斜板除油原理.docx

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斜板除油原理

第六章含油污水处理

海上油田污水来源于在油气生产过程中所产出的地层伴生水。

为获得合格的油气产品，需要将伴生水与油气进行分离，分离后的伴生水中含有一定量的原油和其它杂质，这些含有一定量原油和其它杂质的伴生水称之为含油污水。

目前，国内海上油田污水处理工艺流程，由于污水水质差异较大，处理流程种类较多，现针对不同原水水质特点、净化处理技术要求，按照主要处理工艺过程，大致可划分为重力式除油、沉降、过滤流程；压力式聚结沉降分离、过滤流程和浮选式除油净化、过滤流程等几种基本处理流程。

另有除油、混凝沉降、过滤、深度净化以及密闭隔氧等流程用于排放处理。

第一节除油

含油污水除油的主要方法有：

重力沉降法、物理化学法、化学混凝法、粗粒化法、过滤法、浮选法、活性炭吸附法、生物法、电磁法。

由于水质不同及要求处理的深度不同，单靠一种除油方法很难达到预期的目的，所以在现场使用时，都是几种方法联合使用。

一、自然除油

1.基本原理

自然除油是属于物理法除油范畴，是一种重力分离技术。

重力分离法处理含油污水，是根据油和水的密度不同，禾U用油和水的密度差使油上浮，达到油水分离的目的。

这种理论忽略了进出配水口水流的不均匀性、油珠颗粒上浮中的絮凝等影响因素，认为油珠颗粒是在理想的状态下进行重力分离的，即假定过水断面上各点的水流速度相等，且油珠颗粒上浮时的水平分速度等于水流速度；油珠颗粒是以等速上浮；油珠颗粒上浮到水面即被去除。

含油污水在这种重力分离池中的分离效率为：

uE（6-1）

Q/A

式中E――油珠颗粒的分离效率；u――油珠颗粒的上浮速度；Q/A表面负荷率；

Q――处理流量；A――除油设备水平工作面积。

这里的分离效率是以大于浮升速度u的油珠颗粒去除率来表示的，也就是除油效率。

表

面负荷率Q/A，是一个重要参数，当除油设备通过的流量Q一定时，加大表面积A，可以

减小油珠颗粒的上浮速度u，这就意味着有更小直径的油珠颗粒被分离出来，因此加大表面积A，可以提高除油效率或增加设备的处理能力。

浮升速度u可用斯托克斯公式计算：

18

式中u――油珠颗粒的浮升速度，m/s

g重力加速度，m/s2；

污水的动力粘度，Pa•s;

dp油珠颗粒直径，m。

由斯托克斯公式可知，若污水中的油珠颗粒直径、污水密度、油的密度和水温一定时，则油珠颗粒的浮升速度亦为定值，除油效率与油珠颗粒的浮升速度成正比，与表面负荷率成反比。

2.装置结构

自然除油设施一般兼有调储功能，其油水分离效率不够高，通常工艺结构采用下向流设置。

如图6-1所示，立式容器上部设收油构件，中上部设配水构件，中下部设集水构件，底部设排污构件。

图6-1自然除油罐结构图

1—进水管；2—中心反应管；3—配水管；4—集水管；5—中心管柱;

6—岀水管；7—溢流管；8—集油槽；9—岀油管；10—排污管

二、斜板（管）除油罐

1.原理

斜板（管）除油是目前最常用的高效除油方法之一，它同样属于物理法除油范畴。

斜板（管）除

油的基本原理是“浅层沉淀”，又称“浅池理论”，设斜管沉淀池池长为L,池中水平流速

为V，颗粒沉速为u0，在理想状态下，L/H=V/u0。

可见L与V值不变时，池身越浅，可被去除的悬浮物颗粒越小。

若用水平隔板，将H分成3层，每层层深为H/3,在U0与v不变的

条件下，只需L/3，就可以将u0的颗粒去除。

也即总容积可减少到原来的1/3。

如果池长不

变，由于池深为H/3，则水平流速可正加的3v,仍能将沉速为u0的颗粒除去，也即处理能力提高倍。

同时将沉淀池分成n层就可以把处理能力提高n倍。

这就是20世纪初，哈真

（Hazen）提出的浅池理论。

为了让浮升到斜板（管）上部的油珠便于流动和排除，把这些浅的分离池倾斜一定角度（通常为45。

〜60。

），超过污油流动的休止角。

这就形成了所谓的斜板（管）除油罐。

t，则表面负何率可表示为Q/A=H/1,

假设除油设备的高度为H,油珠颗粒分离时间为

将其代人分离效率公式，可得

EU—

Q/AH/t

从式（6-3）可见，重力分离除油设备的除油效率是其分离高度的函数，减小除油设备的分

离高度，可以提高除油效率。

在其他条件相同时，除油设备的分离高度越小，油珠颗粒上浮

到表面所需要的时间就越短，因此在油水分离设备中加设斜板，增加分离设备的工作表面积，

缩小分离高度，从而可提高油珠颗粒的去除效率。

在理论上，加设斜板不论其角度如何，其去除效率提高的倍数相当于斜板总水平投影面积比不加斜板的水面面积所增加的倍数。

当然，实际效果不可能达到理想的倍数，这是因为存在着斜板的具体布置、进出水流的影响、板间流态的干扰和积油等因素。

但是，由于斜板的存在，增大了湿周，缩小了水力半径，因而雷诺数（Re）较小，这就创造了层流条件水流较

平稳，同时弗劳德数（Fr）较大，更有利于油水分离，这就是斜板除油所以成为高效设备的原因。

斜板除油装置基本上可以分为立式和平流式两种，如立式斜板除油罐和平流式斜板除（隔）

油罐（池）。

在油田上常用的是立式斜板除油罐和平流式斜板除油罐。

2.斜板板组工艺计算

（1）斜板板组水力计算

斜板罐（池）斜板组水力计算方法较多，斜板组水力计算大致分为田中法（分离粒径法）、

姚氏法（特性参数法）、理想分离法，三者在计算中有自己的假定条件，共同点是遵循水力学质点运动方程。

根据含油污水油珠运动规律：

当某一粒径的油珠P,处于斜板中某一位置时，它具有上

浮速度V。

轴向速度V。

d为板间距，为斜板的倾斜角度。

（6-4）

yudtC1

xvdtC2

从图6-2可知，油珠P在y方向的瞬时合速度为：

uV0cosa；

在x方向的瞬时合速度为：

vVV0sina,中即得油珠P的运动方程，它适于各种计算方法,下：

这样油珠所流经的长度为板长La与L1之和，其中

L1dcosa/sinad/tga（d为板距）。

这样依田中法，当t=0时，y=-d/2，又=-d/tga,求得式（6-5）中C|=-d/2,C2=-d/tga;将式（6-5）积分则得：

yVotcosad/2

（6-6）

xVtVotsinad/tga

当油珠由a点运动到b点，即油珠由板底至板顶时在y方向位移为d,y=d/2,由式（6-6）

求得td/（V。

cosa），代人式（6-6）得:

姚式法认为油珠由

a点至b点的历程为Lb（板长）,即t=0时，y=-d/2,x=0;则,C1=-d/2,

C2=0;将此值代人式（6-8）得：

C.理想分离法

理想分离法基本假设与田中法相似，它不描述油珠在板体中上浮轨迹，它认为田中法与姚氏法虽采用轴向速度相同与不同的假设，但二者质点起落位置在实际中是相同的。

对于层流，即理想状态下二者假设无质的区别。

即，当油珠的边界条件已定时，斜板长度决定于油珠的轴向速度与上浮速度的合成速度，也决定于板组的材质及构造。

板长、板距、轴向速度、上浮速度之间符合矩形或平行四边形相似原理，下面分别对矩形与平行四边形斜板组进行水力计算。

a.下向流矩形平行斜板板组，依平行四边形相似原理如图6-5所示。

（6-12）

VcL2

VLcL1

L2d/cos,L1dsin/cos，则:

L4d/tg，则:

（2）各种板组计算板长与上浮速度的对比

从各种板组计算中可知，它们的计算板长并不一样，为便于比较将计算板长与上浮速度汇成表6-1和表6-2。

在条件相同的情况下，从表6-1、表6-2可得出如下规律：

1田中法与下向四边形板组计算结果形同，姚氏法与下向流矩形板组计算结果相同。

2田中法与理想分离法中下向四边形板组计算板长最短；姚氏法与下向流矩形板组长度次

之，上向流四边形板组计算长度最长，上向流矩形次之，侧向流板组计算长度为上述的平均值。

3田中法可去除较小油珠；而上向流平行四边形板组只能去除较大的油珠，分离效果较低。

4板组倾角对板长与分离效果影响较大，这种影响对各种计算方法均存在随着倾角的增加，

式中Vd/cos值增加较快，所需斜板增长；倾角接近90。

时，失去斜板隔油意义；倾角减小斜

板计算长度减小；当=0时，斜板长度最小，各种斜板组的计算长度均与侧向流相等。

从表中

可以看出，当=0时，平行四边形板组已不能适用，此时隔油构筑物水平面积将无限大。

倾

表6-1板长计算公式汇总

序号

计算方法

表达式

尾项变化范围

斜角45o

斜角60o

1

田中

-2d

2

姚式

-d

3

下向矩形

理

-d

4

下向四边

想

-2d

5

"上向矩形

分

+d

+

6

离上向四边

+2d

+

7

侧向

0

0

表6-2上浮速度计算公式汇总

序号

计算方法

表达式

尾项变化范围

斜角45。

斜角60o

1

田中

2

姚式

3

下向矩形

理

4

下向四边

想

5

上向矩形

分

6

*上向四边

离

7

侧向

说明：

上浮速

L度计算值的假设条件为L=1500mmd=50mmV=10.0mm/s。

从以上对比可知，各种计算方法之间均有差别，从计算中也知差别比较小，计算板长相差为4〜5d倍，上浮速度相差10%。

但倾角对各种板组计算参数影响均比较大。

为此一些文献资料认为：

板组计算均可采用侧向流方法，这样可简化计算公式，计算结果也无大的差别。

但也有资料认为：

水平面积对油水分离确有影响，所以应计算在内。

如何计算目前尚未统一。

但在应用中选用下向流较多。

采用哪种方法一般按污水性质、隔油设施形式与板组构造而定。

（3）隔油池斜板板组计算

设隔油池板组符合下向流平行四边形斜板板组条件。

1V的确定

Vo与表面负荷s=Q/A均为板组计算的重要参数，Vo可以通过斯托克斯公式求得。

表面

负荷可以从隔油池运行中测得，无实测资料时s可取~0.4mm/s。

表面负荷是隔油池实际运行

参数，它考虑了斜板隔油池工作效率。

s的缺点在于没有去除油珠最小粒径概念。

2斜板层流起始段计算

斜板计算长度是在理想状态下求得的，实际上，当水流刚进入斜板时并不是层流，此时水流紊乱，严重影响油水分离效果。

水流进入斜板在形成层流之前的一段称层流起始段，此

后形成层流并进入分离段，在确定斜板长度时，应在分离段前另加层流起始段长度。

有关层流起始段长度计算，对于斜板隔油池，根据相关文献可用下式计算：

L00.052dRe

式中Lo――层流起始段长度，cm；

d斜板板距，cm；

Re――雷诺数。

从式中可知，当板距与雷诺数大时，起始段增加；当板距为20~50mm时，层流起始段计

算值有时很长。

计算时可取200~400mm,即认为此时水流已基本稳定。

起始段长度也可从实验室中测得，计算层流起始段时，Re尚未最后确定，故应先做假定，必要时进行二次计算，

修正板长。

3板长计算

斜板设计长度应为层流起始段长度与计算板长之和，

（6-22）

LLcL0

式中LC的计算见式（6-13）。

4板组面积与板组尺寸的确定

设斜板长为L,宽为B，间距为d,为增加表面积与刚度采用波纹板，板组斜角为，出

流量为Q，斜板块数为n，则V的理论值为：

nBd

（6-23）

又依表6-2得:

（6-24）

Vd

V0Lcosd/sin

式中Lcos――斜板水平投影长度；

d/sin——斜板水平距。

将式（6-23）代入式（6-24），得：

式中

nBLcosnBd/sin

-―斜板组水平投影面积

――斜板组水平距总面积

（A）；

（Ai）。

则：

“Q

Q

AA

A1

（6-26）

EV0

Si

式中

E――斜板隔油池工作效率，75%~85%。

因Q、

E、V0或s已知，则

A可解。

（6-25）

⑤雷诺数和费德罗数计算。

V。

Q

nBLcosnBd/sin

隔油池的水力计算均以理想流体为基础，则含油污水在层流状态运行，为此应降低雷诺

数Re;但为保持水流的稳定性，水体又应有一定能量以防干扰；这样就需增大弗罗德数Fr

从而提咼水流稳疋性，与计算如下：

Re

VF

x

（6-27）

式中F—

—过水断面积（横断面积）；

-一水的运动粘滞系数；

x

—湿周；

V—

—板间轴向流速。

Fr

V2x

Fg

（6-28）

式中g重力加速度。

由式（6-27）和式（6-28）知，只有增大湿周才能降低Re,同时增大Fr，因此斜板板组做成

各种波纹板，其目的在于增加湿周x。

通常将Re限制在500之内；而将Fr限制在10-5之外。

3.斜板除油装置

（1）立式斜板除油罐

立式斜板除油罐的结构型式与普通立式除油罐基本相同，其主要区别是在普通除油罐中

心反应筒外的分离区一定部位加设了斜板组，如图6-8所示。

目前，绥中36-1处理厂采用的

就是立式斜板除油罐。

含油污水从中心反应筒出来之后，先在上部分离区进行初步的重力分离，较大的油珠颗粒先行分离出来，然后污水通过斜板区，油水进一步分离。

分离后的污水在下部集水区流入集水管、汇集后的污水由中心柱管上部流出除油罐。

在斜板区分离出的油珠颗粒上浮到水面，

进入集油槽后由出油管排出到收油装置。

图6-8立式斜板除油罐结构图

1一进水管；2一中心反应筒；3一配水管；4一集水管；5一中心柱管；6一出水管；

7一波纹斜板组；8一溢流管；9一集油槽；10一岀油管；U一排污管

斜板材质应是在污水中长期浸泡不软化、不变形、耐油、耐腐蚀的材料。

常用的斜板规格有多种：

一种是板长1750mm，板宽750mm，板厚〜1.9mm,每块板有6个波，波长130mm,波高15〜25mm，波峰处的夹角101o；另一种是板长1550mm，板宽650mm,板厚〜1.6mm,每块板有11个波，波长59mm，波高25〜30mm;还有一种是板长1360mm，板宽760mm,板厚〜1.9mm,每块板有5〜8个波，波长120mm左右，波高15〜25mm。

为安装和检修方便。

可把斜板拼装成若干个斜板组块。

斜板组块排列在除油罐内的钢支架上。

立式斜板除油罐的主要设计参数如下：

斜板间距80〜100mm，斜板倾角45。

〜60。

，斜板

水平投影负荷x10-4〜x10-4m3/（s•m2）,其他设计数据与普通除油罐基本相同。

油田上使用立式斜板除油罐的实践证明，在除油效率相同的条件下，与普通立式除油罐相比，同样大小的

除油罐的除油处理能力可提高〜倍。

（2）平流式斜板隔油池

图6-9平流式斜板隔油池构造图

1—配水堰；2—布水栅；3—斜板；

4—集泥区；5—岀水槽；6—集油管

平流式斜板隔油池是在普通的平流式隔油池中加设斜板组所构成的，如图6-9所示。

这种

隔油池一般是由钢筋混凝土做成的池体，池中波

纹斜板大多呈45°安装。

进入的含油污水通过配区，油、水、泥在斜板中进行分离，油珠颗粒沿斜板组的上层板下，向上浮升滑出斜板到水面，通过活动集油管槽收集到污油罐，再送去脱水，泥砂则沿斜板组的下层斜板面滑向集泥区落到池底，定时排除；分离后的水，从下部分离区进入折向上部的出水槽，然后排出或送去进一步处理，由于高程上布置的原因，污水进入下一步处理工序，往往需要用泵进行提升。

三、粗粒化（聚结）除油

早在50年代就有人在普通隔油池前段设填料段，填充碎石等粒状物借以提高除油效率。

由于采用的碎石填料粒径较大，聚结性能较差，收效不大，所以该法除油在相当长的一段时

间内没有引起人们的重视。

直至70年代初，由于原油开采业及石油化工工业的发展，一方面

待处理的含油污水量大幅度的增加，迫切要求提高除油构筑物的处理效率，从而缩小其体积;

另一方面化学工业也提供了性能较好的粗粒化材料，因而粗粒化除油技术才大力发展起来。

美国及日本等国都有很多这方面资料及专利，并有大量工业化应用的实例。

1.粗粒化（聚结）除油机理

所谓粗粒化，就是使含油污水通过一个装有填充物（也叫粗粒化材料）的装置，在污水流

经填充物时，使油珠由小变大的过程。

经过粗粒化后的污水，其含油量及污油性质并不变化，只是更容易用重力分离法将油除去。

粗粒化处理的对象主要是水中的分散油，粗粒化除油是粗粒化及相应的沉降过程的总称。

在设计除油装置之前都要用“静止浮升法”或显微镜观察法对污水中油珠粒径大小及分布进行测试，大量的测试结果表明：

尽管随着脱水效果的好坏及污水用离心泵提升次数的不同油珠粒径分布有较大的差异，但总的来看油田含油污水乳化程度并不高，即绝大多数是10m及以上的分散油和浮油。

浮油在除油罐中几分钟之内便可去除，乳化油则必须用化学混凝法破乳去除，分散油虽然不用混凝法但是可以靠自然沉降去除，然而沉降时间要长。

例如要去除粒径为do以上的油珠，则污水自上而下流动的速度必须小于油珠上浮速度U，油

珠才可上浮至水面去除。

油珠浮升符合斯托克斯公式（式6-2）,该式这表明，对温度一定的特

定污水而言，其动力粘滞系数、污水密度、污油密度和重力加速度都是定值，上式可简化为：

uKdo（6-29）

可以看出，油珠上浮速度与油珠粒径平方成正比。

如果在污水沉降之前设法使油珠粒径增大，则可大大增大油珠上浮速度，进而使污水在沉降罐中向下流速（）加大，这样便可提高除油罐效率。

经过有关学者的大量研究，采用粗粒化法（也称聚结）可达到增大油珠粒径的目的。

以上便是粗粒化除油的理论依据。

关于粗粒化的机理，目前尚处在探讨阶段，还未形成统一的理论。

总的来说，大体上有两种观点，即“润湿聚结”和“碰撞聚结”。

“润湿聚结”理论建立在亲油性粗粒化材料的基础上。

当含油污水流经由亲油性材料组成的粗粒化床时，分散油珠便在材料表面润湿附着，这样材料表面几乎全被油包住，再流来的油珠也更容易润湿附着在上面，因而附着的油珠不断聚结扩大并形成油膜。

由于浮力和反向水流冲击作用，油膜开始脱落，于是材料表面得到一定更新。

脱落的油膜到水相中仍形成油珠，该油珠粒径比聚结前的油珠粒径要大，从而达到粗粒化的目的。

例如用聚丙烯塑料球及无烟煤作粗粒化材料的聚结，就是属于“润湿聚结”。

“碰撞聚结”理论建立在疏油材料基础上。

无论由粒状的或是纤维状的粗粒化材料组成的粗粒化床，其空隙均构成互相连续的通道，尤如无数根直径很小交错的微管。

当含油污水流经该床时，由于粗粒化材料是疏油的，两个或多个油珠有可能同时与管壁碰撞或互相碰撞，

其冲量足可以将它们合并成为一个较大的油珠，从而达到粗粒化的目的。

例如蛇纹石及陶粒作的粗粒化材料的聚结就是属于“碰撞聚结”。

当然，无论是亲油的或是疏油的材料，两种聚结都是同时存在的，只是前者以“润湿聚结”为主，也有“碰撞聚结”，原因是污水流经粗粒化床时，油珠之间也有碰撞；后者以“碰撞聚结”为主，也有“润湿聚结”，原因是当疏油材料表面沉积油泥时，该材料便有亲油性，自然有“润湿聚结”现象。

因此无论是亲油性材料或是疏油性材料只要粒径合适，都有比较好的粗粒化效果。

2•粗粒化材料（聚结板材）的选择

粗粒化材料从形状来看分粒状的和纤维状的两大类，从材质上分为天然的（如无烟煤、蛇

纹石、石英砂等）和人造的（如聚丙烯塑料球和陶粒等）两类。

国外应用的粗粒化材料很多，以各种化工产品居多，如聚酪、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等等。

作为一次性使用，主张用纤维性材料，重复使用主要用粒状材料。

国内各油田目前工业化的粗粒化装置大多是用粒状材料，各种材料性能可见表6-3。

表6-3粗粒化材料物性表

材料名称

润湿角

相对密度

润湿角测定条件

聚丙烯

水温44C,介质为净化后含油污水；润湿剂为原油

无烟煤

陶粒

石英砂

蛇纹石

粗粒化材料选择原则为：

耐油性能好，不能被油溶解或溶涨；具有一定的机械强度，且不

易磨损；不易板结，冲洗方便；一般主张用亲油性材料；尽量采用相对密度大于I的材料;

3~5mm为宜。

图6-10（a）粗粒化除油器工艺原理图

I-进水口；2-出水口；3-排污口；

4-污油口；5-进料口；6-蒸气回水口;

7-安全阀；8-出水挡板

货源充足，加工、运输方便，价格便宜；粒径对于聚结板材通常可采用聚氯乙烯、聚丙烯塑料、玻璃钢、普通碳钢和不锈钢等。

具体选用哪种材质的聚结板，要根据处理水质特性和生产实际需要来确定。

一般说来，聚丙烯和玻璃钢塑料聚结板属湿润聚结范畴；纯聚丙烯板材，当吸油接近饱和时纤维周围会产生油水界面引起的分子膜状薄油膜，吸油趋于平衡，影响聚结效果。

玻璃钢材质吸油时对油水界面引起的分子膜状薄油膜影响较小，吸油功能可保持良好，但板材加工难度较大。

碳钢和不锈钢聚结板材属碰撞聚结范畴，板材表面经过特殊处理后，亲水性能良好。

不锈钢板聚结效果优于碳钢板，其运行寿命也大于碳钢板，但不锈钢板造价远高于碳钢板。

3•粗粒化（聚结）装置

单一的粗粒化除油装置一般为立式结构，下部配水，中部装填粗粒化材料，上部出水。

组合式粗粒化除油装置一般为卧式，装置首端为配水部分，中部为粗粒化部分，中后部为斜板（管）分离部分，后部为集水部分。

粗粒化除油装置工艺结构如图6—10（a）所示。

聚结分离器采用卧式压力聚结方式与斜板

（管）

除油装置结合除油。

原水进入装置首端，

通过多喇叭口均匀布水，水流方式横向流经三组斜交错集结板，使油珠聚结，悬浮颗粒增大,然后再横向上移，自斜板组上部均布，经斜板分离，油珠上浮集聚，固体悬浮物下沉集聚排除，

净化水由斜板下方横向流人集水腔。

高效聚结分离器工艺原理图见图6—10（b）所示。

四、气浮除油（除悬浮物）

目前渤海各平台均未采用单独的粗粒化

（聚结）除油设备，

1.气浮除油的基本工作原理

气浮就是在含油污水中通入空气（或天然气）设法使水中产生微细气泡，有时还需加入浮选剂或混凝剂，使污水中颗粒为〜25m的乳化油和分散油或水中悬浮颗粒粘附在气泡上，随气体一起上浮到水面并加以回收，从而达到含油污水除油除悬浮物的目的。

（1）油粒和悬浮物具有吸附气泡浮上的性能

当天然气被射流器吸入并在浮选器内形成微气泡时，由于含油污水中的油粒和悬浮物为疏水性，且油粒比重小于1，便会立即吸附到微气泡表面，并以〜0.9m/s的高速上浮分离

在液面上形成浮渣层。

（2）过滤原理

生产水中的油和悬浮物在浮上时脱油，水则向下作层流，并从浮选器下部的出水口流出，

由于水向下流动时必须穿过上升的微气泡层，因此如果向下流动的水中存在油粒和絮凝的悬浮物，必然会被上升的气泡吸附“过滤”，并送到液面浮渣层。

（3）微气泡原理

根据原理

（1）推断，若要将污水中的分散状的油粒（包括经破乳后，乳化油变成粒径大的油粒）和大小不