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油/水分離液 - 液圓柱CYCLONE*
劉海飛，徐鏡宇著
朱盼譯
[摘要]：在這篇文章油/水分離液 - 液旋流器的實(shí)驗(yàn)研究中，確定了分流比和流量對油/水分離性能的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：分流比增加，油/水分離效率提高。首先，我們需要找出最佳的分流比。超出最佳的分流比，在含水量保持恒定的情況下，溢出的油含量會降低。旋流器內(nèi)的油芯結(jié)構(gòu)的形成和相位分布的過程是由數(shù)值模擬完成的。此外，對分離效率的雷洛數(shù)和分流比基于量綱分析，比較之間的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能得出很好的印證。
[關(guān)鍵詞]：圓柱旋風(fēng)，油/水分離，分流比，流量，含水率
介紹：
????隨著陸上油田的老化和海洋石油領(lǐng)域的大規(guī)模開采，多相分離技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)幾大油田的油氣水分離裝置，多相分離器仍主要是基于對這些傳統(tǒng)的分離技術(shù)，如重力沉降和電解分離。由于到深海的平臺安裝受設(shè)備的空間和重量的限制，重要的是要開發(fā)緊湊和高效的油/水分離器。
?將數(shù)種分離器的使用分離方法合并并利用其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高效的分離。最近，他們已經(jīng)吸引了石油行業(yè)的濃厚興趣。力學(xué)研究所，中國科學(xué)學(xué)院按照組合共同使用的原則，重力，膨脹和離心分離器，并已成功應(yīng)用于幾個(gè)陸上油田。最近提出了一種新型的管道線式油/水分離器。這種新的分離系統(tǒng)享有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：緊湊型的幾何形狀，分離效率高，維修方便。圓柱氣旋是一個(gè)新穎的管道式的油/水分離器的主要組成部分。
?圓筒形旋流器是一個(gè)垂直的切向入口管和兩個(gè)出口，使用離心分離技術(shù)，它是一個(gè)簡單的，緊湊的，低重量和低成本的分離器。圖1是圓筒形旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖。兩種不混溶液體形成的混合物通過切向入口流動到筒狀的旋流器一個(gè)強(qiáng)有力的回旋流場中。由于密度差的密度越大,分量傾向于積聚壁附近的和螺旋的底部出口（下溢），而較輕的成分流入的圓筒形旋流器，以形成反向流動的纖芯區(qū)域，從頂部出口溢出。圓筒形旋流器的機(jī)理是很象傳統(tǒng)的水力旋流器，但用的圓筒形旋流器的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如更穩(wěn)定的油芯，更大的容量和更低的壓力損失。最初，圓筒形氣旋分離，用的氣 - 液混合物，氣 - 液的圓筒形旋流器。他們成功地投入使用，在石油工業(yè)中。在近十年中，液 - 液圓柱氣旋分開油/水mixture.Most的相關(guān)研究，采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）在圓柱氣旋預(yù)測多相流特性，流場以及分離機(jī)構(gòu)的性能，研究主要集中在圓柱氣旋。在本文中，提出了一種高效的液 - 液圓筒形旋流器，揭示了分流比和流速對油/水在液 - 液的圓筒形旋流器的分離性能的影響。為了進(jìn)一步了解在旋風(fēng)油/水分離和相位分布的詳細(xì)過程，進(jìn)行數(shù)值模擬out.Finally，通過三維分析，一個(gè)簡單的模型是建立在預(yù)測的分離效率上的。
1實(shí)驗(yàn)裝置和程序
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)研究所，中國科學(xué)院學(xué)報(bào)上的多相流設(shè)施。油/水分離系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）供給模塊，包括相儲罐，液相泵，流體流量計(jì)和混合物分離器，（2）液 - 液圓筒形旋流器，由透明的有機(jī)玻璃管，用來目視觀察的油/水分配，這是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件，如圖3中所示，（3）數(shù)據(jù)采集模塊，包括控制臺，相體積分?jǐn)?shù)檢測裝置，泵的壓力換能器和camera.In實(shí)驗(yàn)中，將水和油從它們各自的儲罐，進(jìn)入管道通過一個(gè)丁字路口。在混合之前，水的流速由橢圓齒輪流量計(jì)測量流速的電磁流量計(jì)和油計(jì)量。將混合物沿著一根4米長的水平管，然后通過一個(gè)噴嘴，再讓大的橫截面面積的20％的截面位于旋流器入口切向引入到筒狀氣旋的樣品的移動設(shè)備和一個(gè)壓力傳感器位于上面的入口和每個(gè)插座。上溢和下溢管中的閥門，允許流率離開的圓筒形旋流器的控制。放置一個(gè)攝像頭記錄下油/水分離過程。在分離流溢出和下溢流進(jìn)入分離器后進(jìn)一步根據(jù)重力分離。最后，油和水會流回到油箱和水箱。
所有實(shí)驗(yàn)均在室溫溫度和大氣的出口壓力。圓柱氣旋在這項(xiàng)研究中所使用的主要幾何尺寸如下：D = 0.05米，Di = 0.05 米 Do= 0.05米，Du= 0.04 米，L = 0.9米，H = 0.1米，所示如圖3所示。水和白油作為試驗(yàn)液體。主相是水,密度為998公斤/米和0.001千克/立方米·秒的粘度值。第二階段油的密度和粘度是840千克/立方米和0.215千克/米·秒，分別對水流量率變化為2.5米/小時(shí)，油8.75米/小時(shí)，從4％到30％的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。我們總共有195個(gè)實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)。
2結(jié)果和分析
2.1油/水分離分流比的影響
?分流比，定義為溢出的液體流速和入口的液體流速之間的比率，其中一個(gè)最重要的操作para-m。在下面將要討論分流比對油/水分離效果上的影響。
??2.1.1含水率
?在給定的進(jìn)氣條件下，指定的分流比例是通過調(diào)節(jié)球閥出水管調(diào)節(jié)的。圖4示出的圖片序列中的分流比對油芯形狀的影響。在進(jìn)氣口的表面的水和油的流速，0.743米/秒和0.182米/秒，進(jìn)油餾分為19.7％。油/水混合物在離心力的作用被分離后，切向引入到氣旋，但油芯的形狀是不明確的，并且大部分油與水由下溢管溢出。當(dāng)分流比增加至24.2％，可以看出，在底流中有少量石油。在流分流比為27.4％或31.4％，在旋流器中的油芯的形狀是很清楚的，只有干凈的水，觀察中的下溢。然后，當(dāng)分流比達(dá)到35.6％，油進(jìn)入氣旋直接排放從溢流管，并在旋流器中無油芯形成。
??分流比對中的下溢的含水率的影響，如圖5所示為水的分流比的函數(shù)作圖。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)水的流量是固定的，入口的燃油流量逐漸增大。水的速度的研究被認(rèn)為是在輸入油的體積分?jǐn)?shù)為4％至30％不等。在圖5中，表面的水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢钥闯?，與上面水切下溢的分流比的影響是類似的。以水流速為0.743米/ s為例子，表面油速度0.037米/秒，0.072米/秒，0.182米/秒，0.282米/秒和0.315米/秒，其中產(chǎn)量的油量分?jǐn)?shù)為4.7％ ，8.8％，分別為19.7％，27.5％和29.8％。目標(biāo)分流比下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn) ，而輸入柴油餾分是固定的，隨著分流比下溢的增加，水切割，表示增加分流比，可以提高在旋流器中的油/水分離。它也可以被觀察到，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比在旋流器中，當(dāng)僅干凈的水，觀察中的下溢和盡快的分流比是大于該值的，實(shí)驗(yàn)為油/水分離進(jìn)一步改善。對于不同的輸入油的體積分?jǐn)?shù)，這些最佳分流比也發(fā)生了變化。在這些條件下，最佳的分流比是15.3％，22.5％，27.4％，37.1％和38.5％，分別。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過分離在CYC，底流中的油的體積分?jǐn)?shù)可以被減少到百萬分之一以下的值。
2.1.2溢出的含油量
??圓筒形旋流器的溢流含有大量的油。通過油/水分離，我們不僅應(yīng)該有干凈的水溢，但我們也應(yīng)該有純油溢出或至少有一個(gè)油價(jià)高體積分?jǐn)?shù)盡可能高。圖6顯示了在溢出的油分含量的分流比的影響。圖6（a）和6（b）表示的情況下，地表水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢杂^察到，在溢出的油分含量的分流比的影響是類似的。根據(jù)目標(biāo)輸入油的體積分?jǐn)?shù)，與分流比的增加，在溢出的油含量先增大然后減小。這是因?yàn)樵诘土髁糠指畋戎挥猩倭康囊后w彈出從溢流出口和油芯的中心形成的旋風(fēng)不能成功被夾帶在溢流流體中。雖然分流比例適當(dāng)增加了更多的液體會從溢流口流出。但是，如果分流比要高得多，油芯不能與溢流排出，和一定量的水混合成的油芯，并在溢出流夾帶，導(dǎo)致增加的油含量。從圖6還可以看出，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比的溢出。與流過下溢，為低輸入油的體積分?jǐn)?shù)，例如4.7％，8.8％和19.7％，在實(shí)驗(yàn)中的情況下，這兩個(gè)最佳分流比的最佳分流比比較類似的，但油體積分?jǐn)?shù)高達(dá)27.5％和29.8％時(shí)，溢出的最佳分流比是遠(yuǎn)低于該下溢的。????
2.2流速對油/水分離的影響
相同的入口油體積分?jǐn)?shù)下的含水率和相同的分流比的混合物的流速與在圖7中示出。在實(shí)驗(yàn)過程中，油體積分?jǐn)?shù)和分流比分別為10％和20％。隨著流量的增加，離心力增大，因而在旋流器中分離的油/水的流量的不斷增加，在該點(diǎn)后，使含水急劇下降。這些現(xiàn)象可以解釋如下：在旋流器中的油/水分離過程中，入口流率的顯著增加可以使油滴打破了由于過度的剪切力和紊流，在高流速低的壓力（通常為圓筒形旋流器軸線），在該混合物中溶解的氣體將被釋放，并阻礙了分離。
2.3數(shù)值模擬
? 到目前為止，我們已經(jīng)討論了圓柱形旋風(fēng)的油/水分離性能，從宏觀的角度來看，由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的限制，這是很難很好地模擬在旋流器中的多相流動特性。為了進(jìn)一步了解油/水的詳細(xì)分離過程，在圓筒形旋流器的相位分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。圓柱氣旋的數(shù)值模擬是基于商業(yè)CFD代碼“Fluent6.3.26”，采用有限體積法離散微分方程描述的多相流。強(qiáng)大的漩流旋風(fēng)，旋風(fēng)采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）捕捉到湍流的各向異性。被施加到模擬的油/水的二相流的Euler多相流模型。給出如下的數(shù)學(xué)模型。
2.3.2邊界條件
在數(shù)值模擬中的圓筒形旋流器的幾何尺寸如圖1所示。共使用3.5×10?網(wǎng)格單元。將水和油是用來作為測試液體。在入口處，一個(gè)速度入口條件被指定。正確指定的湍流參數(shù)和正常速度及各相的相體積分?jǐn)?shù)。定義下溢和溢出的邊界條件基礎(chǔ)上的流量和出口壓力。簡單的算法是用于壓力速度耦合和二階迎風(fēng)計(jì)劃，被應(yīng)用到插入字段變量控制量的面孔。迭代過程繼續(xù)進(jìn)行，直到連續(xù)性殘余被減少到1.0×10-6，對兩個(gè)出口相流率進(jìn)行監(jiān)視，以判斷圓筒形旋流器的流動穩(wěn)定與否。
?2.3.3數(shù)值結(jié)果
圖中顯示了圓筒形旋流器數(shù)值模擬的油芯結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)發(fā)展。入口的水和油的表面速度為0.5米/秒和0.1米/秒，下溢和溢流出口之間的壓力差為0.75千帕，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測量，可以觀察到圓筒形氣旋初始填充，水與油/水的混合物被引入到氣旋，由于離心力的存在，水相流向旋流器的壁，而油相被積累在中心。經(jīng)過大約26 s的計(jì)算，相分布在圓柱氣旋變得相當(dāng)穩(wěn)定，油分芯變形非常小。
??在旋流器中的油相的橫截面的分布，圖9中給出。圖9（a）示出的油芯結(jié)構(gòu)和其他三個(gè)數(shù)字（B，C和D）示出的油相的輪廓線的距離為2，6和10相差的水平入口管直徑，與相差的進(jìn)樣口的距離的增加，油芯變成更修長，并最終消失。油體積分?jǐn)?shù)在中心和旋流器壁附近的低得多。在旋流器中的相位分布是不對稱的，因?yàn)閱蝹€(gè)入口安排MENT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證上述模型。圖10顯示了比較的水切割之間的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)線表示模擬的解決方案。對于那些低流量分割比例，最大相對通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差不超過2.7％，這表明，上述模型可以預(yù)測油/水二相流在圓筒形旋流器分離相當(dāng)不錯(cuò)。
3分離效率預(yù)測
圓筒形旋流器的分離效率取決于許多參數(shù)，主要包括結(jié)?構(gòu)參數(shù)，操作參數(shù)和物理參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)是主要的圓筒形旋流器的幾何尺寸，如旋流器直徑D，氣缸的高度H。可以觀察到，從圖11（一），對于不同的雷諾數(shù)，分流比和下溢的含水的功能之間的關(guān)系是相同的。實(shí)曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖嵌合。此外，所有的曲線遵循相同的玻爾茲曼分布。比較實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算的。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)值是±2％的偏差區(qū)域內(nèi)。之間找到一個(gè)合理的合適的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值。圖12（b）表示溢出的油分含量的實(shí)驗(yàn)值與從方程（14）獲得計(jì)算出的值進(jìn)行比較，可以看出，式（14）描述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分在±10％之內(nèi)。
?4。結(jié)論
進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中的液 - 液圓筒形旋流器來模擬油/水分離的分流比和流速對分離效率的影響,也進(jìn)行了數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解油芯結(jié)構(gòu)的形成過程中的相位分布的圓柱氣旋。從結(jié)果來看，可以得出的主要結(jié)論如下：（1）分流比是一個(gè)影響油/水液 - 液的圓筒形旋流器分離效率的關(guān)鍵參數(shù)。分離效率隨著分流比的增加而增加。但也有一定的入口條件下的最佳分割比例。分割比率高于最佳則被認(rèn)為是干凈的水溢流和含水保持恒定，而在溢出的油含量因分割比進(jìn)一步增加開始減小。（2）適當(dāng)增加入口流量可以提高油/水分離效率。然而，一個(gè)極端的高流率可能會妨礙由于油/水乳化和溶解的氣體的分離。（3）圓筒形旋流器被引入到油相后，由于離心力的存在下，蓄積在中心。相位分布往往是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約幾秒鐘后，含水量數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明該數(shù)值模型來預(yù)測油/水兩相流的圓柱氣旋相當(dāng)不錯(cuò)。（4）通過一維分析，分離效率的雷諾數(shù)和分流比的函數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出相同的趨勢，之間得到良好的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是對下溢，含水的偏差在±2％之內(nèi)。
參考文獻(xiàn)
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目錄
1前言 1
2.選題背景 2
3方案論證 3
3.1油水分離器的主要特點(diǎn) 3
3.2工作原理 4
4.旋液式油水分離器結(jié)構(gòu) 6
5.旋液分離器尺寸的計(jì)算 7
5.1主直徑的選取 7
5.2旋流器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì) 8
5.3溢流口流量和底流口流量的計(jì)算 10
6.水力旋流器的制造和安裝 11
6.1 水力旋流器在制造上的要求 11
6.2材料選擇 12
6.3 常用的制造方法 13
6.4安裝 15
7幾何參數(shù)對水力旋流器性能的影響 15
7.1進(jìn)料口尺寸 15
7.2旋流器直徑 16
7.3錐角 16
7.4溢流管尺寸 16
7.5底流口尺寸 16
8操作參數(shù)對水力旋流器的影響 16
8.1分離效率與進(jìn)口流量之間的關(guān)系 16
8.2分流比F與分離效率之間的關(guān)系 17
8.3分流比與壓降比之問的關(guān)系 17
9.影響旋流器分離效率的因數(shù) 18
9.1旋流器的準(zhǔn)數(shù) 18
9.2主要影響因素 18
9.2.1 尺寸變量 18
9.2. 2操作變量 20
9.2. 3物性變量 20
致謝 23
目錄
任務(wù)書 I
開題報(bào)告 III
指導(dǎo)老師審查意見 XI
評閱老師評語 XII
答辯會議記錄 XIII
中外文摘要 XIV
1前言 1
2.選題背景 2
3方案論證 5
3.1油水分離器的主要特點(diǎn) 5
3.2工作原理 6
4.旋液式油水分離器結(jié)構(gòu) 8
5.旋液分離器尺寸的計(jì)算 9
5.1主直徑的選取 9
5.2旋流器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì) 10
5.3溢流口流量和底流口流量的計(jì)算 13
6.水力旋流器的制造和安裝 14
6.1 水力旋流器在制造上的要求 14
6.2材料選擇 15
6.3 常用的制造方法 17
6.4安裝 18
7幾何參數(shù)對水力旋流器性能的影響 19
7.1進(jìn)料口尺寸 19
7.2旋流器直徑 19
7.3錐角 19
7.4溢流管尺寸 19
7.5底流口尺寸 19
8操作參數(shù)對水力旋流器的影響 20
8.1分離效率與進(jìn)口流量之間的關(guān)系 20
8.2分流比F與分離效率之間的關(guān)系 20
8.3分流比與壓降比之問的關(guān)系 20
9.影響旋流器分離效率的因數(shù) 21
9.1旋流器的準(zhǔn)數(shù) 21
9.2主要影響因素 21
9.2.1 尺寸變量 22
9.2. 2操作變量 23
9.2. 3物性變量 23
10.結(jié)論和認(rèn)識 25
參考文獻(xiàn) 25
致謝 27
致謝
1前言
水力旋流器(Hydrocyclonc)是一種分離非均相液體混合物的設(shè)備，它是在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離的。由于離心力場的強(qiáng)度較重力場大的多，因此水力旋流器比重力分離設(shè)備效率要大的多。
早在1891年，Bremey就在美國申請了第一個(gè)水力旋流器專利。但在隨后的幾十年時(shí)間里水力旋流器一直主要被用做固．液兩相介質(zhì)的分離裝置，從水中分離固體介質(zhì)，如煤的精選等，且僅限于在采礦工業(yè)中使用，末被其它行業(yè)所重視與引用。二次大戰(zhàn)前后，學(xué)科之間的溝通與交流極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，化工、冶金、石油加工、動力發(fā)電、廢水處理、造紙等部門都開始應(yīng)用，但仍是做為固．液兩相介質(zhì)的分離裝置。近二三十年來，隨著其用途的不斷擴(kuò)大，它的理論研究、實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)、加工制造各方面都有了長足進(jìn)步。同時(shí)，它的用途也由主要進(jìn)行固．液分離，擴(kuò)展到兩種不互溶流體介質(zhì)的液一液分離和氣．液分離，甚至三相分離等，如液體凈化、泥漿稠化、液體脫氣、固體區(qū)分、固體介質(zhì)的沖洗、按密度或形狀將固體分類等，現(xiàn)在水力旋流器已成為多用途的高效分離裝置。
上世紀(jì)60年代末期，英國Southampton大學(xué)的MartinThew等人開始研究用水力旋流器分離油、水兩種液體介質(zhì)的可能性。從70年代起，他們進(jìn)行了將近10年的研究，得到了肯定的結(jié)論，并設(shè)計(jì)出樣機(jī)。從此開始了水力旋流器應(yīng)用的另一個(gè)新領(lǐng)域，液．液或液．氣的兩相分離。由于旋流分離具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，旋流脫油技術(shù)在發(fā)達(dá)國家含油污水處理特別是在海上石油開采平臺上已成為不可替代的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
1989年中國海洋石油公司與美國Amoco石油公司在中國南海聯(lián)合開發(fā)的流花11．1油田，開始在海上石油開采平臺上使用旋流分離器處理含油污水。二十多年來的科學(xué)研究及工程實(shí)用結(jié)果表明：旋流分離作為一種高效分離技術(shù)，其使用場合并不僅僅局限于污水除油方面，如同重力分離技術(shù)一樣。其在原油脫氣、脫水、除砂以及原油和污水凈化等方面都存在著技術(shù)上的可行性、經(jīng)濟(jì)上的必要性和工程應(yīng)用上的廣闊前景。
2.選題背景
它的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到各行各業(yè)。從其可分離的類型上看，除了對完全溶解于液體介質(zhì)的物質(zhì)不能分離(溶于液體中的氣體，在水力旋流器中也可部分地分離)，以及對乳化液難于分離(可加入破乳劑后再行分離)外，其它的兩相或三相介質(zhì)均可分離。如液--固、氣--固、液--氣、液--液、液--氣--固三相的分離，甚至密度不同，或形狀不同的兩種固體顆粒亦可用水力旋流器分離。同時(shí)，對水力旋流器的操作特性許多學(xué)者作了專門研究，對它的應(yīng)用場合，運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇與確定都有了合理的依據(jù)。因此，水力旋流器在實(shí)際應(yīng)用中大都取得了很好的分離效果，經(jīng)濟(jì)效益可觀。許多學(xué)者專門研究了水力旋流器各部分幾何參數(shù)的合理確定的問題，研究了幾何尺寸變化對分離性能的影響，如，溢流口徑和底流口徑的形狀及大小的改變、圓錐角的變化、尾管長度等，從而逐漸得出了幾組合理的幾何尺寸。
再次，水力旋流器的設(shè)計(jì)與制造方面，固一液水力旋流器已有幾種定型的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)經(jīng)使用證明較為合理。其中以Rietema，Bradley和Kelsall的三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最普遍，效果最好．他們的選擇與比例放大也有自己的關(guān)系式，這些關(guān)系式都是通過試驗(yàn)推出的，具有半經(jīng)驗(yàn)性。液一液水力旋流器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，最為合理的是Thew等人的設(shè)計(jì)，他們在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研充。其效果十分明顯。但液一液水力旋流器的選擇與比例放大的理論工作。目前還很不完善，沒存提出什么合理的可供遵循約關(guān)系式。水力旋流器的制造技術(shù)也大大提升了，在保證精度以確保水力旋流器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性前提下，制造方法不斷改善。最明顯的是液一液水力旋流器的制造，許多國家巳用非金屬材料(如聚胺酯等)代替金屬材料，用注塑方法加工生產(chǎn)．同時(shí)將幾個(gè)水力旋流器制造在一個(gè)外殼內(nèi)，加大了處理量，又降低了成本。
對于油中分散水進(jìn)行處理的水力旋流器取得的成功較少。一篇較早的論文采用了傳統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu), 實(shí)驗(yàn)從水為連續(xù)相延續(xù)到油為連續(xù)相, 而且實(shí)驗(yàn)采用的也是塑料顆粒, 以免乳化。實(shí)驗(yàn)沒有得出合理的分離結(jié)果, 即使是采用水-煤油混合液。但是實(shí)驗(yàn)也的確給出結(jié)論認(rèn)為壁面的潤濕性是顯著的。對全錐角為60和具有低剪切擴(kuò)大入口的旋流器進(jìn)行水/煤油實(shí)驗(yàn)的結(jié)果全面總結(jié), 揭示出分流比和入口含水量對分離壓降的影響, 以及僅以水為介質(zhì)時(shí)對軸向速度分布的影響。一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是比值Rf/Cf(分流比與含水量之比), 這個(gè)比值的理想值為當(dāng)水剛剛發(fā)生突破進(jìn)入溢流時(shí)的值1, 實(shí)驗(yàn)中最小值為1. 1。對水滴的破碎情況與固體顆粒和類比液滴在同一旋流器內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行了檢查對比。
從油中分離水(或鹽水), 當(dāng)油的粘度接近水的5倍時(shí), 很明顯沒有什么成功的先例, 當(dāng)然界面的自然性質(zhì)也是極為重要。最近的研究表明正確匹配的破乳劑可改善分離效率30%, 這主要是增強(qiáng)了液滴的聚結(jié)。這項(xiàng)研究也暗示了應(yīng)當(dāng)對幾何尺寸進(jìn)行修正, 以便正確確定停留時(shí)間, 使表面活性劑充分發(fā)揮作用, 而且由于兩個(gè)排出口停留時(shí)間分布( RTD)是不同的, 因此也包括對分流比的調(diào)整。
我國在液-液旋流分離技術(shù)研究方面起步較晚。80年代末, 國內(nèi)有關(guān)科研單位開始正式成立旋流器科研課題進(jìn)行研究。他們在引進(jìn)成套旋流器的同時(shí), 根據(jù)國外文獻(xiàn)資料中提供的液-液旋流器模型尺寸比例, 結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 設(shè)計(jì)出適合我國油田實(shí)際情況的液-液旋流器。其中江漢石油機(jī)械研究所設(shè)計(jì)的XL- 10型液-液旋流分離器,油田現(xiàn)場試驗(yàn)的分離效率為0.94; 大慶油田設(shè)計(jì)院于1992年設(shè)計(jì)的雙錐型旋流器的除油效率基本達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的指標(biāo); 勝利油田勘探設(shè)計(jì)院同沈陽新陽機(jī)器制造公司合作開發(fā)的預(yù)分離旋流器和污水處理旋流器的分離效率分別在80%以上, 但在現(xiàn)場應(yīng)用中性能還不穩(wěn)定。
此外, 石油大學(xué)(華東)油氣集輸教研室在開展液-液旋流分離技術(shù)研究以來, 先后在結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)研究、旋流管外特性研究、旋流管流場數(shù)值模擬方面取得了很大的進(jìn)展。開發(fā)出了35mm、28mm和20mm高效、低耗系列油水預(yù)分、污水除油旋流管, 在壓降小于0. 3MPa時(shí), 處理量分別為6. 2m3/h、4. 1 m3/h、2. 2 m3/h。其中除油旋流管底流出口水中含油指標(biāo)達(dá)到國外同類旋流器的性能指標(biāo)。并且開發(fā)出的部分旋流管已經(jīng)推廣應(yīng)用到勝利油田和大港油田, 目前正著手把初步的研究成果轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化。
盡管在理論分析方面和計(jì)算流體力學(xué)( CFD)方面水力旋流器研究穩(wěn)步向前發(fā)展, 但水力旋流器研究基本上仍以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。LDA的出現(xiàn)使穩(wěn)態(tài)和紊流情況下高渦旋速度場的無侵入式測量成為可能, 而且該技術(shù)已從70年代早期的一維測量發(fā)展到今天的三維測量。實(shí)驗(yàn)架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是獨(dú)立控制流量和液滴粒徑, 結(jié)合利用等動量取樣進(jìn)行進(jìn)出口液滴粒徑測量。盡管在線激光衰減散射法在含油濃度測量的精度上不如傳統(tǒng)的溶解萃取紅外線法,但激光在線法卻遠(yuǎn)比萃取法方便得多。雖然LDA是單點(diǎn)測量, 但當(dāng)使用染色劑或鹽示蹤劑時(shí), 停留時(shí)間的確定可以給出合成的圖像, 盡管只是針對連續(xù)相成份。
盡管Kimber和Thew用圓筒形水力旋流器分出了大約90%的油, 但這是不適合于商業(yè)應(yīng)用的。在研究中, 他們很看重多入口的重要性, 認(rèn)為多個(gè)入口可實(shí)現(xiàn)油核的線性, 使油核具有最小的回旋。他們還發(fā)現(xiàn)在底流端具有軸向出口而不是切向出口情況下具有最低的紊流強(qiáng)度。然而, 油芯向出口的流動對軸向出口設(shè)在入口端及底流端的兩種情況都不能令人滿意。前者得不到穩(wěn)定的反向流動的核芯, 而后者會出現(xiàn)導(dǎo)致油被捕獲的周期性的不穩(wěn)定性, 或者說已分開的油和水會發(fā)生片刻的混合。(細(xì)小的聚丙烯粉用來模擬油滴, 具有更高的攝像可視性, 避免偶合和破碎現(xiàn)象)。
Colman和Thew發(fā)現(xiàn)增加非常小的錐角, 如小到1°~ 2°全錐角, 會導(dǎo)致徑向流動的不同, 特別是當(dāng)為了降低剪切和壓降而顯著擴(kuò)大入口截面時(shí)。與長圓柱幾何結(jié)構(gòu)相比, 錐管結(jié)構(gòu)可以給出穩(wěn)定的、直徑細(xì)小的反向流核芯, 而且允許在極小的溢流孔徑下工作。實(shí)驗(yàn)所得到的最好結(jié)果是在沒有渦流探測管(Vortex finder)的情況下。長的圓柱尾管是構(gòu)成旋流器整體所必須的部件, 在圓柱尾管里小粒徑的液滴移向軸線上的反向核芯。
發(fā)展的步伐逐漸加快。1983年Colman和Thew發(fā)表文章公布了一些概括出的關(guān)系式和級效率曲線(粒徑測試采用庫爾特計(jì)數(shù)器, CoultreCounter), 盡管這篇文獻(xiàn)中優(yōu)化的斯托克斯數(shù)St ( StokesNumber)和雷諾數(shù)Re( ReynoldsNumber) 之間的關(guān)系式被后來發(fā)現(xiàn)是錯(cuò)誤的。液-液水力旋流器裝置的工作可采用計(jì)算機(jī)控制, 例如, 一個(gè)3段式水力旋流器裝置采用計(jì)算機(jī)在線控制, 如果超聲探針探測到入口有一油流段塞, 可自動控制將油流切換到污油罐去。盡管計(jì)算機(jī)控制在操作上是令人滿意的, 但在旋流器本身仍沒有被驗(yàn)證的情況下, 該應(yīng)用被油田所接受還需要很長時(shí)間。
八十年代中期以后, 流場測試的結(jié)果開始出現(xiàn)。然而, 由于對實(shí)驗(yàn)室中的模擬感到懷疑, 尤其是對界面的化學(xué)和物理性質(zhì)感到懷疑, 后來的工作變得遲緩了。然而, 對旋流器幾何尺寸的影響的深入研究,尤其是對入口旋渦的檢驗(yàn), 否認(rèn)了斯托克斯數(shù)與歐拉數(shù)乘積為常數(shù)的說法, 認(rèn)為這很有可能是由于液滴的變形或破碎造成的, 最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)理論研究證實(shí)尾直管是必須的。這項(xiàng)研究還計(jì)算了液滴的軌跡, 進(jìn)而表明最近提出的除油水力旋流器理論分析模型需要改正, 這個(gè)模型顯示尾直管內(nèi)的液滴沒有經(jīng)反向流到達(dá)溢流。
一篇關(guān)于CFD的論文展現(xiàn)了與實(shí)驗(yàn)對比的結(jié)果, 特別是關(guān)于除油旋流器的情況。文章表明這項(xiàng)工作還有很長的路要走。
總之．水力旋流器出于其特珠的分離機(jī)理及結(jié)構(gòu)持證，使它成為獨(dú)具一格的一種分離裝置．在一定的應(yīng)用場合它比任何其它的分離設(shè)備更便于使用。特別是在石油工業(yè)．尤其是今后三次采油技術(shù)的全面推廣后，水力旋流器的應(yīng)用將更為廣泛?？梢灶A(yù)見．今后若干年內(nèi)，它必將發(fā)揮巨大的效益．在我國石油工業(yè)等部門中獲得更廣泛的應(yīng)用。
3方案論證
3.1油水分離器的主要特點(diǎn)
圍繞實(shí)現(xiàn)液—液旋流分離的問題，國內(nèi)外研究者經(jīng)過多年研究，在以下方面人們?nèi)〉昧斯沧R：
（a）產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流，使分散相有足夠的徑向遷移：
（b）旋流腔徑要小，要有足夠大的長徑比，以產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流。避免過大壓降，分散相有充裕的滯留時(shí)間；
（c）較輕的分散相總是趨向于流心，因此流心附近的液流層必須穩(wěn)定，如果流心搖擺就會出現(xiàn)相的重混；
（d）旋流器有很小的圓錐角，導(dǎo)流口的形狀和位置能使液流剛好旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸與幾何軸線重合，避免分散相的剪切。
結(jié)合以上的基本要求，現(xiàn)在所研究的除油型水力旋流器(以下簡稱油水分離器)是一種較為理想的油水分離設(shè)備，它具有以下特點(diǎn)：
(1)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，尤其適用于海上石油鉆井平臺等場合；
(2)分離效率高，對含油污水的濃度適用范圍廣；
(3)操作簡單，設(shè)備的維修少，因?yàn)樗π髌鞯慕Y(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件，設(shè)備出現(xiàn)故障的機(jī)會少，可長期連續(xù)運(yùn)行：
(4)對于有較大壓力的含油污水(如油田注井水)可不需其他動力，對低壓的進(jìn)料經(jīng)過加壓也可較好的分離。與其他處理方法相比，用水力旋流器處理處理含油污水可節(jié)省大量能源；
(5)由于依靠強(qiáng)大離心力場作用，油滴在設(shè)備中停留的時(shí)間短(2-3s)，對含油污水的較大濃度波動或流量波動能很快地適應(yīng)；
(6)對基礎(chǔ)的運(yùn)動不敏感。
3.2工作原理
將需要分離的兩相混合液以一定的壓力從旋流器圓筒體上部的切向進(jìn)料口注入，從而在器內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,由于輕重兩相的密度差異，重相沿錐體器壁向下，形成外旋流并在下部的底流口排出，而輕相則受流體的拽力向內(nèi)部運(yùn)動，并被向上的內(nèi)旋流由溢流口帶出從而完成兩相液--液水力旋流器的分離原理，與固--液分離十分相似,它是利用兩種混合在一起但不互溶的液體之間的密度差，在水力旋流器體內(nèi)進(jìn)行離心分離。但液--液分離要比固一液分離困難得多，其主要原因是：①一般兩種液體之間的密度差較小，如油與水的密度差一般只有0.1至0.2g/cm3左右，而固--液兩種介質(zhì)之間的密度差常常較大，有時(shí)會有幾倍的差別。②分散相的液體介質(zhì)，不論其密度較連續(xù)相液體介質(zhì)大或小，都是以小滴的形式存在。這些液滴沒有固定不變的形狀，在力的作用下極易變形，有時(shí)甚至?xí)屏?。因此．兩種液體混合的介質(zhì)在水力旋流器中分離時(shí)．既要求液流在水力旋流器體內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，以保證液滴有足夠的力沿徑向方向移動，又要防止液滴在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到過大的切向剪應(yīng)力致使液滴破碎，分裂成更細(xì)小的液滴，導(dǎo)致分離更加困難。這都是液--液分離水力旋流器的應(yīng)用較固--液水力旋流器晚了近一百年的原因。
下面進(jìn)一步分析一下液--液分離的過程。兩種液體介質(zhì)的混合物由入口切向進(jìn)入旋流腔后，在內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流。然后由旋流腔經(jīng)過很短的大錐角段后，迅速過渡到錐角很小面長度較大的小錐角段，其后進(jìn)入一個(gè)長度較大直徑較小的圓拄狀尾管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)使進(jìn)入旋流腔后高速旋轉(zhuǎn)的液體很快收縮到細(xì)長的小錐角段內(nèi)，這一段直徑變化緩饅，旋轉(zhuǎn)加速度的變化趨于緩和。同時(shí)，液體渦流在細(xì)長的小錐角段及尾管中存留時(shí)間稍有增加，而液滴在小直徑孔中沿徑向向軸線移動的路徑就短，液滴受到的切向力也減小。因之，分散相液滴在連續(xù)相介質(zhì)中的分離更平穩(wěn)，分離的機(jī)率大大增加。在保證液滴分離的同時(shí)，減少了其破碎的幾率，即使部分液滴破碎成更小的尺寸，也會在長的小錐角段甚至在尾管中進(jìn)一步分離出。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的這些要求，決定了液--液用水力旋流器比同直徑的固--液水力旋流器的長徑比大很多，因而總長度也大好幾倍。
圖1工作原理示意圖
如圖1，在液--液分離中，連續(xù)相介質(zhì)可能比分散相介質(zhì)重(如從水中分離出所含的少量油)，也可能比分散相介質(zhì)輕(如從油中分離所含的少量的水)。以上兩種不同的情況的分離，原理相似，但水力旋流器的結(jié)構(gòu)會略有不同。分散相介質(zhì)較連續(xù)相介質(zhì)輕時(shí)，兩種介質(zhì)混合物在水力旋流器體內(nèi)分離時(shí)，輕質(zhì)分散相向軸線附近移動，形成輕質(zhì)分散相的核心，并向上從溢流口排出，而分散相介質(zhì)較重時(shí)，它在水力旋流器體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會向器壁移動，并向下從底流口排出。所以溢流口與底流口直徑及水力旋流器的其它某些結(jié)構(gòu)參數(shù)會根據(jù)分散相介質(zhì)的濃度及性質(zhì)而做相應(yīng)的改變。
此外，由于液體在水力旋流器體內(nèi)形成渦流．而渦流中心處的壓力最低．溶于液體內(nèi)的氣體會分解出，在軸線附近形成一個(gè)“氣核”。不論固--液分離與液--液分離。這個(gè)氣核都是存在的。實(shí)踐證明．這個(gè)氣核的存在不會影響分離過程．有時(shí)還對分離有利。
與固--液分離相同，用水力旋流器進(jìn)行液一液分離也是不完全分離。從溢流中排出的液體并不完全是輕質(zhì)相介質(zhì)，會同時(shí)排出少量重質(zhì)相介質(zhì)。而從底流中排出的液體，不可避免地會含有少量輕質(zhì)相介質(zhì)。但只要操作變量控制恰當(dāng)，分離效率完全可達(dá)到90％-95％以上，有的液--液分離水力旋流器約分離效率高達(dá)98％，能滿足一般分離要求。
4.旋液式油水分離器結(jié)構(gòu)
圖2 southampton型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖
水力旋流器是水力旋流法處理含油污水的核心設(shè)備。目前國內(nèi)外盡管有各種不同結(jié)構(gòu)形式的水力旋流器，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻基本相同。本文以較為典型的southampton雙錐型水力旋流器為例簡述其基本結(jié)構(gòu)。圖2為southampton型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖，它由以下幾部分組成。
a入口：由于液-液兩相密度差較小，水力旋流器中必須形成一個(gè)大范圍的高強(qiáng)度的旋流場，從而達(dá)到分離分散相的目的。但為了防止分散相液滴的破碎，應(yīng)使其內(nèi)部具有最小的湍流剪切應(yīng)力，通過切向進(jìn)口使流體的線動量盡可能變?yōu)榻莿恿俊?
b旋流腔：旋流腔是一圓柱形空腔，對于旋流器液--液分離是很關(guān)鍵的部分之一。從入口進(jìn)入的油水混合物在這個(gè)直徑較大的空腔內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)渦流。若沒有旋流腔，則流體從直徑較小的入口進(jìn)入旋流器后會產(chǎn)生較大的壓力損失，而且高強(qiáng)度的剪切應(yīng)力也會增加分散相液滴破碎的幾率。實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)較大直徑的旋流腔可以減少壓力損失15％-50％，同時(shí)還大大降低分散相液滴的破碎幾率。
c大錐段：又稱收縮腔，根據(jù)角動量守恒原理，利用圓錐的收縮使流體旋轉(zhuǎn)速度增大，強(qiáng)化離心力場。
d小錐段：也稱尾段，是液-液水力旋流器的主要分離段，流體以高強(qiáng)度旋流從大錐段進(jìn)入小錐段后，盡管也存在壁面摩擦損失，但由于水力旋流器的進(jìn)一步收縮，使得流體在其中的切向速度進(jìn)一步加大，高強(qiáng)度旋流得到進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)細(xì)長的小錐段使流體在水力旋流器內(nèi)停留時(shí)間增加，這樣兩相液滴能充分進(jìn)行徑向遷移，從而實(shí)現(xiàn)輕相液滴聚集在中心軸線區(qū)而重相在其外圍。
e圓柱形尾管：該部分主要用于收集更小的分散相液滴并保持中心油核的穩(wěn)定性。
f溢流管：通過溢流管將水力旋流器中心軸線區(qū)域的輕相及時(shí)排出，防止其在水力旋流器內(nèi)重新混合。水力旋流器作為分離分級設(shè)備的基本工作原理是基于離心沉降作用。當(dāng)待分離的兩相混合物以一定的壓力沿切線方向進(jìn)入旋流腔后，由于流向改變，流體處于強(qiáng)烈的旋流狀態(tài)。而由于輕相和重相存在密度差，所受的離心力、向心浮力、和流體曳力的大小不同，受離心沉降作用，大部分重相經(jīng)底流口排出，大部分輕相經(jīng)溢流口排出，從而達(dá)到分離目的。
5.旋液分離器尺寸的計(jì)算
液-液旋流器的選型設(shè)計(jì)方法與固-液旋流器相同，其設(shè)計(jì)方法有2種。第1種是根據(jù)幾何尺寸對壓降、處理量、分離效率的影響情況,選擇各部分幾何尺寸。這種設(shè)計(jì)方法需要掌握各設(shè)計(jì)變量與水力旋流器性能的定量關(guān)系。當(dāng)然，已有許多經(jīng)驗(yàn)理論和模型可以利用，除特定的旋流器外,這些理論和模型只能給出近似估算。第2種方法是選擇標(biāo)準(zhǔn)的水 力旋流器，按其相似準(zhǔn)則和幾何尺寸比例關(guān)系，進(jìn)行計(jì)算和比例放大，這樣能夠得到較可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果。第2種設(shè)計(jì)方法實(shí)際是相似設(shè)計(jì)法，也就是按照設(shè)計(jì)參數(shù)處理量 、壓降"和粒徑的要求，選擇性能優(yōu)良的旋流器，用其相似準(zhǔn)數(shù)關(guān)系和幾何 尺寸比例關(guān)系，計(jì)算設(shè)計(jì)旋流器，在旋流器選型設(shè)計(jì)中常采用該方法。
5.1主直徑的選取
參照文獻(xiàn)[2],常用雙錐油水分離器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1，任務(wù)書中中的處理量600m3/h,可以并聯(lián)幾個(gè)此油水分離器共同處理完成
表1 常規(guī)結(jié)構(gòu)水力旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
a.取主直徑Dn=28mm，旋流腔直徑D=56mm
旋流器直徑越大，分離性能越低。對于油水分離用旋流器，由于油滴尺寸比較小，油水密度差比較小，因此屬于難分離的料液，旋流器直徑大約在20-70mm之間較為合適。
5.2旋流器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)
M.Thew等人在1980年BHRA組織的旋流器國際學(xué)術(shù)會議上公布了他們的研究成果，經(jīng)研究認(rèn)為最佳的雙錐旋流器尺寸比例為：D/Dn=2, di/Dn=0.35, du/Dn=0.5, do/Dn<=0.14, L1/Dn=2, L3/Dn=15,大錐夾角為 20°，小錐錐度為1.5°。
b．進(jìn)料口直徑di
最佳進(jìn)料口直徑di : di＝0.35*Dn=9.8mm，進(jìn)料口的作用主要是將作直線運(yùn)動的液流在柱段進(jìn)口處轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動。在一定的流量條件下，減小進(jìn)口面積，使進(jìn)口速度過大，造成進(jìn)口區(qū)域的湍流程度加大，容易造成液滴破碎、乳化，使分離效率下降。因此，進(jìn)口截面積不宜過小。另外，為了減小進(jìn)口液流的能量損失，進(jìn)口形狀通常采用擺線形和漸開線型等。
c．溢流口直徑do
do=0.14Dn=0.14×28=4mm，對于油水分流器來說，分散相液滴通過短路流進(jìn)入溢流管對分離性能反而有利，因此溢流管不插入旋流器內(nèi)而僅僅與旋流器頂蓋相接即可。在一些經(jīng)典設(shè)計(jì)中溢流口的直徑為do<=0.14D ,D為旋流腔直徑。
d.底流口直徑du
du=0.5*Dc=0.5×28=14mm，底流口與溢流口一樣都是對旋流器的性能影響比較大的結(jié)構(gòu)尺寸。對于液液旋流器來說，底流口直接與尾管段相連接，尾管段的作用是保持旋流器內(nèi)的內(nèi)旋流能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的形狀、提高分離效率，通常尾管段的長度取為Lu=20D。而尾管段直徑(等于底流管直徑)一般取值為du／D=0．25或du／D=0．33，兩者的分離效率幾乎一樣，只是后者可在更寬的流量范圍內(nèi)提供較好的分離效率。
e．旋流器錐角a
α=20° ，旋流器錐角的增大會引起其內(nèi)流體阻力變大，因此在同一進(jìn)口壓力下其體積 生產(chǎn)能力會有所減小，分離粒度隨水力旋流器錐角的增大而變大，因此，固液分離用水力旋流器采用小錐角a≤15°。，但若處理的料漿濃度大而又顆粒粗且不要求分 離效率很高時(shí)，采用大錐角a>40°，以防底流口堵塞。
f.小錐角為β
β=1.5°，其他尺寸不變時(shí)，旋流器的錐角越大，料液在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間越短，因此分離能力越低，同時(shí)旋流器內(nèi)的流體阻力隨著錐角的增大而變大。實(shí)踐證明，對于用于油水分離的水力旋流器，其錐角為1.5°較為理想，因而這種旋流器一般很長，對制造加工提出了更高的要求。
g.圓柱段長度Ll
L1=2*Dn=2×28=56mm，旋流腔是一圓柱形空腔，對于旋流器液—液分離是很關(guān)鍵的部分之一。從雙切向入口進(jìn)入的油水混合物在這個(gè)直徑較大的空腔內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)渦流。若沒有旋流腔，則流體從直徑較小的入口進(jìn)入旋流器后會產(chǎn)生較大的壓力損失，而且高強(qiáng)度的剪切應(yīng)力也會增加分散相液滴破碎的幾率。實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)較大直徑的旋流腔可以減少壓力損失15％—50％，同時(shí)還大大降低分散相液滴的破碎幾率。
h.后管的長度L3
L3=20*Dn=20×28=560mm，尾管是一個(gè)長圓柱形管，內(nèi)徑用Du表示。它的頂端與水力旋沈器體小錐角圓錐段的內(nèi)徑相連，其長度用L3表示。該部分主要用于收集更小的分散相液滴并保持中心油核的穩(wěn)定性。
i.溢流管伸出長度L2
L2=0.5*Dn=0.5×28=14mm
j．溢流管壁厚s
溢流管壁厚的增加，可以提高旋流器的分離效率，并能降低其內(nèi)部的損失，且
還能略鐓提高旋流器的生產(chǎn)能力，所以，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加大溢流管壁厚，且溢流管外壁做成環(huán)齒形有助于提高旋流器的分離精度 .根據(jù)文獻(xiàn)[3]：di<=(Dn-do-2*S)/2 , 即9.8<=（28-4-2*S)/2 , 取S=2.2;
5.3法蘭和法蘭墊片的選擇
由于油水分離器工作壓力在0.1—0.6MPa之間，分別根據(jù)GB/T 9119—2000 和GB/T 9126—2003，選擇法蘭和墊片的工程壓力為PN0.6 ，選擇的法蘭是平面板式平焊鋼制管法蘭，其示意圖如下圖3：
圖3 平面板式平焊鋼制管法蘭示意圖
旋流腔總直徑60.4mm，查表得公稱直徑為DN50，法蘭外徑D=140 mm，螺栓孔中心圓直徑K=110 mm，螺栓孔徑L=14 mm，螺栓數(shù)量N=4，螺紋規(guī)格M12，法蘭厚度C=16 mm。
小錐段大端總直徑32.4 mm，查表得公稱直徑為DN25, 法蘭外徑D=100, 螺栓孔中心圓直徑K=75 mm, 螺栓孔徑L=11 mm, 螺栓數(shù)量N=4, 螺紋規(guī)格M10, 法蘭厚度C=12 mm。
圓柱尾管部分總直徑18.4 mm，查表得公稱直徑為DN10，法蘭外徑D=75 mm, 螺栓孔中心圓直徑K=50 mm, 螺栓孔徑L=11 mm, 螺栓數(shù)量N=4, 螺紋規(guī)格M10, 法蘭厚度C=12 mm。
然后根據(jù)各個(gè)公稱壓力和公稱直徑選擇對應(yīng)的法蘭墊片。
5.4溢流口流量和底流口流量的計(jì)算
對于脫油型水力旋流器而言，分流比F即水力旋流器出油口(溢流口)流量與入口總流量的比值。單純從凈化的角度考慮，分流比適當(dāng)加大時(shí)有利于底流水的凈化，即水力旋流器的分離效率會有所提高。隨著分流比的增大分離效率和溢流口液體流速也增大，即在單位時(shí)間內(nèi)其他邊界條件不變的情況下隨著分流比的增加底流口含油量減小、溢流口流量增大、溢流口含油量減小、分離效率增加。同時(shí)，隨分流比的減小，溢流口液體的平均速度也減小，但溢流口液體中含油體積比例增加，這說明分流比的減小使得溢流口流速降低，而溢流口流速對溢流口(出油口)的出油率影響很大。如果希望出油口出油濃度較高時(shí)，降低旋流器的分流比較好，但隨之帶來的影響是底流口(排水口)的含油量增加了。所以，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮兩者的關(guān)系，如果只希望凈化液(底流液體)中含油量少，可以適當(dāng)提高分流比。
但根據(jù)質(zhì)量守恒原理可知，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)口油相質(zhì)量不變的情況下，隨著底流口含油量的減小溢流口含油量應(yīng)該增加，而不應(yīng)溢流口含油量呈減小趨勢。通過對進(jìn)出口油相質(zhì)量的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)分流比增大后油相的質(zhì)量損失也隨之增大(有時(shí)超過30％)，即在計(jì)算迭代過程中．計(jì)算的精確度有所降低。分流比在6％以下時(shí)，油相的損失率基本上都在10％以內(nèi)，此時(shí)分離效率和計(jì)算精度都比較理想。故在對液．液旋流器進(jìn)行CFD分析時(shí)最好將分流比控制在6％左右。
分流比F的合理選擇，應(yīng)根據(jù)入口含油濃度ci確定。油水分離水力旋流器分流比的確定，可以分兩種情況：即分別針對脫油型和預(yù)分離型兩種水力旋流器進(jìn)行分析。脫油型水力旋流器為液．液分離的一種典型結(jié)構(gòu)，這時(shí)水中含少量的油，往往需要從底流排出的水盡可能得到凈化，即水中盡量不含油，而對溢流口中油的濃度要求可相對放寬。一般進(jìn)行油田污水處理時(shí)，對凈化后的水有明確的指標(biāo)要求，但對被分離出的油的含水量并沒有明確規(guī)定。前人的研究結(jié)果表明，在一般情況下，當(dāng)含油量小于1％時(shí)，分流比最好控制在2％～5％之間。分流比小于2％時(shí)，旋流器運(yùn)行十分困難。對于預(yù)分離水力旋流器，通常采用的分流比F大小為1．2ci～1．3ci。即F=（1.2~1.3）×2% ，取F=6%
F即為溢流分離比，F(xiàn)=Qo/Qi ，Qi=600 m3/h, 溢流口Qo=600×6%=36 m3/h，底流口流量Qu=Qi-Qo=600-36=564 m3/h
6.水力旋流器的制造和安裝
水力旋流器的制造技術(shù)直接影響著旋流器的使用性能，即便是好的設(shè)計(jì)方案
過程不能解決或不能接近理論設(shè)計(jì)上提出的要求，就不可能達(dá)到理想的分離效果
主要影響水力旋流器的精度、壽命、安全性、加工成本等。
6.1 水力旋流器在制造上的要求
水力旋流器的結(jié)構(gòu)和形狀比較簡單，但它與一般的分離設(shè)備不同，對幾何尺寸的要求較嚴(yán)格，如入口尺寸和位置、錐角大小、內(nèi)表面的粗糙度、各段間同袖度等。要使水力旋流器獲得較好的分離效果，較長的使用壽命，并安全可靠，加工制造時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：
(1)要保證足夠的位置精度和形狀精度 這方面的要求除了各尺寸要盡量準(zhǔn)確外，主要需注意各段之間的不同軸度要盡可能小，從圓柱形圓柱腔到錐體段及尾管部分的不同軸度過大時(shí)，軸線附近的空氣柱就會彎曲，甚至成5形。形成這種不穩(wěn)定、不筆宣的空氣柱后，就會影響分離效果。同時(shí)，各段之間連接處要尺寸一致，光滑過渡，如從錐體段到圓柱形層管處等。否則，液體在流經(jīng)這些截面變化處時(shí)會受到不應(yīng)有的干涉，影響流場的乎穩(wěn)。水力旋流器完全用金屑材料經(jīng)機(jī)械加工方法制造時(shí)，尤其要注意上述要求。液—液分離用水力流器內(nèi)部有兩個(gè)錐角不同的錐體，其軸向尺寸也較長，用機(jī)械加工方法制造時(shí)，不容易保證其精度要求，而且合增加制造成本，尤其是處理量較大的單管水力旋流器，由于其軸向尺寸隨直徑的加大而成比例的增加，機(jī)械加工更為困難。
(2)內(nèi)部表面的粗糙度要求 液體在水力旋流器內(nèi)運(yùn)動時(shí)匝盡可能保持流場的平穩(wěn)性，所以其內(nèi)表面的粗糙度要足夠小，否則會使器壁附近液體中的顆粒等的運(yùn)動受到突然的干擾，形成天規(guī)則的運(yùn)動，甚至使已分離出的顆粒重新飛濺而返回懸浮液中。同時(shí)，內(nèi)表面的粗糙度也影響水力旋流器的壓力損失，對處理量和分離效率都會有一些影響。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械加工時(shí)內(nèi)表面的粗糙度最好保持在Ra<1.6μm。
(3)耐磨及耐蝕的要求 水力旋流器的損壞很重要的一個(gè)方面是由于腐蝕和磨損造成的，因此水力旋流器在分離有一定腐蝕性和磨損性的介質(zhì)時(shí)，必須選取適當(dāng)?shù)牟牧虾图庸すに?，以防止或減輕傷蝕和磨損。
(4)制造方法盡量簡單，經(jīng)濟(jì)評估合理 制造水力旋流器的一切費(fèi)用的總和就是它的生產(chǎn)成本。對不同的加工方法、不同的加工工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和對比后，確定適合實(shí)際情況的制造方法或工藝過程，是水力旋流器制造過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮的。
6.2材料選擇
水力旋流器工作要求木同時(shí)，其材料和加工方法有很大的差別。材料的選擇首先要滿足生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的要求：不同的應(yīng)刑場合，在材料選擇上有著不同的考慮。例如．在淀粉加工中旋流器一般選用耐磨不銹鋼或陶瓷材料；在互介質(zhì)選煤中，常選用耐磨鑄鐵或合金鑄鐵，或在旋流器內(nèi)表面襯鑄石、聚氨酯，橡膠、碳化游、氧化鋁等。
日前水力旋流器普遍采用鋼等金屬材料制造，殼體一般選用44銹鋼等金屬制造。對于較小直徑的水力旋流器，內(nèi)表面多采用硬質(zhì)合金制造；對于較大白徑的水力旋流器，則由不銹鋼制造來提高其耐磨性能，在內(nèi)部加耐磨非金屬襯里。對于大型水力旋流器，最為理想的是錐筒內(nèi)壁噴鍍一層較好的耐磨材料，噴鍍涂層厚度1．5—2mm，錐簡本體采用灰鑄鐵。此時(shí)，一旦耐磨層破壞，外層的錐簡體很快磨穿，這樣就不會在厚壁旋流器壁面磨損嚴(yán)重、已經(jīng)不能保證設(shè)計(jì)的分離性能的情況下仍然繼續(xù)使用。除金屬制水力旋流器外，為提高其耐磨損與耐腐蝕等性能，現(xiàn)在許多水力旋流器64L金屬材料制造，如陶瓷、酚醛塑料、聚氨配、尼龍等等。還有些水力旋流器僅在圓錐、底流口等磨損嚴(yán)重的部分由耐磨材料制造，如陶瓷、塑料，而其余部分仍由金屬材料制造。這些非金屬材料除陶瓷外，都存在一個(gè)溫度的限制，如聚氯乙烯小于65℃左右；尼龍約為80℃；酚醛酯約為100℃；聚氯酯約為80一90℃；樹脂橡膠為7℃左右。這些材料的其他性能也不同，如聚氯乙烯的機(jī)械強(qiáng)度較高；尼龍的摩擦系數(shù)低；酚醛樹脂的成型簡便、價(jià)格低廉等。在錐筒材料方面，國內(nèi)外都做過大量工作，普遍認(rèn)為聚氯酪材料耐磨性較好(為不銹鋼的5倍，是一般橡膠的10倍)．因而其壽命較長(是鑄鐵的3倍，較陶瓷或陶瓷橡膠長2倍)。例如，在水力旋流器人口邊緣處用聚氨配制造時(shí)，較一般由金屬材料制造的人口壽命延長12倍。
用非金后材料加工時(shí)，大多用注模法制造、為增加其剛性，往往在外部加上一個(gè)金屬外殼。注模法制造水力旋流器的優(yōu)點(diǎn)是只要材料選擇恰當(dāng)，加工工藝合理，則水力旋流器的精度就會很高而成本較低。因?yàn)樵诩庸ぶ校⒛＜捌湫据S可以加工成與水力旋流器內(nèi)腔的幾何形狀相同，而芯軸的加工較內(nèi)孔加工要容易得多，精度和粗糙度都容易保證，而且用注塑方式制造，水力旋流器內(nèi)腔的加工精度與芯軸基本上一致。這種方法制造旋流器的困難表現(xiàn)在入口處的加工及芯軸的脫模技術(shù)。
為了提高水力旋流器的耐磨性能，在制造中還可采用金屬外殼內(nèi)附減磨襯里的方法。最普通的襯里是橡膠襯里，一般橡膠襯里適用于溫度不超過60一70℃，處理不合油或侖機(jī)溶劑類介質(zhì)。如果工作溫度超過60℃時(shí)，或介質(zhì)中含碳?xì)漕愑袡C(jī)化古物時(shí)，可使用聚氯丁橡膠或脂橡膠。復(fù)合材料的出現(xiàn)，大大改變了水力旋流器的制造方法，也改善了其性能。目前國外加工水力旋流器時(shí)，多采用鋼制外殼內(nèi)加復(fù)合材料的襯里，不但使水力旋流器的耐磨性能大大提高，壽命延長，改善了使用性能，而且制造工藝簡便，成本降低。國內(nèi)有的單位仍然在大量使用高鉻鑄鐵錐筒的同時(shí)積極探索表面耐磨涂層，希望錐筒內(nèi)表面一旦破壞．錐筒應(yīng)很快磨穿，以保證高效率的工作?？梢哉f金屑外殼加復(fù)合材料襯里是水力旋流器加工制造的趨勢。
6.3 常用的制造方法
從旋流器的結(jié)構(gòu)，特別是液—液分離用的靜態(tài)水力旋流器的結(jié)構(gòu)可以看出，旋流器單管的關(guān)控加工部位為旋流分離腔，即大錐段和底流口。把加速腔直管段、大錐段、底流口和尾部直管段作為一體加工成型，更顯困難。因?yàn)橐骸核π髌鲉喂苤圃烨闆r代表了旋流器族的制造水平，所以下面從當(dāng)前國內(nèi)實(shí)際情況出發(fā)，介紹一下這一關(guān)鍵件部位加工常采用的方法。
分段加工法：這是一種比較傳統(tǒng)的加工方法。從旋流器的結(jié)構(gòu)可以看出，旋流器的錐段錐度小，而長度較長，生產(chǎn)中常采用的錐度一般在10—20之間，而長度約為400—1000mm左右。按照傳統(tǒng)的加工工藝無法一次加工成形，只能分段進(jìn)行加工。各段加工完成之后，再逐段進(jìn)行焊接。各段間同軸度采用止口保證。這樣加工出的旋流器單管在止口處對接不好時(shí)，內(nèi)部流道有接痕，對粗糙度的要求有時(shí)會失去意義。在油水分離過程中組合使用這種族流器時(shí)，由于各根單管的加工情況不同，因此分離效果不理想，面且這種加工制造方法造價(jià)較高。
玻璃鋼纏繞法：采用這種方法加工旋流器單管時(shí)，須首先制作芯軸，然后在芯軸上，邊纏繞玻璃鋼邊澆注環(huán)氧樹脂，最后固化成型。旋流器內(nèi)孔的租糙度及同軸度由芯軸決定。這種方法在加工圓柱腔、大錐段和底流口時(shí)一次成型。尾部宜管部分常采用止口法蘭與錐體部分連接在一起。由于玻璃鋼這種非金屬材料耐磨性較差，因此這種方法制作的旋流器單體使用壽命較短。又圍玻璃鋼的強(qiáng)度有限，所以在使用上，必須在固化成形后的錐體外面結(jié)上加強(qiáng)鋼套，以提高耐壓程度。用這種方法加工成型的單管在理論上不影響旋流流場，但因纏繞與澆注環(huán)氧樹脂過程中存在很多隨機(jī)的不穩(wěn)定因素，制作成型的單體的精度往往比較差，皮品率較高。然而玻璃鋼纏繞法加工過程簡單、成本低，因此在實(shí)驗(yàn)單體的制造中，不失為一種既經(jīng)濟(jì)又快捷的方法。
旋壓法：這是一種比較理想的加工方法，它是靠金屬的冷塑變形來達(dá)到加工目的的。旋壓法也需要加工一個(gè)芯模，通過旋壓輪圍繞芯模旋壓一定長度、壁厚的直管而實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的加工成型。旋壓道次(旋壓輪經(jīng)過被旋管的往復(fù)次數(shù))的多少以及每一道次縮徑量的大小，都要頂先在旋壓機(jī)上做旋壓實(shí)驗(yàn)．通過施壓實(shí)驗(yàn)可以確定進(jìn)給量的大小，為批量生產(chǎn)提供生產(chǎn)加工參數(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠一次加工出小錐體和直管段。如果給旋壓機(jī)換上大的旋壓輪，并對加工件實(shí)行退火處理的話，能夠使大錐體、小錐體和民部直管段一次加工成型，也就是說這種方法可以直接一次加工出整個(gè)旋體形狀。旋體的內(nèi)表面粗糙度由芯橫控制。加工的材料一般是0Cr或1Cr的不銹鋼或20號鋼。因?yàn)檫@些鋼的延展性比較好，宜于冷加工。
鑄塑法：這種方法是在鑄塑機(jī)上加上的。鑄塑機(jī)的開距要足夠長，能夠滿足旋流管的加工長度。這種方法加工出的旋流管質(zhì)量較高，仍模具費(fèi)昂貴，同時(shí)要找800mm左右開距的鑄塑機(jī)也不是一件容易的事。
熱壓鑄法：壓鑄材料常足聚氨酯、尼龍等。它是采用在陽模和明模問倒入被壓鑄的材料后，加壓冷卻而成。這種方法加丁的旋流管內(nèi)表面粗糙度由芯?？刂?。為了減少管的體積，可以不加鋼套，這樣就使得管壁厚加大，一般可取壁厚為20mm。為了滿足硬度要求，要在被壓鑄的材料中加入適量的添加劑，以提高成品的62度。
總之，旋流管的制造方法很多，各種方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要的不同進(jìn)行合理選擇。
6.4安裝
對液--液分離水力旋流器而言情況就不同，一般說，液—液分離用水力旋流器的軸向尺寸較大，直徑又小，垂直安裝常常很不方便。例如直徑為40mm左右的液—液分離用水力旋流器，其軸向長度為2m左右，加上出口管線等，長度都在2m以上。安裝時(shí)再考慮外邊管匯等，會使垂直安裝十分困難，大大增加費(fèi)用。更重要的是因?yàn)橐骸悍蛛x時(shí)兩種介質(zhì)的密度差較小，一般只為零點(diǎn)幾，重力分離在液—液分離水力旋流器中可以說基本不起作用。所以，從重力作用角度看，垂宜位置安裝對分離性能并沒有什么顯著改善。對輕質(zhì)相來說，分離后的輕質(zhì)相將從溢流口排出。如果軸線垂直放置，軸線附近分離出的輕質(zhì)相中心必須沿軸線向亡運(yùn)動一段距離本能離開溢流口排出。而軸線水平放置，輕質(zhì)相的中心沿水平方向移動，可能以更快速度向溢流口方向運(yùn)動，增加了分離效率。從輕質(zhì)相介質(zhì)分離方面看，軸線水平放置更有利?；谝陨线@些原因，液—液分離用水力旋流器，不論是單機(jī)還是組合式，基本上都是水平安裝，很少有垂直安裝的情況。
7幾何參數(shù)對水力旋流器性能的影響
7.1進(jìn)料口尺寸
進(jìn)料口的作用主要是將作直線運(yùn)動的液流在柱段進(jìn)口處轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動。在一定的流量條件下，減小進(jìn)口面積，使進(jìn)口速度過大，造成進(jìn)口區(qū)域的湍流程度加大,容易造成液滴破碎、乳化，使分離效率下降。因此，進(jìn)口截面積不宜過小。另外，為了減小進(jìn)口液流的能量損失，進(jìn)口形狀通常采用擺線形和漸開線型等。
7.2旋流器直徑
旋流器直徑越大，分離性能越低。對于油水分離用旋流器，由于油滴尺寸比較小，油水密度差比較小，因此屬于難分離的料液，旋流器直徑大約在20—70mm之間較為合適
7.3錐角
其他尺寸不變時(shí)，旋流器的錐角越大，料液在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間越短，因此分離能力越低，同時(shí)旋流器內(nèi)的流體阻力隨著錐角的增大而變大。實(shí)踐證明，對于用于油水分離的水力旋流器，其錐角為1.5°較為理想，因而這種旋流器一般很長，對制造加工提出了更高的要求。
7.4溢流管尺寸
對于油水分流器來說，分散相液滴通過短路流進(jìn)入溢流管對分離性能反而有利，因此溢流管不插入旋流器內(nèi)而僅僅與旋流器頂蓋相接即可。在一些經(jīng)典設(shè)計(jì)中溢流口的直徑為d<=14D。D為旋流腔直徑。
7.5底流口尺寸
底流口與溢流口一樣都是對旋流器的性能影響比較大的結(jié)構(gòu)尺寸。對于液液旋流器來說，底流口直接與尾管段相連接，尾管段的作用是保持旋流器內(nèi)的內(nèi)旋流能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的形狀、提高分離效率，通常尾管段的長度取為Lu=20D。而尾管段直徑(等于底流管直徑)一般取值為du／D=0．25或du／D=0．33，兩者的分離效率幾乎一樣，只是后者可在更寬的流量范圍內(nèi)提供較好的分離效率。
8操作參數(shù)對水力旋流器的影響
8.1分離效率與進(jìn)口流量之間的關(guān)系
進(jìn)口料液的流量直接決定了內(nèi)流場的強(qiáng)度，將直接影響旋流器的性能。當(dāng)流量較小時(shí)，旋流器內(nèi)的流速也較小，離心力也比較小，不足以對兩相混合物進(jìn)行有效的分離：當(dāng)流量增大時(shí)，不僅通過旋流器的壓降增大，而且有可能使液．液混合物中的分散相液滴破碎為較小尺寸的液滴、甚至出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，使分離效率反而降低。
8.2分流比F與分離效率之間的關(guān)系
進(jìn)口流量不變的情況下，當(dāng)F增大時(shí)，會使離心力增大，有利于油水分離。但同時(shí)速度梯度也增大，使液滴所受的剪切應(yīng)力也增大，可能會導(dǎo)致液滴的乳化，使分離效率降低?？梢?，分流比在一定范圍內(nèi)的加大會使分離效率提高。在實(shí)際應(yīng)用中，分流比一般均較小。
8.3分流比與壓降比之問的關(guān)系
在液--液分離旋流器中，分流比與壓降比成線性關(guān)系：壓降比隨分流比的增加而增加。在進(jìn)口流量保持不變時(shí)，隨著分流比的增加，從進(jìn)口到底流口的壓降呈減小的趨勢，而進(jìn)口到溢流口的壓降呈增大的趨勢。
進(jìn)口流量的大小對水力旋流器分離性能的影響很大，當(dāng)流量低于一定數(shù)值時(shí)，油水兩相不能得到很好的分離，效率比較低。這是由于流量過低時(shí)，液體在水力旋流器內(nèi)部沒有形成旋轉(zhuǎn)速度足夠高的渦流，只有粒度較大的油滴能夠從混合液中分離出來，而許多小油滴則未能與水分離。在流量逐漸加大時(shí)，水力旋流器的分離效率逐漸提高，水出口(即底流口)中的含油量也逐漸減少。當(dāng)入口流量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，水力旋流器進(jìn)入高效區(qū)。但當(dāng)超過某一數(shù)值時(shí)，效率就有所波動，且稍有下降的趨勢。據(jù)分析，這是由于當(dāng)流量過高時(shí)，液體在水力旋流器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度加快，使分散相油滴受到了過大的剪切應(yīng)力的作用而發(fā)生破碎，使混合液的乳化程度加大，不利于分離，而使分離效率下降。另外，液體在水力旋流器內(nèi)的運(yùn)動除周向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以外，還存在其它方向的附加攪動，流量過大會使攪動加劇，破壞水力旋流器內(nèi)部流場的穩(wěn)定性。因此說，對于一固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器而言，在處理某一種混合液體介質(zhì)時(shí)，存在一最佳的處理量范圍，可通過CFD分析和實(shí)驗(yàn)加以確定。在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須保證旋流分離設(shè)備在該最佳處理量區(qū)內(nèi)工作，以獲得最佳分離效果。為了使其在正常工作時(shí)能獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)，該最佳處理量區(qū)的范圍越寬越好。通過進(jìn)幾年來的油田現(xiàn)場實(shí)踐，一些研究者認(rèn)為普通液--液分離用靜態(tài)水力旋流器的最佳處理量范圍通常在額定處理量的±5％～±10％之內(nèi)。
9.影響旋流器分離效率的因數(shù)
液-液旋流器是根據(jù)離心分離方法實(shí)現(xiàn)兩相分離的。對于脫油旋流器來說，非均相物系由水和油組成，水是連續(xù)相，油是分散相，兩相之間的相對運(yùn)動是強(qiáng)旋流作用的結(jié)果。影響旋流器外特性的因素有結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)和操作參數(shù)3類，在每一類參數(shù)中又有不同的變量，每一個(gè)變量幾乎都能獨(dú)立影響旋流器的分離性能。因此,在旋流器理論研究中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，考慮影響旋流器性能的主要因素，利用量綱分析建立無因次準(zhǔn)數(shù)群，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)建立無因次準(zhǔn)數(shù)群之間的定量關(guān)系，形成旋流器設(shè)計(jì)相似理論。
9.1旋流器的準(zhǔn)數(shù)
旋流器的準(zhǔn)數(shù)是旋流器相似設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù) 旋流器理論,其準(zhǔn)數(shù)主要有歐拉數(shù)、雷諾數(shù)(和 斯托克斯數(shù)Stk。歐拉數(shù)Eu與旋流器的壓降有關(guān)，Stk數(shù)與油滴終端沉降速度相聯(lián)系，Stk ? Eu則反映使粒徑為d 油滴沿徑向遷移與消耗功率的關(guān)系，雷諾數(shù)則反映流態(tài)。在旋流器相似設(shè)計(jì)中，通常要求Stk50? Eu或 Stk75 ? Eu 為常數(shù)。
9.2主要影響因素
由旋流器的準(zhǔn)數(shù)可以看出，這些準(zhǔn)數(shù)與旋流器 的幾何參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)的影響有關(guān)。因 此，影響旋流器分離特性的因素有3類，而在每一類參數(shù)中又有不同的變量，每一個(gè)變量幾乎都能獨(dú)立影響旋流器的分離性能。液-液旋流分離器是基于離心沉降分離原理進(jìn)行分離的，要求兩相之間必須存在一定的密度差。90年代初，Amoco采油公司的G. A. B. YOUNG 等人開始了 一項(xiàng)優(yōu)化水力旋流器尺寸的試驗(yàn)研究。 結(jié)果表明，水力旋流器至少有14個(gè)變量，可分為尺寸變量（水力旋流器直徑、進(jìn)口直徑、溢流口直徑 等）;操作變量（進(jìn)口流量、分流比等）進(jìn)口液變量 (連續(xù)相和分散相粘度、密度，分散相濃度和粒徑等)
9.2.1 尺寸變量
(a)圓柱段長度的影響: 圓柱段過長，壁面阻力對旋轉(zhuǎn)動量造成較大的損失，使下游分離區(qū)不能 得到足夠的旋轉(zhuǎn)動量，從而影響分離效率。在滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下，圓柱段長度越短越好，有利于分離效率提高。
(b)尾段直徑的影響: 液-液旋流器的尾管段較長，尾段直徑大小對流體經(jīng)過該段的時(shí)間影響較大，從而影響分散相向中心遷移。G. A. B. Young的研究表明，在不同的流量下，尾段直徑為du/Dc =0.25和 du/Dc =0.33的分離效率幾乎相同，但du/Dc=0.33 可在更寬的流量范圍內(nèi)提供較好的分離效率。
(c)尾段長度的影響: 當(dāng)流體在旋流器尾段旋轉(zhuǎn)時(shí)分離繼續(xù)發(fā)生，適當(dāng)增加尾段長度可以提高分離效率，尤其是對小粒徑的分離能力。但尾段過 長，分離效率不會有明顯增加，Thew的35 mm旋流器尾段長度由Lu/Dc=30減小到Lu/Dc=20，其分離效率不變。
(d)溢流口直徑的影響: 溢流嘴直徑增大，能產(chǎn)生有效分離的最小流量也在增大。要把分離到中心的分散相排出溢流口，需要一定流速，那么對每一種孔徑均有最小流量。增大溢流口直徑，在達(dá)到同樣的分離效率時(shí)就會排出大量的水，甚至需要重復(fù)處理。另外,大溢流嘴無阻塞,不過阻塞情況在多級 旋流器分離時(shí)，若第1級旋流器阻塞，第2級旋流器 會再次處理上級未分離的油滴。
(e)進(jìn)口尺寸的影響: G.A.B.Young認(rèn)為進(jìn)口尺寸為d/D=0.25的分離效率最好，進(jìn)口尺寸略大于該值旋流器的分離效率可以不變，但需要較 大的進(jìn)口流量，這樣會造成較大的能量損失。若尺寸小于此值則分離效率變差。進(jìn)口有單進(jìn)口和雙進(jìn)口，大都為漸縮切向進(jìn)口，以減少摩阻對液體的剪切。進(jìn)口截面有矩形和圓形等，常用矩形過流截面。
(f)錐度的影響: 圓柱段過長，壁面阻力對旋 轉(zhuǎn)動量造成較大的損失，使下游分離區(qū)不能得到足夠的旋轉(zhuǎn)動量，從而影響分離效率。在滿足結(jié)構(gòu)要 求的情況下，圓柱段長度越短越有利于提高分離效 率。對于單錐旋流器，G. A. B. Young認(rèn)為，錐度在 6°或更大一些，旋流器的分離效率較高，但6°錐度在更寬的流量范圍內(nèi)均有較好的分離效率。對于雙錐旋流器，其結(jié)構(gòu)主要以Comoco公司的Vortoll水力旋流器為代表性，最初是由英國SOUTHAMPTON大學(xué)的MARTIN THEW 和DEREK COLMAN在70年代設(shè)計(jì)的，大錐角為20°，小錐角約 為 1.5°。
9.2. 2操作變量
(a)進(jìn)口流量: 對于結(jié)構(gòu)尺寸一定的旋流器，進(jìn)口流量的大小直接影響離心力的大小。進(jìn)口流量越大，離心力越大，在分散相液滴粒徑不變的前提下，越容易分離。但是,實(shí)際上，隨進(jìn)口流量的增加，紊流強(qiáng)度增加，剪切力也隨之增加。當(dāng)流量大于某一值時(shí)，液滴破碎發(fā)生，分離效率下降。而進(jìn)口流量越小，離心力越小。當(dāng)進(jìn)口流量小于某值時(shí)，液體不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的離心力場來實(shí)現(xiàn)分離，使分離效率下降。
(b)分流比: 分流比是旋流器的重要工作參數(shù)。當(dāng)進(jìn)口濃度為C時(shí)，若分流比小于C，則不能及時(shí)排走已分離的分散相；若分流比過大，又不能達(dá) 到分離目的。因此,對于給定的進(jìn)口濃度，必須使分 流比為適當(dāng)?shù)闹怠７至鞅鹊拇笮】赏ㄟ^3種途徑調(diào) 節(jié)，在其他條件不變的情況下，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量。進(jìn)口流量越大，分流比越??；調(diào)節(jié)底流背壓閥的開度大小。底流背壓閥的開度大，則分流比小，反之則大; 調(diào)節(jié)溢流口背壓閥的開度大小。溢流口背壓閥的開度大，則分流比大，反之則小。
對于最常用的脫油旋流器，其分流比的調(diào)節(jié)通 常是調(diào)節(jié)溢流口背壓閥的開度。當(dāng)調(diào)節(jié)溢流口背壓 閥的開度不能達(dá)到設(shè)計(jì)分流比時(shí)，先調(diào)節(jié)底流背壓 閥的開度，然后再調(diào)節(jié)溢流口背壓閥的開度，直到達(dá) 到設(shè)計(jì)分流比。對于脫油旋流器分流比超過某一最 小值后，它對效率影響很小，并可看作恒定值。
9.2. 3物性變量
(a)濃度: 通常認(rèn)為，在分流比（溢流口流量 與進(jìn)口流量比）足夠大時(shí)，分離效率與進(jìn)口濃度無關(guān)。在現(xiàn)場，進(jìn)口濃度增加時(shí)旋流器的分離效率會提高，這可能是由于濃度增加時(shí)小油滴重新聚合成大油滴的緣故。
(b)密度差: 密度差是影響分離效率的重要 因素。液滴在旋流器內(nèi)受到的離心力與密度差成正比，密度差越大所受到的離心力越大，也越容易分 離。在液-液兩相分離中，密度差都較小，分離難度大。為實(shí)現(xiàn)液-液兩相分離，需要較長的駐留時(shí)間， 這是液-液旋流分離器不同于氣-固和液-固旋流器的一個(gè)方面。
(c)穩(wěn)定性: 乳化液的穩(wěn)定性是指乳化液不 被破壞，抗油水分層的能力。它與分散度和原油粘度密切相關(guān)，當(dāng)乳化液充分?jǐn)嚢?，分散相顆粒變小，分散度越高，其穩(wěn)定性越好。顯然，穩(wěn)定性越好，分離越困難。所以，在分離過程中，應(yīng)盡可能避免液滴被剪切破碎而進(jìn)一步乳化。
(d)粘度: 在油水混合物中，連續(xù)相粘度越高，分散相液滴穿過它時(shí)受到的摩阻越大，同時(shí)液滴 發(fā)生破碎的可能性也越大，分離效率越低。 VANROSSUM在他的研究中指出，連續(xù)相（油）的運(yùn)動粘度大于30 cP時(shí)，分離極為困難，粘度為10 —30 cP，分離性能很差。粘度受溫度影響，提高溫度有利于分離。
(e)粒徑: 粒徑是影響分離效率的另一重要因素。粒徑越大，體積與表面積之比越大。假定液滴為球形，若直徑1 mm的液滴，其表面積12.5 mm2，體積4. 189 mm3。如果兩液滴合成一體，其表面積為19. 95 mm2，體積為8. 378 mm3。這樣體積增大1倍，而表面積僅增加59%。因此，粒徑越大，離心力越大，阻力越小，相應(yīng)也越容易分離。液-液