氣浮旋流一體化水處理技術(shù)理論及工程應(yīng)用研究.pdf

1、隨著油井采出液含水率的不斷上升以及環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，海洋油氣開(kāi)采及加工過(guò)程中迫切需要高效緊湊型的水處理技術(shù)與設(shè)備，以提高海洋油氣開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性和滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。氣浮旋流一體化技術(shù)是在“單元技術(shù)高效化，多元技術(shù)復(fù)合化”的理念下發(fā)展而來(lái)的一種高效緊湊型采油污水處理新技術(shù)。本文基于內(nèi)筒外旋流式氣浮旋流裝置的結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)就該技術(shù)涉及的油滴與微氣泡粘附機(jī)理、油滴與微氣泡碰撞聚并效率、分散相液滴動(dòng)力學(xué)特性、氣浮旋流流場(chǎng)分布特性、氣浮旋流裝

2、置設(shè)計(jì)理論體系、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工業(yè)放大準(zhǔn)則等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　基于氣浮分離動(dòng)力學(xué)理論和流體力學(xué)理論，研究了氣浮旋流分離過(guò)程中分散相液滴碰撞粘附過(guò)程、運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性和碰撞聚并效率。通過(guò)分析立式氣旋浮罐內(nèi)各功能分離區(qū)流場(chǎng)分布特性和分離特性，從機(jī)理上確立了氣浮旋流技術(shù)可以有效提高油滴與微氣泡等分散相液滴的碰撞聚并效率，同時(shí)降低湍流引起的隨機(jī)彌散效應(yīng)和剪切破碎效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)油水氣多相流的高效分離。
　　基于計(jì)算流體

3、動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)和群落平衡模型(Population Balance Model，PBM)理論，利用實(shí)驗(yàn)研究和CFD-PBM耦合數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，從微觀和宏觀兩個(gè)層面研究了湍流流態(tài)下油滴直徑分布曲線、表面積平均直徑和分離效率的變化規(guī)律，確定氣浮旋流分離過(guò)程中湍流強(qiáng)度宜控制在4.9％-8.9％之間，表面水力負(fù)荷率總體宜控制56.4m3/(m2·h)左右。
　　理論分析計(jì)算

4、了旋流流動(dòng)對(duì)油滴與微氣泡間碰撞聚并效率的影響規(guī)律，利用CFD-PBM數(shù)值模擬模型研究分析了環(huán)空流道內(nèi)旋流衰減特性、分散相液滴動(dòng)力學(xué)特性和油水分離特性，分別從微觀和宏觀兩個(gè)層面確立了氣旋浮罐預(yù)分離區(qū)在對(duì)油/氣/水三相預(yù)分離過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步討論了預(yù)分離區(qū)環(huán)空流道結(jié)構(gòu)或工藝參數(shù)對(duì)氣旋浮罐流場(chǎng)分布特性和分離性能的影響規(guī)律。
　　基于流體力學(xué)、多相流動(dòng)力學(xué)、氣浮動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)等理論，建立了氣浮旋流裝置的完整理

5、論設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在預(yù)期處理水流量、水力停留時(shí)間、旋流強(qiáng)度等基本設(shè)計(jì)參數(shù)下獲得立式氣旋浮罐筒體內(nèi)徑、設(shè)備高度、切向入口管內(nèi)徑、內(nèi)部穩(wěn)流筒外徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)取值的目的。基于該理論設(shè)計(jì)方法加工制造了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樣機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是針對(duì)低含油濃度含油污水(平均含油濃度為120mg/L)還是高含油濃度含油污水(平均含油濃度為1732mg/L)，單級(jí)氣旋浮罐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)分離效率可以穩(wěn)定86％以上，兩級(jí)氣旋浮罐串聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)分離效率可以穩(wěn)定在97.

6、9％以上;單級(jí)氣旋浮罐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)濁度去除率最高達(dá)58.3％，兩級(jí)氣旋浮罐串聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)濁度去除率最高達(dá)到72.1％，表明設(shè)計(jì)完成的氣浮旋流裝置小型樣機(jī)分離效率非常顯著且運(yùn)行足夠穩(wěn)定，氣浮旋流裝置理論設(shè)計(jì)方法具有較高的可行性和可靠性。
　　基于CFD數(shù)值模擬、遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論，構(gòu)建了適用于對(duì)氣浮旋流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。在該模型中，借助于CFD數(shù)值模

7、擬方法建立氣旋浮罐結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)利用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型分析和預(yù)測(cè)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)得到氣旋浮罐最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為入口管徑Φ20mm、穩(wěn)流筒直徑Φ360mm、環(huán)空流道寬度20mm和高徑比3.6等，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下分離效率實(shí)際值為92.82％，較優(yōu)化前提高了13.6％。該優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)全局搜索，有效避免局部最優(yōu)值的出現(xiàn)，且平均相對(duì)誤差僅為1.4％，可以推廣應(yīng)用至多相流分離等領(lǐng)域設(shè)備或裝置的結(jié)

8、構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
　　針對(duì)氣浮旋流裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分離特性，基于相似分析理論研究了氣浮旋流分離過(guò)程中多參數(shù)耦合作用下分離效率數(shù)字模型，建立適用于氣浮旋流裝置的工業(yè)放大準(zhǔn)則。采用逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的方式確定了氣浮旋流裝置的工業(yè)放大規(guī)律，完成了處理量分別為20m3/h和120m3/h的氣浮旋流裝置工業(yè)樣機(jī)的設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段對(duì)裝置實(shí)際分離性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在額定處理量下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)平均分離效率能夠穩(wěn)定在85.7％以上，驗(yàn)證了放大準(zhǔn)則