（油气田开发工程专业论文）波纹板油水分离技术研究.pdf

s t u d yo nt h e7 i b c h n o l o g yo fc o r r u g a t e dp l a t e so i l a t e rs e p a r a t i o n c h e nw e n z h e n g( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i i l g ) d i r e c t c db yp r o z h a n gg u i c a i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s to ft h eo i l f i e l d si ne a s tc 1 1 i n aa r e 枷n g 证t 0t h eh i 曲w a t e rc u ts t a g e d e v e l o pt l l eh i 曲e f j f i c i e n ta i l dl o wc o s ts e p a r 撕o ne q u i p m l 斌i sav a l i d 、) l ，a yo fs o l v i n g l e p r o b l e mt h a tt h es 印a r a t i o nt e d m o l o g ya r e 触g t h ee 能c to fm es 砒f a c ew 毗如i l 咄也e r o u g h i l e s so ft h ec o r n l g a t e dp l a t e sa n dt l l ei n t e r v a lo f l ep l a t e sa r es t u m e d ，也er e s u n ss h o w 1 a tt l l es e p a r a t i o ne n e c to ft h eo i lw e ts u r f a c ei sb e t t e rt l l a nt h ew a t e r 、 ，e t 剐耐瓠e ，t ：h e s 印撇t i o ne f r e c to ft h ea s p e r i 够p l a t ei sb e 仳rt l l _ a i lt h e 酉o s s yp l a t e ao i l 、概p a i n tw a s a d o p t e dt oc h a n g et l l eg a l v a n i z e ds h e e t s s i n g l es u r f a c e ，w l l i c hc a l lm a k et l l ec o a l e s c e n c e 跚i r f - a c eb eao i lw e to n ea i l dt h es 1 耐一l c ew a t e rf e l lb eaw a t e rw e to i l e ，t 1 1 e ni ts h o w st l l a tt h e c l l a n g e dp l a t eh 嬲an m c hb e 他rs e p a r a t i o nt h a l lt 1 1 eo i lw e ta n d 咖w e t o 鹏s t h ei 1 1 n u e n c e o f 廿l ef l o wr a t e ，m el e n g t ha l l dt h eg e o l o g yo ft h ec o r m g a t e dp l a t c st 0t h es 印删o ne 丘- e c t 、嬲咖d i e d ，m ei n l e t ，c o m m u t a t ea i l dc o r m g a t e dc o i i l i ) o s i t i o n so ft l l ee 叫p m e n tw 勰 o p t i m i z e d b a s e do nn l ef l o w 丘e l da 1 1 dm ep r e s s ef i e l db ym en u m 舐c a ls t i i n u l a t i o ns o r 啪r e f l u e n t6 2 ，t l ：屺r e s u l t ss h o wm a tt l l eo p t i m i z e dl e n 啦so ft h ec o r m g a t e dp l a t e si s7 0 0 m mt 0 8 0 0m m ，a r l dn l ep l a t e sw i t hac o r m g a t e dc o m e s c i i 坞o i l 跚r f 犯ea n dn a tc o a l e s c i n gw 撇 s u m l c ec a ns 0 l v et 1 1 ep r o b l e mt h a ts e d i i i l e n t 跚1 d sb l i n d st h ef l o wc b a n n e l i l lv i e wo fn l e u 船c i e n t i f i c 也a tt l l es t o k e sf 0 m u l a 、v a sa d o p 似la u sm ef l o 撕n gs p e e di l l 也es 印踟t i o nm o d e l e 嘲b l i s h e db yn l ef o n n e rr e s e a r c h e r s ，an e wm o d e li ses t ；曲l i s h e d t h em o d e lc o l l s i d e rt l l e n o a t i n gt i r n e ，m ec o a l e s c i n gt i m e 锄d 龇l i q u i d 丘1 ms t e a d 、肺gt i m e ，w 1 1 i c hm a k e s 舭m o d e l i n o 陀c l o t 0 也er e a ls i t u a t i o n b a s e do nn l ee 珥 e l 妣n t a l 锄dm l n l e r i c a lr e s e a r c k 锄 i m e 刚i o no i lw a t e rs e p 删i o ne q u i p m e n tw 硒d e s i g n e d ，n l ee q u i p m e n tc o i l s i s t so fn l l c a v i t i e s ，w 1 1 i c hc a i lf i l l i s h 让l ep r o 铲e s so fd e h y d r a t i i l go ft h ec m d eo i la l l d 廿l ed e o i l i n go f 伧 s e w 雄r e k e yw o r d s ：o i lw a t e rs e p a 豫t i o n ，c o m l g a t e dp l a t e s ，c h a r a c t c ro fs u r f a c e ，c 哪p o s i t i o n 锄dc o 硝i g u r a t i o n ，s e p a r a t i o nm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日 日期：y 础年6 月1 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 油水分离方法综述 第一章前言 油水分离常用的方法有重力沉降分离法、旋液分离法、化学破乳法、电脱法、过滤 法和聚结法等【。 1 1 1 重力沉降分离法 重力沉降分离法是最简单、最基础的初级分离方法。其分离依据是：由于油水两相 互不相容，且存在密度差异，当原油与水处于不稳定的乳化状态，或经电或化学剂破乳 后的非乳化状态时，分离过程中轻相的油上浮，重相的水下沉，从而实现了油水的分离。 利用该方法分离的设备，为了提高油水分离速度，研究人员以s t o k e s 定律为指导， 找到了一系列行之有效的加速油水分离的方法，主要有：增大油水两相间的密度差；增 大浮升油滴的直径；增大油滴的浮升面积；降低水相粘度等。 沉降分离一般在隔油池中进行，常见的有平流式( a p i ) 、平行板式( p p i ) 、波纹板 式( c p i ) 等型式。平流式隔油池的设计主要基于斯托克斯公式，由公式可求得一定表 面积的隔油池所能除去的最小油珠粒径。隔油池水流状态对除油能力和效果也有很大影 响，最好的水流状态是层流状态，它有利于油珠的上升和固相的沉降。根据以上理论， 进而设计出了p p i 式、c p i 式、i p i 式( 斜板式) 等更为高效隔油池。这几种型式的隔油 池与a p i 式相比较，占地面积省，在去油能力、排油能力及安全程度等方面明显提高， 因此已被广泛应用。该类方法设备结构简单，易操作，除油效果稳定，但对溶解性油类 或乳化油是不适用的【2 1 ，【3 】。 1 1 2 旋液分离法 旋液分离法是利用两相密度的不同、使高速旋转的非均相体系产生不同的离心力， 从而实现分离的一种方法。由于离心设备可以达到非常高的转速，产生高达几百倍重力 的离心力，因此离心设备可以较为彻底地实现油水分离，并且只需很短的停留时间和较 小的设备体积。 水力旋流器是利用离心分离原理工作的一种主要设备，它可以实现连续相的液体与 分散相的固体颗粒、液滴或者气泡的物理分离，具有分离效率高、处理量适应范围宽、 结构简单、操作和维护方便、占地面积小、安装方便灵活、流程易于密闭等优点。分散 相与连续相之间的密度差越大，分散相的颗粒直径越大，分离就越容易。水力旋流器除 1 第一章前言 了要求两相介质之间存在着一定的密度差之外，还要求两相在强烈的旋转运动中不得产 生任何物理或物理化学变化【4 】同。 1 1 3 化学破乳法 在油水乳状液中加入化学剂( 破乳剂) 使乳状液破坏的方法称为化学破乳。其方法 主要有： ( 1 ) 电解质破乳：该破乳方法主要是通过加入电解质破坏其双电层，使乳状液中 的水珠聚结沉降从而实现油水分离。从分离机理上可知，该方法主要针对乳状液中起稳 定作用的是扩散双电层的乳状液。 ( 2 ) 热化学破乳：通过在原油乳状液中添加表面活性剂，通过活性剂的反相作用 及中和作用、顶替作用、分散作用、润湿作用等机理实现破乳脱水。热化学破乳温度一 般为6 0 8 0 ，加热使分子运动加剧，原油粘度降低，使化学破乳后液滴更易沉降分离。 ( 3 ) 低温化学破乳：机理与热化学破乳同，区别在于没有加热的辅助设备，脱水 温度一般在4 肛5 5 【8 】，【9 】。 1 1 4 电脱分离法 电脱法是在油水混合液中加入电极，原油中水携带着正电荷，在电极处凝结脱掉， 从而达到油水分离的目的，其原理是乳状液置于高压电场中，由于电场对水滴的作用而 促进其碰撞，聚结成更大的水滴。电破乳机理包括：( 1 ) 电泳聚结带电液滴在直流电 场的作用下发生电泳迁移，不同尺度的液滴因在电极的运动速度不同而发生碰撞和聚 结。另外在液滴迁移的通路上插入半透性隔栅也可使液滴在隔栅表面发生聚结； ( 2 ) 偶极聚结液滴在高场强交流电场或直流电场中受电场的诱导作用一端带正电，另一端 带负电形成偶极，相邻两液滴在静电吸引力的作用下发生聚结；( 3 ) 振荡聚结液滴在 交流电场的作用下发生周期性振荡和变形，液滴之间的连续相液膜在液滴表面电荷周期 性变化和液滴频繁变形过程中发生破裂使液滴聚结。 通常电脱法不能单独使用，而是作为其它处理方法的后序过程。采用该方法处理后 原油含水可控制在1 5 以下，但在设备维护上有一定困难，并且对一些乳化程度较高 的油水混合物处理效果不好。电脱法是国内油田主要应用的油水分离方法【1 】，f 姗。 1 1 5 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，使废水中的悬 浮物得以去除的方法。油田通常采用的过滤方式是使含油废水通过石英砂、无烟煤等滤 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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，含油废水便得 到净化处理。常用的过滤方法有三种：分层过滤、隔膜过滤和纤维介质过滤。 1 1 6 聚结分离法 聚结法是使油滴与聚结介质表面发生吸附、润湿、碰撞作用而形成更大的油滴，从 而完成油水分离。这种聚结法比重力法效率高。聚结法有两种设计方案：板凝聚器和多 孔滤料设计。常见的板凝聚器有：平行板凝聚器、皱折板凝聚器和p e r f o 鼢压a 板凝聚 器。 1 1 7 气浮法 气浮法是使大量微细气泡吸附在欲去除的颗粒( 油珠) 上，利用气体本身的浮力将 污染物带出水面，从而达到分离目的的方法。这是因为空气微泡由非极性分子组成，能 与疏水性的油结合在一起，带着油滴一起上升，上浮速度可提高近千倍，所以油水分离 效率很高【1 2 】。气浮法按气泡产生方式的不同，可分为鼓气气浮、加压气浮和电解气浮等。 鼓气气浮是利用鼓风机、空气压缩机等将空气注入水中，也可利用水泵吸水管、水射器 将空气带入水中。电解气浮是用电解槽将水电解，利用电解形成的极微的氢气和氧气泡， 将污染物带出水面。加压气浮是在加压条件下使空气溶于水中，然后再恢复到常压，利 用释放的大量微气泡将污染物分离。 气浮法中，目前采用的主要是加压气浮法。这种方法电耗少、设备简单、效果良好， 已被广泛应用于油田废水、石油化工废水、食品油生产废水等的处理。工艺较为成熟 【l l 】 1 5 1 。 1 2 国内油田水处理现状 1 2 1 原油乳状液概述 原油乳化液是指油田原油和水在乳化剂作用下所形成的乳状液体系。它形成的条件 是：( 1 ) 油井采出物有原油和水； ( 2 ) 原油中有足够的胶质、沥青质、环烷酸、地层 岩屑、泥砂等天然高性能乳化剂或含有三采以来注入的表面活性物质：( 3 ) 在油田开 发和油气集输过程中，油、水、乳化剂三者共聚一体，在油井井筒、油嘴、管道、阀件、 机泵中充分混合，特别是在油田伴生气的参与下，其搅拌的更激烈。激烈的搅拌使水滴 充分破碎形成极微小的颗粒，并为原油中乳化剂所稳定，均匀地分散在原油中。由于水 珠被油膜包裹，从而形成稳定的乳状液【1 6 】。 3 第一章前言 乳状液是多相分散体系，液滴与连续相介质之间存在着很大的相界面，体系的界面 能很大，故为热力学不稳定体系。小液滴合并成大液滴是一种自发过程，这样可降低体 系的能量。乳状液的稳定性只是暂时的，相对的，但在液滴之间聚结需要克服足够大的 势垒，这时，乳状液可处于动力学亚稳定状态，甚至可保持数十年稳定。 乳状液失稳过程中经历三个互相衔接和平行的过程。即分层( c r e a m i n g ) ，聚集 ( a g g r e g a t i o n ) 或絮凝( f l o c c u l a t i o n ) 和聚结( c o a l e s c e n c e ) 。首先，液滴在扩散或搅动 作用下发生运动，在液滴之间排斥力不大的情况下发生絮凝而聚集成团，液滴之间的连 续相液膜在液滴之间逐渐变薄，当液膜厚度降低至一临界值时液膜破裂，两液滴发生 聚结而合并成一大液滴。与絮凝和聚结过程相平行，液滴在两相间密度差的作用下发生 上浮或下沉而使乳状液发生分层，与此同时发生的絮凝和聚结过程导致液滴粒径增大或 形成液滴团，使液滴上浮或下沉速度增大。同时，分层过程中运动速度较大的大液滴追 赶上小液滴时又可发生由沉降诱发的絮凝过程，由于分层作用，在乳状液上部或下部形 成浓乳状液层，使絮凝和聚结得到强化，最终发生乳状液的分离【1 7 1 。 1 2 2 国内原油脱水工艺流程简介 原油含水危害很大，如增加了处理介质的总量，降低了管道和设备的有效利用率， 增加了输送过程的动力和能量消耗，引起管道和设备的结垢与腐蚀，影响炼油作业的正 常进行等等。为此，世界各国都指定了严格的原油含水控制指标，我国规定合格原油的 含水率不大于l ，优质原油的含水率应不大于o 5 ，国外则要求0 0 3 之0 不等。 因此，在石油开采领域，原油脱水是一个不可缺少的重要工业过程【1 8 1 。 油田原油脱水的工艺流程，是根据油田原油物性含水率的变化特点，结合原油脱水 的基本方法原理、影响因素、净化油的质量要求等，因地制宜的制造和选用一系列性能 优越的设备，并将设备按其作用的先后顺序有机的连接起来，形成一个生产过程，现将 油田几种典型的原油脱水工艺流程介绍如下f l 】，f 1 9 】，f 2 0 】： 1 2 2 1 化学脱水工艺流程 化学脱水的工艺过程是：先向原油乳状液中添加经过筛选的化学破乳剂，然后利用 机泵增压或管道中的流动搅拌，使化学破乳剂与原油乳状液充分混合，并让化学破乳剂 依靠自身的分散性能到达油水界面膜上，降低界面膜的表面张力，使乳化状态破坏，然 后靠水珠间的接触达到合并，并靠油水的密度差使油水分离成水层，水自底层流出。 该工艺流程的最大优点是设备少，设备结构简单，基本建设投资省，操作管理方便。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 缺点是流程不密闭，油气挥发损耗大。 1 2 2 2 高含水原油电化学两段脱水工艺流程 高含水原油的导电率高，特别是含有o 脚型乳化液的原油导电率更高。直接送入 电脱水器处理，操作电流大，不但不经济甚至会完全短路，无法维持稳定的高压电场。 其工艺流程为：在脱水站沉降罐之前7 肌1 0 0 m 处的管道中，向来自油田的油气水混合 物中掺入电脱水器脱出的水，经过7 0 1 0 0 m 管段中的流动混合，进入油气分离器，分 出天然气之后再进入沉降罐的油水界面之下，用水层对高含水原油进行冲洗，除掉其中 含的砂粒，o 用型乳化液中稳定性较差的大颗粒水滴，然后上浮到油层，经沉降进一步 脱掉一部分水后自上部溢流入低含水原油缓冲罐，再用泵抽吸经换热器及加热炉升温后 进入电脱水器，净化原油自电脱水器顶部溢出，经稳定塔分出其中易挥发组分后经外输 泵进入换热器降温外输，或直接经换热器降温后进入外输储罐。 1 2 2 3 热化学脱水工艺 热化学脱水工艺简单，成本低廉，效果显著，在国内外得到了广泛应用。单纯的热 化学脱水处理含水原油至合格标准，从经济观点如设备、费用等综合衡量来看是不合理 的，且净化油质量不稳定。因此油田上都采用热化学脱水及电化学脱水来达到原油净化 的目的。热化学脱水称为一段脱水，是解决高含水原油脱水的较好方法，因为原油含水 超过3 0 时电脱水器无法维持正常生产，只有通过一段热化学脱水，将原油含水降至 3 0 以下，电脱水器才能正常运行。 该流程的特点是采用开式流程，充分发挥药剂破乳效能，在一定程度上起到减阻降 粘的作用，降低了井口压力，在一定程度上起到防蜡效果。开式流程的缺点是油气损耗 严重，在一些油田常采用密闭流程，与开式流程相比，优点是处理过程中没有油气损耗， 对轻组分含量较多的原油，此流程经济效益好，不污染环境。 1 2 3国内污水处理工艺流程简介 根据净化水的去向不同，可选用不同的采出水处理工艺。按采用的处理工艺，选用 或设计不同的处理设备和必要的处理药剂，使净化水到达相应的注水水质标准、注气锅 炉给水水质标准或外排水水质标准。要选择经济、合理、有效的处理工艺，必须进行水 质分析和工艺试验。分述如下【2 1 】： 1 2 3 1 “三段常规处理工艺流程 “三段常规处理工艺流程是采出水处理最基本的工艺流程。 5 第一章前言 第一段为缓冲调节段。它不仅对来水进行均质处理，为后续流程提供稳定的水质和 水量，同时对来水中油珠大于l o o 岬的浮油及大颗粒的悬浮物进行初步分离。该段主 要是自然除油调储罐。 第二段为沉降分离除油段。油田采出水杂质中，有2 5 巧o 为可以通过自然沉降 法去处的浮油。其它如分散油、乳化油、溶解油、泥质、粉质及悬浮物等杂志具有很好 的稳定性，这些杂质必须辅以化学方法才能加速其分离过程。该段工艺，根据采出水的 性质和选用的沉降除油设备的差异，分为重力沉降除油( 如混凝除油罐、斜板除油罐等 等) ；压力沉降除油( 主要有粗粒化罐、压力斜板混凝除油罐等) ；气体浮选机除油和水 力旋流器除油等。根据该段选用的除油设备，形成了重力流程、压力流程、气浮流程、 水力旋流流程及各类组合流程。 第三段为去除微粒杂质和乳化油的压力过滤段。该段是常规处理流程的关键环节， 也是水质能否达标的关键设备。主要设备有石英砂过滤器、核桃壳过滤器、双层滤料过 滤器、改性纤维球过滤器等。 1 2 3 2 回注水处理工艺流程 ( 1 ) 用于回注中、高渗透油层时，采用“三段常规”流程。如图1 1 所示： 图1 1 混凝除油加精细过滤流程图 f i 9 1 lf do fc o a g u l a t e dd n i n g & p i e ! c i s i o nm t r a t i o n ( 2 ) 用予回注低渗透油层时一般采用“三段常规 流程加“精细过滤”流程，精 细过滤段大多选用双滤料过滤器或改性纤维球过滤器。采出水中油滴粒径较小时，可采 用混凝除油加精细过滤流程，如图1 2 所示： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 三段常规流程 图1 - 2 混凝除油加精细过滤流程图 f i g l - 2f do fc o a g u l a t e dd n i n g & p r e c i s i o n 矗l t r a t i o n 当油水密度差较大时，可采用水力旋流加精细过滤处理流程，如图卜3 所示： 油区来水 自然除油一专水力旋流器一专压力除油罐一专核桃壳过滤器 双滤料过滤器或改性纤维球( 束) 过滤器 l- l 同沣 图1 3 水力旋流加精细过滤处理流程图 f i g l - 3f do f h y d r 佻y c l 仙e & p r i s i o nm t 豫t i o n 当油水密度差较小时，一般选用气体浮选处理加精细过滤流程，如图l - 4 所示： 图l - 4 气体浮选加精细过滤流程图 f i 9 1 4l m o fn o t a t i o np m s s & p 眦i s i o n 脚t m t i o 1 2 3 - 3 外排水处理工艺流程 采出水经“三段常规”流程处理后，油和悬浮物含量一般可达到外排标准，但是 7 第一章前言 c o d 的去除量受“三段常规”处理工艺的限制，难以达标，因此要进行深度处理，一 般为物理吸附和生化处理。常用的物理吸附方法有活性炭吸附、活化沸石吸附和a c 煤 体材料过滤等。生化处理法主要有活性泥法、s b r 法、稳定塘法、厌氧法、好氧法等。 如图1 5 所示，为大港油田东二污外排水处理工艺流程。 图2 - 5 大港油田东二污外排水处理工艺流程图 f 蟾2 - 5d o n g - 2w a s t e w a t e rd i s p o s a is y s t e mi nd a 韵n go n n e m 1 3 波纹板油水分离技术研究进展 1 3 1波纹板油水分离技术的理论根据 波纹板聚结油水分离技术是重力分离和聚结分离结合于一体的一项新型油水分离 技术。重力法除油的基本原理是利用水和油的密度差异，油滴在设备内上浮，水相则由 于重力作用在设备内下沉。油滴的浮升速度符合斯托克斯公式( s t o k e s ) 公式，即： v 耐= 掣 m ， 式中 一油滴浮升速度，n 洮； 4 一油滴粒径，m ； 风一油的密度，k g m 3 ： 氏水的密度，k g m 3 ； 一水的粘度，p a s 。 对一定粒径的油滴，由( 1 1 ) 式可导出其分离效率为： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 咿哔 ( 1 2 ) 式中玩粒径为盔的油滴分离效率； 4 一油滴的浮升面积，m 2 ； q 一处理量，m 3 。 波纹板油水分离技术的理论依据就是以斯托克斯公式( s t o k e s ) 公式为依据，集中 于以下两个方面的强化分析： 1 3 1 1 浅池原理 由公式1 - 2 可以看出，油滴的分离效率只与油水的物性，油滴粒径、处理量和油滴 浮升面积有关，而于浮升高度无关，这就是所谓的“浅池原理 。利用低浮升高度的多 层板结构，可以增大浮升面积，提高油滴脱除效率；而且由于板组当量直径的减小，可 使流体在较大流量下保持层流状态，有利于油滴的浮升。脱出效率为1 0 0 的油珠视为 能够脱出的油珠。由1 2 可进一步导出利用多层板结构可脱出的最小油滴粒径为： = ( 器) ； ( 1 - 3 ) k p 。一p o ) g n b l 式中一可脱除油滴的最小油滴粒径，m ； 扩板组层数； 卜多层板的宽度，m ； 一多层板的长度度，m 。 由公式1 3 可知，在多层板结构中，相同处理量下，板的层数越多，板间距越小， 可脱除的油滴粒径越小。在相同脱除效率的情况下，板层越多，处理量越大，分离时间 越短。 1 3 1 2 聚结技术 由公式1 2 可知，油滴粒径越大，可脱除效率越高，如果能使水中的油滴合并聚结 为大油滴，则脱除效率可显著提高。聚结技术可使含油污水通过由表面亲油的固体物质 ( 如塑料或玻璃钢) 所构成的床层时，将水中细小油滴粘附在固体床层表面上，逐渐积 累成大油滴而得以分离。采用该技术限制条件是流速不能过大，需要增设浮升分离空间， 同时还需定期反洗等，增加了投资和操作费用。 波纹板聚结油水分离技术正是基于以上原理，采用多层波纹板组，通过缩短油滴浮 9 第一章前言 升高度来提高油滴分离效率，同时，油水混相在板组内流动过程中，由于过流断面不断 变化和波纹状流道，使流体流速时大时小，方向不断发生变化，从而使油滴碰撞聚结的 机率增大，小油滴在运动过程中不断聚结变大，通过润湿、吸附、聚结等作用，在波纹 板的下表面形成油膜，并沿板面移动，脱落，水相在重力作用下沉降，到达下层波纹板 的上表面，最终更快的实现了油水分离【2 1 h 2 4 1 。 1 3 2 波纹板油水分离技术的发展历程 波纹板聚结油水分离装置的雏形是由美国石油学会研制的a p i 型油水分离池。此后 的1 9 5 0 年，美国壳牌( s h e l l ) 公司在此基础上开发研制了第一台平行板隔油池( p a r a l l e l p l a 钯i n t e r c e p t o r ) ，是“浅池原理”和聚结技术相结合的产物，加快了油水分离速度，可脱 除直径大于6 0 岬的油滴。此后，该公司又设计出的波纹板隔油器( c o a g u l a t e dp l a t e i n t e r c 印t o r ) ，采用波纹板组增大单位容积的分离面积，与平行板隔油池相比，其分离效 果更好，停留时间更短，但也存在布水不均匀，设备有效利用率不高等缺点。 2 0 世纪7 0 年代，英国f r 觚公司开发出了聚结板分离器( c o 越e s c i n gp l a t es e 脚r ) ， 其中的聚结元件采用一叠由玻璃纤维制作的v 型板，每块板上均设有散液孔，板组流道 宽度不等，使得油滴碰撞聚结的机率增大，最后聚结的油滴从波峰处的散液孔溢出，实 现油水分离，该设备出水含油量稳定在5 0 m g l 左右，但容易被沉积的泥砂阻塞。进入 8 0 年代，世界著名油田设备制造商c en a t c o 公司相继开发了p e 怕m a ) ( 板式聚结器， 双相流油水分离器等一批高质量的油水分离设备，并在天然气去雾、原油脱水等领域得 到广泛应用，从而有力的推动了油水分离技术的发展嘲。 1 3 3 国内外最新研究进展 1 3 3 1 结构研究进展 近年来，国内外研究人员对直接影响设备流动特性和分离特性的内部构件做了大量 研究。在入口、布液、聚结和集液等构件上不断有新结构出现【2 6 】1 3 8 1 。 美国学者骶g o r ) rga ) ，i i l o n g 对进液分布器的形式和倾角进行了研究，其实验结果 表明：在各种角度中，4 5 0 倾角安装时液流最为平稳，而且此情况下液流宽度与容器宽 度相当，较好的利用了封头处容器的空间，提高了容器的有效利用率和油水分离效率。 此后，美国学者觚9 0 r yga ) ，i i l o n g 开发研制了上面是平板，下面是波纹板的板组，倾 斜放置，浮升的油滴聚结在波纹板的波峰处，沿板面移动脱落，沉降的水砂到达上层平 板滑下，避免了传统波纹板组易为沉积的泥砂阻塞的缺陷。在波纹板填料聚结构件方面， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 先后出现了平行波纹板填料、自支撑式波纹板填料和峰谷搭片式波纹填料等聚结填料。 在美国的一项油气水分离器分离器专利中，其结构吸收了双流式分离器的优点，又引入 了离心分离的机制，有机的利用和发挥了双向流、离心分离和填料聚结的特点。 国内方面，陆耀军等人对设备的入口构件进行了实验优选，将在调研基础上选出的 挡板式入口构件、碟式入口构件、离心式入口构件、上孔箱式入口构件、下孔箱式入口 构件等五种构件进行了系统的模拟优选。实验中采用了粒子图象测速技术，根据构件对 设备内流场的影响不同，进行了较为系统的模拟实验优选研究，最后对比分析结果表明， 下孔箱式入口构件不仅具有良好的流动特性，同时还具有一定的预分离作用，是一种工 程实用价值较大的入口构件形式。离心式入口构件，预分离作用相对较好，流动特性也 好于碟形入口件和挡板式入口件，在要求有较好预分离作用的场合下可以考虑采用。陆 耀军等人对布液构件、聚结构件和集液构件都进行了系统的实验模拟优选，其结论分别 是孔板型布液件、格栅型布液件和格栅填料布液件三种布液件中，对比实验得到：在重 力式分离设备的入口段引入适当的布液件，对改善设备的流动特性、强化分离特性都很 有价值，其中以散装填料式布液件的综合性能最佳，此外，布液器的引入极大的降低了 对入口构件的要求，使采用高效预分离入口构件成为可能。对聚结构件的模拟结果是： 填料对流动特性有明显的改进作用，波纹板填料后的流场分布好于斜板，相比之下，波 纹板填料的稳流、整流效果更好。在对径向孔板集液件、轴向孔板集液件和双向孔板集 液件的实验选优中，结论是以双向孔板集液件的集液效果最佳，在排液口设置适当的集 液件有益于改进设备的流动特性，可使设备的有效容积得到更大限度的应用，间接改善 了设备的分离特性。 1 3 3 2 聚结材料研究进展 聚结材料主要有亲油疏水的材料，聚丙烯( p p ) 是丙烯单体在催化剂作用下加成 聚合生成的高聚物，其分子式可简写为( c 3 h 6 ) n ，平均聚合度n 大约为5 0 0 0 1 5 0 0 0 。 在某些特定的使用场合下要求聚丙烯塑料具有亲水性特征。目前，这方面的研究主要是 基于聚丙烯在散装塔填料( 扁环、阶梯环等) 方面的应用。由于提高非极性聚合物表面 亲水性最为有效的办法是通过表面氧化作用使表面带上极性基团，因此聚丙烯塑料表面 的亲水化改性通常采取氧化改性的方法。氧化改性处理的实施又有液相化学法和气相化 学法两类。国内外许多学者采用液相化学法对聚丙烯塔填料表面进行亲水改性，均取得 了良好的效果。常用的氧化处理液有过硫酸胺硝酸银、高锰酸钾硫酸、铬酸醋酸、氯 第一章前言 酸盐硫酸、无水铬酸四氯乙烷、重铬酸钾。硫酸等混合液。在一定的工艺条件下处理后， 使聚丙烯的表面润湿面积提高了1 5 倍，临界表面张力也提高了一倍左右，从而使聚丙 烯填料的传质性能和传质效率显著提高，接近于亲水性陶瓷填料的性能。实验结果表明， 聚丙烯填料表面的亲水层具有较好的持久性和耐温性。浙江工业大学也对聚丙烯塔填料 的表面亲水化改性进行了大量的研究，通过气相和液相化学法分别进行处理并作比较。 结果发现两种处理方法均可使聚丙烯的亲水性能大大提高，填料层的高度因此而下降 2 0 以上；他们还发现气相法比液相法的成本更低，但处理过程更为复杂。南京化工学 院对聚丙烯塔填料的表面处理途径进行了探索，并用实验进行了确认。认为材料的表面 特性是由材料的表面状态所决定的，而材料的表面状态则与材料的化学结构和成型加工 条件有关【3 9 】。】。 在研发新型波纹板聚结材料方面，天津大学的张鹏飞、姚芳连等人研制的高效复合 板油水分离器中，将亲油性材料聚丙烯一面进行氧化处理，赋予其亲水性，一面保持材 质不变，其实验结果表明，复合聚结板式油水分离器比普通聚结板式分离器的分离效率 提高2 5 ，处理能力提高4 0 ，且能有效阻止流体扰动而产生的油层夹水、水层夹油及 油膜、水膜的断流。华中科技大学王敏等以镀锌板为基材，在其表面涂覆一层亲油性涂 料，开发了一种新型聚结板材。针对我国目前油田对聚结机理的研究较少，对聚结材料 除油性能了解不多的现状，浙江大学陈雷、王鹤立等人对聚结除油性能及机理进行了深 入研究，他们分别对聚丙烯、陶粒、石英砂、无烟煤、不锈钢及聚氯乙烯等几种不同性 质、不同形状的聚结材料进行对比实验，最后得出结论：采用聚结除油时，润湿聚结机 理和碰撞聚结机理同时存在时，更有利于聚结效果的提高，且填料的空间构形是影响聚 结效率的重要因素【4 5 卜【4 9 】。 1 3 3 3 相关数值模拟研究进展 随着计算机的飞速发展和各种稳定、精确、快速的算法的出现，以计算机解决流体 力学问题( 包括流场的数值模拟) 的各种数值方法逐渐发展为一门独立的学科一计算流 体力学。 在油水分离技术数值模拟研究方面，近年来国内外的学者开展了大量研究工作，天 津大学的徐世民通过c f d 模型对重力式分离设备内速度矢量分布等参数的模拟，研究 了不同结构的设备出口挡板、入口构件、稳流构件对分离器流场的影响，并研究了考虑 油滴粒径、流速、颗粒群等因素影响的油滴上浮过程模拟【5 0 1 。中国石油大学的何利民等 利用v o f 模型，研究了油水两相的混合流动，对不同分散相颗粒粒径的乳状液进入分 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 离器后的浓度场进行数值模拟，得到分离设备能有效处理的粒径范创5 。但由于两相流 动的复杂性，目前仍没有完善的数学体系来描述，相关的数值模拟结构都是作了大量的 假设得到的，只能定性的说明问题，作为分离器设计的参考。 1 4 论文主要研究内容及意义 1 4 1 本文主要研究内容 ( 1 ) 设计油水分离静态实验装置，研究聚结板表面粗糙度、表面润湿性等表面性 质对油水分离效果的影响，研究聚结板表面改性技术，实现聚结板组表面性质的优化设 计。 ( 2 ) 设计油水分离动态实验装置，对比目前油水分离领域常用的聚结板组的油水 分离效果，研究材质、几何结构和板间距对油水分离效果的影响，筛选具有良好油水分 离效果的聚结板组。 ( 3 ) 利用f l u e m 软件，从流场和压力场的角度，研究不同入口构件、整流构件和 聚结构件的流动特性，实现分离装置内部构件的优化。 ( 4 ) 建立科学的油水分离模型，根据实验研究和数值模拟结果，实现波纹板油水 分离技术关键构件的优化，设计能实现原油脱水和污水除油的一体化油水分离装置。 1 4 2 本文的研究意义 目前，我国东部大部分油田已进入开发的高含水期，采出液含水高，平均高达9 0 以上，而且随着三次采油技术的规模化应用，采出液油水乳化严重，油水分离困难，如 何经济、高效的实现油田采出液的快速分离是各油田面临的一个非常严峻的问题，一方 面，随着采出液含水量的上升，相同产油量所要处理的产出液增加，以胜利油田为例， 胜利油田年产油量2 6 0 0 万吨左右，采出液含水率为3 0 时，产出液在3 7 0 0 万吨左右， 而在含水率高达9 0 的今天，产出液达2 6 0 0 0 万吨，是之前的7 倍，地面处理压力大， 这就需要提高油水分离的速度；另一方面，从能耗的角度讲，油水分离是一个纯消耗的 过程，工程技术人员总是追求用最少的成本实现油水的分离。 油田应用的油水分离方法主要有重力分离法、旋流分离法、化学法和过滤法等，重 力分离法成本低，但分离速度慢，旋流分离法分离速度快，但分离成本高。现在油田的 分离设备存在内部构件简单、分离构件针对性不强、功能不明确、设备处理能力低、系 统运行效率低、能耗大等不足，从而造成原油脱水工艺流程复杂，设备多，投资大，能 第一章前言 耗高等不足。 本文在文献调研和现场调研的基础上，提出采用波纹板油水分离技术经济快速的实 现油田采出液的处理，在山东省重大专项和中国石油大学研究生创新基金项目的资助 下，对目前影响波纹板油水分离技术推广的关键技术问题进行了系统研究，该技术一方 面可以用于油田边远区块的采出液分离，使边远区块采出液就地分离，污水就近回注， 降低拉运成本，缓解联合站的处理负荷。另一方面，可将优化后的波纹板聚结板组用于 联合站油水分离装置，提高联合站油水分离装置的分离速度。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章波纹板油水分离特性静态实验研究 聚结板是影响板式分离器油水分离效果的关键构件，目前有关聚结板表面性质对油 水分离效果的影响研究不多，所用聚结板组材料单一，不能兼顾材料的亲油疏水性和耐 蚀性，本章在前人研究工作的基础上，建立了波纹板静态实验装置，研究了板间距、聚 结板表面粗糙度、聚结板表面性质对油水分离效果的影响。 2 1 仪器、装置及材料 本章主要的仪器、装置及材料见表2 1 。 表2 1 静态实验用仪器、装置及材料 i a b l e 2 一li n s t r u m e n t s ，d e v i c ea n dm a t e r i a l su s e di n p t i 、，et 铭t s 2 2 实验方法 所研制的静态实验装置克服了流速、压力等因素的干扰，设计的板间距控制装置采 用电脑控制的精确雕刻技术在有机玻璃板面上刻有斜槽，既可实现板材的灵活更换，又 可实现变板间距操作。 实验分别对不同润湿性的聚结板组进行了模拟实验，比较分离后水相中的含油量以 评价分离效果的好坏。 1 5 第二章波纹板油水分离特性静态实验研究 2 2 1实验条件 为了对比不同表面性质的板材油水分离效果，实验选定相同的基本参数：斜板板间 距1 0 n h n ，倾角为4 5 0 ，整个板组置于长宽高为3 0 2 0 3 0 c m 的有机玻璃透明箱体内， 静态实验分别进行了污水除油和原油脱水的模拟实验，污水除油模拟液柴油浓度为 3 0 0 0 m 叽，经泵循环2 m i n 后泵入静态分离装置，记时并分别与0 m i n 、5 m i i l 、1 0 而n 、 2 0 m i i l 、3 0 m i n 、4 0 m i n 从底流和底流向上1 0 0 n 吼处取样，每次取水样5 0 i i l l ，共取三次。 原油脱水模拟实验采用柴油体积分数为l o 的乳状液，配制及实验条件与污水除油模拟 实验相同。 静态实验装置图如图2 1 所示。 图2 一l 组合式斜板油水分离静态实验装置 f i 9 2 一lc o 皿b i n a t i o n a lt i l t e dp l a t eo i l - a t e rs e p a r a t o ru s e di nc a p t i v et e s t s 卜离心泵2 一离心泵3 一油层4 一聚结板5 一底层上l o o 哪处取样口6 - 底层取样口7 一乳状液配制罐 2 2 2 含油量测量方法 水中含油量的测量采用紫外可见分光光度法，经绘制所用柴油的紫外吸收光谱图发 现，在波长3 1 6 衄处有明显峰值，实验以石油醚作为空白参比，3 1 6 姗波长作为检测 波长，绘制了柴油浓度吸光度关系曲线，如图2 2 所示。 根据朗伯一比尔定律对曲线进行了线性回归，得到了柴油浓度与吸光度的换算方 程：尸1 0 0 l 舛5 0 0 2 ，尺2 = 0 9 9 9 。 式中广柴油浓度，m g l ； 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 广吸光度。 d b d g - 趟 蠖 黑 球 7 0 0 oo 1 0 2 0 3o 40 5o 60 7 吸光度a 图2 - 2 柴油浓度与吸光度标准曲线 f i9 2 2n o 珊a ic u r v eo fd i e s e io i ic o n c e n t r a t i o nv sa b s o r b a n c e 2 3 结果与讨论 2 3 1 板式分离器与普通重力分离器对比实验 板式分离器聚结板组采用p v c 板组，与不添加聚结板组的普通重力分离器进行了 原油脱水和污水除油的模拟实验。 2 3 1 1 污水除油静态模拟实验 斜板分离器与普通重力分离器对污水除油的静态对比模拟实验中，油水分离效果如 图2 3 所示： 分析图2 3 两曲线，添加了聚结板组的板式分离器的分离效果明显好于普通重力分 离器，随着沉降时间的延长，板式分离器底流浓度快速降低，沉降5 l 咖时板式分离器 底流浓度为l 0 0 4m g l ，而普通重力分离器底流浓度为2 0 8 0m g l ，是板式分离器底流 浓度的两倍多，沉降4 0 m i n 后，板式分离器出水含油量仅为普通重力分离器的5 0 左右， 其原因是板式分离器中添加的聚结板组，增大了液滴聚结的面积，缩短了液滴浮升的距 离，根据s t o k e s 公式，液滴的浮升或沉降速度与液滴直径的平方成正比，故油水两相能 1 7 o 0 o o o o 0 加 第二章波纹板油水分离特性静态实验研究 分别快速分离，这也说明通过添加聚结板组来提高分离设备的分离速度是可行的。 3 2 0 0 2 8 0 0 2 4 0 0 d 璺p2 0 0 0 b 毯 1 6 0 0 鬟 1 2 0 0 缸 8 0 0 4 0 0 o o51 01 52 02 53 03 5 4 0 4 5 时间，m 证 图2 3 板式分离器与普通重力分离器污水除油分离效果比较 f i 9 2 - 3o i l yw a s t e w a t e rd m n gc o m p a r i s o