气浮旋流一体化水处理技术理论及工程应用研究
发布时间：2020-12-28 09:37
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,PB...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
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
4.6 注气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
6.4.1 BIPTCFU-Ⅲ-20气浮旋流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
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]从流场直接导出流动反应器的停留时间分布（英文）[J]. 毛在砂,杨超,冯鑫. 过程工程学报. 2017(01)
[2]T型管内油水分离特性的CFD-PBM数值模拟[J]. 安杉,陈家庆,蔡小垒,王强强,孟迪,邵天泽. 化工学报. 2017(04)
[3]湍流模型在圆管螺旋流场模拟中的应用与对比[J]. 蒋明虎,徐保蕊,赵立新. 化学工程. 2016(09)
[4]多相分散体系中气泡/液滴聚并和破碎的群平衡模拟[J]. 覃成鹏,杨宁. 化学进展. 2016(08)
[5]旋流式微泡发生器的设计与试验研究[J]. 杨涛,李浙昆,张永忍,于敏. 水利水电技术. 2016(05)
[6]气旋浮高效除油技术及其在电脱盐切水预处理中的应用[J]. 陈家庆,蔡小垒,谭德宽,潘泽昊. 石油炼制与化工. 2016(05)
[7]采用BP-GA算法的有机朗肯循环多目标优化[J]. 王华荣,徐进良. 中国电机工程学报. 2016(12)
[8]旋流分离过程中油滴聚集破碎的动力学分析[J]. 张义科,刘宇,王振波,陈阿强. 过滤与分离. 2016(01)
[9]大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟[J]. 孔祥功,陈家庆,姬宜朋,王春升,张明,尚超,蔡小垒,刘美丽. 化工进展. 2016(03)
[10]水力旋流器分离效率影响因素的研究进展[J]. 刘杨,王振波. 流体机械. 2016(02)
博士论文
[1]轴向涡流分离器的理论与实验研究[D]. 姬宜朋.北京化工大学 2015
[2]非均一颗粒在浓相流化床系统中的流动行为研究[D]. 王庆功.清华大学 2015
[3]浮选柱的多流态过程及其分选动力学[D]. 程敢.中国矿业大学（北京） 2014
[4]鼓泡塔反应器气液两相流数值模拟模型及应用[D]. 李光.华东理工大学 2010
[5]浮选机内多相流动特性及浮选动力学性能的数值研究[D]. 韩伟.兰州理工大学 2009
硕士论文
[1]共聚气浮净水效能试验及其机理分析研究[D]. 李佳宁.山东建筑大学 2016
[2]射流鼓泡反应器的流动行为与传质特性研究[D]. 郭天琪.浙江大学 2016
[3]气浮旋流一体化除油设备现场应用研究[D]. 张孝光.东北石油大学 2016
[4]含油污水处理用立式多级气旋浮装置的理论与实验研究[D]. 陈涛涛.北京化工大学 2015
[5]基于遗传算法的BP神经网络的优化研究及MATLAB仿真[D]. 任谢楠.天津师范大学 2014
[6]油滴/气泡尺度对模拟含油废水气浮效果的影响[D]. 黄璐.东华大学 2012
[7]基于人工神经网络的油水分离水力旋流器数学模型研究[D]. 易经纬.华中科技大学 2005
本文编号：2943529
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
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
4.6 注气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
6.4.1 BIPTCFU-Ⅲ-20气浮旋流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
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]从流场直接导出流动反应器的停留时间分布（英文）[J]. 毛在砂,杨超,冯鑫. 过程工程学报. 2017(01)
[2]T型管内油水分离特性的CFD-PBM数值模拟[J]. 安杉,陈家庆,蔡小垒,王强强,孟迪,邵天泽. 化工学报. 2017(04)
[3]湍流模型在圆管螺旋流场模拟中的应用与对比[J]. 蒋明虎,徐保蕊,赵立新. 化学工程. 2016(09)
[4]多相分散体系中气泡/液滴聚并和破碎的群平衡模拟[J]. 覃成鹏,杨宁. 化学进展. 2016(08)
[5]旋流式微泡发生器的设计与试验研究[J]. 杨涛,李浙昆,张永忍,于敏. 水利水电技术. 2016(05)
[6]气旋浮高效除油技术及其在电脱盐切水预处理中的应用[J]. 陈家庆,蔡小垒,谭德宽,潘泽昊. 石油炼制与化工. 2016(05)
[7]采用BP-GA算法的有机朗肯循环多目标优化[J]. 王华荣,徐进良. 中国电机工程学报. 2016(12)
[8]旋流分离过程中油滴聚集破碎的动力学分析[J]. 张义科,刘宇,王振波,陈阿强. 过滤与分离. 2016(01)
[9]大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟[J]. 孔祥功,陈家庆,姬宜朋,王春升,张明,尚超,蔡小垒,刘美丽. 化工进展. 2016(03)
[10]水力旋流器分离效率影响因素的研究进展[J]. 刘杨,王振波. 流体机械. 2016(02)
博士论文
[1]轴向涡流分离器的理论与实验研究[D]. 姬宜朋.北京化工大学 2015
[2]非均一颗粒在浓相流化床系统中的流动行为研究[D]. 王庆功.清华大学 2015
[3]浮选柱的多流态过程及其分选动力学[D]. 程敢.中国矿业大学（北京） 2014
[4]鼓泡塔反应器气液两相流数值模拟模型及应用[D]. 李光.华东理工大学 2010
[5]浮选机内多相流动特性及浮选动力学性能的数值研究[D]. 韩伟.兰州理工大学 2009
硕士论文
[1]共聚气浮净水效能试验及其机理分析研究[D]. 李佳宁.山东建筑大学 2016
[2]射流鼓泡反应器的流动行为与传质特性研究[D]. 郭天琪.浙江大学 2016
[3]气浮旋流一体化除油设备现场应用研究[D]. 张孝光.东北石油大学 2016
[4]含油污水处理用立式多级气旋浮装置的理论与实验研究[D]. 陈涛涛.北京化工大学 2015
[5]基于遗传算法的BP神经网络的优化研究及MATLAB仿真[D]. 任谢楠.天津师范大学 2014
[6]油滴/气泡尺度对模拟含油废水气浮效果的影响[D]. 黄璐.东华大学 2012
[7]基于人工神经网络的油水分离水力旋流器数学模型研究[D]. 易经纬.华中科技大学 2005
本文编号：2943529
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