氣浮旋流一體化水處理技術(shù)理論及工程應用研究.pdf

1、隨著油井采出液含水率的不斷上升以及環(huán)保意識的不斷加強，海洋油氣開采及加工過程中迫切需要高效緊湊型的水處理技術(shù)與設備，以提高海洋油氣開采的經(jīng)濟性和滿足日益嚴格的排放標準。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)復合化”的理念下發(fā)展而來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，重點就該技術(shù)涉及的油滴與微氣泡粘附機理、油滴與微氣泡碰撞聚并效率、分散相液滴動力學特性、氣浮旋流流場分布特性、氣浮旋流裝

2、置設計理論體系、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工業(yè)放大準則等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題開展理論和實驗研究。
　　基于氣浮分離動力學理論和流體力學理論，研究了氣浮旋流分離過程中分散相液滴碰撞粘附過程、運動力學特性和碰撞聚并效率。通過分析立式氣旋浮罐內(nèi)各功能分離區(qū)流場分布特性和分離特性，從機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，同時降低湍流引起的隨機彌散效應和剪切破碎效應，實現(xiàn)油水氣多相流的高效分離。
　　基于計算流體

3、動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)和群落平衡模型(Population Balance Model，PBM)理論，利用實驗研究和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程中湍流強度宜控制在4.9％-8.9％之間，表面水力負荷率總體宜控制56.4m3/(m2·h)左右。
　　理論分析計算

4、了旋流流動對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、分散相液滴動力學特性和油水分離特性，分別從微觀和宏觀兩個層面確立了氣旋浮罐預分離區(qū)在對油/氣/水三相預分離過程中所起的關(guān)鍵作用，并進一步討論了預分離區(qū)環(huán)空流道結(jié)構(gòu)或工藝參數(shù)對氣旋浮罐流場分布特性和分離性能的影響規(guī)律。
　　基于流體力學、多相流動力學、氣浮動力學、計算流體動力學(CFD)等理論，建立了氣浮旋流裝置的完整理

5、論設計方法，實現(xiàn)了在預期處理水流量、水力停留時間、旋流強度等基本設計參數(shù)下獲得立式氣旋浮罐筒體內(nèi)徑、設備高度、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?；谠摾碚撛O計方法加工制造了現(xiàn)場試驗樣機，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，無論是針對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)，單級氣旋浮罐穩(wěn)定運行時分離效率可以穩(wěn)定86％以上，兩級氣旋浮罐串聯(lián)穩(wěn)定運行時分離效率可以穩(wěn)定在97.

6、9％以上;單級氣旋浮罐穩(wěn)定運行時濁度去除率最高達58.3％，兩級氣旋浮罐串聯(lián)穩(wěn)定運行時濁度去除率最高達到72.1％，表明設計完成的氣浮旋流裝置小型樣機分離效率非常顯著且運行足夠穩(wěn)定，氣浮旋流裝置理論設計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)絡等理論，構(gòu)建了適用于對氣浮旋流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(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)與分離效率的對應關(guān)系，同時利用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化模型分析和預測各結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響規(guī)律，進而預測得到氣旋浮罐最優(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)，且平均相對誤差僅為1.4％，可以推廣應用至多相流分離等領(lǐng)域設備或裝置的結(jié)

8、構(gòu)設計和優(yōu)化。
　　針對氣浮旋流裝置的結(jié)構(gòu)特點和分離特性，基于相似分析理論研究了氣浮旋流分離過程中多參數(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)放大準則。采用逐級經(jīng)驗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)樣機的設計，并利用現(xiàn)場試驗手段對裝置實際分離性能進行測試，結(jié)果表明在額定處理量下，穩(wěn)定運行時平均分離效率能夠穩(wěn)定在85.7％以上，驗證了放大準則