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旋液式油水分离器设计【说明书+CAD】,旋液式,油水,分离器,设计,说明书,CAD
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目录任务书I开题报告III指导老师审查意见XI评阅老师评语XII答辩会议记录XIII中外文摘要XIV1前言12.选题背景23方案论证53.1油水分离器的主要特点53.2工作原理64.旋液式油水分离器结构85.旋液分离器尺寸的计算95.1主直径的选取95.2旋流器其它结构参数的设计105.3溢流口流量和底流口流量的计算136.水力旋流器的制造和安装146.1 水力旋流器在制造上的要求146.2材料选择156.3 常用的制造方法176.4安装187几何参数对水力旋流器性能的影响197.1进料口尺寸197.2旋流器直径197.3锥角197.4溢流管尺寸197.5底流口尺寸198操作参数对水力旋流器的影响208.1分离效率与进口流量之间的关系208.2分流比F与分离效率之间的关系208.3分流比与压降比之问的关系209.影响旋流器分离效率的因数219.1旋流器的准数219.2主要影响因素219.2.1 尺寸变量229.2. 2操作变量239.2. 3物性变量2310.结论和认识25参考文献25致谢27致谢1前言水力旋流器(Hydrocyclonc)是一种分离非均相液体混合物的设备，它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离的。由于离心力场的强度较重力场大的多，因此水力旋流器比重力分离设备效率要大的多。早在1891年，Bremey就在美国申请了第一个水力旋流器专利。但在随后的几十年时间里水力旋流器一直主要被用做固液两相介质的分离装置，从水中分离固体介质，如煤的精选等，且仅限于在采矿工业中使用，末被其它行业所重视与引用。二次大战前后，学科之间的沟通与交流极大地扩大了它的应用范围，化工、冶金、石油加工、动力发电、废水处理、造纸等部门都开始应用，但仍是做为固液两相介质的分离装置。近二三十年来，随着其用途的不断扩大，它的理论研究、实验与设计、加工制造各方面都有了长足进步。同时，它的用途也由主要进行固液分离，扩展到两种不互溶流体介质的液一液分离和气液分离，甚至三相分离等，如液体净化、泥浆稠化、液体脱气、固体区分、固体介质的冲洗、按密度或形状将固体分类等，现在水力旋流器已成为多用途的高效分离装置。上世纪60年代末期，英国Southampton大学的MartinThew等人开始研究用水力旋流器分离油、水两种液体介质的可能性。从70年代起，他们进行了将近10年的研究，得到了肯定的结论，并设计出样机。从此开始了水力旋流器应用的另一个新领域，液液或液气的两相分离。由于旋流分离具有许多独特的优点，旋流脱油技术在发达国家含油污水处理特别是在海上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备。1989年中国海洋石油公司与美国Amoco石油公司在中国南海联合开发的流花111油田，开始在海上石油开采平台上使用旋流分离器处理含油污水。二十多年来的科学研究及工程实用结果表明：旋流分离作为一种高效分离技术，其使用场合并不仅仅局限于污水除油方面，如同重力分离技术一样。其在原油脱气、脱水、除砂以及原油和污水净化等方面都存在着技术上的可行性、经济上的必要性和工程应用上的广阔前景。2.选题背景 它的应用领域已扩大到各行各业。从其可分离的类型上看，除了对完全溶解于液体介质的物质不能分离(溶于液体中的气体，在水力旋流器中也可部分地分离)，以及对乳化液难于分离(可加入破乳剂后再行分离)外，其它的两相或三相介质均可分离。如液-固、气-固、液-气、液-液、液-气-固三相的分离，甚至密度不同，或形状不同的两种固体颗粒亦可用水力旋流器分离。同时，对水力旋流器的操作特性许多学者作了专门研究，对它的应用场合，运转参数的选择与确定都有了合理的依据。因此，水力旋流器在实际应用中大都取得了很好的分离效果，经济效益可观。许多学者专门研究了水力旋流器各部分几何参数的合理确定的问题，研究了几何尺寸变化对分离性能的影响，如，溢流口径和底流口径的形状及大小的改变、圆锥角的变化、尾管长度等，从而逐渐得出了几组合理的几何尺寸。 再次，水力旋流器的设计与制造方面，固一液水力旋流器已有几种定型的设计，其结构与参数经使用证明较为合理。其中以Rietema，Bradley和Kelsall的三种设计结构应用最普遍，效果最好他们的选择与比例放大也有自己的关系式，这些关系式都是通过试验推出的，具有半经验性。液一液水力旋流器的结构与设计，最为合理的是Thew等人的设计，他们在这一领域进行了大量的试验研充。其效果十分明显。但液一液水力旋流器的选择与比例放大的理论工作。目前还很不完善，没存提出什么合理的可供遵循约关系式。水力旋流器的制造技术也大大提升了，在保证精度以确保水力旋流器的运转特性前提下，制造方法不断改善。最明显的是液一液水力旋流器的制造，许多国家巳用非金属材料(如聚胺酯等)代替金属材料，用注塑方法加工生产同时将几个水力旋流器制造在一个外壳内，加大了处理量，又降低了成本。对于油中分散水进行处理的水力旋流器取得的成功较少。一篇较早的论文采用了传统的几何结构, 实验从水为连续相延续到油为连续相, 而且实验采用的也是塑料颗粒, 以免乳化。实验没有得出合理的分离结果, 即使是采用水-煤油混合液。但是实验也的确给出结论认为壁面的润湿性是显著的。对全锥角为60和具有低剪切扩大入口的旋流器进行水/煤油实验的结果全面总结, 揭示出分流比和入口含水量对分离压降的影响, 以及仅以水为介质时对轴向速度分布的影响。一个关键参数是比值Rf/Cf(分流比与含水量之比), 这个比值的理想值为当水刚刚发生突破进入溢流时的值1, 实验中最小值为1. 1。对水滴的破碎情况与固体颗粒和类比液滴在同一旋流器内的结果进行了检查对比。从油中分离水(或盐水), 当油的粘度接近水的5倍时, 很明显没有什么成功的先例, 当然界面的自然性质也是极为重要。最近的研究表明正确匹配的破乳剂可改善分离效率30%, 这主要是增强了液滴的聚结。这项研究也暗示了应当对几何尺寸进行修正, 以便正确确定停留时间, 使表面活性剂充分发挥作用, 而且由于两个排出口停留时间分布( RTD)是不同的, 因此也包括对分流比的调整。我国在液-液旋流分离技术研究方面起步较晚。80年代末, 国内有关科研单位开始正式成立旋流器科研课题进行研究。他们在引进成套旋流器的同时, 根据国外文献资料中提供的液-液旋流器模型尺寸比例, 结合自己的设计经验, 设计出适合我国油田实际情况的液-液旋流器。其中江汉石油机械研究所设计的XL- 10型液-液旋流分离器,油田现场试验的分离效率为0.94; 大庆油田设计院于1992年设计的双锥型旋流器的除油效率基本达到了国外同类产品的指标; 胜利油田勘探设计院同沈阳新阳机器制造公司合作开发的预分离旋流器和污水处理旋流器的分离效率分别在80%以上, 但在现场应用中性能还不稳定。此外, 石油大学(华东)油气集输教研室在开展液-液旋流分离技术研究以来, 先后在结构选型试验研究、旋流管外特性研究、旋流管流场数值模拟方面取得了很大的进展。开发出了35mm、28mm和20mm高效、低耗系列油水预分、污水除油旋流管, 在压降小于0. 3MPa时, 处理量分别为6. 2m3/h、4. 1 m3/h、2. 2 m3/h。其中除油旋流管底流出口水中含油指标达到国外同类旋流器的性能指标。并且开发出的部分旋流管已经推广应用到胜利油田和大港油田, 目前正着手把初步的研究成果转向产品化。尽管在理论分析方面和计算流体力学( CFD)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。LDA的出现使稳态和紊流情况下高涡旋速度场的无侵入式测量成为可能, 而且该技术已从70年代早期的一维测量发展到今天的三维测量。实验架设计的关键因素是独立控制流量和液滴粒径, 结合利用等动量取样进行进出口液滴粒径测量。尽管在线激光衰减散射法在含油浓度测量的精度上不如传统的溶解萃取红外线法,但激光在线法却远比萃取法方便得多。虽然LDA是单点测量, 但当使用染色剂或盐示踪剂时, 停留时间的确定可以给出合成的图像, 尽管只是针对连续相成份。尽管Kimber和Thew用圆筒形水力旋流器分出了大约90%的油, 但这是不适合于商业应用的。在研究中, 他们很看重多入口的重要性, 认为多个入口可实现油核的线性, 使油核具有最小的回旋。他们还发现在底流端具有轴向出口而不是切向出口情况下具有最低的紊流强度。然而, 油芯向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, 而后者会出现导致油被捕获的周期性的不稳定性, 或者说已分开的油和水会发生片刻的混合。(细小的聚丙烯粉用来模拟油滴, 具有更高的摄像可视性, 避免偶合和破碎现象)。Colman和Thew发现增加非常小的锥角, 如小到1 2全锥角, 会导致径向流动的不同, 特别是当为了降低剪切和压降而显著扩大入口截面时。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。实验所得到的最好结果是在没有涡流探测管(Vortex finder)的情况下。长的圆柱尾管是构成旋流器整体所必须的部件, 在圆柱尾管里小粒径的液滴移向轴线上的反向核芯。发展的步伐逐渐加快。1983年Colman和Thew发表文章公布了一些概括出的关系式和级效率曲线(粒径测试采用库尔特计数器, CoultreCounter), 尽管这篇文献中优化的斯托克斯数St ( StokesNumber)和雷诺数Re( ReynoldsNumber) 之间的关系式被后来发现是错误的。液-液水力旋流器装置的工作可采用计算机控制, 例如, 一个3段式水力旋流器装置采用计算机在线控制, 如果超声探针探测到入口有一油流段塞, 可自动控制将油流切换到污油罐去。尽管计算机控制在操作上是令人满意的, 但在旋流器本身仍没有被验证的情况下, 该应用被油田所接受还需要很长时间。八十年代中期以后, 流场测试的结果开始出现。然而, 由于对实验室中的模拟感到怀疑, 尤其是对界面的化学和物理性质感到怀疑, 后来的工作变得迟缓了。然而, 对旋流器几何尺寸的影响的深入研究,尤其是对入口旋涡的检验, 否认了斯托克斯数与欧拉数乘积为常数的说法, 认为这很有可能是由于液滴的变形或破碎造成的, 最近的一项实验理论研究证实尾直管是必须的。这项研究还计算了液滴的轨迹, 进而表明最近提出的除油水力旋流器理论分析模型需要改正, 这个模型显示尾直管内的液滴没有经反向流到达溢流。一篇关于CFD的论文展现了与实验对比的结果, 特别是关于除油旋流器的情况。文章表明这项工作还有很长的路要走。总之水力旋流器出于其特珠的分离机理及结构持证，使它成为独具一格的一种分离装置在一定的应用场合它比任何其它的分离设备更便于使用。特别是在石油工业尤其是今后三次采油技术的全面推广后，水力旋流器的应用将更为广泛。可以预见今后若干年内，它必将发挥巨大的效益在我国石油工业等部门中获得更广泛的应用。3方案论证3.1油水分离器的主要特点围绕实现液液旋流分离的问题，国内外研究者经过多年研究，在以下方面人们取得了共识：（a）产生强烈的旋流，使分散相有足够的径向迁移：（b）旋流腔径要小，要有足够大的长径比，以产生强烈的旋流。避免过大压降，分散相有充裕的滞留时间；（c）较轻的分散相总是趋向于流心，因此流心附近的液流层必须稳定，如果流心摇摆就会出现相的重混；（d）旋流器有很小的圆锥角，导流口的形状和位置能使液流刚好旋转，旋转轴与几何轴线重合，避免分散相的剪切。结合以上的基本要求，现在所研究的除油型水力旋流器(以下简称油水分离器)是一种较为理想的油水分离设备，它具有以下特点：(1)结构紧凑，体积小，尤其适用于海上石油钻井平台等场合；(2)分离效率高，对含油污水的浓度适用范围广；(3)操作简单，设备的维修少，因为水力旋流器的结构简单，无运动部件，设备出现故障的机会少，可长期连续运行：(4)对于有较大压力的含油污水(如油田注井水)可不需其他动力，对低压的进料经过加压也可较好的分离。与其他处理方法相比，用水力旋流器处理处理含油污水可节省大量能源；(5)由于依靠强大离心力场作用，油滴在设备中停留的时间短(2-3s)，对含油污水的较大浓度波动或流量波动能很快地适应；(6)对基础的运动不敏感。3.2工作原理将需要分离的两相混合液以一定的压力从旋流器圆筒体上部的切向进料口注入，从而在器内形成强烈的旋转运动,由于轻重两相的密度差异，重相沿锥体器壁向下，形成外旋流并在下部的底流口排出，而轻相则受流体的拽力向内部运动，并被向上的内旋流由溢流口带出从而完成两相液-液水力旋流器的分离原理，与固-液分离十分相似,它是利用两种混合在一起但不互溶的液体之间的密度差，在水力旋流器体内进行离心分离。但液-液分离要比固一液分离困难得多，其主要原因是：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0.1至0.2g/cm3左右，而固-液两种介质之间的密度差常常较大，有时会有几倍的差别。分散相的液体介质，不论其密度较连续相液体介质大或小，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既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。这都是液-液分离水力旋流器的应用较固-液水力旋流器晚了近一百年的原因。 下面进一步分析一下液-液分离的过程。两种液体介质的混合物由入口切向进入旋流腔后，在内部产生强烈的涡流。然后由旋流腔经过很短的大锥角段后，迅速过渡到锥角很小面长度较大的小锥角段，其后进入一个长度较大直径较小的圆拄状尾管内。这种结构使进入旋流腔后高速旋转的液体很快收缩到细长的小锥角段内，这一段直径变化缓馒，旋转加速度的变化趋于缓和。同时，液体涡流在细长的小锥角段及尾管中存留时间稍有增加，而液滴在小直径孔中沿径向向轴线移动的路径就短，液滴受到的切向力也减小。因之，分散相液滴在连续相介质中的分离更平稳，分离的机率大大增加。在保证液滴分离的同时，减少了其破碎的几率，即使部分液滴破碎成更小的尺寸，也会在长的小锥角段甚至在尾管中进一步分离出。根据结构上的这些要求，决定了液-液用水力旋流器比同直径的固-液水力旋流器的长径比大很多，因而总长度也大好几倍。图1工作原理示意图如图1，在液-液分离中，连续相介质可能比分散相介质重(如从水中分离出所含的少量油)，也可能比分散相介质轻(如从油中分离所含的少量的水)。以上两种不同的情况的分离，原理相似，但水力旋流器的结构会略有不同。分散相介质较连续相介质轻时，两种介质混合物在水力旋流器体内分离时，轻质分散相向轴线附近移动，形成轻质分散相的核心，并向上从溢流口排出，而分散相介质较重时，它在水力旋流器体内旋转时，就会向器壁移动，并向下从底流口排出。所以溢流口与底流口直径及水力旋流器的其它某些结构参数会根据分散相介质的浓度及性质而做相应的改变。此外，由于液体在水力旋流器体内形成涡流而涡流中心处的压力最低溶于液体内的气体会分解出，在轴线附近形成一个“气核”。不论固-液分离与液-液分离。这个气核都是存在的。实践证明这个气核的存在不会影响分离过程有时还对分离有利。与固-液分离相同，用水力旋流器进行液一液分离也是不完全分离。从溢流中排出的液体并不完全是轻质相介质，会同时排出少量重质相介质。而从底流中排出的液体，不可避免地会含有少量轻质相介质。但只要操作变量控制恰当，分离效率完全可达到90-95以上，有的液-液分离水力旋流器约分离效率高达98，能满足一般分离要求。4.旋液式油水分离器结构图2 southampton型水力旋流器结构示意图水力旋流器是水力旋流法处理含油污水的核心设备。目前国内外尽管有各种不同结构形式的水力旋流器，但内部结构却基本相同。本文以较为典型的southampton双锥型水力旋流器为例简述其基本结构。图2为southampton型水力旋流器结构示意图，它由以下几部分组成。a入口：由于液-液两相密度差较小，水力旋流器中必须形成一个大范围的高强度的旋流场，从而达到分离分散相的目的。但为了防止分散相液滴的破碎，应使其内部具有最小的湍流剪切应力，通过切向进口使流体的线动量尽可能变为角动量。b旋流腔：旋流腔是一圆柱形空腔，对于旋流器液-液分离是很关键的部分之一。从入口进入的油水混合物在这个直径较大的空腔内产生旋转涡流。若没有旋流腔，则流体从直径较小的入口进入旋流器后会产生较大的压力损失，而且高强度的剪切应力也会增加分散相液滴破碎的几率。实验表明这个较大直径的旋流腔可以减少压力损失15-50，同时还大大降低分散相液滴的破碎几率。c大锥段：又称收缩腔，根据角动量守恒原理，利用圆锥的收缩使流体旋转速度增大，强化离心力场。d小锥段：也称尾段，是液-液水力旋流器的主要分离段，流体以高强度旋流从大锥段进入小锥段后，尽管也存在壁面摩擦损失，但由于水力旋流器的进一步收缩，使得流体在其中的切向速度进一步加大，高强度旋流得到进一步加强。同时细长的小锥段使流体在水力旋流器内停留时间增加，这样两相液滴能充分进行径向迁移，从而实现轻相液滴聚集在中心轴线区而重相在其外围。e圆柱形尾管：该部分主要用于收集更小的分散相液滴并保持中心油核的稳定性。f溢流管：通过溢流管将水力旋流器中心轴线区域的轻相及时排出，防止其在水力旋流器内重新混合。水力旋流器作为分离分级设备的基本工作原理是基于离心沉降作用。当待分离的两相混合物以一定的压力沿切线方向进入旋流腔后，由于流向改变，流体处于强烈的旋流状态。而由于轻相和重相存在密度差，所受的离心力、向心浮力、和流体曳力的大小不同，受离心沉降作用，大部分重相经底流口排出，大部分轻相经溢流口排出，从而达到分离目的。5.旋液分离器尺寸的计算 液-液旋流器的选型设计方法与固-液旋流器相同，其设计方法有2种。第1种是根据几何尺寸对压降、处理量、分离效率的影响情况,选择各部分几何尺寸。这种设计方法需要掌握各设计变量与水力旋流器性能的定量关系。当然，已有许多经验理论和模型可以利用，除特定的旋流器外,这些理论和模型只能给出近似估算。第2种方法是选择标准的水 力旋流器，按其相似准则和几何尺寸比例关系，进行计算和比例放大，这样能够得到较可靠的设计结果。第2种设计方法实际是相似设计法，也就是按照设计参数处理量 、压降和粒径的要求，选择性能优良的旋流器，用其相似准数关系和几何 尺寸比例关系，计算设计旋流器，在旋流器选型设计中常采用该方法。5.1主直径的选取参照文献2,常用双锥油水分离器的主要结构参数如下表1，任务书中中的处理量600m3/h,可以并联几个此油水分离器共同处理完成表1 常规结构水力旋流器主要结构参数a.取主直径Dn=28mm，旋流腔直径D=56mm旋流器直径越大，分离性能越低。对于油水分离用旋流器，由于油滴尺寸比较小，油水密度差比较小，因此属于难分离的料液，旋流器直径大约在20-70mm之间较为合适。5.2旋流器其它结构参数的设计 M.Thew等人在1980年BHRA组织的旋流器国际学术会议上公布了他们的研究成果，经研究认为最佳的双锥旋流器尺寸比例为：D/Dn=2, di/Dn=0.35, du/Dn=0.5, do/Dn=0.14, L1/Dn=2, L3/Dn=15,大锥夹角为 20，小锥锥度为1.5。b进料口直径di 最佳进料口直径di : di0.35*Dn=9.8mm，进料口的作用主要是将作直线运动的液流在柱段进口处转变为圆周运动。在一定的流量条件下，减小进口面积，使进口速度过大，造成进口区域的湍流程度加大，容易造成液滴破碎、乳化，使分离效率下降。因此，进口截面积不宜过小。另外，为了减小进口液流的能量损失，进口形状通常采用摆线形和渐开线型等。c溢流口直径do do=0.14Dn=0.1428=4mm，对于油水分流器来说，分散相液滴通过短路流进入溢流管对分离性能反而有利，因此溢流管不插入旋流器内而仅仅与旋流器顶盖相接即可。在一些经典设计中溢流口的直径为do40，以防底流口堵塞。 f.小锥角为=1.5，其他尺寸不变时，旋流器的锥角越大，料液在旋流器内的停留时间越短，因此分离能力越低，同时旋流器内的流体阻力随着锥角的增大而变大。实践证明，对于用于油水分离的水力旋流器，其锥角为1.5较为理想，因而这种旋流器一般很长，对制造加工提出了更高的要求。g.圆柱段长度LlL1=2*Dn=228=56mm，旋流腔是一圆柱形空腔，对于旋流器液液分离是很关键的部分之一。从双切向入口进入的油水混合物在这个直径较大的空腔内产生旋转涡流。若没有旋流腔，则流体从直径较小的入口进入旋流器后会产生较大的压力损失，而且高强度的剪切应力也会增加分散相液滴破碎的几率。实验表明这个较大直径的旋流腔可以减少压力损失1550，同时还大大降低分散相液滴的破碎几率。h.后管的长度L3L3=20*Dn=2028=560mm，尾管是一个长圆柱形管，内径用Du表示。它的顶端与水力旋沈器体小锥角圆锥段的内径相连，其长度用L3表示。该部分主要用于收集更小的分散相液滴并保持中心油核的稳定性。i.溢流管伸出长度L2L2=0.5*Dn=0.528=14mmj溢流管壁厚s 溢流管壁厚的增加，可以提高旋流器的分离效率，并能降低其内部的损失，且 还能略镦提高旋流器的生产能力，所以，设计时可适当加大溢流管壁厚，且溢流管外壁做成环齿形有助于提高旋流器的分离精度 .根据文献3：di=(Dn-do-2*S)/2 , 即9.8=（28-4-2*S)/2 , 取S=2.2;5.3法兰和法兰垫片的选择由于油水分离器工作压力在0.10.6MPa之间，分别根据GB/T 91192000 和GB/T 91262003，选择法兰和垫片的工程压力为PN0.6 ，选择的法兰是平面板式平焊钢制管法兰，其示意图如下图3：图3 平面板式平焊钢制管法兰示意图旋流腔总直径60.4mm，查表得公称直径为DN50，法兰外径D=140 mm，螺栓孔中心圆直径K=110 mm，螺栓孔径L=14 mm，螺栓数量N=4，螺纹规格M12，法兰厚度C=16 mm。小锥段大端总直径32.4 mm，查表得公称直径为DN25, 法兰外径D=100, 螺栓孔中心圆直径K=75 mm, 螺栓孔径L=11 mm, 螺栓数量N=4, 螺纹规格M10, 法兰厚度C=12 mm。圆柱尾管部分总直径18.4 mm，查表得公称直径为DN10，法兰外径D=75 mm, 螺栓孔中心圆直径K=50 mm, 螺栓孔径L=11 mm, 螺栓数量N=4, 螺纹规格M10, 法兰厚度C=12 mm。然后根据各个公称压力和公称直径选择对应的法兰垫片。5.4溢流口流量和底流口流量的计算对于脱油型水力旋流器而言，分流比F即水力旋流器出油口(溢流口)流量与入口总流量的比值。单纯从净化的角度考虑，分流比适当加大时有利于底流水的净化，即水力旋流器的分离效率会有所提高。随着分流比的增大分离效率和溢流口液体流速也增大，即在单位时间内其他边界条件不变的情况下随着分流比的增加底流口含油量减小、溢流口流量增大、溢流口含油量减小、分离效率增加。同时，随分流比的减小，溢流口液体的平均速度也减小，但溢流口液体中含油体积比例增加，这说明分流比的减小使得溢流口流速降低，而溢流口流速对溢流口(出油口)的出油率影响很大。如果希望出油口出油浓度较高时，降低旋流器的分流比较好，但随之带来的影响是底流口(排水口)的含油量增加了。所以，在实际应用中应该综合考虑两者的关系，如果只希望净化液(底流液体)中含油量少，可以适当提高分流比。但根据质量守恒原理可知，单位时间内进口油相质量不变的情况下，随着底流口含油量的减小溢流口含油量应该增加，而不应溢流口含油量呈减小趋势。通过对进出口油相质量的计算，发现分流比增大后油相的质量损失也随之增大(有时超过30)，即在计算迭代过程中计算的精确度有所降低。分流比在6以下时，油相的损失率基本上都在10以内，此时分离效率和计算精度都比较理想。故在对液液旋流器进行CFD分析时最好将分流比控制在6左右。分流比F的合理选择，应根据入口含油浓度ci确定。油水分离水力旋流器分流比的确定，可以分两种情况：即分别针对脱油型和预分离型两种水力旋流器进行分析。脱油型水力旋流器为液液分离的一种典型结构，这时水中含少量的油，往往需要从底流排出的水尽可能得到净化，即水中尽量不含油，而对溢流口中油的浓度要求可相对放宽。一般进行油田污水处理时，对净化后的水有明确的指标要求，但对被分离出的油的含水量并没有明确规定。前人的研究结果表明，在一般情况下，当含油量小于1时，分流比最好控制在25之间。分流比小于2时，旋流器运行十分困难。对于预分离水力旋流器，通常采用的分流比F大小为12ci13ci。即F=（1.21.3）2% ，取F=6%F即为溢流分离比，F=Qo/Qi ，Qi=600 m3/h, 溢流口Qo=6006%=36 m3/h，底流口流量Qu=Qi-Qo=600-36=564 m3/h6.水力旋流器的制造和安装水力旋流器的制造技术直接影响着旋流器的使用性能，即便是好的设计方案过程不能解决或不能接近理论设计上提出的要求，就不可能达到理想的分离效果主要影响水力旋流器的精度、寿命、安全性、加工成本等。6.1 水力旋流器在制造上的要求水力旋流器的结构和形状比较简单，但它与一般的分离设备不同，对几何尺寸的要求较严格，如入口尺寸和位置、锥角大小、内表面的粗糙度、各段间同袖度等。要使水力旋流器获得较好的分离效果，较长的使用寿命，并安全可靠，加工制造时必须注意以下几点：(1)要保证足够的位置精度和形状精度 这方面的要求除了各尺寸要尽量准确外，主要需注意各段之间的不同轴度要尽可能小，从圆柱形圆柱腔到锥体段及尾管部分的不同轴度过大时，轴线附近的空气柱就会弯曲，甚至成5形。形成这种不稳定、不笔宣的空气柱后，就会影响分离效果。同时，各段之间连接处要尺寸一致，光滑过渡，如从锥体段到圆柱形层管处等。否则，液体在流经这些截面变化处时会受到不应有的干涉，影响流场的乎稳。水力旋流器完全用金屑材料经机械加工方法制造时，尤其要注意上述要求。液液分离用水力流器内部有两个锥角不同的锥体，其轴向尺寸也较长，用机械加工方法制造时，不容易保证其精度要求，而且合增加制造成本，尤其是处理量较大的单管水力旋流器，由于其轴向尺寸随直径的加大而成比例的增加，机械加工更为困难。(2)内部表面的粗糙度要求 液体在水力旋流器内运动时匝尽可能保持流场的平稳性，所以其内表面的粗糙度要足够小，否则会使器壁附近液体中的颗粒等的运动受到突然的干扰，形成天规则的运动，甚至使已分离出的颗粒重新飞溅而返回悬浮液中。同时，内表面的粗糙度也影响水力旋流器的压力损失，对处理量和分离效率都会有一些影响。根据我们的经验，机械加工时内表面的粗糙度最好保持在Ra1.6m。(3)耐磨及耐蚀的要求 水力旋流器的损坏很重要的一个方面是由于腐蚀和磨损造成的，因此水力旋流器在分离有一定腐蚀性和磨损性的介质时，必须选取适当的材料和加工工艺，以防止或减轻伤蚀和磨损。 (4)制造方法尽量简单，经济评估合理 制造水力旋流器的一切费用的总和就是它的生产成本。对不同的加工方法、不同的加工工艺进行经济分析和对比后，确定适合实际情况的制造方法或工艺过程，是水力旋流器制造过程中应当予以考虑的。6.2材料选择水力旋流器工作要求木同时，其材料和加工方法有很大的差别。材料的选择首先要满足生产工艺和产品的要求：不同的应刑场合，在材料选择上有着不同的考虑。例如在淀粉加工中旋流器一般选用耐磨不锈钢或陶瓷材料；在互介质选煤中，常选用耐磨铸铁或合金铸铁，或在旋流器内表面衬铸石、聚氨酯，橡胶、碳化游、氧化铝等。日前水力旋流器普遍采用钢等金属材料制造，壳体一般选用44锈钢等金属制造。对于较小直径的水力旋流器，内表面多采用硬质合金制造；对于较大白径的水力旋流器，则由不锈钢制造来提高其耐磨性能，在内部加耐磨非金属衬里。对于大型水力旋流器，最为理想的是锥筒内壁喷镀一层较好的耐磨材料，喷镀涂层厚度152mm，锥简本体采用灰铸铁。此时，一旦耐磨层破坏，外层的锥简体很快磨穿，这样就不会在厚壁旋流器壁面磨损严重、已经不能保证设计的分离性能的情况下仍然继续使用。除金属制水力旋流器外，为提高其耐磨损与耐腐蚀等性能，现在许多水力旋流器64L金属材料制造，如陶瓷、酚醛塑料、聚氨配、尼龙等等。还有些水力旋流器仅在圆锥、底流口等磨损严重的部分由耐磨材料制造，如陶瓷、塑料，而其余部分仍由金属材料制造。这些非金属材料除陶瓷外，都存在一个温度的限制，如聚氯乙烯小于65左右；尼龙约为80；酚醛酯约为100；聚氯酯约为80一90；树脂橡胶为7左右。这些材料的其他性能也不同，如聚氯乙烯的机械强度较高；尼龙的摩擦系数低；酚醛树脂的成型简便、价格低廉等。在锥筒材料方面，国内外都做过大量工作，普遍认为聚氯酪材料耐磨性较好(为不锈钢的5倍，是一般橡胶的10倍)因而其寿命较长(是铸铁的3倍，较陶瓷或陶瓷橡胶长2倍)。例如，在水力旋流器人口边缘处用聚氨配制造时，较一般由金属材料制造的人口寿命延长12倍。用非金后材料加工时，大多用注模法制造、为增加其刚性，往往在外部加上一个金属外壳。注模法制造水力旋流器的优点是只要材料选择恰当，加工工艺合理，则水力旋流器的精度就会很高而成本较低。因为在加工中注模及其芯轴可以加工成与水力旋流器内腔的几何形状相同，而芯轴的加工较内孔加工要容易得多，精度和粗糙度都容易保证，而且用注塑方式制造，水力旋流器内腔的加工精度与芯轴基本上一致。这种方法制造旋流器的困难表现在入口处的加工及芯轴的脱模技术。为了提高水力旋流器的耐磨性能，在制造中还可采用金属外壳内附减磨衬里的方法。最普通的衬里是橡胶衬里，一般橡胶衬里适用于温度不超过60一70，处理不合油或仑机溶剂类介质。如果工作温度超过60时，或介质中含碳氢类有机化古物时，可使用聚氯丁橡胶或脂橡胶。复合材料的出现，大大改变了水力旋流器的制造方法，也改善了其性能。目前国外加工水力旋流器时，多采用钢制外壳内加复合材料的衬里，不但使水力旋流器的耐磨性能大大提高，寿命延长，改善了使用性能，而且制造工艺简便，成本降低。国内有的单位仍然在大量使用高铬铸铁锥筒的同时积极探索表面耐磨涂层，希望锥筒内表面一旦破坏锥筒应很快磨穿，以保证高效率的工作。可以说金屑外壳加复合材料衬里是水力旋流器加工制造的趋势。6.3 常用的制造方法 从旋流器的结构，特别是液液分离用的静态水力旋流器的结构可以看出，旋流器单管的关控加工部位为旋流分离腔，即大锥段和底流口。把加速腔直管段、大锥段、底流口和尾部直管段作为一体加工成型，更显困难。因为液液水力旋流器单管制造情况代表了旋流器族的制造水平，所以下面从当前国内实际情况出发，介绍一下这一关键件部位加工常采用的方法。分段加工法：这是一种比较传统的加工方法。从旋流器的结构可以看出，旋流器的锥段锥度小，而长度较长，生产中常采用的锥度一般在1020之间，而长度约为4001000mm左右。按照传统的加工工艺无法一次加工成形，只能分段进行加工。各段加工完成之后，再逐段进行焊接。各段间同轴度采用止口保证。这样加工出的旋流器单管在止口处对接不好时，内部流道有接痕，对粗糙度的要求有时会失去意义。在油水分离过程中组合使用这种族流器时，由于各根单管的加工情况不同，因此分离效果不理想，面且这种加工制造方法造价较高。玻璃钢缠绕法：采用这种方法加工旋流器单管时，须首先制作芯轴，然后在芯轴上，边缠绕玻璃钢边浇注环氧树脂，最后固化成型。旋流器内孔的租糙度及同轴度由芯轴决定。这种方法在加工圆柱腔、大锥段和底流口时一次成型。尾部宜管部分常采用止口法兰与锥体部分连接在一起。由于玻璃钢这种非金属材料耐磨性较差，因此这种方法制作的旋流器单体使用寿命较短。又围玻璃钢的强度有限，所以在使用上，必须在固化成形后的锥体外面结上加强钢套，以提高耐压程度。用这种方法加工成型的单管在理论上不影响旋流流场，但因缠绕与浇注环氧树脂过程中存在很多随机的不稳定因素，制作成型的单体的精度往往比较差，皮品率较高。然而玻璃钢缠绕法加工过程简单、成本低，因此在实验单体的制造中，不失为一种既经济又快捷的方法。 旋压法：这是一种比较理想的加工方法，它是靠金属的冷塑变形来达到加工目的的。旋压法也需要加工一个芯模，通过旋压轮围绕芯模旋压一定长度、壁厚的直管而实现内孔的加工成型。旋压道次(旋压轮经过被旋管的往复次数)的多少以及每一道次缩径量的大小，都要顶先在旋压机上做旋压实验通过施压实验可以确定进给量的大小，为批量生产提供生产加工参数。它的优点在于能够一次加工出小锥体和直管段。如果给旋压机换上大的旋压轮，并对加工件实行退火处理的话，能够使大锥体、小锥体和民部直管段一次加工成型，也就是说这种方法可以直接一次加工出整个旋体形状。旋体的内表面粗糙度由芯横控制。加工的材料一般是0Cr或1Cr的不锈钢或20号钢。因为这些钢的延展性比较好，宜于冷加工。铸塑法：这种方法是在铸塑机上加上的。铸塑机的开距要足够长，能够满足旋流管的加工长度。这种方法加工出的旋流管质量较高，仍模具费昂贵，同时要找800mm左右开距的铸塑机也不是一件容易的事。热压铸法：压铸材料常足聚氨酯、尼龙等。它是采用在阳模和明模问倒入被压铸的材料后，加压冷却而成。这种方法加丁的旋流管内表面粗糙度由芯模控制。为了减少管的体积，可以不加钢套，这样就使得管壁厚加大，一般可取壁厚为20mm。为了满足硬度要求，要在被压铸的材料中加入适量的添加剂，以提高成品的62度。总之，旋流管的制造方法很多，各种方法也各有优缺点。应当根据实际需要的不同进行合理选择。6.4安装对液-液分离水力旋流器而言情况就不同，一般说，液液分离用水力旋流器的轴向尺寸较大，直径又小，垂直安装常常很不方便。例如直径为40mm左右的液液分离用水力旋流器，其轴向长度为2m左右，加上出口管线等，长度都在2m以上。安装时再考虑外边管汇等，会使垂直安装十分困难，大大增加费用。更重要的是因为液液分离时两种介质的密度差较小，一般只为零点几，重力分离在液液分离水力旋流器中可以说基本不起作用。所以，从重力作用角度看，垂宜位置安装对分离性能并没有什么显著改善。对轻质相来说，分离后的轻质相将从溢流口排出。如果轴线垂直放置，轴线附近分离出的轻质相中心必须沿轴线向亡运动一段距离本能离开溢流口排出。而轴线水平放置，轻质相的中心沿水平方向移动，可能以更快速度向溢流口方向运动，增加了分离效率。从轻质相介质分离方面看，轴线水平放置更有利。基于以上这些原因，液液分离用水力旋流器，不论是单机还是组合式，基本上都是水平安装，很少有垂直安装的情况。7几何参数对水力旋流器性能的影响7.1进料口尺寸进料口的作用主要是将作直线运动的液流在柱段进口处转变为圆周运动。在一定的流量条件下，减小进口面积，使进口速度过大，造成进口区域的湍流程度加大,容易造成液滴破碎、乳化，使分离效率下降。因此，进口截面积不宜过小。另外，为了减小进口液流的能量损失，进口形状通常采用摆线形和渐开线型等。7.2旋流器直径旋流器直径越大，分离性能越低。对于油水分离用旋流器，由于油滴尺寸比较小，油水密度差比较小，因此属于难分离的料液，旋流器直径大约在2070mm之间较为合适7.3锥角其他尺寸不变时，旋流器的锥角越大，料液在旋流器内的停留时间越短，因此分离能力越低，同时旋流器内的流体阻力随着锥角的增大而变大。实践证明，对于用于油水分离的水力旋流器，其锥角为1.5较为理想，因而这种旋流器一般很长，对制造加工提出了更高的要求。7.4溢流管尺寸对于油水分流器来说，分散相液滴通过短路流进入溢流管对分离性能反而有利，因此溢流管不插入旋流器内而仅仅与旋流器顶盖相接即可。在一些经典设计中溢流口的直径为d=14D。D为旋流腔直径。7.5底流口尺寸底流口与溢流口一样都是对旋流器的性能影响比较大的结构尺寸。对于液液旋流器来说，底流口直接与尾管段相连接，尾管段的作用是保持旋流器内的内旋流能够保持一个稳定的形状、提高分离效率，通常尾管段的长度取为Lu=20D。而尾管段直径(等于底流管直径)一般取值为duD=025或duD=033，两者的分离效率几乎一样，只是后者可在更宽的流量范围内提供较好的分离效率。8操作参数对水力旋流器的影响8.1分离效率与进口流量之间的关系进口料液的流量直接决定了内流场的强度，将直接影响旋流器的性能。当流量较小时，旋流器内的流速也较小，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，不仅通过旋流器的压降增大，而且有可能使液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。8.2分流比F与分离效率之间的关系进口流量不变的情况下，当F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。可见，分流比在一定范围内的加大会使分离效率提高。在实际应用中，分流比一般均较小。8.3分流比与压降比之问的关系在液-液分离旋流器中，分流比与压降比成线性关系：压降比随分流比的增加而增加。在进口流量保持不变时，随着分流比的增加，从进口到底流口的压降呈减小的趋势，而进口到溢流口的压降呈增大的趋势。进口流量的大小对水力旋流器分离性能的影响很大，当流量低于一定数值时，油水两相不能得到很好的分离，效率比较低。这是由于流量过低时，液体在水力旋流器内部没有形成旋转速度足够高的涡流，只有粒度较大的油滴能够从混合液中分离出来，而许多小油滴则未能与水分离。在流量逐渐加大时，水力旋流器的分离效率逐渐提高，水出口(即底流口)中的含油量也逐渐减少。当入口流量达到一定数值时，水力旋流器进入高效区。但当超过某一数值时，效率就有所波动，且稍有下降的趋势。据分析，这是由于当流量过高时，液体在水力旋流器内的旋转速度加快，使分散相油滴受到了过大的剪切应力的作用而发生破碎，使混合液的乳化程度加大，不利于分离，而使分离效率下降。另外，液体在水力旋流器内的运动除周向的旋转运动以外，还存在其它方向的附加搅动，流量过大会使搅动加剧，破坏水力旋流器内部流场的稳定性。因此说，对于一固定结构的水力旋流器而言，在处理某一种混合液体介质时，存在一最佳的处理量范围，可通过CFD分析和实验加以确定。在现场实际运行时，必须保证旋流分离设备在该最佳处理量区内工作，以获得最佳分离效果。为了使其在正常工作时能获得稳定的工作状态，该最佳处理量区的范围越宽越好。通过进几年来的油田现场实践，一些研究者认为普通液-液分离用静态水力旋流器的最佳处理量范围通常在额定处理量的510之内。9.影响旋流器分离效率的因数液-液旋流器是根据离心分离方法实现两相分离的。对于脱油旋流器来说，非均相物系由水和油组成，水是连续相，油是分散相，两相之间的相对运动是强旋流作用的结果。影响旋流器外特性的因素有结构参数、物性参数和操作参数3类，在每一类参数中又有不同的变量，每一个变量几乎都能独立影响旋流器的分离性能。因此,在旋流器理论研究中，根据实验分析，考虑影响旋流器性能的主要因素，利用量纲分析建立无因次准数群，进而通过实验建立无因次准数群之间的定量关系，形成旋流器设计相似理论。9.1旋流器的准数旋流器的准数是旋流器相似设计的基础。根据 旋流器理论,其准数主要有欧拉数、雷诺数(和 斯托克斯数Stk。欧拉数Eu与旋流器的压降有关，Stk数与油滴终端沉降速度相联系，Stk Eu则反映使粒径为d 油滴沿径向迁移与消耗功率的关系，雷诺数则反映流态。在旋流器相似设计中，通常要求Stk50 Eu或 Stk75 Eu 为常数。9.2主要影响因素由旋流器的准数可以看出，这些准数与旋流器 的几何参数、操作参数和物性参数的影响有关。因 此，影响旋流器分离特性的因素有3类，而在每一类参数中又有不同的变量，每一个变量几乎都能独立影响旋流器的分离性能。液-液旋流分离器是基于离心沉降分离原理进行分离的，要求两相之间必须存在一定的密度差。90年代初，Amoco采油公司的G. A. B. YOUNG 等人开始了 一项优化水力旋流器尺寸的试验研究。 结果表明，水力旋流器至少有14个变量，可分为尺寸变量（水力旋流器直径、进口直径、溢流口直径 等）;操作变量（进口流量、分流比等）进口液变量 (连续相和分散相粘度、密度，分散相浓度和粒径等)9.2.1 尺寸变量(a)圆柱段长度的影响: 圆柱段过长，壁面阻力对旋转动量造成较大的损失，使下游分离区不能 得到足够的旋转动量，从而影响分离效率。在满足结构要求的情况下，圆柱段长度越短越好，有利于分离效率提高。(b)尾段直径的影响: 液-液旋流器的尾管段较长，尾段直径大小对流体经过该段的时间影响较大，从而影响分散相向中心迁移。G. A. B. Young的研究表明，在不同的流量下，尾段直径为du/Dc =0.25和 du/Dc =0.33的分离效率几乎相同，但du/Dc=0.33 可在更宽的流量范围内提供较好的分离效率。(c)尾段长度的影响: 当流体在旋流器尾段旋转时分离继续发生，适当增加尾段长度可以提高分离效率，尤其是对小粒径的分离能力。但尾段过 长，分离效率不会有明显增加，Thew的35 mm旋流器尾段长度由Lu/Dc=30减小到Lu/Dc=20，其分离效率不变。(d)溢流口直径的影响: 溢流嘴直径增大，能产生有效分离的最小流量也在增大。要把分离到中心的分散相排出溢流口，需要一定流速，那么对每一种孔径均有最小流量。增大溢流口直径，在达到同样的分离效率时就会排出大量的水，甚至需要重复处理。另外,大溢流嘴无阻塞,不过阻塞情况在多级 旋流器分离时，若第1级旋流器阻塞，第2级旋流器 会再次处理上级未分离的油滴。(e)进口尺寸的影响: G.A.B.Young认为进口尺寸为d/D=0.25的分离效率最好，进口尺寸略大于该值旋流器的分离效率可以不变，但需要较 大的进口流量，这样会造成较大的能量损失。若尺寸小于此值则分离效率变差。进口有单进口和双进口，大都为渐缩切向进口，以减少摩阻对液体的剪切。进口截面有矩形和圆形等，常用矩形过流截面。(f)锥度的影响: 圆柱段过长，壁面阻力对旋 转动量造成较大的损失，使下游分离区不能得到足够的旋转动量，从而影响分离效率。在满足结构要 求的情况下，圆柱段长度越短越有利于提高分离效 率。对于单锥旋流器，G. A. B. Young认为，锥度在 6或更大一些，旋流器的分离效率较高，但6锥度在更宽的流量范围内均有较好的分离效率。对于双锥旋流器，其结构主要以Comoco公司的Vortoll水力旋流器为代表性，最初是由英国SOUTHAMPTON大学的MARTIN THEW 和DEREK COLMAN在70年代设计的，大锥角为20，小锥角约 为 1.5。9.2. 2操作变量(a)进口流量: 对于结构尺寸一定的旋流器，进口流量的大小直接影响离心力的大小。进口流量越大，离心力越大，在分散相液滴粒径不变的前提下，越容易分离。但是,实际上，随进口流量的增加，紊流强度增加，剪切力也随之增加。当流量大于某一值时，液滴破碎发生，分离效率下降。而进口流量越小，离心力越小。当进口流量小于某值时，液体不能产生足够强度的离心力场来实现分离，使分离效率下降。(b)分流比: 分流比是旋流器的重要工作参数。当进口浓度为C时，若分流比小于C，则不能及时排走已分离的分散相；若分流比过大，又不能达 到分离目的。因此,对于给定的进口浓度，必须使分 流比为适当的值。分流比的大小可通过3种途径调 节，在其他条件不变的情况下，调节进口流量。进口流量越大，分流比越小；调节底流背压阀的开度大小。底流背压阀的开度大，则分流比小，反之则大; 调节溢流口背压阀的开度大小。溢流口背压阀的开度大，则分流比大，反之则小。对于最常用的脱油旋流器，其分流比的调节通 常是调节溢流口背压阀的开度。当调节溢流口背压 阀的开度不能达到设计分流比时，先调节底流背压 阀的开度，然后再调节溢流口背压阀的开度，直到达 到设计分流比。对于脱油旋流器分流比超过某一最 小值后，它对效率影响很小，并可看作恒定值。9.2. 3物性变量(a)浓度: 通常认为，在分流比（溢流口流量 与进口流量比）足够大时，分离效率与进口浓度无关。在现场，进口浓度增加时旋流器的分离效率会提高，这可能是由于浓度增加时小油滴重新聚合成大油滴的缘故。(b)密度差: 密度差是影响分离效率的重要 因素。液滴在旋流器内受到的离心力与密度差成正比，密度差越大所受到的离心力越大，也越容易分 离。在液-液两相分离中，密度差都较小，分离难度大。为实现液-液两相分离，需要较长的驻留时间， 这是液-液旋流分离器不同于气-固和液-固旋流器的一个方面。(c)稳定性: 乳化液的稳定性是指乳化液不 被破坏，抗油水分层的能力。它与分散度和原油粘度密切相关，当乳化液充分搅拌，分散相颗粒变小，分散度越高，其稳定性越好。显然，稳定性越好，分离越困难。所以，在分离过程中，应尽可能避免液滴被剪切破碎而进一步乳化。(d)粘度: 在油水混合物中，连续相粘度越高，分散相液滴穿过它时受到的摩阻越大，同时液滴 发生破碎的可能性也越大，分离效率越低。 VANROSSUM在他的研究中指出，连续相（油）的运动粘度大于30 cP时，分离极为困难，粘度为10 30 cP，分离性能很差。粘度受温度影响，提高温度有利于分离。(e)粒径: 粒径是影响分离效率的另一重要因素。粒径越大，体积与表面积之比越大。假定液滴为球形，若直径1 mm的
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