油水分離用水力旋流器流動機(jī)理和應(yīng)用研究

楊陽

摘要：在油水分離領(lǐng)域水力旋流器是一種新型的分離設(shè)備，其主要是充分利用離心力來最終實(shí)現(xiàn)油水的有效分離。首先對旋流器進(jìn)行了簡單闡述，并在此基礎(chǔ)上對油水分離水力旋流器分離機(jī)理進(jìn)行了探討。作為一種新型的油水分離器，水力旋流器實(shí)際應(yīng)用過程中取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】水力旋流器；污水處理；油水分離；應(yīng)用分析

引言

水力旋流器主要是起源于管內(nèi)旋流運(yùn)動清除空氣中塵埃的基本原理。自19世紀(jì)80年代末水力旋流器出現(xiàn)以來其一直在不相容的兩種介質(zhì)分離中得到了廣泛的應(yīng)用。而且，在發(fā)展過程中及應(yīng)用范圍也越來越廣。在上世紀(jì)90年代，我國的一些油田充分利用水力旋流器而實(shí)現(xiàn)油水分離預(yù)處理以及含油污水的凈化處理。作為一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的分離設(shè)備，水力旋流器在油田發(fā)展過程中發(fā)揮出了非常大的作用。

1 旋流器基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用的液-液旋流器主要是在通過對液-固旋流器進(jìn)行總結(jié)改進(jìn)后最終形成的，整個旋流器主要是由圓筒段、大椎段、小錐段、維管段等幾個部分組成[1]。

1.2 工作原理

具有一定壓力的油水混合物通過切向位置進(jìn)入到旋流器內(nèi)部，然后在旋流器的內(nèi)部進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。密度相對較小的油會逐漸向旋流器軸心方向運(yùn)動，并最終形成方向向上的內(nèi)旋流油核；密度相對較大的水分則逐漸向旋流器內(nèi)壁方向運(yùn)動，逐漸形成了方向向下的外旋流。油水實(shí)現(xiàn)分離后最終會從溢流口排出；而經(jīng)過脫油后的水分則會通過旋流器底部流口排出。

2 機(jī)理分析

2.1 入口流量.

對于旋流器來說入口流量是一個非常重要的操作參數(shù)。當(dāng)油水混合物進(jìn)入到水力旋流器內(nèi)部的時候，會在強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)力場作用下最終實(shí)現(xiàn)油水分離。增大流量，可以進(jìn)一步提升旋流器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)力場，從而使得油水分離，分離速率增加，但與此同時，在強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)力作用下，最終會導(dǎo)致油滴劇烈震蕩產(chǎn)生破碎，油滴逐漸變小，從而使得油水分離難度加大，更多的油會隨著水分從旋流器的底部流出，而由于旋轉(zhuǎn)力的作用增加，使得油水兩相在旋流器內(nèi)部停留時間進(jìn)一步減小，在各種因素的綜合作用下，最終導(dǎo)致油水兩相分離效率不斷下降；而如果入口流量過小，雖然會導(dǎo)致油水兩相混合物在旋流場內(nèi)部長時間停留，但是由于旋流器內(nèi)部產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度過小，導(dǎo)致油水很難出現(xiàn)分離。通常情況下，固定結(jié)構(gòu)的旋流管都具有一定的高效流量范圍，而在這一流量范圍內(nèi)最大流量與最小流量之間的比值就就經(jīng)常被當(dāng)作是旋流器的流量調(diào)節(jié)比，流量調(diào)節(jié)的大小在很大程度上能夠反映出旋流器對于液流量波動適應(yīng)性，如果流量調(diào)節(jié)比相對比較大，則說明旋流器對波動有較強(qiáng)的適應(yīng)性，通常情況下，旋流器流量調(diào)節(jié)比會處于3-6之間。

2.2 油滴粒徑

在所有影響旋流器分離效果的因素中含油污水中的油滴粒徑是非常重要的一項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合stokes定律可以知道，隨著油滴粒徑的不斷增大，油水分離的難度也會越來越大。如果將不同數(shù)值下油滴的粒徑以及相應(yīng)的分離效率作為基本參數(shù)就能夠繪制出相應(yīng)的效率曲線。通過油滴粒徑與流量的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油滴的粒徑為75μm的時候，油滴粒徑會隨著流量不斷的增大而呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，而當(dāng)油粒的粒徑為50μm的時候，隨著流量的不斷增大，油滴粒徑會不斷下降，并沒有表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。這也充分說明，在流量不斷增大的過程中，旋流管內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)力場會不斷增強(qiáng)，從而使得油水分離效果進(jìn)一步增加。但隨著流量持續(xù)增大，旋轉(zhuǎn)力場強(qiáng)度過大最終導(dǎo)致油滴出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。由于上述兩種顆粒直徑范圍內(nèi)的油滴破碎的幾率非常大，從而導(dǎo)致其分離效果下降[2]。

2.3 分流比

對于水力旋流器來說，溢流富油流量與入口流量之間的比值就是其分流比，分流比的大小通常情況下都是由溢流和底流實(shí)際的含油濃度來決定，有效提升水力旋流器的分流比，溢流和底流實(shí)際的含油濃度都會相應(yīng)減小，這樣就能有效提升分離效率，但是溢流含水量會相應(yīng)增加。利用增加分流比的方法來提升分離效率具有一定的限制性。經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力旋流器分流比超過一定數(shù)值的時候，其實(shí)際分離效率與分離流有大小基本上不會產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，較輕的油會在旋流器的內(nèi)部經(jīng)過旋流場的作用后最終形成油核，并且會在壓力梯度的作用下從水力旋流器溢流口排出。分流比的實(shí)際大小對中心油核的長度、形狀以及穩(wěn)定程度不可避免的都會產(chǎn)生一些影響。增大分流比，會導(dǎo)致旋流器有效分離長度增加；與此同時，液體在高速運(yùn)動下其慣性也會不斷增加，會導(dǎo)致軸心位置的油核實(shí)際的波動幅度減小，能進(jìn)一步提升油核的穩(wěn)定性，由此進(jìn)一步提升旋流器實(shí)際的分離效率。隨著分流比進(jìn)一步增加，會導(dǎo)致水分也會進(jìn)入油核中，同時也會使得油水兩相從入口位置直接進(jìn)入溢流的短路流現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，從而使得旋流器分離性能遭到破壞。分離效率也不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升，還會造成溢流中含水量迅速增加。而分流比較小，會造成油核呈現(xiàn)出細(xì)長的狀態(tài)，有效分離長度也會縮短，對油滴進(jìn)入油核也會形成一定的阻礙，從而使得油水分離效率下降。

3 結(jié)束語

通過分析油滴在旋流器內(nèi)部的受力情況，可以知道水力旋流器理主要是利用離心加速度取代重力加速度實(shí)現(xiàn)油水分離，高效的運(yùn)行特征也與此有緊密的聯(lián)系。通過分析旋流管內(nèi)部的流動機(jī)制以及分離機(jī)理，并對影響旋流分離器的因素進(jìn)行了研究，為旋流器優(yōu)化運(yùn)行提供可靠依據(jù)，采用油水分離用旋流器處理含油污水具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]付星星，魏偉勝，徐建. 水力旋流器在廢油基鉆井液的處理與回收中的應(yīng)用[A]. 中國化工學(xué)會.中國化工學(xué)會2011年年會暨第四屆全國石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)論壇論文集[C].中國化工學(xué)會：，2011：5.

[2]呂憲俊，崔學(xué)奇，邱俊. 水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離性能研究[A]. 東北大學(xué)礦物材料與粉體技術(shù)研究中心、中國金屬學(xué)會選礦專業(yè)委員會、中國選礦學(xué)會粉體工程學(xué)術(shù)委員會、遼寧省硅酸鹽學(xué)會非金屬礦專業(yè)委員會.第十三屆全國粉體工程及礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用研討會論文專輯[C].東北大學(xué)礦物材料與粉體技術(shù)研究中心、中國金屬學(xué)會選礦專業(yè)委員會、中國選礦學(xué)會粉體工程學(xué)術(shù)委員會、遼寧省硅酸鹽學(xué)會非金屬礦專業(yè)委員會：，2007：5.