新型油水分离装置—水力旋流器试验
脱油型动态水力旋流器操作参数的试验研究——压力、压差及压降比的试验测定与分析
２０ ０ ２年 第 ３ 卷 １ 第 ４期 第 ｌ ８页
石 油 矿 场 机 械 ０Ⅲ ＦＩ ＥＬＤ ＥＱＵＩ ＰＭＥ ＮＴ
２ ０ ３ （ ：８～２ ０ ２， １ ４） ｌ ｌ
文 章 编 号 ： １ Ｏ —４ ２ ２ ０ ） ４ ０ １ —４ Ｏ １３ ８ （ ０ ２ ０ —０ ８０
得 较 好 的 分 配 关 系。
பைடு நூலகம்
关 键 词 ： 动 态 ； 力旋 流 器； 作 ； 水 操 参数 ； 力 ； 力降 压 压
中 图 分 类 号 ： Ｔ ９１１ Ｅ３ ， ２ ０
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｔｅ ｔ ｒ ｓ ａ ｃ ｆｄｅ ｏ ｌｎ ｙ ａ ｉ ｙ ｏ ｙｃｏ ｅ ｓ ｏ ｅ ａ ｉ ｎ ｐ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｓ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ － ｉｉ ｇ ｄ ｎ ｍ ｃ ｈ ｄｒ ｃ ｌ ｎ ｐ ｒ ｔｏ ａ ａ ｔｒ
ｏ ｔｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｄ ｏ ｌｖ ｎ ｅｓ ｕ ｅ ｄ ｒｎ ｈ ｒ ｎ ｒ ｅ ． ｕ ｌｔｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｉ ｅ ｔｐｒ ｓ ｒ ｕ ｇ ｔ ｅ ｗｏ ｋｉ ｇ ｏ ｄ ｒ ｉ Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｐ ｒｏ ｍ ａ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｒ ｎ ｅ； ｈ ｄ ｃ ｃｏ ｆ ｙ ｍ ｙ ｌｎｅ； ｏ ｅ ａ ｉｎ； ｐ ｒ ｍｅｅ ； ｐ ｅ ｓ ｒ ｐ ｒｔｏ ａａ ｔｒ ｒ ｓ ｕ ｅ； ｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅ ｄｒｐ
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Ｔｒａ ｅ ｕ ｅ ａｎ ｎ ｌ ｉ ｆ ｐ ｅ ｓ ｅ。 ｐ ｅ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎｄ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｄｒ ａ ｉ ｉ Ｉｍ ａｓ ｒ ｄ ａ ａ ｙｓｓ ｏ ｒ ｓ ｕｒ ｒ ｓ ｕ ｒ ｐ ａ ｅ ｓ ｒ ｏｐ ｒ ｔ ｒ ｏ
Ｊ ＡＮＧ ｎｇ ｈ Ｉ Ｍｉ — ｕ， Ｌ Ｕ ａ — ｎ， ＺＨＡＯ ｉｘｎ， ＷＡＮＧ ｎ ｃ Ｉ Ｘｉｏ ｍｉ Ｌ—ｉ Ｚｕ — ｅ， Ｌ ｅ ｇ ＩＦ ｎ
含油废水动态旋流分离技术研究
机 械 加 工 、 修 配 件 厂 汽
ＣＯＤ（ ． １ ２）
ａ ．重力 沉 降 。根 据 油 、 两 相存 在 密度 差 ， 水 在 重 力作 用下 ， 经过 一定 时 间 ， 水混合 物会 自动 油
分 离 。该技 术 通过 多年 的设计 研 究和 生产 运行 总
油（． ） ５ ６ ｓ（． ） ｓ ５ ４
重 点 研 究 了动 态旋 流废 水 处 理技 术 。 设 计 了动 态旋 流 器 及 其 关键 部 件 ， 并在 此 基 础 上 搭 建 了含 油 废 水 动 态旋 流 处理 系统 。研 究发 现 ， 系统 在 油 水 分 离 方 面 优 势 明 显 ， 合 理 的 转 速 范 围 内 ， 在 非 常 宽 的 该 在 能
对 典型 的北海 平 台推算 ， 果设 备 重量 减 轻 ２ ３ 如 ／， 可 节约 资金 ３ ０万美 元 ¨ ０ 。此外 ， 流分 离 系 统 旋 是 一个封 闭 系统 ， 会造成 二次 污染 。 不 ３ 含 油废 水动态 旋流 分离 系统 ３ １ 分 离原理 和结 构设计 ．
含 油废水 不 但 可 引起 火 灾 ， 而且 会 严 重 污 染 环境 。如果 不经 处 理 直 接 排 入 水体 ， 对 水 体 造 会 成不 良影响 ， 当浓 度达 到 ０ ３～ ． ｍ ／ ． ０ ５ ｇ Ｌ时 ， 中 水 便含 有臭 味 ， 不能 饮用 。油 类排入 水 体后 ， 将漂 浮 在 水 面 形 成 一 层 薄 膜 ， 滴 油 在 水 面 上 能 形 成 每 ０ ２ ｍ 的油膜 ， 吨石 油可 覆盖 ５ ０公顷 的水 面 。 ．５ 每 ０
１ １ 含油废 水 的成分 ． 油在废 水 中通 常 以 ３种 状 态 存 在 ： 浮油— — 油 分 以较大 颗粒 浮在 水 面上 ， 分离 ， 易 占总油 量 的
液-液水力旋流器油水乳化机理研究
摘 要 为 了提 高液－ 水力旋 流器 的分 离效 率 ，避 免 油水 在 分 离过程 中产 生严 重 的乳 化现 象 ， 液
根据 流体 力学及 旋流器 的基本 理论 和方 法 ，深入 研 究 了液－ 液水 力旋 流器 产 生乳 化现 象 的机 理 ，并 根据研 究结果 分 析 了产 生乳 化现象 的主 要影 响 因素 。考虑 到工程 实 际应用 特将 其 与液． 液水 力旋 流 器 的结 构参 数、操 作参数 及进 料物 性参数 结合 ，逐 一 分析 其 对 油水 产 生乳 化 的影 响。分 析 结果 表
心 力场 强度增 加 ，湍 流剪应 力也 随之增 大 ，最终 导
致 分散相 油滴 破碎 ，使大油 滴变 为小油滴并 处 于稳
定 状态 ，即产 生乳化 现象 。根据 Ｓｏｅ 定律 ，油滴 ｔ ｓ ｋ
在 离心力 场 中的沉降 速度 即在水力旋 流器 中的径 相
迁 移速度 与油滴 粒径 的平方成 正 比。 因此 当油滴粒
象 ，严 重影 响液一 液旋 流器 的分 离 效 率 。而 目前 对
液． 液旋流器 的理论 研 究 和数 值模 拟 都 是 在 不 考 虑 产生乳 化 的假 设条 件下进 行 的 ，使分 析结 果与现 场 操作结 果存在 一定 的偏差 。笔者 根据 液滴在 旋流 器 内部流 场 的受 力 分 析 ，深 人认 识 液 － 水 力 旋 流 器 液 乳化现 象产生 的机理 ，确定 影 响乳化 现象产 生 的主
根 据两 相 流 动过 程 中 的 分 离 原 理 Ｊ 当单 独 ： 的液体 颗粒在 连续 的流体 中运 动时 ，该颗 粒将 受到 流 体 的 ２种作 用力 。一种是 摩擦 阻力 ，表示 由于球 体 表 面上流体 的剪 切应力 引起 的流动 ；另一种 阻力 叫做形体 阻力 ，表示 颗粒运 动过程 中流体 压力在 球 体 表面 上分 布不均匀 引起 的流动 阻力 。液 体颗粒 在 流 体 中运 动所受 总 阻力为两 者之 和 ，简称 曳力 。很 明显 ，当液滴 表面所受 曳力 大 于液 滴球体 表面 张力
油水分离旋流技术研究进展
油田的海上石油开采平 台使 用 ， 正式进入工业应用
收稿 日期 ：０ ８０ ．６ ２０ —５０
对旋流器的实验研究 内容主要分为两类： 一类是
基金 项 目： 重庆市科委 自然科学基金资助项 目（ Ｓ Ｃ ２ ０ Ｂ ６０ Ｃ Ｔ ，０ ７ Ｂ １０） 作者 简介 ： 黄圣鹏 （９ ３ ） 男 ， 建人 ， １８ 一 ， 福 后勤工程学 院硕士研究 生 ， 主要从事 油气储运 方面的研究工作 。
一ห้องสมุดไป่ตู้
此， 湍流运动大为减少 ， 而且分离区域长， 分离效率大 大提 高 。与静 态旋流器相 比， 动态旋 流器 具有 分离 能 力强 、 进料压 力低 、 用 的流量 范 围广 和处 理 介 质 范 适 围广 等优点 。但结构 比较复杂 ， 叶栅 对液 体有 进 旋转 步 乳化作用 ， 而影 响分 离 效率 ， 壳 旋转 引起 的 进 外 振 动影 响旋 流器 内部 流场 的稳定 等 Ｊ 。
纺 织 、 油工 业 、 品加工 、 石 食 生物 工程 等领 域 。
１ 水 力 旋 流 器 工作 原 理
水力旋流 器 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液 以一定 的压力 （ 或速度 ） 从
旋流器上部向入 口呈切线进入器 内后， 混合液产生强 烈 的旋转运动 ， 由于轻相 和重相之 间存在 密度差 ， 自 各 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， 大部分重相经旋流器底流口排出， 而大部 ２ 旋 流 分 离技 术研 究 现 状 分轻相则 由溢流 口排出 ， 从而达到分离分级的 目的。 为 了揭示旋 流 分 离 器 中的 流 动 与分 离 规 律 ， 进 液 一 型水 力旋 流器 是基 于 固液分 离旋 流器 发 而 对其 流 场特 性 和分离 性 能进行 较 为科 学 的预测 或 液 展而来 的。２ ０世 纪 ６ ０年 代 末 英 国 Ｓｕｈ ｍ ｔｎ大 评 价 ， ｏｔａ ｐｏ 对旋 流器 进行 优化 设计 ， 高性 能 ， 提 降低 能耗 ， 学 Ｍ ｒｎＴ ｅ ａｔ ｈｗ教 授 开 始 除油 型 液 一液旋 流 器 的研 许 多 研 究 人 员 在 实验 研 究 、 ｉ 理论 研 究 和数 值 模 拟 ３ 究 ，９ ４ 年 液 一液 旋 流 器 在 海 洋 平 台 上 试 验 成 个 方 面做 了大 量 的研究 工作 。 １８ 功 ＿ 。次年 在 英 国北 海 油 田和 澳 大 利 亚 巴 氏海 峡 ２ １ 实验 研究 ２ Ｊ ．
油水分离充气旋流器的研究进展
投资费用高。为了克服传统浮选的缺点 ，进一步强
化气浮 法 的油水 分离效果 ，近年 来 已有研究 者将 一 种 新型 的 浮 选 设 备— — 充 气 旋 流 器 （ｉ —ｓＢ ｅ ａ ｒ ｐＩ ｄ 窘 ｈｄ￣ｃ ｎ ．Ａ Ｈ 用 于 油 水 分 离 。从 目前 的文 献 ｙｉ ｙｌ ｅ Ｓ ） ｘ ｏ 报 道来看 ，国 内外 对油 水分 离充气 旋 流器 的研 Байду номын сангаас 已
关键词 充气旋流 嚣 ．油水分 离，浮选
中圈分类 号 Ｔ ５ Ｑ ０１
文献标识码
Ａ
文章编号
１０ ６３（０２ ００—６ １ ２０ ）位 一０４ ０ １３— ４
含 油废 水 的处理 一直 是油 田开采 和加 工行 业 中 的一个 大 问题 ，尤其是 在 中 、高含水期 的 油 田开发
中 。油 水分 离 的方法很 多 ，气 浮法是 其 中常用 的一
旋 流层厚度 的因素 ，它与 矿浆 压力 、矿浆 粘 度 、充
气量及 起泡 剂耗 量 有关 ｌ ，另 外还 取决 于底 流排 出 ８ Ｊ
口的尺 寸大 ￣ ９，并 经 验性 认 为 其 厚 度 为 Ａ Ｈ半 ， Ｊ ｊ ｄ Ｓ 径 的 ８ ～１％ 时 比较 好 ，Ｊ ％ ２ １。也 有 研 究 者 用 层 ０ 析 ｘ射线 摄影 法 对 矿 物 浮选 Ａ Ｈ 中 的 旋 流层 厚 度 Ｓ
调 节 溢 流 和 底 流 的 分 流 比 。 １９ 年 ． Ｂ ｅｙ 和 ９３ ｅｂ
Ｎｃｌ ｉ Ｅ 设计 了如 图 ２所示 的油水 分离 充气旋 流器 结 ｏ４ 构 ．其切 向进 口是 在顶 部 ，底部 有一 底座 ，用 以支
种 。它 工 艺成 熟 、成 本 低廉 、处 理 量 大 、效果 好 ， 适 合 于分散 油和乳 化 油的分 离 ，去除最 小粒径 可达 １ ０Ⅲ …。 目前该 法 已被 广 泛 应 用 于 油 田废 水 、石 油化工废 水 、食 品油生 产废 水等 的处理 。其 主要 缺 点 是 浮油难 处理 ，浮选 停 留时 间较 长 ；在处 理 量大 的时候 ，必 须建 造 大 型 的气 浮 设 备 ．占地 面积 大 ，
螺杆泵井下油水分离系统设计及地面试验
２ ０ １ ３年
基于CFD叶片式水力旋流器结构参数优选
基于CFD叶片式水力旋流器结构参数优选在特定的油水性质下，水力旋流器分离效率的影响因素有操作参数和结构参数。
操作参数的优化可以达到高分离效率，但受结构限制，故结构改进对油水分离效率具有一定空间。
本文采用CFD 软件对叶片式旋流器结构进行优化设计，模拟得到在该结构条件下最佳的旋流腔长度、锥角度、溢流口伸入长度、溢流口直径。
标签：CFD;水力旋流器;模拟;结构参数1.前言目前我国陆上油田普遍采用注水开发，大油田基本已进入高含水期，后期处理成本不断提高，而石油石化工业含油废水是一种典型的有机废水对环境危害严重，故其处理效果直接影响环境。
水力旋流器是一种新型的油水分离装置，无化学反应、无运动部件、结构紧凑。
越来越多的学者开始研究旋流器，其中叶片式旋流器是一种新型的离心分离装置，分离器结构，介质从左侧方向轴向入口进入，途经导流叶片产生高速旋转流，介质在腔内高速旋转，重质相聚集在内壁由底流口排出，轻质相聚集在轴心处由溢流口排出，可实现不互溶多相介质的分离处理。
本文通过CFD数值模拟，对叶片式水力旋流器进行优化结构参数。
2.模型分析及结果分析模拟初始模型结构尺寸：稳流段长度50mm，旋流器入口直径为50mm，导流段长度100mm，锥段半锥角为θ=3°，旋流段长度50mm，尾管段长度20mm，溢流管直径10mm，尾管段直径20mm，溢流段长度为20mm。
导流叶片高度h=100mm，叶片数量n=4，准线包角φ=90°，外准线半径为25mm，叶片的内准线半为5mm，直线段包角α=30°。
根据对初始模型的模拟分析，其分析结果如下，因为液-液水力旋流器是利用不互溶介质间的密度差而进行离心分离，离心力与速度的二次方成正比，不考虑剪切应力的条件下在一定范围内速度越大越利于油水的分离。
可以看出速度呈对称分布，说明流场稳定，呈对称分布的轴向速度，溢流出口中心处速度达到最大值;径向速度分布呈现对称性;切向速度分布呈对称性，在溢流管处，切向速度从轴线位置开始逐渐增大到最大值然后降低。
油气水三相分离器试验报告
油气水三相分离器试验报告一、引言油气水三相分离器是油气水处理系统中的重要设备，它能够有效地将油、气和水进行分离，满足生产和环保要求。
本次试验旨在验证分离器的性能指标，包括分离效率、处理能力和操作稳定性。
二、试验装置和方法1. 试验装置本次试验采用了一台油气水三相分离器，其结构为圆筒形，内部设置有分离板和沉降区域。
分离器上设置了进料口、出油口、出气口和出水口，以及相应的压力和流量传感器。
2. 试验方法（1）试验前准备：检查分离器的密封性能和正常运行状态，确认各管路连接正确。
（2）试验参数设置：根据生产要求和设备规格，设置进料流量、进料温度和分离器压力。
（3）试验过程：启动分离器，调整进料流量和压力，使其稳定在设定值。
记录分离器内的油、气和水的流量和压力。
（4）试验结束：关闭分离器，记录试验数据并进行分析。
三、试验结果与分析1. 分离效率根据试验数据计算得到的分离效率为XX%。
分离效率的高低与进料流量、进料温度和分离器压力等因素有关。
在实际生产中，可以根据需要调整这些参数以达到最佳的分离效果。
2. 处理能力试验中，进料流量为XX m3/h，分离器能够稳定处理该流量的油气水混合物。
处理能力与分离器的尺寸、结构和操作参数有关，需要根据实际生产情况进行设计和选择。
3. 操作稳定性试验过程中，分离器能够稳定运行，各传感器的读数保持在正常范围内。
操作稳定性与分离器的设计和制造质量有关，同时也受操作人员的技术水平和操作规程的影响。
四、问题与改进措施在试验过程中，我们发现了一些问题，并提出了相应的改进措施：1. 问题：分离效率不稳定。
改进措施：检查分离器内部的分离板和沉降区域，确保其结构和布置合理，以提高分离效率的稳定性。
2. 问题：处理能力不足。
改进措施：根据生产需求和分离器的尺寸，调整进料流量和分离器的操作参数，使其能够满足处理更大流量的油气水混合物。
3. 问题：操作不便。
改进措施：优化分离器的操作界面和控制系统，使操作更简便、直观，减少人为误操作的可能性。
固-液-液三相分离水力旋流器现状及发展趋势
固-液-液三相分离水力旋流器现状及发展趋势下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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油-水-气三相旋流器分离验证及气-液腔结构优化
油-水-气三相旋流器分离验证及气-液腔结构优化郑小涛;龚程;徐红波;喻九阳;林纬;徐成【摘要】采用Fluent软件数值模拟了新型油-水-气三相旋流器的分离性能，并以分离效率为目标函数对气-液分离腔主要尺寸进行了优化设计。
结果表明，该型油-水-气三相旋流器在油滴与气泡直径为50μm时具有最优的分离效率，且其气泡迁移效率较油滴迁移效率高．当气泡直径为50μm时，气-液分离效率达到99％以上；当气泡直径小于40μm时，气-液分离效率随直径的减小显著下降；当气泡直径小于10μm时，气-液分离效率趋近于零．经对比分析建立了溢流口直径与分流比的线性关系式，且得到优选后气-液分离腔最优主要结构尺寸：分离腔长度203mm，分离腔直径60mm，溢流口插入长度20mm．%The Fluent was adopted to simulate the separation performance of the new oil-water-gas cy-clone ,and the separation efficiency was regarded as a objective function to optimally design the main si-zes of the gas-liquid separation chamber .The results show that the separation performance of the oil-gas-water cyclone is best when the diameters of oil droplets and bubbles are 50um ,and the migration efficiency of bubbles is better than that of oil droplets .The gas-liquid separation efficiency is over 99%when the bubble size is 50um ;the gas-liquid separation efficiency decreases obviously with the bubble diameters reducing w hen the bubble size is less than40um ;the gas-liquid separation efficiency approa-ches to zero when the bubble size is less than 10um .Through the comparative analysis ,the linear rela-tion betw een the diameter of overflow and the split ratio w as established ,and the optimum sizes of the main structure of the gas-liquidseparation chamber are 203mm of length ,60mm of diameter and 20mm of insert length .【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】5页(P37-41)【关键词】油水气分离;数值模拟;优化设计【作者】郑小涛;龚程;徐红波;喻九阳;林纬;徐成【作者单位】化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广东广州510470;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205【正文语种】中文【中图分类】TE991.20 引言油-水-气三相旋流分离与水力旋流分离器的原理相同，都是利用高速旋转流体产生的离心力使存在密度差互不相容的两相产生分离.油-水-气三相旋流分离技术主要涉及到气-液旋流分离技术和液-液旋流分离技术.常用的气-液旋流分离器主要有管柱式气-液分离旋流器[1]、旋流板式气-液分离旋流器[2]、轴流式气-液分离旋流器[3]、内锥式气-液旋流分离器[4]以及螺旋片导流式气-液分离旋流器[5].液-液旋流分离技术前人已经有较深入的研究，笔者依据气-液旋流分离理论和液-液旋流分离的理论，将两种分离技术相结合，设计出一种油-水-气三相旋流分离器[6].采用CFD技术，能够对新型油水旋流分离器进行分离验证及优化设计.1 建立模型图1为油-水-气三相旋流分离器的模型图，其设计的基本原理在于油-水-气三相混合液体由油-水-气三相旋流分离器入口以一定的速度切向进入气-液分离腔，混合流体在旋流腔内部做高速旋流运动，旋流运动所产生的离心力使比油和水密度小得多的气体聚集在气-液分离器腔内部的锥体壁面处，由于径向压力的挤压和锥角向上的推力，使得气体向气相出口溢出，完成气-液分离过程.完成气-液分离的油水混合物，由于气-液分离腔的底部的截面积变小，仍保持较高的速度由螺旋导管进入液-液旋流分离腔，其分离原理和文献[7]研究的油-水分离原理相同.图1 油-水-气三相旋流分离器模型图Fig.1 The model of oil-water-gas three phase cyclone图2为将油-水-气三相旋流分离器气-液分离腔与液-液分离腔的拆分图，其中液-液旋流分离腔采用双锥液-液旋流分离器，其初始计算尺寸如表1所示.图2 气-液分离腔与液-液分离腔计算模型图Fig.2 The model of gas-liquid separation chamber and liquid-liquid separation chamber表1 油-水-气三相旋流分离初始尺寸表Table 1 The parameters of oil-water-gas three phase cyclone符号尺寸符号尺寸Lg/mm230Lc/mm40Dg/mm60D/mm40Dgo/mm30α/(mm)20Li/mm10β/(m m)4DtiDs/mm10DiDu/mm5Di/mm7Lci/mm102 油-水-气三相分离验证油-水-气三相物理性质如表2所示，为验证三相旋流分离器分离的可行性，油相和气相均采用适中粒径50 μm.表2 油-水-气三相物理性质Table 2 The properties of oil water and gas项目密度/(kg·m⁃3)粘度/cP粒径/μm体积比/%入口速度/(m·s⁃1)油8503．3250510水998．21．003-7510气0．66970．***********采用数值模拟方法，将模型导入Fluent软件中，设置相关边界条件[8]和介质物理性质，验证此油-水-气三相旋流分离器气-液分离的可行性.液-液分离腔的入口初始条件为气-液分离腔出口条件，其速度和含油浓度与气-液分离器出口相一致.图3 油-水-气三相体积分数分布云图Fig.3 The volume fraction contour of oil water and gas图3为三相介质的体积分数分布云图，由图3可知水相进入气-液分离腔后沿着壁面向下聚集，气-液分离腔中圆筒壁面附近和底部的水相浓度为90%以上，证明90%以上的水-油混合液经底流口排除；油相的体积分数分布云图与水相一致，几乎全部由液相底流口排除，油滴进入液-液分离腔后，与水进行油水两相分离，分离过程与普通油水旋流分离器相一致.而气相的分布与油相和水相相反，气体进入气-液分离腔后向中心聚集，其中气相溢流口浓度最高，并沿着锥角向上聚集.油-水-气三相的体积分布说明了气-液旋流腔中的气液分离成功，其中油和水由底流口排除，而气体由溢流口排除，实现了气-液分离，同时也验证了新型油-水-气三相旋流分离器的可行性.图4为入口速度为10 m/s时的气-液旋流分离的气体迁移效率图，也就是不同粒径气泡的分离效率.由图4可知气-液分离相对液-液分离来说更为简单.当气泡粒径为50 μm时，分离效率就能够达到99%以上，当气泡粒径小于40 μm时，分离效率开始下降，小于30 μm时急剧下降，当气泡粒径小于10 μm时，分离效率几乎为零.气体的迁移效率不仅能够反映出旋流分离器对气体的分离能力，而且能够对数值模拟研究和实验研究气泡粒径的选择有一定的指导意义.图4 气体迁移效率分布图Fig.4 The migration efficiency of gas注：gas3 气-液分离腔优化设计油-水-气三相旋流分离器涉及气-液分离和液-液分离两个过程，而液-液旋流分离器众多学者已经对其进行了充分的研究与优化设计[7].本文将采用CFD技术对新型油-水-气三相旋流分离器中的气-液分离腔进行优化设计，以达到提高分离性能的目的.图5为不同气-液旋流腔长度下气-液分离的迁移效率对比图，由图5可知，旋流腔长度对气泡的分离效率有一定的影响，其中特别在粒径区间为20～40 μm之间.在此区间，随着旋流腔长度的增加，分离效率逐渐增大，当Lg=203 mm时分离效率最高，这是由于随着旋流腔长度的增加，气泡停留时间增加，气相在中心聚集的浓度增加，因此分离效率也提高；当旋流腔长度进一步增大时，分离效率降低，当Lg=230 mm分离效率最低，这是由于旋流器长度的增加，切向速度减小，并且较长的旋流器会导致大量的循环涡流存在，影响气泡的分离，降低分离效率.图5 不同气-液旋流分离腔长度下迁移效率对比图Fig.5 The migration efficiency of different gas-liquid cyclone separation chamber lengths注：图6为不同气-液旋流腔长度下的压降对比图，由图6可知底流口压力降随着旋流腔长度增加而增加，这是由于当旋流腔长度增大后，流体在气-液旋流腔的停留时间增加，导致底流口排除的流体能量损失过多，压力降增大，而溢流口的压力降随着气-液旋流腔的长度增加而减小，并且减小的梯度与溢流口增加的梯度相接近.综合分离效率和压降分析，气-液旋流腔长度Lg选择为203 mm.图6 不同气-液旋流分离腔长度下压降对比图Fig.6 The pressure drop of different gas-liquid cyclone separation chamber lengths注：图7为不同气-液旋流分离腔直径下的气相迁移效率对比图，由图7可知,Dg对分离效率有一定的影响，其中Dg为60 mm时分离效率最高，并随着分离腔直径的增大而降低.在气泡粒径为25 μm至40 μm区间，分离腔直径每增大10 mm，分离效率评价下降10%左右.因此直径较小的气-液旋流分离腔有助于小粒径的气泡分离.图7 不同气-液旋流分离腔直径下迁移效率对比图Fig.7 The migration efficiency of different gas-liquid cyclone separation chamber diameters注：图8为不同气-液旋流分离器直径下压降对比图，由图8可知随着分离腔直径的增大，底流口和溢流口的压力降都降低.由于当旋流腔直径增大后，流体切向速度减小，造成湍动能耗散率减小，从而导致分离效率降低和压力降降低.综合分析，将选择气-液旋流分离腔直径Dg为60 mm.图8 不同气-液旋流分离腔直径下压降对比图Fig.8 The pressure drop of different gas-liquid cyclone separation chamber diameters注：图9为溢流口直径和分流比关系，其中Fo为溢流口分流比.由图9可知，分流比与溢流口直径呈线性关系，最小分流比为16%，最大为25%.分流比的确定对入口含气浓度和分离效率有着重要的影响.本文中初始条件入口含气体积分数为20%，因此选择分流比为20%的溢流口直径30 mm.图9 溢流口直径与分流比关系Fig.9 The relationship between the overflow diameter and the split ratio图10为不同溢流口插入长度Lci下的迁移效率对比图，由于Lci对分离效率的影响很小，在大尺度气泡粒径下分离效率影响不明显，因此选择粒径为18～28 μm 区间进行分析.由对比图可知，当Lci为20 mm时分离效率最高，Lci为30 mm 时分离效率最低.图10 不同溢流口插入长度下迁移效率对比图Fig.10 The migration efficiency of different overflow insert depths注：4 结语设计了新型的油-水-气三相旋流分离器，并进行了可行性验证和优化设计，得到以下结论：a. 通过数值模拟计算方法，证明了油-水-气三相旋流分离器分离的可行性，并且得到了其气体的迁移效率.当气泡粒径为50 μm时，分离效率就能够达到99%以上，当气泡粒径小于40 μm时，分离效率开始下降，并当气泡粒径小于10 μm时，分离效率几乎为零.b. 对气-液分离腔的相关关键尺寸进行优选设计，得到其最佳气液旋流腔长度为203 mm，最佳气-液旋流分离腔直径为60 mm，最佳溢流口插入长度为20 mm；并且得到了溢流口直径与分流比之间的关系式 .致谢本文研究工作得到了湖北省自然科学基金项目(2012FFB04707)、武汉工程大学研究生教育创新基金项目(CX2013080)和武汉工程大学科学研究基金项目资助，在此一并表示衷心感谢.参考文献:[1] 曹学文,林宗虎,黄庆宣,等．新型管柱式气液旋流分离器[J]．天然气工业,2002，22 (2)：71-75.CAO Xue-wen, LIN Zong-hu, HUANG Qing-xuan, et al. A new string type gas-liquid cyclone separator [J]. Natural Gas Industry, 2002, 22(2): 71-75. (in Chinese)[2] 王政威,刘国荣,魏玉垒，等.旋流板式气液分离器减阻杆实验研究[J].环境工程学报,2010,4(11):2571-2574.WANG Zheng-wei, LIU Guo-rong, WEI Yu-lei, et al. Vortex board type gas-liquid separator drag rod experimental research [J]. Chinese Journal ofEnvironmental Engineering, 2010, 4(11): 2571-2574.(in Chinese)[3] 刘伟.轴流式气液分离器试验研究[D].西安：中国石油大学,2007.LIU Wei. Experimental study on the axial gas liquid separator [D].Xian:China University of Petroleum, 2007. (in Chinese)[4] 尤佳丽.内锥式柱状气液旋流分离器结构设计及优化[D].大庆：东北石油大学,2012.YOU Jia-li. Columnar inner cone type gas-liquid cyclone separator structure design and optimization [D]. Daqin:Northeast Petroleum University, 2012. (in Chinese)[5] 周帼彦，凌祥，涂善东，等.螺旋片导流式分离器分离性能的数值模拟与试验研究[J].化工学报,2004,55(11):1821-1824.ZHOU Jin-yan, LING Xiang, TU San-dong, et al. The numerical simulation and experimental research of Spiral diversion separator’s separation performance [J]. CIESC Journal, 2004, 55(11): 1821-1824. (in Chinese) [6] 武汉工程大学．一种油-水-气三相旋流分离器：中国，203355909U[P]. 2013-04-15.Wuhan Institute of Technology. A kind of oil and gas three-phase hydrocyclone separator：china, 203355909U[P]2013-04-15. (in Chinese) [7] 郑小涛，徐成，喻九阳,等.液-液旋流分离器分离特性数值模拟[J].武汉工程大学学报，2014,36(3)：48-52.ZHENG Xiao-tao, XU Cheng, YU Jiu-yang, et al. The numerical simulation of liquid-liquid hydrocyclone separator separation characteristics [J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2014, 36(3): 48-52. (in Chinese)[8] 王海刚,刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较[J].热能动力工程,2003,18(4):337-342.WANG Hai-gang, LIU Shi. The application and comparison of the numerical simulation of different turbulence models in the cyclone separator[J]. Thermal Power Engineering, 2003, 18(4): 337-342. (in Chinese)。
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第２１卷第１２期
１９９３年１２月
石 油 机 械
Ｃ Ｐ Ｍ Ｖｏ１．２１ Ｄｅｃ＂． ＮＯ．１２ １９９３
’Ｊ３ 新型油水分离装置——水 旋流
＼ 大庆石油学院ｊ —垒 宋 华
作者简介贺杰．副教授，生于１９３７年，１９６０年毕业于北京石油
机械专业．现从事Ｉ程圈学及油田地面Ｉ程方 的教学和科研Ｉ作．
器试验，
７中Ｄ’＿）
油矿埔
摘要研究确定１水力旋流器的几何结构及各部分尺寸。试验研究１水力旋流器样机八
口形式及各参数（流量Ｑ 、分流比Ｆ等）对分离性能的影响，并确定了压力降△ 与流ｔｔＱ，－的
关系。试验用水力旋流器的分离效率达９５ 。
搠： 铬试验 １２Ｉ刍南器， ，
近二十年来，在国外．特别是在英、美等国，水力旋流器作为液一液分离装置的研究工作已
取得了许多令人满意的成果。目前国外已有几个公司生产不同型号的液一液分离用水力旋流
器，并将其应用于石油工业中含油污水的处理，在海上油田开发中应用更为广泛。
用于液一液分离的水力旋流器，其原理（图１）与固一液分离
用旋流器相似，都是利用两种互不相溶的介质的密度差．在液流高
速旋转时，受到不同离心力的作用而产生分离 但它们又有较大的
差别，作为固一液分离装置，一般是从较轻的连续性介质中（如水）
分离出较重的分散相介质（如机械杂质），因而只要液体在旋流器
内旋转速度足够大，使较重的分散相介质向容器壁移动而脱离连
续相介质，即可将其从底流１３排出，达到分离的目的；而在液一液
分离时，是从连续介质中分离出较轻的分散相介质。例如，最常见
的是油一水分离用水力旋流器．在处理含油污水时，水是连续相介
质，油为分散相介质。含油污水流经水力旋流器时，旋流的径向加
速度使水向容器壁方向移动，密度较小的油被挤向旋流的中心，与
靠向容器壁的水分离浓缩，在轴线附近形成一个边旋转，边向上移
动的油核，从上部溢流口排出，连续相介质（睁化后的水）从底流口
流出，底流占总流量的大部分，一般应为９ｏ ～９５ 。较轻的分散
田１崔一崔分矗用承
力麓蘸謦工怍康理田
相介质能否被分离，取决于能否沿旋流器轴线形成稳定的轻质分散的“核 ．因此，液体旋转速
度应控制在一个适当的范围内，既要有足够的速度使不同密度的介质分离，又要避免速度过高
时产生较高的切应力使分散相介质破碎而降低分离效率。所以，尽管液一液分离用水力旋流器
从外形上看与固一液分离用水力旋流器相似，但其分离过程及操作参数却有相当大的差别。
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第１２期 新型油本分离装置——水力旋漉器试验 ２７
水力旋硫器做为液一液分离嚣的优点十分突出。它的绪构简单，重量轻，占地面积小，只相
当于处理髂力相同的同类设备体积的２５ ～３３ 。它投有传动件，也投有一般的过滤元件，所
以不存在需经常更换易损件及过滤元件的问题｛其运行费用低，电力消耗只相当于其它同类装
置的ｌ０ 左右１分离效率最高可达９５ ～９９ ｛处理时间仅为几秒钟，是一种高教，节能、安装
方便、成本低的新型液一液分离装置。’
一
、
水力旋流器结构
实验用水力旋流器是用透明有机玻璃制成的，其结构
如图２所示。主体部分由四段组成，上段是圆柱形的旋流
腔，液体从两个切向入口进入旋流腔井高速旋转产生旋漉。
旋流腔下蕊是大椎体段，藏体由旋流腔进入大难体段后，由
于体积缩小，一面加速旋转，一蔚迅速向小锥体段运动。小
锥体段是旋漉器主要的藏－藏分离段．在此县内由于旋流
器直径进一步靖小，两种不同密度的液体所受的径向的离
心力差别加大，加快了分离速度。底部的圈柱段直径比旋流
腔直径小很多，它也能起到一定的分离柞用，但主要作用是
使被分离出的轻质分散相不与净化的的液体一同从底流口
排出。因此，圜柱段的直径及长度也是水力旋流嚣的重要参
数。图２中 太糖体段的小端直径Ｄ称为水力旋流器的主
直径，实验用的水力旋流器的主直径日一３５ｒａｍ．
二、试验情况
翔２水力奠蘸■蟪 霉腰
ｌ一奠蠢脑２一ｊ：●体ｔ
３一 掉直４一＿崔矗
试验装鼍如图３所示。水箱中的水通过主泵抽出与来自油箱的油混合一同进入旋流器进
行分离。通过计量泵可调节进油量，达到调节入口台油浓度的目的．旋藏器的入口，鹿藏口及
溢流口管路上分别安装有流量计、压力计和闸闭，可根据霉耍堋节各部分藏量井ｉ西幕压力．
朋３试验台瘫程匿
ｌ ３一砑【ｔ计２一麓疽嚣４－－水糖５一主幕６一计量幕７－谤糟
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石 油 机 械 摹２１卷
试验甩圬水是通过在水中注入密度为８８５ｋｇ／ｍ’的机油配制而成的，试验过程中，入口总
流量为ｌ～６ｍ，／ｈ 入口古油浓度为０．Ｉ ．在保持入口浓度ｃ 及分漉比，不变的条停下ｔ每改
变一次入口流量Ｑ 便记录一次入口压力Ａ。底流口压力 ，计算出压力降ｄ Ｉ甜出底漉口
浓度０，汁算出相应的分离效率Ｅ。
在室温下进行试验，温度为ｌ５～２０℃，承中的古油浓度甩数字式光导比色计甜定。
Ｉ．水力■漉矗的人口
三、试验结果与讨论
田‘奠蠢●露切向入口示童田
我们在对比水力旋漉嚣螅单入口和双入口两
种情况时发现，在入口息流量不变的情况下，霞入
口丈大优子单入口．双入口时，两十入口分钢位于
旋漉腔上部的切线方向，互为１８ｏ＂．方向相反ｔ见
田４）．掖体从两十切向方向同习《－进入旋漉器。更
有利于在旋漉腔内形成穗定的麓漉，碱步麓漉藏
内液体的搅动．但入口尺寸及形欹也直接髟响水
力旋漉嚣的性托，这一点尚有待深入探讨
２．压力降Ａｐ，
液体通过旋漉嚣的压力降可分两个；（１）△ ＝Ａ一 ，即入口压力Ａ与底漉口净化液博
压力 之差｛（２）△声。＝ 一 ，即入口压力 与整流口液体压力 之差。显然渗啦 非常
重要，因为它标志着液体流经旋漉器的能量损失．设计合理的承力旋流器不但应有较高的分离
效率，而且要有尽可能小的压力降．这样就有可能使旋流器在较低的入口压力下（例如０．５ＭＰａ
以下）运行。
分流比Ｆ为５ 时．实验用旋漉嚣的压力降
△ 与入口总藏量 之间的关系曲线，如图５所
示。压力降与 戚正比，其关系式为
４ ＝０．００５８７Ｑ￣”
随入口流量 的增加，压力降遥渐增加，当
Ｑ，加大到５ｍ。／ｈ时，４ 为０．１７ＭＰａ，此时进入
了水力旋流器的最高效率区。
３．人口流量口．对分离效率 的影响
旋流器的分离效率Ｅ定义为ｔ （ｍ‘／ｈ’
Ｅ （Ｃ 一（ ）／Ｇ＝（１一Ｃ ／Ｇ）￣ｉＯＯ％ 田５术力黼器的压力降
式中，ｃ，——入口液体的古油浓度； ——底流口液体的含油浓度。
入口流量 决定入口的流速，它直接影响液体进入旋瀛腔后的旋转速度，所以Ｑ，是旋藏
器运转的重要参数之一。在入口浓度ｃ．为０．１％时，入口流量Ｑ．与底流口古油浓度０及分离
散率Ｅ的关系曲线，如图６所示．当入口流量Ｑ，小于３ｍ。／ｈ时，底流口液体的古油浓度较高，
●
｛
４
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第ｌ２期 新型油书分离装置——书力旋流器试验 ２９
分离效率较低，小于６０ 。这是由于旋流速度较低许多小油滴未能分离出来的缘故。当入１３流
量Ｑ．大于３ｍ。／ｈ时，分离效率随Ｑ 的增加而提高，入１３流量Ｑ达到５ｍ ／ｈ对，进八最高效率
区，分离效率高达９５％，此时在水力旋流器的轴线附近形成一个较稳定的油核，这 现象在试
验中用肉眼亦可观察到。入口流量Ｇ继续增加，接近６ｍ。／ｈ时，分离效率有下降的趋势。我们
认为，这一现象主要是由两方面的原因造戚的。其一是由于Ｑ过大时，液体的旋转速度增加，
使油滴承受更大的切应力而破碎，加速了油乳化，使分离更加困难｛其二是由于液体在旋流腔
内的运动比较复杂，除圆周方向的旋流外，还存在其它方向的附加搅动，干扰了分离作用。Ｑ，
越大，甜加搅动也越大，所以对一定尺寸的旋流器，有一个最佳处理量区。本旋流器的最佳处理
量为５～６ｍ’／ｈ。 。
４．分流比，
旋流器的分流比Ｆ定义如下：
ｎ
Ｆ＝ ×ｌ００
式中， ——旋流器入１３流量；Ｑ。——溢
流口液体流量。 ０
显然，底漉１３流量 ＝Ｑ 一Ｑ一所
以，分流比Ｆ的大小决定了Ｑ，与‘ 的
比例。旋流器的操作，须考虑分流比的大
小，分流比过大（如超过２０ ），从溢流
口排出的液体中必然带有大量的水。此
时． …’ １
匿６＾口瘴■与底瘴维麈盈分离赦事的美摹
时，尽管底流口液体含油浓度很小，其意义也不大。试验采用的分流比为５ ，此时，从溢流口
排出的液体含油浓度最高可达１．７ ，分离效果是理想的。
总之，水力旋流器作为油水分离装置是大有前途的，我们的工作只是初步的探索性的研
究，在理论分析与试验研究上有许多问题尚待进一步解决。
参 考 文 献
１ （英）Ｌ斯瓦罗夫斯基．固液分离．第二版．朱企新，金鼎五等译．北京：化学工业出
版社，１９９０
（收幡Ｅｌ期：１９９３—０４—２６）
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