（动力工程及工程热物理专业论文）自洁式离心机开发设计与试验.pdf

摘要 油田钻井钻屑含有大量的钻井液，钻井液中含有无机盐、重金属组分、油品及有 机聚合物等有害物质，如果钻屑不经处理而直接排放，不仅会污染环境，而且会影响 动植物生长和人类健康。目前国外常用钻屑甩干离心机来去除钻屑上的钻井液，减少 钻屑中所含的油基或合成基成分，达到直接排放的目的。该钻屑甩干机利用离心力将 钻屑与表面的液相进行分离，其转鼓驱动钻屑高速旋转，导致筛筒和转鼓磨损严重， 离心机的寿命大大缩短；而且筛网容易堵塞，影响了离心机的连续工作。 针对现有钻屑脱液离心机的不足，本文提出了一种自洁式离心机的设计方案，进 行了结构设计、参数选择和校核计算。通过筛筒表面湿态颗粒的受力分析，对离心机 的自洁能力进行了理论分析，导出了筛网表面润湿颗粒脱离筛网的位置以及脱离后在 筛筒内的运动轨迹，并从理论角度分析了离心机结构参数、操作参数对离心机自能力、 颗粒抛掷轨迹的影响。在工程设计的基础上，建造了自洁式离心机试验装置，进行了 离心机自沽能力试验，提出了离心机自洁能力的评价模型，探索了离心机公转速度、 自转速度、溶液表面张力和筛筒内物料质量对离心机自洁能力的影响。试验表明增大 离心机的公转转速会提高离心机的自洁能力，而自转速度、溶液表面张力和筛筒内物 料质量的增大会降低离心机的自洁能力，试验结果验证了理论结论。所开发离心机可 以减少物料与转鼓的相对摩擦，实现分离过程中筛网的自动清洁，论文研究结果对自 洁式离心机的开发有一定的指导意义。 关键词：自洁式离心机，结构设计，自洁能力，理论分析，试验研究 d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nas e l f - c l e a n i n g c e n t r i f u g ef o rs o l i da n dl i q u i ds e p a r a t i o n z h a n gc h u n x u e ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gz o n g m i n g a b s t r a c t o i ld r i l l i n gc u t t i n g sc o n t a i n sal o to fd r i l l i n gf l u i dt h a tc o n t a i n sh a r m f u ls u b s t a n c e s s u c ha si n o r g a n i cs a l t ，h e a v ym e t a lc o m p o n e n t s ，o i l ，o r g a n i cp o l y m e r i tw i l lc a u s ep o l l u t i o n t ot h ee n v i r o n m e n ta sw e l la sd a m a g et ot h eh e a l t ho fa l lk i n do fl i v i n gb e i n g si fd r i l l i n g c u t t i n g sw e r ed i s c h a r g e dw i t h o u tp r o c e s s i n g a tp r e s e n tc e n t r i f u g e sf o rd r y i n gd r i l l i n g c u t t i n g sa r eu s e dt os e p a r a t et h ed r i l l i n gl i q u i do nt h es u r f a c eo fc u t t i n g st od e c r e a s et h e o i l b a s eo rs y n t h e t i cb a s eo nt h ec u t t i n g sa b r o a d s ot h a tt h ed r i l l i n gc u t t i n g sc a nb ed i r e c t l y d i s c h a r g e d t h ed r i l l i n gc u t t i n g sr o t a t ea tah i g hs p e e dd r i v e db yd r u ms ot h es c r e e na n d d r u ma b r a d es e r i o u s l y t h es c r e e nw a sb l o c k e db yd r i l l i n gc u t t i n g sw h i c hc a u s et h e c o n t i n u o u so p e r a t i o na b i l i t yl o w e r a c c o r d i n gt ot h ed e f e c t so ft h ec e n t r i f u g ef o rd e a l i n gw i t l ld r i l l i n gc u t t i n g st h i sp a p e r p u t sf o r w a r dad e c a n t e rc e n t r i f u g e so fs e l f - c l e a n i n ga n df i n i s ht h es t r u c t u r e ，p a r a m e t e r s e l e c t i o na n dc h e c k i n gc a l c u l a t i o n t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs e l f - c l e a n i n ga b i l i t yw e r es e t u pb a s e do nt h es t r e s ss t a t eo ft h ep a r t i c l e si nt h ec y l i n d r i c a ls c r e e n a c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a lm o d e lt h em o t i o no fp a r t i c l e si nt h ec y l i n d r i c a ls c r e e nw a sd e r i v e d t h ep l a c e w h e r et h ep a r t i c l e sl e f tt h ei n n e rs u r f a c eo ft h ec y l i n d r i c a ls c r e e na n dt h et r a c ko fp a r t i c l e s a f t e rl e a v i n gt h ei n n e rs u r f a c eo ft h ec y l i n d r i c a lc o u l db ef i g u r e du p t h et e x t i n gf o r s e l f - c l e a n i n gc a p a c i t yw e r ec a r d e do na f t e rt h ec e n t r i f u g ew a sm a n u f a c t u r e dc o m p l e t e l y a n dd e b u g e ds u c c e s s f u l l y t h ea s p e c t sw h i c hc a na f f e c tt h es e l f - c l e a n i n gc a p a c i t yw e r e f o u n do u tb yt h em o d e lo fe v a l u a t i n gs e l f - c l e a n i n gc a p a c i t y i tw a ss h o w e dt h a tt h e s e l f - c l e a n i n gc a p a c i t yw a sb e t t e rw h e nt h er e v o l u t i o ns p e e do ft h ec y l i n d r i c a ls c r e e nw e r e i n c r e a s e da n dw o r s ew h e nt h er o t a t i o ns p e e do ft h ec y l i n d r i c a ls c r e e n ，s u r f a c et e n s i o no f t h e l i q u i da n dt h em a s so f t h em a t e r i a lq u a l i t yw e r ei n c r e a s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ：t h e c e n t r i f u g ec a l lr e d u c er e l a t i v ef r i c t i o nb e t w e e nc u t t i n g sa n dc l e a n i t s e l fa u t o m a t i c l y t h er e s u l t so ft h i s p a p e ra r em e a n i n g f u l f o rt h ed e v e l o p m e n to f c e n t r i f u g e s k e yw o r d s ：s e l f - c l e a n i n gc e n t r i f u g e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，t h ec a p a c i t yo fs e l f - c l e a n i n g ， t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章 油田钻井生产就是钻头不断破碎地层， j l j 刖舌 并由钻井液将钻屑带到地面，而形成井眼一 j = 的过程。钻井生产中需要对循环钻井液进行处理，以清除有害固相，维持钻井施工的 连续进行，钻屑则直接排入泥浆池中。 油田钻井中产生的废钻屑量很大，这些废钻屑中的含有大量对环境有害的无机盐、 重金属组分、矿物油及有机聚合物【l 】，大大超过国家规定的排放标准，如果不对这些 废弃物进行处理而直接堆放或掩埋在井场，污染物就会随雨水流入海洋、河流、农田， 对环境产生严重污染，也会渗入地下，影响地下水源、耕地土壤及农作物等动植物的 生长，甚至直接危及人类的身体健康与生命安全1 2 】。 随着社会发展，钻井废弃物的危害逐渐被人们意识到，从而提出了许多处理方法， 但大都局限于对废弃钻井液和钻屑直接进行处理，有固化处理、分馏处理、化学无害 化处理等等，对废弃钻井液进行直接固化处理需添加大量固化剂，固化质量往往不能 直接达到要求，而且造成钻井液的浪费；分馏处理耗能巨大，实际效益较低；由于钻 井液材料的种类繁多，直接进行无害化处理非常困难，而且成本较高。 目前，我国油田普遍应用的做法是在泥浆池底部铺设防渗膜，靠自然蒸发除去部 分水分和油品，待废弃物浓缩后掩埋。该方法的缺点是主动性差，遇到下雨天气，液 体大量溢流，污染面积更大；泥浆池掩埋后，土地长时间不能复耕，而且由于钻屑的 堆积会造成土地永久性荒芜。油田也要为此付出昂贵的土地征用费、青苗补偿费和环 保费，同时钻井液和钻屑的废弃更造成巨大的资源浪费【3 】。 国外主要从两个方面进行钻屑处理，一方面是将钻屑回注地下，另一方面是把钻 屑甩干。钻屑回注处理方式有良好环保性能，但是运行成本很高，一般井队难以接受。 岩屑甩干法是用专门的离心机对钻屑进行甩干，处理成本相对较低，应用较多。 但是目前常用钻屑甩干离心机存在两个明显的缺点：( 1 ) 钻屑与转鼓筛网相对速 度大，对筛网的冲击力大，筛筒和转鼓都磨损严重；( 2 ) 筛网网孔容易被滤渣堵塞， 当留在筛网上的固相达到一定量的时候，分离能力就有可能完全丧失，只能停止离心 机而手动清洁滤网。 上述滤渣磨损滤筒和滤渣堵塞滤孔的问题，是由于离心机的分离原理造成的，无 法从根本上解决问题。其一，滤渣在转鼓上高速旋转，由此才能产生离心力来分离物 料，这样就会与滤网有很大的相对速度，造成滤网的磨损；其二，离心力作用在滤渣 第一章前言 上，不断地将滤渣压紧在滤网上，一方面使得滤饼层越来越密，另一方面使得滤渣中 与网孔尺寸相当的颗粒钻入网孔1 4 j 。 ， 为了减少筛筒的堵塞、降低磨损效应，提高钻屑干化效率和干化机使用寿命，必 须降低筛筒和物料的相对速度，并使筛筒能够自动清除截留在其上的物料。 本课题来源于山东省科技攻关课题油田钻井钻屑在线处理工艺及关键技术研究 ( 2 0 1 0 g s f l 0 6 0 2 ) 。针对一种具有自清洁能力的离心分离技术进行实验研究，可为自 洁式离心机的优化设计提供一定理论依据，加速自洁式离心机的开发，为油田钻井钻 屑在线处理提供可靠的理论和设备支撑。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章国内外离心分离技术研究现状 ， ， 2 1 离心机的基本原理 ：一篆 2 2 1 离心机原理和分类 工业用离心机按结构和分离原理，可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三个 种类。过滤离心机和陈将离心机的种类如图2 1 和图2 2 所示，分离机仅适用于分离 低浓度悬浮液和乳浊液，包括碟式分离机、管式分离机和室式分离机。 离心机的工作原理有离心过滤和离心沉降。离心过滤主要是利用分散介质和部分 分散相的体积力进行分离的，离心过滤利用悬浮液在离心力场下产生的离心力，作用 于过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液，而固体颗粒被截留在过滤介质表面， 成为滤渣或滤饼，从而实现液固分离，采厢前设备为转鼓有孔的离心机，即过滤式离 心机；离心沉降主要是采用分散相的体积力( 离心惯性力) 进行分离的，离心沉降利 用悬浮液( 或乳浊液) 中密度不同的各个组分在离心力场中会迅速沉降分层的原理， 来实现液固( 或液液) 分离，所采用的设备为转鼓无孔的离心机，即沉降式离心机。 图2 - 1 过滤式离心机种类 f i 9 2 - 1 t h et y p e so ff i l t e rc e n t r i f u g e s 3 第二章国内外离心分离技术研究现状 图2 - 2 沉降式离心机分类 f i 9 2 2 t h et y p e so fs e t t l i n gc e n t r i f u g e s 离心分离可以非常准确和迅速的分离极不相同的非均相液态物系，例如原油和聚 氯乙烯树脂悬浮液、煤泥和淀粉悬浮液、变压器油和酵母悬浮液。离心机和其它分离 机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且还具有节省劳力、减轻 劳动强度、改善劳动条件，并具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小 等优点【5 1 。 2 2 2 影响离心机分离能力的因素 影响离心分离的主要因素有分离因数、转鼓工作面积和被分离物料的性质。 ( 1 ) 分离因数 分离因数是指被分离的物料在离心力场中受到的离心力和重力的比值【6 1 ，用e 来 表示，分离因数的表达式为 c = 石f o = 警= 譬 ( 2 - 1 ) 显然，分离因数也就是离心加速度与重力加速度的比值7 1 。分离因数是衡量离心 机分离性能的重要指标，它表示被分离的物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值， 分离因数越大，通常分离也越迅速，分离效果越好【引。工业上用离心机的分离因数一 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 般在1 0 0 2 0 0 0 0 之间，也有一些特殊的离心机，对分离性能要求较高，如超速管式分 一离机的分离印数可高达6 2 0 0 0 ，分析用超速分离机的分离印数最高达6 1 0 0 0 0 1 9 1 。 ( 2 ) 转鼓工作面积 当转鼓的工作面积增大时，物料分离的面积会增大，滤饼层相对较薄，液体透过 筛网会更容易，而且离心机的处理能力也相对较大，所以转鼓的工作面积是影响离心 机分离能力的重要因素。 ( 3 ) 被分离物料的性质 被分离物料本身的属性也会影响离心机的分离效果。当悬浮液中固体颗粒较细时， 则分离就越困难，被滤液带走的细颗粒就会增加，在这种情况下，离心机需要有较高 的分离因数才能有效地进行分离；当悬浮液中液体的粘度较大时，分离速度就会减慢； 如果悬浮液或乳浊液各组分的密度相差较大，就会对离心沉降有利：而离心过滤则不 要求悬浮液中的各组分有密度差。 选择离心机时要根据悬浮液( 或乳浊液) 中固体颗粒的大小和浓度、各组的密度 差、液体的粘度、滤渣( 或沉渣) 特性，以及分离的要求等进行综合分析，同时满足 对滤渣( 沉渣) 含液量和滤液( 分离液) 澄清度的要求，初步选择离心机种类，然后 按对操作的自动化和处理量要求，来确定离心机的类型和规格，最后经实际试验验证。 2 2 离心过滤的发展及实验研究 2 2 1 过滤离心机的发展 过滤与分离机械的发展离不开分离工业的推动，随着工业、医药、生物等行业对 分离技术提出的生产能力大、分离精度高、节能环保、自动程度高、功能多样的要求， 过滤离心机近几年的发展将着重朝着高参数、多功能、全自动、新材料、机型多样的 方向发展，具体应表现为提高分离能力、机器大型化、改善排渣口结构、优化分离过 程、增设组合转鼓，加强离心过滤机理论方面的研究等；提高分离能力包括提高离心 机转速、增加新的推动力来推动分离、提高滤渣排出的速度等；机器大型化主要表现 为增大离心机转鼓直径，利用双面转鼓增大转鼓的工作面积，这样来提高分离的性能 和处理量节约投资节省时间；理论研究上，主要关注于滤筒内的流体流动情况、滤 渣形成原理、分离的最小粒度和处理能力的表达方法【1 0 l 。 2 2 2 离心过滤技术实验研究 ( 1 ) 操作参数对分离效果的影响 5 第二章国内外离心分离技术研究现状 被分离的物料要靠外界所给的推动力才能进行分离，相比于真空、加压等过滤方 式离心过滤技术的过滤推动力要高的多，离心作用可以压缩滤饼层，降低滤饼的残余 饱和度1 1 】，在离心力场中，离心力可以加速固体颗粒形成滤饼的速度，同时提高液体 。 透过过滤介质的能力，改善脱水效果；张文军等人利用小型变频调速离心过滤机进行 了三组煤泥悬浮液的脱水试验，在三组实验中，入料状况是相同的，给定不同的离心 机的分离因数，结果表明，对于同样的入料，当离心及的分离因数增加时，滤渣内的 含水量逐渐降低，如图2 3 所示【1 2 】。 4 0 零3 0 妻2 0 霄 i 1 0 o 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 c 图2 3 分离因数与产品水分的关系 f i 9 2 - 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e n t r i f u g a lf a c t o ra n dc a k em o i s t u r e 陈伟斌等人对渤海灰白冰进行离心脱盐实验，通过改变离心转速来研究脱盐效果 和主要超标水质参数的变化，实验表明，在其他条件相同的情况下，离心转速与分离 效率有着密切的关系，离心转速的变化对灰白冰脱盐效果有显著的影响【”】。 王毓仁，顾薇等人对含油污泥和絮凝剂混合后，放到d l 5 型微电脑离心机上进 行模拟脱水实验，旨在考查不同离心速度、时间对分离水质的影响，实验效果通过测 定滤液的透光率和c o d 浓度来评定，得出结果为，转速为3 0 0 0 r m i n 的高速时，滤液 的水质随时间的增加很快变差，这是由于当离心力过大时絮体会逐渐解离，导致水质 下降；而转速为1 0 2 0 r m i n 的低速时，随时间的增加水质会慢慢变好，但效果并不理 想；而在1 9 8 0 r m i n 下1 5 。2 5 s 内效果较好且稳定【14 1 。 m k 莫汉帝在连续式滚筒格筛离心分离机上进行实验，滚筒的直径为o 5 m ， 通过改变以下三个操作参数，给料流量、给料固体含量和池深度，进行了正交试验研 究，建立的缺陷指数和分离粒度的经验模型，表明操作参数之间的交互效应对粒度分 离效率的影响显著【1 5 】。 ( 2 ) 颗粒截留与过滤分离的效果 要实现离心过滤中分离效果的提高，就要实验细小颗粒的高效截留，由实验可知， 6 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论文 离心过滤过程中滤渣的最小粒度远远小于离心机上筛孔的孔径，这说明，除了筛网对 固体颗粒的截留作用，还存在其他的截留作用，张文军等人提出颗粒截留存在两种机 理，一种是多孔过滤转鼓即固有过滤介质对颗粒的截留，另一种是沉积于过滤转鼓表 面的多孔颗粒层即次生过滤介质对颗粒的截留】。 j d o n n e l l y 利用高螺旋离心过滤机对细小颗粒的回收进行了试验，采用筛网规格 为0 2 5 m m ，被分离物料的粒度为0 5 , - 0 m m ，实验结果表明，当运行1 个月时，固体 可以回收9 2 0 o , - - 9 4 ，当运行3 个月时，固体只可以回收7 5 0 0 o , , , 7 9 8 ，而且筛网的孔 径严重磨碎变为0 7 3 1 m m ，扩大了接近3 倍，所以在试验中会通过测定滤液中固体颗 粒的上限，来判定筛网的磨损情况，用以确定滤网是不是需要更换【l6 】。 杨德武、王瑜等人，采用两个可以用变频器调节转速的电机分别带动转鼓和变径 距螺旋的离心机试验系统，可实现转鼓转速任意调节，转鼓与螺旋转速差也可以任意 调节，通过测量一定时间间隔内的滤液量、滤饼量、滤饼的含液量来衡量过滤分离效 果，采用豆渣为实验物料，测定了滤饼和滤液量随时间的变化量，通过分析得出，转 鼓与螺旋的转速差是影响压榨速率和滤饼含液量的主要因素，当转鼓与变径距螺旋的 转速差相同时，转鼓转速越大，滤饼含液量越低，转鼓转速相同时转速差越小，滤饼 含液量越低，这说明转鼓与螺旋转速之差可以控制滤饼的厚度和滤饼结构，既可以控 制颗粒截留效果，进而影响过滤分离的效果【1 。7 1 。 张文军等人利用自行设计的可变频调速的l l c 2 4 0 离心动态过滤机进行了粒度截 留实验，并对临涣选煤厂重介系统中回收低灰粗煤泥的l l l l 2 0 0 6 5 0 b 型煤泥离心机 进行粒度截留情况分析，结果显示，虽然离心机筛网的孔径为0 1 2 5 m m ，但是滤饼中 粒径在0 1 2 5 - - 0 0 4 5 m m 之间的固体颗粒为6 9 5 5 ，这表明，筛网截留对颗粒的截留起 到的作用并不是主要的，而滤饼截留效应才是颗粒截留的主要作用，该效应截留的粒 度由滤饼层内部的孔隙网络的孔径决定，通过测定的不同固体颗粒粒度在滤饼和滤液 中的分配率，可以定性的来评价滤饼截留效应的影响【l 引。 张文军等人用自制小型离心动态过滤机对煤泥进行了脱水试验，使用孔径为 0 1 2 5 m m 的激光冲孔不锈钢滤网，试验采用2 种粒度分布不同的试样，在固定入料条 件下，对每种试样进行了3 种离心因数不同的比较试验，试验数据表明，离心因数增 大将加大滤饼径向挤压的趋势，使滤饼更趋致密，有利于颗粒的截留，但趋势并不明 显，对同一物料过滤脱水时，离心因数对d 5 0 ( 分配率在滤液和滤饼中相等的粒度) 的影响微乎其微，虽然增大离心因数对截留粒度的影响不大，但有助于流体克服渗流 7 第二章国内外离心分离技术研究现状 阻力，提高脱液速度，提高离心因数还可以有效地降低非饱和致密颗粒层中的毛细液 。o 含量，降低滤饼的残余饱和度，改善脱水效果i l l j 。 一? j 。_ j ：，：j ： 一 李大仰用p t a 作为实验进料，设计实验对滤饼的比阻在离心过滤过程中的变化进 行了研究，并对滤饼比阻的变化规律进行了分析，而滤饼比阻是弊病过率特性的主要 表征参数，实验表明，在离心压力过滤过程中，过滤压差和进料的浓度是主要影响滤 饼比阻变化的因素，过滤压差增大，滤饼比阻就会随之增大，进料的浓度增大，则滤 饼比阻会减小【1 9 1 。 k u o - j e nh w a n g 等人将离心过滤技术应用于生物物质的分离，研究了5 0 0 - 4 0 0 0 r p m 之间，不同的转速对滤饼增长速度和滤液性质的影响，得到了转速对滤饼和滤液的影 响以及对分离中所消耗的时间、能量的影响【2 0 】。 t h o m a sf f i e d m a n n 等人对加压离心过滤和常压离心过滤分别进行了实验测试，常 压离心过滤时采用普通的过滤系统，而加压离心实验时采用最高压力为0 5 m p a 的离 心过滤系统，实验中通过改变离心机转鼓的转速和离心压力，来改变实验条件，并通 过观察滤饼的压缩性和监测滤液流量情况，来比较两种系统的过滤效果，实验表明， 加压离心过滤的分离效果要比普通离心过滤的效果好【2 1 1 。 2 2 3 钻屑离心机的发展 离心机脱水最早是用于煤炭工业煤泥脱水的【2 2 】，近几年来，钻屑的干化脱水越来 越重要，所以离心机逐渐用于了钻屑的脱液，尤其是用来脱去钻屑中的合成基或油基 等有害成分，使钻屑达到直接排放的标准，而且相比于其他的脱水机械，采用离心机 时劳动强度低、生产能力和脱水效果都较好，离心机的耗能和占地面积也都较少，所 以近来离心机脱水受到了国内外的广泛关注1 2 3 1 。 用于钻屑脱水的离心机称为钻屑脱液离心机，从钻屑振动筛上下来的湿钻屑进入 钻屑脱液离心机后，在离心机的转鼓中高速旋转，钻屑中的液相成分如合成基或油基 等，在离心力的作用下，透过滤网甩出离心机，固相则由排渣口排出，完成液固分离， 心机必须考虑钻井泥浆的高粘度问题，另外需要控制固相出现团聚趋势【2 4 - 2 5 1 。 一一d w b r a d f o r d 和f b g r o w c o c k 等人厂对从直接从振动筛下取出的合成基钻井液 钻屑用钻屑脱液离心机进行甩干处理，钻屑上的合成基成分的质量分数由1 5 以上下 降到了5 以下，钻屑脱液离心机对合成基或油基钻屑的处理效果比较显著 2 6 1 。 目前的钻屑脱液离心机分为立式和卧式两类，立式钻屑脱液离心机( 如图2 4 所 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 示) 是由上世纪9 0 1 年代美国开发出来的，现在广泛应用于油田钻井中的泥浆处理系 统，尤其是在海上钻井平台的泥浆处理更为成功，很多离心机开发公司如b a k e rh u g h e s 公司、s w a c o 公司等都有这样的产品，卧式脱液离心机是由s w a c o 公司和 h u t c h i s o n h a y e si n t e r n a t i o n a l 公司联合开发的，结构更加简单，处理量、分离因数等 参数都可调节控制，更加节能环保1 2 7 - 2 9 】。 i ：兰l 1 差速器2 螺旋推料器3 转鼓 图2 - 4 立式钻屑脱液离心机 f i 9 2 - 4 v e r t i c a lc e n t r i f u g ef o rd r y i n gd r i l l i n gc u t t i n g s 具有钻屑脱液离心机的泥浆处理系统处理系统的工艺流程为：钻屑由振动筛出来 后，进入脱液离心机，被甩出的钻井液进入卧螺离心机将固相细颗粒分离出来进入钻 井液循环系统继续使用，被甩干的钻屑含油基质量分数只有2 4 左右，进入集中槽 内等待进一步处理【3 】。 在墨西哥湾的海洋钻井平台上，钻屑脱液离心机连续无故障工作2 6 天，共钻4 口油井合计4 4 6 6 m ，回收了3 7 5 m 3 的钻井液，取得了非常好的经济效益，同时离心机 的发明者指出，其它固液分离领域也可以适用【3 0 】，但是这种离心机在国内的应用还并 不广泛，主要原因如下： ( 1 ) 钻屑脱液离心机为离心力卸料，要使滤渣自动移向排渣口的条件是转鼓的半 锥角要大于筛网对滤渣的摩擦系数，但半锥角存在使得离心机对被分离物料的浓度非 常敏感，对物料在转鼓中的时间以及排渣速度都难以控制【3 1 】； ( 2 ) 由于转鼓是高速旋转的，钻屑在进料时，由于离心力的作用直接被甩向筛筒， 9 第- 二章国内外离心分离技术研究现状 钻屑中的大颗粒固相对筛网的冲击力很大，筛筒和转鼓都磨损严重，导致离心机的寿 命大大缩短【3 2 】； ， “_ z 、； ( 3 ) 钻屑脱液离心机为过滤式离心机，在离心机转鼓中，物料中的液相和固相都 要受到向外的离心力作用，液相可以通过筛网网孔甩出离心机，固相由于透不过网孔 而被截留在筛网上，这样经过一段时间的分离，留在筛网上的固体就会增多，甚至堵 塞筛孔，导致液相无法透过筛孔，分离能力下降，当留在筛网上的固相达到一定量的 时候，分离能力就有可能完全丧失，只能停止离心机而手动清洁滤网【3 3 1 。 2 3 自清洁离心分离技术研究现状 进动离心机是一种高效的分离机械，进动离心机结合了锥篮离心机和振动离心力 发展而来，可以实现连续自动脱水和卸料，具有结构紧凑、能耗低、生产能力高等优 点，虽然发展历史较短，但目前已经在工业上进行应用，进动离心机的设计原理为点 的今冬运动，即在专门的传动系统带动下，离心机的转鼓既可以公转也可以自转，转 鼓自转轴与公转轴之间有一定的夹角，这个夹角叫做章动角，如图2 5 所示，当转鼓 歪向下面时，如图所示的瞬间位置，转鼓下边的筛网的母线倾斜角最大，滤渣在此区 间会自动滑出筛网大口，进行卸料，因此这个区间称为卸料区，而转鼓转到与其相对 的上方位置时，筛网母线的倾斜角最小，滤渣往前滑动，停留在筛网上继续脱水，所 以这个区间称为脱水区，由于自转和公转之间存在转速差，筛网上的卸料区和脱水区 的位置不断地轮换交替，使滤渣层在分离过程中不断减薄和疏松，从而强化了过滤和 脱水效果，这种工作原理是可以在一定程度上解决离心机筛网堵塞问题的【3 4 】。 魏 拶；， 图2 - 5 进动离心机转鼓转动示意图 f i 9 2 - 5 t h em o t i o no ft h er o l l e ri nt u m b l i n gc e n t r i f u g e 董平等人对进动离心机转鼓的运动进行了运动学分析，得出结论，离心机是利用 进动力合离心力沿转鼓母线的分力来对卸料的，通过改变章动角，可以改变被分离物 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 料在转鼓内的停留时间，从而达到控制滤渣的出渣速度和滤液澄清度的目的【3 5 1 。 t 行星式球磨机上四个球磨罐装在同一个转盘上，当转盘转动时，带动球磨罐绕转- 盘轴公转，同时球罐也要绕自身轴线自转，作行星式运动1 3 6 1 。 & 掰f l 邈& 图2 石行星式球磨机转动系统 f i 9 2 - 6 t h er o t a t i o n a ls y s t e mo fp l a n e t a r ym i l l 刘春全等人受离心力卸料离心机、进动离心机、滚筒式振动筛以及行星式球磨机 工作原理的启发，提出了自洁式离心机的原理，并初步设计了一种自洁式离心机，如 图2 7 所示，自洁式离心机中多个转鼓绕主轴中心线均布，电机启动后，带动主轴旋 转，在转鼓绕主轴的中心线公转的同时，通过差速器调节转速并带动自转驱动齿轮旋 转，自转驱动齿轮带动每个转鼓绕自身轴线旋转f 3 7 1 。 1 进料口；2 转鼓支撑；3 主轴；4 转鼓、筛网：5 转鼓支撑；6 机壳；7 自 转轴轴承；8 自转驱动轮；9 自转驱动轴；1 0 - 转鼓轴；1 1 差速器；1 2 基座 图2 7 一种自洁式离心机 f i 9 2 - 7 ak i n do fs e l f - c l e a n i n gc e n t r i f u g e 物料由进料口通过主轴、转鼓轴进入转鼓内高速旋转，在离心力的作用下甩向转 鼓内远离主轴的一侧，液体被甩出离心机，而固体颗粒被滤网截留下来形成滤渣，同 第二章国内外离心分离技术研究现状 时，由于转鼓的自转，带动粘附在转鼓上的滤渣转向靠近主轴的一侧，受到向外的离 心力，转鼓内的物料不断被抛向筒壁和离开筒壁。 这种自洁式离心机还可以通过离心机在转鼓母线上的分力克服物料的摩擦力而完 成自动卸料，滤饼由滤渣出口排出，滤液由液体出口排出。 自洁式离心机具有其他离心机分离效率高、自动卸料的优点，同时，能在连续工 作的同时，将堵塞在筛网上或网孔力的固体颗粒自动清除出来，解决了现有的过滤式 离心机的筛网堵塞，同时转鼓中的物料在小范围内与转鼓相对运动，解决了普通离心 机筛网磨损问题和停机清洗筛网的问题，使离心机自动化程度大大提高。 廖世辉利用点的复合运动理论，系统的建立了自洁式离心机中的滤饼在滤网上的 运动模型，对离心机的卸料机理进行了分析，确定了各项结构参数与设备运转参数对 自洁式离心机生产能力的影响。 朱美玲，颜景平等人对这种复合运动的转鼓内的物料运动状态做出了研究，运动 状态如图2 8 所示。 o ( a ) 黥动 ( b ) 抛落 o0 ( c ) 环漩 ( d ) 滑动 ( e ) 灿爱 图2 8 转鼓内物料的运动状态 f i 9 2 8 t h em o v e m e n to ft h ep a r t i c l e si nt h er o l l e r 图a 脉动：筛筒内的物料作为整体以群的方式分布在筛筒内远离公转中心处，随 筛筒自转到某一角度后，便朝相反的方向运动，以保持在远离公转中心处，这种运动 对筛筒衬板的磨损较为严重；图b 抛落：滤渣随转鼓自转转到某一角度时对简壁的压 力等于零，此时滤渣会离开转鼓壁，沿抛物线轨迹运动；图c 环流：此运动状态与抛 落极为相似，但是，该情况是在筛筒中的滤渣量必须多到一定程度时才会出现，抛落 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的起点被物料淹没，使得物料沿同心圆轨迹一层层泻落；图d 滑动：滤渣沿筛筒的周 西。线分布均匀，并与筛筒有相对滑动；图e 贴紧：滤渣紧贴转鼓壁，沿筛筒的周线分布 均匀，与筛筒无相对运动【3 8 】。 ” 龚姚腾等人通过对行星式球磨机中转鼓内的颗粒动力学分析，建立数学模型，对 颗粒进行受力分析，求解出了颗粒在转鼓内脱离转鼓时的脱离点和脱离后的运动轨迹 【3 9 】 0 颜景平对滚筒式球磨机磨筒内的物料进行了动力学和运动学分析，求解了球磨机 中影响物料运动状态的临界转速【4 0 】。 2 4 本章小结 离心过滤分离技术是一种比较成熟的分离技术，众多研究者都从不同方面研究了 各个因素对离心分离效果的影响，利用离心过滤对钻屑进行脱水是近几年来比较有发 展前景的领域，从而开发出来的钻屑脱液离心机对湿钻屑中合成基或油基成分的处理 带来了显著的经济效益，但是由于这种钻屑脱液离心机的磨损和筛网堵塞的问题未能 从根本上解决，所以又有研究者提出了一种新型的自洁式离心机，用来弥补现存的离 心机的缺陷，但是这种具有自清洁作用的离心机目前还是只处于理论研究当中，尚未 查到实验研究结果。 1 3 第三章自洁式离心机结构设计 第三章自洁式离心机结构设计一 - ：j o 尊- t ：。，j ：j。 3 1 设计方案 目前工业上应用的过滤式离心机种类有很多，大致分为间歇式和连续操作式两大 类，常用的间歇式离心机有三足式、上悬式和卧式刮刀卸料式，连续式过滤离心机有 离心力卸料、进动式卸料等。但是这些离心机普遍存在滤饼堵塞滤孔的问题，由于离 心机是靠离心力将被分离物料甩到筛网上，固体颗粒无法透过筛孔而被留下，液体透 过滤孔栓出筛筒，液体物料得以与固体物料分离，基于这样的工作原理，是无法从根 本上解决滤孔被堵塞问题的。针对现有的过滤式离心机的滤孑l 堵塞问题，提出自洁式 离心机设计方案，使离心机在连续分离的同时能够实现筛网的自清洁。 整个自洁式离心机本着结构简单可靠，外形美观，运行安全平稳的目标进行设计。 主要设计要求有： ( 1 ) 能够实现连续进料和出料，保证进料分布均匀； ( 2 ) 能够方便安装和拆除筛筒，以便检测筛网的堵塞率和更换不同规格的筛筒； ( 3 ) 传动方面要实现筛简在公转的同时低转速自转，并且公转速度和自转速度可 以任意调节； ( 4 ) 分离后的固液两相分别从不同的排渣口排出，以免重新混合。 针对上述设计要求，提出了以下设计方案： ( 1 ) 进料口设计在离心机的最上方，方便拆卸，而且要随着筛筒的公转一起旋转， 这样进入的物料可以在离心力的作用下加速到一定的回转速度，均匀分布到各个筛筒 内； ( 2 ) 离心机转鼓由六个筛筒、上下支撑盘、筛筒安装座等组成，筛筒安装座通过 法兰安装在上下支撑盘上，六个筛筒通过法兰和键槽连接到安装座上，将进料口拆下 后，筛筒可以自由取出，不受其他零部件的影响； ( 3 ) 传动系统安排在整个离心机的下部，方便电机的安装和皮带的更换，筛筒的 公转和自转分别由不同的电机带动，以便可以任意调节公转转速和自转转速，公转轴 设计为空心轴，这样自转轴可以通过公转轴的空腔进行传动，自转轴将转动传到一个 筛简上，再由相邻筛筒之间的皮带传动带动其他筛筒自转； ( 4 ) 分离后的液体由滤液出口排出离心机，滤渣直接由筛筒下端排出，设置挡液 结构，以免固液相重新混合。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 3 2 结构设计 ： 一 3 2 1 总体设计 。o ；：一： 离心机的总体结构如图3 1 所示，自洁式离心机主要由底座1 、筛筒下安装座2 、 主机箱3 、机箱上盖4 、进料口5 、筛筒上安装座6 、上支撑盘7 、支撑柱8 、下支撑盘 9 、筛筒1 0 、挡液板1 l 、出液口1 2 、公转电机1 3 、公转传动皮带1 4 、公转轴1 5 、自 转传动皮带1 6 、皮带轮盒1 7 、自转电机1 8 、自转轴1 9 、筛筒自转传动皮带结构2 0 等部分组成。 l 底座、2 一筛筒下安装座、3 一主机箱、4 一机箱上盖、5 进料结构、6 一筛筒上安装座、7 一上支撑盘、 8 支撑柱、9 一下支撑盘、l o 一筛筒、1 1 一挡液板、1 2 一出液口、1 3 - - 公转电机、1 4 一公转传动皮带、1 5 一公转轴、1 6 一自转传动皮带、1 7 一皮带轮盒、1 8 一自转电机、1 9 一自转轴、2 0 一筛简自转传动皮带结构 图3 1自洁式离心机结构图 f i 9 3 1 t h es t r u c t u r e - o f t h es e l f - c l e a n i n gc e n t r i f u g e 整个装置安装在底座1 上，电机启动后，公转电机1 3 通过公转传动皮带1 4 将转 动传递给公转轴1 5 ，公转轴1 5 带动下支撑盘9 转动，下支撑盘9 带动筛简下安装座2 与筛筒1 0 转动，同时通过支撑柱8 带动筛筒上安装座和进料口转动；自转电机1 8 通 1 5 第三章自洁式离心机结构设计 过自转传动皮带1 6 将转动传递给自转轴1 9 ，自转轴1 9 通过轴上的皮带轮与筛筒上的 皮带轮组成的自转传动结构带动筛筒下安装座2 自转，筛筒安装座带动筛简1 0 自转， 这样筛筒在公转的同时可以以很小的速度自转。筛筒安装座2 与支撑盘9 之间通过轴 承座相连，相互接触的界面用双金属材料，可以减少相对转动带来的摩擦磨损。 物料通过上箱盖4 ，进入进料口5 ，通过进料口甩到筛筒1 0 上远离公转轴的一侧， 这时液体由于受到离心力而通过筛孔分离出去，沿挡液板1 1 从液体出口1 2 流出，固 体物料留在了筛筒上形成滤渣，由于筛筒还有自转，筛筒上的滤渣随着筛筒的自转转 到了靠近公转轴的一侧时，由于公转离心力的作用，粘附在筛网上的滤渣和钻进滤网 网孔中的颗粒会被甩离筛网，脱离筛网网孔，完成自洁。如此循环下去，筛筒上的物 料不断交替的远离公转轴和靠近公转轴，远离时固液分离，完成甩干作用，靠近时滤 渣脱离滤网，完成自洁作用。被分离出的液体通过出液口1 2 排出离心机，固体物料则 通过筛筒直接排出离心机，机箱下部安装了挡液板，可阻挡一定高度的液体，由于待 分离的物料( 湿钻屑) 本身的液体含量就不多，液体的排出量不会很大，所以可以防 止固液重新混合。 3 2 2 主要技术参数 自洁式离心机的主要结构参数有：离心机总体尺寸、筛筒直径，公转轴与筛筒中 心轴的距离，筛网长度；主要操作参数有：筛筒公转速度，筛筒自转速度，进料速度， 进料浓度。如表3 1 所示。 表3 1自洁式离心机主要技术参数 t a b l e3 - 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h es e l f - c l e a n i n gc e n t r i f u g e 结构参数操作参数 筛筒直径 l o o m m 筛筒公转速度 3 5 0 14 6 0 r m i n 公转轴与筛筒中心轴的距离 2 0 5 5 r a m筛筒自转速度1 0 1 0 c i r m i n 筛网长度 4 0 0 m m 进料含湿率 1 5 0 机壳直径7 0 0 m m进料固相粒度1 - 2 0 0 0 , u m 离心机总高度 1 4 4 4 m m进料速度 0 1 1 0 k g s 眨了进料结构设计 由于离心机的筛筒随主轴高速旋转，若要实现连续进料，须将进料口设计为与筛 筒一起公转的结构，如图3 2 所示。物料先从上机箱的入口进入旋转进料口的环形区 域，在环形区域内高速旋转，经过下面的接料管，进入筛筒中。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 蹙 ( a ) 进料结构总图( b ) 旋转进料口 图3 - 2自洁式离心机进料结构 f i 9 3 - 2 t h ef e e di n l e to