（化工过程机械专业论文）导叶式除油型水力旋流器内流场测试与性能分析.pdf

摘要 本文针对导叶式除油型水力旋流器的特点，研究了入口流量、溢流率、叶片出口角 度、叶片出口面积等参数对该水力旋流器分离性能的影响规律，同时，应用a p v 激光 测速技术对此类液液水力旋流器内部速度场的分布特征以及上述几个参数对该水力旋 流器内部流场的影响规律进行研究。 首先，建立了流场测试试验台架，应用a p v 激光测试系统对d n 5 0 型导叶式除油 型水力旋流器内部速度场( 主要是切向速度和轴向速度) 进行了测试分析，得出导叶式 除油型水力旋流器内部速度场的分布图，并对水力旋流器内切向速度与轴向速度的分布 规律、切向速度分布对称性、切向速度准自由涡参数和轴向零速包络面等问题进行了分 析和研究。 其次，基于d n 5 0 型导叶式除油型水力旋流器的性能试验结果，得出了入口流量、 溢流率这两个操作参数的最佳工作范围；优化了叶片出口角度、叶片数这两个结构参数。 由此为基础，借助于a p v 激光测试系统对这几个参数对水力旋流器内部切向速度和轴 向速度的影响情况进行实测，从流场分布特征角度分析研究这几个参数对该液- 液水力 旋流器分离性能的影响，研究结果为液液水力旋流器分离机理的研究以及操作参数、 结构参数的优化提供了参考依据。 关键词：导叶式水力旋流器分离性能流场激光测试 a n a l y s i so nt h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n ds e p a r a t i n gp e r f o r m a n c eo f v a n e g u i d e dt y p eo fd e - o i lh y d r o e y e l o n e c h e nl e i ( m e c h a n i c so fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i ny o u - - h a ia n da s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gz h e n - - b o a b s t r a c t p e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t w a sc a r r i e d t h r o u g h f o r v a n e - g u i d e dt y p e o fd e - o i l h y d r o c y c l o n e t h ei n f e c t i o nf o rs e p a r a t i n gp e r f o r m a n c eb ys o m ep a r a m e t e r sw a si n t r o d u c e d ， i n c l u d i n ge n t r yf l u x ，f l o o d i n gr a t e ，t h ee x i ta n g l eo fv a n ea n dt h en u m b e ro fv a n e a n dt h e f l o wf i e l do ft h i sh y d r o c y c l o n ew a sm e a s u r e db yl a s e rt e s t i n gi n s t r u m e n t f u r t h e r m o r e ，t h e s t u d y o nt h o s e p a r a m e t e r sw h i c ha r ei m p o r t a n t f o rt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ew a s e x p o u n d e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h es h e l ff o rl a s e rt e s t i n gw a sb u i l t t h ef l o wf i e l do ft h i sh y d r o c y c l o n e ， w h i c ht y p ei sd n 5 0 ，w a sm e a s u r e db ya p v i tw a sm o s t l ys h o w e dt h a tt h et e s t so ft a n g e n t v e l o c i t ya n da x i a lv e l o c i t yi nt h i sl ( i n do fh y d r o c y c l o n e a st h ea n a l y s i so ft h er e s u l to ft h e t e s t ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i n gc h a r ta n dt h es t u d yo np a r a m e t e ro fs u b a l t e r nf r e ev o r t e xa n d l z v vw a si n t r o d u c e di nt h j sp a p e r s e c o n d l y , t h ep r i m er a n g eo ft h o s ep a r a m e t e r sw a sf o u n di na n a l y s i n gt h er e s u l to f p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sf o r t h et y p eo f d n 5 0 t h ef l o wf i e l do fv a n e g u i d e dt y p eo fd e o i l h y d r o c y c l o n ew a sm e a s u r e di nd i f f e r e n tp a r a m e t e r sb yl a s e rt e s t i n gi n s t r u m e n ta c c o r d i n g t h e s er e s u l t s 。i n f e c t i o nf o rs e p a r a t i n gp e r f o r m a n c eb yt h e s ep a r a m e t e r sw a ss t u d i e di nt h e v i e wo ff l o wf i e l d a n da l lr e s u l t sa b o v ep r o v i d e dab a s ef o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h e s e p a r a t i o nm e c h a n i s ma n do p t i m i z a t i o nf o rt h ep a r a m e t e r so f t h en e w h y d r o c y c l o n e k e yw o r d s ：v a n e g u i d e d ，h y d r o c y c l o n e ，s e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ，f l o wf i e l d ，l a s e rt e s t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：一虚磊 日期：砂莎年岁月多。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：碴! 磊 指导教师签名： e l 期：刎睥多月乡d e 1 日期：夕咖月步 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 背景 第1 章前言 在石油石化系统中，一直寻求一种效率高、体积小、便于操作的工业水处理设备。 液液水力旋流器自上世纪8 0 年代末期研究开发成功后，不仅能够满足上述要求，更以 其结构简单，生产能力大、无转动部件、易于实现自动控制等优点，在石油、石化行业 中得到了广泛的应用。 在原油的预处理、采出水除油等工艺操作中，液液水力旋流器显示出其独特的优 越性。美国的柯恩油田和加拿大的冷湖油田已将液一液水力旋流器应用于稠油污水处理 中。加拿大泛加石油公司( p a nc a n a d i a np e t r o l e u m ) 在水脱油型液一液水力旋流器的基 础上设计出一套井口旋流处理系统，并在a m i s k 油田试验应用。该系统在井口现场可 将含9 5 底部固体和水的油田产出液分离成用 于处置的净水水流( 含油量小于7 5 p p m ) 和含 2 0 油的浓缩油乳液，使大部分水在生产井附 近除去，不必输送到油田处理厂做进一步处 理，大大节省了运行成本。目前，液液水力旋 流器在发达国家含油污水处理特别是海上石油 开采平台上已成为不可替代的分离设备。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，应用液液水力旋流器 将重力分离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。我国 南海流花油田也从该公司引进一套1 2 5 m 3 h 的 液液旋流分离装置，处理后污水效果良好。另 外加拿大c f e r ( 前沿工程研究中心) 将静态 旋流分离器与传统的井下泵结合，开发出井下 油水分离技术( d o w n h o l eo i l w a t e rs e p a r a t o r , ， lo j ，一 吨譬轼啦够 _ 3 一 葛西巧罨f4 函譬2岔衄 霞 ，吨叶一 r 、 舀 、! 二 ( 1 秬蓘 1 井下油水分离结构图 f1-l s t u c t u r ec h r to fd o s 1隔器：2单流阀；3-扶正器：4-生 产5旋流器；6-扶正器；7-单流阀； 水泵；9 回注水层 ds)，此系统将井筒内的产出液在泵出地面前，先经过旋流分离系统进行油水分离， 分的油进入泵并被举升到地面；分离后的水经特殊管道进入另一注水层，达到给另 第1 章前言 一油井注水驱油，从而实现了采油、油水分离和采出水同井回注三种工艺，如图1 1 所 示，在源头减少产出水，减少了地面含油污水的产出及地面水处理需求。 在石化、化工领域的多个工艺过程中，液液水力旋流器都有十分广泛的应用。以 旋流分离技术为核心的原油电脱盐切水除油新工艺，不仅能够达到除油技术要求，而且 具有体积小、能耗小、操作简单的优势等优点，比沉降法气浮、过滤、离心等其他分 离方法更适合工业应用推广。中国石油大学( 华东) 多相流分离实验室经多次试验研究， 开发出炼厂原油电脱盐装置切水旋流除油工艺技术。2 0 0 6 年，本实验室与中石化长岭 分公司合作，正式将此类旋流器投入工业应用，除油效率达到9 6 以上，见表1 1 。另 外，镇海炼化应用液液水力旋流器在处理常减压装置减顶水中的高硫污水，使其污水 排放达标，重复利用，不仅满足清洁生产要求，而且在品味不降低的情况下回收油资源， 使用1 年内就收回了投资，具有明显的经济效益。不仅如此，在液化气脱胺，烟气脱硫， 延迟焦化冷焦水处理等工艺流程上液液水力旋流器也有很好的发展前景1 1 。 表1 - 1电脱盐污水旋流除油器采样结果( 2 0 0 6 年) 1 2 1 t a b l e l - 1s a m p l i n go fh y d r o c y c l o n ei nt h ee l e c t r i cd e s a l t i n gu n i t 一直以来，液液水力旋流器的入口方式以切向入口为主，这在一定程度上也制约 了液液水力旋流器的研究与应用。尤其是当应用工况是某些狭长空间结构时( 如井下 油水分离) ，特殊的应用场合对分离装置的空间结构布局具有很大限制，要求所选用的 液液水力旋流器整体上必须大致呈直线形结构。而传统的切入式水力旋流器的料液入 口与水力旋流器轴线成垂直的二维布局，旁通入口管的存在使得在实际应用时此类水 力旋流器的加工制造、作业工艺变得十分困难。 针对这些实际问题，导叶式除油型水力旋流器的设计就应运而生了，见图l 一2 。此 种类型的液液水力旋流器以叶片导流入口代替了原来切向入口的形式，使得液一液水力 旋流器在设计空间上大大缩小了，并且由原来的二维布局变成了一维直线布局，满足了 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在特殊狭长工况下运行的要求。同时这一新型设计也为液液水力旋流器的研究开辟了 新的思路。 溢流口圆柱段锥段 平行尾管段 图1 - 2 导叶式除油型水力旋流器示意图 f i g 1 - 2s k e t c hm a p o fv a n e - g u i d e dt y p eo fd e - o i lh y d r o c y c l o n e 另外据实验研究显示，此种类型的液液水力旋流器还有能耗低，处理量大的优点。 导叶式除油型水力旋流器与切向入口形式的液一液水力旋流器相比，在相同入口速度下， 压降降低2 0 左右。这主要是因为液液水力旋流器分离过程中的能量损失主要包括流 体由进料口进入水力旋流器筒体因截面突然扩大引起的射流阻力和流体在水力旋流器 内的离心力引起的压力损失。对于切向进口型液一液水力旋流器，流体由进料口的高速 直线流变为进入水力旋流器筒体的高速旋转流，流动状态发生剧烈变化，同时由于流体 和器壁的碰撞冲击以及流体内部的剧烈摩擦作用，消耗了大量的能量。这部分能量损失 在水力旋流器总能量损失中占的比例是相当可观的，并且这种损失对分离是没有作用 的。对于导叶式除油型水力旋流器来讲，流体进入水力旋流器简体是沿平滑的曲线变低 速的直线流逐渐为高速的旋转流，流体在转向的过程中逐渐得到加速，在叶片出口附近 流体速度达到最大值，流体的运动状态变化平稳，从而避免了切向进口的剧烈冲击及摩 擦损失。因此相对于切向入口式结构，导叶式旋流器可以降低压降，减小能量损耗，因 而处理量也就相应提高了p j 。 1 2 本课题的目的意义 尽管目前液一液水力旋流器在石油，石化，化工多个部门的工艺中都有广泛的应用， 但是与其相配合的液液旋流分离理论的发展不尽如人意。目前国内使用的除油型水力 旋流器的种类不少，但大多都是对国外同种类型水力旋流器的仿造与模仿。虽然国内许 多学者在液一液水力旋流器方面的研究也做出了一些科研成果，但是相较之下，涉足这 一课题研究的人员较少，条件和组织形式比较松散，所取得的成果仍然不能满足工程应 用的需要，而且几乎完全靠黑箱实验研究，缺乏深入细致的理论研究。 除油型水力旋流器的结构比较简单，而且没有运动组件，但是决定其压力特性及分 3 第1 章前言 离性能的却是水力旋流器内复杂的内部流场。本次课题通过对导叶式除油型水力旋流器 的性能实验和内部流场测试的研究，可以比较直观和准确地反映该类型水力旋流器的流 场特性和分离特点，以图从此方面入手，深入探究该类液液水力旋流器的分离机理。 然后通过理论分析和计算，优化结构参数，从而保证设备高效、可靠的运行。 1 3 课题研究内容 根据旋流分离技术的发展趋势，本次课题针对导叶式除油型水力旋流器进行试验研 究，所进行的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 实验研究导叶式除油型水力旋流器分离性能，考察各操作参数和叶片部分结构 参数对旋流器分离性能的影响。 2 ) 针对导叶式除油型水力旋流器的特点，对该水力旋流器圆柱段、锥管段、尾管 段取不同的截面，测量其内部各点的切向速度，轴向速度，分析速度场分布特 点，从而进一步研究该类水力旋流器的分离机理。 3 ) 改变入口流量q ，溢流率母等操作参数，分析各操作参数对导叶式除油型水力 旋流器内部流场的影响。 4 ) 改变叶片出口角度、叶片数z 等结构参数，分析叶片结构参数对导叶式除油 型水力旋流器内部流场的影响。 5 ) 结合性能试验和流场测试试验结果，优化各个参数，籍以找到最佳流场和产生 最佳流场最佳结构参数和操作参数。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章液一液水力旋流器研究综述 2 1 液液水力旋流器基本原理 液液水力旋流器的分离原理与固液旋流分离十分相似，原理是利用特殊的结构形 式来制造涡旋流场，从而形成强大的离心力。不同密度的两相进入涡旋流场中受到的离 心力不同，较重的相向器壁方向移动，较轻的相向旋涡中心移动，然后分别经底流出口 和溢流出口流出，从而达到分离的作用，见图2 - 1 。 ， i 1 进料 l底流 疥瓣瓣澜幽煳瞅) b c x ) ( j ( 媸x e ( 硼- 玎瑚【 内旋流 外旋流 图2 - 1 液液水力旋流器工作原理示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po fw o r k i n ge l e m e n t si nl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e 但是液液分离要比固液分离困难得多，其主要是因为：( 1 ) 一般两种液体之间的密 度差较小，如油与水的密度差一般只有o i - 0 2 9 e r a 3 左右，而固一液两种介质之间的密度 差常常较大，有时会有几倍的差别。( 2 ) 液液分离中分散相的液体介质，不论其密度较 连续相的介质大或小，都是以小滴的形式存在。这些液滴没有固定不变的形状，在力的 作用下极易变形，有时甚至会破裂。因此，两种液体混合的介质在水力旋流器中分离时， 即要求液流在水力旋流器体内形成高速旋转的涡流，以保证液滴有足够的力沿径向方向 移动，又要防止液滴在高速旋转时受到过大的切向剪应力致使液滴破碎，分裂成更细小 的液滴，导致分离更加困难。这也是液液分离旋流器的应用较固- 液分离水力旋流器晚 了近一百年的原因【4 1 。 2 2 液液水力旋流器的发展历程 一般认为液液水力旋流器起源于英国，最早由英国人b r a d l e y 提出了液- 液旋流分 离可行性的观点。从2 0 世纪6 0 年代开始，英国南安普顿大学机械工程系教授m a r t i n t h e w 鉴于海上油田急需处理量大、占地小的油水分离设备来满足日益迫切的采出水处 理的需要，并避免海水污染，探索水中除油的旋流器研究。经过将近1 0 年的研究，m a r t i n t h e w 终于得出了肯定的结论，设计出样机，并发明了双锥双入口型液一液水力旋流分离 器。1 9 8 0 年m a r t m1 1 1 e w 教授在第一届国际水力旋流器会议上报道了新型水力旋流器的 5 第2 章液一液水力旋流器研究综述 实验情况。经过几年的努力，第1 台除油型液。液水力旋流器于1 9 8 4 年在海洋平台上试 验成功。到1 9 8 5 年，正式在英国北海油田和澳大利亚巴氏海峡油田的海上石油开采平 台使用，进入工业应用阶段。随后，y o n g g a b 等设计出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液一液水力旋流器。c o n o e o 公司提出了k 型旋流器，对于 直径小于1 0 9 m 油滴分离性能提高更加明显1 5 。 1 9 8 9 年我国南海油田首次引进两套合成式的液液水力旋流器。日处理能力为 0 2 m t 。含油污水经过旋流器二级串联处理。出水含油量小于5 0 m g l 。同年，国内一些 科研院所也开始在仿制的基础上进行研究。近1 0 年来，除油型液液水力旋流器在国内 得到较快的发展。中国石油大学( 华东) 与企业合作，在除油型液液水力旋流器的应用方 面做了大量的工作：在室内建立了实验装置，探讨旋流分离器结构筛选方法，研究除油 型旋流器特性等；模拟油田含油污水进行实验，研究了流量、压力、分流比之间的关系。 大庆石油学院针对油田注聚采出液处理难度大的问题，研究了以液。液型水力旋流器为 技术核心的含油污水配套处理工艺。将油井采出液经两级串联水力旋流器后，再经过滤 器分离。投入应用后旋流器的效率可达9 0 以上，满足了中转站原油的就地集输、处理 与就近回注要求。随着液液水力旋流器应用的不断推广和研究的不断深入，越来越多 的新型的更适应不同实际工况需要的液液水力旋流器被开发出来。 2 3 国内外液液水力旋流技术研究进展 尽管在理论分析方面和计算流体力学( c f d ) 方面水力旋流器研究稳步向前发展，但 水力旋流器研究基本上仍以实验为基础。试验研究的方法可以分为两种：第一，把水力 旋流器看作一个“黑箱 ，利用黑箱理论通过改变水力旋流器的设计参数和操作参数测 定所对应的分离性能和操作性能，从而得出有关的经验模型，以指导同类水力旋流器的 设计，此种方法费时费力，但是却能满足工业上应用研究的需要，故目前仍以此类研究 方法为主。第二，利用各种流速测定设备对水力旋流器内部流体的流动状况进行测定， 了解水力旋流器内流体的速度场、压力场、浓度场的分布规律，从而进一步认识水力旋 流器的分离机理。从上世纪8 0 年代开始，随着激光测速仪及粒子动态分布测定仪的出 现，该方法得到了很大的发展，得出了不少研究成果。 2 3 1 液一液水力旋流器结构与分离性能特性研究进展 随着液一液水力旋流器应用的不断推广，许多适应不同工况条件下的液一液水力旋流 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 器被开发出来，由图2 2 图2 4 所示，从早期的双锥形水力旋流器发展出单锥形水力旋 流器、放大水出口水力旋流器、气携式水力旋流器和动态水力旋流器等变形结构，这 些工作的主要目的都是为了在低阻高效方面取得新的突破。 g a by o u n g 等人设计出了与双锥型具有相同的分离性能但处理量要高一倍的单锥 型水力旋流器。k i m b e r 和t h e w 用圆筒形水力旋流器分出了大约9 0 的油，但这一发 明却并不适合于商业应用。在液液水力旋流器结构研究中，研究人员很看重多入口的 重要性，认为多个入口可实现油核的线性分布，使油核具有最小的回旋。然而，油芯出 口的流动对轴向出口设在入口端及底流端的两种情况都不能令人满意。前者得不到稳定 的反向流动的核芯，而后者会导致已分开的油和水会发生混合。c o l m a n 和t h e w 发现， 与长圆柱几何结构相比，锥管结构可以给出稳定的、直径细小的反向流核芯，而且允许 在极小的溢流孔径下工作【5 1 。马卫国等人在对双锥和单锥两种类型的水力旋流器进行性 能实验和流场测试试验后，认为单锥型液一液水力旋流器内流场比双锥型有较好的速度 分布，同时单锥型有效处理量比双锥型高近一倍【6 j 。 图2 - 2 双锥型液液水力旋 流器示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a p o fd o u b l e c o n e sl i q u i d - l i q u i dc y c l o n e 气 气 气 图2 - 3 气携式液液水力旋流 器示意图 f i g 2 - 3s k e t c hm a p o f a i r - i n j e c t e dh y d r o c y c l o n e 7 图2 - 4 单锥型液液水力旋 流器示意图 f i g 2 4s k e t c hm a p o fs i n g l e c o n eh y d r o c y e l o n e 第2 章液一液水力旋流器研究综述 在操作参数优化方面，相对来说研究较为深入。进口料液的流量直接决定了内部流 场的强度，从而直接影响水力旋流器的性能。当入口流量较小时，水力旋流器内流体的 流速也较小，故而离心力也比较小，不足以对两相混合物进行有效的分离；当流量增大 时，不仅通过水力旋流器的压降增大，而且有可能使液一液混合物中的分散相液滴破碎 为较小尺寸的液滴、甚至出现乳化现象，使分离效率反而降低。因此，对液液水力旋 流器有一个最佳处理量区，在这一区域内分离效率很稳定。对于溢流率来说，进口流量 不变的情况下，当溢流率增大时，会使离心力增大，有利于油水分离。但同时速度梯度 也增大，使液滴所受的剪切应力也增大，可能会导致液滴的乳化，使分离效率降低。因 此，溢流率在一定范围内的加大会使分离效率提高。在实际工业应用中，溢流率一般均 较小。而入口流量和溢流率的具体取值范围则随着水力旋流器的结构形式和实际的物性 参数的变化而变化。 另外，温度虽然对旋流分离没有直接作用，但是由于温度对混合液体的粘度尤其是 油的粘度有着显著影响，而粘度又是分离性能的重要影响因素，故温度变化对分离性能 的影响也十分明显。一般而言，随温度升高液体粘度下降，尤其是油的下降比较明显， 使得油滴在向中心迁移的过程中与水相间摩擦阻力下降，易于到达中心，有利于提高水 力旋流器的分离效率。 然而由于不同研究者采用的水力旋流器尺寸以及制造精度不同、使用的物料性质不 同以及操作条件上的差异，使得不同研究者发表的数据很难统一起来。同时，各种类型 的液液水力旋流器针对性极强，而各性能公式大多为经验所得，理论性较差。另外， 目前国内外生产的水力旋流器还不能做到根据所分离介质的性质以及操作条件设计出 不同结构参数的产品，而仅仅是用已有的确定结构的水力旋流器进行试验，优选出某一 类型以满足生产要求，这就难免有一定的盲目性。因此，研究液一液水力旋流器内部分 离机理就显得十分迫切和必要。 2 3 2 水力旋流器内部速度场基本理论 对水力旋流器内部流场的研究在其机理研究中占有举足轻重的地位。水力旋流器内 复杂的内部流场决定了水力旋流器压力特性和分离性能，其中两相流体的三维强旋转场 及其分离机理十分复杂，诸多的结构参数与操作参数对分离性能的影响关系式均停留在 定性阶段或局限在很窄的条件范围之内。要想更清楚的认识水力旋流器的分离机理，提 高其分离效率，寻找更合理的水力旋流器结构和建立有效地预测其性能的理论计算式， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 就必须对水力旋流器内的连续相和分散相的运动规律进行研究。 在常规水力旋流器中，液流运动可归纳为四种基本形式和两个重要特征。水力旋流 器内液体流动主要的运动形式就是所谓的外旋流、内旋流、短路流和循环流。两个重要 特征是中心内部空气柱和轴向零速包罗面( l z 、) 。对水力旋流器流场的研究主要分 为两个方面：一是速度场，主要是通过实验的手段对三个速度分量进行测定，分析其分 布规律，或以流体力学基本方程进行理论分析；二是压力场，目前国内外对其研究主要 局限于外特性上，由于实验条件所限，对其流场内部的压力分布研究较少。 在速度场的研究上，目前认识较为一致的是对切向速度场的研究方面，切向速度也 是三个速度中最为重要的一个分量。它决定被处理的物料所受离心力的大小，而且它在 三个分量中最大，最容易测定。所以目前对它的基本分布已经取得了较为一致的看法。 无论是对固液还是对液液水力旋流器来说，大多数学者认为切向速度场可以分为准强 制涡区，过渡区和准自由涡区，见图2 5 。对于液液水力旋流器来说，其内部准强制涡 区和过渡区范围很小。 准 强 制 涡 区 ， 过 一 渡 区 口 半径r 图2 5 水力旋流器内切向流动不同区域示意图 f i g 2 - 5 s k e t c hm a po fd i f f e r e n ta r e ao nt a n g e n tv e l o c i t yi nh y d r o c y c l o n e 关于切向速度分布的模型，不同的研究者曾提出不同的数学表达式，但是目前为大 家所广泛接受和应用的是b r a d l e y 和p u l l i n g 根据k e l s a l l 的实验数据所提出的表达式： u o r 订= c ( 2 1 ) 式中，c 为常数，与水力旋流器操作条件及结构参数有关；n 为指数，所表征的是半径 为，的点的准自由涡的“自由程度。 在轴向速度场方面，有些学者如k e l s a l l 通过测定水力旋流器内切向速度和速度轨 迹的倾角得到各点的轴向速度，有的学者如b r a d l e y 和p u l l i n g 用注染色液的方法研究了 水力旋流器内的流态而得出轴向速度分布。其他一些学者也用激光测速的方法得出了其 9 第2 章液一液水力旋流器研究综述 速度分布。大多数学者认为轴向速度场分为两部分，即占主要趋势的走向溢流的内旋流 和走向底流的外部的外旋流。但是对于内部的零轴向速度包络面( l z w ) 的看法各国学 者却各持己见。另外通过激光测量可以得出，若水力旋流器的溢流管壁采用超厚设计， 则轴向速度的分布就发生了重要变化，通常的轴向零速包罗面( l 舀) 变成了轴向零 速过渡区( w z w ) ，并且w z v v 的内侧近似于圆柱面，使得此类水力旋流器的分离 粒度得到一定程度的稳定【7 】，见图2 - 6 。另外，具有一定厚度的轴向零速区的存在，可 以使得被分离的分散相在进入内旋流或外旋流之前得到较多的分级机会，从而减少进入 溢流或底流的偶然性。 盲 磊 ：器 蠢， 粪 弩 ：。 ：謦j ，? ：7 2 4 5 l 善移o ll j 聋州 幺j t a ：、? + ， 0 7 | 十“一 图2 _ 6l z v v 与w z v v f i g 2 - 6 s k e t c hm a po fl z v va n dw z v v 径向速度在三个速度分量中是最小的一个，难于用实验方法测定。即使是运用现代 化的激光测速技术，对水力旋流器内液流径向速度的测定也十分复杂：器壁与介质的折 射以及切向速度的干扰，测点位置的确定及流动速度的测量都容易产生误差。所以目前 为止，对于径向速度来说，应用比较多的是在测出轴向速度后，通过连续性方程来计算 的方法来得出径向速度的数值。但是由于各国学者所用的假设条件和实验条件不一致， 所以很长时间以来，对径向速度的分布规律的研究成果有很大的分歧。 短路流和循环流是水力旋流器内液流运动的两个重要形态，见图2 - 7 ，对水流旋流 器工作性能有很重要的影响。短路流是在旋流器的顶部，流体所包含的颗粒不能得到有 效的分离而直接进入溢流的特殊流动现象。此外，在水力旋流器柱体部分以及柱、锥连 接处附近存在循环涡流，循环流的存在与溢流管的通过能力有关，在轴向零速包络面以 1 0 “川 。 。协 姗 一嗡 嶝，泓- 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 外的外旋流向下流动至底流口附近时，由于底流口排放能力有限而部分的转为内旋流向 上流动。在溢流管的底口处，由于内旋流也不能全从溢流口排出，于是就有一部分在溢 流管附近形成循环流动。循环涡流区占去了水力旋流器柱体部分分离空间的相当一部 分。k e l s a l l 在流场测定的研究中首先发现了短路流，后来b r a d l e y 与p u l l i n g 也用流动 现行法证明了短路流和循环流的存在。 图2 - 7 短路流和循环流不葸图 f i g 2 - 7 s k e t c hm a po f s h o r t f l o wa n dc y c l ef l o w 由于短路流和循环流的存在严重降低了水力旋流器的分离效率，虽然这一问题早就 引起了人们的密切注意，许多研究者对此也做出了许多研究并取得了一定的成果，但是 由于流场问题的复杂性，目前的研究结论无论理论分析还是实验研究都还不够深入。与 作为主要流动状态的内旋流及外旋流相比，人们对短路流及循环流的认识还较肤浅，需 要进行进一步深入研究。 中心空气柱作为水力旋流器的流场特征之一，几乎在所有的传统水力旋流器中都存 在。对空气柱的形成机理目前尚未完全了解，对其产生的原因，一般有两种不同的看法。 一种观点认为，由于水力旋流器内流体的高速转动，中间强制涡部分产生的负压使水力 旋流器内外形成压差，通过与大气相通的出口吸入空气形成空气柱；另一种观点认为， 空气柱的空气来源于液体内溶解的气体，由于水力旋流器内流体的径向有压力梯度存 在，气体受到正比于压力梯度的向心浮力作用，而使气体从水力旋流器的周边进入中心 形成空气柱。 关于对水力旋流器中心空气柱的作用，一直被众多学者所争论。有的学者认为空气 柱的存在是水力旋流器溢流排出的必要条件；还有学者认为空气柱的出现标志着内部流 场的稳定，因而对水力旋流器的工作是不可缺少的。然而，在中心空气柱内部发生任何 分离过程这一点是确定无疑的。所以，在空气柱内消耗的能量只用于维持空气柱的存在， 并不起任何正面的直接作用。并且当进料压力波动时，液气界面的位置及空气柱的大小 第2 章液一液水力旋流器研究综述 都处于不稳定的状态，继而导致流场的波动与失衡，从而降低水力旋流器的分离性能。 为了消除中心空气柱，水封式水力旋流器就被开发出来。此类水力旋流器的底流口插在 水中与大气隔绝，从而使得形成中心空气柱的最小进口压力比一般水力旋流器形成中心 空气柱的最小进口压力要高的多。在水封式水力旋流器中，中心空气柱被高速旋转的液 住所取代。 以上这些关于水力旋流器的经典理论大都是通过对固液分离的水力旋流器进行研 究所得出来的。尽管固。液分离的水力旋流器与液液分离的水力旋流器在分离原理和分 离现象上有很大的相似之处，但是液液分离的水力旋流器内部流场也有其自身独有的 特点和规律。然而由于液液水力旋流器内部流场的复杂性和特殊性，目前专门关于液- 液水力旋流器内部流场理论的研究还很缺乏。 2 3 3 国内外学者对水力旋流器内部速度场测定 水力旋流器内液流运动的实际测定，一般首推k e l s a l l 的工作。k e l s a l l 于2 0 世纪 5 0 年代采用显微镜光学测量法追踪固体颗粒在旋流器内的运动轨迹。k e l s a l l 在实验中 获得了固体颗粒的轴向与切向流速分布，并认为在任一点处固体颗粒与流体的轴向速度 与切向流速相等，在此基础上根据流体的连续性准则确定流体的径向流速分布【_ 刀。 拉 半径一一睾嵇呻 f l 触 图2 5k e l s a 测出的切向速度 图2 - 6k e l s a l l 澳的轴向速度 图2 7k e l s a l i 测出的径向速度 分布图 分布图 分布图 f i g 2 5 s k e t c hm a po ft a n g e n t f i g 2 - 6 s k e t c hm a po fa x i a l f i g 2 - 7 s k e t c hm a po fr a d i a l v e l o c i t yb yk e l s a l l v e l o c i t yb yk e l s a l l v e l o c i t yb yk e l s a l l 但是，由于这样那样的原因，他的测定结果也存在着一些遗憾之处。首先，他测定 时所用的水力旋流器模型在结构上显著不同于工业上广泛应用的形式( 溢流管过深的插 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 入到水力旋流器的锥体部分) ；第二，测定的横截面较少，因此所得的某些结论不具普 遍性；第三，根据数据点作出的曲线带有明显的主观性，这主要表现在对空气柱附近切 向速度的处理方面。然而毋容置疑，k e l s a l l 测得的速度分布结果为广大水力旋流器研究 者所熟知并得到广泛引用，且对后来的研究者产生过深远的影响。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着测试技术的发展，人们逐渐地采用了先进的激光测试技 术来测量水力旋流器流内流场，并将测量结果与理论研究相结合，以期对水力旋流器内 部流场的分布特性有更清楚的认识。h s i e h 等人用先进的l d v 技术来测量旋流器内部 流场分布情况，如图2 8 ，2 - 9 。 图2 8h s i e h 测定的切向速度分布图 图2 9 轴向速度的数值分析与激光测定结果 f i g 2 8 s k e t c hm a po ft a n g e n tv e l o c i t yb yi t s i e hf i g 2 - 9 s k e t c hm a po fa x i sv e l o c i t yb yl a s e rt e s t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 对于水力旋流器内部流场的研究在国内来说起步较晚，虽然取得了一些成绩，但是， 总的来说还没有得出系统的理论。徐继润等利用激光测速仪( l d a ) 对水力旋流器的三维 速度进行了系统测定，测试结果表明切向速度和轴向速度与k e l s a l l 的结果近似，而径 向速度分布却存在很大的不同，即在半自由涡区域径向速度与切向速度沿径向有相似的 分布规律，即从器壁向内，径向速度渐增，只是在锥体部分上部锥壁处，径向速度略有 增加，但最大径向速度仍在靠近空气柱处。李琼采用二维激光测速仪( l d a ) 对径向速度 1 3 第2 章液一液水力旋流器研究综述 进行了实测，得出径向速度分布状态，即从旋流器边壁到轴心不断增大，在接近空气柱 边壁达到最大值，然后又急剧降低；靠近空气柱区域径向分速度变化幅度大，靠近器壁 的区域的径向分速度变化幅度小。褚良银利用粒子动态分析仪( p d a ) 对固液水力旋流器 的颗粒径向分布进行了实测，得出在水力旋流器锥段各截面上固相颗粒浓度的分布规 律，且与李琼的测试结果相似。 大庆石油学院蒋明虎等人采用一维激光测试系统对双锥型液一液水力旋流器内部流 场进行了测试，并研究了部分结构参数和操作参数对水力旋流器内部流场的影响【1 4 1 。清 华大学陆耀军等人对多种类型的液液分离水力旋流器进行了内部流场的分析比较，得 出了液液水力旋流器内部流场分布趋势图嘲【9 】 1 0 】；江汉机械研究所的马卫国等人从流场 和性能的角度分析了单锥型和双锥型这两种类型液一液水力旋流器流场的区别与优缺 点。 迄今为止已经进行的关于水力旋流器内单相液体流场的大量研究，从定性的角度来 看，已经能够勾勒出流场的大致轮廓。但是还存在着许多的不足：各研究者实验所使用 的设备及操作条件不同，所得的结论只能作一般性比较，还没有通用统一的模型能够定 量地说明所有水力旋流器内的流动情况。而且各研究者所得出的研究成果，对某一类特 定水力旋流器的分析比较透彻，然而却不完全应用到其他类型的水力旋流器中。另外， 关于液液水力旋流器的研究相对较少，并没有得出比较统一的结论。在新结构，新类 型不断涌现的今天，深入研究液液水力旋流器的分离机理，尤其是内部流场变化对分 离性能的影响就显得十分迫切和必要了。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章流场测试实验装置及测试技术 3 1 流场测试试验装置 本文中流场测试所搭设的整套试验架是在性能试验流程的思路上进行设计的。由于 流场测试试验在a p v 实验室进行，试验受到实验室空间和试验条件等因素的影响，要 求整套流场测试试验装置占地小，易于装卸，便于移动。所以在流场测试试验流程中取 消了体积庞大且不易移动的缓冲罐，并且在泵的选择上也换为易于移动，使用方便的离 心泵。这样使得整套装置更符合实际测量的要求。 压力表 水力旋流 嚣模型 流量计 阀门 离：亡i ，泵 图3 - 1a p v 测量水力旋流器内部流场实验装置图 f i g 3 1s k e t c hm a po fe x p e r i m e n tu n i ti nl a s e rt e s t 实验装置主要由导叶式除油型水力旋流器模型、供水系统、a p v 激光测量系统、 流量压力测量系统四部分组成，见图3 1 。示踪粒子在水箱中经搅拌器搅拌后与清水均 匀混合，由离心泵加压加速后经阀门进入水力旋流器模型的入口处，然后经底流管路和 溢流管路分别回到水箱，完成清水和示踪粒子的循环流动。 a p v 激光测量系统中光纤探头由三维坐标架控制，其可在不同测量截面的不同半 径处测量。本文试验进行测速时探头的发射光轴与液，液水力旋流器的中心轴在同一水 平面内，以保证激光对称于该水平面入射。保证激光垂直于水力旋流器表面入射，由于 锥段处锥角很小，且锥段很长，测量时激光探头的摆放仍然按照测量柱段和尾管段时的 测量方法测量。 3 2 测试技术及测量参数 1 5 第3 章流场测试实验装置及测试技术 3 2 1a p v 激光测速技术简介 激光测速法是上世纪6 0 年代出现并得到迅速发展的一种无接触流动检测技术。2 0 世纪8 0 年代初进入水力旋流器流场研究领域，并引起广泛的关注。激光测速法具有不 干扰或不破坏流场，可测速范围宽，滞后效应小，并且能够测量湍流、反向流及旋涡等 复杂流动，测量精度高等一系列优点，特别适合用于像水力旋流器内部流场这种对外来 扰动非常敏感的旋转流的测量。目前，由激光测速法得出的测量结果得到了学术界的一 致认可。本文选用二维a p v 测量系统对导叶式除油型水力旋流器内部流场分布规律进 行测量，并对该类水力旋流器的操作参数和叶片部分结构参数对流场影响规律进行全面 系统地研究。 3 2 2 激光多普勒测速( l d v ) 原理 激光多普勒测速( l d v ) 的基本工作原理是探测运动微粒在通过激光束某个测量区 时的光散射信号，即所谓的多普勒频移信号。经过处理后，就能获得微粒的运动速度及 其他的运动特性。以双光束双散系统的l d v 为例，当波长a ( 岬) 相同、夹角为6 9 的两 束激光，聚焦于同一运动微粒上时，多普勒频率办( m h z ) 与微粒的运动速度u ( m s ) 满足 关系式： 2 s i n 竺 以= m