何兆勛， 何利民,2， 孟德文， 梁隆杰， 劉寶峰

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2. 青島市環(huán)海油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

水力旋流器應(yīng)用之初，只是被采礦行業(yè)用于固液分離[1-2]。D.Bradley等[3]和L.Svarovsky[4]最早在書(shū)中介紹了水力旋流器，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)和性能等方面的內(nèi)容，為水力旋流器的理論研究奠定了基礎(chǔ)。1986年M.T.Thew[5]在南安普敦大學(xué)重新設(shè)計(jì)水力旋流器，并被海洋石油工業(yè)首先應(yīng)用于生產(chǎn)。而液-液柱狀旋流分離器作為一種新的油水分離裝置，早期的研究相對(duì)較少[6]，J.Listewnik等[7-10]國(guó)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)入口結(jié)構(gòu)與柱狀旋流分離器分離效率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。1999年R.E.Afanador[11]將柱狀旋流分離器應(yīng)用于油水分離的先驅(qū)研究，開(kāi)發(fā)了用于油水分離的緊湊型液-液圓柱旋流分離器，證明了柱狀旋流分離器可以作為油水分離裝置應(yīng)用，并通過(guò)數(shù)值模擬研究了液-液柱狀旋流分離器中液體復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)行為。2001年R.S.Mathiravedu[12]實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于柱狀旋流分離器，水平入口要比傾斜入口具有更好的分離性能。同時(shí)，O. V. Carlos[13]開(kāi)發(fā)了一種新型預(yù)測(cè)模型，可以用于預(yù)測(cè)液-液柱狀旋流分離器中的復(fù)雜流動(dòng)行為和油水分離效率。史仕熒等[14-16]采用數(shù)值模擬的方法分別對(duì)柱狀旋流分離器的入口結(jié)構(gòu)和溢流管的插入深度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,對(duì)于入口結(jié)構(gòu)，當(dāng)入口流通面積相同時(shí)，圓形比矩形的分離效率稍高；對(duì)于溢流管的插入深度，當(dāng)溢流管的內(nèi)沿插入至入口的稍上處和稍下處時(shí)分離效率均較高。

為了進(jìn)一步優(yōu)化柱狀旋流分離器的分離性能，有必要對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究。本文主要探索渦流探測(cè)管對(duì)旋流器分離性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)及實(shí)驗(yàn)裝置

為方便觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，選取透光性較好的10#白油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，并使用油溶性染色劑將白油染成紅色，水相為自來(lái)水，根據(jù)不同入口含水率的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)油相和水相的流量，將油和水按照一定比例混合。白油的物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 白油物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of white oil

柱狀旋流分離器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，旋流器柱體內(nèi)徑50 mm，高1 250 mm，水平入口管內(nèi)徑50 mm，采用截面積為25%的漸縮入口，溢流管直徑25 mm，底流出口管內(nèi)徑40 mm。渦流探測(cè)管尺寸如圖2所示，安裝時(shí)其下沿應(yīng)與水平入口管內(nèi)徑的上沿相平齊。

旋流器的基本工作原理是：油水混合物經(jīng)由入口漸縮噴嘴加速后，沿切向進(jìn)入旋流器形成高速旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，并向底流口方向作螺旋回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即外旋流；當(dāng)外旋流抵達(dá)底流口，不能完全流出，一部分流體就以相同的回轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)而向溢流口作螺旋回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即內(nèi)旋流。在內(nèi)、外旋流兩種流動(dòng)形態(tài)作用下，形成離心場(chǎng)，密度大的水相從底流口排出，密度小的油相從溢流口排出，通過(guò)控制旋流器出口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變溢流口和底流口的流量，調(diào)節(jié)不同的分流比，改變旋流器的分離效率，完成了油水混合物的分離。

圖1 旋流器總體結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Generalstructureofcyclone

圖2 渦流探測(cè)管尺寸(單位：mm)

Fig.2Orificevortexfinderdimensions

1.2 實(shí)驗(yàn)流程及步驟

實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

Fig.3Testflowchart

本次實(shí)驗(yàn)總共包括95%、90%、80%、70%四種入口含水率，在每種入口含水率的工況下，采用0.3、0.6、0.9 m/s三種不同的入口混合流速，實(shí)驗(yàn)的步驟如下：

(1) 打開(kāi)油罐和水罐出口閥門(mén)，開(kāi)啟水泵和油泵，調(diào)節(jié)水泵出口閥門(mén)和回流閥門(mén)，調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速，使油水按照一定比例混合；

(2) 在維持水相和油相流量不變的前提下，同時(shí)調(diào)節(jié)旋流器的溢流口和底流口閥門(mén)，改變旋流器的分流比；

(3) 在不同分流比的情況下，用試管從底流取樣口取樣，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量底流出口中的水中含油濃度，判定旋流器在不同實(shí)驗(yàn)工況下的最佳分流比，每組實(shí)驗(yàn)共調(diào)節(jié)四個(gè)分流比；

(4) 改變柱狀旋流分離器結(jié)構(gòu)，重復(fù)(1)—(3)步驟，直到完成所有設(shè)定的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

一般旋流器的分流比是指溢流口流量或底流口流量占旋流器進(jìn)口總流量的分率，分別稱(chēng)為溢流比或底流比，本研究采用底流比作為柱狀旋流分離器的分流比，分流比的定義如式(1)所示：

S=qu/qi(1)

式中，S為柱狀旋流分離器的分流比；qu為柱狀旋流分離器的底流口流量；qi為柱狀旋流分離器的入口總流量。

液-液柱狀旋流分離器是油水預(yù)分旋流器，處理的入口含油質(zhì)量濃度較高，在油水分離的過(guò)程中，應(yīng)確保在旋流器底流口的水中含油質(zhì)量濃度較低的同時(shí)，盡可能降低旋流器溢流口的油中含水率。目前應(yīng)用最廣泛的除油旋流器分離效率不能全面地衡量柱狀旋流分離器的分離性能，為此，選用脫水率作為評(píng)價(jià)柱狀旋流器分離性能的指標(biāo)，主要考察旋流器從油中脫水的能力。

柱狀旋流分離器的脫水率是指底流口中水相流量與入口中水相流量之比，是評(píng)價(jià)預(yù)分旋流器分離性能的重要指標(biāo)，脫水率高，可以減輕后續(xù)流程的處理壓力。脫水率的定義如式(2)所示：

η=qu-w/qi-w(2)

其中，η為柱狀旋流分離器的脫水率；qu-w為柱狀旋流分離器底流口中的水相流量；qi-w為柱狀旋流分離器入口總流量中的水相流量。

為了減輕后續(xù)污水處理流程的負(fù)擔(dān)，方便下游處理，現(xiàn)將底流口含油質(zhì)量濃度在不高于2 000 mg/L時(shí)所能達(dá)到的最大底流量對(duì)應(yīng)的分流比，稱(chēng)為柱狀旋流分離器的最佳分流比。把最佳分流比對(duì)應(yīng)的脫水率定義為柱狀旋流分離器的最佳脫水率。

下面以柱狀旋流分離器在每個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的最佳脫水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察旋流器的分離性能。

2.1 渦流探測(cè)管對(duì)分離性能的影響

在入口含水率為95%、90%、80%、70%時(shí)，渦流探測(cè)管對(duì)柱狀旋流分離器最佳脫水率和最佳分流比的影響如圖4、5所示，其中，入口混合流速用Vm表示。

圖4 渦流探測(cè)管與最佳脫水率的關(guān)系Fig.4 The relationship between orifice vortex finder and optimal dehydration rate

圖5 渦流探測(cè)管與最佳分流比的關(guān)系

Fig.5Therelationshipbetweenorificevortexfinderandoptimalsplitratio

由圖4和圖5可知，當(dāng)入口含水率為95%、90%、80%、70%時(shí)，對(duì)于有渦流探測(cè)管的柱狀旋流分離器的最佳脫水率均優(yōu)于無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器；隨著入口含水率的降低，最佳脫水率的差異逐漸減?。寒?dāng)入口含水率為95%、90%時(shí)，兩者相差13%～22%；當(dāng)入口含水率為80%時(shí)，兩者相差12%～17%；當(dāng)入口含水率為70%時(shí)，兩者相差不大。

當(dāng)入口含水率一定時(shí)，兩者最佳脫水率的差異隨著混合速度的增大而增加。同時(shí)，當(dāng)入口含水率一定時(shí)，最佳分流比隨入口混合流速的變化規(guī)律與脫水率相一致。

圖6為在不同入口含水率和不同混合流速下渦流探測(cè)管處的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，將渦流探測(cè)管在油水分離過(guò)程中的作用歸納如下：

(1) 渦流探測(cè)管有導(dǎo)流作用。當(dāng)油水混合物經(jīng)過(guò)入口漸縮段加速進(jìn)入旋流器后，上部的油相在離心力的作用下，向上做螺旋運(yùn)動(dòng)，然后又環(huán)繞渦流探測(cè)管下行，在下行的過(guò)程中油滴得到加速，獲得更大的旋轉(zhuǎn)角速度，并最終到達(dá)渦流探測(cè)管的孔口處形成穩(wěn)定的油芯，經(jīng)由溢流段流出旋流器，提高了旋流器的脫水率。

(2) 渦流探測(cè)管有很好的濃縮效果。由于渦流探測(cè)管的孔口直徑為6.4 mm，遠(yuǎn)小于溢流口的直徑，而且經(jīng)過(guò)導(dǎo)流的油相在渦流探測(cè)管下方形成油芯，因此，能夠保證油相從孔口流出的同時(shí)減少了游離水流向溢流段的流量，提高了溢流段的含油濃度，起到了濃縮作用。

(3) 渦流探測(cè)管有抽吸作用。液體流經(jīng)孔徑較小的渦流探測(cè)管時(shí)，流通面積收縮，流速增大，壓力降低，使旋流器軸心處和溢流段的壓差進(jìn)一步增大，能夠促進(jìn)更多的油流向溢流段，起到了一定的抽吸作用。

圖6 渦流探測(cè)管的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

Fig.6Experimentalphenomenonoftheorificevortexfinder

根據(jù)對(duì)渦流探測(cè)管在油水分離過(guò)程中作用的闡述，對(duì)圖4和圖5中的現(xiàn)象解釋如下：

(1) 渦流探測(cè)管在分離過(guò)程中起到了導(dǎo)流和抽吸作用，能夠穩(wěn)定旋流器內(nèi)的油芯，并且有利于油芯的排出，因此最佳脫水率要優(yōu)于無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器。

(2) 渦流探測(cè)管孔口直徑較小，流通能力有限，隨著入口含水率的降低，從孔口處流經(jīng)的油量增大，逐漸達(dá)到溢流量的上限。同時(shí)，隨著溢流量的增大，由摩擦引起的能量損耗也增大，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的動(dòng)力促使油芯從渦流探測(cè)管的孔口繼續(xù)流出，有些油來(lái)不及通過(guò)渦流探測(cè)管流出，就被水帶走從底流口流出，降低了脫水率，使兩者的最佳脫水率差異減小。

(3) 當(dāng)入口含水率一定時(shí)，隨著油水混合流速的增大，油滴由于承受的剪切力增大而破碎成直徑較小的油滴，加劇了油水的乳化程度。相較于無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器，部分油滴經(jīng)過(guò)渦流探測(cè)管的導(dǎo)流作用凝聚在孔口附近，能夠更容易被分離并從溢流段流出，改善了分離效果，使兩者的最佳脫水率差異增大。

(4) 柱狀旋流分離器的最佳脫水率越大，旋流器的脫水能力越強(qiáng)，底流口的流量越大，最佳分流比越大。因此，當(dāng)入口含水率一定時(shí)，最佳分流比隨入口混合流速的變化規(guī)律與脫水率相一致。

2.2 渦流探測(cè)管對(duì)壓降的影響

入口含水率為95%、90%、80%、70%時(shí)，入口-溢流口(入口-底流口)壓降與渦流探測(cè)管的關(guān)系如圖7、8所示，其中，壓降用Dp表示。

圖7 入口-溢流口壓降與渦流探測(cè)管的關(guān)系

Fig.7Therelationshipbetweenthepressuredropoftheinlet-overflowandtheorificevortexfinder

由圖7和圖8可知，當(dāng)入口含水率為95%、90%、80%、70%時(shí)，有渦流探測(cè)管的柱狀旋流分離器比無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器壓降要大。對(duì)于入口與溢流口壓降，前者明顯比后者大，并且隨著入口含水率的降低這種差異逐漸增大：當(dāng)入口含水率為95%、90%時(shí)，入口與溢流口壓降升高3～37 kPa；當(dāng)入口含水率為80%時(shí)，入口與溢流口壓降升高6～52 kPa；當(dāng)入口含水率為70%時(shí)，入口與溢流口壓降升高8～68 kPa。

圖8 入口-底流口壓降與渦流探測(cè)管的關(guān)系

Fig.8Therelationshipbetweenthepressuredropoftheinlet-underflowandtheorificevortexfinder

對(duì)于入口與底流口壓降，前者與后者相差較小，并且隨著入口含水率的降低這種差異逐漸減小。具體原因分析如下：

(1) 對(duì)于入口與溢流口壓降，帶渦流探測(cè)管的旋流器孔口直徑小，流通阻力大，壓降大；隨著入口含水率降低，雖然兩者溢流量都增大，但是由于前者孔口處過(guò)流斷面小，壓降增大的速率快，故兩者的差異逐漸增大。

(2) 對(duì)于入口與底流口壓降，兩者底流口直徑相同且較大，由于流量不同而引起的摩阻損失差異不明顯，并且隨著入口含水率降低，兩者分離效率都降低，底流口流量趨于相同，因此差異也越來(lái)越小。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析有渦流探測(cè)管和無(wú)渦流探測(cè)管兩種結(jié)構(gòu)柱狀旋流分離器的分離性能，可以得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)入口含水率為95%、90%時(shí)，有渦流探測(cè)管的旋流器比無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器最佳脫水率提高13%～22%，入口與溢流口壓降升高3～37 kPa；

(2) 當(dāng)入口含水率為80%時(shí)，有渦流探測(cè)管的旋流器比無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器最佳脫水率提高12%～17%，入口與溢流口壓降升高6～52 kPa；

(3) 當(dāng)入口含水率為70%時(shí)，有渦流探測(cè)管的旋流器與無(wú)渦流探測(cè)管的旋流器分離效率相差不大，但是入口與溢流口壓降升高8～68 kPa；

(4) 當(dāng)入口含水率為95%、90%、80%、70%時(shí)，兩者的入口與底流口壓降相差不明顯，前者比后者稍高。

(5)當(dāng)入口含水率一定時(shí)，最佳分流比隨入口混合流速的變化規(guī)律與脫水率相一致。

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