液-液水力旋流器分離效率深度提升技術(shù)探討

宋民航，趙立新，徐保蕊，劉琳，張爽

（1 中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所,北京 100190；2 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

水力旋流器利用液流高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有密度差不互溶介質(zhì)間的離心分離，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離快速、成本及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、動(dòng)力發(fā)電、污水處理等涉及多相分離的領(lǐng)域均獲得了一定應(yīng)用。其中，液-液水力旋流器的研究主要起始于20世紀(jì)60 年代，首先應(yīng)用于油水兩相介質(zhì)的分離[1]，隨著研究深入及技術(shù)升級(jí)，其用途也在不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步擴(kuò)展到了氣-液-固、液-液-固等多相分離領(lǐng)域。

隨著我國(guó)及世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)保、能源及節(jié)能問題的日益關(guān)注，對(duì)工業(yè)設(shè)備的高效及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高要求。在油田開采領(lǐng)域，我國(guó)主力油田普遍進(jìn)入中高含水開采期，隨著聚驅(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，含聚污水采出量逐年增多，一方面增加了開采費(fèi)用，同時(shí)由于含聚污水黏度大，加大了地面分離的工藝難度，進(jìn)一步降低了開采經(jīng)濟(jì)性。在該背景下，對(duì)液-液水力旋流器而言是重大機(jī)遇，但也同時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步提升水力旋流器的分離效率、深化其高效運(yùn)行性能是目前急需解決的重要問題。從旋流分離機(jī)理考慮，能否實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒徑分散相的高效分離是制約旋流分離效率深度提升的一大難點(diǎn)[2]。這是由于在給定處理液物性參數(shù)條件下，分散相粒徑越小，其高速旋轉(zhuǎn)過程中受到的徑向遷移力越小，越難于分離。以油田污水為例，油相中主要包含浮油、分散油和乳化油等[3]，其中，浮油和分散油約占總油量的90%，且粒徑相對(duì)較大，浮油粒徑一般在100μm 以上，分散油粒徑多位于10～100μm之間，盡管乳化油的含量很低，但其粒徑通常小于10μm，容易造成這部分難于分離的微小油滴未經(jīng)分離直接排出，制約著分離效率的深度提升。

目前，在提升水力旋流器分離效率方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了豐富的研究工作，具體涉及旋流器局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使液流在流入旋流腔內(nèi)部的過程中更加平穩(wěn)，減小局部湍流強(qiáng)度，由此產(chǎn)生了漸開線形、渦線形及螺旋線形等入口結(jié)構(gòu)[4]。為了抑制溢流管附近短路流造成的負(fù)面效果，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有螺旋形和曲面形外壁的溢流管[5]，以及在溢流管入口前端增加中心曲面錐用以降低分散相直接由溢流管流出的概率[6]。在旋流腔結(jié)構(gòu)方面，Larsson[7]通過將旋流腔內(nèi)壁設(shè)計(jì)為螺旋形階梯狀，用以降低液流旋轉(zhuǎn)過程中的能量損耗，實(shí)現(xiàn)在增加處理量的同時(shí)，分離效率也得以提升。針對(duì)常規(guī)雙錐水力旋流器，Petty等[8]將柱狀旋流腔拉長(zhǎng)并取消了錐段結(jié)構(gòu)，研究表明旋流器內(nèi)部的湍流程度減弱，利于流場(chǎng)穩(wěn)定，緩解了強(qiáng)湍流下造成的分散相剪切破碎，但由于缺少錐段的速度補(bǔ)償作用，在入口速度較大情況下才能保持較好的分離效果。針對(duì)旋流器的圓錐段，魏可峰等[9]研究提出，為了避免小錐角容易出現(xiàn)的“底流夾細(xì)”及大錐角容易造成的“溢流跑粗”現(xiàn)象，可通過構(gòu)建多段錐角來提高水力旋流器的分級(jí)效率。Nunes 等[10]采用多孔陶瓷材料加工錐段，結(jié)合了旋流分離及過濾分離優(yōu)勢(shì)來強(qiáng)化分離過程，但研究發(fā)現(xiàn)采用多孔材料后，旋流場(chǎng)及中心油核的穩(wěn)定性變差，分離特性還有待進(jìn)一步研究。此外，針對(duì)旋流器的入口形式，聶濤[11]系統(tǒng)對(duì)比了采用軸向入口與切向入口旋流器間的流動(dòng)、壓力及能量分布特性，分析得到軸流式旋流器內(nèi)液流流動(dòng)更加平穩(wěn)，有助于提升整體分離效率。針對(duì)入口分散相濃度較高的固液分離工況，Li等[12]通過適當(dāng)增大入口速度，明顯提高了旋流分離效率。國(guó)內(nèi)科研院所，包括江漢石油機(jī)械研究所[13]、四川聯(lián)合大學(xué)[14]、中國(guó)石油大學(xué)[15-16]、北京石油化工學(xué)院[17]、東北石油大學(xué)[18]等研究單位均先后開展了液-液水力旋流器的分離機(jī)理及應(yīng)用技術(shù)研究，并獲得了豐富的理論及實(shí)驗(yàn)研究成果[13-19]，推動(dòng)了液-液旋流分離技術(shù)的快速發(fā)展。

為進(jìn)一步提升水力旋流器的分離效率，本文在總結(jié)已有理論及研究成果基礎(chǔ)上，從影響旋流分離效率的關(guān)鍵物理因素出發(fā)，提出促進(jìn)旋流分離過程的多種技術(shù)方案，為旋流分離效率的深度提升提供一定理論及技術(shù)支撐。

1 水力旋流器分離效率提升路徑分析

1.1 水力旋流器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 給出了兩種典型液-液水力旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖。以圖1(a)所示的雙錐水力旋流器為例，主要包括圓柱段、大錐段、小錐段、處理液切向入口、低密度介質(zhì)流出的溢流管及高密度介質(zhì)流出的底流管六部分。溢流管和底流管可采用上下端反向布置，也可位于同側(cè)同向布置[20]。在水力旋流器工作過程中，液流由切向入口進(jìn)入，在旋流器內(nèi)部進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，液流的高速旋轉(zhuǎn)將促使具有密度差的不互溶介質(zhì)間發(fā)生離心分離，使密度小的介質(zhì)向軸心運(yùn)動(dòng)，而密度較大的介質(zhì)則向壁面遷移，并最終由不同的出口排出，實(shí)現(xiàn)旋流分離過程。水力旋流器內(nèi)的液流流線大致呈螺旋形，并隨著與入口距離的增大，促進(jìn)離心分離的切向速度將迅速衰減，為了減緩切向速度衰減，在距液流入口一段距離處布置了呈漸縮結(jié)構(gòu)的大、小錐段，使液流沿軸向的過流截面積逐漸減小，迫使沿切向的單位面積內(nèi)液流流量增多，從而增大切向速度，以此補(bǔ)償切向速度衰減造成的能量損失。此外，部分類型水力旋流器為了提高分級(jí)效率，也采用了多錐段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[21-22]。

在水力旋流器內(nèi)，切向速度在數(shù)值上遠(yuǎn)大于軸向及徑向速度，是決定分散相所受徑向遷移力大小的重要因素之一。對(duì)于理想流體，雙錐水力旋流器內(nèi)的液流旋轉(zhuǎn)半徑r與切向速度vt間的關(guān)系可表示為vtrn=常數(shù)，圖2 給出了沿旋轉(zhuǎn)半徑r方向的理論切向速度vt分布，圖中坐標(biāo)原點(diǎn)O位于旋流器的中心處。根據(jù)切向速度變化規(guī)律，可將液流流動(dòng)分為位于內(nèi)側(cè)的強(qiáng)制渦區(qū)與外側(cè)的自由渦區(qū)，二者共同形成了位于旋流器內(nèi)部的組合渦結(jié)構(gòu)。對(duì)于強(qiáng)制渦區(qū)，其特征為切向速度vt與旋轉(zhuǎn)半徑r呈正比，該區(qū)域流速分布主要受流體黏性力影響，整體流動(dòng)近似剛體旋轉(zhuǎn)，此時(shí)指數(shù)n=1。而在自由渦區(qū)，隨著旋轉(zhuǎn)半徑r的增大，切向速度vt逐漸減小，屬于未有外界能量補(bǔ)充的勢(shì)流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，此時(shí)指數(shù)n=-1。沿旋轉(zhuǎn)半徑方向的整體切向速度分布梯度變化較大，最大切向速度vtmax出現(xiàn)于強(qiáng)制渦與自由渦的相接處。由于實(shí)際流體自身及與壁面間存在的黏性力和摩擦力等因素共同作用，實(shí)際n值大小將發(fā)生變化[23]，從而改變對(duì)分離效率影響較大的vt分布，因此實(shí)際切向速度分布與圖2 有所差異。對(duì)于如圖1(a)所示的雙錐水力旋流器，強(qiáng)制渦及自由渦主要存在于圓柱段、大錐段及小錐段內(nèi)，受結(jié)構(gòu)尺寸及速度衰減等的影響，其分布位置及變化規(guī)律也有所不同。此外，對(duì)于不同類型的水力旋流器而言，強(qiáng)制渦及自由渦的分布位置及變化規(guī)律也存在較大差異。適當(dāng)增大各渦內(nèi)的切向速度及增強(qiáng)旋流場(chǎng)穩(wěn)定性，將有利于提升旋流分離效率。

圖2 水力旋流器內(nèi)部典型切向速度分布

基于圖1(a)所示的雙錐水力旋流器設(shè)計(jì)原理，Zhao 等[24]進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖1(b)所示的內(nèi)錐水力旋流器，即加大圓柱段長(zhǎng)度并取消大錐段、小錐段，通過在圓柱段內(nèi)設(shè)置內(nèi)錐體，同樣能夠形成內(nèi)錐與圓柱段內(nèi)壁之間的漸縮結(jié)構(gòu)，用以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)液流的切向速度損失。研究表明，由于采用了切向底流出口，該類型旋流器的軸向長(zhǎng)度大幅縮短，并有利于低密度分散相在內(nèi)錐表面的聚結(jié)長(zhǎng)大，受錐面的托舉作用，容易由中心溢流管流出，且壓力損失大幅降低。同時(shí)，由于設(shè)置內(nèi)錐后，底部形成的環(huán)腔面積逐漸縮小，切向旋流速度增大，對(duì)底部的環(huán)腔壁面起到了一定清洗作用，也有利于防止液流中存在的重相機(jī)雜造成的沉積堵塞。

1.2 提升旋流分離效率的可行性路徑

在旋流場(chǎng)內(nèi)，分散相的停留時(shí)間t及所受到的徑向遷移力F是決定旋流分離效率的重要參數(shù)。其中，分散相停留時(shí)間t的主要影響因素包括旋流場(chǎng)的幾何尺寸、連續(xù)相的流速大小及連續(xù)相與分散相間的滑移速度等，而以上參數(shù)主要取決于水力旋流器的結(jié)構(gòu)及尺寸、布置工藝、運(yùn)行參數(shù)以及處理液自身的物性參數(shù)。徑向遷移力F大小主要由分散相所受到的離心力Fa、徑向壓力差產(chǎn)生的徑向力Fp及斯托克斯阻力Fs所決定，徑向遷移力F可表示為式(1)[25]。

由式(1)可見，在未引入輔助介質(zhì)（聚合物或氣浮等）條件下，對(duì)于給定處理液（也就是ρo、ρw和μ值確定），決定徑向遷移力F大小的主要因素為分散相粒徑d、分散相切向速度vt和分散相距軸心的徑向距離r?；诖耍瑥囊陨嫌绊懶鞣蛛x效率的關(guān)鍵物理因素出發(fā)，提出了如圖3所示的旋流分離效率深度提升的可行性路徑。下文中如無(wú)特殊說明，均采用油水兩相介質(zhì)對(duì)提升旋流分離效率的思路原理進(jìn)行說明。

圖3 水力旋流器分離效率深度提升的可行性路徑框圖

2 旋流分離效率深度提升的若干思考

2.1 延長(zhǎng)分散相在旋流場(chǎng)內(nèi)停留時(shí)間

旋流器內(nèi)部液流在旋轉(zhuǎn)過程中的能量衰減，決定了不能單純依靠增大旋流器軸向長(zhǎng)度來延長(zhǎng)分散相在旋流場(chǎng)內(nèi)的停留時(shí)間，通常采用的方法是將兩級(jí)甚至多級(jí)旋流器進(jìn)行串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)分散相停留時(shí)間及強(qiáng)化旋流分離過程的目的。圖4給出了水力旋流器兩級(jí)串聯(lián)的典型工藝布置，入口處理液經(jīng)第一級(jí)旋流器發(fā)生分離后，部分未經(jīng)分離的分散相油滴（以小粒徑為主）由底流排出，并進(jìn)入到第二級(jí)旋流器內(nèi)進(jìn)行再次分離。通常為了促進(jìn)對(duì)小粒徑分散相的分離，第二級(jí)旋流器的直徑要小于第一級(jí)。由于整體工藝通過多段管路及閥門等進(jìn)行連接，整體工藝系統(tǒng)占地空間相對(duì)較大，難以靈活布置于有限狹小空間內(nèi)，因此在空間緊湊性和經(jīng)濟(jì)性上有待進(jìn)一步提高。

圖4 水力旋流器兩級(jí)串聯(lián)的典型工藝布置

在采油井下分離領(lǐng)域，借助油水分離設(shè)備對(duì)生產(chǎn)層的采出液進(jìn)行預(yù)分離，將低含水的采出液舉升至地面，同時(shí)，分離出的水直接回注到注入層，能夠提高高含水油井的開采經(jīng)濟(jì)性。東北石油大學(xué)針對(duì)該需求，對(duì)應(yīng)用于井下有限空間內(nèi)的水力旋流器進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，通過對(duì)旋流器單體結(jié)構(gòu)[26-27]、管柱內(nèi)流道布置[28]、過渡段結(jié)構(gòu)[29]及連接方式[30]等的系統(tǒng)優(yōu)化，最終確定了兩級(jí)串聯(lián)布置的井下旋流分離工藝。井下兩級(jí)串聯(lián)旋流器結(jié)構(gòu)及油相體積分?jǐn)?shù)分布如圖5所示[31]，第一級(jí)為預(yù)分離旋流器，采用軸向螺旋流道入口結(jié)構(gòu)，并在一級(jí)外錐段布置了錐形分流體用于穩(wěn)流，第二級(jí)為脫油型旋流器，采用常規(guī)雙切向入口水力旋流器。由圖5(b)中數(shù)值計(jì)算得到的油相體積分?jǐn)?shù)分布可見，第一級(jí)預(yù)分離旋流器首先使混合介質(zhì)中大部分油相形成中心富油流，并從一級(jí)溢流口排出。而后，少量油相伴隨著大量水相進(jìn)入第二級(jí)脫油型旋流器進(jìn)行二次分離，使富水相得到進(jìn)一步凈化。通過對(duì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，得到實(shí)驗(yàn)室條件下的最佳分流比范圍在30%～35%，最佳處理量為4.8～5.1m3/h。在優(yōu)化參數(shù)下，其分離效率可達(dá)到92%以上[31]。在相同物性參數(shù)處理液條件下，相比于多種典型水力旋流器單體，分離效率可提升1%～4%[26-27,32]。該技術(shù)在油田的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，在產(chǎn)油量基本不變情況下，能夠使油井產(chǎn)液量和含水率大幅降低，使含水率超過98%的油井具備經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值。針對(duì)井下油水分離，鐘功祥等[33-34]結(jié)合了旋流分離原理及超親水油水分離膜材料，設(shè)計(jì)了基于膜分離的井下水力旋流器。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果表明，在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)，針對(duì)含水體積分?jǐn)?shù)大于80%的油水混合液，能夠?qū)崿F(xiàn)出水含油濃度達(dá)到井下直接回注標(biāo)準(zhǔn)。目前，隨著同井注采技術(shù)的不斷進(jìn)步，井下油水分離技術(shù)正向著高效、低成本、智能化的方向持續(xù)發(fā)展[35]。

圖5 井下兩級(jí)旋流分離裝置結(jié)構(gòu)及油相體積分?jǐn)?shù)分布

本文作者課題組進(jìn)一步將兩級(jí)旋流器進(jìn)行有機(jī)集成，形成了一種更加緊湊的二次分離水力旋流器[36]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及油相體積分?jǐn)?shù)分布如圖6 所示。在該旋流器中，第一級(jí)和第二級(jí)分別結(jié)合了內(nèi)錐旋流器[圖6(a)]和雙錐旋流器[圖6(b)]的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，將原第一級(jí)切向底流出口與原第二級(jí)切向入口優(yōu)化為共用螺旋流道，同時(shí)將原第一級(jí)的內(nèi)錐與原第二級(jí)的溢流管合二為一，形成中空內(nèi)錐及雙層同軸溢流管，從而形成了如圖6(c)所示的二次分離水力旋流器。通過該設(shè)計(jì)，使兩級(jí)串聯(lián)旋流器的軸向長(zhǎng)度縮短30%以上，且無(wú)需附加管路及裝置進(jìn)行連接。由圖6(d)的油相體積分?jǐn)?shù)分布可見，在兩處溢流口處均有大量油相聚集，同時(shí)，底流口橫截面的含油量甚少，反映出其較好的分離性能。

圖6 緊湊型二次分離水力旋流器結(jié)構(gòu)及油相體積分?jǐn)?shù)分布

2.2 增大分散相直徑

分散相粒徑越大越有利于液流旋轉(zhuǎn)過程中的快速分離，而氣攜式旋流分離是通過增大油滴復(fù)合體的粒徑促進(jìn)其徑向遷移過程的典型方法[37-38]，即在旋流分離的基礎(chǔ)上，結(jié)合了氣浮選原理，通過將微氣泡引入旋流場(chǎng)，使氣泡與油滴聚集形成油氣復(fù)合體，相比于純油滴，復(fù)合體的直徑增大，同時(shí)密度減小，有利于增大油滴自身的徑向遷移力及分離效率。針對(duì)氣攜式水力旋流器，其注氣方式有：在旋流器入口引入氣體；在圓柱段或錐段某處引入氣體；圓柱段或錐段壁面采用微孔材料，氣流通過微孔形成均勻氣泡群。圖7為在常規(guī)雙錐水力旋流器[圖1(a)]上應(yīng)用微孔材料形成的氣攜式水力旋流器，可以分別在圓柱段、大錐段、小錐段單獨(dú)注氣或者進(jìn)行組合注氣。針對(duì)微孔直徑大小和注氣段位置選取的研究結(jié)果表明，在入口含油質(zhì)量濃度為1000mg/L 條件下，采用平均孔徑為20～40μm 的微孔材料以及在小錐段進(jìn)行注氣，可獲得最佳的分離效率[37]。

圖7 采用微孔材料的氣攜式旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

液滴聚結(jié)技術(shù)也是目前普遍采用的增大分散相粒徑方法。在入口處理液中添加聚合物，促進(jìn)微粒徑分散相間聚結(jié)為更大的液滴，相關(guān)研究結(jié)果表明，適當(dāng)范圍內(nèi)增加聚合物含量，有利于提高旋流分離效率，但增加過多后反而會(huì)增大流動(dòng)阻力，改變流場(chǎng)分布，帶來負(fù)面效果。相比之下，靜電聚結(jié)法具有快速、清潔、高效的特性，通常無(wú)需添加化學(xué)藥劑且不產(chǎn)生附加污染物，對(duì)于含小粒徑油滴的油水混合液適應(yīng)性更強(qiáng)[39-40]。在不增加聚合物及附加設(shè)備條件下，利用旋流自身特性實(shí)現(xiàn)在水力旋流器的入口前端，將處理液中小粒徑分散相聚結(jié)為更大粒徑，也是一種典型的聚結(jié)方法，如在旋流器入口前端增加用于液滴聚結(jié)的旋流聚結(jié)器[41][圖8(a)]，促進(jìn)微粒徑分散相聚結(jié)的螺旋管[圖8(b)][42]，以及更加集成化的聚結(jié)旋流分離器[圖8(c)][43]。

圖8 基于旋流聚結(jié)思路的微粒徑分散相聚結(jié)器

除采用旋流聚結(jié)思路增大油滴粒徑外，具有親油疏水性能的高分子材料也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油滴的聚結(jié)效果。英國(guó)Opus公司開發(fā)了一種Mares Tail管式聚結(jié)器[44]。該聚結(jié)器的內(nèi)部填充了具有親油疏水性能的聚丙烯纖維介質(zhì)，能夠促進(jìn)微小油滴在纖維表面的吸附、碰撞及聚結(jié)長(zhǎng)大。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，增加該聚結(jié)器后，除油效率由增加前的40%增大到了65%，分離效率整體提高了40%。在沙克特公司的PECT-F 技術(shù)中[45]，采用一種纖維聚結(jié)材料的濾芯安裝于多管并聯(lián)水力旋流器的入口或上游區(qū)域，在某海上平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果表明，可使油滴粒徑增大至30μm，旋流分離后的出水含油濃度小于5mg/L。該類型聚結(jié)器在長(zhǎng)期運(yùn)行中應(yīng)減少或避免入口液流所夾帶的顆粒物等固相物質(zhì)，防止聚結(jié)器內(nèi)部纖維的堵塞問題。

考慮到分散相液滴的粒徑越大，其表面積越大，在徑向遷移過程中，對(duì)周圍小液滴的碰撞聚并概率越大，從而產(chǎn)生了反轉(zhuǎn)入口流道的聚結(jié)旋流分離方式[46]，該分離方式結(jié)合了螺旋聚結(jié)及反轉(zhuǎn)入口結(jié)構(gòu)，將聚結(jié)形成的大粒徑分散相油滴導(dǎo)向至旋流腔內(nèi)壁附近流入，使在大粒徑油滴向中心運(yùn)移過程中，與周圍小粒徑油滴的碰撞聚并概率增大，聚結(jié)后的油相共同向溢流管運(yùn)移并排出。相比于圖8所示的幾種旋流聚結(jié)思路，該方法在確保旋流器入口前端聚結(jié)效果的同時(shí)，進(jìn)一步利用了聚結(jié)后大粒徑液滴對(duì)微小粒徑液滴的良好聚并效果，構(gòu)建了旋流器內(nèi)部的聚結(jié)過程。在此基礎(chǔ)上，本文作者課題組進(jìn)一步構(gòu)建了粒徑梯級(jí)聚結(jié)的旋流分離方式[47]，如圖9 所示，其特點(diǎn)是在旋流腔上部的溢流管外側(cè)，依次梯級(jí)布置有三層通道，并共同位于呈錐狀的梯級(jí)聚結(jié)室內(nèi)部。入口處理液首先經(jīng)外側(cè)螺旋管聚結(jié)后，靠近內(nèi)側(cè)的大粒徑油滴直接通過內(nèi)切向入口送入旋流腔內(nèi)壁附近，而剩余分散相油滴（主要為中、小、微粒徑油滴）由外切向入口進(jìn)入梯級(jí)聚結(jié)腔內(nèi)，由于梯級(jí)聚結(jié)室采用漸縮結(jié)構(gòu)，將加快進(jìn)入其內(nèi)部油滴的高速旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中，粒徑相對(duì)較大的中粒徑油滴將更容易向中心運(yùn)移，并率先流入靠近外側(cè)的中粒徑通道，而后，小、微粒徑油滴依次流入位于內(nèi)側(cè)的小粒徑通道和微粒徑通道，從而在旋流腔上部由外至內(nèi)，形成油滴粒徑由大到小的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)液滴在向中心遷移過程中，由大到小的梯級(jí)高效聚結(jié)，促進(jìn)旋流分離效率的深度提升。

圖9 分散相梯級(jí)聚結(jié)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖及聚結(jié)原理

在對(duì)高密度分散相的旋流分離領(lǐng)域，付鵬波等設(shè)計(jì)了一種進(jìn)口顆粒排序型旋流器，其結(jié)構(gòu)原理如圖10 所示。為了提高對(duì)細(xì)小顆粒的分離效率，在旋流器入口前端布置了顆粒排序器，利用離心力場(chǎng)對(duì)進(jìn)入旋流器入口處的不同大小顆粒進(jìn)行排序，使難分離的小粒徑顆粒由旋流器進(jìn)口的外側(cè)和下側(cè)進(jìn)入，降低小顆粒在靠近溢流口進(jìn)入時(shí)由溢流口直接排出的可能性，有利于對(duì)不同大小顆粒高效分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，入口平均粒徑為15.7μm 時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的分離效率可達(dá)98.3%，相比于增加顆粒排序器前提升了6.4%，尤其對(duì)于PM2.5的分離效率提升了15%～20%[49]。對(duì)比分散相油滴的梯級(jí)聚結(jié)（圖9）及顆粒的重新排序（圖10）思路，目的均是使不同粒徑分散相在旋流器進(jìn)口處于有利于分離的位置。主要區(qū)別在于，針對(duì)油相分離，進(jìn)一步結(jié)合了液滴間自身的碰撞聚結(jié)特性及大粒徑液滴與周圍液滴碰撞概率大的優(yōu)勢(shì)，增大對(duì)小粒徑液滴的聚結(jié)長(zhǎng)大概率，達(dá)到提升整體分離效率的目的。

圖10 進(jìn)口顆粒排序型旋流器結(jié)構(gòu)及顆粒排序示意圖

2.3 減小分散相旋流半徑

在水力旋流器實(shí)際應(yīng)用過程中，入口處理液中分散相的粒徑分布往往位于較大的尺寸范圍，其中粒徑小于10μm 的份額也可能占有一定比重[3]，通常對(duì)于這部分微小粒徑分散相的旋流分離效率較差，甚至未經(jīng)分離直接排出，嚴(yán)重制約著整體分離效率的提升。通常，為了促進(jìn)這部分微小粒徑分散相的分離，常設(shè)計(jì)采用直徑較小的水力旋流器，通過減小旋轉(zhuǎn)半徑，加大分散相所受到的徑向遷移力，促進(jìn)其快速分離。以對(duì)直徑為1～56μm的鈦白粉（TiO2）進(jìn)行旋流分離為例[50]，采用的旋流腔直徑較小，為20mm，整體旋流器長(zhǎng)度僅為159mm，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖11 所示。盡管該旋流器能夠?qū)崿F(xiàn)在0.4m3/h 入口處理量條件下，優(yōu)化分離效率達(dá)到90%以上，但難以滿足大處理量及寬分散相粒徑范圍條件下的高效旋流分離需求。

圖11 應(yīng)用于鈦白粉分離的小直徑水力旋流器

為了實(shí)現(xiàn)大處理量及寬粒徑范圍下的高效旋流分離，本文作者課題組進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于粒徑重構(gòu)梯級(jí)分離的水力旋流器[51]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及油相體積分?jǐn)?shù)分布如圖12 所示。這里同樣以油水兩相處理液為例進(jìn)行說明，考慮到大粒徑油滴在較大直徑旋流腔內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)高效分離[圖12(a)]，而對(duì)于微小粒徑油滴則需要直徑較小的旋流腔以增大其所受到的徑向遷移力[圖12(b)]，因此在該種旋流分離方式中[圖12(c)]，直接將小直徑旋流腔置于大直徑旋流腔內(nèi)部，從而構(gòu)建了同時(shí)適用于大小粒徑油滴高效分離的兩層同軸旋流室。并且，在切向入口前端設(shè)置對(duì)油水混合物具有預(yù)分離作用的彎管結(jié)構(gòu)（也可為螺旋管或其他能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)分離的結(jié)構(gòu)），將油水混合液預(yù)分離成富含小粒徑油滴和富含大粒徑油滴的兩股液流，并分別沿切向送入內(nèi)、外層旋流腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)基于油滴自身粒徑大小構(gòu)建合適的徑向遷移力。此外，也可根據(jù)預(yù)分離效果，設(shè)置三層或以上的旋流室。目前，針對(duì)該旋流分離思路的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明[圖12(d)]，通過對(duì)分散相的粒徑重構(gòu)及梯級(jí)分離，在大直徑旋流腔的內(nèi)側(cè)及小直徑旋流腔的中心處，均形成了明顯的高濃度油相分布，并分別由雙層同軸溢流管排出。并且細(xì)小油滴的去除效率明顯提高，整體分離效率相比于優(yōu)化前提高了2.85%[52]。

圖12 基于粒徑重構(gòu)梯級(jí)分離的水力旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及油相體積分?jǐn)?shù)分布

2.4 增大分散相旋流切向速度

由1.2 節(jié)的分析可見，理論上增大分散相的切向速度將促使其快速分離，但對(duì)于前面所介紹的靜態(tài)水力旋流器，實(shí)際運(yùn)行中的切向速度過高將使高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)帶來的剪應(yīng)力增大，這種剪應(yīng)力會(huì)使分散相或聚結(jié)體破裂，加大分離難度，尤其對(duì)于液-液分離時(shí)，入口速度更須控制在一定范圍內(nèi)[53]。相比之下，動(dòng)態(tài)水力旋流器是通過增大切向速度提升旋流分離效率的成功代表[54]，圖13 給出了一種典型動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖，處理液由左側(cè)軸向入口流入，經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉片的啟旋作用后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)一步帶動(dòng)其內(nèi)部液流進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)旋流分離過程。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：利用外殼旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，旋流室內(nèi)切向速度基本不受其所在位置影響，克服了靜態(tài)水力旋流器中由于液流流動(dòng)速度衰減引起的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度下降問題；由于不依靠靜態(tài)水力旋流器的入口液流能量驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使湍流效果相對(duì)減弱，即使對(duì)10μm的油滴仍有75%左右的分離效率[55]，因此，整體分離效率要高于靜態(tài)水力旋流器[56]。其不足在于，傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力旋流器需要外接動(dòng)力源，增加了設(shè)備成本及運(yùn)行費(fèi)用[25]，且由于設(shè)置了徑向尺寸較大的旋轉(zhuǎn)葉片，將一定程度上造成對(duì)上游來液分散擾流的負(fù)面效果。

圖13 典型動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

為了減輕動(dòng)態(tài)水力旋流器中旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)上游來液的分散擾流作用，Enviro Voraxial Technology（EVTN）公司在早期設(shè)計(jì)提出了Voraxial 葉片誘導(dǎo)旋流分離技術(shù)， 而后該技術(shù)于2017 年被Schlumberger 公司收購(gòu)[57]。該技術(shù)的主要技術(shù)特征在于采用一種高速旋轉(zhuǎn)的無(wú)剪切、無(wú)阻塞葉輪誘導(dǎo)產(chǎn)生徑向及軸向流動(dòng)，促進(jìn)兩相或三相介質(zhì)的旋流分離，且運(yùn)行過程中，無(wú)需對(duì)入口含油量波動(dòng)、分散相濃度或流量等入口參數(shù)進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。目前，已形成了三種型號(hào)尺寸的緊湊型移動(dòng)處理裝置，處理范圍在5～1100m3/h[58]。在國(guó)內(nèi)方面，姬宜朋[59]設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖14 所示的軸向渦流分離器。主體結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、渦發(fā)生器、靜止錐筒、輕相收集管等組成。其特點(diǎn)是在渦發(fā)生器的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁固定有高度和長(zhǎng)度均小于轉(zhuǎn)鼓半徑和長(zhǎng)度的漸變螺旋葉片。通過構(gòu)建的加速區(qū)、穩(wěn)流區(qū)及靜止錐筒內(nèi)的離心力場(chǎng)，強(qiáng)化多相介質(zhì)的旋流分離。采用該分離器處理某油田生產(chǎn)污水的結(jié)果表明，入口油相含量在100～300mg/L時(shí)，除油效率可達(dá)80%以上（最高可達(dá)91.8%），出水油相含量穩(wěn)定在30mg/L以下[60]。

圖14 軸向渦流分離器結(jié)構(gòu)示意圖

此外，為了延續(xù)動(dòng)態(tài)及軸向渦流水力旋流器在穩(wěn)定旋流場(chǎng)及促進(jìn)微小粒徑分散相高效分離方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低設(shè)備成本及運(yùn)行能耗，進(jìn)一步形成了自旋式旋流分離思路，即在不依賴外界動(dòng)力情況下，僅依靠液流流經(jīng)旋流器過程中產(chǎn)生的自身推力，驅(qū)動(dòng)旋流腔內(nèi)部液流進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。圖15 為所述自旋式旋流分離器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖15(a)為中心溢流管自旋的旋流分離方式[61]，通過由反推射流口噴出的高速射流產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)溢流管進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)其周圍的液流進(jìn)一步高速旋轉(zhuǎn)。圖15(b)為外側(cè)旋流腔自旋的旋流分離方式[62]，借助底部液流流經(jīng)靜葉片后產(chǎn)生的射流推力，推動(dòng)動(dòng)葉片及與之相連的旋流腔實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)旋流腔壁面區(qū)域液流的高速旋轉(zhuǎn)。該類型水力旋流器相比于常規(guī)的靜態(tài)水力旋流器（圖1）結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，需要進(jìn)一步對(duì)該類型旋流器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，獲得結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工、運(yùn)行可靠且穩(wěn)定高效的自旋式旋流分離器結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)。

圖15 自旋式旋流分離器結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 旋流分離工藝系統(tǒng)優(yōu)化

以上分別從單一因素出發(fā)，探討了水力旋流器分離效率深度提升的新思路，而在實(shí)際旋流分離工藝中，除了考慮旋流器自身性能外，分離工藝中必要的附屬結(jié)構(gòu)，如閥門、取樣管及分流比調(diào)節(jié)裝置等也將對(duì)整體分離性能產(chǎn)生一定影響。圖16 為一種典型的旋流分離工藝系統(tǒng)，在該工藝中，油水混合液經(jīng)泵的增壓后，依次流經(jīng)入口管路、閥門和流量計(jì)，進(jìn)入旋流器內(nèi)發(fā)生旋流分離，而后經(jīng)分離的富油相和富水相分別由溢流管和底流管流出。為了確定最佳的運(yùn)行參數(shù)，常通過位于出、入口管路上的取樣管對(duì)液流進(jìn)行取樣以測(cè)量油相濃度，計(jì)算得出分離效率，之后通過對(duì)操作參數(shù)的反復(fù)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最優(yōu)的旋流分離效率。其中，避免入口閥門內(nèi)部紊流造成的液滴破碎、增強(qiáng)取樣代表性以及促進(jìn)更加快速準(zhǔn)確的操作參數(shù)調(diào)節(jié)等，是值得深入思考的問題。

圖16 典型旋流分離工藝系統(tǒng)布置

（1）避免入口閥門內(nèi)部紊流造成的液滴破碎。傳統(tǒng)旋流分離工藝中多采用市面上常見的閘閥、蝶閥或球閥等對(duì)入口流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于上述閥門普遍采用擋板（塊）來改變閥內(nèi)阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)，這將不可避免地造成混合液流經(jīng)閥門后，在擋板（塊）后方產(chǎn)生流場(chǎng)紊亂，造成分散相液滴的剪切破碎，使液滴粒徑減小，增大后續(xù)旋流分離的難度。如何實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的同時(shí)最大程度上避免紊流造成的液滴剪切破碎，是水力旋流器入口前端的閥門所急需解決的重要問題。鑒于此，圖17 給出了一種防止液滴湍流破碎的軸向內(nèi)芯閥門結(jié)構(gòu)[63]，區(qū)別于傳統(tǒng)閥門擋板，在閥體內(nèi)部設(shè)置了流線型內(nèi)芯，用以降低液流與閥芯間的硬性碰撞，通過調(diào)整內(nèi)芯與出口間的過流面積調(diào)節(jié)液體流量。通過該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大程度避免了混合液流經(jīng)閥門過程中產(chǎn)生的紊流及由此造成的液滴剪切破碎，有助于后續(xù)旋流分離效率的提升。

圖17 防止液滴湍流破碎的軸向內(nèi)芯閥門結(jié)構(gòu)示意圖

在避免液流流經(jīng)閥門造成的液滴剪切破碎同時(shí)進(jìn)一步兼顧液滴聚結(jié)長(zhǎng)大方面，Typhonix公司設(shè)計(jì)了如圖18 所示的Cyclone-based 低剪切閥，在閥桿上布置有導(dǎo)流葉片以形成旋轉(zhuǎn)液流，具體結(jié)合了導(dǎo)流葉片、錐形旋流室和閥桿末端圓錐體，用以減輕紊流造成的液滴破碎，同時(shí)通過構(gòu)建高速旋流場(chǎng)促進(jìn)分散相液滴的聚結(jié)增大[64]。與常規(guī)閘閥的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在礦物油與水的混合來液條件下，Cyclone-based 閥門可使油滴粒徑增大約70%，說明該閥門不僅降低了油滴破碎程度，同時(shí)也促進(jìn)了油滴聚結(jié)效果[65]。此外，劉鵬[66]進(jìn)一步將旋流聚結(jié)思路應(yīng)用于原油開采的節(jié)流閥設(shè)計(jì)中，通過在閥籠側(cè)壁開設(shè)的多組切向節(jié)流孔實(shí)現(xiàn)液流的切向旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)分散相液滴的聚結(jié)長(zhǎng)大。

圖18 Cyclone-based低剪切閥結(jié)構(gòu)示意圖

（2）增強(qiáng)取樣裝置對(duì)液流取樣的代表性。液流取樣的準(zhǔn)確性決定著對(duì)整個(gè)分離系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，并直接指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)，以獲得最優(yōu)分離性能。在這個(gè)過程中，對(duì)取樣裝置的要求，一方面要防止液流取樣過程中，由于液流急速轉(zhuǎn)向造成的分散相液滴發(fā)生慣性分離及流場(chǎng)紊亂產(chǎn)生的液滴剪切破碎，同時(shí)，需結(jié)合等面積等速取樣方法，使取樣液流更能準(zhǔn)確反映取樣管路的分散相含量及粒徑分布。顯然，常規(guī)在管路側(cè)壁上安裝支管用于液流取樣的結(jié)構(gòu)很難滿足上述要求，需要設(shè)計(jì)開發(fā)更具有代表性的液流取樣裝置。

（3）促進(jìn)快速準(zhǔn)確的旋流器操作參數(shù)調(diào)節(jié)。入口流量及溢（底）流分流比是系統(tǒng)優(yōu)化過程中的常用調(diào)整參數(shù)[67]。其中，分流比調(diào)整是通過對(duì)入口、溢流及底流管路上的閥門開度進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各股液流間的流量比調(diào)整。而在實(shí)際分流比調(diào)整過程中，由于對(duì)單根管路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)阻力也將發(fā)生改變，會(huì)直接影響到其他管路內(nèi)的液流流量，往往需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)以獲得目標(biāo)分流比。為了優(yōu)化這一問題，進(jìn)一步構(gòu)建了如圖19 所示用于分流比快速調(diào)節(jié)的閥門[68]，在該結(jié)構(gòu)中，上、下腔體分別用于連通溢流管和底流管，通過同時(shí)調(diào)整上、下內(nèi)芯的相對(duì)位置，可以對(duì)溢流與底流間的流量分配進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。并且，閥體出口端的內(nèi)壁準(zhǔn)線為拋物線形設(shè)計(jì)，可以保證不同分流比下溢流和底流間的總過流面積相等，最大程度上降低分流比調(diào)節(jié)過程中對(duì)旋流器入口流量的影響。

圖19 分離比調(diào)節(jié)閥門結(jié)構(gòu)示意圖

此外，除以上所述的水力旋流器自身及整體旋流分離工藝性能的優(yōu)化提升外，以旋流分離技術(shù)為核心，進(jìn)一步耦合親油疏水材料、氣浮選、膜分離、微波技術(shù)及超聲技術(shù)等，也是深度提升兩相乃至多相不互溶介質(zhì)間分離效率的切實(shí)可行的方法[69]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以液-液水力旋流器分離效率的深度提升為目標(biāo)，分別從分散相在旋流場(chǎng)內(nèi)的停留時(shí)間、分散相粒徑、分散相距軸心旋轉(zhuǎn)半徑、分散相切向旋轉(zhuǎn)速度以及旋流分離工藝系統(tǒng)等影響旋流分離效率的關(guān)鍵物理因素出發(fā)，在總結(jié)已有研究及理論成果基礎(chǔ)上，從延長(zhǎng)分散相停留時(shí)間、促進(jìn)分散相高效聚結(jié)、對(duì)微小粒徑分散相高效分離、構(gòu)建高速穩(wěn)定切向旋流場(chǎng)等多角度分析總結(jié)了包括提升旋流分離效率的緊湊型二次分離水力旋流器在內(nèi)的多種技術(shù)方案，并針對(duì)旋流分離工藝的系統(tǒng)優(yōu)化，分析了降低液滴破碎及增強(qiáng)取樣代表性等的需求及可行性技術(shù)。所探討的多種技術(shù)方案將為液-液兩相以及固-液、氣-液、氣-液-固等多相混合介質(zhì)的高效旋流分離器設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化提供一定理論及技術(shù)支撐。

文中詳細(xì)探討了旋流分離效率深度提升的多種技術(shù)思路，但對(duì)于特定技術(shù)方案而言，尚需進(jìn)一步通過數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法對(duì)方案結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分離性能。同時(shí)，以旋流分離技術(shù)為核心，進(jìn)一步耦合親油疏水材料、氣浮選、膜分離及微波技術(shù)等，挖掘多分離技術(shù)間的協(xié)同作用。此外，在不斷追求分離工藝各環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，需進(jìn)一步結(jié)合多相液流物性參數(shù)及分離效率的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，開展水力旋流分離系統(tǒng)性能的智能化分析診斷與優(yōu)化控制，進(jìn)一步促進(jìn)旋流分離效率的深度提升。