气浮旋流一体化水处理技术理论及工程应用研究

摘要

随着油井采出液含水率的不断上升以及环保意识的不断加强，海洋油气开采及加工过程中迫切需要高效紧凑型的水处理技术与设备，以提高海洋油气开采的经济性和满足日益严格的排放标准。气浮旋流一体化技术是在“单元技术高效化，多元技术复合化”的理念下发展而来的一种高效紧凑型采油污水处理新技术。本文基于内筒外旋流式气浮旋流装置的结构形式，重点就该技术涉及的油滴与微气泡粘附机理、油滴与微气泡碰撞聚并效率、分散相液滴动力学特性、气浮旋流流场分布特性、气浮旋流装置设计理论体系、结构优化以及工业放大准则等一系列关键技术问题开展理论和实验研究。
　　基于气浮分离动力学理论和流体力学理论，研究了气浮旋流分离过程中分散相液滴碰撞粘附过程、运动力学特性和碰撞聚并效率。通过分析立式气旋浮罐内各功能分离区流场分布特性和分离特性，从机理上确立了气浮旋流技术可以有效提高油滴与微气泡等分散相液滴的碰撞聚并效率，同时降低湍流引起的随机弥散效应和剪切破碎效应，实现油水气多相流的高效分离。
　　基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)和群落平衡模型(Population Balance Model，PBM)理论，利用实验研究和CFD-PBM耦合数值模拟相结合的手段，从微观和宏观两个层面研究了湍流流态下油滴直径分布曲线、表面积平均直径和分离效率的变化规律，确定气浮旋流分离过程中湍流强度宜控制在4.9％-8.9％之间，表面水力负荷率总体宜控制56.4m3/(m2·h)左右。
　　理论分析计算了旋流流动对油滴与微气泡间碰撞聚并效率的影响规律，利用CFD-PBM数值模拟模型研究分析了环空流道内旋流衰减特性、分散相液滴动力学特性和油水分离特性，分别从微观和宏观两个层面确立了气旋浮罐预分离区在对油/气/水三相预分离过程中所起的关键作用，并进一步讨论了预分离区环空流道结构或工艺参数对气旋浮罐流场分布特性和分离性能的影响规律。
　　基于流体力学、多相流动力学、气浮动力学、计算流体动力学(CFD)等理论，建立了气浮旋流装置的完整理论设计方法，实现了在预期处理水流量、水力停留时间、旋流强度等基本设计参数下获得立式气旋浮罐筒体内径、设备高度、切向入口管内径、内部稳流筒外径等结构参数取值的目的。基于该理论设计方法加工制造了现场试验样机，现场试验结果表明，无论是针对低含油浓度含油污水(平均含油浓度为120mg/L)还是高含油浓度含油污水(平均含油浓度为1732mg/L)，单级气旋浮罐稳定运行时分离效率可以稳定86％以上，两级气旋浮罐串联稳定运行时分离效率可以稳定在97.9％以上;单级气旋浮罐稳定运行时浊度去除率最高达58.3％，两级气旋浮罐串联稳定运行时浊度去除率最高达到72.1％，表明设计完成的气浮旋流装置小型样机分离效率非常显著且运行足够稳定，气浮旋流装置理论设计方法具有较高的可行性和可靠性。
　　基于CFD数值模拟、遗传算法(Genetic Algorithm，GA)和BP神经网络等理论，构建了适用于对气浮旋流装置结构参数进行优化的GA-BP神经网络优化模型。在该模型中，借助于CFD数值模拟方法建立气旋浮罐结构参数与分离效率的对应关系，同时利用GA-BP神经网络优化模型分析和预测各结构参数对分离效率的影响规律，进而预测得到气旋浮罐最优结构参数组合为入口管径Φ20mm、稳流筒直径Φ360mm、环空流道宽度20mm和高径比3.6等，最优结构参数下分离效率实际值为92.82％，较优化前提高了13.6％。该优化模型能够实现全局搜索，有效避免局部最优值的出现，且平均相对误差仅为1.4％，可以推广应用至多相流分离等领域设备或装置的结构设计和优化。
　　针对气浮旋流装置的结构特点和分离特性，基于相似分析理论研究了气浮旋流分离过程中多参数耦合作用下分离效率数字模型，建立适用于气浮旋流装置的工业放大准则。采用逐级经验放大的方式确定了气浮旋流装置的工业放大规律，完成了处理量分别为20m3/h和120m3/h的气浮旋流装置工业样机的设计，并利用现场试验手段对装置实际分离性能进行测试，结果表明在额定处理量下，稳定运行时平均分离效率能够稳定在85.7％以上，验证了放大准则的可靠性。
　　基于本文针对气浮旋流技术开展的相关基础研究成果，有助于深入理解和认识气浮旋流分离机理，有利于进一步拓展气浮旋流技术的应用范围，为气浮旋流装置的个性化设计和工业化推广奠定坚实的理论基础，同时为海洋油气开采及加工过程中采油污水的高效化处理提供一条切实可行的技术解决方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 海洋油田采出水处理面临的挑战

1．2 气浮旋流技术发展历程及现状

1．2．1 气浮分离技术

1．2．2 气浮与旋流组合分离技术

1．2．3 气浮旋流技术

1．2．4 气浮旋流技术发展现状及存在问题

1．3 气浮旋流技术分离机理的研究

1．3．1 微气泡与油滴粘附机理研究

1．3．2 微气泡与油滴碰撞粘附效率研究

1．3．3 微气泡与油滴运动力学研究

1．3．4 随机弥散效应研究

1．4 分散相液滴动力学特性研究现状

1．4．1 动力学特性研究方法

1．4．2 CFD数值模拟多相流模型

1．4．3 群落平衡模型

1．5 主要研究内容

第二章 湍流流态中分散相液滴动力学特性研究

2．1 湍流流动中微气泡与油滴碰撞聚并模型的研究

2．1．1 扩散碰撞聚并

2．1．2 速度梯度碰撞聚并

2．1．3 湍流碰撞聚并

2．1．4 惯性碰撞聚并

2．1．5 总碰撞聚并效率

2．2 湍流流态内分散相动力学特性研究思路

2．2．1 湍流流态分离特性研究方法

2．2．2 工艺原理和主体结构参数

2．2．3 室内实验研究工艺流程的确定

2．2．4 油滴直径分布及含油浓度测量方法

2．3 CFD数值模拟模型的建立

2．3．1 多相流模型的选择

2．3．2 PBM模型的建立

2．3．3 几何模型及参数设置

2．4 CFD-PBM模型验证

2．4．1 网格无关系验证

2．4．2 油滴直径分布结果验证

2．4．3 含油浓度变化结果验证

2．5 油滴直径分布及动态变化特性

2．6 平衡态油滴直径分布规律

2．7 表面积平均直径动态变化特性

2．8 表面水力负荷率对油水分离效率的影响

2．9 本章小结

第三章 环空流道流场分布及分散相动力学特性研究

3．1 环流流动中油滴与微气泡碰撞聚并模型的研究

3．2 环空流道中油水分离机理研究

3．3 环空流道流场分离特性研究方法

3．3．1 研究模型及方案

3．3．2 CFD数值模拟方法

3．4 流场分布及分离特性

3．4．1 流场分布特性分析

3．4．2 油水分离特性分析

3．5 入口流速对流场分布及分离特性的影响

3．6 环空流道高度对流场分布及分离特性的影响

3．7 环空流道宽度对流场分布及分离特性的影响

3．8 本章小结

第四章 气浮旋流装置结构设计方法与现场试验研究

4．1 气浮旋流装置工艺流程和设计方法

4．1．1 气浮旋流装置工艺流程

4．1．2 气旋浮罐主体结构设计方法

4．2 主体结构设计过程

4．2．1 有效体积和总体积的确定

4．2．2 罐体内径的确定

4．2．3 稳流筒结构的确定

4．2．4 其余尺寸的确定

4．3 气旋浮罐装置工程样机现场验证

4．3．1 现场工艺流程介绍

4．3．2 现场试验方案

4．3．3 分离性能评价方法

4．4 正交实验

4．5 分流比对分离效率的影响

4．7 处理水流量对分离效率的影响

4．8 气旋浮罐单级与两级串联运行稳定性测试

4．9 处理低含油浓度污水分离性能

4．10 处理低含油浓度污水浊度去除性能

4．11 本章小结

第五章 基于GA-BP神经网络算法的结构参数优化研究

5．1 优化设计方法的确定

5．1．1 常用优化模型

5．1．2 BP神经网络

5．1．3 遗传算法

5．1．4 GA-BP神经网络

5．1．5 优化模型的实现

5．2 结构优化方案

5．2．1 输入样本群

5．2．2 几何模型和求解设置

5．2．3 网格独立性验证

5．3 GA-BP神经网络优化模型

5．3．1 GA-BP神经网络模型的建立

5．3．2 GA-BP神经网络模型稳定性和精度验证

5．4 最优结构参数组合预测

5．5 稳流筒直径对分离性能影响的预测

5．6 高径比对分离性能影响的预测

5．7 入口管径对分离性能影响的预测

5．8 本章小结

第六章 基于相似分析的气浮旋流装置工业放大设计研究

6．1 气浮旋流装置工业放大方法的选择

6．2 气浮旋流装置相似准则研究

6．2．1 多相流运动相似分析

6．2．2 多相流运动相似准数

6．2．3 边界条件相似准则

6．3 气浮旋流装置工业放大装置

6．3．1 BIPTCFU-Ⅲ-20型气浮旋流装置工业样机

6．3．2 BIPTCFU-Ⅲ-120气浮旋流装置工业样机

6．4 工业装置现场试验情况介绍

6．4．2 BIPTCFU-Ⅲ-120气浮旋流装置现场试验情况介绍

6．5 现场试验结果分析

6．5．1 注气比对分离性能的影响

6．5．2 分流比对分离性能的影响

6．5．3 处理水流量对分离性能的影响

6．5．4 连续运行稳定性测试

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 今后工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介