申请日2009.09.23
公开(公告)日2011.04.20
IPC分类号C02F1/40; C02F1/38
摘要
一种聚结与旋流分离一体化的采油废水处理设备与方法，其中：处理设备主要由入口腔(11)、底流腔(12)、溢流腔(13)和平板封头(14)组成，在入口腔(11)内设置装有聚结材料的聚结圆筒(16)，横向贯穿各腔室按六边形密集排布的多个水流旋流器单体(15)的组合件;本发明的处理方法是将采油废水泵送到压力容器入口，废水经入口流经聚结圆筒(16)，分散相小油滴聚结变大，继之进入水力旋流器单体(15)内形成高速旋转的涡流，重相水在底流腔(12)内收集，最后从排水口(121)排出，轻质相油则被迫移向轴心并向顶部流动，从溢流口(153D)排出，在溢流腔(13)内收集，最后由排油口(131)排出。采用本发明的方法和设备后，由于进入各水力旋流单体的分散相油滴粒径较大，从而使得油水分离效率较常规技术和设备大幅度提高，排水口的含油量和排油口的含水量都较低。
权利要求书
1.一种聚结与旋流分离一体化的采油废水处理方法，采用以下步骤：首先利用低剪切泵将采油废水泵送到卧式圆柱状压力容器的入口，废水经入口流经聚结圆筒，在此过程中分散相小油滴得以聚结变大，备后续处理;经聚结处理后的采油废水继续由各水力旋流器单体的切向入口进入旋流管，在旋流管内形成高速旋转的涡流，由于离心力的差异，重质相水被甩至管壁并向底流口处流动，在底流腔内收集，最后从排水口排出;轻质相油则被迫移向轴心并向上流动，从溢流口排出，在溢流腔内收集，最后由排油口排出。
2.一种实现权利要求1所述方法的设备，主要由入口腔(11)、底流腔(12)、溢流腔(13)和平板封头(14)组成，其特征在于：入口腔(11)筒体上、下各设置一个法兰，分别是采油废水入口(111)和备用口(112)，入口腔(11)还设置有箱体法兰(113);底流腔(12)筒体上、下各设置一个法兰，分别是备用口(122)和排水口(121)，底流腔(12)设置有箱体法兰(123)，入口腔(11)与底流腔(12)通过箱体法兰(113)、(123)和螺栓(11A)进行连接固定，入口腔(11)与底流腔(12)之间夹持固定有右隔板(114)，底流腔(12)的尾部采用椭圆形筒体结构;溢流腔(13)圆周方向的接管法兰为排油口(131)，溢流腔(13)的外侧对应容器的可拆端，配置有平板封头(14)，其上还设置有起吊装置(141)，平板封头(14)、溢流腔(13)和入口腔(11)之间通过螺栓(11B)进行连接固定;在入口腔(11)内设置一聚结圆筒(16)，本体在轴向垂直平面上采用栅格状金属骨架结构(162)，筒体外圆周向采用多排球头螺栓(163)进行定位和支撑，其顶端设有吊耳(164)，在其背部还设置有与废水入口对应的入口(161)，聚结圆筒(16)内装置有聚结材料;设备的主体设置于卧式圆柱状压力容器(1)内，横向贯穿溢流腔(13)、入口腔(11)和底流腔的按六边形密集排布的多个水力旋流器单体(15)组合件，其中左隔板(132)和右隔板(114)上的通孔(132A)、(114A)以及聚结圆筒(16)栅格状金属骨架结构(162)的栅格孔的数量和孔径与插入的水力旋流器单体(15)的个数和相应的单体直径相适应，并置以相应的密封;水力旋流器单体(15)由管体(151)、切向入口(152)和溢油段(153)组成，其中管体(151)由圆筒涡流段(151A)、同心缩进段(151B)、细锥段(151C)和平行尾管段(151D)四部分组成，在切向入口段(152)上部开设两个通向圆筒涡流段的切向入口(152B)，顶部设有溢流口(153D)，底部设有底流口。
3.根据权利要求2所述的聚结与旋流分离一体化的采油废水处理设备，其特征在于：所述的旋流管管体流线可以为双锥型、单锥型，或其他流线结构。
4.根据权利要求2所述的聚结与旋流分离一体化的采油废水处理设备，其特征在于：所述的聚结圆筒(16)内部的聚结材料是亲水疏油性粗粒化材料或亲油疏水性粗粒化材料。
说明书
聚结与旋流分离一体化的采油废水处理设备与方法
技术领域
本发明涉及一种油、水两相分离的方法及设备，尤其是将聚结和旋流分离技术一体化的，适用于有微小分散油滴的采油废水的净化处理设备与方法，也可用于其他行业含油废水的处理，如钢铁行业冷轧含油废水及脱脂液的处理，机加工行业研磨、切削、冷却等乳化油的排放处理，表面处理行业脱脂废水处理等。
背景技术
在石油开发过程中，油井采出液经脱气、脱水、脱盐处理后分离转输过来的废水往往被称为“采油废水或采出水(produced water)”，采油废水中除主要污染物原油外，还含有其它一些杂质，如悬浮物、泥沙等。随着环保法规的日益严格以及水资源的逐渐短缺，国内外油田地面工程对采油废水要么经处理合格后达标外排，要么通过回注地层、回掺工艺流程、蒸汽锅炉补给水等方式进行重新利用。虽然不同走向所对应的处理方法不同，实施油水分离以去除其中的油分往往是面临的首要处理任务。
油水分离的方法很多，常用的处理方法有重力除油法、混凝除油法、气浮除油法、粗粒化除油法、水力旋流器除油法等，各种处理方法都有各自的优缺点和特定的适用范围。
所谓粗粒化是使含油废水通过由粗粒化材料所构成的填充床层，使微细油珠聚结变大的过程，因此往往也将粗粒化称为聚结。工程实际中通常所说的粗粒化除油(或聚结除油)是粗粒化及相应沉降过程的总称，相应的处理设备按构造形式可分为分建式和合建式两类，处理对象主要是水中的分散油，油珠粒径大于20μm。例如，中国专利CN2416089介绍了一种合建式的高效聚结除油器，总体上采用卧式压力容器结构，将分散相油颗粒的聚结长大和经重力沉降后连续油相的收集分离合为一体。隔板固定在容器本体上，隔板上制有若干个螺纹孔，支承管装于螺纹孔里;在第一级除油器的支承管上设有极性材料的无纺布，在第二级除油器的支承管上设有涂氧化硅亲油憎水类材料的无纺布;在容器本体顶上对应除油器设贮油包，在贮油包外面设有与贮油包连通的液位计。中国专利CN1994903A介绍了一种合建式密植模板双向聚结除油器，由密植模板隔油室和双向距接触油室左右两部分组成;废水进水配水管、密植模板区分别位于隔油室的底部和中部，隔油室的上部设有排油管和挡板;废水经过挡板拦截部分污油后进入双向聚结除油室，双向聚结除油室内设两个聚结区、一个过渡区和排水区;在双向聚结除油室的上部设排油管，在密植模板隔油室底部和双向聚结除油室底部分设排泥管。但是，当采油废水的性质较为复杂时，如聚合物驱采出水、稠油废水等，合建式粗粒化处理设备仅仅利用重力沉降机理很难达到预期的处理效果。此时更倾向于采用分建式结构，将粗粒化过程独立出来作为包括重力沉降在内的其他后续处理工艺的前奏。例如，新疆时代石油工程有限公司的研究人员在中国专利CN201132783介绍了一种聚结除油器的设计方案，在聚结除油器壳体内有聚结填料腔，在聚结填料腔内装有聚结填料，在壳体底部有进液口，在壳体顶部有出液口。含油污水在聚结器内自下而上的流动过程中，油珠由小变大并从壳体顶部的出液口排出，由于提高了使含油污水的油珠由小变大的效率，从而有利于含油污水的后续处理。
水力旋流分离是目前得到广泛应用的一种重要分离技术，英国Southampton大学的M.T.Thew等人于20世纪60年代末期率先开始研究油水液-液两相分离用水力旋流器，通过大量试验确定了35mm和60mm两种规格的污水除油用水力旋流器模型，并在1980年BHRA组织的国际旋流器学术会议上开始陆续公布了其研究成果。此后，M.T.Thew的研究成果转让给英国BWN Vortoil公司，该公司于1981年根据Thew的水力旋流器模型制成了Vortoil旋流器样机，并在炼油厂用含油污水进行小规模试验。1985年，Vortoil旋流器开始得到商业性应用，油水分离用水力旋流技术也因此而得到国内外工业界和科技界的广泛关注。目前，Vortoil旋流器已在世界许多油田获得了广泛使用。到20世纪80年代末，美国Conoco公司和Amoco公司的研究人员又在M.T.Thew的基础上对旋流器的操作性能、流场分布、结构优化等方面进行了大量研究，推出了一些新的水力旋流器单体结构。由于水力旋流器单体的处理量有限，因此当工程实际中的处理流量较大时，可以将多个单体结构按照一定方式并联组合起来进行工作，可行的组合方式有压力容器式、开放排架式、辐射蛛网式、径向分布式、罐装式、垂直排列式等。
压力容器式是工业生产实践尤其是采油废水处理中最为常见的单体组合方式，水力旋流器单体在压力容器内的排布方式是其中的关键，近20多年来主要出现了三种旋流器单体的排布方式。Kevin J.O’Brien在美国专利US5194150中提及的传统两腔式多衬里Vortoil水力旋流器，总体上由入口腔和排水腔组成，两个腔体之间靠螺栓固定一块隔板。因为没有独立的排油腔，所以分离后轻质相油的收集是设备的设计关键。为达到分离目的，在隔板的一侧加固了一个溢流通道，水力旋流器分离出来的油相经此通道由排油口排出分离器。虽然采用两腔式的结构而节省了空间占用，但该设备中溢流通道的回流管和螺栓占据了容器内部的空间，限制了旋流管的安装根数，从而影响了水力旋流器的分离处理能力。为了解决上述问题，美国Conoco公司在专利US5336410中提出了一种紧凑型三腔体水力旋流器结构，从外形上来看为一端固定、另一端可拆的卧式圆筒状压力容器，可拆端的封头通过法兰、螺栓与容器筒体相连。两块纵向隔板将容器的内部空间从水平方向上分成了三个腔体，从左到右依次是溢流腔、入口腔和底流腔。旋流体单体通过隔板上的开孔水平安装在容器内部，旋流管与隔板通孔之间的周向间隙密封良好，使得三个腔体之间彼此隔离，只能通过旋流管相通。每根旋流管都有一个或两个切向入口、一个底流口和一个溢流口，采油废水经一定压力自切向入口进入旋流管内部后，形成高速旋转的涡流。由于离心力的差异，重质相水被甩至管壁并向底流口处流动，在底流腔内收集，最后从排水口排出;轻质相油则被迫移向轴心并向顶部流动，从溢流口排出，在溢流腔内收集，最后由排油口排出，从而实现油水分离。紧凑型三腔体水力旋流器结构比较简单，从旋流管溢流口排出的油可直接进入溢流腔由排油口排出，拆装方便，旋流管的更换也较容易，但三个腔体之间的密封是设备的关键。除了上述两种旋流管的排布方式，Keith J.Girdler在美国专利US6918494B2中介绍了另一种结构的水力旋流器，此设备是对原有水平安装旋流管的改进，关键是在原旋流管的溢流口端增加了一段延长管，延长管的直径小于原有旋流管入口部分的直径，以节省空间、增加旋流管的安装数量，进而提高旋流器的分离效率;此外，采用加有延长管的旋流管使得每个邻近旋流管的入口部分与分离腔相邻，而入口部分彼此间错开，这种错开安装方式使得每个入口处的压力也不同，改善了流体流入旋流管时彼此之间的干扰。但是，这种排布方式使得每根旋流管的结构不尽相同，增加了加工制造难度，而且由于存在入口延长部分，使底流部分的长度也不一样，相应增加了底流腔所占的空间。
尽管把多根旋流管并联起来可以满足处理量的要求，但在实际应用中，水力旋流器除油技术仍然存在着一些局限性。例如，当其用于含油污水处理时，如果液体旋转速度过高，就会导致油滴剪切破碎，从而增大分离难度。而且水力旋流器对于小粒径油滴的分离效果差。油水分离水力旋流器的分离粒径一般在30μm左右;直径小于30μm的油滴在水力旋流器内被分离的概率小于50%，而对于直径小于11μm的油滴，其被分离的概率基本为零。因此，水力旋流器对直径小于30μm的乳化油去除效率较低。为了增大进入水力旋流器单体中的分散相油滴粒径，人们一般在水力旋流器之前再串联安装粗粒化设备，但常规粗粒化设备体积较大;Aker Kvaerner等公司近些年来提出了紧凑型管式水力聚结器(Compact Tubular Coalescer，CTC)的技术方案，通过在水力旋流器之前串联一个紧凑型管式水力聚结器，使得分散相小油滴在进入水力旋流器之前粒径变大，从而提高水力旋流器的除油效果。虽然该项技术简单易行、不需外部动力，而且对原有设备也无需改进，但这种体外串联安装方式仍然存在着一些缺点，例如由于粗粒化和水力旋流分离两个处理单元之间不可避免地存在管线、阀门，致使经过粗粒化单元后的油水混合物在经过这些阀门时仍然会因流动剪切作用而使得分散相油滴粒径变小，从而使得粗粒化效果大打折扣。
鉴于上述原因，有必要进一步研制开发新型的紧凑型聚结与旋流一体化分离技术与设备来克服上述油水分离技术的不足。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于克服常规水力旋流器不能有效分离含有微小油滴采油废水的缺憾，提供一种将聚结和旋流两种油水分离的单元技术有机结合起来，能够充分发挥聚结和旋流技术各自的优势，微小油滴经过聚结材料后粒径得以增大，整体粒径分布增大了的采油废水基本不再经受任何耗散就立即进入水力旋流器单体，既能分离微小油滴，又能达到结构紧凑、分离快速高效的目的的聚结与旋流分离一体化的采油废水处理方法与设备。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种聚结与旋流分离一体化的采油废水处理方法，采用以下步骤：首先利用低剪切泵将采油废水泵送到卧式圆柱状压力容器的入口，废水经入口流经聚结圆筒，在此过程中分散相小油滴得以聚结变大，备后续处理;经聚结处理后的采油废水继续由各水力旋流器单体的切向入口进入旋流管，在旋流管内形成高速旋转的涡流，由于离心力的差异，重质相水被甩至管壁并向底流口处流动，在底流腔内收集，最后从排水口排出;轻质相油则被迫移向轴心并向上流动，从溢流口排出，在溢流腔内收集，最后由排油口排出。
实现聚结与旋流分离一体化的采油废水处理方法的设备，主要由入口腔(11)、底流腔(12)、溢流腔(13)和平板封头(14)组成，其中：入口腔(11)筒体上、下各设置一个法兰，分别是采油废水入口(111)和备用口(112)，入口腔(11)还设置有箱体法兰(113);底流腔(12)筒体上、下各设置一个法兰，分别是备用口(122)和排水口(121)，底流腔(12)设置有箱体法兰(123)，入口腔(11)与底流腔(12)通过箱体法兰(113)、(123)和螺栓(11A)进行连接固定，入口腔(11)与底流腔(12)之间夹持固定有右隔板(114)，底流腔(12)的尾部采用椭圆形筒体结构;溢流腔(13)圆周方向的接管法兰为排油口(131)，溢流腔(13)的外侧对应容器的可拆端，配置有平板封头(14)，其上还设置有起吊装置(141)，平板封头(14)、溢流腔(13)和入口腔(11)之间通过螺栓(11B)进行连接固定;在入口腔(11)内设置一聚结圆筒(16)，本体在轴向垂直平面上采用栅格状金属骨架结构(162)，筒体外圆周向采用多排球头螺栓(163)进行定位和支撑，其顶端设有吊耳(164)，在其背部还设置有与废水入口对应的入口(161)，聚结圆筒(16)内装置有聚结材料;设备的主体设置于卧式圆柱状压力容器(1)内，横向贯穿溢流腔(13)、入口腔(11)和底流腔的按六边形密集排布的多个水力旋流器单体(15)组合件，其中左隔板(132)和右隔板(114)上的通孔(132A)、(114A)以及聚结圆筒(16)栅格状金属骨架结构(162)的栅格孔的数量和孔径与插入的水力旋流器单体(15)的个数和相应的单体直径相适应，并置以相应的密封;水力旋流器单体(15)由管体(151)、切向入口(152)和溢油段(153)组成，其中管体(151)由圆筒涡流段(151A)、同心缩进段(151B)、细锥段(151C)和平行尾管段(151D)四部分组成，在切向入口段(152)上部开设两个通向圆筒涡流段的切向入口(152B)，顶部设有溢流口(153D)，底部设有底流口。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和效果：
1、本发明可提高传统压力容器组合式水力旋流器的分离效率;
2、本发明提升水力旋流器的操作弹性，使之在低流量下仍能保持较高的分离效率;
3、本发明消除或减少对化学清洁剂的依赖;
4、本发明扩大水力旋流器的应用范围，使之能够处理稠油废水、聚合物驱采油废水等;
5、本发明可用于对已建有的传统压力容器组合式水力旋流器进行扩容改造，不需改动现有设备及管道，降低成本投入。
