CN108862466B - 一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法，包括柱状转鼓、待分离液入口、分离器机筒、分离元件、轻相收集器和轻相出口、重相出口、驱动机构。分离元件的形状为开放式渐变螺旋形，将柱状转鼓内分为带有分离元件的部分为加速区和不带分离元件的部分为稳流区；加速区又分为外环叶片区和中心中空区，含油污水沿轴向流入柱状转鼓，在加速区形成轴向涡流，带有轴向涡流的含油污水经稳流区稳流后形成稳定的轴向涡流和离心力的耦合场，然后沿轴向流入分离器机筒，在分离器机筒内对油水进行分离，分离后轻相从轴向流出。设备结构简单、体积小、操作方便、造价低，可以直接安装在管线上，可广泛应于油田采出液预处理、海面溢油回收、轮船压舱水处理、炼油厂污水预处理等领域。

Description

一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种含油污水预分离的技术，尤其涉及一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法。

背景技术

随着油田开采的不断深入，油田采出液含水量越来越高，含水量普遍达到80％～90％。由于含水量的不断增加，地面水处理设备越来越庞大，生产成本不断增加。按照目前石油产量计算，2014年全球各油田每天需要处理的水量约为0.5亿立方。采出液的处理已经成为未来油田发展的瓶颈，如何高效的解决这一问题也已成为世界各大油田、水处理设备公司研究的重点。

目前工业上常用的预处理方法有重力沉降法和离心分离法。重力沉降法有大庆油田有限公司于2010年申请的中国专利《多层翼形斜板式油水泥分离装置》，该装置采用多层翼形斜板的方式增加重力沉降速度，可以对采出液进行油、水、泥三相预分离。该专利解决了普通斜板分离器无集、排泥的功能，然而斜板式分离设备体积庞大、造价高的缺陷依然无法解决。离心分离法有中国石油天然气有限公司与2003年申请的中国专利《一种采出液油水预分离器》，该设备分离叶片安装在电机轴上，在电机驱动下叶片带动待分离液高速旋转形成离心力场。待分离液自壳体侧面进入分离器，在壳体内进行分离。单纯的离心力场分离时，受到中心区离心加速度接近为“0”的影响，存留在中心的高密度组份会阻碍低密度组份向中心的运移，形成所谓的“分离死区”，影响分离效果。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于克服现有离心分离设备的缺点，提供了一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法。

为实现上述目的本发明通过以下技术方案实现的：

一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备，包括柱状转鼓，所述柱状转鼓的前端设有待分离液入口、后端设有分离器机筒、内部设有分离元件，所述分离器机筒的后部中心线部位设有轻相收集器和轻相出口，所述分离器机筒的后部侧壁设有重相出口，所述柱状转鼓外部的中间部位设有驱动机构。

本发明的上述的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备进行含油污水预分离的方法，包括：

含油污水沿轴向流入柱状转鼓，在加速区形成轴向涡流，带有轴向涡流的含油污水经稳流区稳流后形成稳定的轴向涡流和离心力的耦合场，然后沿轴向流入分离器机筒，在分离器机筒内对油水进行分离，分离后油相经轻相收集器收集后通过轻相出口进入油回收系统，而水相则通过重相出口进入污水处理系统。

由上述技术方案可以看出，本发明提供的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备和方法，采用轴向涡流和离心力场耦合的技术进行油水预分离，待分离液自轴向进入分离器，分离后轻相从轴向流出，设备的体积小、造价低，可以直接安装在管线上。螺旋形分离元件工作时产生一定轴向推力，运行时无压力损失。另外，采用该方法进行油水预分离时不需添加任何药剂，设备的运行成本低，能效比高。该设备可以实现油水的在线分离，可广泛应于油田采出液预处理、海面溢油回收、轮船压舱水处理、炼油厂污水预处理等领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备结构示意图。

图中：

1-待分离液入口，2-柱状转鼓，3-分离元件，4-驱动机构，5-分离器机筒，6-轻相收集器，7-重相出口，8-轻相出口。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员共知的现有技术。

本发明的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备，其较佳的具体实施方式是：

包括柱状转鼓，所述柱状转鼓的前端设有待分离液入口、后端设有分离器机筒、内部设有分离元件，所述分离器机筒的后部中心线部位设有轻相收集器和轻相出口，所述分离器机筒的后部侧壁设有重相出口，所述柱状转鼓外部的中间部位设有驱动机构。

所述分离元件的形状为开放式渐变螺旋形，焊接在所述柱状转鼓内部中心线的前端，长度小于所述柱状转鼓，所述柱状转鼓内带有分离元件的部分为加速区，不带分离元件的部分为稳流区；

所述分离元件的高度小于转鼓半径，所述加速区分为外环叶片区和中心中空区；

所述分离器机筒为圆锥形，分离器机筒以同轴方式安装在柱状转鼓出口处，其锥形入口端内径与柱状转鼓内径相同。

本发明的上述的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备进行含油污水预分离的方法，其较佳的具体实施方式包括：

含油污水沿轴向流入柱状转鼓，在加速区形成轴向涡流，带有轴向涡流的含油污水经稳流区稳流后形成稳定的轴向涡流和离心力的耦合场，然后沿轴向流入分离器机筒，在分离器机筒内对油水进行分离，分离后油相经轻相收集器收集后通过轻相出口进入油回收系统，而水相则通过重相出口进入污水处理系统。

本发明的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备，采用轴向涡流和离心力场耦合的技术进行油水预分离，待分离液自轴向进入分离器，分离后轻相从轴向流出，设备的体积小、造价低，可以直接安装在管线上。螺旋形分离元件工作时产生一定轴向推力，运行时无压力损失。另外，采用该方法进行油水预分离时不需添加任何药剂，设备的运行成本低，能效比高。因此本发明从根本上避免了现有含油污水预处理设备的缺点，具有较大的推广价值。

本发明克服了现有含油污水预处理运行成本高、压力损失大以及能效比低等缺点，其结构简单、体积小、操作方便、造价低，且适合长周期运转。

本发明中，螺旋形分离元件在工作时产生类似于轴流泵叶片的泵送作用，从而避免了分离过程中的压力降问题。在加速区，开放式螺旋元件的中心无驱动力，而位于四周的叶片有较大的泵送作用，迫使混合液从分离元件和转鼓之间形成的螺旋形流道中流出，形成类似刚体旋转的强制涡运动，从而降低了液体在加速过程中的剪切速率，减小了油滴的破碎率。加速后的液体从四周流入稳流区，其中心区形成中空流道，在向心浮力作用下轻组份迅速向中心汇聚，克服了常规离心机的死区问题，减小了分离过程所需的停留时间，提高了分离效率。

设备机筒为圆锥形，适当的锥度能在涡量不断降低的情况下减小液体的切向速度降低幅度，从而提高设备的分离效率和处理量。

本发明由于采取以上设计，具有以下优点：

(1)离心加速高，可调性好

设备中的轴向涡流是由高速旋转的转鼓产生，因此可以根据分离物料的性质及分离器机筒的直径进行调整，最高离心加速度可达1000个g以上。非常高的离心加速度使具有较小密度差的油水迅速分离，与水力旋流器相比，较高的离心加速度可以分离出更小颗粒的油滴，分离效率也得到了大大的提高，最高分离效率可达90％以上。

(2)结构紧凑，处理量大

待分离液体沿分离器轴线方向直接进入转鼓，其入口和分离机筒同轴，无需额外附属部件，因此结构紧凑，可直接安装在管道上不需要多余的安装空间。处理量为50m³/h时，斜板油水分离器占地面积约为60m²，而本发明的设备占地面积不到3m²。

(3)无分离死区

分离器液力加速部件为中空渐变螺旋形叶片，加速后的液体从叶片四周流出，并形成中心低压区。进入分离器机筒后，轻相在离心加速度和中心低压的双重作用下迅速汇聚到机筒的中心区域，从而避免了常规离心式分离机中心区域离心力小而产生的死区。

(4)无堵塞

轴向涡流分离器的驱动元件为中空渐变螺旋形，转鼓内仅需安装2～4片，因此粘度较高的原油通过转鼓时，不会发生堵塞。即使设备停止运行也可以作为输油管一部分。

在实际操作中，所述的基于轴向涡流和离心力场耦合技术进行含油污水预处理的设备与不同分离装置组合时至少有如下三种用途：

(1)采出液预脱水

针对部分含气量较少的老油田采出液含水量大(>80％)的现状，将该设备直接安装在井口，对采出液进行预脱水处理。处理后水相直接进入污水处理厂，油相输送至三相分离器。由于预先脱除了大部分的水，从而减少了三相分离器的处理量，降低了药剂的使用量，使油田建设前期投入成本和后期运行成本都得到了大大的降少。

(2)海面溢油回收

海面溢油回收过程中，受到波浪、油膜厚度较薄等影响，收油机回收的油水混合物中含水量较高，一般超过90％。因此收油船上需要安装容积较大的容器，即便如此，撇油船仍然需频繁往返，以便将回收物运输至岸上。在收油船上对回收物进行就地初步分离，并将分离后的清洁水直接回排水体是减少收油船上安装容器尺寸和船的往复次数，提高其收油效率的有效方法。然而，常规重力沉降式和过滤类油水分离的设备尺寸大、分离时间较长而无法直接安装在收油船。将所发明的设备安装在收油机的出口，对回收物进行就地分离，并将浓缩后的回收物输送至船舱，分离后的水相直径排入水体；进而大幅度降低回收物中的水含量，提高收油船的有效工作时间。

(3)污水预脱油

常规三相分离器出水口的含油量较高(>1000mg/L)，污水需要经重力沉降罐、斜板分离器等多级分离，而沉降罐和斜板分离器的体积庞大、造价高，是海上采油平台建设的难点之一。将所发明的设备安装在三相分离器出水口，进行预脱油处理，当污水含油量小于2000mg/L时，单级处理后的污水含油量可以降低到200mg/L以下(工程中可以采用多级串联)，达到甚至超过斜板分离器水出口含油量水平。利用该设备代替重力沉降罐和斜板分离器进行污水预脱油，可以在相同处理量下显著降低水处理设备的占地面积(减少占地面积约95％)，从而有效的减少了采油平台的建造费用。

上述的含油污水预处理设备对含油量低于20％，含气混合液的气液体积比小于10％的含油污水分离效果较好。操作时，温度控制在-20～80℃，入口压力低于2Mpa，处理量和转鼓转速需要进行合理匹配，停留时间小于3S。

具体实施例：

如图1所示，本发明所提供的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备包括有待分离液入口1、柱状转鼓2、分离元件3、驱动机构4、分离器机筒5、轻相收集器6、重相出口7和轻相出口8，驱动机构位于柱状分离转鼓外部的中间段；分离元件的形状为开放式渐变螺旋形，安装在柱状分离转鼓内部中心线的始端，且分离元件的高度和长度小于转鼓的半径和长度；机筒以同轴的形式安装在柱状分离转鼓末端；轻相收集管位于分离机筒内部中心线的末端；重相出口位于机筒末端的侧面；轻相出口直接与轻相收集器连接。

本发明操作过程简单介绍如下：根据处理量选择转鼓和机筒的直径，将含油污水出口和该发明的设备入口连接，设备的出水口和出油口分别与下一级处理设备或输送管线连接。检查设备前后阀门，确认开启后打开来液阀，使含油污水顺畅的流过分离的设备。为驱动电机通电，并根据流量调节转鼓转速。

本发明可以直径安装在液体输送管线上，运行时只需根据流量调整驱动电机的转速即可，因此操作方便、稳定性能好、效率高。

本发明利用高速旋转的开放式螺旋形分离元件产生的轴向涡流场，使流过设备的含油污水得到高效分离，分离后油相经轻相收集器收集后进入油回收系统，而水相则通过出水口排出进入污水再处理系统。在不添加任何药剂的情况下实现高效分离，稳定工作时可以将含油量低于2000mg/L污水的含油量降低至200mg/L以下，从而大大降低含油污水预处理的运行成本。具体实施时，可根据含油污水的情况选择多级并联或串联工作，以达到一定的处理效果和处理量。实现该方法的设备体积小、处理量大、分离效率高，工作时螺旋形分离元件具有一定的泵送能力，不会产生附加的压力损失。设备的入口和分离机筒同轴，可以直接安装在管道上，替代传统的斜板分离器、隔油池和旋液分离器等装置，对油田采出液、三相分离器出水口或炼油废水进行预分离，适合在石油化工行业推广使用；也可以安装在溢油回收船上，对回收的高含油进行脱水。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备，其特征在于，包括柱状转鼓(2)，所述柱状转鼓(2)的前端设有待分离液入口(1)、后端设有分离器机筒(5)、内部设有分离元件(3)，所述分离器机筒(5)的后部中心线部位设有轻相收集器(6)和轻相出口(8)，所述分离器机筒(5)的后部侧壁设有重相出口(7)，所述柱状转鼓(2)外部的中间部位设有驱动机构(4)；

所述分离元件的形状为开放式渐变螺旋形，焊接在所述柱状转鼓内部中心线的前端，长度小于所述柱状转鼓，所述柱状转鼓内带有分离元件的部分为加速区，不带分离元件的部分为稳流区；

所述分离元件的高度小于转鼓半径，所述加速区分为外环叶片区和中心中空区。

2.根据权利要求1所述的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备，其特征在于，所述分离器机筒为圆锥形，分离器机筒以同轴方式安装在柱状转鼓出口处，其锥形入口端内径与柱状转鼓内径相同。

3.一种权利要求1或2所述的基于轴向涡流技术进行含油污水预分离的设备进行含油污水预分离的方法，其特征在于，包括：

含油污水沿轴向流入柱状转鼓，在加速区形成轴向涡流，带有轴向涡流的含油污水经稳流区稳流后形成稳定的轴向涡流和离心力的耦合场，然后沿轴向流入分离器机筒，在分离器机筒内对油水进行分离，分离后油相经轻相收集器收集后通过轻相出口进入油回收系统，而水相则通过重相出口进入污水处理系统。