) , 这是一种错流设备。

其聚结部分(见图4) 由多层斜板重叠而成, 与单层板式聚结器相比, 可大大提高分离效率, 而且不易阻塞。

聚结部分可由不同材料制造, 如聚丙烯、不锈钢和碳钢。

在相同的运行条件下, 该装置的处理能力远远大于以往的分离器, 成为油水分离向高效、小型化发展的关键技术。

图3 Performax 的板式聚结油水分离器图4 Performax 聚结构件1987年，河南石油勘探局在此基础上，通过引入重力消能和水洗作用，从而成功地开发出了流动特性和分离特性都有所改进的HNS-Ⅱ型分离器，它的流动特性及预分离作用都有一定程度的优化。

1992年以后，通过进一步的研究，发展出来优化设备HNS-Ⅲ分离器，不仅更好地应用了重力消能和水洗原理，而且还在设备中首次采用了一种能有效改进设备流动特性的新型构件即稳流构件。

近期，西安交通大学多相流实验室的陆耀军等对油水分离技术进行了较为深入的研究，对重力式油水分离系统主要分离模型进行了分析与优化，并对其入口构件、整流构件等进行了模拟实验优选。

四、结论与建议4.1 工业应用方面油水分离技术是处理工业和生活废水的关键技术之一,应根据不同种类油的性质和不同的水质要求, 采用不同的方法。

重力分离法是去除废水中浮油、分散油的传统方法, 从经济角度来看, 采用简单的重力法除去水中的油是最理想的方法, 利用水和油密度差的重力分离过程不需外加动力, 装置制造成本和运行费用低, 维护简便, 大规模推广容易, 回收的油可再利用。

因此, 应用前景十分广阔。

（1）鉴于油水分离技术在油田地面工程中的重要地位，建议成立专门的组织机构负责此方面的技术发展规划、科研攻关及推广应用方面的组织管理工作。