（化工过程机械专业论文）涡流板式动态水力旋流器的性能研究.pdf

大连理j 二大学硕士学位论文 摘要 对油田采出水进行污水除油、除砂处理，并把处理后的这部分污水作为生产用水回 注到地下，已经成为油田环境保护和节约水资源的重要途径和手段。离心机和水力旋流 器以其独特的分离原理和结构在这方面的应用中显现出了优越的性能，并越来越受到人 们的重视。但是也暴露出各自的一些不足之处，因此把两者优点有机结合在一起，研究 出一种新的分离装置十分必要，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。 针对水力旋流器和离心机各自的优缺点，本文提出了一种新的离心分离装置涡 流板式动态水力旋流器。它除具有离心机压力损失小、处理量大；静态水力旋流器震动 小，不易堵塞容易卸料等特点，还具有自吸供液的优点。本文通过实验研究和数值模拟 对其性能和能耗进行了研究。 在建立了样机实验平台的基础上，对涡流板式水力旋流器的内部压力场进行了测 试，得到了在自吸供液和泵供液两种情况下各处的压力损失与电机转速、分流比和进口 流量之间的关系，并通过正交实验分析德到影响压降的最主要因素为电机转速。 结合实际情况，在自吸供液和泵供液的条件下，对实验样机分别进行了水砂和油水 分离性能的实验研究。在水砂实验中得到了溢流浓度和分离效率与电机转速、分流比和 进口流量之间的关系曲线；在不同粒径混合液和混合液增粘的情况下，对分离效率的变 化情况进行了研究，并得到了溢流口排出物料的粒度分布。在油水分离实验中得到了分 离效率与电机转速和分流比之间的关系。结果表明，即使在增粘的情况下实验机对水砂 也有较高的分离效率，能分离很小粒径的混合液，而对油水混合液的分离效率却很低。 通过正交分析得到影响水砂分离效率的主要因素是电机频率。 基于修正的k 一占模型，应用f l u e n t 软件，对实验样机进行数值模拟，得到了它内 部流场的速度分布、压力分布和湍能分布情况，并把模拟的压力分布结果与实验测得的 结果进行对比，结果吻合较好。 关键词：涡流板；水力旋流器；固液分离；油水分离 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 p e r f o r m a n c er e s e a r c ho f v o r t e xb o a r dd y n a m i ch y d r o c y c l o n e a b s t r a c t r e m o v i n gt h e 础勰ds a n d 鼬t h eo i l - b e s t i n gs e w a g eo f l f i e l di st h ei m p o r t a n tp a t ha n d t h em e s l 丝t or e s o l v et h ew a t e rr e s o l l r 8p r o b l e ma n dp r o t e c tt h ee n v i r o m n e n t c e n u i f u g e s a n dh y d r o c y c l o n e sh a v es h o w nm a n ya d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l yd u et ot h e i r 印c c i a ls e p a r a t i o n p r i n c i p l ea n ds m m n n a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h i sf i e l d t h e y 批c a l l i n gf o rm o l 刮酬o n d e v e l o p i n gan o w 咖eo f 栩瑚衄f a c i l i t yw h i c hb o t hh a st h ea d v a n t a g eo ft h et w o e q u i p m e n t si sv e r yv a l u a b l ef o rr e s e a r c ha n dw i nh a v ew i d e ra p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o t hc e n t r i f u g e sa n dh y d r o c y c l o n e s v o l l 砖xb o a r d d y n a m i ch y d r o c y c l o n e i sp r o p o s e di nt h i ss t u d y i ck e e p sc e n 血i f u g e ss m a l lp l 屯s s u r ed r o p a n db i g 缸 e a t i n gc a p a c i t y i ta l s ok e e p sh y d r o c y c l o n e ss m a uv i b r a t i o n 、a n t i - b l o c k i n ga n de a s y d i s c h a r g e b e s i d e s i th a st h ea d v a n t a g eo fs e l fp r i m i n g w er e s e a r c ht h i sd e “se n e r g y c o n s u m p t i o na n dc a p a c i t yt h r o u g ht h em e t h o do f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dc x l 懈i m e n t b a s e do ne s t a b l i s h i n gm o d u l a t e dt e s t i n gr i go f 野| p 出咄m a c h i n e , w et e s tt h ei n n e r p r e s s 砒ef i e l do f t h ee q u i p m e n t a n dw eo b t a i nt h er e l a t i o n s h i p so f p r e s s l l r ed r o pw i t hm o t o r s p e e d ，印h tr a t i oa n di n l e tf l o w r a t ei nt h ec a s e so fs e l f - p r i m i n gf l o wf d i n ga n dp u m pf l o w f e e d i n g t h r o u g ho r l h o g o n a la n a l y s i s ，t h ep r i m a r ye l f o c tf a c t o ro np r e s s m ed r o pi sm o t o r s p e e d u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs e l f - p r i m i n gf l o wf e e d i n ga n dp u m pf l o wf e e d i n g , w es t u d yt h e c a p a b i l i t y f o r s e p a r a t i o no fo i l - w a t e r1 1 1 i x l l r e a n dw a t e r - s a n dm i x t u r e , a n dg a i nt h e r e l a t i o n s h i pg b r v e so fo v e r f l o wc o n c e n 恤t t i o na n ds e p a r a t i o ne 伍c i c yw i t hm o t o rs p e e d , 印h tr a t i oa n di n l e tf l o w r a t e t h ei r e n do fc h a n g eo ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f t h ee q u i p m e n ti s o b t a i n e dl l t t d e rd i f f e r e n tp a r t i c l ed i a m e t e r sm i x r n _ ea n dh i g hv i s c o s i t yn l i x n 玎e t h r o u g h e x p e r i m e n tw eg e tp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc h a r s 捌s f i c so fo v e r f l o wf l u i d t oe x p e r i m e n t o i lo i l - w a t e fs e p a r a t i o nw eg e tr e l a t i o n s h i p so fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw i t hm o t o rs p e e da n d s p l i tr a t i oi n l e t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee q u i p m e n tc a nb eu s e da sr e l i a b l ef o r r e m o v i n gs a n d sf r o mt b i c kw a t e r , a n dc a l ls e p a r a t ef i n es i z es a n d sf i x n nm i x t a r e b u ti th a s l o w e rs e p a r a t i n gp r o p e r t yi no f f - w a t e rs e p a r a t i o n t h r o u g ho r t h o g o n a la n a l y s i st h ep l i m a r y e f f e c t 蠡c 0 ro i ls e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya b o u tw a t e r - s a n ds e p a r a t i o ni s ：m o t o rf 哪c y t h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fv o r t e xb o a r dd y n a m i ch y d r o c y c l o n ei ss i m u l a t e du s i n g a m e n d e dr n g k - e m o d e lo ff l u e n ta p p l i c a t i o n s w eo b t a i ni n n e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , v e l o c i t yd i s t r i b m i o na n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s i n i i 大连理工大学硕士学位论文 a c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld 越乱w h i c hp r o v e st h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dc o m p u m l i o n k e yw o r d s ：v o r t e xb o a r d ；h y d r o c y c l o n e ；s o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n ；o i l - w a t e rs e p a r a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：出递孟1 日期：z 。! 掣 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：逝堂塾 导师签名翔查坦 量! 。上年上月生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题研究背景 在大部分油田的开采过程中，都伴随有大量的采出液，这些采出液中含有大量的油 污或粒径较小的砂粒。目前通常的做法是把它进行简单的处理，然后排放掉，这样做势 必会对环境造成极大的破坏。与此同时，油田在生产过程中需要使用大量的回注水【1 翔， 来弥补由于石油采出两造成的地层压力变化或作为注聚采油用水。若能够将采出液进行 深度处理达到回注水的标准，就可以既保护了环境又节约了水资源。因此这方面的研究 已经越来越引起人们的关注。在这方面的处理工艺中，现有的方法和设备显现出很多的 不足。因此，找到一种更高效适用性更强的设备已经势在必行。 1 2 两相混合液分离方法 1 2 1 液一液分离方法 液一液分离指的是对油和水混合形成的乳状液的分离。这里乳状液的定义是把一种 或几种液体以液珠形式分散在另一种与其不互溶( 或部分互溶) 液体中所形成的分散系 统。乳状液分为油包水型乳状液( w a t e ri no i le m u l s i o n ) 以符号w o 表示和水包油型乳 状液( o i li nw a t e re m u l s i o n ) 以符号o w 表示。油田采出液多为水包油型乳状液。目前， 对乳状液的分离方法有如下九种： ( 1 ) 破乳剂破乳：乳状液液滴直径很小，一般呈胶粒结构，而破乳剂破乳法就是利 用加入药剂( 有机破乳剂，电解质等) 的方法压缩乳状液微粒( 胶体) 的双电层和中和其表 面电荷达到破坏其界膜，使乳状液胶体脱稳的目的【3 1 。j a n a k a b 4 等在破乳剂作用机理方 面研究时提出界面特征松弛时间可表征破乳剂的性能，界面特征松弛时间越短，破乳剂 性能越好。目前，破乳剂主要是以非离子的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚合物为主，在传统 的破乳剂基础上加以改性1 5 - 5 。 ( 2 ) 研磨破乳：研磨破乳就是利用研磨剂粒子间的有效碰撞对分散液滴产生了摩擦 力和剪切力，促使液滴发生变形并相互接触，然后与研磨剂表面的液膜层聚结从而达到 破乳目的。褚莹等【_ 7 】通过试验认为研磨破乳原理可分两个步骤：过滤破乳和研磨破乳。 过滤破乳是乳状液经研磨剂过滤产生的。在过滤时，乳状液的分散液滴与研磨剂相互磨 擦，润湿研磨剂表，并在研磨剂表面铺展形成表面液膜，当表面液膜积累到一定厚度时， 便会自动聚结，此过程即为过滤破乳。 涡流板式动态水力旋流器的性自g 研究 ( 3 ) 膜破乳：膜破乳法是利用了聚合物微滤膜对有机溶剂的亲合能力而提出的。在 微滤膜破乳的过程中，水包油型乳状液中的分散相在膜表面润湿。在一定的压差推下， 液滴之间发生聚集。当聚集达到一定程度时，它们不可逆地聚结成大液滴。这个过程在 膜表面和通过膜孔时均能发生，这种聚集在一起的油相在一定压力作用下通过膜孔，水 相同时也通过膜孔。过孔后的油相与水相很容易实现进一步分离。骆广生晴】，p i a & i p p n ， 九z a i d i f l o 等人采用膜法进行破乳研究，得到良好的效果。 ( 4 ) 电磁场破乳：李可彬【l l 】提出了一种利用电磁感应原理产生涡旋电场进行破乳的 新方法。将螺线管、磁芯构成的电感器与电容器串联组成l 七谐振电路。在此电路中通 入高频电流，使其在破乳器内产生高频磁场，从而感生出高频涡旋电场。在此电场的作 用下，乳状液滴极化并加速其运动与碰撞。达到破乳的目的。 ( 5 ) 加热破乳：温度对液体的粘度影响很大，当温度升高时，液体的粘度减小，而 气体的粘度增大，同时温度升高，固体和液体溶质在溶液中的溶解度增加，气体则相反 n 2 1 。所以加热破乳的机理一般认为：随着温度的升高，油相的粘度和密度下降，同时乳 化剂在水相中的溶解度增大，使乳液聚结而加剧液膜破裂，达到破乳的目的。 ( 6 ) 高压静电破乳：在高压直流静电场中，带电的乳状液液滴由于受到极化作用沿 电场方向发生变形，当静电场达到一定强度时，液滴间发生相互兼并，进而液滴破裂， 实现破乳。因此要实现有效破乳，高压直流静电场的强度，必须足以克服乳状液液滴之 间的斥力位能。在交流静电场作用下，由于电压方向不断地发生变化，使乳状液液滴的 表面电荷也不断随电场的变化而改变，这种改变作用将使包围水滴的乳化膜薄化，并沿 电场方向首先发生聚集破裂，实现乳状液破乳【1 3 1 。 ( 7 ) 重力沉降破乳：重力沉降破乳法主要是利用乳状液的密度差进行重力沉降分层， 达到破乳的目的1 1 4 1 。在理论上重力破乳可以达到很好的分离效果，但由于乳状液滴是一 个很稳定的胶体，半径很小，在实践操作上很难达到很好的破乳效果。 ( 8 ) 润湿聚结破乳：孙德智，李明玉【1 5 】明研究采用润湿聚结介质进行破乳，他们认 为要实现润湿聚结以达到两相分层的目的，选择合适的润湿介质是关键。润湿能力差， 润湿角大于9 0 。：润湿能力强，润湿角小于9 0 。这种情况的产生是由于液体和固体本身 的物理化学性质不同，特别是表面性质的不同造成的。乳状液中的水滴首先在聚结介质 表面润湿并吸附，然后水相主体中的水珠与先吸附的水滴碰撞并聚集，使介质上被吸附 的水珠不断增大，当增大到一定程度时，液相搅拌产生的拽力将聚结水滴从介质表面脱 除。连续的润湿吸附、碰撞、聚结和脱除，使水相和油相分层，进而达到两相分离。 ( 9 ) 离心破乳：离心破乳法是利用两相的密度差进行破乳的，在离心力的作用下， 由于密度的不同使油相上升、水相下降，液滴发生聚结，从而实现两相的分离。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 超声波破乳：孙宝江掣1 6 研究了超声波破乳的作用机理。油中的水滴粒子在超 声波辐射下具有位移效应，水粒子将不断向波腹或波节运动、聚结芳发生碰撞，生成直 径较大的水滴，并在重力作用下油水分离。 1 2 2 固一液分离方法 在油田生产中的围液分离指的是含砂污水的分离处理。目前，国内外的常见的固 液分离方法有如下几种： ( 1 ) 重力沉降分离：重力沉降是利用固液两相的密度差在重力场中进行固液分离的 过程。为提高固液分离效率，可先采用水洗技术，即让夹带砂粒的油水混合物通过活性 水层。由于水的表面张力较大，有利于油包水界面膜的破裂，从而加速了油滴的上升， 水滴则聚沉下降，降低了原油乳状液的粘度。更有利于砂粒的沉降。另外，在重力沉降前 常对油水混合物加热，减少液体粘度，以加速固体颗粒的沉降。 ( 2 ) 离心分离：离心分离是把悬浮液置于离心力场中，使终固液锝以分离的过程。 由于在离心场中可以获得很大的惯性力，因此可以实现诸如细微颗粒的悬浮液和准稳定 乳状液的分离。颗粒在旋转流场所受到的离心加速度背离旋转中心指向外圆周，其大小 与旋转半径和颗粒的切向速度有关。在相同条件下，离心沉降和重力沉降速度比值称为 分离因数，是离心分离设备的重要性能指标。 ( 3 ) 过滤分离：过滤分离是利用某种多孔介质来使悬浮液液固分离的过程。在外力 作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而粒径大小在一定范围内的固体颗粒被 截留下来，从而实现固液分离。过滤操作分为两大类，一类是饼层过滤，另一类为滤床 过滤。饼层过滤适合于固体含量稍高( 固相体积分率在1 以上) 的悬浮液【1 7 l ；滤床过滤 较适于悬浮液中颗粒粒径很小且含量甚微( 固相体积分率在1 以下) 的场合。 1 3 离心分离设备 在油田实际生产中，由于成本、工况和环境保护等诸多因素的限制，上述分离方法 重力沉降分离和离心分离被广泛的应用在液液分离和固液分离中。其中重力沉降分离 设备的投资大，占地面积大，而离心分离设备则可以节省地面建设投资，改进或简化油 气集输工艺流程。所以离心分离设备越来越受到人们的重视。 在离心分离领域主要存在两种分离设备：一种是离心机，如螺旋卸料沉降离心机， 碟片式离心机，管式离心机等；另外一种是水力旋流器。 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 1 3 1 离心机 ( 1 ) 螺旋卸料沉降离心机：螺旋卸料沉降离心机【l8 】结构原理见图1 1 。高速旋转的 无孔转鼓内有同心安装的输料螺旋，转鼓与输料螺旋同向旋转，但两者之间有一定的转 速差，该转速差由差速传动系统产生。悬浮液经中心的加料管进入转鼓，悬浮液中大部 分固体颗粒在离心力作用下沉降到转鼓内壁并被输料螺旋推送而从小端排出转鼓，澄清 后的液体从转鼓另一端的溢流口排除。 图1 1 螺旋卸料离心机结构原理图 f i 9 1 1 s c r o l ld i s c h a r g e 联x e 龃c c n u i f u g e 螺旋卸料沉降离心机的主要操作参数为：转鼓转数，转鼓与输料螺旋问的转速差， 溢流口位置和进料速度；主要结构参数为：转鼓大端内直径d ，转鼓长度l ，转鼓长径 比l d ，转鼓半锥角口，以及输料螺旋的螺旋头数和螺距。 螺旋卸料沉降离心机的主要优点：自动连续操作，不需用滤布，能长期连续运行， 维护简便；应用范围广，可用于固体脱液，液体澄清，固体颗粒按粒度分级，以及用于 液一液一固分离；对物料的适应性好，能分离的固体粒度的范围0 0 0 5 m m - 2 m m ，悬浮液 的体积浓度范围2 9 6 4 0 9 6 。浓度波动对分离效果的影响不大；结构紧凑，容易实现结构上 密闭，密闭式机器可在定的正压下操作；单机生产能力大( 大型机可达1 9 0 m v h ) ， 操作费用低，占地面积小。 螺旋卸料沉降离心机的缺点是：沉渣的含液量一般较高；虽能对沉渣进行洗涤，但 洗涤效果不好；结构较复杂，机器造价较高。 ( 2 ) 碟式分离机：碟式分离机【1 9 】是沉降式离心分离中的一种类型，用于分离难分离 的物料。碟式分离机可以完成分离和澄清两种操作，是应用最广泛的沉降式离心机。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 碟式分离机 f i 9 1 2 d i s ks e p a r a t o r 碟式分离机如上图所示是立式离心机，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机 驱动而商速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件碟片，碟片与碟片之间留 有很小的间隙。悬浮液( 或乳浊液) 由位于转鼓中心的进料簧进入转鼓。当悬浮液( 或 乳浊液) 流过碟片之间的间隙时，固体颗粒( 或液滴) 在离心力作用下沉降到碟片上形 成沉渣( 或液层) 。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位， 分离后的液体从出液口排出转鼓。积聚在转鼓内的固体在分离机停车后拆开转鼓由人工 清除，或通过排渣机构在不停车的情况下从转鼓中排出。 碟式分离机主要的操作参数为：转鼓转数，轻液转速，轻液与重液分界面的位置， 加料速度等；碟式分离机的主要结构参数为：转鼓内直径，当量沉降面积，碟片的尺寸 与碟片总片数，排渣方式及排渣机构。 碟式离心机结构紧凑，占地面积小，生产能力大，适于液一固也适于液一液分离，因 而在化工、医药、轻工、食品、生物工程以及交通运输部门都获得广泛应用。碟式分离 机的缺点是结构复杂，转速高，因而操作和维修保养的要求比较高，另外清洗较麻烦。 ( 3 ) 管式离心机 管式离心机的结构见下图1 3 。管式离心机的分离因数很高，一般在1 3 2 0 0 5 0 0 0 0 ； 结构小巧紧凑，是应用很广的沉降式高速离心分离设备。管式离心机为立式结构，可分 为澄清型和分离型两种。澄清型用于含少量固体的悬浮液的澄清，悬浮液从转鼓下部进 入转鼓，在由下往上的流动过程中，所含固体颗粒沉积在转鼓内壁，清液从转鼓上部溢 流排出。分离型用于乳浊液的分离，乳浊液在离心力作用下分成重液和轻液两液层。 管式离心机适用于固体含量低于1 、固体颗粒小于5 u m 以及固体与液体的密度差很 小的悬浮液的澄清；也适用于轻液与重液的密度差小于分散性很高的乳浊液的分离。管 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 式离心机结构较简单、体积小、运转平稳，且分离因数很高，能分离难分离的物料，因 而广泛应用于化工、制药、生物制品的生产、制漆、植物油精制以及矿物油加工等工业 部门。 主要用途：分离固体含量低的粘性悬浮液，如清漆、果汁、细菌培养液等的澄清； 将悬浮液中的固体颗粒按大小分级，如搪瓷原料用管式离心机分级以清除其中的杂质； 分离难分离的乳浊液，例如从植物油、鱼和动物脂肪以及矿物油中分离出水分；用于高 分散物系和胶体物系的分离和粒度分布。 管式离心机主要缺点是间歇操作，转鼓容积小，为避免频繁地停机清除沉渣，用管 式离心机分离的物料其固体含量不要超过1 。 图1 ，3 管式离心机 f 噜1 3p i p es e p a r a t o r 1 3 2 旋流器 旋流分离技术最早应用于固一液两相分离，其内部流动形式如图1 4 所示。2 0 世纪 6 0 年代末期，英国南安普敦大学的m a r t i nt h e w 等人开始研究用水力旋流器进行油一水 两相介质分离的可行性阎。经过近十年的努力，他们终于得出了肯定的结论并设计出样 机，于1 9 8 3 年设计生产出第一个商用的高压v o r t o i l 型水力旋流器【2 1 捌。该旋流器在 6 一 大连理工大学硕士学位论文 澳大利亚的b a s ss t r a i t 油田的平台上进行实验，取得了令人满意的结果，从此开辟了 液一液水力旋流器工业领域应用的先河1 2 3 1 。 液液水力旋流器用于油田采出水处理系统与传统分离设备相比，具有体积小、重 量轻、分离效率高、无运动部件、安装维修方便、成本低等优点。世界上许多国家和地 区的海上和陆地油田都有应用，倍受人们重视。除用于油田采出水处理外，近年来水力 旋流器在高含水期采出液预分离和原油脱水的应用上也取得了可喜的进展。 迄今为止，在英国已经召开了六次以水力旋流器为专题的国际会议，交流各国在此” 领域内的最新研究成果。分别于1 9 8 0 年在剑桥、1 9 8 4 年在巴斯、1 9 8 7 年在牛津、1 9 9 2 年 在南安普敦、1 9 9 6 年在剑桥和2 0 0 0 年在约克召开雕2 5 矧。会议的召开对水力旋流器从基 础理论到工业应用等各方面的发展都起到了很大的推动作用。 ( 1 ) 旋流分离器以其结构简单、维护方便的优点在分离机械中占有重要的地位。在 水力旋流器的发展过程中，出现了以下四种器壁结构的旋流器。 大锥角旋流器其锥角大，锥段短，可用于固相颗粒进行分级、根据颗粒形状和 密度的差别对颗粒进行分选。如r t e t e m a 2 刀结构等。还可以用以三相分离技术【3 9 1 。 小锥角旋流器圆锥角很小，般小于2 5 。所以其旋流锥段很长，在液液分离 方面应用较广，这种类型的旋流器一般都设置一个锥角很小的锥段，它的作用是保证足 够的分离空间和分离时间。而且还在小锥角与圆柱段之间设置了一个较大锥角的大锥 段。这其中比较有代表性的是f 型水力旋流器 2 s 枷，3 8 】，其小锥段的锥角通常为1 5 。【3 2 】。 长柱型旋流器一般情况下，柱段长度取旋流器直径的0 7 - 2 0 倍，对于纯粹的 澄清目的来说，增加圆柱段的长度有利于固一液分离，旋流器柱段是一个有益于固相颗 粒分离的有效离心沉降区【3 3 - 3 6 1 。 全柱型旋流器全柱型水力旋流器的整个器壁全由柱段组成而没有锥段。由于尾 端也是柱型结构，所以可有效抑制粗粒级物料混入溢流，能够很好的保证溢流的品质【”舯】 这种全柱型的旋流器。不但可以用在固液分离，还可以用于固液气的三相分离 4 3 - 4 6 1 。 目前，水力旋流器又出现了一些新的特殊结构形式：如磁力水力旋流器、磁流体水 力旋流器、电化学水力旋流器、充气水力旋流器、气液水力旋流器、液液固三相分离 装置。 ( 2 ) 水力旋流器的应用特点； 由于目前在小尺寸固一液旋流器以及小粒度旋流分级器等方面还有待技术上的进一 步完善，液一液旋流器则发展的相对晚些，产品品种也相对单调。另外，目前在各行业 虽然经常应用旋流器，但在各行业里对旋流器的命名不尽相同，而且不同行业在旋流器 应用方面的经验也很少直接交流。基于这种情况，旋流分离器的应用方面有两个特点： 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 不同行业水力旋流器的实际使用情况以及潜在的应用前景要远远大于一般人所 了解的情况。 很多场合都可以使用高效的旋流器作为分离设备，但在设计时可能因为对旋流 器设备的陌生而失去了选用旋流器的机会。 ( 3 ) 水力旋流器的优点： 在长期大量的应用实践中，旋流分离器显示出一些突出的优点： 结构简单，成本低廉，易于安装和操作，几乎不需要维护和附属设备。 结构紧凑，体积小，处理能力大，可以节省现场空间。 旋流中存在着较高的剪切力，可以破坏颗粒问的凝聚，有利于固体颗粒分级与 洗涤。 用途广泛，可完成液体澄清、料浆浓缩、固体颗粒分级、分类与洗涤、液体除 气与除砂以及非互溶液体的分离等。 与重力分离设备相比，旋流分离器还有质量轻；易于设计、安装；需要的系统 配件少；维修费用低；易于调节与控制；拥有较宽的操作范围和对基础的运动不敏感等 优点。 外旋流 内旋流 图1 4 水力旋流器结构简图 f i g 1 4 c o n f i g u r a t i o no f h y d r o c y c l o n e 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容及应用价值 1 4 1 论文主要内容 论文分为三个主要部分： ( 1 ) 涡流板式动态水力旋流器的选型 这部分主要对涡流板式动态水力旋流器的结构特点进行说明。 ( 2 ) 涡流板式动态水力旋流器的实验研究 通过建立样机的实验平台，在自吸供液和泵供液的情况下对实验机内的压力损 失进行实验研究。 在自吸供液和泵供液的情况下，分析操作参数、进口物料及增粘剂对实验机的 水砂分离效率的影响。 震研究实验机的油水分离效果。 ( 3 ) 数值模拟分析 这部分主要对涡流板式动态水力旋流器的内部单相流场，应用f l u e n t 软件，选择 r n g k 一占湍流模型进行数值模拟。分析实验机内部流场的速度分布特点，压力分布特点， 和湍能分布特点，最后把模拟的压力结果与实验结果进行对比。 1 4 2 论文的理论意义及应用价值 在常规水力旋流器和离心机的基础之上提出并设计了一种涡流板式动态水力旋流 器。通过对涡流板式动态水力旋流器的室内实验研究和数值模拟研究。基本掌握了涡流 板式动态水力旋流器的分离特性以及流场特性。 涡流板式动态水力旋流器把离心机、水力旋流器的相关优点有机的结合起来。形成 了独特的结构。涡流板式动态水力旋流器若能研制成功，将为油田提供一种新型高效的 含油污水和含砂污水分离设备，进一步简化油水分离和水砂分离工艺，大大提高出水的 水质。同时对于油田周边生态环境的保护也具有非常重要的意义。若将处理过后的水作 为回注水，也将减少生产成本，节约水资源。涡流板式动态水力旋流器对于油田降低污 永处理和水砂分离的成本也具有较好的促进作用，因此涡流板式动态水力旋流器具有广 阔的应用前景。 涡流皈式动态水力旋流器的性能研究 2 涡流板式动态水力旋流器的结构特点 2 1离心机和水力旋流器的优缺点 2 1 1 离心机 由前面的叙述可知，离心机具有很高的转速，因此在分离过程中，具有很高的分离 效率。而且离心机的处理量可在很大范围内变化，因此能适应处理量在较大范围内变化 的工况。离心机在进口压力很低的情况下也能正常工作。由于离心机内部的叶片排列较 密，叶片与叶片之间距离很小，可近似的认为离心机内部的流体在叶片之间流动时是层 流流动如图2 1 所示意的。流体在叶片之间的切向速度分布规律是越到边缘速度值越大。 这样的结构特点和这样的速度分布规律，使得离心机分离的物料中一旦含有较大的固体 颗粒，就会附着边壁上或卡在叶片之间，造成拥堵，影响离心机的正常工作。 图2 1 层流流动 f i g 2 1 i a m i n a rf l o w 2 1 2 水力旋流器 由于水力旋流器的锥形特殊结构，使流体在其内部呈准自由涡运动，流体切向速度 沿径向的分布满足下述公式： u a r ”= c ( 2 1 ) 内部流场的切向速度分布呈双峰结构，在壁面处的速度不是最大速度，这样，固体 颗粒就不容易附着在器壁上，卸料比较容易。但是它也有如下缺点： 处理量变化范围小：水力旋流器的结构参数一旦确定下来，其只有在处理量变化范 围很小的条件下才能获得较佳的分离效果。进液量过小，旋流场达不到足够的分离强度， 进液量过大，混合液体又得不到充分分离。 大连理工大学硕士学位论文 混合液体的浓度变化不宜过大；对于不同的混合液浓度，其最佳处理效果所对应的 结构参数也是相对确定的。 需要足够的入口压力：水力旋流器内旋流场的形成是靠牺牲压力损失而获得的，因 而静态水力旋流器正常工作需要有较高的入口压力，这在很大程度上限制了该设备的实 际应用。 2 2 涡流板式动态水力旋流器的结构选型思路 鉴于上述原因，选型思路首先就是把增压部分放在装置内部，而且增压的同时还要 带动液体进行旋转，形成旋转流动。因此，选择了类似于涡流板叶片的叶轮结构。 其次，为了防止固体颗粒在分离装置内附着和拥堵，选用静态水力旋流器的腔体。 根据静态水力旋流器的结构特点，其内部流场的切向速度分布呈双峰结构，在壁面处的 切向速度不是最大，固体颗粒所受离心力较小。因此，固体不容易附着在器壁上导致难 以卸料了。 2 3 i 涡流板式动态水力旋流器的结构 2 ，3 1 涡流板叶轮部分 叶轮是涡流板式动态水力旋流器的主要旋转部件，要求叶轮既能带动液体加速旋 转，又能产生一定的静压力。因此在设计时参照了泵叶片的设计方法。 叶片的理论压头由静压头和动压头两部分组成。由图2 2 所示的关系曲线可看出， 对于前弯叶片，动压头的提高大于静压头的提高。而对后弯叶片，静压头的提高大于动 压头的提高，其净结果是获得较高的有效压头1 4 l j 。 圈2 2 日m 、峨和皿与屈的关系曲线 f i g 2 2 t h e r e l a t i o n b e t w e e n h ，h 口，h c a n dp 2 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 由以上的分析过程可以看出，采用这种叶片形式完全能够满足增压的同时产生切向 速度的要求，而且使用这种叶片形式还可以产生自吸效果，可以省去输送物料时选用的 泵。 在满足要求的前提下，考虑到其他方面的影响因素，选择后弯叶片，直径取 矿1 2 0 r a m ，进口直径取6 0 m m ，轴径取3 2 r a m ，出口角压为2 5 0 。采用的叶片形式是 单圆弧叶片。 考虑到有限叶片对理论扬程的影响，当叶片数量有限时，叶片间的流道较宽，液流 不像在叶片数无限多的理想叶轮中那样被叶片紧紧地约束着，因此叶道中液流除了有一 个均匀的相对流动外，还因液体惯性产生一个相对轴向旋涡运动。因此叶片数量选取为 6 个叶片。 为了使液体从叶轮流出进入静态旋流腔时，不因流道的突然扩大，而对流场产生很 大的破坏，选择把叶轮的出口放在叶轮的下部。 在液体进口处，把叶片向进口延伸，使液体提前受到叶片的作用，这样增加了叶片 的重叠程度，减少流道的扩散。使得叶片进口的相对速度减小，从而减小了进口的撞击 损失。叶片形式如图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 所示。 图2 3 ( a ) 叶轮形式 f 培2 3 ( a ) t h es c h e m eo f h n p e l l e r 。 圈2 3 ( b ) 叶片形式 f i g 2 3 t h es c h e m eo f v a n e 2 3 2 静态旋流部分 静态旋流部分是分离的主要部分，目前所应用的旋流腔主要有以下几种结构：双锥 单柱、双锥双柱、单锥单柱、单锥双柱和对偶锥单柱等几种形式，如图2 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 取锥单桂双经观拄单锥单拄单镶硬柱对儡黜 l ； 气 尹 l r 。 il 卜一 7 l 图2 4 旋流腔结构 f i g 2 4 s 雠咖璋o f w h i r lc a v i t y 由文献的实验数据对比分析可以看出，以双锥双柱式和双锥单柱式分离腔的分离 效果较好，而对偶锥单柱式的分离作用最差。其中双锥双柱中的柱形尾管在这里的作用 主要是提供一定的背压，以便在旋流管近轴区建立并维持必要的逆向压力梯度。 根据以上分析采用双锥双柱的静态水力旋流器结构，对于这种结构的静态水力旋流 器已经有成熟的经验尺寸可以借鉴，其尺寸和结构比例如图2 5 所示。 图2 5 静态旋流部分结构 f i g 2 5 s t r u c t u r e o f s t a t i c v o t - t g x b o d y 针对实验机的结构，选择r = 3 0 m m ，由此可确定静态旋流器的结构尺寸，大锥角为 2 0o ，小锥角为1 5o ，总长为2 6 7 0 m m 。 涡流板式动态水力旋流器的性能研究 2 3 3 溢流管部分 作为轻质相的出口，溢流管部分的设计很重要。因为轻质相必须从静态旋流腔的上 部流出来，它的流经通道必须经过轴，所以这时的驱动轴要做成空心的形式，为了能使 液体顺利的流出空心轴，在中心孔的上部沿圆周方向均匀的开了一些小圆孔，这样，通 过离心力的作用，液体就能从这些小孔顺利地流出。其结构如下图2 6 所示。 图2 6 溢流出口形式 f i g , 2 6 s u u c t t no f o v e f n o w 椰i l c t 2 3 4 密封部分 由于离心机叶轮部分属于旋转部件，与叶轮相连的轴上必然有轴承支撑。而轴承的 外侧是分离后的混合液，若混合液流到轴承内则会损坏轴承。因此把轴承和分离后的混 合液分开十分重要，所以在实验机的设计中采用了机械密封形式，如图2 7 所示 1 ) 静环2 ) 轴3 ) 动环4 ) 压盖 图2 7 机械密封 f i g 2 7 m h a n i c a ls e a l 大连理工大学硕士学位论文 在实验机的结构中，溢流口和进口的位置十分靠近，且两者的浓度不一样，如果两 者混合在一起的话就会使效率降低。所以必须将两种混合液有效的隔开，因此选用环隙 密封，如图2 8 所示。 r 溢流混合 乇 蓦 j 闷 _ 阏 i 进口混合 - 一 图2 8 密封环 f i g 2 8s e a l i l l gr i n g 2 4 本章小结 ( 1 ) 本章分析了离心机和水力旋流器的主要不足之处，对它们二者的优点进行有机 结合，形成了涡流板式动态水力旋流器的结构。 ( 2 ) 对涡流板式动态水力旋流器选型中遇到的问题进行分析并提出解决方法，主要 包括叶轮部分、溢流管部分密封方式、静态分离腔设计，机械密封。 涡流板式动态水力旋流器的性目g 研究 3 实验平台建立和实验准备 为了更好的研究涡流板式动态水力旋流器的性能，必须建立一个方便控制和观测的 实验平台，并且确定合适的实验流程，还要在实验前为实验准备好实验物料。下面分别 介绍相关的实验台建立、实验样机、实验方法、实验条件和物料准备等工作。 3 1实验装置建立及工艺流程 3 1 1 实验系统 该实验系统由电机、泥浆泵、涡流板式动态水力旋流器、压力表、流量计、输水管 线、控制阀门、水箱和变频器组成。本着拆装、操作和测量方便的原则，将实验系统设 计成若干模块。由于涡流板式动态水力旋流器形状细长，为了卸料方便，将把其竖直放 置并用三脚架在其转动部分进行支撑。包括实验机在内的各单元模块之间通过管道连接 起来。通过各管路上的调节阀门来调节流量。 ( 1 ) 泵组模块 泵组单元是系统的供液单元，主要包括水箱、水泵和配套的管线，其主要功能是为 实验提供充足的混合液物料，同时还兼有使固- 液和液一液混合液均匀混合的功能。其中， 水箱供液必须保证方便、快捷，能及时提供大流量、长时间实验用水。水箱还要考虑换 装实验物料方便，所以在水箱底部设置一个排水口。泵在使用前必须进行灌泵操作，否 则会因为泵内无液体空转而损坏泵。配套管线设计时不但要考虑各设备的摆放位置，而 且还要考虑进行自吸供液实验时的液体流动路线，因此单独设计一条管线把水箱和实验 机直接连接起来。为保持水箱内混合液均匀混合，要辅助以人工搅拌的方式。 图3 1 ( a ) 泵 f i g 3 1 ( a ) p u m p 图3 1 ( b ) 水箱 f i g 3 1 w a t e r r a n k 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 计量模块 计量模块主要由底流口和溢流口的流量计和五个位置上的压力表组成。底流口流量 和溢流口流量通过转子流量计读测出，进口流量则是二者相加之和。实验系统中流量的 控制与调节以及压力的控制与调节( 除了泵外) ，主要是通过对管路中相关阀门的控制 来实现的。此外实验中分别采用两种供液方式，因此在计量模块选用不同量程的压力表， 其中在白吸供液方式中，进口一定要选用真空表。而且自吸方式下的压力值均比泵供液 时的要小，因此要换成小量程的压力表。在换表肘一定要进行排空操作。 图3 2 ( 8 ) 压力表 f 培3 2 ( a ) p r e s s u r eg u a g e 图3 2 ( b ) 流量计