一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备

技术领域

本发明涉及含油污水处理技术领域，尤其是涉及聚驱采出水及石油炼化污水的气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备。

背景技术

近年来，我国众多油田已经进入高含水甚至特高含水开发期，为了提高油田采出率，聚合物驱等三次采油技术被广泛应用，产生了大量难处理的聚驱采出水。这些聚驱采出水中含有大量石油烃类、硫、氰等有害物质。在环境保护要求不断提高的生态文明建设大背景下，油田聚驱采出水的有效处理并回注已经成为当前能源开发中不可或缺的一个生产环节。为此，采用紧凑高效处理技术对采出水进行处理，这将成为当前石油油田开采，尤其是应用于海上油田采出水处理领域的一项紧要任务。受海上平台有限空间和承载能力限制，处理设备不能大型化，极大地增加了处理难度。基于紧凑型气浮装置或立式气旋浮装置(CFU)，实现含油污水油水分离工序的密闭化、装置化、无害化、高效快速分离，能够改善操作环境、减少大气污染、提高污油回收率，对于各企业实现节能降耗、节能减排的目标具有重大意义。

例如：专利US2010/0187186A1介绍了一种新型气旋浮装置，在运行过程中，混有气泡的含油污水切向进入到内浮选腔后形成旋流。旋流运动产生的离心力增大了溶气水中释放的气泡与污水中油滴的碰撞接触、粘附的概率，粘附气泡后的油滴随着旋流在浮力的作用下不断上升到内浮选腔的顶端。大部分粘附气泡的油滴继续上浮到上端的集油罩富集，部分没有附着气泡的油滴随着水流沿外浮选室下落，在聚结层作用下，油滴粒径进一步聚结增大，并与外浮选腔切向进入的溶气水释放出的微气泡粘附，再次浮至集油罩富集。经过两次气浮后，不断富集的油外溢到集油帽与装置罐体形成的环形腔内，再通过排油管排出，处理后的水从出水口排出。但在实际工况下聚结层极易堵塞，影响生产过程的连续进行。

欧洲专利EP1400492A2介绍了一种立式诱导气浮装置，含油污水沿切向进水管进入罐体并在罐内形成弱旋流，在旋转离心力和空气浮力的共同作用下，气泡粘附在油滴上，加速上浮并积聚到油层中随后进入撇油斗后，通过出料管通过重力排出。未能粘附到气泡的油滴随水相下沉，继续在旋流作用下向装置中心移动。部分处理水作为回流水被泵送至文丘里射流器，利用负压吸入空气并产生气水混合液。气液混合物经多根切向管进入罐体，提供气浮所需的微气泡，处理后的水相由排水管排出。但该气浮罐没有预先将气泡注入来液而是直接注入罐内，气泡和罐内液体接触碰撞效率不高，影响后续的分离效率。

欧洲专利US2009/0294375A1介绍了一种气旋浮装置，含油污水通过多孔管均匀分布在气液接触室中，气体通过罐体顶部的进气口进入气液接触室。通过喷嘴弯头结构将气液两相充分混合形成微气泡的混合液体。在喷嘴弯头的作用下，混合液体具有较弱的旋流强度。气泡与油滴在运动过程中发生碰撞并粘附，粘附体上升至浮气浮处理室顶部的溢油装置，最后通过溢油管排出。但该气浮罐内部结构过于复杂，影响生产过程的连续进行。

欧洲专利US2010/0264088Al介绍了一种紧凑型气浮单元，饱和的含油污水经射流器注气后，沿管路经切向入口进入到罐内，围绕罐体内的圆柱形整流筒形成旋流，旋流产生的离心力驱使油滴和气泡等较轻组分向中心移动，在移动过程中二者不断接触、黏附，在浮力作用下连续上升到上方并聚集成油层，然后在压力的作用下通过排油管排出，逸出来的气体则在拱形顶部形成一个气室，通过与气室直接相连的排气管输送到入口处的射流器实现循环利用。经气浮处理后的含有少量的未分离出的微小油滴和微小气泡的处理水流经防涡板后产生二次旋流，形成一段压力较低的液锥，聚并成的大油滴便于下一步的处理。但该装置未有单独的排砂口，在实际运行中易造成堵塞。

宁波威瑞泰默赛多相流仪器设备有限公司在专利CN101935081A中介绍了一种压力式气浮分离装置，在其运行过程中，含有气泡的含油污水沿切向方向进入气浮分离装置中，在罐体与整流筒之间的环形腔内产生旋流，且气泡与油滴充分混合，不断接触、粘附后形成气泡整流区。由于气泡整流区底部封闭，与微气泡混合并粘附在其上的含油污水向上流动，经过整流筒顶部进入浮选分离区。粘附在微气泡上的油滴在浮力的作用下不断浮至水面，形成浮渣。由于浮选分离区形成的浮渣旋流方向与收渣导流板的渐开线状收口方向相反，浮渣会在收渣导流板的引导下进入收油筒，然后通过排油管排出。气体通过装置顶部的排气管排出，处理后的水从罐体底部的排水管排出。但客观而言，该装置占地面积较大，设备的紧凑性需进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备，以兼顾气泡利用率以及设备的结构紧凑性。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备，包括罐体、旋流内筒、收油结构、破旋结构、沉降分离组件以及中心筒，其中，所述罐体的顶部设置有排气口、底部设置有排渣口，所述罐体的侧面设置有溢油口、出水管和进水管，所述溢油口靠近所述罐体顶部并与所述收油结构相连通，所述出水管靠近所述罐体底部并位于所述中心筒下方，所述进水管与所述旋流内筒相切连接；所述中心筒竖直设置，所述沉降分离组件设置在所述中心筒上且所述中心筒的顶端依次穿过所述破旋结构和所述旋流内筒伸向所述收油结构；所述破旋结构的顶部与所述旋流内筒相连通，所述破旋结构用以破坏液体的旋流状态，为下方浅层沉降区提供层流环境；所述中心筒上设置有与所述沉降分离组件相配合的收油口，通过所述沉降分离组件分离出的油相能通过所述收油口进入所述中心筒内，以便于油相在所述中心筒内向上浮升至所述收油结构。

进一步地，所述破旋结构包括壳体和破旋板，所述壳体内部设置有空腔，所述壳体的顶部与所述旋流内筒相连通，所述中心筒穿过所述壳体且所述破旋板沿所述中心筒的周向方向间隔分布在所述壳体内部，所述壳体的周向侧面设置有排出口，相邻的两个所述破旋板之间对应一所述排出口。

进一步地，所述旋流内筒为上直筒、下锥筒型结构，且所述旋流内筒位于所述罐体内的中上部位置。

进一步地，所述破旋板长度与所述旋流内筒直段直径之比为0.2～0.3，所述破旋板宽度与所述旋流内筒直段直径之比为0.04～0.08，相邻两个所述破旋板对应圆心角为10°～20°。

进一步地，所述沉降分离组件包括若干螺旋翅片，所有所述螺旋翅片依次排布以使呈螺旋状分布在所述中心筒的外侧面上，相邻的两个所述螺旋翅片之间存在间隙，所述收油口呈螺旋状分布在所述中心筒上。

进一步地，所述沉降分离组件高度与所述罐体总高度之比为0.4～0.5，单个所述螺旋翅片圆心角为110°～120°，单个所述螺旋翅片螺距为30mm～40mm。

进一步地，所述收油结构包括底板部和侧板部，所述底板部呈环状且其外周向侧边与所述罐体的内侧面相连接，所述底板部的内侧边与所述侧板部相连接，所述底板部、所述侧板部以及所述罐体内侧面之间形成环形收油槽，所述侧板部的直径大于所述旋流内筒的直径。

进一步地，所述侧板部上设置有出水孔，所述出水孔沿所述侧板部的周向方向设置，所述出水孔靠近所述侧板部的底部；所述侧板部的顶部边沿设置有锯齿。

进一步地，所述立式气旋浮设备还包括补气管，所述补气管插入所述罐体内且所述补气管的一端位于所述中心筒底部；所述中心筒底部设置喇叭口结构。

进一步地，所述喇叭口结构与所述中心筒同轴固定连接，所述喇叭口结构高度为20mm～30mm，所述喇叭口结构母线倾斜角为60°～70°。

本发明优选技术方案可以产生如下技术效果之一：

本发明提供的一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备，结构紧凑，通过旋流内筒以及沉降分离组件进行协同强化分离，油水分离效果好，气泡利用率高；

由多个破旋板组成的破旋区将形成的旋流保留在旋流内筒中，同时为下方螺旋翅片浅层沉降区提供稳定流场；

螺旋翅片的设计，构成的浅层沉降区强化油滴聚结后的重力分离过程，同时翅片的分布可减小含油污水中悬浮物在翅片上的堆积；

外加补气的补气管，促进中心筒外侧浅层沉降区的油相透过中心筒进油口向中心筒内部聚集，借助其气提作用加速相介质在翅片与中心筒之间的循环，避免含油污水从翅片两侧直接流入下方形成短路流，同时在补气管上方加入喇叭口结构可有效防止大气泡外散；

本发明提供的一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备基于结构紧凑且单元技术复合化理念，提出一种内筒内旋、螺旋翅片外加补气管的方式进行协同强化分离的立式气旋浮设备。一方面通过上直筒下锥筒型的旋流内筒保持弱旋流场及旋流状态的稳定，能够分离会破坏浮选的大气泡，保留有助于浮选过程的小气泡，另一方面通过沉降分离区强化油滴聚结后的重力分离过程，进一步促进油滴与气泡之间的碰撞粘附，另外，通过设置破旋结构，为浅层沉降区油水分离过程提供层流环境，进一步强化了油水分离过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的立式气旋浮设备的结构示意图；

图2是本发明提供的立式气旋浮设备的纵向剖视示意图；

图3是本发明提供的罐体内的破旋结构的结构示意图；

图4是本发明提供的立式气旋浮设备的横向剖视示意图；

图5是本发明提供的沉降分离组件的结构示意图。

图中1-罐体；2-旋流内筒；3-溢油口；4-收油结构；401-底板部；402-侧板部；403-环形收油槽；404-锯齿；5-排气口；6-出水孔；7-进水管；8-破旋结构；801-壳体；802-破旋板；803-排出口；9-沉降分离组件；901-螺旋翅片；10-喇叭口结构；11-出水管；12-收油口；13-中心筒；14-补气管；15-排渣口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种立式气旋浮设备，包括罐体1、旋流内筒2、收油结构4、破旋结构8、沉降分离组件9以及中心筒13，其中，罐体1的顶部设置有排气口5、底部设置有排渣口15，罐体1的侧面设置有溢油口3、出水管11和进水管7，溢油口3靠近罐体1顶部并与收油结构4相连通，出水管11靠近罐体1底部并位于中心筒13下方，进水管7与旋流内筒2相切连接；中心筒13竖直设置，沉降分离组件9设置在中心筒13上且中心筒13的顶端依次穿过破旋结构8和旋流内筒2伸向收油结构4；破旋结构8的顶部与旋流内筒2相连通，破旋结构8用以破坏液体的旋流状态；中心筒13上设置有与沉降分离组件9相配合的收油口12，通过沉降分离组件9分离出的油相能通过收油口12进入中心筒13内，以便于油相在中心筒13内向上浮升至收油结构4。

富含微细气泡的含油污水从设备上部的切向进水管7进入旋流内筒2，含油污水在旋流内筒2产生弱旋流场，有效增加微细气泡与分散相油滴之间的碰撞粘附几率，分离会破坏浮选的大气泡，保留有助于浮选过程的小气泡，旋流内筒2上端与中心筒13之间存在一个环形缝隙，气体及少量油相通过这个开口向上移动，进入收油结构4。在旋流内筒2下方设置由破旋结构8构成的破旋区，旋流内筒2内的流体经过破旋结构8流向下方的沉降分离组件9，破旋结构8将形成的旋流保留在旋流内筒的同时还为下方沉降分离组件9构成的浅层沉降区提供稳定流场。大部分油水混合物通过破旋结构8流向沉降分离组件9，沉降分离组件9所在的位置在罐体1内形成区，沉降分离组件9强化油滴聚结后的重力分离。在浅层沉降区的中心筒13设置收油口12，沉降分离后的油相与微细气泡再次碰撞粘附后经收油口12浮升至收油结构4。收油结构4内的油可通过溢油口3排出，气相则汇集到罐体1的顶部通过排气口4排出，最后经过净化处理后的污水通过下部排水管11排出，固体悬浮物等杂质则通过底部排渣口15排出。

本发明提供的一种气提强化螺旋翅片浅层沉降作用的立式气旋浮设备，结构紧凑，且通过旋流内筒以及沉降分离组件进行协同强化分离，油水分离效果好，气泡利用率高。

关于破旋结构8，具体结构如下：参见图2-图4，破旋结构8包括壳体801和破旋板802，壳体801内部设置有空腔，壳体801的顶部与旋流内筒2相连通，中心筒13穿过壳体801且破旋板802沿中心筒13的周向方向间隔分布在壳体801内部，壳体801的周向侧面设置有排出口803，相邻的两个破旋板802之间对应一排出口803。

参见图2-图4，壳体801的顶部设置有上开孔，旋流内筒2插入上开孔且旋流内筒2的外侧壁与上开孔相连接；壳体801的底部设置有下开孔，中心筒13穿过壳体801的下开孔，中心筒13的周向侧面与下开孔相连接；

壳体801周向侧面上设置有排出口803，从旋流内筒2进入破旋结构8内的流体可通过排出口803排出。

参见图4，示意出了沿周向方向均匀间隔分布的破旋板802，相邻的两个破旋板802之间对应一排出口803。

参见图4，破旋板802远离中心筒13的一端与壳体801周向内侧面相连接或存在间隙，破旋板802靠近中心筒13的一端沿轴线方向上基本上与壳体801的顶部上开孔相平。

关于旋流内筒2的结构，旋流内筒2为上直筒、下锥筒型结构，且旋流内筒2位于罐体1内的中上部位置。旋流内筒2通过上直筒下锥形的设计，保持弱旋流场及旋流状态的稳定。含油污水在旋流内筒2旋流，增加微细气泡与分散相油滴之间的碰撞粘附几率，能够分离破坏浮选的大气泡，保留有助于浮选过程的小气泡进行初步预分离。

旋流内筒2以及中心筒13的轴线与罐体1的竖直中心轴共线，中心筒13穿过旋流内筒2且两者之间存在间距，中心筒13直径与旋流内筒2直径之比为0.3～0.5。

关于，破旋板802的尺寸，优选如下：破旋板802长度与旋流内筒2直段直径之比为0.2～0.3，旋板802长度与旋流内筒2直段直径之比优选为0.25；破旋板802宽度与旋流内筒2直段直径之比为0.04～0.08，破旋板802宽度与旋流内筒2直段直径之比优选为0.05，相邻两个破旋板802对应圆心角为10°～20°，相邻两个破旋板802对应圆心角优选为12°。

关于沉降分离组件9的具体结构，参见图2和图5，沉降分离组件9包括若干螺旋翅片901，所有螺旋翅片901依次排布以使呈螺旋状分布在中心筒13的外侧面上，相邻的两个螺旋翅片901之间存在间隙，收油口12呈螺旋状分布在中心筒13上。参见图2，收油口12设置在螺旋翅片901之间。收油口12的长度与翅片间距之比为0.45～0.75。

沉降分离组件9高度与罐体1总高度之比为0.4～0.5，单个螺旋翅片901圆心角为110°～120°，优选为120°，单个螺旋翅片901螺距为30mm～40mm，优选为32mm。

关于收油结构4，参见图2和图4，收油结构4包括底板部401和侧板部402，底板部401呈环状且其外周向侧边与罐体1的内侧面相连接，底板部401的内侧边与侧板部402相连接，底板部401、侧板部402以及罐体1内侧面之间形成环形收油槽403，侧板部402的直径大于旋流内筒2的直径。参见图2，示意出了中心筒13顶部与侧板部402的位置关系。

优选地，侧板部402上设置有出水孔6，出水孔6沿侧板部402的周向方向设置，出水孔6靠近侧板部402的底部，环形收油槽403中极少量的水相通过出水孔6排出；侧板部402的顶部边沿设置有锯齿404。

立式气旋浮设备还包括补气管14，补气管14插入罐体1内且补气管14的一端位于中心筒13底部；中心筒13底部设置喇叭口结构10，喇叭口结构10可有效防止大气泡外散。外加补气的补气管，促进中心筒外侧浅层沉降区的油相透过中心筒进油口向中心筒内部聚集。

关于喇叭口结构10，喇叭口结构10与中心筒13同轴固定连接，喇叭口结构10高度为20mm～30mm，喇叭口结构10母线倾斜角为60°～70°，优选为65°。

结合图1-图5所示意出的立式气旋浮设备，含油污水的分离过程具体如下：

富含微细气泡的含油污水从设备上部的切向进水管7进入上直筒下锥筒型的旋流内筒2，通过上直筒下锥筒型的设计以保持弱旋流场及旋流状态的稳定，能够分离会破坏浮选的大气泡，保留有助于浮选过程的小气泡，旋流内筒2上端与中心筒13之间存在一个环形缝隙，气体及少量油相通过这个开口向上移动，进入环形收油槽403。在旋流内筒2下方设置破旋结构8形成破旋区，破旋板802间隔分布在破旋区内，破旋结构8将形成的旋流保留在旋流内筒中，同时为下方螺旋翅片浅层沉降区提供稳定流场。沉降分离组件9固定安装在破旋区下侧，大部分油水混合物沿破旋结构8的排出口803流出后通过翅片浅层沉降区域强化油滴聚结后的重力分离。在沉降区的中心筒13设置有随翅片对应布置的中心筒收油口12，沉降分离后的油相与微细气泡再次碰撞粘附后经收油口12浮升至环形收油槽403从而再一次完成油水分离。环形收油槽403中极少量的水相通过出水孔6排出。此外，通过在螺旋翅片中心筒13下方的补气管14鼓入大气泡，具体表现为促进中心筒外侧浅层沉降区的油相透过中心筒进油口向中心筒内部聚集，借助其气提作用加速相介质在翅片与中心筒之间的循环，避免含油污水从翅片两侧直接流入下方形成短路流（沉降分离组件9为非连续的、非一体式螺旋结构，这样可利于来液流入沉降分离组件内，不易导致流体沿着螺旋翅片两侧直接流到罐体1的底部，形成短路流），同时在补气管上方加入喇叭口结构可有效防止大气泡外散。

另外，图2中并没有示意出连接固定结构，即未示意出用以将罐体1内的各部件固定在罐体1内的结构。

本发明基于结构紧凑且单元技术复合化理念，提出一种内筒内旋、螺旋翅片及外加补气管的方式进行协同强化分离的立式气旋浮设备。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，″多个″ 的含义是两个或两个以上；术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、 ″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一个示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。