斜板除油原理

119第六章含油污水处理海上油田污水来源于在油气生产过程中所产出的地层伴生水。为获得合格的油气产品，需要将伴生水与油气进行分离，分离后的伴生水中含有一定量的原油和其它杂质，这些含有一定量原油和其它杂质的伴生水称之为含油污水。目前，国内海上油田污水处理工艺流程，由于污水水质差异较大，处理流程种类较多，现针对不同原水水质特点、净化处理技术要求，按照主要处理工艺过程，大致可划分为重力式除油、沉降、过滤流程；压力式聚结沉降分离、过滤流程和浮选式除油净化、过滤流程等几种基本处理流程。另有除油、混凝沉降、过滤、深度净化以及密闭隔氧等流程用于排放处理。第一节除油含油污水除油的主要方法有：重力沉降法、物理化学法、化学混凝法、粗粒化法、过滤法、浮选法、活性炭吸附法、生物法、电磁法。由于水质不同及要求处理的深度不同，单靠一种除油方法很难达到预期的目的，所以在现场使用时，都是几种方法联合使用。一、自然除油1.基本原理自然除油是属于物理法除油范畴，是一种重力分离技术。重力分离法处理含油污水，是根据油和水的密度不同，利用油和水的密度差使油上浮，达到油水分离的目的。这种理论忽略了进出配水口水流的不均匀性、油珠颗粒上浮中的絮凝等影响因素，认为油珠颗粒是在理想的状态下进行重力分离的，即假定过水断面上各点的水流速度相等，且油珠颗粒上浮时的水平分速度等于水流速度；油珠颗粒是以等速上浮；油珠颗粒上浮到水面即被去除。含油污水在这种重力分离池中的分离效率为：/uEQA（6-1）式中E——油珠颗粒的分离效率；u——油珠颗粒的上浮速度；/QA——表面负荷率；Q——处理流量；A——除油设备水平工作面积。这里的分离效率是以大于浮升速度u的油珠颗粒去除率来表示的，也就是除油效率。表面负荷率Q／A，是一个重要参数，当除油设备通过的流量Q一定时，加大表面积A，可以减小油珠颗粒的上浮速度u，这就意味着有更小直径的油珠颗粒被分离出来，因此加大表面积A，可以提高除油效率或增加设备的处理能力。120浮升速度u可用斯托克斯公式计算：2()18wopgud（6-2）式中u——油珠颗粒的浮升速度，m／sg——重力加速度，m／s2；——污水的动力粘度，Pa·s；w、o——分别为污水和油的密度，kg／m3；pd——油珠颗粒直径，m。由斯托克斯公式可知，若污水中的油珠颗粒直径、污水密度、油的密度和水温一定时，则油珠颗粒的浮升速度亦为定值，除油效率与油珠颗粒的浮升速度成正比，与表面负荷率成反比。2．装置结构自然除油设施—般兼有调储功能，其油水分离效率不够高，通常工艺结构采用下向流设置。如图6-1所示，立式容器上部设收油构件，中上部设配水构件，中下部设集水构件，底部设排污构件。图6-1自然除油罐结构图1—进水管；2—中心反应管；3—配水管；4—集水管；5—中心管柱；6—出水管；7—溢流管；8—集油槽；9—出油管；10—排污管二、斜板(管)除油罐1.原理斜板(管)除油是目前最常用的高效除油方法之一，它同样属于物理法除油范畴。斜板(管)除油的基本原理是“浅层沉淀”，又称“浅池理论”，设斜管沉淀池池长为L，池中水平流速为V，颗粒沉速为u0，在理想状态下，L/H＝V/u0。可见L与V值不变时，池身越浅，可被去除的悬浮物颗粒越小。若用水平隔板，将H分成3层，每层层深为H/3，在u0与v不变的条件下，只需L/3，就可以将u0的颗粒去除。也即总容积可减少到原来的1/3。如果池长不变，由于池深为H/3，则水平流速可正加的3v，仍能将沉速为u0的颗粒除去，也即处理能力提高倍。同时将沉淀池分成n层就可以把处理能力提高n倍。这就是20世纪初，哈真（Hazen）提出的浅池理论。为了让浮升到斜板(管)上部的油珠便于流动和排除，把这些浅121的分离池倾斜一定角度(通常为45o～60o)，超过污油流动的休止角。这就形成了所谓的斜板(管)除油罐。假设除油设备的高度为H，油珠颗粒分离时间为t，则表面负荷率可表示为Q／A＝H／t，将其代人分离效率公式，可得//uuutEQAHtH（6-3）从式(6-3)可见，重力分离除油设备的除油效率是其分离高度的函数，减小除油设备的分离高度，可以提高除油效率。在其他条件相同时，除油设备的分离高度越小，油珠颗粒上浮到表面所需要的时间就越短，因此在油水分离设备中加设斜板，增加分离设备的工作表面积，缩小分离高度，从而可提高油珠颗粒的去除效率。在理论上，加设斜板不论其角度如何，其去除效率提高的倍数相当于斜板总水平投影面积比不加斜板的水面面积所增加的倍数。当然，实际效果不可能达到理想的倍数，这是因为存在着斜板的具体布置、进出水流的影响、板间流态的干扰和积油等因素。但是，由于斜板的存在，增大了湿周，缩小了水力半径，因而雷诺数(Re)较小，这就创造了层流条件水流较平稳，同时弗劳德数(Fr)较大，更有利于油水分离，这就是斜板除油所以成为高效设备的原因。斜板除油装置基本上可以分为立式和平流式两种，如立式斜板除油罐和平流式斜板除(隔)油罐(池)。在油田上常用的是立式斜板除油罐和平流式斜板除油罐。2．斜板板组工艺计算(1)斜板板组水力计算斜板罐(池)斜板组水力计算方法较多，斜板组水力计算大致分为田中法(分离粒径法)、姚氏法(特性参数法)、理想分离法，三者在计算中有自己的假定条件，共同点是遵循水力学质点运动方程。根据含油污水油珠运动规律：当某一粒径的油珠P，处于斜板中某一位置时，它具有上浮速度Vo轴向速度V。d为板间距，为斜板的倾斜角度。12yudtCxvdtC（6-4）从图6-2可知，油珠P在y方向的瞬时合速度为：0cosuVa；在x方向的瞬时合速度为：0sinvVVa，将上式代入式(6-4)中即得油珠P的运动方程，它适于各种计算方法，其运动方程式如下：图6-2斜板组质点运动图0102cos(sin)yVadtCxVVadtC(6-5)A.田中法。122图6-4姚式法质点运动图田中法假设油珠上浮过程中上浮速度不变，即V。为常数，轴向速度采用过水断面平均流速即V为常数，见图6-3。依图6-3，田中法认为油珠由a点进入斜板，而到b点被截留，这样油珠所流经的长度为板长La与L1之和，其中1cos/sin/Ldaadtga(d为板距)。这样依田中法，当t＝0时，y＝-d/2，又＝-d/tga，求得式(6-5)中Cl＝-d/2，C2＝-d/tga；将式(6-5)积分则得：00cos/2sin/yVtadxVtVtadtga(6-6)当油珠由a点运动到b点，即油珠由板底至板顶时在y方向位移为d，y＝d/2，由式(6-6)求得0/(cos)tdVa，代人式(6-6)得:0cossincosaVddtLVaaa(6-7)B．姚氏法。姚氏法假定油珠在上浮过程中上浮速度V。为常数，轴向速度为变值，即，见图6-4，由此得方程式为：0102cos()sinyVadtCxVydtVadtC(6-8)姚式法认为油珠由a点至b点的历程为Lb(板长)，即t＝0时，y＝-d/2，x＝0；则，C1=-d/2，C2＝0；将此值代人式(6-8)得：000cos/2()sintyVtadxVydtVta(6-9)将式(6-6)、式(6-9)相对比可知y方程完全相同，而x方程中式(6-9)少一项(-d/tga)，这是田中法和姚氏法主要区别。关于函数V(y)可依水力学公式22()24yidVy计算，此处运算结果与V等于常数时相同，则式(6-9)可求结果为：0cossincosbVdddxLVaaatga(6-10)从式(6-7)与式(6-10)可知，姚氏法斜板计算长度比田中法计算长度增加d/tga。式(6-10)也可写成如下型式：0sincoscosbVddaxLVaa(6-11)C.理想分离法理想分离法基本假设与田中法相似，它不描述油珠在板体中上浮轨迹，它认为田中法与图6-3田中法质点运动图123图6-5理想分离法质点运动图一图6-6理想分离法质点运动图二6-7理想分离法质点运动图三姚氏法虽采用轴向速度相同与不同的假设，但二者质点起落位置在实际中是相同的。对于层流，即理想状态下二者假设无质的区别。即，当油珠的边界条件已定时，斜板长度决定于油珠的轴向速度与上浮速度的合成速度，也决定于板组的材质及构造。板长、板距、轴向速度、上浮速度之间符合矩形或平行四边形相似原理，下面分别对矩形与平行四边形斜板组进行水力计算。a．下向流矩形平行斜板板组，依平行四边形相似原理如图6-5所示。021cVLVLL（6-12）式中2/cosLd，1sin/cosLd，则：00sinsincoscoscossincoscVddVdddLVVatg（6-13）b．下向流平行四边形平行斜板板组，依矩形相似原理如图6-6所示。31/()/LdVVV(6-14)式中10cosVV，20sinVV；则：30sincoscosVddLV（6-15）式(6-15)与式(6-13)相同，但式(6-15)中34dLLL,因4/Ldtg，则：00sincoscoscossincossincosdVdddVddLVV（6-16）c.上向流矩形与平行四边形斜板板组及侧向流斜板组的板长。上向流矩形斜板板组依据矩形相似原理如图6-7所示。12VVVdL（6-17）式中10cosVV，20sinVV；则：0sincoscoseVddLV（6-18）同理可计算上向流平行四边形与侧向流斜板板组板长，见下式：0cossincosfVddLV（6-19）0cosgVdLV（侧）（6-20）124(2)各种板组计算板长与上浮速度的对比从各种板组计算中可知，它们的计算板长并不一样，为便于比较将计算板长与上浮速度汇成表6-l和表6-2。在条件相同的情况下，从表6-1、表6-2可得出如下规律：①田中法与下向四边形板组计算结果形同，姚氏法与下向流矩形板组计算结果相同。②田中法与理想分离法中下向四边形板组计算板长最短；姚氏法与下向流矩形板组长度次之，上向流四边形板组计算长度最长，上向流矩形次之，侧向流板组计算长度为上述的平均值。③田中法可去除较小油珠；而上向流平行四边形板组只能去除较大的油珠，分离效果较低。④板组倾角对板长与分离效果影响较大，这种影响对各种计算方法均存在随着倾角的增加，式中Vd/cos值增加较快，所需斜板增长；倾角接近90o时，失去斜板隔油意义；倾角减小斜板计算长度减小；当=0时，斜板长度最小，各种斜板组的计算长度均与侧向流相等。从表中可以看出，当＝0时，平行四边形板组已不能适用，此时隔油构筑物水平面积将无限大。倾角小时矩形板组适用，当＝0时，斜板隔油设施成为水平板隔油池，也称PPI隔油池。表6-1板长计算公式汇总序号计算方法表达式尾项变化范围斜角45o斜角60o1田中0cossincosaVddLVaaa-2d-2.31d2姚式0sincoscosbVddaLVaa-d-1.73d3理想分离下向矩形0sincoscoscVddLV-d-1.73d4下向四边0cossincosdVddLV-2d-2.31d5上向矩形0sincoscoseVddLV+d+1.73d6上向四边0cossincosfVddLV+2d+2.31d7侧向0cosgVdLV00表6-2上浮速度计算公式汇总序号计算方法表达式尾项变化范围斜角45o斜角60o1田中0cos/sinVdVLd0.4290.6192姚式0cossinVdVLd0.4410.6303理下向矩形0cossinVdVLd0.4410.6301254想分离下向四边0cos/sinVdVLd0.4290.6195上向矩形0cossinVdVLd0.4710.7086上向四边0cos/sinVdV