一种致密气压裂返排液的油水分离填料单元、装置及方法与流程

本发明属于油气田废水处理，具体涉及一种致密气压裂返排液的油水分离装置及方法。

背景技术：

1、在工业生产过程中，特别是在石油开采、化工等行业，常常会产生大量的油水乳化液。这些乳化液不仅对环境造成严重污染，还会影响生产设备的正常运行和产品质量。特别是在油气田废水处理中，如致密气压裂返排液的处理，高效、经济的油水分离技术尤为重要。致密气压裂返排液中含有大量的油水乳化液，这些乳化液的稳定性高，常规的分离方法难以有效处理。此外，这些乳化液中的污染物成分复杂，处理难度大，对分离技术和设备提出了更高的要求。因此，开发一种能够高效、经济、环保地处理致密气压裂返排液的油水分离技术，对于保障油气田的可持续发展和环境保护具有重要意义。

2、现有的油水分离方法主要包括重力沉降、离心分离、化学破乳和膜分离等。重力沉降法虽然操作简单，成本低，但分离效率低，处理时间长，对于细小油滴和高度稳定的乳化液效果不佳，占地面积大。这种方法在处理致密气压裂返排液时，往往无法达到理想的分离效果，需要较长的时间和较大的设备空间。离心分离法虽然分离速度快，效率高，但设备投资和运行成本高，能耗大，维护复杂，不适合大规模连续处理。在油气田废水处理中，离心分离法的高成本和高能耗使其在实际应用中受到限制。化学破乳法通过添加化学药剂破坏乳化液的稳定性，虽然破乳效果好，适用范围广，但药剂成本高，可能产生二次污染，操作复杂，需要精确控制药剂的投加量和条件。这种方法在处理致密气压裂返排液时，不仅增加了处理成本，还可能对环境造成新的污染。膜分离法通过膜的选择透过性实现油水分离，虽然分离效果好，精度高，但膜易堵塞，需要定期清洗或更换，运行成本高，对进水水质要求严格。这种方法适用于高精度分离需求，但其维护成本和操作要求较高。在处理致密气压裂返排液时，膜分离法的膜堵塞问题尤为突出，影响了分离效果和设备的长期稳定运行。

3、另外还存在以上两三种方法联合使用的油水分离工艺，但存在处理装置复杂、成本投入高、处理效果不理想的问题，如cn117185523a公开了一种致密气压裂返排液处理回用系统及方法，包括通过管道依次相连的斜管沉淀池、破胶系统、固液分离系统、多级精密过滤系统、回注系统；所述破胶系统包括调节罐和破胶反应器；所述多级精密过滤系统包括多介质过滤器和膜过滤系统。

4、因此，开发一种高效节能、操作简便的油水分离工艺具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种致密气压裂返排液的油水分离填料单元、装置及方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种致密气压裂返排液的油水分离填料单元，所述填料单元包括由上至下依次设置的疏水亲油填料区、复合填料区、亲水疏油填料区；

4、所述复合填料区的材料为包含聚氨酯和硅藻土的复合材料；

5、所述复合填料区的材料粒径为10-100μm，例如为10μm、20μm、30μm、45μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。

6、所述疏水亲油填料区的材料粒径为10-70μm，例如为10μm、20μm、30μm、45μm、50μm、60μm或70μm。

7、所述亲水疏油填料区的材料粒径为50-100μm，例如为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。

8、所述聚氨酯与硅藻土的质量比为1:0.8-1.5，例如为1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4或1:1.5。

9、进一步的，所述包含聚氨酯和硅藻土的复合材料通过以下方法制得：将聚氨酯与清水按照1：1.5-2.5的质量比混合，搅拌15-25分钟，配制成均匀的聚氨酯水性胶黏剂溶液；按照聚氨酯与硅藻土1:0.8-1.5的质量比，将硅藻土加入聚氨酯水性胶黏剂溶液中，缓慢搅拌5-10分钟，经过0.5-1小时的自然凝固后形成聚氨酯/硅藻土复合湿料，之后在80-90℃的烘箱中干燥12-24小时，得到包含聚氨酯和硅藻土的复合材料。

10、在本发明中，所述复合填料区的材料采用包含聚氨酯和硅藻土的复合材料的作用包括：聚氨酯具有疏水亲油的特性，硅藻土具有亲水疏油的特点，在制备过程中，自然凝固后形成聚氨酯/硅藻土复合湿料，硅藻土颗粒由于重力会存在自然沉降的过程，下部硅藻土的密度更大，更倾向于亲水，而上方聚氨酯浓度更高，更倾向于亲油，可以更利用油水的分离作用。当油水乳化液接触到包含聚氨酯和硅藻土的复合材料时，油滴会被吸引并聚集在超亲油聚氨酯表面上，而水滴则被排斥到亲水硅藻土表面上，并结合适当的进料压力，可以实现初次破乳。

11、进一步的，所述疏水亲油填料区的材料粒径为10-70μm，所述疏水亲油填料区按照粒径分为1-3层，并且粒径分布由上层至下层的依次增大。

12、在一具体实施方式中，所述疏水亲油填料区按照粒径分为2层，上层粒径为10-20μm，下层粒径为20-70μm。

13、在一具体实施方式中，所述疏水亲油填料区按照粒径分为3层，上层粒径为10-30μm，中层粒径为30-50μm，下层粒径为50-70μm。

14、所述疏水亲油填料区的材料采用改性硅藻土，所述改性硅藻土由包括以下质量百分比的原料制成：50-80％的硅藻土，10-30％的水溶性聚合物，5-15％的含有亲水基团的表面活性剂和5-15％的疏油性改性剂。

15、所述硅藻土的纯度≥90％，所述硅藻土的比表面积为300-500m2/g。

16、所述水溶性聚合物选自聚乙烯醇(pva)、聚丙烯酰胺(pam)、聚乙二醇(peg)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)中的一种或多种。

17、进一步的，所述水溶性聚合物所采用的聚乙二醇分子量范围为1000-20000，例如包括peg4000、peg6000。

18、所述含有亲水基团的表面活性剂为聚乙二醇、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠中的一种或多种。

19、进一步的，所述含有亲水基团的表面活性剂所采用的聚乙二醇分子量范围为200-1000，例如包括：peg200、peg400。

20、进一步的，所述烷基酚聚氧乙烯醚的分子量范围为300-1000。

21、进一步的，所述脂肪醇聚氧乙烯醚的分子量范围为300-1500。

22、所述疏油性改性剂选自有机硅烷、硅氧烷、长链烷基氯化物、碳氟表面活性剂、硅烷偶联剂中的一种或多种。

23、进一步的，所述有机硅烷包括：三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷。

24、进一步的，所述硅氧烷包括：聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷、羟基硅油。

25、进一步的，所述长链烷基氯化物包括：十八烷基三氯硅烷、十六烷基三氯硅烷。

26、进一步的，所述碳氟表面活性剂包括：全氟辛酸、全氟辛烷磺酸。

27、进一步的，所述硅烷偶联剂包括：3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷。

28、进一步的，所述改性硅藻土通过以下方法制得：

29、由水溶性聚合物配制前驱体溶液，水溶性聚合物占前驱体溶液的质量分数为10-20％，溶剂为水；在前驱体溶液中加入占前驱体溶液质量分数25-40％的硅藻土，搅拌均匀形成混合浆料；加入占混合浆料5-10％的发泡剂，在60-80℃的温度下搅拌形成泡沫凝胶；对泡沫凝胶进行造粒，使泡沫凝胶形成目标粒径，并在-20℃进行冷冻干燥16-24h；将干燥后的颗粒浸泡在含有亲水基团的表面活性剂和疏油性改性剂的溶液中2-4h进行吸附，与并通过化学反应固定，干燥后得到具有目标粒径的改性硅藻土颗粒。

30、其中通过化学反应固定是指颗粒和具有不同性质的含有亲水基团的表面活性剂、疏油性改性剂进行的有关机制的反应，最终达到包覆颗粒的目的。例如疏油性改性剂使用硅烷偶联剂发生的水解缩合反应，最终使得颗粒表面被硅烷偶联剂覆盖。

31、所述发泡剂为碳酸氢钠、碳酸铵、硅酸钠中的一种或多种，有助于在材料中形成更多的孔隙，提高材料的吸附和过滤性能。

32、在本发明中，所述疏水亲油填料区的作用包括：利用改性后硅藻土能够有效地吸附水相，排斥油相，确保水相在填料区内的顺畅流动；高纯度、高比表面积的硅藻土有助于提高水相的吸附效率，从而提高分离效果。

33、进一步的，所述亲水疏油填料区的材料粒径为50-100μm，所述亲水疏油填料区按照粒径分为1-3层，并且粒径分布由上层至下层依次减小。

34、在一具体实施方式中，所述亲水疏油填料区按照粒径分为2层，上层粒径为70-100μm，下层粒径为50-70μm。

35、在一具体实施方式中，所述亲水疏油填料区按照粒径分为3层，上层粒径为80-100μm，中层粒径为60-80μm，下层粒径为50-60μm。

36、所述亲水疏油填料区的材料为改性聚氨酯，所述改性聚氨酯为硬脂酸锌改性的聚氨酯。

37、所述改性聚氨酯通过以下方法制得：将硬脂酸锌颗粒按照质量比为1:10-50加入乙醇中进行超声分散10-30分钟，形成硬脂酸锌悬浮液；将聚氨酯海绵浸入硬脂酸锌悬浮液中，聚氨酯海绵和硬脂酸锌悬浮液的质量比为1:1-3；将浸涂后的聚氨酯海绵于80-110℃下固化3-5h后自然冷却，得到改性聚氨酯。

38、一种致密气压裂返排液的油水分离装置，其特征在于，包括壳体、上述填料单元、进料口、进料泵、出油口以及出水口；所述壳体内设有填料单元，所述填料单元包括由上至下依次设置的疏水亲油填料区、复合填料区、亲水疏油填料区；所述进料口设置在所述壳体的中间位置，连通所述壳体内的复合填料区，所述进料口外接进料管线，所述进料管线上设有进料泵。

39、在一可选实施方式中，所述出油口外接出油管线，所述出水口外接出油管线；在一可选实施方式中，所述油水分离装置还包括流量计，所述流量计设置在进料管线、出水管线和出油管线上。

40、在一可选实施方式中，所述油水分离装置还包括压力表；所述压力表设置在进料口附近的进料管线上，用于监测物料进口的压力波动变化；所述压力表设置在壳体上，用于监测罐体内的压力波动变化。

41、一种致密气压裂返排液的油水分离方法，包括以下步骤：使用上述油水分离装置，油水乳化液经进料泵控制进料速度并调节内部压力由进料管线进入壳体的进料口到达填料区；油水乳化液在复合填料区进行初次破乳分离油滴和水滴，分离后油滴上浮水滴下沉；夹杂部分水滴的油相在经过疏水亲油填料区时再次破乳分离，油滴被疏水亲油填料捕获后进一步凝结上浮，水滴被阻碍后下沉到复合填料区和亲水疏油填料区，最终分离出的油相通过出油口排出；夹杂部分油滴的水相在经过亲水疏油填料区时再次破乳分离，油滴受到亲水疏油填料的阻挡后上浮，水滴则通过亲水疏油填料，最终分离出的水相通过出水口排出。

42、所述进料速度为6-10bv/h，内部压力为0.05-0.15mpa。

43、例如，所述进料速度为6bv/h、7bv/h、8bv/h、9bv/h或10bv/h。

44、例如，所述内部压力为0.05mpa、0.06mpa、0.07mpa、0.08mpa、0.09mpa、0.1mpa、0.11mpa、0.12mpa、0.13mpa、0.14mpa或0.15mpa。

45、本发明的有益效果包括：

46、本发明可以实现致密气的压裂返排液中含有的轻质油类快速有效的水油分离。本发明通过合理设计填料区域内的填料分布，利用不同粒径的亲水疏油和疏水亲油填料，形成有效的孔径分布，实现油水的有效分离，这种方法能够显著提高分离效果，特别是对于细小油滴和高度稳定的乳化液，分离效率更高，显著降低了能耗，减少了运行成本。此外，本发明无需添加化学药剂，避免了药剂成本和二次污染问题，确保废水达标排放，同时保护环境和节约资源。另外，本发明的装置结构紧凑，占用空间小，甚至可以在工艺流程管线中直接添加，适用于各种工业现场，这种紧凑的设计使得本发明在空间受限的场合也能灵活应用。并且本发明操作简便，易于维护。操作人员只需调节进料速度和内部压力，即可实现稳定的油水分离过程。这种方法在实际应用中，可以大大降低操作人员的工作负担，提高工作效率，特别适用于油气田废水处理，如含有大量的油水乳化液的致密气压裂返排液的处理，特别适用于大规模连续处理和工业现场应用，具有广泛的应用前景和重要的社会价值。

47、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书所指出具体实施方式来实现和获得。