容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟毕业设计论文.docx

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容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟毕业设计论文

密级

公开

学号

070403

毕业设计（论文）

容器组合式油水旋流分离器

的结构设计与三维实体模拟

北京石油化工学院

学位论文电子版授权使用协议

论文《容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。

本人系作品的唯一作者，即著作权人。

现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。

本人承诺：

已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。

本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。

公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。

注：

本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。

院系名称：

机械工程学院

作者签名：

学号：

070403

2011年5月27日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

北京石油化工学院

毕业设计（论文）任务书

学院（系）机械工程学院专业环境工程班级环07-2

学生姓名指导教师/职称陈进富/教授、陈家庆/教授

1.毕业设计（论文）题目

容器组合式油水旋流分离器的结构设计与三维实体模拟

2.任务起止日期：

2011年2月21日至2011年6月07日

3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果）

（1）题目简介与主要内容

将水力旋流器应用于液—液分离是二十世纪八十年代出现的新技术，具有常规液—液分离技术所不可比拟的一系列优点，目前主要应用于石油工业上游行业采油污水的处理，而其在石油化工、医药、市政环保等行业的潜在应用正在引起越来越多的关注。

由于单根水力旋流管的处理能力有限，因此工程实际中往往将多根水力旋流管并联组合并以类似管壳式换热器的方式组装。

为了完成含油污水在所有旋流管之间的有效分配以及各旋流管顶部溢流口和底流口液体的有效收集。

西方发达国家的设备制造商如美国CooperCameron、英国CyclotechLtd等都先后提出了各具自主知识产权的结构设计方案，国内无论是在单根水力旋流管的结构设计上，还是在组合式结构设计方案上，都是跟踪国外。

本题目将在查阅大量文献资料的基础上，了解各种典型的油-水分离单元处理技术，收集国内外目前所用各种类型单体旋流管的结构与尺寸，能进行类比设计；以Cyclotech公司的B20系列脱油型水力旋流器为切入点，掌握其结构设计过程中的全部技术细节，借鉴管壳式换热器等压力容器设计方面的相关知识，完成其结构设计所包含的全部工作内容。

（2）原始数据

处理量：

50m3/h；入口含油量：

100~200mg/L；外排净化水中的含油量<30mg/L。

（3）应该提交的成果

①查阅中文文献不少于12篇、英文文献不少于4篇；②开题报告或文献综述；③不少于2万字符的英文文献原件及其翻译后的A4打印件；④设计图纸：

手绘1张A0装配图，机绘全套零件图；⑤包含全部零件及其装配关系的UGNX或Pro-E三维实体模型；⑥按照校方规定格式的毕业设计（论文）装订本。

4.主要参考文献

（1）陈家庆编著.石油石化工业环保技术概论.北京：

中国石化出版社,2005.

（2）冯永训主编；彭忠勋,何桂华,邓波副主编.油田采出水处理设计手册.北京:

中国石化出版社,2005年9月.

（3）KevinA.Juniel.Practicalapplicationofproducedwatertreatingtechnologyforland-basedinjectionoperations.NATCOGroup,May2003Revision.

（4）AhmadunFakhru’l-Razi,AlirezaPendashteh,LuqmanChuahAbdullah,DayangRadiahAwangBiak,SayedSiavashMadaeni,ZurinaZainalAbidin.Reviewoftechnologiesforoilandgasproducedwatertreatment.JournalofHazardousMaterials,2009,170（2-3）:

530-551.

（5）AlastairSinker.Lessoilin,lessoilout:

aholisticapproachtoenhancedproducedwatertreatment.ProducedWaterSociety,Houston,17th–19thJanuary2007.

（6）ABSinker,MHumphris,NWayth.Enhanceddeoilinghydrocycloneperformancewithoutresortingtochemicals.SPE56969,presentationatthe1999OffshoreEuropeConferenceheldinAberdeen,Scotland,7–9September1999.

（7）KevinJ.O’Brien,PateA.Thompson.StephenT.McCoy.Threechambervesselforhydrocycloneseparator.UnitedStatesPatentNo.5336410,August9,1994.

（8）S.M.Stroder,E.E.Wolfenberger.Hydrocycloneseparsation:

apreferredmeansofwaterseparationandhandlinginoilfieldproduction.SPE27671,presentationatthe1994SPEPermianBasinOilandGasRecoveryConferenceheldinMidland,texas,16-18march1994.

（9）J.C.Ditria,M.E.Hoyack.Theseparationofsolidsandliquidswithhydrocyclone-basedtechnologyforwastetreatmentandcrudeprocessing.SPE28815,presentationattheSPEAsiaPacificOil&GasConferenceheldinMelbourne,Australia,7-10November1994.

（10）赵庆国，张明贤编著.水力旋流器分离技术.北京：

化学工业出版社,2003年8月.

（11）褚良银，陈文梅著.旋转流分离理论.北京:

冶金工业出版社,2002年10月.

（12）庞学诗编著.水力旋流器技术与应用.北京:

中国石化出版社,2011年01月.

（13）国家质量技术监督局．GB150-1998.钢制压力容器.北京：

中国标准出版社,1998.

（14）叶国林，谢龙汉编著.UGNX6三维造型实例图解.北京：

清华大学出版社,2007年12月.

5.进度计划及指导安排

第01周——接受题目，校内文献查阅，着手撰写文献综述；

第02周——校外文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述；

第03周——撰写、修改文献综述，按照规定格式上交Word打印版，准备开题报告；

第04周——根据指导教师的建议，修改所有上交材料；

第05周——研究体会压力容器组合式水力旋流分离设备的结构特点，并进行设计方案的论证和选择；

第06周——进行油水旋流分离器CyclotechB20型装置的总体结构设计，特别是原水入口、排水口、排油口之间的合理布局和注意要点,重点考虑各组件的布局及安装和密封问题；

第07周——进行B20型装置的详细结构设计；

第08周——讨论修改总体结构设计；

第09周——手工绘制装配图；

第10周——修改手工绘制的装配图，并利用计算机绘制装配图和主要零件图；

第11周——利用Pro/E或者UG进行三维实体模拟；

第12周——检查全部图纸；

第13周——撰写毕业论文，并输入计算机；

第14周——整理资料，修改图纸与论文，按照规定时间上交全套毕业设计论文；

第15周——根据评阅教师及指导教师的意见，进一步修改图纸与论文，准备答辩；

第16周——整理所有资料，进行毕业答辩。

任务书审定日期年月日系（教研室）主任（签字）

任务书批准日期年月日教学院（部、系）院长（签字）

任务书下达日期年月日指导教师（签字）

计划完成任务日期年月日学生（签字）

摘要

目前，采油污水的处理问题已成为石油工业上游行业经常面对的一个生产性问题。

在众多的采油污水单元处理技术中，基于水力旋流器的离心分离技术因其占地面积小、无运动部件而得到了广泛应用。

由于单根水力旋流管的处理能力有限，因此工程实际中往往将多根水力旋流管并联组合，压力容器组合式结构因其结构紧凑、便于运输安装而被众多用户青睐。

本设计将在查阅大量文献资料的基础上，了解国内外各种典型的油-水分离单元处理的方法和技术。

通过阅读相应的国外专利资料，收集目前所用的各种类型单体旋流管的结构与尺寸及水力旋流器中单体旋流管的排布情况。

以Cyclotech公司的B20系列脱油型水力旋流器结构为基础，通过比较与分析，选出最优的结构设计方案，解决了有限空间内污水在各水力旋流管入口的分配、各水力旋流管溢流口液体的收集和外排等结构布局问题。

参考管壳式换热器的布管方式、管板设计等方面的知识，依据GB150-1998《钢制压力容器》，完成了设备的直径、壁厚、隔板、封板、法兰、鞍座等一系列所需元件的结构设计、选择和强度校核；在此基础之上，使用AutoCAD软件绘制了设备装配图和主要零部件图纸，并使用NXUG软件进行三维实体模拟。

整个论文的工作为了国内一般厂家自主设计研制容器组合式旋流分离器去除含油污水提供了一定的参考借鉴。

关键词：

采油污水，水力旋流器，结构设计，实体模拟

Abstract

Nowadays,producedwatertreatmenthasbecomeaproductionproblemwhichisoftenfacedintheoilindustry.Amongthemanyunitstreatmenttechnologyofproducedwater,becauseofitssmallsizeandnomovingparts,hydrocycloneseparationhasbeenusedwidely.Asasinglehydrocyclonetubecapacityislimited,somanagementofmultiplehydrocycloneshavebeenarrangedinparallelcombinationsinengineeringpractice.Pressurevesselsattractedmanyusersbecauseofitsmodularstructure,compactstructureandeasytransportation.

Thedesignwillbeaccessonthebasisoflargenumberofdocuments,understandingoftypicaloil-waterseparationunitofprocessingmethodsandtechnologies.Byreadingtheforeignpatentscurrently,collectedvarioustypesofsinglehydrocyclonetubestructureandthesizeandhydrocyclonevortextubesinthesinglearrangement.MakeCyclotech'sB20seriesDeoilhydrocycloneasastartingpoint,theauthorcomparedandanalyzedthestructureandselectedabetterstructuraldesigntosolvedthehydrocyclonewastewaterinletdistributionwithinthelimitedspace,thestructureproblemofcollectedliquidofhydrocycloneoverflowandouter.Learningfromrelevantknowledgeofheatexchangers’pipingmeansandothersheetdesign,accordingtoGB150-1998《SteelPressureVessels》,theauthorcompletedtheequipmentdiameter,wallthickness,diaphragm,sealplates,flanges,saddlesandaseriesofcomponentsrequiredforthestructuraldesign,selectedandmadestrengthcheck.Onthebasis,theauthorcompletedequipmentassemblydrawingsanddrawingsofthemaincomponentsbyAutoCADandusetheNXUGtosimulatethree-dimensionalsolidsimulationworkandNXUGsoftware.Thepaperworkwasareferencefordesignoil-waterhydrocycloneseparatorofcontainerscombinedtoremoveoilywateringeneraldomesticmanufacturers.

Keywords:

producedwater,hydrocyclones,structuraldesign,physicalsimulation

第一章引言

1.1含油污水的处理背景及意义

近年来，石油石化行业已成为我国现代能源及国民经济的重要组成部分，石油在世界能源结构中占据很大的比重，特别是海洋石油资源。

据统计，海上石油资源总量约占全球资源总量的34%，世界对海上石油寄予了很高的厚望。

目前，随着我国石油石化工业的迅猛发展，油气产量的持续上升，对环境所造成环境污染也日益严重。

油田的开采和炼制，以及相关的海上石油勘探，开采事业的兴起，促使含油污水对环境造成的危害事件屡有发生。

海上采油与海上石油运输的生态风险，引起了世界的高度关注。

石油及其炼制品（汽油、煤油、柴油等）在开采、炼制、贮运和使用过程中进入海洋环境而造成的污染，是目前一种世界性的、严重的海洋污染。

进入海洋环境的石油及其炼制品主要来自：

经河流或直接向海洋注入的各种含油污水；海上油船漏油、排放和油船事故等；海底油田开采溢漏及井喷；逸入大气中的石油烃的沉降及海底自然溢油等。

目前经由各种途径进入海洋的石油烃年约600万吨，排入中国沿海的石油烃年约10万吨。

含油污水中所含的油类物质，包括天然石油、石油产品、焦油及其分馏物，以及食用动植物油和脂肪类。

它是一种典型的有机废水。

从对水体的污染来说，主要是石油和焦油。

由于我国各油田地质条件，开发方式，油层改造措施、注水水质、集输工艺等的不同，各油田采油污水的性质差异很大。

另外，油田其他污水（如：

洗井污水，钻井污水，生活污水等）的混入，使得采油污水的成分更加复杂。

一般来说，有以下特点：

（1）含油量高。

一般采油污水含有1000～2000mg/L的原油，有些含油量可达5000mg/L以上。

油类在水中的存在形式根据含油颗粒大小的不同可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油。

采油污水中一般90%左右的油类是以粒径>100μm的浮油和10～100μm的分散油形式存在，另外10%主要是0.1～10μm的乳化油，<0.1μm的溶解油含量很低。

（2）含有悬浮固体颗粒。

颗粒粒径一般为1～100μm，主要包括粘土颗粒、粉砂和细砂等。

（3）高含盐量。

油田采油污水一般无机盐的含量很高，从几千到几万甚至十几万mg/L，各油田甚至各区块、油层都不同。

无机盐离子主要包括：

Ca2+，Mg2+，K+，Na+，Fe2+，Cl-，HCO3-，CO32-等。

（4）含细菌。

主要是腐生菌和硫酸盐还原菌。

（5）部分油田污水含表面活性剂。

另外，采油污水还具有高水温（40～80℃）和高pH的特点[1]。

随着石油工业的不断发展，油气产量持续上升，石油天然气工业目前已经进入了一个全新的发展阶段。

油气勘探开发活动的增多，所产生的污染量也随之增加，对环境造成的污染也日益严重。

而外界对采油污水的处理和回用的要求将会日益提高。

在原有的初级处理基础上，结合油田实际情况增加深度处理单元可以进一步净化污水，满足油田的发展需要。

本文针对采油污水的不同性质对其进行有效处理。

1.2含油污水常规的处理方法和技术

目前，我国采油污水处理技术发展较快。

20世纪60年代，产生了重力除油流程，70年代至80年代出现了通过压力储油罐、压力过滤罐的压力流程，叶轮气体浮选机国产化后，浮选流程得到了普遍推广应用。

20世纪90年代初，随着离心除油技术的引进、消化吸收，开始研制国产的水力旋流器，实现了水力旋流器处理技术。

本文主要介绍几种典型的常见处理方法。

1.2.1重力除油

重力除油依靠油水的比重差通过油与水的自然分离实现除油效果。

重力除油可以去除废水中的浮油及大部分分散油达到除油的目的。

通常重力除油常分为自然除油和斜板除油。

重力除油的主要设备有立式除油罐、斜板式隔油池及粗粒化除油罐等[2]。

（1）自然除油

自然除油是指原水中不加混凝剂，依靠水中自然形成的微小油滴靠其与废水的相对密度差上浮而进行分离，从而达到除油的目的。

自然除油可以去除含油废水中的浮油和分散油，即油珠粒径为10～100μm。

由于自然除油在水流动状态下进行，所以除油效率的大小与水流的流速有关。

实际上，废水中或多或少地含有悬浮固体，它具有吸附油珠的特性，从而降低了油珠的上浮速度。

自然除油法所应用的设备虽运行费用低，方便管理，但是立式沉降罐体积庞大，去除效率低[3]。

（2）斜板除油

斜板除油是基于浅池沉降理论（又称“浅层沉淀”或“浅层理论”），实际上就是忽略了紊流、进出口水流的不均匀性、油珠颗粒上浮中的絮凝等因素，认为油珠颗粒在理想状态下进行重力分离。

在油水分离设备中加斜板，增加分离设备的工作表面积，缩小分离高度，可以提高油珠颗粒的去除效率。

由于斜板的存在，增大了湿周、缩小了水力半径，因而雷诺数较小，水流流动处于层流状态，同时弗劳德数较大，更有利于油水分离，所以斜板除油成为目前常用的高效除油方法之一。

斜板除油装置基本上分为平流式和立式两种，对应的设备为平流式斜板隔油池和立式斜板除油罐。

斜板除油的方法依然存在不足，上向流水与油珠的运动方向一致，下向流水与泥的流动方向一致，因而就造就了处理后的水与分离的油和泥重新混合，发生二次污染的可能。

1.2.2粗粒化除油

粗粒化除油是使含油污水通过粗粒化材料所构成的填充床层使油珠变大然后沉降，其中处理的主要对象是水中的分散油[4]。

含油污水通过装有粗粒化材料的装置，在润湿聚结、碰撞聚结、截流、附着作用下油珠由小变大的过程该法用于处理分散油、乳化油，设备小、操作简单但滤料易堵塞，有表面活性剂时效果较差。

可作为粗粒化填料有聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等，其外形可做成粒状、纤维状、管状或胶结状。

目前粗粒化机理大体上有“润湿聚结”和“碰撞聚结”两种。

“润湿聚结”理论建立在亲油性粗粒化材料的基础上。

当含油废水经过亲油性材料组成的粗粒化床上时，分散油珠便在材料表面润湿并附着，这样材料表面被油膜包裹，再流来的油珠也更容易润湿附着在上面，因而附着的油珠不断扩大形成油膜，由于浮力和反向水流冲击的作用，油膜开始脱落。

脱落的油膜到水相中形成油珠，该油珠粒径比聚集前多的油珠粒径大，从而达到粗粒化的目的。

“碰撞聚结”理论建立在疏油材料基础之上。

当含油废水经过疏水性材料时，两个或多个油珠可能同时与疏油材料的管壁上碰撞或互相之间碰撞，使它们合并成大油珠，从而达到粗粒化的目的。

无论是亲油或疏油的粗粒化材料，两种聚结都同时存在，只是前者以“润湿聚结”作用