（油气储运工程专业论文）水力旋流器在老化油处理中的应用.pdf

摘要 a p p l i c a t i o no fa g i n go i lt r e a t m e n tb yu s i n gh y d r o c y c l o n e a b s t r a c t w i t ht h em a i no i lf i e l dg r a d u a l l ye n t r a n c et ot h eh i 曲w a t e re x p l o i t a t i o n , t h ef l u i d se x p l o i t e d o i lf i e l do f t e nh a v eag r e a td e a lw a t e ra n ds a n d s r e c e n t l y , t h ea g i n go i lw h i c hi sak i n do fo i l t r e a t e dd i f f i c u l t l yw i t he x i s t i n gm e a s u r e sh a sb e e ni nt h ef l u i d s t h ea g i n go i lw i t hc o m p l i c a t e d c o m p o n e n th a ss o m ec l a y sw i t hh i g h e re l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c a li m p u r i t i e ss u c ha s f e s ，a n ds oo n ，t h e s es u b s t a n c e so f t e nm a k et h ew a t e rc a p a c i t yi nt h eo i la n dt h ew a t e rq u a l i t yo f t h es e w a g ea f t e rd e h y d r a t i o no u to f t h ec r i t e r i ai nt h ed e h y d r a t i o ns y s t e m e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y o f t h e s ei m p u r i t i e sa l s of r e q u e n t l yi c a dt h ep h e n o m e n o no f t h et r i pi nt h ee l e c t r i cd e h y d r a t o ra n d c o l l a p s i n gt h ee l e c t r i cf i e l ds e r i o u s l y t h e s ec a l lc a u s eal o to f i n c o n v e n i e n c ei nt h ep r o d u c t i o n i t i sv e r yn e c e s s a r yt os e e k i n gah i g h e re f f i c i e n c ys e p a r a t i n ge q u i p m e n tf o rt h ea b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m t h eh y d r o c y c l o n ei san e wk i n do fc e n t r i f u g a ls e p a r a t o ri np e t r o l e u mi n d u s t r y i th a sh i g h e l e f f i c i e n c y ，c o n v e n i e n ta n dm a i n t a i n ，a n do t h e rp r o m i n e n ta d v a n t a g e s t h es t a t eo f t h ea no f t h e d e v e l o p m e n to fh y d r o c y l o n ea n di t sa p p l i c a t i o no no i l f i e l da r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h e h y d r o c y c l o n e s b a s i cs t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa b o u ti t s p e r f o r m a n c ea r ed e e p l ys t u d i e d o nt h eb a s i co ft h e s es t u d i e s t h ef i e l dt e s ta b o u tt r e a t i n gt h e a 百n go i lb yu s i n gt h eh y d r o c y c l o n ei sd o n e a n a l y z e dt h ef i e l dt e s t sr e s u l t sa n ds h o wt h e i n f l u e n c e so ft h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa n dp h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r st ot h ef i e l dt e s t s r e s u l t sf r o mt h et h e o r y c o m b i n i n gt h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s t ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa b o u tt h e s p i ns e p a r a t i n gt e c h n o l o g ya r ed e e p l yd o n e b a s e do nt h e t e s t sd a t a , a n a l y z i n gt h ee f f e c tf a c t o r s w h i c ht h es p i nt e c h n o l o g yt r e a t st h ea g i n go i la n dc o m i n gt ot h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ：t h e v i s c o s i t yo ft h ec o n t i n u o u sp h a s em e d i u r l li so n eo fi m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r st h a ti n f t u e n c e t h es e p a r a t i n ge f f e c t 。t h ea p p l i c a t i o no ft h es p i ns e p a r a t i n gt e c h n o l o g yh a st w on e c e s s a r y c o n d i t i o n s ：o n ei st h a tt h em i x t u r ef l o wm u s th a sp r e s s u r ee n e r g y , t h eo t h e ri st h a tb e t w e e nt h e t w o - p h a s em e d i u m sm u s th a sd e n s i t ys t r a t i f i c a t i o n ；h y d r o c y c l o n ed o e s n ts u i tt ot h ed e s a n d t r e a t m e n to ft h ea g i n go i l ，b e c a u s ew h e nt h et e m p e r a t u r ei se n o u g hh i 曲a n dt h ea m o u n to f e m u l s i o nb r e a k e ri se n o u 曲，t h ea g i n go i li s n te m u l s i o nb r e a k i n g a sak i n do fs e p a r a t i n ge q u i p m e n t ，t h eh y d r o c y c l o n e ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，b u ti th a s m a n y i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ec o n d i t i o n sf o rt h ef i e l da p p l i c a t i o na r ea l s or i g o r o u s ，a b o v ea l l ， s e l e c t i n g s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r s s u i t a t l y i s i m p o r t a n t i n f i e l d a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：h y d r o c y c l o n e o i l - w a t e rs e p a r a t i o n a g i n go i l o i l t r e a t m e n t i n f l u e n c i n gf a c t o r i l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 本文研究的意义 第一章绪论 在油田产出液中，除了原油以外，往往含有天然气、水、泥砂等杂质，油田地面工程 首先是将这些物质分离出去。产出液中伴生气的存在会使泵的工作性能降低：影响流量的 准确计量；可燃气体还会带来安全问题。气体越早分离，越有利于节约生产成本。我国大 部分油田已进入开发的中后期，采出液含水增加，平均含水量已超过8 0 ，含水量仍在不 断上升。含水集输不但加剧管道的腐蚀，、而且增加的输量也加剧集输过程中的动力和热力 消耗，致使原油开采成本越来越高。因此，产出液中水的高效分离是亟待解决的问题。产 出液中往往含有泥砂，含量高的可达6 ，一方面导致管阀设备磨损；另一方面，泥砂在 水罐或油罐中的沉积也导致罐的有效容积减少。近年来，随着油田的进一步开发又出现了 “老化油”这种用现有技术手段难以处理的原油，如污水沉降罐上部的浮油、污水处理站 回收水池内的污油、脱水设备内位于油水界面上的中间过渡层，含有末充分破胶的压裂液 的产出液等，来源多种的“老化油”成分复杂，含有许多导电性较高的粘土和f e s 等固体 颗粒，对现有脱水系统造成影响，严重时可以使电脱水器出现垮电场事故。因此，高效的 油水分离设备及系统在油田地面工程的油气处理中是很重要的。 几十年来，油水分离设备发展迅速，从原来的撇油池、自然沉降分离开始，发展到各 式各样的油水分离器。如电脱水器、游离水分离器、填料式游离水脱除器、气浮选和过滤 等等。水力旋流器是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机 械分离设备“1 。与传统的油田开采生产处理工艺相比，它具有结构简单、体积小、重量轻、 没有运动部件、分离效率高、处理时间短和操作费用低等特点，在油田地面处理工艺中具 有重要的意义。 1 2 国内外研究的发展与现状 水力旋流器最早在荷兰出现。1 。1 9 世纪4 0 年代始被用作固一液两相介质的分离装置， 从水中分离固体介质，但仅限于在采矿工业中使用，未被其它行业所重视。“”。二次大战 前后，随着学科之间的沟通与交流，其应用范围获得急速扩大，在许多部门都开始应用， 但仍作用固一液两相介质的分离装置。但英国人d b r a d l e y 。3 早就提出了液一液旋流分离是 可行的观点。最近- - - - z 十年以来，在其用途不断扩大的同时，其理论研究、实验与设计、 加工制造以及应用技术研究等方面都有了长足的发展。同时它的用途也由主要进行固一液 分离，扩展到两种不互溶流体介质的液一液分离和气一液分离等。 固一液两相介质分离的发展较为成熟，但在油水分离领域的研究要晚得多。2 0 世纪 6 0 年代末期，英国南安普顿大学的m a r t i n t h e w 。等人开始研究用水力旋流器来分离油一 水两相介质的可行性。随后他们经过近十年的研究，终于得出了肯定的结论，发明了双锥 双入口型液一液旋流分离器。1 9 8 3 年，他们设计的液一液分离水力旋流器在两个公司进行 了商标注册，并生产出第一个商用的高压v o r t o i l 型水力旋流器4 1 。i 9 8 5 年，利用该水力旋 1 第一章绪论 流器在澳大利亚的b a s ss t r a i t 油田的平台上进行试验，取得了满意的结果，由此进入了工 业应用阶段，开辟了水力旋流器应用的另一个新的领域。”。截止1 9 8 8 年旋流器在世界上 2 4 个海上平台上得到应用。随后g a b y o u n g 等人设计出的与双锥型具有相同的分离性 能但处理量要高出一倍的单锥型旋流器“”“。经过几何优化设计，c o n o c o 公司提出了k 型旋流器，对于直径小于1 0 扯m 浊滴分离性能提高更加明显。1 9 8 9 年我国海洋石油总公司 与美国a r l l o c o 石油公司在我国南海联合开发的流花1 l 一1 油田开始在海上石油开采平台上 使用旋流器处理含油污水。国内油田也引进了旋流脱油设备，开始在仿制的基础上研究”。 我国华东理工大学、清华大学、大庆石油学院、西安交通大学、西南石油学院、四川联合 大学、石油大学、江汉石油机械研究所、河南石油勘探研究院、胜利油田设计院、华北油 田设计院、大港油田设计院等单位相继开展对液一液分离水力旋流器的研制工作。研究内 容主要是仿制t h e w 类f 型旋流器，单独、串联或并联组合下的表观分离性锈，测试旋流 器内部的速度场，但对低剪切增压技术和系统工艺配套技术研究甚少，应用范围限于陆上 油田3 。 目前，许多国家的油田中，尤其是海洋平台上，由于空间的限制而大量使用水力旋流 器作为原油脱水或生产用水的水处理设备。水力旋流器的用途也在不断扩大，已由主要进 行固液分离而扩展到两种不互溶液体介质的液一液分离以及气一液分离、气一固一液分离 等。 动态液一液旋流分离器在2 0 世纪9 0 年代初，英国s e r e k b a k e r 公司做过不少研发工作， 但由于其结构复杂、能耗大、操作维护费用大等问题而终止。1 9 9 8 年，国内江都、大庆石 油学院等单位也在动态液一液旋流分离器方面做了一些工作，但始终也难以投入工业应用 1 3 1 在油田开发进入中后期以后，大量产水给经济和环境带来了诸多负面影响。1 9 9 1 年加 拿大c f e r ( 工程研究中心) 率先提出“井下油水分离”的创意与设想，并进行可行性研 究“”。其后，陆续有世界各地的公司、院校和研究单位近3 0 家参与进来，形成一个世界 性的j i p ( 联合工业研究项目) ，经过几年的努力，该项目取得了突破性进展一已进入商业 性应用1 。 迄今为l e ，在英国已经召开了5 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，这几次会议分别于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 年在南安普顿、2 0 0 0 年6 月在w a r w i c k 大学召开。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起到了很大的推动作用。 1 3 水力旋流器的应用状况 在石油开采中，旋流分离技术可用于原油脱水、脱气、脱泥和产出水或过程水的除油。 1 3 1 原油旋流预脱气 原油是一种复杂的碳氢化合物的混合物，只要温度、压力变化，就会有轻烃组分溢出。 气相的存在不仅改变设备内的流动与分离条件，也增加了相间混合及湍流程度“。无论对 常规的重力分离设备还是旋流式分离设备都有负面影响。因此，必须首先对采出液进行脱 气。虽然旋流器在液一液，液一固分离时，所含气体对分离效果有不利影响，但作为除气 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 工序，它却是胜任的，因为水力旋流器中液流内存在较强的旋转剪切力和中央低压空气柱， 所以水力旋流器具有从液相中脱除分散气相的能力。 英国石油公司研制的用于油一气分离的水力旋流器具有极高的除气效率，大大高于普 通重力分离设备，气体体积含量占6 5 的原油经其次处理，含气量可降到5 ，且排出 气体不含油“”。英国石油公司已经将该结构的旋流器用于原油的脱气，代替了以往通常使 用的大型重力分离器“。 1 3 2 原油旋流除砂 原油含砂是原油生产中普遍存在而难以很好解决的工程实际问题之一。现多采用非连 续作业方式的大罐沉降除砂进行处理，效率低、投资大、占地大且劳动强度大。应用原油 旋流除砂技术有效地解决这一生产中的难题“。 近年来，大港油田与中国科学院力学研究所合作，应用液一固旋流分离器进行原油旋 流除砂取得了较大成功，但旋流除砂，清出的砂一般含污严重，难以达到排放标准。通常 把它作为除砂工艺的关键设备与其他除砂设备配合，方可实现原油除砂、洗砂、排砂的连 续作业。 1 3 , 3 油水预分离 脱气、除砂后，油水混合液的含水率仍在3 0 9 0 ，用水力旋流器对这种高含水原 油预分离，可使进入含油污水除油旋流器的水中含油不超过2 ( 体积) ，使进入原油脱水 净化旋流器的油中含水在2 0 以内，以便为含油污水除油及原油旋流脱水净化提供保障 b 7 o 在预分离过程中，水力旋流器能脱除高含水原油中的大部分水相，其典型的脱水率达 5 0 以上，脱水后的油为低含水原油，可用常规分离器进行进一步脱水。从水力旋流预分 离器出来的水中含油量相对较低，一般低于1 0 0 0 m g l ，这是一种一次分离设备或粗分离设 备，经分离后的排出液用除油型水力旋流器作进一步处理。 1 9 9 1 年4 月2 3 2 5 日，马拉松石油公司在印尼某海上平台进行了一项用水力旋流预 分离器改造已有处理系统的试验。试验结果表明，若采出液含水在8 6 9 1 范围内，单 级水力旋流预分离器可脱除9 0 的游离水，同时保持出水含油低于1 0 0 m 。毋t “。 另外通过水力旋流器在预分离上的应用实验，以进一步提高其好于传统设备的处理能 力，并潜在地提高油藏的可采储量。一般地，由于受空间限制，在采油平台上扩大生产能 力成本很大，但水力旋流器的处理量大，使得平台经过很小的改造就可大幅度提高处理能 力。 1 3 4 含油污水旋流除油 油水分离水力旋流器早期的应用就是含油污水处理。要求进入旋流器的污水含油量不 超过2 ( 体积) 。通过处理后，底流出口排出的水中含油量减低至4 0 0 m g l 以下。这类水 力旋流器溢出口排出液需做进一步处理。对油中含水量没有过多的要求，只是应该在保证 底流净化水指标的前提下，尽可能减少溢流的流量，以减少溢流液体的处理量从而提高系 统效率。2 “2 。 澳大利亚墨尔本b w n 有限公司在b a s s 海峡的e s s o b h p 合资平台上，将重力分理 第一章鳍论 处理后的低含油污水进行脱油处理，达到水中含油低于3 0 m g l 的目标，分离效率高达9 9 。 1 3 ，5 原油脱水 预分离系统出口原油含水低于2 0 ，然后进入二级三相分离器进一步脱水。脱水旋流 器已被用于脱除原油或凝析油中的残余含水( 典型含水低于5 0 ) 。该装置可将原油中的 含水量脱至低于1 的含水指标”。脱除水中含少量残油可重新循环至一级或二级分离 器进行处理。根据目前设计的分离器，估计含水管线将增加1 0 以上，为保持1 含水的 管线规格，在主管线油泵的出口要安装一个脱水旋流器。 水力旋流脱水器系统是一种经济有效的方法，其中过剩水量将重新循环至初级分离器 中进行处理，而原油直接进外输管线。 1 3 6 井下油水分离 随着多年的深度开采，原油含水率越来越高。为了降低开采成本，必须在井底对油水 混合物进行预分离，将一部分产出水直接送入注入层。经过几年的努力，井下油水分离项 目取得了突破性进展。该技术将井下静态旋流分离器与经过改进的多流井下泵配套使用， 完成产油、井下油水分离及采出水同井同注多个过程。 从创意迈向生产商品化实用产品，从现场样机试验进入先导性试验和小批量试用，井 下分离技术开发取得了重大进展。到1 9 9 6 年底，在加拿大西部和美国西部已完成了1 8 套 以上井下油水分离装置的安装”“。 1 4 本文的主要工作 本文的主要目的是针对老化泊对油田脱水系统的影响，利用水力旋流器开展对老化油 的处理试验，消除老化油在采出液处理过程中的危害。根据这个主要目的，进行以下工作。 1 、充分了解与本课题相关的理论背景，研究状况和发展前景等内容。 2 、研究水力旋流器的结构和影响水力旋流器分离性能的指标，如：分离效率、密度差、 粘度、压力降和压降比等；分析旋流器内分散相介质的受力及运动。 3 、利用水力旋流器开展对老化油的处理试验并对试验结果进行分析，得出影响水力旋 流器分离效果的因素。 4 、研究水力旋流器操作参数和物性参数间的关系，在试验结果的基础上从理论角度进 一步阐述操作参数和物性参数对试验效果的影响，从而在各参数的关系当中更深刻解释影 响水力旋流器分离效果的因素。 d 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 本章主要介绍水力旋流器的基本结构、简单的工作原理、重要的分离指标及其优缺点。 2 1 水力旋流器的基本结构2 4 3 0 3 1 结构简单是水力旋流器的一大特征，也是它能够得以迅速推广应用的重要原因之一。 其结构基本上由内腔呈圆柱形和圆锥形的各段连接组成，腔内无任何其它部件，完全依靠 进入腔内的流体在高速旋转运动中产生的涡流作用，将两种密度不同的介质分离开。现分 别将固一液与液液两种水力旋流器的结构介绍如下。 2 1 1 固液水力旋流器 其结构简图如图( 2 1 ) 所示。 图2 - 1 固一液水力旋流器结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h es o l i d - l i q u i dh y d r o c y c l o n e 第部分( i ) 是旋流器体，它是主体部分，通常由上部的圆柱段与下部圆锥段组成。 圆柱段称为旋流腔，液体从切向入口进入旋流腔内产生高速旋转的液流。旋流腔的直径d 是水力旋流器的主直径，直径d 的大小不但决定了水力旋流器的处理能力，而且也是确定 其它参数的依据。水力旋流器体的总长度l 是旋流腔长度l l 及圆锥段长度l 2 之和。圆锥 段的内锥角为0 ，0 角的大小影响水力旋流器分离固体颗粒的能力( 即切割点尺寸) 。第二 部分( i i ) 是水力旋流器的入口，其直径用d j 表示。它从旋流腔的切向方向进入水力旋流 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 器体( 见图2 一l 俯视图) ，也有的水力旋流器入口以涡线型式进入旋流腔。不论是切线或 涡线型式，其目的都是减少入口处的冲击，使液体容易在旋流腔内形成涡流。入口横截碰 的形状分为圆形与矩形两种。当横截面为矩形时。其直径d ，是指它的当量直径。第三部分 ( i i i ) 是水力旋流器的溢流管，其内径用d 。表示。d 。与d 在同一轴线上，即溢流管处在 旋流器体顶盖的中心处。溢流管伸入旋流腔的长度用k 表示，l 0 的长度在不同的设计中大 小不同。有的设计将l o 定为零，即溢流口与项盖平齐，不伸入旋流腔内。第四部分( ) 是底流口，其直径用d d 表示。d d 与d 及d 。均在同一轴线上，并与旋流器体锥段小端内径 相等，用以排出固体浓度加大后的液体。 d 、0 、d 。、d d 、d 。、l 及k 是水力旋流器的结构参数，其中d 与0 是最重要的两个 参数。因为d 。、d d 、d 。均与d 成固定比例关系，而l 是由d 与0 角确定的。这些参数中 任何一个参数的变化都会对水力旋流器的性能产生影响。不同类型的水力旋流器设计，确 定了不同的0 角及d 与d 等参数间的比例关系。 2 1 2 液一液水力旋流器 与固一液分离用水力旋流器的结构有些相似，液一液水力旋流器可以分为四大部分 ( 见图2 2 ) 。 图2 - 2 液一液水力旋流器结构 f i g ，2 - 2s t r u c t u r eo f t h el i q u i d - l i q u i dh y d r o c y c l o n e 水力旋流器主体般由三段组成：圆柱段的旋流腔，其直径为d t ，是水力旋流器的重 要参数之一，它决定着水力旋流器的处理能力；锥角为a 的大锥角锥体段：锥角为0 的小 锥角锥体段。大锥角段小端直径d 是旋流器的主直径。旋流腔的轴向长度用l l 表示。值角 与0 角的大小是极为重要的两个参数，它的改变将极大地影响液一液分离的性能。第二部 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 分是水力旋流器的入口，入口直径d 亦为入口的当量直径。入口横截面形状也分为圆形与 矩形两种。液一液分离水力旋流器的入口分为单入口、双入口、三个及三个以上多入口等 几种。图2 2 所示为两个互为1 8 0 。的切向双入口形式，这种形式的入口可使液体更平稳 地进入旋流腔，并在腔内产生稳定的涡流。第三部分是溢流口，直径用d 。表示，d 。的大 小视水力旋流器的用途而定。在从连续相介质中分离轻质分散相介质的情况下，一般轻质 分散相介质的含量较低，因而溢流口直径d 。的尺寸与d 相比很小，有时d 。只是1 2 m m 。 反之，如果是从轻质连续相介质中分离较重的分散相介质，而轻质连续相介质要从溢流口 排出，d 。的尺寸就比较大。至于溢流管伸入腔的长度k ，在不同的设计中也有不同的比例。 第四部分是尾管，尾管是一个长圆柱形管，内径用d d 表示。它的顶端与水力旋流器体小锥 角圆锥段的内径相连，其长度用l 3 表示。尾管的长度l 3 一般都较长，是主直径d 的若干 倍，因而液一液水力旋流器的长度l 亦较大。如直径d 为4 0 r a m 的液一液水力旋流器总长 度往往为2 m 左右。 与固一液水力旋流器相似，在液= 液水力旋流器中，以上各结构参数，除d 、0 两个锥 角外，d j 、d 。、d d 、l 3 等均与d 呈一定比例关系，因此，在结构设计时，d 、旺、0 三个参 数的大小需要首先确定。 2 2 水力旋流器的工作原理【3 1 】【3 2 】【3 3 1 无论固液水力旋流器还是液一液水力旋流器，其基本工作原理都是利用不互溶介质 间的密度差而进行离心分离的，使一部分密度小的介质向轴心运动，另一部分密度较大的 介质则向边壁移动，最终分别由不同出口排出水力旋流器而完成分离的全过程。下面就分 别介绍固一液、液一液分离的基本原理。 2 2 1 固一液分离的基本原理 含有固体颗粒的悬浮液以体积流量q j ( 单位为m 3 s ) 从入口进入水力旋流器后，其分离 过程可以通过图2 - 3 简单地表示出来。入口处，液体的流速为 v ：盟( 2 - 1 ) 1 a ， 式中a i 一单个入口的横截面积，m 3 。 如果水力旋流器为双入口时，则v i = q i | 2a i 。一般来说，v i 可大于1 5 m s 。以这样高的 速度进入水力旋流器的液体旋转形成涡流，后面连续流入的液体推动旋流器内的液体边旋 转边向圆锥段运动，其运动路径呈螺旋形。这些旋转着的液体进入圆锥段后，由于水力旋 流器的内径逐渐缩小，使液体的旋转速度加快。由于液体产生涡流运动时，沿径向方向的 压力分布不等，靠近轴线附近的压力最低，形成低压区，而在旋流器边壁处压力最高。 同时，由于水力旋流器内底流口径最小，液体无法全部从底流口排出。而在旋流腔顶部开 有溢流口，这就使一部分得到一定程度净化( 固体颗粒含量较小) 的液体向压力较低的 轴心处运动，并也呈螺旋状边旋转边向溢流管处运动，形成内旋流，最终从溢流口排出。 同时液体中的固体颗粒也受到离心力的作用，当该力大于颗粒运动所承受的液体阻力时， 固体颗粒将克服阻力作用而向水力旋流器边壁移动，与液体分离开，并在后续液流的推动 7 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 下，沿底流口排出。 盖下流 外旋流 图2 - 3 水力旋流器分离原理 f i g 2 - 3s e p a r a t ep r i n c i p l eo f t h eh y d r o c y c l o n e 值得注意的是，水力旋流器中的分离并不是完全分离。从以上分析可知，一些细小的 颗粒由于种种原因( 如粒径过小等) ，停留在轴线附近而没有移向边壁，而是随净化后的 液体由溢流口排出水力旋流器。从液体净化的角度讲，总希望净化后的液体中所含固体杂 质的量越少越好，即如果净化后液体中固体颗粒含量小于某一规定的数值，也就达到净化 的目的。另外，从固体稠化的角度讲，则希望底流中固体颗粒的含量越大越好。当然，这 二者实际上也是一致的。但事实上底流中固体颗粒的含量不能太高，一般不应超过5 0 ( 体 积浓度) ，否则使底流口出现堵塞现象。 2 2 2 液一液分离的基本原理 液一液水力旋流器的基本分离原理与固一液分离相似，它是利用两相介质之间的密度 差而进行离心分离的。但液一液分离要比固一液分离困难得多，主要原因有：液体之间 的密度差一般很小，如油一水间密度差只有( 0 1 o 2 ) 1 0 3 k g m 3 左右，而固一液两相间 密度差非常大，有时会有几倍的差别；分散相的液体介质( 如油一水混合液中的油) ， 不论其密度大小，都以小液滴的形式存在。这些液滴没有固定不变的形状，有时甚至会破 裂。因此，两种液体混合介质在水力旋流器内分离时，既要求液流在水力旋流器内形成高 速旋转的涡流，以保证液滴有足够的离心力沿径向移动，又要防止液滴在高速旋转时受到 过大的剪切应力的作用而破碎成更细小的液滴，致使分离更加困难。这些都是液一液水力 旋流器的应用较固一液水力旋流器晚了近1 0 0 年的原因。 下面进一步分析液一液分离的过程。两种液体介质的混合液由入口沿切向进入水力旋 流器后，在内部形成强烈的涡流。然后通过旋流腔及很短的大锥段后，迅速过渡到锥角很 小、长度较大的小锥段，最后进入更细小的圆柱尾管段。这种结构使进入旋流腔后高速旋 转的液体能很快收缩到细长的小锥段内。在此区域内直径变化缓慢，旋转加速度的变化趋 大庆石_ ；由学院硕士研究生学位论文 于缓和，有助于旋流场的稳定。同时，液流在该段和尾管段内的存留时间较长，而液滴在 小直径孔内被分离所需的沿径向朝轴心移动的路径短，因此分离过程更加平稳，两相分离 几率更大。根据结构上的要求，决定了液一液水力旋流器要比同直径的固液水力旋流器 的长径比大很多，即总长度也大许多倍。 在液一液分离中，无论脱油型还是脱水型水力旋流器，分离原理都是相似的。油都是 向轴心运动，返向溢流口排出水力旋流器，水则相反，由底流口排出。因此，溢流管和底 流管直径的大小是由两相介质所占b e 例大小决定的。脱水型水力旋流器需要较大的溢流管 径，脱油型水力旋流器则需要较大的底流管径。 此外，由于液体在水力旋流器内形成涡流结构，而涡流中心处的压力最低，混合介质 中溶解于液体中的气体则会向轴心运动，在轴线附近形成一个明显的“气核”。不论固一 液分离水力旋流器还是液一液水力旋流器，这个气核都是存在的。实践证明，气核的存在 不但不会影响水力旋流器的分离效果，而且还会有利于其分离过程的稳定。 与固一液分离一样，用水力旋流器进行液一液分离也是一个不完全分离过程。从溢流 管排出的轻质液体( 如油) 并非是纯轻相介质，从底流管排出的重质液体( 如水) 也并非 纯重相介质。但只要结构设计合理，操作参数确定合理，水力旋流器完全可达到9 0 9 5 以上的分离效率( 这里指简化分离效率，其概念将在下一节进行介绍) ，有时甚至可达9 8 以上，能够满足一般的分离要求。 2 3 影响水力旋流器分离效果的重要因素 旋流分离技术同任何其他技术样，有许多基本概念。其中部分属于专用名词术语， 包括处理量、分流比、分离效率、压力降及压降比等。在本次矿场试验中，因旋流器的结 构参数已经确定，所以不计几何尺寸对分离效果的影响。 2 3 1 处理量吲p 1 j 处理量即单位时间内通过水力旋流器的液体量的大小，即入口流量，通常用q ，表示， 国际单位为m 3 s ，习惯上也用m 3 h 或m 3 d ，表示每小时或每天的流量。对于尺寸一定的 旋流器，在一定的流量范围内有较高的分离效率。图2 4 表示公称直径为3 5 m m 和6 0 m m 旋流器的分离效率与入口流量的关系曲线。对于一固定结构的水力旋流器，其处理量是有 限的，过高的处理量将会产生过大的压力损失，同时使液体进入水力旋流器的速度过高， 在液一液分离过程中可能使液滴破碎，不利于分离；处理量过低会使液流进入水力旋流器 的流速大幅度下降，不能形成强度足够的涡流，对分离也是不利的。因此，任何一台水力 旋流器都有一个合理的处理量范围，即额定处理量区。实际应用要求该额定处理量区越大 越好，以利于适应现场工况的变化，有更高的灵活性。 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 ia 0 8 g 。6 0 o2 o o2 a o 湖蝴湖5 0 0 瑚0 。ol 蝴 m ( l i n ) 图2 - 4 入口流量与分离效率的关系 f i g 2 4r e l a t i o no f i n l e tf l o wa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y 实际运行时来自入口的液体将全部由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此我们定义 溢流出口流量( 即溢流量) 为q 。，底流出口流量( 即底流量) 为q d ，且根据物料平衡原 理，应有 q 。= q 。+ q d ( 2 2 ) 根据脱油型和脱水型两种水力旋流器的用途可知，脱水型水力旋流器的溢流量要比脱 油型的大。因此，其溢流口直径有要大一些，并且由于溢流口处的流量增大，所需反力也 应大一些，故在结构上锥角的取值也应偏大。 2 3 2 分流比【3 4 1 1 3 5 1 前面提到进入水力旋流器的流量q i 最终从两个出口排出，它们的流量分别是q 和q d 。 所谓分流比就是从溢流或底流排出的流量占总流量q j 的百分比。它包括溢流分流比和底流 分流比。 溢流分流比的定义是 f ：叟 ( 2 3 ) q ； 底流分流比的定义是 玎= 导= 掣小鲁小r 浯t ， 可见，溢流分流比和底流分流e e 是相关的，因此计算其一即可。通常广义上讲的分流 比是指少部分液流( 次液流，一般也即废液) 的排出比，用f 表示。对于脱油型水力旋流 器，溢流为次液流，底流为主液流，因此其分流比也就是指溢流分流比，即 f ：f l ，：鱼 ( 2 5 ) 。 q i 而对于脱水型水力旋流器，底流为次液流，故一般所说的分流比是指其底流分流比， 1 0 武u 褥袋撼趣 大庆石油学院硕士研究生学位论文 这两个概念都很重要。评价一台水力旋流器性能的好坏，一方面要看是否具有较高的 分离效率( 当然这是必须的) ，另一方面还要看是否具有较小的分流比。图2 - 5 给出了6 0 m m 旋流器的分流比与分离效率的关系曲线，从图中可以看出，当分流比大于某一值时，分离 效率与分流比的大小无关。分流比的大小决定了溢流含水率的高低。如果分流比太小，中 心油核来不及从溢流口排出，将使分离效率下降。通常定义能使分离效率保持不变的最小 分流比为最佳分流比。最佳分流比的大小和旋流器入口油浓度有关。一般为0 5 5 。 如果来油浓度大于1 ，可把分流比控制在来油浓度的两倍。 2 孙 2 _ 3 3 分离效率 通常水力旋流器是用来分离两相介质的分离设备，尽管它是利用数百倍，甚至上千倍 于重力加速度的离心加速度来分离两相介质，但其分离过程与其他许多工业上应用的分离 设备一样，都是一种不完全分离。因而，必须引入分离效率这一概念来评定其分离性能。 这里介绍几种常用的水力旋流器分流效率的表示方法1 。 由于脱油处理中的净化相通常是底流，而在脱水处理中净化相是溢流，所以两者分离 效率具体表达式略有不同，在此以脱油型水力旋流器为例进行讨论。”。”。”。 l 、总效率 总效率是从含油浓度降低的角度出发来评价分离效果的，它包括三个主要的效率概 念。 ( 1 ) 质量效率 若从净化角度出发，可将分离效率简单定义为溢流中含油相的质量与水力旋流器入口 油相总质量之比，称为质量效率，即 6 2 一q i l r = f p 日 钓 鼍”鼍攮瓣嗽 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 e 一：坠 m ( 2 7 ) 式中m u - 一溢流中油的质量； m ，一入口液流中油的质量； e ，一质量效率； 水力旋流器是连续运行的，因此无任何物料的积累，进料的总质量应等于两种出1 3 物 料的质量之和，即 m i = m 。+ m d ( 2 8 ) 因而质量效率e x 可有三股物流( 进料，溢流和底流) 中任意两个进行计算。这就给出 了质量效率测定时的三个可能的物流组合方法。如果水力旋流器入口流量及含油浓度分别 是q j 、q d 、q 。和c 、c d 、c 。，则质量效率可进一步写成 e ：尘生：盟：1 9 i 里! = 里! 1 1 m iq - c iq i c5 ( 2 9 ) ：】一鱼鱼：】一( ! 二里坠 q i c ic 从式( 2 - 9 ) 可以看出，质量效率不但与含油浓度有关，还与分流比的大小有关，即 该效率计算中包含了分流的部分，因此用它来衡量水力旋流器的效率有一定的片面性。因 为假设水力旋流器没有任何分离作用，即进1 3 与两出口豹浓度均相同，只起到分流器的作 用，则旋流器的分离效率应等于零。但此时按该式计算分离效率e 【为 e 。= 1 一( 1 一f ) = f ( 2 1 0 ) 即此时的效率等于分流比f 。如果仅希望考察分离效果，需将分流造成的影响消除掉， 从而引入应用最为广泛的水力旋流器的简化效率e i 的概念。 ( 2 ) 简化效率 简化效率表达式为 e ，：昱二三( 2 - 1 1 ) 简化效率e j 满足了效率定义的基本要求，因为当没有分离效果时，简化效率玛为零 而当完全分离时，简化e j 为l 。 将质量效率表达式代入简化效率表达式，得 e = 1 一生 。 c i 该式可很好地表达出水力旋流器的实际处理效果 表达式。 ( 2 1 2 ) 也是最为常用的水力旋流器效率的 ( 3 ) 综合效率 1 9 8 0 年t h e w 等人提出了液一液水力旋流器综合效率的表达式，即 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 e ：盟( 上鱼一马：( 1 一f ) 上e q 。1 一c ic 。l c 。1 ( 2 一1 3 ) = k ( 1 一f ) e j 式中k 一仅与入口含油浓度有关的常数； c 。，c d 一水力旋流器入口及底流含油浓度。 可见，它由简化效率、分流比及入口含油浓度三者决定。一般来说，只有f c ，时才有 可能将水中含的油尽可能除掉，此时e e j 。在其他条件一致的情况下，分流比越大，综合 效率e 越小，这就修正了简化效率e 表达式中不包含分流比这一因素的缺陷。 2 、级效率 从设备设计和物料衡算的角度来说，总效率是基础，但是上述所有效率定义都存在着 相同的缺陷，即对于任何一具体的水力旋流器，其效率都没有考虑进料的粒径分布，因此 用它们作为评定旋流器分离性能的标准还是不够的。因此，有时有必要引入级效率的概念。 级效率概念是在固相分级中首先提出来的，目前这一概念在固液分离中得到了广泛 的应用。它对于液一液水力旋流器也同样适用，并且习惯上把它称为级效率。 分级效率是指悬浮液多分散固相颗粒群中各级粒度颗粒的分散效率( 或各级粒度颗粒 的底流回收率) ，其分级效率的曲线如图2 6 所示。 o o a 厂 刁 #d柚did _ 3 0 0 d ，鼻触 图2 - 6 分级效率曲线 f i g 2 6t h ec u r v eo f s i z i n ge f f i c i e n c y 级效率值具有概率特性。当仅有粒度为x 的颗粒进入时，它可能被分离捧，也可能随 流体离开该分离设备，因此级效率可以是1 0 0 或o 。当有两个粒度相同的颗粒进入时，级 效率可以是10 0 、5 0 或0 ，这取决于分离设备分离下来的颗粒是一个、两个，还是没有。 当具有相同粒度的颗粒进入分离设备时，所分离的颗粒数将达到某一概率值。 级效率具有这种概率特性是由于分离设备的进料口和出料口的尺寸所限，分离设备中 不同点的分离条件不尽相同，此外液体的扰动使液滴产生破碎等，这些因素都影响着分离 过程。 l j 第二章水力旋流器的工作原理及影响因素 2 3 4 压力降3 m 4 1 ” 由于水力旋流器具有两个出口，因此压力降a p 也就包括两个含义。 1 ：3 压力为p i ，底流压力为p d ，溢流压力为p 。，那么底流压力降 p d = p 。一p d 溢流压力降 设水力旋流器入 ( 2 1 4 ) p o = p i p 。 ( 2 一1 5 ) 对于脱油型水力旋流器，底流将排出大量液体，因此底流压力降比较重要，更能代表 液体流经水力旋流器所损失的能量的大小。介质在水力旋流器内的分离过程是依靠压力的 损失来获取所需能量的，所以，在处理量相同的前提下，如果能获得一样的分离效果，压 力降越低越