【摘要】：隨著油田不斷開發(fā),油田采出液含水率逐年升高,隨之而來的地面含油污水處理難度及成本逐漸增大。如何經(jīng)濟(jì)高效的實現(xiàn)油水分離,成為國內(nèi)外石油工業(yè)亟需解決的一大難題。傳統(tǒng)的聚結(jié)分離技術(shù)具有處理成本高、不連續(xù)等問題,而旋流分離技術(shù)很難保證對小粒徑油滴的高效分離。研究旋流場內(nèi)的油滴剪切及碰撞形變、聚結(jié)的過程與形式以及影響聚結(jié)的因素,進(jìn)而掌握油滴聚結(jié)對油水分離特性的影響,對揭示旋流場內(nèi)水力聚結(jié)及分離機(jī)理,指導(dǎo)設(shè)計出高效可行的聚結(jié)增強(qiáng)型旋流分離裝置具有重要意義。本文運用高速攝像技術(shù),以磁性轉(zhuǎn)子驅(qū)動的旋流場內(nèi)離散油滴為研究對象,構(gòu)建了觀測旋流場內(nèi)油滴運動特性及變形特征的實驗系統(tǒng)。采用索貝爾梯度算子對旋流場內(nèi)油滴輪廓圖像進(jìn)行卷積計算,完成油滴運動、變形及聚結(jié)過程的輪廓識別。對旋流場內(nèi)油滴間、油滴與油核間的碰撞聚結(jié)、碰撞反彈、擠壓變形、抽絲分離等多種碰撞后續(xù)發(fā)展行為及過程進(jìn)行表征及分析。建立了油滴在碰撞過程中的非仿射變形數(shù)學(xué)模型,分析了油滴變形過程中的靜力平衡,并對油滴因變形產(chǎn)生的慣性力及韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行了計算及分析。分別以變形量及韋伯?dāng)?shù)為評判指標(biāo),對旋流場內(nèi)油滴聚結(jié)的臨界條件進(jìn)行了定量描述。采用粒子成像測速技術(shù)對目標(biāo)流場磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與流體介質(zhì)實際轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行了測量與標(biāo)定,獲得了流體轉(zhuǎn)速與流場半徑間的關(guān)系公式。設(shè)計了液液分散體系內(nèi)離散相粒度無剪切測量方法,得出了流場轉(zhuǎn)速、油相濃度、剪切時間對油滴粒度分布的影響規(guī)律。采用理論分析與實驗研究相結(jié)合的方法對旋流場內(nèi)不同粒徑油滴的徑向沉降時間及沉降速度進(jìn)行了對比分析,掌握了油滴粒徑對徑向沉降速度及時間的影響規(guī)律。以軸向及切向兩種不同進(jìn)液形式的旋流器結(jié)構(gòu)為研究對象,采用歐拉-拉格朗日方法,分析了不同油滴粒徑在兩種結(jié)構(gòu)旋流器內(nèi)的運移軌跡及粒級效率,掌握了油滴粒徑對油滴運動軌跡及旋流分離性能的影響規(guī)律。基于水力聚結(jié)機(jī)理及旋流分離理論,設(shè)計出一種由水力聚結(jié)器與旋流分離器組成的聚結(jié)增強(qiáng)型旋流分離裝置。采用群體平衡模型對設(shè)計的聚結(jié)器以及旋流分離器內(nèi)部油滴聚結(jié)破碎特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了聚結(jié)器內(nèi)速度場、濃度場、油滴粒度以及油滴運動特性的分布規(guī)律。掌握了旋流器內(nèi)油滴聚結(jié)及破碎的發(fā)生位置以及處理量、分流比等操作參數(shù)對油滴粒度分布的影響規(guī)律。構(gòu)建了水力聚結(jié)器聚結(jié)效率評價模型,并以聚結(jié)效率為輸出指標(biāo),采用Plackett-Burman試驗設(shè)計篩選出影響聚結(jié)器聚結(jié)效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著因子,運用正交試驗設(shè)計與最陡爬坡相結(jié)合的方法確定出響應(yīng)面優(yōu)化的顯著因子中心點�；陧憫�(yīng)面優(yōu)化方法分別建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著因子與聚結(jié)效率及出口壓降的二階響應(yīng)模型,基于響應(yīng)關(guān)系模型確定出最佳的聚結(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)及匹配方案�；诨貧w正交方法,以響應(yīng)面優(yōu)化后的聚結(jié)器結(jié)構(gòu)為研究對象,對不同含油濃度、油水界面張力、進(jìn)液速度、水相黏度等影響油滴聚結(jié)性能的參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,構(gòu)建了多參數(shù)對聚結(jié)效率影響的回歸方程。通過對回歸方程的顯著性分析及失擬性檢驗,得出所構(gòu)建的回歸方程符合檢驗標(biāo)準(zhǔn),滿足顯著性及精度要求。建立聚結(jié)分離器流體域模型,對聚結(jié)分離器內(nèi)部速度場、濃度場、粒度分布及油滴運動特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。確定出了分流比及入口進(jìn)液量對聚結(jié)分離器分離效率的影響規(guī)律。構(gòu)建聚結(jié)性能及分離性能測試實驗系統(tǒng),采用高速攝像及顯微分析定性的觀察并描述了聚結(jié)器內(nèi)油滴粒徑的變化過程;運用粒度分析儀定量的分析了入口進(jìn)液量、含油濃度等參數(shù)對聚結(jié)器聚結(jié)性能的影響規(guī)律。通過開展分離性能測試對比了旋流器單體樣機(jī)與聚結(jié)分離器的分離效率,實驗結(jié)果表明聚結(jié)分離器在不同分流比及處理量時的分離效率均高于旋流器單體。驗證了聚結(jié)分離器設(shè)計的合理性以及數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時開展親油疏水涂層對聚結(jié)分離器分離性能影響的實驗研究,結(jié)果顯示親油疏水涂層可使更多的油相依附在聚結(jié)內(nèi)芯表面形成明顯的油層凸起,增大離散油滴與油層的碰撞幾率,從而進(jìn)一步增強(qiáng)聚結(jié)分離器的分離性能。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X741
【圖文】：

聚結(jié)除油的機(jī)理研究仍處于探討階段，聚結(jié)分離技術(shù)的應(yīng)用對象液體系，無論在何種體系內(nèi)聚結(jié)均是使離散相介質(zhì)由小變大的過而言，按照聚結(jié)機(jī)理的不同可以將其分為濕潤聚結(jié)和碰撞聚結(jié)[1聚結(jié)理論是建立在材料聚結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上，是發(fā)生在液體與固體水中除油而言濕潤聚結(jié)發(fā)生在親油疏水材料上，其分離機(jī)理為：疏水材料時，水相通過材料而油滴則會附著在材料上，后續(xù)的油油滴不斷發(fā)生碰撞聚結(jié)，致使材料表面吸附的油滴粒徑逐漸增大界值時，流體曳力作用大于材料對油滴的附著力致使油滴脫離附、碰撞、聚結(jié)、脫離使得連續(xù)相與離散相介質(zhì)分層，從而達(dá)到聚結(jié)過程中要求油滴與固體材料分子間的作用力大于油滴與油滴除油效果取決于聚結(jié)材料的表面性質(zhì)。碰撞聚結(jié)主要建立在材料，是指在親水疏油材料孔道內(nèi)或連續(xù)相介質(zhì)帶動下，兩油滴或多速度差致使相互碰撞，當(dāng)流場內(nèi)致使油滴間發(fā)生聚結(jié)的合力大于張力時兩油滴發(fā)生聚結(jié)。

第一章 緒論并不常見，更多的是采用旋流設(shè)備完成非均相介質(zhì)間的分早對旋流聚結(jié)技術(shù)進(jìn)行了探索，分析了油、氣、水三相混如圖 1.2 所示。提出了在旋流場內(nèi)油滴與油滴間由于存在撞，進(jìn)而實現(xiàn)旋流聚結(jié)。但油滴聚結(jié)的前提是離心加速度速度以內(nèi)，氣液保持穩(wěn)定的分層流動。同時開展了旋流聚結(jié)內(nèi)設(shè)置旋流聚結(jié)元件使油水兩相經(jīng)聚結(jié)后再進(jìn)行沉降分離效提高重力沉降分離器的油水分離速率。

圖 1.2 旋流聚結(jié)原理示意圖Fig.1.2 Sketch of principle cyclone coalescence（華東）多相流分離實驗室設(shè)計出了如圖 1.3 所示的流分離器及二級絲網(wǎng)聚結(jié)器兩部分組成，并針對組行的系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析及分離性能實驗，結(jié)果表明好的分離了效果，但受液滴粒徑分布影響較大[77]。實結(jié)相結(jié)合，并非采用旋流方法完成液滴聚結(jié)。

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本文編號：2790307