含油乳化污水分离处理系统试验装置设计

陈 刚

（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）①

目前，我国大部分油田采用了注水开发方式，每生产1t原油需要注水2～3t。随着我国油田开发规模越来越大，含油污水产出量也愈来愈多。如果大量的含油污水得不到有效的分离处理，使其无法再利用，是对宝贵水资源的严重浪费。随着全球范围内的水资源短缺的加剧，以及人们对环保的重视和对污染的治理力度的加大，含油污水处理技术的研究与应用正加速进行。目前的研究大多是采用旋流分离器［1－2］对含油污水进行分离，而对含油乳化污水的分离试验研究还欠缺。为了解决现有问题，笔者应用多种分离技术设计了1套试验装置，用于研究含油乳化污水的分离技术。

1 总体方案

本试验装置对含油污水的分离方法是先破乳，再分离。所谓破乳就是将油水乳化物分解成为易于分离的油水混合物，破乳方法是空化破乳技术。分离方法是气浮分离和旋流分离。

1.1 空化破乳原理

空化破乳的原理是：空化又称气蚀，是指当压力达到空气的饱和蒸汽压时，液体就会汽化，形成汽泡，而汽泡外面的液流的压力都比较大，汽泡受压破裂又重新凝结，在凝结过程中，液流质点从四周高速向汽泡中心冲击，从而产生水击，使油水乳化物被打破，从而完成破乳。本套试验装置中利用2种设备实现油水乳化物的空化破乳，一种是文丘里管，另一种是箱体水力空化装置。

1.2 气浮分离原理

气浮分离的原理是将气体通入破乳后含油污水中，使水体成为水－气－油滴三相混合物，由于大量微小气泡粘附在油滴上，使油滴的整体密度明显小于水而易与水分离，从而达到油水分离的目的。本套试验装置中利用气浮罐实现气浮分离。

1.3 旋流分离原理

当破乳后的油水混合物，在一定的压力下进入环形空间，由于油、水的密度不同，在离心力的作用下，轻质相（油）向中心运动，重相（水）向边壁运动，从而实现油水分离。本套试验装置中利用旋流器实现旋流分离。

1.4 试验系统流程

根据以上的分离技术要求和基本原理，笔者设计的试验方案是：用柱塞泵［3］把油水乳化物分别通入箱体水力空化装置和文丘里管，将破乳后的混合物分别通过气浮罐和旋流器进行分离。把最终分离出来的油的体积与试验前加入水中的油的体积进行比较，从而得到哪一种方法更有效。试验装置的设计方案如图1。

2 主要部件的设计方案

2.1 文丘里管空化装置

经典文丘里管基本结构由5部分组成：入口管，圆锥收缩管，圆柱喉管，圆锥扩散管，尾管，如图2所示。文丘里管破乳原理是：当油水乳化物通过文丘里管的喉管处，由于压力的突降使乳化液发生空化，从而到达破乳的目的。

文丘里管的设计计算是根据经典文氏管各部分结构尺寸之间的关系和试验装置的实际要求，从而确定文丘里管的结构。

计算步骤：

1） 选择试验装置的管路内径为Dv（入口管直径）。

2） 确定喉管内径d。试验系统选择的柱塞泵的参数为：额定流量Q，压力p，管路损失p1。文丘里管入口的压力为p2＝p－p1。文丘里管的安装高度的设计尺寸较小。所以，从泵口出来的流体速度vb与文丘里管的入口速度vA相同，即

式中：Q1为试验装置的设计流量；SA为文丘里管的入口面积。

利用伯努利方程［4］求得喉管内径d。以入口前端为1－1截面（过流断面），以喉部为2－2截面列出伯努利方程：

式中：pA为1－1截面的液体压力；pC为喉部入口处的压力；vC为喉部液流速度；γ为液体重度，取9 180 N／m3；g为重力加速度，取9.8m／s2

查《水在不同温度下的饱和蒸汽压》表，取室温为15℃，水的饱和蒸汽压力为1.705 6kPa，取pC＝1.7kPa。将各参数代入式（3）得vC和Sd。又有Sd＝πd2，得dmax。

3） 整理文丘里管结构尺寸。根据经典文丘里管的参数比例：入口喉管的长度L1约等于其内径Dv；圆锥收缩管长度L2为入口管内径Dv与喉管内径d之差的2.7倍；喉管的长度L3与其内径相等；收缩管锥角为20°±1°；扩散管的锥角为7～15°。

4） 分析确定文氏管的壁厚。文氏管的关键结构是喉部，所以对喉部进行壁厚分析选择。喉部主要是要让液体的压力下降到饱和蒸汽压以下，其不是用来承压的，所以选择壁厚为3mm，其余为2mm。

2.2 箱体水力空化装置

本试验装置利用了和文丘里管一样的原理，但结构和形式完全不同。箱体水力空化装置主要有3部分组成：箱体，喷盘，喷嘴。喷盘的作用就是将液流分为若干路通过喷嘴实现水力空化；喷嘴是将液体空化的直接装置；箱体的功能是支撑喷盘和收集破乳后的油水混合物。考虑箱体的实用，美观，其外形设计为圆桶型；加盖，用以悬挂喷盘。

1） 喷盘 其外形选择为圆形，设计4个出口互成90°；内部喷盘上表面要设计进液口用于连接管路，对于内部的流道设计为互相垂直的贯穿孔。其和管路、喷嘴的连接方式均为螺纹连接。喷盘结构如图3所示。

2） 喷嘴 液流通过喷嘴前孔时压力突降，发生空化，从而使油水乳浊液破乳。由于喷嘴的尺寸较小，其设计以易加工，易安装为原则，结合多个设计方案，得到了最优化的设计方案——六方头内嵌式喷嘴；喷嘴结构如图4所示。其结构的设计计算步骤与文丘里管的设计计算步骤一致，此处就不赘述了。

2.3 气浮装置

本试验装置用空气压缩机产生气体，将气体送入气浮罐中，在罐中实现浮选［5］，设计流程如图5，

为了产生微小气泡，设计选用气泡石，气泡石可以使气泡细化达到30～100μm，足以满足气浮的要求。气浮罐是整个分离过程的关键，其结构如图6所示。

2.4 旋流器

旋流器的结构设计是参照经典旋流器设计，使其能达到预期的效果。结构如图7所示

旋流器结构尺寸计算步骤：

1） 设计计算核心尺寸和角度。圆柱旋流腔直径D；进料口直径Di；溢流管直径Do；尾管直径Du；锥体角度θ；溢流管插入深度L；圆柱旋流腔的长度H。

2） 根据Rietema旋流器经典比例确定相关尺寸。Di＝0.25D；Do＝0.34D；Du＝0.2D；L ＝0.4D；H＝0.6D；θ＝10°±5°。

参看《水力旋流器分离技术》［6］中的圆柱旋流腔D的选择图表，再根据试验系统的实际情况，确定D，代入经典比例中得到各部分的尺寸；θ取10°。通过锥角角度θ和D及Du确定了锥管的长度；根据旋流器的承压情况，取旋流器壁厚为2mm。

3 结论

1） 设计的含油乳化污水分离试验系统在对污水进行分离处理时没有采用任何的化学方法，只是依靠物理分离的方法，通过4种水力设备完成对污水的分离处理。这样就省去了对分离出来的净水再处理的环节，更为省时省力。

2） 该试验系统在处理污水过程和结果对环境是无污染的，分离出来的产物都是可循环利用的。

3） 试验证明该系统在工业生产中的应用是可行的。将本套试验装置的最优分离组合应用于油田的污水处理，在完成分离后，将净水回注地下，变害为利，解决了油田注水的水源问题和污水的排放问题。

4） 本套试验系统只体现了4种分离组合，还并不完善，在日后的改进中使其多样化、精细化，这样就可以得到更多的方案，可以更好地处理污水，对防止日趋枯竭的水资源和环境的日益恶化有积极意义。

［1］许敏.水力旋流器内部流场数值模拟及分离性能分析［J］.石油矿场机械，2012，41（3）：21－24.

［2］刘彩玉，陈立秋，李枫，等.脱水型旋流器结构参数模拟分析与研究［J］.石油矿场机械，2013，42（3）：6－10.

［3］刘延俊.液压与气压传动［M］.2版.北京：机械工业出版社，2006.

［4］张广泰，韩成才.水力学与水力机械［M］.西安：陕西科学技术出版社，2000：39－58.

［5］马自俊.乳状液与含油污水处理技术［M］.北京：中国石化出版社，2006：134－140，215－22.

［6］赵庆国.水力旋流器分离技术［M］.北京：化学工业出版社，2003：48－60，85.