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油/水分離液 - 液圓柱CYCLONE*
劉海飛，徐鏡宇著
朱盼譯
[摘要]：在這篇文章油/水分離液 - 液旋流器的實(shí)驗(yàn)研究中，確定了分流比和流量對油/水分離性能的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：分流比增加，油/水分離效率提高。首先，我們需要找出最佳的分流比。超出最佳的分流比，在含水量保持恒定的情況下，溢出的油含量會(huì)降低。旋流器內(nèi)的油芯結(jié)構(gòu)的形成和相位分布的過程是由數(shù)值模擬完成的。此外，對分離效率的雷洛數(shù)和分流比基于量綱分析，比較之間的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能得出很好的印證。
[關(guān)鍵詞]：圓柱旋風(fēng)，油/水分離，分流比，流量，含水率
介紹：
????隨著陸上油田的老化和海洋石油領(lǐng)域的大規(guī)模開采，多相分離技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)幾大油田的油氣水分離裝置，多相分離器仍主要是基于對這些傳統(tǒng)的分離技術(shù)，如重力沉降和電解分離。由于到深海的平臺(tái)安裝受設(shè)備的空間和重量的限制，重要的是要開發(fā)緊湊和高效的油/水分離器。
?將數(shù)種分離器的使用分離方法合并并利用其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高效的分離。最近，他們已經(jīng)吸引了石油行業(yè)的濃厚興趣。力學(xué)研究所，中國科學(xué)學(xué)院按照組合共同使用的原則，重力，膨脹和離心分離器，并已成功應(yīng)用于幾個(gè)陸上油田。最近提出了一種新型的管道線式油/水分離器。這種新的分離系統(tǒng)享有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：緊湊型的幾何形狀，分離效率高，維修方便。圓柱氣旋是一個(gè)新穎的管道式的油/水分離器的主要組成部分。
?圓筒形旋流器是一個(gè)垂直的切向入口管和兩個(gè)出口，使用離心分離技術(shù)，它是一個(gè)簡單的，緊湊的，低重量和低成本的分離器。圖1是圓筒形旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖。兩種不混溶液體形成的混合物通過切向入口流動(dòng)到筒狀的旋流器一個(gè)強(qiáng)有力的回旋流場中。由于密度差的密度越大,分量傾向于積聚壁附近的和螺旋的底部出口（下溢），而較輕的成分流入的圓筒形旋流器，以形成反向流動(dòng)的纖芯區(qū)域，從頂部出口溢出。圓筒形旋流器的機(jī)理是很象傳統(tǒng)的水力旋流器，但用的圓筒形旋流器的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如更穩(wěn)定的油芯，更大的容量和更低的壓力損失。最初，圓筒形氣旋分離，用的氣 - 液混合物，氣 - 液的圓筒形旋流器。他們成功地投入使用，在石油工業(yè)中。在近十年中，液 - 液圓柱氣旋分開油/水mixture.Most的相關(guān)研究，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在圓柱氣旋預(yù)測多相流特性，流場以及分離機(jī)構(gòu)的性能，研究主要集中在圓柱氣旋。在本文中，提出了一種高效的液 - 液圓筒形旋流器，揭示了分流比和流速對油/水在液 - 液的圓筒形旋流器的分離性能的影響。為了進(jìn)一步了解在旋風(fēng)油/水分離和相位分布的詳細(xì)過程，進(jìn)行數(shù)值模擬out.Finally，通過三維分析，一個(gè)簡單的模型是建立在預(yù)測的分離效率上的。
1實(shí)驗(yàn)裝置和程序
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)研究所，中國科學(xué)院學(xué)報(bào)上的多相流設(shè)施。油/水分離系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）供給模塊，包括相儲(chǔ)罐，液相泵，流體流量計(jì)和混合物分離器，（2）液 - 液圓筒形旋流器，由透明的有機(jī)玻璃管，用來目視觀察的油/水分配，這是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件，如圖3中所示，（3）數(shù)據(jù)采集模塊，包括控制臺(tái)，相體積分?jǐn)?shù)檢測裝置，泵的壓力換能器和camera.In實(shí)驗(yàn)中，將水和油從它們各自的儲(chǔ)罐，進(jìn)入管道通過一個(gè)丁字路口。在混合之前，水的流速由橢圓齒輪流量計(jì)測量流速的電磁流量計(jì)和油計(jì)量。將混合物沿著一根4米長的水平管，然后通過一個(gè)噴嘴，再讓大的橫截面面積的20％的截面位于旋流器入口切向引入到筒狀氣旋的樣品的移動(dòng)設(shè)備和一個(gè)壓力傳感器位于上面的入口和每個(gè)插座。上溢和下溢管中的閥門，允許流率離開的圓筒形旋流器的控制。放置一個(gè)攝像頭記錄下油/水分離過程。在分離流溢出和下溢流進(jìn)入分離器后進(jìn)一步根據(jù)重力分離。最后，油和水會(huì)流回到油箱和水箱。
所有實(shí)驗(yàn)均在室溫溫度和大氣的出口壓力。圓柱氣旋在這項(xiàng)研究中所使用的主要幾何尺寸如下：D = 0.05米，Di = 0.05 米 Do= 0.05米，Du= 0.04 米，L = 0.9米，H = 0.1米，所示如圖3所示。水和白油作為試驗(yàn)液體。主相是水,密度為998公斤/米和0.001千克/立方米·秒的粘度值。第二階段油的密度和粘度是840千克/立方米和0.215千克/米·秒，分別對水流量率變化為2.5米/小時(shí)，油8.75米/小時(shí)，從4％到30％的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。我們總共有195個(gè)實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)。
2結(jié)果和分析
2.1油/水分離分流比的影響
?分流比，定義為溢出的液體流速和入口的液體流速之間的比率，其中一個(gè)最重要的操作para-m。在下面將要討論分流比對油/水分離效果上的影響。
??2.1.1含水率
?在給定的進(jìn)氣條件下，指定的分流比例是通過調(diào)節(jié)球閥出水管調(diào)節(jié)的。圖4示出的圖片序列中的分流比對油芯形狀的影響。在進(jìn)氣口的表面的水和油的流速，0.743米/秒和0.182米/秒，進(jìn)油餾分為19.7％。油/水混合物在離心力的作用被分離后，切向引入到氣旋，但油芯的形狀是不明確的，并且大部分油與水由下溢管溢出。當(dāng)分流比增加至24.2％，可以看出，在底流中有少量石油。在流分流比為27.4％或31.4％，在旋流器中的油芯的形狀是很清楚的，只有干凈的水，觀察中的下溢。然后，當(dāng)分流比達(dá)到35.6％，油進(jìn)入氣旋直接排放從溢流管，并在旋流器中無油芯形成。
??分流比對中的下溢的含水率的影響，如圖5所示為水的分流比的函數(shù)作圖。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)水的流量是固定的，入口的燃油流量逐漸增大。水的速度的研究被認(rèn)為是在輸入油的體積分?jǐn)?shù)為4％至30％不等。在圖5中，表面的水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢钥闯?，與上面水切下溢的分流比的影響是類似的。以水流速為0.743米/ s為例子，表面油速度0.037米/秒，0.072米/秒，0.182米/秒，0.282米/秒和0.315米/秒，其中產(chǎn)量的油量分?jǐn)?shù)為4.7％ ，8.8％，分別為19.7％，27.5％和29.8％。目標(biāo)分流比下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn) ，而輸入柴油餾分是固定的，隨著分流比下溢的增加，水切割，表示增加分流比，可以提高在旋流器中的油/水分離。它也可以被觀察到，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比在旋流器中，當(dāng)僅干凈的水，觀察中的下溢和盡快的分流比是大于該值的，實(shí)驗(yàn)為油/水分離進(jìn)一步改善。對于不同的輸入油的體積分?jǐn)?shù)，這些最佳分流比也發(fā)生了變化。在這些條件下，最佳的分流比是15.3％，22.5％，27.4％，37.1％和38.5％，分別。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過分離在CYC，底流中的油的體積分?jǐn)?shù)可以被減少到百萬分之一以下的值。
2.1.2溢出的含油量
??圓筒形旋流器的溢流含有大量的油。通過油/水分離，我們不僅應(yīng)該有干凈的水溢，但我們也應(yīng)該有純油溢出或至少有一個(gè)油價(jià)高體積分?jǐn)?shù)盡可能高。圖6顯示了在溢出的油分含量的分流比的影響。圖6（a）和6（b）表示的情況下，地表水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒。可以觀察到，在溢出的油分含量的分流比的影響是類似的。根據(jù)目標(biāo)輸入油的體積分?jǐn)?shù)，與分流比的增加，在溢出的油含量先增大然后減小。這是因?yàn)樵诘土髁糠指畋戎挥猩倭康囊后w彈出從溢流出口和油芯的中心形成的旋風(fēng)不能成功被夾帶在溢流流體中。雖然分流比例適當(dāng)增加了更多的液體會(huì)從溢流口流出。但是，如果分流比要高得多，油芯不能與溢流排出，和一定量的水混合成的油芯，并在溢出流夾帶，導(dǎo)致增加的油含量。從圖6還可以看出，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比的溢出。與流過下溢，為低輸入油的體積分?jǐn)?shù)，例如4.7％，8.8％和19.7％，在實(shí)驗(yàn)中的情況下，這兩個(gè)最佳分流比的最佳分流比比較類似的，但油體積分?jǐn)?shù)高達(dá)27.5％和29.8％時(shí)，溢出的最佳分流比是遠(yuǎn)低于該下溢的。????
2.2流速對油/水分離的影響
相同的入口油體積分?jǐn)?shù)下的含水率和相同的分流比的混合物的流速與在圖7中示出。在實(shí)驗(yàn)過程中，油體積分?jǐn)?shù)和分流比分別為10％和20％。隨著流量的增加，離心力增大，因而在旋流器中分離的油/水的流量的不斷增加，在該點(diǎn)后，使含水急劇下降。這些現(xiàn)象可以解釋如下：在旋流器中的油/水分離過程中，入口流率的顯著增加可以使油滴打破了由于過度的剪切力和紊流，在高流速低的壓力（通常為圓筒形旋流器軸線），在該混合物中溶解的氣體將被釋放，并阻礙了分離。
2.3數(shù)值模擬
? 到目前為止，我們已經(jīng)討論了圓柱形旋風(fēng)的油/水分離性能，從宏觀的角度來看，由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的限制，這是很難很好地模擬在旋流器中的多相流動(dòng)特性。為了進(jìn)一步了解油/水的詳細(xì)分離過程，在圓筒形旋流器的相位分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。圓柱氣旋的數(shù)值模擬是基于商業(yè)CFD代碼“Fluent6.3.26”，采用有限體積法離散微分方程描述的多相流。強(qiáng)大的漩流旋風(fēng)，旋風(fēng)采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）捕捉到湍流的各向異性。被施加到模擬的油/水的二相流的Euler多相流模型。給出如下的數(shù)學(xué)模型。
2.3.2邊界條件
在數(shù)值模擬中的圓筒形旋流器的幾何尺寸如圖1所示。共使用3.5×10?網(wǎng)格單元。將水和油是用來作為測試液體。在入口處，一個(gè)速度入口條件被指定。正確指定的湍流參數(shù)和正常速度及各相的相體積分?jǐn)?shù)。定義下溢和溢出的邊界條件基礎(chǔ)上的流量和出口壓力。簡單的算法是用于壓力速度耦合和二階迎風(fēng)計(jì)劃，被應(yīng)用到插入字段變量控制量的面孔。迭代過程繼續(xù)進(jìn)行，直到連續(xù)性殘余被減少到1.0×10-6，對兩個(gè)出口相流率進(jìn)行監(jiān)視，以判斷圓筒形旋流器的流動(dòng)穩(wěn)定與否。
?2.3.3數(shù)值結(jié)果
圖中顯示了圓筒形旋流器數(shù)值模擬的油芯結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)發(fā)展。入口的水和油的表面速度為0.5米/秒和0.1米/秒，下溢和溢流出口之間的壓力差為0.75千帕，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測量，可以觀察到圓筒形氣旋初始填充，水與油/水的混合物被引入到氣旋，由于離心力的存在，水相流向旋流器的壁，而油相被積累在中心。經(jīng)過大約26 s的計(jì)算，相分布在圓柱氣旋變得相當(dāng)穩(wěn)定，油分芯變形非常小。
??在旋流器中的油相的橫截面的分布，圖9中給出。圖9（a）示出的油芯結(jié)構(gòu)和其他三個(gè)數(shù)字（B，C和D）示出的油相的輪廓線的距離為2，6和10相差的水平入口管直徑，與相差的進(jìn)樣口的距離的增加，油芯變成更修長，并最終消失。油體積分?jǐn)?shù)在中心和旋流器壁附近的低得多。在旋流器中的相位分布是不對稱的，因?yàn)閱蝹€(gè)入口安排MENT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證上述模型。圖10顯示了比較的水切割之間的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)線表示模擬的解決方案。對于那些低流量分割比例，最大相對通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差不超過2.7％，這表明，上述模型可以預(yù)測油/水二相流在圓筒形旋流器分離相當(dāng)不錯(cuò)。
3分離效率預(yù)測
圓筒形旋流器的分離效率取決于許多參數(shù)，主要包括結(jié)?構(gòu)參數(shù)，操作參數(shù)和物理參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)是主要的圓筒形旋流器的幾何尺寸，如旋流器直徑D，氣缸的高度H。可以觀察到，從圖11（一），對于不同的雷諾數(shù)，分流比和下溢的含水的功能之間的關(guān)系是相同的。實(shí)曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖嵌合。此外，所有的曲線遵循相同的玻爾茲曼分布。比較實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算的。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)值是±2％的偏差區(qū)域內(nèi)。之間找到一個(gè)合理的合適的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值。圖12（b）表示溢出的油分含量的實(shí)驗(yàn)值與從方程（14）獲得計(jì)算出的值進(jìn)行比較，可以看出，式（14）描述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分在±10％之內(nèi)。
?4。結(jié)論
進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中的液 - 液圓筒形旋流器來模擬油/水分離的分流比和流速對分離效率的影響,也進(jìn)行了數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解油芯結(jié)構(gòu)的形成過程中的相位分布的圓柱氣旋。從結(jié)果來看，可以得出的主要結(jié)論如下：（1）分流比是一個(gè)影響油/水液 - 液的圓筒形旋流器分離效率的關(guān)鍵參數(shù)。分離效率隨著分流比的增加而增加。但也有一定的入口條件下的最佳分割比例。分割比率高于最佳則被認(rèn)為是干凈的水溢流和含水保持恒定，而在溢出的油含量因分割比進(jìn)一步增加開始減小。（2）適當(dāng)增加入口流量可以提高油/水分離效率。然而，一個(gè)極端的高流率可能會(huì)妨礙由于油/水乳化和溶解的氣體的分離。（3）圓筒形旋流器被引入到油相后，由于離心力的存在下，蓄積在中心。相位分布往往是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約幾秒鐘后，含水量數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明該數(shù)值模型來預(yù)測油/水兩相流的圓柱氣旋相當(dāng)不錯(cuò)。（4）通過一維分析，分離效率的雷諾數(shù)和分流比的函數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出相同的趨勢，之間得到良好的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是對下溢，含水的偏差在±2％之內(nèi)。
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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
院（系） 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 班級(jí)
學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師/職稱
1. 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：
旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
2. 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間： 年 月 日～ 年 月 日
3．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
（1）分離物系：工業(yè)污水
（2）處理量：60m3/h；
（3）油質(zhì)量分?jǐn)?shù)：2%；
（4）分離要求：油＜20mg/L
4．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）應(yīng)完成的主要內(nèi)容
（1）完成一篇與設(shè)計(jì)相關(guān)的英文翻譯，譯后中文不少于3000字；
（2）完成油水分離器的設(shè)計(jì)，并撰寫設(shè)計(jì)說明；
（3）繪制分離器的裝配圖及主要零部件圖（零部件圖至少3張）；
（4）繪制設(shè)備及主要零部件的三維效果圖；
5．畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的目標(biāo)及具體要求
（1）學(xué)會(huì)查閱文獻(xiàn)資料的方法
（2）知道分離原理及方法
（3）能夠?qū)τ退蛛x設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（4）會(huì)用繪圖軟件繪制裝配圖、零件圖繪制和三維效果圖
（5）學(xué)會(huì)文檔排版的基本知識(shí)
6、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求
（1）設(shè)計(jì)手冊等相關(guān)資料
（2）上機(jī)200小時(shí)，用于繪圖和撰寫論文
任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教研室（系）主任（簽字）
任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字）
完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名）
II
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))學(xué)生工作手冊
院 （系）：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
～ 學(xué)年
年 月至 年 月
教 務(wù) 處 編 制
旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
1.研究目的和意義
目前煉油廠對含油污水的處理，一般采用“老三套”技術(shù)，“隔油-浮選-生化”。多年來的實(shí)踐證明，該技術(shù)比較簡單且實(shí)用，但二級(jí)加藥浮選存在著下述問題:如二次提升污水，能耗較高，油水分離時(shí)間較長（30-60min)，建筑占地面積較大，特別是投加大量藥劑后，產(chǎn)生大量浮渣，對浮渣的處理投資大，操作復(fù)雜，如不妥善處理，則會(huì)造成二次污染等。
旋液式油水分離器是一種新型的具有效率高、處理量大、質(zhì)量輕、體積小、本身無運(yùn)轉(zhuǎn)部件、維修和管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
據(jù)BWN Rortoil公司統(tǒng)計(jì)，截至1988年止，全世界巳有18臺(tái)這種裝置在運(yùn)行，另有7臺(tái)正在建造中，其中處理量最大的為30210m3/d，處理后的出水含油量小于5mg/L。
撫順石化公司石油一廠與大連理工大學(xué)合作進(jìn)行了兩年多的試驗(yàn),成功開發(fā)了 XYF-5型旋液式油水分離器，取得了較滿意的結(jié)果。結(jié)果表明，煉油廠含油污水在該器中停留2-3s，不投加任何藥劑，處 理后的出水含油量可降至15mg/L以下，達(dá)到了生化進(jìn)水水質(zhì)要求，可以代替二級(jí)加藥劑的壓力浮選程的目的，具有很好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。
2.旋流器的發(fā)展特點(diǎn)
它的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到各行各業(yè)。從其可分離的類型上看，除了對完全溶解于液體介質(zhì)的物質(zhì)不能分離(溶于液體中的氣體，在水力旋流器中也可部分地分離)，以及對乳化液難于分離(可加入破乳劑后再行分離)外，其它的兩相或三相介質(zhì)均可分離。如液--固、氣--固、液--氣、液--液、液--氣--固三相的分離，甚至密度不同，或形狀不同的兩種固體顆粒亦
可用水力旋流器分離。同時(shí)，對水力旋流器的操作特性許多學(xué)者作了專門研究，對它的應(yīng)用場合，運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇與確定都有了合理的依據(jù)。因此，水力旋流器在實(shí)際應(yīng)用中大都取得了很好的分離效果，經(jīng)濟(jì)效益可觀。許多學(xué)者專門研究了水力旋流器各部分幾何參數(shù)的合理確定的問題，研究了幾何尺寸變化對分離性能的影響，如，溢流口徑和底流口徑的形狀及大小的改變、圓錐角的變化、尾管長度等，從而逐漸得出了幾組合理的幾何尺寸。
再次，水力旋流器的設(shè)計(jì)與制造方面，固一液水力旋流器已有幾種定型的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)經(jīng)使用證明較為合理。其中以Rietema，Bradley和Kelsall的三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最普遍，效果最好．他們的選擇與比例放大也有自己的關(guān)系式，這些關(guān)系式都是通過試驗(yàn)推出的，具有半經(jīng)驗(yàn)性。液一液水力旋流器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，最為合理的是Thew等人的設(shè)計(jì)，他們在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研充。其效果十分明顯。但液一液水力旋流器的選擇與比例放大的理論工作。目前還很不完善，沒存提出什么合理的可供遵循約關(guān)系式。水力旋流器的制造技術(shù)也大大提升了，在保證精度以確保水力旋流器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性前提下，制造方法不斷改善。最明顯的是液一液水力旋流器的制造，許多國家巳用非金屬材料(如聚胺酯等)代替金屬材料，用注塑方法加工生產(chǎn)．同時(shí)將幾個(gè)水力旋流器制造在一個(gè)外殼內(nèi)，加大了處理量，又降低了成本。
總之．水力旋流器出于其特珠的分離機(jī)理及結(jié)構(gòu)持證，使它成為獨(dú)具一格的一種分離裝置．在一定的應(yīng)用場合它比任何其它的分離設(shè)備更便于使用。特別是在石油工業(yè)．尤其是今后三次采油技術(shù)的全面推廣后，水力旋流器的應(yīng)用將更為廣泛。可以預(yù)見．今后若干年內(nèi)，它必將發(fā)揮巨大的效益．在我國石油工業(yè)等部門中獲得更廣泛的應(yīng)用。
3. 工作原理
將需要分離的兩相混合液以一定的壓力從旋流器圓筒體上部的切向進(jìn)料口注入，從而在器內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于輕重兩相的密度差異，重相沿錐體器壁向下，形成外旋流并在下部的底流口排出，而輕相則受流體的拽力向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并被向上的內(nèi)旋流由溢流口帶出從而完成兩相的分離。
液--液水力旋流器的分離原理，與固--液分離十分相似。它是利用兩種混合在一起但不互溶的液體之間的密度差，在水
力旋流器體內(nèi)進(jìn)行離心分離。但液--液分離要比固一液分離困難得多，其主要原因是：①一般兩種液體之間的密度差較小，如油與水的密度差一般只有0.1至0.2g/cm3。左右，而固--液兩種介質(zhì)之間的密度差常常較大，有時(shí)會(huì)有幾倍的差別。②分散相的液體介質(zhì)，不論其密度較連續(xù)相液體介質(zhì)大或小，都是以小滴的形式存在。這些液淹沒有固定不變的形狀，在力的作用下極易變形，有時(shí)甚至?xí)屏?。因此．兩種液體混合的介質(zhì)在水力旋流器中分離時(shí)．既要求液流在水力旋流器體內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，以保證液滴有足夠的力沿徑向方向移動(dòng)，又要防止液滴在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到過大的切向剪應(yīng)力致使液滴破碎，分裂成更細(xì)小的液滴，導(dǎo)致分離更加困難。這都是液--液分離水力旋流器的應(yīng)用較固--液水力旋流器晚了近一百年的原因。
下面進(jìn)一步分析一下液--液分離的過程。兩種液體介質(zhì)的混合物由入口切向進(jìn)入旋流腔后，在內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流。然后由旋流腔經(jīng)過很短的大錐角段后，迅速過渡到錐角很小面長度較大的小錐角段，其后進(jìn)入一個(gè)長度較大直徑較小的圓拄狀尾管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)使進(jìn)入旋流腔后高速旋轉(zhuǎn)的液體很快收縮到細(xì)長的小錐角段內(nèi)，這一段直徑變化緩饅，旋轉(zhuǎn)加速度的變化趨于緩和。同時(shí)，液體渦流在細(xì)長的小錐角段及尾管中存留時(shí)間稍有增加，而液滴在小直徑孔中沿徑向向軸線移動(dòng)的路徑就短，液滴受到的切向力也減小。因之，分散相液滴在連續(xù)相介質(zhì)中的分離更平穩(wěn)，分離的機(jī)率大大增加。在保證液滴分離的同時(shí)，減少了其破碎的幾率，即使部分液滴破碎成更小的尺寸，也會(huì)在長的小錐角段甚至在尾管中進(jìn)一步分離出。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的這些要求，決定了液--液用水力旋流器比同直徑的固--液水力旋流器的長徑比大很多，因而總長度也大好幾倍。
在液--液分離中，連續(xù)相介質(zhì)可能比分散相介質(zhì)重(如從水中分離出所含的少量油)，也可能比分散相介質(zhì)輕(如從油中分離所含的少量的水)。以上兩種不同的情況的分離，原理相似，但水力旋流器的結(jié)構(gòu)會(huì)略有不同。分散相介質(zhì)較連續(xù)相介質(zhì)輕時(shí)，兩種介質(zhì)混合物在水力旋流器體內(nèi)分離時(shí)，輕質(zhì)分散相向軸線附近移動(dòng)，形成輕質(zhì)分散相的核心，并向上從溢流口排出，而分散相介質(zhì)較重時(shí)，它在水力旋流器體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)向器壁移動(dòng)，并向下從底流口排出。所以溢流口與底流口直徑及水力旋流器的其它某些結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)根據(jù)分散相介質(zhì)的濃度及性質(zhì)而做相應(yīng)的改變。
此外，由于液體在水力旋流器體內(nèi)形成渦流．而渦流中心處的壓力最低．溶于液體內(nèi)的氣體會(huì)分解出，在軸線財(cái)近形成一個(gè)“氣核”。個(gè)論固--液分離與液--液分離。這個(gè)氣核都是存在的。實(shí)踐證明．這個(gè)氣核的存在不會(huì)影響分離過程．有時(shí)還對分離有利。
與固--液分離相同，用水力旋流器進(jìn)行液一液分離也是不完全分離。從溢流中排出的液體并不完全是輕質(zhì)相介質(zhì)，會(huì)同時(shí)排出少量重質(zhì)相介質(zhì)。而從底流中排出的液體，不可避免地會(huì)含有少量輕質(zhì)相介質(zhì)。但只要操作變量控制恰當(dāng)，分離效率完全可達(dá)到90％~95％以上，有的液--液分離水力旋流器約分離效率高達(dá)98％，能滿足一般分離要求。
4選型設(shè)計(jì)方法及思路
液-液旋流器的選型設(shè)計(jì)方法與固-液旋流器相同，其設(shè)計(jì)方法有2種。第1種是根據(jù)幾何尺寸對壓降、處理量、分離效率的影響情況,選擇各部分幾何尺寸。這種設(shè)計(jì)方法需要掌握各設(shè)計(jì)變量與水力旋流器性能的定量關(guān)系。當(dāng)然，已有許多經(jīng)驗(yàn)理論和模型可以利用，除特定的旋流器外,這些理論和模 型只能給出近似估算。第2種方法是選擇標(biāo)準(zhǔn)的水 力旋流器，按其相似準(zhǔn)則和幾何尺寸比例關(guān)系，進(jìn)行 計(jì)算和比例放大，這樣能夠得到較可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果。第2種設(shè)計(jì)方法實(shí)際是相似設(shè)計(jì)法，也就是按照設(shè)計(jì)參數(shù)處理量 、壓降"和粒徑的要求，選擇性能優(yōu)良的旋流器，用其相似準(zhǔn)數(shù)關(guān)系和幾何 尺寸比例關(guān)系，計(jì)算設(shè)計(jì)旋流器，在旋流器選型設(shè)計(jì)中常采用該方法。
5閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱
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6研究的內(nèi)容及主要任務(wù)
（1）學(xué)會(huì)查閱文獻(xiàn)資料的方法
（2）知道分離原理及方法
（3）能夠?qū)τ退蛛x設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（4）會(huì)用繪圖軟件繪制裝配圖、零件圖繪制和三維效果圖
（5）學(xué)會(huì)文檔排版的基本知識(shí)
7設(shè)計(jì)時(shí)間安排
時(shí) 間
階段
內(nèi)容與任務(wù)
成果
5-7周
畢業(yè)實(shí)習(xí)
了解設(shè)計(jì)相關(guān)的技能
資料收集、實(shí)習(xí)日志、實(shí)習(xí)報(bào)告
8-9周
設(shè)計(jì)準(zhǔn)備
進(jìn)行深入的調(diào)查和國內(nèi)外文獻(xiàn)查閱、確定設(shè)計(jì)思路和步驟
外文翻譯、開題報(bào)告
9-11周
方案設(shè)計(jì)
完成旋液式油水分離器數(shù)據(jù)計(jì)算和分析,進(jìn)行廣泛的設(shè)計(jì)方案構(gòu)思
計(jì)算數(shù)據(jù)，工藝結(jié)構(gòu)
12-14周
深入設(shè)計(jì)
進(jìn)行fluent模擬實(shí)驗(yàn)并完成零件圖和裝配圖
電子圖與設(shè)計(jì)說明書綱要
15-16周
末期設(shè)計(jì)
完成設(shè)計(jì)所有環(huán)節(jié)，定型打包，設(shè)計(jì)說明書的編寫
設(shè)計(jì)說明書
17周
答辯準(zhǔn)備
設(shè)計(jì)過程中所有文件的檢查修改、答辯用材料的編寫
畢業(yè)設(shè)計(jì)、電腦演示、論文答辯提綱、視頻課件制作
教師意見：
指導(dǎo)教師簽字： 日期：
X
XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目 名 稱 旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí)_________
學(xué) 生 姓 名
指 導(dǎo) 教 師
輔 導(dǎo) 教 師_________
開題報(bào)告日期
XX大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)教師評審意見
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
畢業(yè)論文
(設(shè)計(jì))題目
旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師
職 稱
評審日期
評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評審意見：
指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
XX大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評閱教師評語
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
畢業(yè)論文
(設(shè)計(jì))題目
旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
評閱教師
職 稱
評閱日期
評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評語：
評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
XX大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
畢業(yè)論文
(設(shè)計(jì))題目
旋液式油水分離器設(shè)計(jì)
答辯時(shí)間
年 月 日 時(shí)
答辯地點(diǎn)
一、答辯小組組成
答辯小組組長：
成 員：
二、答辯記錄摘要
答辯小組提問（分條摘要列舉）
學(xué)生回答情況評判
三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_______分
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評分的相關(guān)規(guī)定)
等級(jí)(五級(jí)制)：_______
答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日
院(系)答辯委員會(huì)主任(簽名)： 院(系)(蓋章)
XIII
旋液式油水分離器的設(shè)計(jì)
學(xué)生：
指導(dǎo)老師：
[摘要]:目前，水力旋流器在油田采出液預(yù)分離和含油污水處理中逐步推廣應(yīng)用。水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、效 率高、體積及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。對水力旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)關(guān)系進(jìn)行了分析。通過改進(jìn)與優(yōu)選水力旋流器結(jié)構(gòu)，得到旋 流器單體的雙入口結(jié)構(gòu)理想型式為反渦線、大小錐段為圓弧過渡形式。同時(shí)簡要分析了高次曲線與正余切曲線結(jié)構(gòu)的 錐段過渡形式，確定出合理的水力旋流器單體旋流腔長度為65 mm。經(jīng)過理論研究和對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系 模型的水力旋流器較常規(guī)結(jié)構(gòu)的水力旋流器有更高的分離效率。
水力旋流器是利用強(qiáng)離心力場來實(shí)現(xiàn)有一定密度差且不互溶物系分離的離心 沉降設(shè)備。目前油田在無動(dòng)力加工環(huán)境中的單井作業(yè)無法進(jìn)行機(jī)械脫水處理，一 直采用裝原油的容器下加煤炭火燒加溫、攪拌、沉淀、分解的老方法進(jìn)行脫水處 理。這種方法不但極易引起火災(zāi)，而且原油損耗大、勞動(dòng)強(qiáng)度髙、工作效率低， 以及對環(huán)境造成極大污染。該方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在油田生產(chǎn)的需要。
水力旋流法是由英國南安普頓大學(xué)（Southampton)研究成功的一種具有80 年代先進(jìn)水平的含油污水處理新方法。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、成本低， 從它問世之日起，就得到了世界各國的重視。現(xiàn)在，旋流分離已作為重力分離的 一項(xiàng)替代技術(shù)，成為世界國際油田地面工程中的主體技術(shù)和重要裝備。
在前期對液-液旋流分離器流量壓降特性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)及物性參數(shù)對液- 液旋流分離效率的影響;提出了液-液旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，認(rèn)為建立性能優(yōu)良的旋流器模 型數(shù)據(jù)庫，是選型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。
[關(guān)鍵詞]：水力旋流器；分離效率；入口 ；錐段；溢流管；旋流腔；底流管
[Abstract:] At present, the hydrocyclone in oilfield produced gradually promote the use of liquid separation and oily sewage treatment. Hydrocyclone has the advantages of simple and compact structure, high efficiency, small volume and area etc.. On the relationship between the structure and the parameters of the hydrocyclone are analyzed. Through the improvement and optimization of hydrocyclone, get double entrance structure of ideal type cyclone monomer for the vortex line, size of the taper section is arc transition form. At the same time, a brief analysis of the cone transition form high-order curve and curve structure, reasonable length of single bodied whirl cavity of hydrocyclone has been determined as 65 mm. It has been discovered that through theoretical study and contrast test，the hydrocyclone that possessing relation model of structural parameters hasmore higher separation efficiency than hydrocyclones with conventional structures.
Cyclone separators are used in various kinds of industries to separate materials of different densities. By creating a strong swirl, large centrifugal forces in the process mixture are generated and due to differences in density the materials will separate. At present in petroleum industry, single well cannot proceed mechanical dehydration treatments with not power. It always taken heat up and deposit method to dewatering, such means not only bring fire and crude oil waste large, labor intensity high, and it have badly influence on environment. Now that approach had insatiability oil fields produce demand.
Hydraulic power method was newly oil-water separation method. It was invented by Britain Southampton University in 1980s. For it structure simplicity, separation efficiency high, and cost low. From it appearance, that has been got widely recognition. In the not far future, rotational flow separate will certainly replace gravitational separation technology, became 21 century international oil field primary equipment.
Based on the experiments aiming at studying flowrate and pressure drop performance，geometric parameters， operating parameters and liquid characteristic parameters influence on separate efficiency are analyzed. Optimal structure design method and process of liquid-liquid separate hydrocyclone are brought forward. It's thought that the database of best hydricyclone model is the basic and premises about optimal structure design.
[Keywords]: hydrocyclone； separation efficiency； entrance； conicsection； overflow pipe; whirl cavity； underflow pip
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