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        JZ9-3平臺(tái)除油罐斜管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2011-10-18 13:01:56付家新向問陶王建文尹先清
        化工進(jìn)展 2011年9期
        關(guān)鍵詞:斜管油器斜板

        付家新,向問陶,周 薇,王建文,靖 波,尹先清

        (1長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023;2海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100027;3中國(guó)海洋石油總公司研究總院,北京 100027)

        應(yīng)用技術(shù)

        JZ9-3平臺(tái)除油罐斜管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        付家新1,向問陶2,3,周 薇2,3,王建文2,3,靖 波2,3,尹先清1

        (1長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023;2海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100027;3中國(guó)海洋石油總公司研究總院,北京 100027)

        從沉降原理和數(shù)學(xué)分析的角度出發(fā),探討了JZ9-3平臺(tái)V-301除油器斜管工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,給出了除油罐斜管工藝結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化結(jié)果,為斜管工藝設(shè)計(jì)改造提供了理論依據(jù)。優(yōu)化后的結(jié)果顯示,污水中油滴粒徑下降了4 μm,除油效率明顯提高,除油器堵塞現(xiàn)象亦會(huì)有所改善。

        除油罐;斜管結(jié)構(gòu)參數(shù);設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        斜板(管)除油提高油水分離效率的依據(jù)是“淺池沉淀理論”,這種理論忽略了紊流(即認(rèn)為是層流)、進(jìn)出口水流的不均勻性(即未考慮流速分布)以及顆粒下沉和油珠上浮過程中的絮凝聚并(即未考慮加速沉降)等因素,認(rèn)為顆粒和油滴是在理想狀態(tài)(即未受干擾)下進(jìn)行重力沉降而被分離的。

        從水流和斜板(管)的傾斜關(guān)系來劃分,斜板(管)的布置方式可分為前向流、后向流、上向流、下向流和橫向流(側(cè)向流)5種。其中前向流和后向流用得很少,實(shí)際意義不大,工程上常用的是上向流、下向流與橫向流[1]。

        考察上向流、下向流與橫向流,并結(jié)合顆粒沉降與油珠浮升,可建立6種不同的沉降模型,分別是:上向流顆粒沉降(異向流)和上向流油珠浮升(同向流);下向流顆粒沉降(同向流)和下向流油珠浮升(異向流);橫向流顆粒沉降(錯(cuò)向流)和橫向流油珠浮升(錯(cuò)向流)。針對(duì)這6種沉降模型,運(yùn)用沉降理論并結(jié)合三角形相似原理經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo),歸納整理可得出如下3組數(shù)學(xué)模型(見表1)[1-2]。

        表1 斜板(管)幾何參數(shù)與水流速度、沉降速度和分離直徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        1 JZ9-3平臺(tái)V-301斜管除油罐斜管工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的理論分析

        JZ9-3平臺(tái)V-301A/B斜管除油器為φ3400 mm× 8000 mm的臥式圓筒形容器(圖1),器內(nèi)斜管斷面為六邊蜂窩型,其內(nèi)切圓直徑為φ50 mm,水平傾角60°,且為下向流,兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行,日處理污水約7000 m3。

        圖1 JZ9-3平臺(tái)V-301斜管除油器斜管布置區(qū)尺寸(單位:mm)

        考慮到海上平臺(tái)設(shè)備改造的不便,現(xiàn)維持斜管布置區(qū)空間幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×高=5000 mm×3180 mm×866 mm)不變,即斜管斜長(zhǎng)l=1000 mm、斜管布置寬度w=5000 mm、斜管組厚度(或深度)s=3180 mm、斜管布置高度866 mm及其它參數(shù)不變,通過優(yōu)化確定斜管工藝結(jié)構(gòu)尺寸。這樣做就不會(huì)傷害到設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu),只需改造或更換斜管即可。

        1.1 水流方向

        關(guān)于水流方向的優(yōu)化。對(duì)表1中的公式進(jìn)行分析即可得出如下結(jié)論。

        (1)就去除油滴效果而言,下向流最好(異向流),橫向流居中(錯(cuò)向流),上向流(同向流)最差。原因是在Q、Af和A一定的情況下,采用下向流時(shí)所需理論板(管)長(zhǎng)l′較短,能被完全去除的顆粒直徑dp也較小。

        (2)就去除固粒效果而言,上向流最好(異向流),橫向流居中(錯(cuò)向流),下向流(同向流)最差,原因與(1)相同。

        因此不論是顆粒沉降還是液滴浮升,異向流最好,錯(cuò)向流居中,同向流最差。

        (3)工程應(yīng)用時(shí),因Af是A的十幾倍或上百倍(即fA?A),故3種流向的除油效果基本接近。如果懸浮固相含量高沉泥多,出現(xiàn)污泥滑落不暢容易造成斜板(管)堵塞時(shí),應(yīng)盡可能采用下向流以發(fā)揮重力和水力沖刷的作用。

        1.2 斜管傾角

        關(guān)于斜管傾角的優(yōu)化。原設(shè)計(jì)中,l=1000 mm、w=5000 mm、s=3180 mm、θ=60°、d=50 mm,計(jì)算n時(shí)取壁厚為2 mm,按原設(shè)計(jì)點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)有污水處理量按表2計(jì)算步驟進(jìn)行。

        在其它參數(shù)不變的情況下只改變傾角,按表 1和表 2中給出的計(jì)算公式和計(jì)算步驟分別計(jì)算DN50 mm和DN60 mm斜管組的相關(guān)參數(shù),并對(duì)計(jì)算結(jié)果作圖得圖2。

        圖2(a)和圖2(b)分別對(duì)應(yīng)于DN50 mm和DN60 mm斜管組,下向流與上向流曲線分別采用表1中的異向流和同向流公式按表2中的計(jì)算步驟計(jì)算得到。從圖2中可以看出如下結(jié)果。

        (1)V-301除油罐若不考慮其它因素,就除油效果而言,無論是上向流還是下向流,在兩種不同管徑下均存在一個(gè)除油最佳的相同傾角(約45°),30°~60°為可選范圍,超過60°,斜管總投影面積Af急劇下降,能被去除的最小粒徑值dpc急劇增大,除油效果急劇惡化,最佳傾角范圍應(yīng)在40°~50°,且與斜管直徑和水流方向無關(guān),只與斜管組布置的空間參數(shù)(長(zhǎng)、寬、高)和管壁油泥的滑脫性能有關(guān)。

        表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟中各計(jì)算項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式(適用于下向流)

        (2)下向流明顯優(yōu)于上向流。盡管下向流和上向流并不改變斜管組的總投影面積Af和工作區(qū)面積A,但上向流去除油珠的臨界直徑dpc比下向流明顯要大,除油效果明顯變差。

        (3)DN60 mm的總投影面積Af比DN50 mm明顯要小,能完全去除油珠的臨界直徑明顯比DN50 mm要大。這說明增大斜管直徑將會(huì)降低斜管組的除油效率。

        (4)計(jì)算結(jié)果還表明(此處未列出計(jì)算結(jié)果),沉降所需斜管的理論長(zhǎng)度均大于實(shí)際長(zhǎng)度,能被去除的油珠直徑均在100 μm以上,只能去除浮油(>100 μm),對(duì)分散油(10~100 μm)和乳化油(<10 μm)的去除能力很差,因此導(dǎo)致V-301除油罐出口含油仍在120 mg/L以上。

        1.3 斜管直徑

        同樣,保持V-301除油罐其它參數(shù)不變,只改變斜管直徑,并忽略因管數(shù)變化而引起的η值的變化,分別計(jì)算出45°、50°、55°、60°的相關(guān)參數(shù),數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖 3。從圖 3可以得出如下結(jié)果。

        圖2 V-301除油罐斜管傾角與能被分割的最小油滴直徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        圖3 V-301除油罐斜管直徑與能被分割的最小粒徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        ①隨著斜管內(nèi)徑d的增大,總投影面積Af減小,能被去除的顆粒粒徑dp卻增大,除油效果變差。然而,“斜管直徑越小,除油效果越好”這一結(jié)論僅僅只是針對(duì)顆粒沉降和油珠浮升而言,并未考慮斜管堵塞的問題。工程上考慮到黏稠物體和油泥附壁于斜管進(jìn)而導(dǎo)致斜管堵塞,因此,適宜的斜管直徑需由實(shí)驗(yàn)確定。

        ②45°和 50°兩種情況下的臨界直徑和總投影面積曲線非常接近,但50°和55°、55°和60°的差距卻逐步增大。

        1.4 斜管停留時(shí)間

        對(duì)除油器而言,停留時(shí)間越長(zhǎng),除油效果越好。由于是老設(shè)備的改造,斜管空間尺寸難以改變,否則會(huì)造成原斜管除油器不可用。只要斜管組空間尺寸不變化,則停留時(shí)間就不會(huì)改變。

        2 V-301除油罐斜管尺寸的優(yōu)化結(jié)果

        從上文的理論分析可知,宜從“增大斜長(zhǎng)、縮小傾角、減小管徑”三方面進(jìn)行調(diào)整,而且只能在原有設(shè)備上進(jìn)行,顯然調(diào)整的幅度不能過大,否則將導(dǎo)致V-301除油罐不可用。

        V-301除油罐斜管布置區(qū)斜管組理論優(yōu)化的結(jié)果見表3。

        根據(jù)理論分析,表3中的12組數(shù)據(jù)中以第1組數(shù)據(jù)除油率最好,但是,因JZ9-3平臺(tái)V-301斜管除油器堵塞現(xiàn)象比較嚴(yán)重,故傾角和管徑均不能太小,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,可考慮采用50°傾角、60 mm直徑、斜長(zhǎng)1130 mm的斜管,該斜管與原60°傾角、50 mm直徑、斜長(zhǎng)1000 mm的斜管相比,除油效果將會(huì)有所改善(dpc= 111 μm→107 μm),堵塞現(xiàn)象有可能得到緩解。

        表3 斜管工藝尺寸優(yōu)化結(jié)果(布管空間尺寸5000 mm×3180 mm×866 mm)

        3 結(jié) 論

        (1)斜管沉降常用的進(jìn)水方式主要有上向流、下向流和橫向流3種。這3種進(jìn)水方式既可用于固體顆粒的沉降,又可用于液滴油珠的浮升,當(dāng)固粒和液滴同時(shí)存在時(shí)則表現(xiàn)出6種運(yùn)動(dòng)方式,通過數(shù)學(xué)描述得出3組數(shù)學(xué)模型,即異向流、同向流和錯(cuò)向流模型。

        (2)在3種沉降模型中,無論是固粒沉降還是液滴浮升,異向流的去除率最好,橫向流居中,同向流最差。故就除油而言,以采用下向流為最好。

        (3)“增大斜長(zhǎng)、縮小傾角、減小管徑”是已有設(shè)備改造提高除油效率的有效手段,但同時(shí)會(huì)增大斜管堵塞的傾向,合理的參數(shù)還需由實(shí)驗(yàn)確定。

        (4)經(jīng)對(duì)V-301斜管除油器斜管結(jié)構(gòu)的理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際,經(jīng)優(yōu)化后的斜管傾角為50°,斜管長(zhǎng)度1130 mm,斜管直徑60 mm。優(yōu)化參數(shù)與原設(shè)計(jì)參數(shù)(斜管傾角60°、斜管長(zhǎng)度1000 mm、斜管直徑50 mm)相比較,臨界粒徑下降了4 μm(111 μm→107 μm),除油效率和堵塞現(xiàn)象將會(huì)有所改善。

        符 號(hào) 說 明

        A——斜板(管)區(qū)工作面積,m2

        Af——斜板(管)總投影面積,m2

        d— —斜板垂直間距或斜管直徑,mm

        dp— —顆粒和油珠的粒徑,μm

        L— —顆粒沉降或液滴浮升需要的長(zhǎng)度,mm

        l— —實(shí)際斜板(管)長(zhǎng)度,mm

        l′ ——理論斜板(管)長(zhǎng)度,mm

        K——常數(shù),K=18μw/[(ρw-ρo)g]

        n— —斜板(管)間隔數(shù)

        s— —斜板(管)厚度,mm

        w— —斜板(管)區(qū)寬度,mm

        μw——水的動(dòng)力黏度,Pa?s

        θ——斜板(管)傾角,(°)

        ρw,ρo——分別為水和油的密度,kg/m3

        υ——斜板(管)中水流平均速度,mm/s s

        υ——顆粒沉降或油滴浮升速度,mm/s

        [1]上海市政工程設(shè)計(jì)院編. 斜板斜管沉淀 [M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978:1-43.

        [2]許保玖. 給水處理理論 [M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004:234-242.

        Design and optimization of inclined-tube structure parameters in oil remover,on JZ9-3 platform

        FU Jiaxin1,XIANG Wentao2,3,ZHOU Wei2,3,WANG Jianwen2,3,JING Bo2,3,YIN Xianqing1
        (1College of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University,Jinzhou 434023,Hubei,China;
        2State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Beijing 100027,China;3CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

        Based on settlement principle and mathmatical analysis,the design and optimization of inclined-tube structure parameters of V301 oil remover on JZ9-3 platform was studied,and inclined-tube structure parameters of oil remover was optimized,providing theoretical basis for the transformation of inclined tube process design. The diameter of oil drops in wastewater decreased by 4 μm and the efficacy of oil removal increased remarkably. Clogging in the oil remover was improved.

        oil remover;inclined-tube structure parameters;design and optimization

        TQ 050.2

        A

        1000-6613(2011)09-2090-05

        2011-03-12;修改稿日期2011-05-01。

        國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題(2008ZX05024-002)及中國(guó)海洋石油總公司項(xiàng)目(CNOOCRC-2010-ZHKY-ZX-005)。

        及聯(lián)系人:付家新(1962-),男,高級(jí)工程師,主要從事油田污水處理研究。E-mail fjx123321@tom.com。

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