張輝煌，欒江峰，趙志陽

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

工藝與裝備

內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器的研究

張輝煌，欒江峰，趙志陽

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

介紹了現(xiàn)代石油行業(yè)所面臨的主要問題并提出油水分離工作在石油行業(yè)內(nèi)占據(jù)著不可或缺的地位，是一項(xiàng)順應(yīng)時代發(fā)展，提高資源充分利用與開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的重要工作，并綜合概述油水分離技術(shù)的現(xiàn)狀。敘述了重力沉降與離心分離兩種分離方法的基本原理。通過分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合前輩對分離技術(shù)的研究，在此基礎(chǔ)上提出全新的油水分離結(jié)構(gòu)，即內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器。通過設(shè)計(jì)制造設(shè)備，利用實(shí)驗(yàn)來研究新結(jié)構(gòu)的可行性。

油水分離；離心分離；新型分離結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，石油的需求量與消耗量逐漸增大，我國石油行業(yè)也隨之呈現(xiàn)出全面崛起的景象。伴隨著崛起的同時石油行業(yè)也帶來了各種各樣問題：一方面隨著油田開采時間的增長，油田開采逐漸進(jìn)入末期，油田產(chǎn)出液中含水率也逐年增加，含水率甚至高達(dá)95%以上；另一方面則是隨之帶來的大量含油污水。

據(jù)統(tǒng)計(jì)：鉆井污水排放量約640×104t/a，且只有少量進(jìn)行了處理并達(dá)標(biāo)排放；采油污水排放量更是高達(dá)3 800×104t/a，而排放達(dá)標(biāo)率只有52%，其中含稠油的污水基本全部未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；在石油煉化階段污水排放量2 460×104t/a，排放達(dá)標(biāo)率較為樂觀，但也僅為74%[1]。綜上兩個方面，油水混合液的分離是一項(xiàng)順應(yīng)時代發(fā)展，提高資源充分利用與開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的重要工作，現(xiàn)實(shí)意義重大。

1 已有技術(shù)和設(shè)備綜述

總體上看油水混合液的分離方法可歸納為四大類，包括：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物化學(xué)法[2]。其中物理方法是利用油水間物理性質(zhì)的不同而實(shí)施的分離方法，例如各相密度差、導(dǎo)電率、聲速等，其對應(yīng)的物理分離方法主要有重力沉降、離心旋流、高壓靜電、高頻脈沖、微波輻射、超聲波等方法?；瘜W(xué)方法是利用化學(xué)藥劑（破乳劑、聚并劑等）破壞油水乳化液的界面穩(wěn)定性，將油水混合物由乳化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油水混合液的分離[3]。將上述物理分離法與化學(xué)分離法結(jié)合使用，從而達(dá)到油水分離的目的即為物理化學(xué)法。與化學(xué)法操作類似，生物化學(xué)法是在油水混合液中加入適量的由微生物組成的生物破乳劑來代替化學(xué)破乳劑來破壞油水乳化液的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)油水混合液的脫水。本文將著重介紹物理處理法中的重力沉降與離心分離法，分析現(xiàn)有兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并試圖在這兩種方法相關(guān)設(shè)備基礎(chǔ)上提出新型的油水分離設(shè)備—內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器。

1.1 重力沉降法

正文依靠多相介質(zhì)間所受的重力不同，而實(shí)現(xiàn)多相分離過程的方法。常見的重力分離設(shè)備主要有：臥式（或立式）除油罐、斜板隔油池、以及粗?；ň劢Y(jié)）除油罐等[1]。

據(jù)研究表明在重力沉降過程中，油相液滴的沉降效果是以顆粒的運(yùn)動速度與池子面積為函數(shù)來衡量的，與池深、沉降時間無關(guān)，因此可通過擴(kuò)大沉降面積、提高沉降速度兩個途徑來提高重力沉降分離效率[4]。由于重力沉降分離的方法具有低能耗、低成本和運(yùn)行使用簡單的優(yōu)點(diǎn)，一直成為油水兩相分離的首要方法。但因其分離設(shè)備占用空間尺寸較大的缺點(diǎn)限制了該方法在小平臺上的應(yīng)用，如海上平臺。但是當(dāng)油與水之間密度差很小時，重力沉降法則無法有效的將油水分離開來。

1.2 離心分離法

正文離心分離又可稱之為離心沉降分離。利用離心運(yùn)動產(chǎn)生的超大G值來代替重力g值，實(shí)現(xiàn)油水混合液的分離。根據(jù)離心力的產(chǎn)生方式不同，離心分離設(shè)備可分為常見的離心機(jī)、水力旋流器、螺旋管分離器等[5]。

液—液水力旋流器是利用離心力來加快分散相沉降速度實(shí)現(xiàn)兩相分離的分離設(shè)備，也是較為傳統(tǒng)的離心分離設(shè)備[6]。如下圖1所示為液—液水力旋流器結(jié)構(gòu)及相流動示意圖，主要由入口、柱段、錐段、尾管、底流口和溢流口組成[1]。油水混合液以一定的入口壓力由切向入口進(jìn)入旋流器內(nèi)沿器壁做螺旋運(yùn)動時可產(chǎn)生較高的離心加速度。據(jù)報(bào)道，典型的液—液水力旋流器內(nèi)的離心力可達(dá)到比重力高1000倍以上，所以對于兩相密度差較小和分散顆粒直徑較小的油水混合液，均有較好的分離效果[7]。

圖1 液—液水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid hydrocyclone

由于液—液水力旋流器具有體積小、重量輕、分離效率高、無運(yùn)動部件、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來陸上和海上油田重點(diǎn)推廣應(yīng)用的油水分離設(shè)備[1]。但液—液水力旋流器也存在著對幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感、對流量和介質(zhì)性質(zhì)要求相對穩(wěn)定的特性，造成液—液水力旋流器的通用性差、自控水平要求高等缺點(diǎn)。在應(yīng)用中這就要求設(shè)計(jì)者需要不停的針對不同的介質(zhì)和工況做優(yōu)化和改造液—液旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

螺旋管分離器，與水力旋流器原理類似，當(dāng)油水混合液在螺旋管中高速流動時混合液受離心力作用使密度較大的水相移向螺旋管的外側(cè)，密度較小的油則擠向螺旋管的內(nèi)側(cè)，待管內(nèi)流動狀態(tài)穩(wěn)定后，在流態(tài)穩(wěn)定段的螺旋管外側(cè)壁面開小孔將水放出，從而使油水兩相分離[8]。如圖2為螺旋管分離器結(jié)構(gòu)及相分布示意圖。

圖2 螺旋管分離器結(jié)構(gòu)及相分布示意圖Fig.2Thestructureandphasedistributionofthespiral separator

螺旋管型分離器具有設(shè)備占地面積小、處理速度快、分離效率高等優(yōu)勢，但是螺旋管分離器的螺旋結(jié)構(gòu)使其在運(yùn)行過程產(chǎn)生巨大壓降且處理量低，因此極大的阻礙了該結(jié)構(gòu)的工業(yè)化應(yīng)用。

2 內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器的提出

通過對重力沉降法與離心分離法的分析得到，二者均具有低能耗、低成本和運(yùn)行使用簡便的優(yōu)點(diǎn)。但重力沉降設(shè)備體積較大，因此不適宜小平臺作業(yè)；且當(dāng)油水兩相密度差較小時，利用重力場無法有效分離，所以不適宜重質(zhì)油的混合液分離。而傳統(tǒng)的液—液水力旋流器的分離效率對設(shè)計(jì)參數(shù)、操作參數(shù)和介質(zhì)性質(zhì)極其敏感，通用性和分離穩(wěn)定性較差。因此尋找重量輕、占用空間小、通用性強(qiáng)的高效處理方法，成為本文的主要目標(biāo)，以便實(shí)現(xiàn)小平臺、高效率作業(yè)。面對這些要求，急需尋求新型的油水分離設(shè)備，以解決傳統(tǒng)設(shè)備所面對的困難。在此本文提出新型油水分離設(shè)備—內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器（圖3）。

圖3 內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structurediagramofinternalcirculation hydrocycloneoil-waterseparator

內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器分離原理及過程為：油水混合液以一定的壓力通過入料口切向進(jìn)入內(nèi)旋桶內(nèi)形成高速旋流場。在離心力作用下由于油水之間的密度差異，由油相組成的輕質(zhì)相逐漸向中心運(yùn)動形成油核并通過上部溢流管流出進(jìn)入外桶（外桶內(nèi)置斜板）進(jìn)一步依靠重力沉降再次分離；由水相組成的重質(zhì)相向逐漸被甩向外側(cè)邊緣，同時由切向出料口排出。由于內(nèi)旋桶內(nèi)液體的螺旋運(yùn)動與外桶的靜液壓力作用，外筒底部經(jīng)過沉降分離后的低含油油水混合液通過回流口再次進(jìn)入內(nèi)旋桶內(nèi)分離，從而達(dá)到循環(huán)式油水分離的目的。內(nèi)旋桶內(nèi)混合液的運(yùn)動是復(fù)雜的三維螺旋運(yùn)動，在流體力學(xué)里流體的這種運(yùn)動也稱為旋渦運(yùn)動。簡而言之旋桶內(nèi)油水的分離過程可簡單歸納為流體旋渦的產(chǎn)生、發(fā)展和消散過程。

3 理論闡述新結(jié)構(gòu)的可行性

重力沉降分離是油水分離中最基本的分離方法，探究沉降分離原理首先要將油水混合物模型簡化為互不相溶，密度不同，混合液只有非乳化或者非穩(wěn)態(tài)乳化的形式，油相為分散相的理想模型。油滴在沉降設(shè)備內(nèi)的最終的沉降速度為：

式中：V— 分散相沉降速度，m/s；

d— 油滴直徑，m；

ρw— 水相密度，kg/m3；

ρo— 油相密度，kg/m3；

g— 重力加速度，m/s2；

ξ— 無量綱阻力系數(shù)，，其數(shù)值取決于油滴的狀態(tài)和與油滴尺寸大小有關(guān)的Re數(shù)。

式中：Re— 雷諾數(shù)（Reynolds number），表征流體流動情況的無量綱數(shù)

d— 特征長度，m；

ρ— 密度，kg/m3；

μ— 黏性系數(shù)，kg/（m·s）；

V— 流體的流速，m/s。

在Stokes定律范圍內(nèi)（Re＜0.3），阻力系數(shù)滿足的關(guān)系為：

這時，油滴最終的沉降速度為：

在牛頓定律范圍內(nèi)（1 000＜Re＜200 000），阻力系數(shù)接近常數(shù)，ξ≈0.44，這時，油滴最終的沉降速度為：

若Re數(shù)在Stokes定律和牛頓定律之間（0.3＜Re＜1 000），阻力系數(shù)表達(dá)式為：

從式（4）、（5）得出可以通過增大分散相的粒徑、增大兩相的密度差、減小連續(xù)相粘度（提高Re數(shù)）來提高油水分離效率。雖然這些公式以理想模型為假設(shè)推導(dǎo)而來，沒有考慮乳化液穩(wěn)定性和分散相液滴聚并變大的影響，但是它們描述了沉降分離過程的基本規(guī)律，所以目前多數(shù)分離方法都是基于該原理發(fā)展起來的。

從上述公式（4）、（5）描述的沉降規(guī)律來看，如果利用離心原理人為增大g值也可用來提高油水分離效率。

如果使液滴受離心力作用，則液滴承受的加速度為：

式中：r— 為旋轉(zhuǎn)半徑，m；

ω— 旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

用a代替公式（4）或（5）中的g，就得到離心力場中液滴分離時的加速度：

式中ac和ag分別是在離心力和重力作用下液滴分離時的加速度。G+為離心系數(shù)。

國外典型的商業(yè)離心分離設(shè)備其離心系數(shù)可高達(dá)5 000到15 000，由此可見離心沉降的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重力沉降，這也是近年來采用離心沉降分離逐漸取代重力沉降分離的根本原因。

結(jié)合“淺池理論”，即在重力沉降過程中，分散相液滴的沉降效率只與顆粒的運(yùn)動速度與負(fù)載面積有關(guān)，與池深、沉降時間無關(guān)，可得離心分離與重力沉降相結(jié)合的新型內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器在理論上可達(dá)到分離油水混合物的效果。且可通過在外筒內(nèi)增加斜板的方式來增大沉降面積以提高沉降分離效率，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)旋流室的設(shè)計(jì)尺寸可提高離心分離的穩(wěn)定性與效率。

4 內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器結(jié)構(gòu)可行性實(shí)驗(yàn)

4.1 設(shè)備相應(yīng)設(shè)計(jì)

離心分離方法可簡單理解為人為加大沉降力場的方法，其原理是制造較高的離心力場來代替重力場，實(shí)現(xiàn)兩相或多相的分離任務(wù)。離心分離方法中離心力是使液粒產(chǎn)生沉降效果的主要動力，其大小為：

式中：F— 離心力，N；

ρ1— 密度，kg/m3；

ρ2— 密度，kg/m3；

V— 液體切向速度，m/s。

式中的rω2—離心加速度，代替了重力沉降中的重力加速度g，且數(shù)值上rω2?g。利用這一基本原理與上節(jié)所述的“淺池理論”，我們建立了如圖4的設(shè)備模擬模型、并加工制造了如圖4所示的設(shè)備。

圖4 內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器設(shè)備圖Fig.4 Internal circulation hydrocyclone oil-water separator

4.2 對該設(shè)備的工作效果進(jìn)行評估

實(shí)驗(yàn)：取含水率高達(dá)75%的O/W型油水混合物測試，待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，取適量分離后的油和澄清液測得，油相含水率近似為30%的W/O型油水混合物，澄清液含水率近似為86%的O/W型油水混合物。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，該設(shè)備可分離油水混合物，但分離效率并不理想。經(jīng)分析與猜測可能原因有以下幾個方面：由于外筒直徑較小，造成重力沉降過程中沉降負(fù)載面積較小，因此可通過在外桶內(nèi)部周圍增加斜板以達(dá)到在不增加設(shè)備整體體積的情況下擴(kuò)大沉降面積提高分離效率；設(shè)備核心部件，循環(huán)旋流筒設(shè)計(jì)尺寸不合理，由于本試驗(yàn)階段只是概念性的提出該設(shè)備的形狀及功能，且主要尺寸均參照傳統(tǒng)液—液水力旋流器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并未考慮底部循環(huán)口對分離效率所帶來的影響，因此造成數(shù)據(jù)的較大誤差。但該試驗(yàn)驗(yàn)證了內(nèi)循環(huán)式水力旋流油水分離器結(jié)構(gòu)的可行性，使該結(jié)構(gòu)具有繼續(xù)升入研究的意義。

［1］張思沖.大慶納污濕地重金屬污染研究[D].東北林業(yè)大學(xué),2005．

［2］黃逍,張志芬.中藥工業(yè)廢水處理研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,06,15．

［3］吳應(yīng)湘,許晶禹.油水分離技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[R].力學(xué)進(jìn)展,2015,4,21．

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Researchon Internal Circulating HydrocycloneOil-Water Separator

ZHANG Hui-huang,LUAN Jiang-feng,ZHAO Zhi-yang
（SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,LiaoningFushun113001,China）

Main problems of the modern petroleum industry were introduced,and it’s pointed out that the oil-water separation work occupies an indispensable position in the petroleum industry.It is an important work to adapt to the development of the times,to improve the full use and development of resources and the protection of environment.In this paper,the present situation of oil-water separation technology was summarized,and the basic principles of gravitational sedimentation method and centrifugal separation method were discussed,their advantages and disadvantages were analyzed.Combined with the research results of separation technology,the internal circulating hydrocyclone oil-water separator was put forward.And the feasibility of the new structure was verified by experiments.

Oil-water separation;Centrifugal separation;Novel separation structure

TQ 052

A

1671-0460（2017）11-2356-04

2017-01-10

張輝煌（1990-），男，河南省信陽市人，碩士，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究方向:壓力容器與結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)。E-mail：1006328603@qq.com。