动态水力旋流器结构参数的优选设计
油水分离水力旋流器优化设计与仿真
２０２０年第２０卷第６期环境保护与治理㊀㊀㊀㊀油水分离水力旋流器优化设计与仿真屈丹龙１ꎬ李㊀毅２(１.中国石化油田事业部ꎬ北京㊀１００７２８２.山东省油田采出水处理及环境污染治理重点实验室ꎬ中国石化石油工程设计有限公司ꎬ山东东营㊀２５７０２６)㊀㊀摘㊀要:针对埕岛油田某海上平台采用水力旋流器油水分离效果较差的问题ꎬ设计优化了旋流管结构ꎬ大锥角由原来的２５ʎ调整为１５ʎꎻ入口形式由单切向入口调整为阿基米德螺旋线双入口ꎬ通过ＦＬＵＥＮＴ软件进行了仿真模拟ꎬ分析了优化过程中旋流管内部流场的速度㊁压力㊁轨迹线等变化情况ꎬ为旋流管入口结构设计及锥角的选取提供了依据ꎮ关键词:海上采油平台ꎻ水力旋流器ꎻ阿基米德螺旋线ꎻ油水分离ꎻ仿真模拟ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２￣７９３２.２０２０.０６.００７０㊀前言水力旋流器是一种高效的油水分离设备ꎬ在油田采出水处理领域尤其在海上采油平台得到了广泛应用ꎬ埕岛油田某海上平台采用水力旋流器对三相分离器分出采出水进行油水分离ꎬ除油率在４０％~５０％之间ꎮ为了提高水力旋流器除油率ꎬ本文进行了旋流管优化设计与仿真研究ꎮ影响旋流管油水分离效率的因素主要分为外部工况因素和内部旋流管结构因素ꎬ其中外部工况因素主要有油滴粒径㊁温度㊁油水密度差㊁黏度等[１￣３]ꎬ内部结构因素主要为旋流管内部结构尺寸㊁锥角㊁入口形式等[４￣６]ꎮ埕岛油田某海上平台水力旋流器内旋流管为４段式结构ꎬ根据功能不同分别为旋流腔㊁大锥段㊁小锥段和平尾段(见图１)ꎮ油水混合液在压力作用下自进水口高速切向进入旋流腔ꎬ在旋流腔内形成高速旋转的流体ꎬ入口形式是影响旋流管的流场分布及压力损失的重要因素[７]ꎮ锥角是影响旋流管内流场分布㊁动量矩及分离效率的重要因素[８ꎬ９]ꎮ图１㊀旋流管结构示意㊀㊀本文在对入口形式初步优化的基础上ꎬ继续对锥角和入口形式进行优化ꎬ并通过ＦＬＵＥＮＴ软件对该平台的旋流管内部结构进行了优化设计与仿真ꎮ１㊀基础资料１.１㊀水质资料埕岛油田某海上平台三相分离器分出采出水温度:５５ħꎬ油品密度:０ ９１９ｇ/ｃｍ３ꎬ水中含油量:２００~４００ｍｇ/Ｌꎬ悬浮固体含量:３５ｍｇ/Ｌꎮ１.２㊀旋流管尺寸初始旋流管各部分内径㊁长度尺寸见表１ꎬ另外ꎬ大锥角２５ʎꎬ小锥角２ʎꎮ２㊀ＣＦＤ模型建立２.１㊀边界条件(表２)表１㊀初始旋流管结构尺寸ｍｍ表２㊀边界条件参数２.２㊀多相流模型选择 Ｅｕｌｅｒ￣Ｍｉｘｔｕｒｅ 模型计算ꎮ３㊀仿真结果与分析３.１㊀初始旋流管仿真与分析首先对初始旋流管进行建模及流态模拟计算ꎮ根据旋流管内径检测结果建立旋流管三维模型ꎬ对模型进行了网格划分ꎬ网格数量为５０万ꎮ３.１.１㊀旋流管内流场速度矢量速度矢量指标可以用来指示流场内流体的流动方向以及速度大小ꎬ能够直观地判断流态的变化情况ꎬ由图２可以看出ꎬ在大锥段中部截面处ꎬ局部速度矢量方向明显出现不规则偏流ꎬ表明局部流态已发生变化ꎮ这可能是由于在缩颈过程中ꎬ轴向方向上局部产生了不均匀的回压ꎬ造成局部流态的紊乱ꎮ３.１.２㊀旋流管内流场静压力分布进水口横截面静压分布情况见图３ꎬ静压涡核中心与速度矢量中心同样偏向于管体几何中心的右侧ꎬ分析可能是由流场中局部压力不均匀所导致ꎮ３.１.３㊀旋流管内流体轨迹线追踪流体轨迹线指标能够直观地显示出旋流管内流体质子的运动轨迹情况ꎮ如图４所示ꎬ整个截面流场呈现出明显的旋流状态ꎬ但旋涡中心点偏离了旋流管的几何中心ꎮ图２㊀初始尺寸旋流管大锥段截面速度矢量图３㊀初始尺寸旋流管进水口截面静压力分布图４㊀初始尺寸旋流管进水口截面流体轨迹分布３.２㊀大锥角优化仿真结果及分析设计模型将旋流管旋流腔和大锥段长度延长ꎬ锥角缩小至１５ʎꎬ并通过模拟分析考察调整尺寸后旋流管的运行工况ꎮ２０２０年第２０卷第６期环境保护与治理㊀㊀㊀㊀３.２.１㊀旋流管内流场速度矢量由图５可以看出ꎬ调整锥角后ꎬ局部流态紊乱的现象得到明显改善ꎬ在大锥段中部截面处ꎬ流场仍处于明显的旋流状态ꎬ并没有发生明显的偏流现象ꎮ图５㊀调整锥角后旋流管大锥段截面速度矢量３.２.２㊀旋流管内流场静压力分布由图６可以看出ꎬ旋流管内压力分布基本均匀ꎬ静压涡核中心与旋流管体几何中心基本保持一致ꎮ图６㊀调整锥角后旋流管进水口截面静压力分布３.２.３㊀旋流管内流场轨迹线追踪由图７可以看出ꎬ调整锥角后ꎬ整个截面流场呈现出明显的旋流状态ꎬ而且旋涡中心点与旋流管的几何中心轴线基本保持一致ꎮ３.３㊀入口结构优化仿真结果与分析在旋流管外径相同的情况下ꎬ阿基米德螺线形入口导流能力强ꎬ可使混合液获得更长的流道ꎬ在旋流腔内形成稳定㊁有序的旋流流场ꎬ降低液滴剪切破碎的可能性[４]ꎮ前期将旋流管设计为阿基米德螺线形双入口获得了良好的模拟效果[１０]ꎬ本次同样设计为阿基米德螺线形双入口ꎬ考察入口形式和锥角的叠加效果ꎮ图７㊀调整锥角后旋流管进水口截面流体轨迹分布３.３.１㊀入口结构优化速度矢量分布由图８可以看出ꎬ经大锥角和入口结构优化后ꎬ旋流管内呈明显的旋流速度分布ꎬ流态较理想ꎮ图８㊀旋流器中间截面的速度分布矢量３.３.２㊀入口结构优化压力分布由旋流管顶部横截面压力云(图９)可看出ꎬ旋流管内压力自外壁向中心轴线呈逐渐降低的环状梯度分布ꎬ旋流管内压力随着流场流线递减ꎬ压力分布合理ꎮ３.３.３㊀入口结构优化油相浓度分布旋流管横截面油相浓度分布如图１０显示ꎬ油相浓度分布与压力梯度分布具有一定的相关性ꎬ旋流管内油相浓度自中心向外壁逐渐降低ꎬ靠近管壁处油相浓度较低ꎬ靠近中心轴线油相浓度最高ꎮ屈丹龙ꎬ等.油水分离水力旋流器优化设计与仿真图９㊀中间截面的压力分布云图图１０㊀旋流管内油相浓度分布㊀㊀在获得了油相浓度分布差异后ꎬ通过设置在旋流管顶部中心的出油管排出浓度较高的油相混合液ꎬ从而得到良好的油水分离效果ꎮ４㊀结论ａ)埕岛油田某海上平台水力旋流器旋流管内压力分布不均㊁流场紊乱㊁离心力不强ꎬ造成水力旋流器除油效果不理想ꎮｂ)旋流管优化设计后将大锥角由原来的２５ʎ调整为１５ʎꎬ入口形式由单切向入口调整为阿基米德螺旋线双入口ꎬ旋流管内部流场㊁速度㊁压力更为合理ꎬ离心力强㊁稳定性好㊁涡流区域少ꎬ油水分离效果得到提升ꎮ５㊀参考文献[１]㊀ＷｏｌｂｅｒｔＤꎬＭａＢＦꎬＡｕｒｅｌｌｅＹꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｓｔｉｍａ￣ｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄ￣ｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｓｕｓｉｎｇｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎａｌ￣ｙｓｉｓ[Ｊ].ＡｉｃｈｅＪｏｕｒｎａｌꎬ１９９５ꎬ４１(４１):１３９５￣１４０２.[２]㊀夏福军ꎬ邓述波ꎬ张宝良.水力旋流器处理聚合物驱含油污水的研究[Ｊ].工业水处理ꎬ２００２ꎬ２２(２):１４￣１６.田地面工程ꎬ２０１２ꎬ３１(１１):４９.[４]㊀王振波ꎬ陈磊ꎬ金有海.不同流量条件下导叶式液一液水力旋流器流场测试[Ｊ].流体机械ꎬ２００８ꎬ３６(９):１１￣１５.[５]㊀丁旭明ꎬ王振波ꎬ金有海.两种入口结构旋流器性能对比试验研究[Ｊ].化工机械ꎬ２００５ꎬ３３(２):６９￣７１.[６]㊀李枫ꎬ刘彩玉ꎬ蒋明虎ꎬ等.水力旋流器中阿基米德螺线入口的设计[Ｊ].化工机械ꎬ２００４ꎬ３３(３):１３９￣１４１.[７]㊀蒋明虎ꎬ赵立新ꎬ李枫ꎬ等.液￣液水力旋流器的入口形式及其研究[Ｊ].石油矿厂机械ꎬ１９９８ꎬ２７(２):３￣５.[８]㊀蒋明虎ꎬ刘道友ꎬ赵立新ꎬ等.锥角对水力旋流器压力场和速度场的影响[Ｊ].化工机械ꎬ２０１１ꎬ３８(５):５７２￣５７６.[９]㊀赵立新ꎬ王尊策ꎬ李枫ꎬ等.液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(一) 锥角变化对切向速度场的影响[Ｊ].化工装备技术ꎬ１９９９ꎬ２０(４)７￣１０.[１０]龚俊ꎬ叶俊红ꎬ姚明修.基于ＦＬＵＥＮＴ的水力旋流器入口结构参数优化设计流场仿真[Ｊ].山东化工ꎬ２０１９ꎬ４８(６):１８２￣１８４.ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＯｉｌ￣ｗａｔｅｒＳｅｐａｒａｔｉｏｎＨｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅＱｕＤａｎｌｏｎｇ１ꎬＬｉＹｉ２(１.ＳＩＮＯＰＥＣＯｉｌｆｉｅｌｄＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＢｅｉｊｉｎｇꎬ１００７２８ꎻ２.ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｉｌｆｉｅｌｄＰｒｏｄｕｃｅｄＷａ￣ｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌꎬＳＩＮＯＰＥＣＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＣｏｒｐｏｒａ￣ｔｉｏｎꎬＳｈａｎｄｏｎｇꎬＤｏｎｇｙｉｎｇꎬ２５７０２６)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｏｏｒｅｆｆｅｃｔｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｏｎｏｉｌ￣ｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎｉｎａｎｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＣｈｅｎｇｄａｏＯｉｌｆｉｅｌｄꎬｔｈｅｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｎｅａｎｇｌｅｆｒｏｍ２５ʎｔｏ１５ʎ.ＴｈｅｉｎｌｅｔｆｏｒｍｗａｓａｌｓｏａｄｊｕｓｔｅｄｆｒｏｍａｓｉｎｇｌｅｔａｎｇｅｎｔｉａｌｉｎｌｅｔｔｏａｎＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｓｐｉｒａｌｄｏｕｂｌｅｉｎｌｅｔ.ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙꎬｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｎｔｈｅｉｎ￣ｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａ￣ｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｉｎｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅａｎｄｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｅａｎｇｌｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍꎻｈｙｄｒｏ￣ｃｙｃｌｏｎｅꎻＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｈｅｌｉｘꎻｏｉｌ￣ｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ。
脱水型动态水力旋流器结构改进研究
对于 动态 水 力 旋 流器 来 说 ， 动均 是 有 害 的 振 振动会使 分离过程 中形成 的油核变粗 、 曲 ， 弯 影响 收 油效果 ， 而使分离 效率降低 ， 重情 况下甚 至会使 进 严
油 水不能 分离 。
分 析动态水 力 旋 流器 振 动 的原 因。首 先 ， 加工
承锈蚀及 连带更 换 困难 等 问题 ， 降低 了设 备 的稳 定
性 和可靠性 ， 响 了动态水力旋 流器 的分离 性能 ， 影 制
约动态 水力 旋 流 器 的推 广 应 用 。本 文 针 对 上 述 问
图 １ 水 力旋 流器
题， 进行 了分析 ， 出 了改进 设计 方 案 ， 对改 进 结 提 并 构 的动态 水力旋流器 样机进行原 油脱 水性 能影 响因 素的试验研 究 ， 验结 果 及设 备 运行 状 态 表 明 了设 试 计 的合理性 。
转 进行离心分 离的装置 ， 与静态水 力旋 流器 相 比 ， 液 体 能够获得更 大的旋转 速度 ， 流场 强度 更大 ， 同时也
克 服 ｌ静 态旋 流器沿轴 向因液体 分离速 度 衰减而 引 『 ｌ 起 的旋流强 度减 弱 的 问题 。因此 ， 比静 态水 力 旋 相
１ 原结构及存在的问题
９６ ８
科
学
技
术
与
工
程
１ ０卷
动体 自身 的直线度 与 圆柱 度及其 与支 承座 的 同轴 度 无法 保证 ， 在高速旋 转时 就会产生 较大 的偏 心力 ， 激
发 振动产 生 。
的轴振 动引起 的 ， 动会造成 动环 的摆振 ， 振 引起 动静 环接触 面贴合 不严 ， 生泄漏 ， 产 严重情 况下 更会 破坏 静 环 ， 致密封 失效 。 导
V带传动5台组合式动态水力旋流器结构设计(说明书)解读
摘要动态水力旋流器是建立在技术相对比较成熟的静态水力旋流器基础上的新型高效油水分离设备。
作为一种分离设备，人们希望在连续工作中获得较为理想的分离效果。
物性参数、结构参数及操作参数的选取不当会对分离效果产生影响，要达到理想的分离效果，有必要研究各影响因素之间的关系及各因素对分离性能的影响。
本文系统分析了水力旋流器的国内外的研究现状及其配套技术的发展情况；以及结构参数、操作参数对油水分离效率的影响，并且在已知技术参数下，选择最佳转筒长度和转筒内径，得到最佳长径比；选择最佳的溢流嘴有效直径，再通过分析比较得到最优的外廓结构；在保证液滴充分加速的基础上，选取最佳分离效率下的旋转栅栅片数和栅片长度；分析选择最佳的收油锥结构；由旋流器所需功率选取电机，根据计算的功率完成V带轮结构设计，并对5台单旋体进行空间组合设计；分析计算单旋体的受力，选择并校核轴承；对结构中的键和螺栓进行校核。
最终完成5台水力旋流器的组合设计。
关键词：动态水力旋流器；组合式；油水分离；结构参数；V带传动；AbstractThe dynamic hydrocyclone was a new-style and high-efficiency separation equipment . It was based on the technology of hydrocyclone which was more proven. As a separation equipment, better separation performance of dynamic hydrocyclone in continuous working was required. The unsuitable choose of physical property parameter, structural parameter and operation parameter will have effect on separation performance. To obtain perfect separation performance, the study on the relation of each influential factor and effect of each factor on performance was necessary.This paper systematically analyzed the hydrocyclone at home and abroad and the research status and supporting the development of the technology; And the structural parameters and operation parameters on the effect of water-oil separation efficiency, and known technology parameters in, choose the best drum length and drum diameter, get the best ratio length; The overflow of the mouth to choose the best effective diameter, again through the analysis and comparison of the optimal the contour structure; In guarantee on the basis of full acceleration droplets, select the best separation efficiency of rotation grid gate number of pieces of length and gate; Analysis to select the best cone angle; The power needed by rotary flow select motor, V belt and pulleys, complete the V belt wheel structure design, and to five units of single screw body space combination design; Analysis and calculation of the single screw body stress, the choice and checked bearing; The key to the structure and bolt test. Finally completed five sets of the hydrocyclone combination design.Key words: dynamic hydrocyclone; combined type; oil-water separation; structural parameter;belt drive目录摘要 (I)Abstract (II)目录.............................................................................................................. I II 第1章绪论. (1)1.1本课题研究的意义及现状 (1)1.2本文研究的主要内容 (4)第2章动态水力旋流器的分离机理 (6)2.1动态水力旋流器的主体结构 (6)2.2动态水力旋流器工作原理 (8)2.3动态水力旋流器与静态水力旋流器的比较分析 (9)2.4主要物性参数和操作参数 (13)第3章动态水力旋流器主要构件设计 (17)3.1转筒参数化造型设计 (17)3.2旋转栅结构形式及参数设计 (18)3.3溢流嘴的结构设计及参数优选 (21)3.4收油锥的设计 (24)3.5单旋体需要的功率及电机的选择 (25)3.6V带传动设计及计算 (28)3.7键的选择及键连接强度校核 (33)3.8轴承的选择及寿命校核 (35)3.9螺栓的选择及其校核 (38)3.10密封件的选择及材料 (39)3.11部分结构说明 (40)结论 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附件1 (45)附件2 (64)第1章绪论离心力场的创立和运用是科学和技术的成就之一，运用离心力场进行非均相物系的分离是行之有效的方法。
水力旋流器操作参数优选
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald70近年来，随着油田的持续开发，我国大部分油田已进入高含水开发期，采出液综合含水量已达到或超过90%，随之带来的首要问题便是进行油水分离。
水力旋流器作为一种分离非均匀相混合物的分级分离设备，由于结构简单、设备紧凑、占地面积小和设备成本低等优点，在石油行业中备受关注。
本文基于R N G K -ε模型、A N S Y S 软件及计算流体力学理论，模拟出水力旋流器内部流体的流动状态，进而分析得出水力旋流器个影响因素适用范围，为实际操作提供了依据。
1 水力旋流器分离效率影响因素分析作为旋流器性能的重要标志，分离效率直接反映旋流器的分离效果，其受到结构参数、操作参数及物性参数的影响[1]。
本文通过大量的模拟分析，从操作参数方面对影响水力旋流器分离效率的因素进行阐述。
1.1 建模及求解该文采用最佳分离模型R iet e m a的结构模型进行建模[2]，参数为：D i =20m m ，D u =16m m ，D 1=150m m ，D =75m m ，D d =37.5m m ，L 1=150m m ，L 4=1500m m ，α=20°，θ=1.4°。
利用R N G K -ε模型和A N S Y S 软件为旋流器建模。
利用A N S Y S 求解模块（S O L U T IO N ）进行求解，得出结果可知溢流管入口附近区域的油相浓度高，其他区域的油相浓度相对较低，说明分离模型R ie t e m a 的分离效果越好。
由此结果亦可知，溢流管入口附近区域的油相浓度越高，其他区域的油相浓度越低，旋流器的分离效果越好。
1.2 影响旋流器分离效率因素分析具体分析影响水力旋流器分离效率的某一因素是很难实现的，因此在确定其他因素固定的情况下，来分析某个因素的影响大小，通过此方法来逐个分析各因素的影响。
水力旋流器的选择与计算
水力旋流器的选择与计算一、水力旋流器的选择水力旋流器广泛用于分级、脱泥、脱水等作业。
其主要优点是结构简单、本身无运动部件、占发面积小；在分级粒度较细的情况下，分级效率较螺旋分级机高。
其主要缺点是给矿需泵扬送，电耗较高；操作比螺旋分级机复杂。
水力旋流器适宜分级粒度范围一般为0.3~0.01mm。
水力旋流器的规格取决于需要处理的矿量和溢流粒度要求。
当需要处理的矿量大、溢流粒度粗时，选择大规格水力旋流器；反之宜选用小规格水力旋流器。
在处理矿量大又要求溢流粒度细时，可采用小规格水力旋流器组。
旋流器的结构参数和操作参数对溢流粒度及分级效果有较大影响，选用时应认真考虑。
旋流器的主要结构参数与旋流器直径D的关系，一般范围；给矿口当量直径d f=(0.15~0.25)D; 溢流管直径d o=(0.2~0.4)D;沉砂口直径d u=(0.06~0.20)D;锥角a≤20°.进口压力是水力旋流器的主要参数之一，通常为49~157kPa(0.5kgf/cm2~1.6kgf/cm2).进口压力与溢流粒度的一般关系见表1。
表1 进口压力溢流粒度一般关系表溢流粒度d95/min 0.59 0.42 0.30 0.21 0.15 0.10 0.074 0.037 0.019 0.010进口压力/kPa(kgf/cm2) 29.40.3490.539~78(0.4~0.8)49~98(0.5~1.0)59~118(0.6~1.2)78~137(0.8~1.4)98~147(1.0~1.5)118~167(1.2~1.7)147~196(1.5~2.0)196~245(2.0~2.5)二、水力旋流器计算水力旋流器的计算多采用如下两种方法。
A 原苏联波瓦罗夫(JIoBapoB)计算法波瓦罗夫计算法的主要步骤和计算公式如下：(1)选择旋器直径，计算旋流器体积处理量和需要台数。
体积处理量按下式计算式中 q V——按给矿体积计的处理量，m3/h;K a——水力旋流器锥角修正系数；当a=10°时，K a+1.15;当a=20°时，K a=1.0;K D——水力旋流器直径修正系数；d f——给矿口当量直径，cmb、h——分别为给矿口宽度和高度，cm;p o——旋流器给矿口工作压力，MPa;d o——溢流管直径，cm;D——旋流器筒体直径，cm.(2)按样体给出的范围确定沉砂口直径，并验算其单位截面积负荷(按固体量计)，使其在0.5~2.5t/(cm2·h)范围内。
新型水力分级旋流器的结构设计与原理分析
线 上某 位 置 的 压力及速度。
1
水 力 分 级旋 流 器 分 级 原 理
其 关键 包 含 水力 分 级旋流器 不 包 含 运 动 构 件 ，
进口、 溢流 管 、 旋流 腔、 圆 锥 段 及 底流 管 等 部分 [3]。液 （通 体 混 合 物 从 进 口 切向流 入 旋流器 中作 螺 旋 运 动 常 情况 下 入 口 速度 均 不 小 于 [4]） ， 其 在 腔 内 进 行 剧烈 最 后 分 成 溢 流及 底 的 旋 转 同 时 出 现 非 常 大的 涡 流 ， 流 分 别经 溢 流及底 流 管 送 出。由此 能 够 看出 于 水力 分 级旋流器 内 部 同 时 包 含 分 别 向下及向 上 运 动 的 外 及 内螺 旋流 动。 但 尽 管 水力 分 级旋流器 的 结构 相 对 非 常 简 单 ， 是其内部的液体流动形式则相对非常繁杂 ， 其运 动 状 况如 图 1 所示。
[5]
1- 盖 下 流； 2- 闭 环涡 流； 3- 内 旋流； 4- 外 旋流； 5- 空气柱； 6- 轴 向 速度 零 值 表 面； 7- 部 分 外旋流 （经排 砂嘴 排 出） 图 1 水力 分 级旋 流 器中 流 体 运 动
通常状况下， 在 柱 坐 标 系中 液 体 速度 能 够 分 解 成径向 ur、 切向 uθ 及轴向 uz： u2+ur2+u θ2+uz2 （2） 液 体 混 合 物以 切向 进 在 不 考 虑 损失 的前 提 下 ， 即： 入， 其旋 转动 量 矩维 持 恒 定， uθr = 常 数 式 中：r 为 回 转 半径 。 （3）
2
（4）
式 中： aθ 及 g 分别 为离 心及 重 力 加速度 。 于 强旋 通 常 情况 下 Sgc 能 够 达到 几 十 甚至 几 百， 这也在很大程度 上提 流状况下其能够到达数千倍， 升 了 其分 离 成 效。离心 力 场 及 重力 场 中 另一 个 显 著 的区 别： 离 心 加 速度 aθ 在 很 大程 度 上受到 液 体 回转 半 径 r 的 影响 。 在理 想前 提 下 ， Sgc 和 回转 半 径 r 的三 次 方 具有 反 比 关 系 ， 即 其离 心 力 依 附 旋 转 半 径 的的 逐渐 缩小 而 迅 速升 高。
动态水力旋流器结构参数化造型优选设计研究
旋转 栅位于转筒 入 口端 。根据 研究经验 ，笔者
优选 设 计 了 叶 片 式 和螺 旋 式 两 种 旋转 栅 。
（） １叶片式旋转栅结 构参数及造型设计
四叶片
囤 ｊ螺 旋 式 硅转 栅 拳 数 化 熹体 连型 设 计 圉
旋 转栅参数 化造型设 计 ，如 图 ２ 所示 ，其主要结构 参数包括 ： 叶片长度 Ｌ、 中心轴直径 ｄ 叶片厚度 ｈ 、 、
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动 态水 力旋 流 ｛
参 数 化 造 型 优 选
太庆石 油学院机械
【 摘
要】 动态水力旋流器 是一种新型高效油水分离设备 ， 为提
软 件重点对其 主要构件进行 了参数化实体造型虚拟建模及装配设计 ， 简要描述 了该样机结构组成及工作原理 。 ２ 世纪 ６ ０ ０年代，液液目前 ， 此技术发展较快 。 对 中性 ，设计 动 态旋 流分 离技术 自２ 世纪 ９ 年代初 引人我 国， ０ ０ 并 高导 向精度的 未得 到及 时发展 。随着三次采油及三元复合驱采油 修 ，又易于实 技术的发展 ，发现静态水力 旋流器 应用受到 限制 ， 如增压 方 式 、深度 水 处理 等 工 艺需 加 以配 套等 。 ２ ．油水 旋流分离
水混 合液 ，是一种急 待开发研究 的高效分 离设备 。 实践证明，样机 经过造型优选设计 ，提高 了其设计 及制造精 度 ，缩短 了产 品开 发设计周期 。 一 一
转筒 、旋转栅 、收油套 、收油杆 、溢流嘴及 其调节
这 里利用Ｃ Ｄ ５ ＡＤ Ｓ 设计软件着重对动态水力旋
组件 、电机 、Ｖ带 、带 轮、支架、导轨、轴承、动 流器主要构件进行 了参数化造型优选设计 。
本科毕业设计 FX250型分级水力旋流器的设计与研究
摘要水力旋流器是分级、脱泥、浓缩、洗涤、净化、磨矿控制等多件用高效率分选设备。
广泛用于黑色金属、有色金属、非金属尾矿的造矿领域中，是矿山分级、尾矿筑坝、提纯、油田泥浆净化等的理想产品。
它具有结构简单、操作方便、生产能力大、无转动部件、运行可靠、占地面积小和易于实现自动控制等优点。
但它也受到操作条件的影响，稳定性较差、动力源的功耗较大。
从水力旋流器的基本结构和工作原理出发,综合评述了水力旋流器在食品工业中具有代表性的应用情况。
进而指出,随着科学技术的发展和对其研究的不断深入,水力旋流器将在食品工业领域发挥更为重要作用。
此次毕业设计的课题就是分级水力旋流器的研究与在食品工业中的应用。
叙词:水力旋流器食品工业应用中图分类号:TS203 文献标识码:AAbstractMany of the waterpower swirler is to grade and sheds mud and concentrating and wasing and purifying and mill mine control etc selects separately equipment with the high efficiency rate .Extensively being used the making in the domain of mine of ferrous metal , nonferrous metal and nonmetal tailings is that dam , purification and ideal product that the slurry purification in oil field waits are built to mine hierarchical and tailings . It possesses the structure simply and operation convenience and production capacity greatly and the nothing moves the parts and the operating is reliable and covers an area of the area small unassuming in realizing the merits such as automatic control etc .But it also suffers the influence of operating condition operational condition , and the stability is wronger and the motive force work loss of source is bigger .AbstractAstheapplicationofhydrocyclonesisgettingmoreandmoreinterestsofeng ineers,theirrepresentativeapplicationinfoodindustryisintroducedinthispaper.Tosumup,h ydrocyclonescanbeusedforoperationsofclarification,thickening,washingandclassificati oninvolvedinmanyfoodprocessing.Furthermore,hydrocyclones,especiallymini-hydroc ycloneshavealreadyfoundtheirwayintobioengineering,suchasyeastseparation,ect.Onma nyoccasions,hydrocycloneshavesubstitutedforotherseparationequipmentandplayanimp ortantrole.Itcanbeexpectedthathydrocycloneswillfindwiderapplicationinvariouscasesof thefoodindustry.The subject of this graduation project is the research and application in food industry of hierarchical waterpower swirler .Keywords Hydrocyclones,Foodindustry,Application旋流分离是一种分离非均相液体混合物的设备，是一种高效、节能的分离技术,水力旋流器是旋流分离技术的关键设备之一。
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１ 端盖 ； ０ １ 附 属 套 筒 ： 一Ｏ 型圈 ；３ 收 油 套 ．４ 转 靛 ｛ｊ 镒 诚 嘴 ： 旋转 栅 ；７ 揖 圈 ｝８ 平 键 ｝ ９ 带 轮 ｝０ 毛 毡 ；１ 支絮 １ ２ １ 】 １ １一 ６ １ １ １ ２ ２
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离 效 果 上 要 明显 优 于 ８叶 片 结 构 。 ２ ２ ２ 螺 旋 式 旋 转 栅 结 构 参 数 的 确 定 ．．
圈 １ 动 态水 力 旋 流 器 样 机 结 构 示 意 图
Ｆｉ ． Ｓ ｃ ｕ ａ ｋ ｔ ｈ ｏ ｙ ａ ｃｈ ｄ ｏ ｙ ｌ ｎ ｒ ｔ ｔ ｐ ｇ １ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ ｅ ｃ ｆｄ ｎ ｍｉ ｙ ｃ ｃｏ ｅ ｐ ｏ ｏ ｙ ｅ ｒ ｓ ｒ
动 态水 力旋流 器 沿转 筒长 度方 向均 为 主要分 离 区 ， 切 向与轴 向速 度基 本恒 定 ， 其 流场 稳 定性 好 （ 流影 响 湍 极小 ） 这一 点较静 态水 力旋流 器在 旋流 腔及 大锥 段均 有湍 流 影响要 好 得 多 ， ， 因此 在 处理 聚合 物 驱采 出 液污 水 等方面， 其分 离效率 也明显 高 于静态 水 力旋 流 器 转 简的 高速旋 转 由外部 动力 驱动 完成 ， 其分 离效率是 靠 牺牲 外 部 动力来 实 现 ， 它可 在 低压 下运行 ． 力 损失非 常小 ； 态水 力旋 流器 内液体 的高速 旋 转 靠液 体 自身 的压 力 压 静 提供 ， 分离效 率是 通过牺 牲液 体 自身压 力来完 成 ， 需人 口压力 较 高 ， 力损失 相对 较大 。 管动态水 力旋 流 其 所 压 尽 器在 结构 及操作 运行 上 比静 态 水力旋 流器稍 复 杂 ． 但其 在难 于分 离 的产 出水 处理 方 面有 明显 的优势 ． 因此 有必
间增 加 ， 使油滴 有充 分 的分 离时 间 ． 离效 果也 就愈 好 若 过长 ， 势必 导致 动力 损耗 加大 、 动加强 ． 而 分 则 振 反
影 响分离 效果 表 ｌ给出 了转筒 长径 比对分 离效 率 影响 的部 分试验 数据 。考虑 到影 响设 备分 离性 能 的
各 种 因素 ， 设 计 时长 径 比一 般 应 在 ］ ～２ 在 ５ ０间 选
Ｊ ｌ ｕｙ
２ ０ ． １ ０
动态 水 力旋 流 器 结构 参 数 的优选 设 计
王尊策 陈维勤 蒋 明虎 刘 晓敏
１ １ ０ ５４０
赵立新
（ 庆 石 油学 院 机 植 系 大
黑龙 江 安达
摘要 ： 简要 描述 了动态 水 力 旋 流 器 的结 构 组 成 及 工 作 原 理 ．在 深 人 开展 动 态 水 力旋 流 器 的 分 离 机 理 和性 能 试 验 研究 的基 础 上 ， 一 步证 实 了 只要 合 理 地 扰 化 选 取 其 结 构 参 数 ， 可获 得 良好 的分 离 效 果 。 点 介 绍 了动 态 水 力 进 即 重 旋 流 器 主 要 结 构参 数 的 优 选设 计 过 程 ， 过 对 油 水 分 离用 动 、 态 水 力 旋 流 器 进 行 对 比分 析 一 步 证 宴 了 动 态 通 静 进
中 图 分 类 号 ： ８ ＴＥ ４ 文献标 识码 ： Ａ
引 言
水 力旋流 器是一 种对有 密度 差 不互溶 的两 种物科 进行 离心 分离 的装置 ６ Ｏ年代 ， 其应 用领 域 由固液 开始 向液 液拓展 、０年代后 液液旋 流分 离技 术得 以迅猛 发展 ， ８ 目前静 态 液液旋 流分 离技 术 已相 对较 为成 熟 。 动态 而 旋 流 分离技术起 步较 晚 ，０年代初才 引Ａ 我 国。随着三 次采 油技术 ９ 及ｊ元 复 合驱采 油技 术 的发展 ， 发现 静 态水 力旋 流 器在应 用中受 到一定 限制 、 如增 压方 式 、 含聚合物 驱栗 出液 的油水 分离 及深度 水 处理 工艺方 面需 加 以配 套 等 。１ ９ ７年底 大庆石 油学 院试制 出国 内首 台动 态水力 旋流器样 机 ， ９ 并率 先在 油 田进行 聚合物 驱采 出液的 分离 试验 、 取得 了较好 的结 果 。为使其 产品更 快 、 更好地 推广 应用 ， 一 步提高 其分 离性 能 ， 新型 高效脱 油装 进 该
２ ２ 旋 转栅 的优 选设计 ．
旋转 栅 位 于转 筒 人 口端 ． 若单 靠 转 筒 内壁 与 液
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石
油
学
报
２０ 年 ０］
第 ２ ２卷
流间 的摩擦 使 液流作 高速 旋转 运 动 ． 产 牛的旋 流 强度 未必 满足分 离 的要 求 为使 混 台液 获得 足够 的切 向速 则 度． 本研 究设计 出了对进 入转筒 内液 体起 预加速 作用 的旋 转栅
１ 动 态水 力旋 流器 结 构 组 成及 工 作 原 理
１ １ 结 构 组 成 ．
动态水 力旋流 器样机 由人 口、 出水 １ 、 ７ 出油 口及旋 流腔 等组成 ， 图 １ 浚样机结 构 主要 由传动 轮 、 筒 、 ｔ 见 。 转 旋
转栅、 收油 套 、 油扦 、 流嘴及 其 调节组 件 等构成 ； 收 溢 辅助 部 分 有电机 、 带 、 Ｖ 带轮 底座 架 、 承 、 械 密封 支 轴 机 静 密封及 标准 紧 固件 等 。 为使 转筒体有 良好 的对 中性 ， 计时将 两支 承与 电机一 同装 在底座 上 底座 采用 具 有 设 高 导 向精度 的导轨结 构 ， 方便 安装 与拆卸维 修 ， 既 又易 于实现不 同尺寸参 数 的转 筒试 验
置结 构参 数 的优 化设 计问题 已变 得 十分迫切 为此 ， 室 内实 验装 置 模 拟现 场实 际 工况条件 ， 变结构 参 数 在 巴 改
及 操作 参数 进行 了大量 的试 验 通过 室 内基础 性研究 及与 现场试 验结 果 的对 比分 析 ， 明在某些 应用 条件 下 ， 表 动 态 水力旋 流器 能实现 静 态水 力旋 流器 无法 达到 的处 理效 果 ， 可处理一 般 分离 设备 难 以分 离 的油 水混 台 液 它 （ 如注 聚采 出液 及重 质油采 出液 等 ） 是一种 急待 深Ａ 开发研 究 的高效 分离设备 。 ，
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第２ ２卷
第 ４期
石
油
学
报
ｏ ２２ Ｎｏ ｌ ４
２ ０ 年 ７月 ０１ 文 章 编号 ： ２ ３ ２ ９ （ ０ １ ０ 一 １ ４ Ｏ ０ ５ ６ ７ ２ ０ ） ４ ｔ ０ １ ￣
Ａ ＣＴ Ａ ＰＥＴＲＯ ｌＥＩＳＩ Ｉ Ｎ ＣＡ
１ ２ 旋 流 分 离 的 基 本 原 理 ．
旋 流分离 的基本 原理是 利用 两种 不互溶 介质 问 的密度差 在旋 流器 内进行 离心 分离 。动态水力 旋流 器 的油
基 金项 目 黑 此 江 省 自热科 学 基 金 资 鼢 项 目（ ９ ２ ） Ｅ ９ ８ 作 者 简 介 ： 尊 策 ． ，９ ９ ３月 ｌ ．９ ９年 毕业 于燕 山 大 学 机 械 工 程 罪 ． ｌ 硬 ±学 位 ． 为 大 成 汕学 院 机槭 工 程 系 副 丰任 ． 教 授 王 男 １６ 年 牛 １８ 获 ｌ 学 现 副
水力旋流器在油水分离方面存 在的忧势。其成功研 制为今后深人进行分离机理 、 流场 测试及分 离性能 的研究奠
定 了基 础 ， 为 其 在 油 田 含 油 污水 处理 方 面 的推 广 应 用 起 到 了一 定 的指 导 作 用 。 也
关键 词 ： 态水 力旋 流器 ； 动 结构 参数 ； 离效率 ； 选设 计 ； 分 优 参数化 造 型
要 加 以深 人 开 发 研 究 。
２ 主 要 构 件 结 构参 数 的优 选 设 计
影 响 动态水 力旋 流器 分离 性能 的因素 主要 有转筒 长径 比 、 旋转 栅 、 流嘴等结 构 形式 及结构 参数 溢
２１ 长径 比的优选设计 ．
长径 比 ＾是指转 筒长 度 与其 主直径 Ｄ 的 比值 当 Ｄ 确 定 时 随 适 当增 加 台 液在 转筒 内存 留的时 混
转 筒 中 心 运 移 ， 成 油核 形 ， 终 经 溢 流 嘴 及 收 油 杆 组 件 排 出 ； 质 相 水 则 向 筒 壁 运 移 ， 时 在 轴 向 力 的 作 用 最 重 同 下 由底 流 出 口排 出 ． 终 实 现 油 水 分 离 。 最
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第 期
Ｅ 策 等 ： 态 水 力旋 流 器 结 构参 数 的优 选设 计 尊 动
水 分离 过 程 见图 １ 电机 通过 ｖ 带带 动转动 件高 速旋转 ， 合液 由泵 输送到 样机 的人 口端 ． 混 此时 液流流 过旋转 栅 流 道和 其尾部 的导 向锥 ． 旋转栅 对来 液起导 流及 预 旋转加速 的作 用 ， 高速旋转 的液 流靠与转 筒 内壁间 的摩擦 作 用形 成更 大 、 强 的“ 更 旋流 场” 油水 混台介 质 在超过 １ ０ 倍 重力 加速 度的 离心 力作用 下 ． 质相 的油被 迫 向 。 ００ 轻
图 ２ 叶 片式 旋 转 栅 造 型设 计 图
Ｆｉ ２ Ｄｅ ｉ ｃ ｕ ｅｏｆｌ ｍ ｉ ｒ ｇ ｓｇｎ ｐｉｔ ｒ ａ ｎａ
所需 人 口压 力 也就越 高 。旋转栅 叶片个 数如果 过少 ． 导致转 筒 内流 会
场分 布不 均 ； 多则使 液 流 的过流 面 积减 小 ． 力损 失 及液 滴 的剪切 过 压 破 碎程度 增 加 一 利 于分 离 效率 的提 高 。实 验证 明 ， 片式 旋转 栅 流 不 叶
螺 旋 式 两 种 结 构 形 式 ２ ２ １ 叶 片 式 旋 转 栅 结 构 参 数 的 确 定 ． ．