朱明軍，胡大鵬

（1 宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 宿州 234099；2 大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛存在著液液（固）兩相或三相分離過(guò)程，如含油污泥脫水、采出液油水分離、煉油過(guò)程中的煤油脫水、汽油脫水等。在煉油、煉化等石油化工企業(yè)中，含油污水處理中的一般產(chǎn)物為“三泥”，包含油泥、浮渣和剩余活性污泥，其中，處理油泥和浮渣是長(zhǎng)期以來(lái)的共性技術(shù)難題。石油勘探、開(kāi)采、加工、煉制、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含油污泥，對(duì)含油污泥中的原油進(jìn)行回收利用有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境價(jià)值。例如，某煉油污水處理廠每年產(chǎn)生的含油污泥約為150kt，如果采用填埋方式處理，僅此一項(xiàng)，該公司每年將支付排污費(fèi)2000 萬(wàn)元，但是如果對(duì)含油污泥進(jìn)行干化處理，每年將從含油污泥中提取輕質(zhì)油1500t，同時(shí)生產(chǎn)高熱值的焦粒3000t，將其與煤混合后在燃煤鍋爐中高溫燃燒，對(duì)焦粒中所含油類以及有毒有機(jī)物進(jìn)行分解、回收大量熱，就實(shí)現(xiàn)了含油污泥的資源化利用。

三相臥螺離心機(jī)操作涉及從固體中分離出兩種互不相溶的液體，通常是油和水，這可能是廢油（通常為原油）回收利用或植物油（例如棕櫚油或橄欖油）的分離。三相臥螺離心機(jī)不僅在含油污泥處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景，在油田采出液等方面也是如此，設(shè)計(jì)大處理量型三相臥螺離心機(jī)將在此領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)根據(jù)一些小型油田、根據(jù)油田采出液自身的料液性質(zhì)，也可以匹配特定的臥螺離心機(jī)進(jìn)行分離。利用三相臥螺離心機(jī)來(lái)對(duì)油田采出液進(jìn)行油水砂的三相分離，可以一次性實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)除去了有害固相顆粒并回收有用油相。

在三相臥螺離心機(jī)研究方面，國(guó)內(nèi)外研究總體上較少，主要是以發(fā)表專利為多，而在理論研究、數(shù)值模擬計(jì)算或是實(shí)驗(yàn)研究方面很少。三相臥螺離心機(jī)在橄欖油提取工業(yè)是重要的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)備，可將液相中的果皮分離出來(lái)，也可用于兩相或三相橄欖油的配置以及油漿調(diào)制技術(shù)。另外，在三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型及數(shù)值模擬研究方面，四川大學(xué)姜杰等于2017 年對(duì)一種油水分離的三相臥螺離心機(jī)進(jìn)行了CFD 分析研究，通過(guò)調(diào)節(jié)排水孔寬度的方式來(lái)增大流量、提高油水分離效率，也可通過(guò)擴(kuò)大溢流軸向?qū)挾?、降低流體溢流速度、減小摩擦力使更少水相跟隨油相溢流，從而提高油水分離效率。在三相臥螺離心機(jī)溢流排液結(jié)構(gòu)方面，也有其他研究者提出了各自不同的模型。Miller 等提出了一種從石油產(chǎn)品中分離出水和固體顆粒的方法，其模型設(shè)置的擋油板以及附加擋板減少了出水油含量，也使進(jìn)料液流對(duì)已經(jīng)沉降的油相和水相的擾動(dòng)降低。陳杰等提出了一種臥式螺旋沉降三相分離離心機(jī)，其模型中法蘭盤設(shè)置有兩圈排液孔，內(nèi)外圈為溢流孔和節(jié)流孔，分別用于排出輕相液和重相液，這種結(jié)構(gòu)模型也為本文溢流排液形式設(shè)計(jì)具有一定的啟發(fā)意義。另外，還有一些研究者進(jìn)行了液液固三相臥螺離心機(jī)溢流結(jié)構(gòu)等方面的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)料料液質(zhì)量流率變化對(duì)提取效率、廢水含油量以及固相水含量的影響，包括對(duì)輸入和輸出質(zhì)量平衡的計(jì)算、油相和廢水質(zhì)量流率的測(cè)量和計(jì)算等，為本文實(shí)驗(yàn)研究及測(cè)量和計(jì)算提供了借鑒。其研究的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸在于不能同時(shí)對(duì)溢流出油和溢流出水的擋板進(jìn)行調(diào)整，這樣使得不能準(zhǔn)確地根據(jù)進(jìn)料料液含油濃度及料液性質(zhì)等進(jìn)行相間液位調(diào)整，不能獲得具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和需求的分離產(chǎn)品。

三相臥螺離心機(jī)油水砂分離由于其技術(shù)的局限性，在國(guó)內(nèi)外雖有一定程度的工業(yè)化應(yīng)用但規(guī)模不大。傳統(tǒng)式臥螺離心機(jī)用于含油污泥處理單元中分為三相分離和兩相分離，用于兩相分離時(shí)，油（或水）從大端排出，而水（或油）和砂的混合液從小端出渣口排出，其含油污泥相處理方式工藝較為復(fù)雜，涉及的單元操作設(shè)備也較多，增加了生產(chǎn)投資成本和周期。此外，傳統(tǒng)式三相臥螺離心機(jī)用于油水砂三相分離時(shí)，其油水分離相界面不能根據(jù)料液性質(zhì)和濃度變化及分離產(chǎn)品的需求準(zhǔn)確調(diào)整，這樣使得分離效果不理想，分離產(chǎn)品達(dá)不到環(huán)保及回收要求。因此，提出一種新型可調(diào)溢流堰板式的三相臥螺離心機(jī)，克服傳統(tǒng)式臥螺離心機(jī)用于油水砂分離時(shí)的不足和局限性，可以根據(jù)進(jìn)料料液性質(zhì)和濃度及分離產(chǎn)品的需求來(lái)調(diào)節(jié)溢流擋板，從而改變油水分離相界面，使得分離產(chǎn)品達(dá)到環(huán)保及回收要求，對(duì)含油污泥處理在內(nèi)的高效成套裝置應(yīng)用具有重要意義。

1 新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)CFD計(jì)算分析

1.1 可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型及水力平衡分析

如圖1所示，此種新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)主要包括柱錐段轉(zhuǎn)鼓（bowl）、螺旋輸送器（screw conveyor）、大端法蘭（front hub）和小端法蘭（rear hub）。這種結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)在于大端法蘭內(nèi)設(shè)置有徑向出油通道和軸向出水通道，并設(shè)置有5組可調(diào)溢流擋板，用來(lái)控制出水和出油濃度。此種三相臥螺離心機(jī)的工作原理是，料液從右端小端法蘭內(nèi)的進(jìn)料管進(jìn)入，通過(guò)布料室（feed chamber）進(jìn)入到離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓液池中，在強(qiáng)大的離心作用下，油水砂三相因密度不同而在液池中由內(nèi)到外依次是油相、水相和固相，油相和水相通過(guò)左端大端法蘭時(shí)，由于受到各組溢流擋板的影響，從出油通道和出水通道分別排出，固相在螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速差的作用下由螺旋推送至小端出渣口排出。表1為新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)幾何模型基本尺寸。

圖1 三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)幾何模型基本尺寸

油水砂三相分離水力平衡如圖2所示，為了使三相臥螺離心機(jī)分離出油水砂三相，必須相對(duì)于排渣高度位置水平設(shè)置兩個(gè)不同高度的溢流堰。首先，固體排出的徑向位置為，以此為依據(jù)，設(shè)置由徑向位置決定的溢流堰高度（液池深度），用來(lái)固定干燥段的范圍。然后必須設(shè)置徑向位置，以在兩個(gè)液相之間建立水力平衡，在需要時(shí)將平衡線保持在處。溢流擋板可以是溢流擋油板，也可以是溢流擋水板，在此可以看成是統(tǒng)一形式的擋板。

圖2 三相分離水力平衡圖

在離心機(jī)中，任意徑向位置處的壓力由給出，見(jiàn)式(1)。

因此，在三相離心機(jī)中，平衡線（即油水界面）處的壓力可按式(2)計(jì)算。

式中，為輕相液油的密度；為重相液水的密度。

由式(1)可以看出，在液體密度以及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和自由液面徑向位置不變的情況下，隨著徑向位置的增大，離心壓力逐漸增大，而且呈二次方的拋物線變化規(guī)律。這說(shuō)明在越靠近轉(zhuǎn)鼓壁的區(qū)域離心壓力越大。從式(2)能夠看出，可以通過(guò)控制油水界面的位置來(lái)調(diào)節(jié)平衡線處的壓力。

從圖2可知，當(dāng)溢流擋板向中心軸線（遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)鼓壁方向）移動(dòng)時(shí)，出水更快，此時(shí)油水分界面和自由液面位置向轉(zhuǎn)鼓壁方向移動(dòng)（和增大），但是由于油相積累較多使得離心機(jī)液池中料液黏度增大，離心力不能及時(shí)破壞部分乳化水界面膜和油水界面作用，使得一部分油相跟隨水相以水包油或者油包水的形式進(jìn)入到水層當(dāng)中，同時(shí)部分油層也會(huì)進(jìn)入到水層中，使得出水口的含油濃度會(huì)增大。同理，當(dāng)溢流擋板向轉(zhuǎn)鼓壁方向移動(dòng)時(shí)，出水會(huì)變慢，水油二次混融，出油口的含水量會(huì)增多，同時(shí)部分水相可能會(huì)沖散已經(jīng)沉降在轉(zhuǎn)鼓壁上的較為松散的顆粒，也造成水固或油固二次混融，對(duì)固液分離效率不利。另外，出油流率的增大，使得離心作用不能及時(shí)破壞離心機(jī)液池中黏附于油滴表面的部分固體顆粒的黏滯阻力，導(dǎo)致部分固體顆粒隨著油相一并從出油孔流出，也會(huì)對(duì)油的回收品質(zhì)及固相的回收產(chǎn)生不利影響。因此，要綜合考慮諸多有利因素以及分離產(chǎn)品的目的及用途來(lái)選擇調(diào)節(jié)擋板。

平衡線（e-line）位置的選擇取決于許多因素。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓中各相所占的容量可以與進(jìn)料中各相所占的體積成比例地選擇。那么，每一相/Σ的值基本是相同的。但是，如果從某一相中將另一相分離時(shí)相對(duì)較困難（反之亦然），則可以為轉(zhuǎn)鼓液池中另一相提供額外的容量，以提高其澄清效率。在很多情況下，某一相的純度可能比另一相更重要，比如回收原油時(shí)，原油的純度是更多考慮的因素，那么應(yīng)當(dāng)給予更重要的相（原油純度）更多的考慮。但是，在設(shè)定e-line時(shí)必須格外謹(jǐn)慎，以免一相突破另一相（兩相混融）。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)相的流速較高時(shí)，溢流堰的峰值會(huì)很大程度上移動(dòng)e-line，因此必須調(diào)整堰的高度來(lái)重新計(jì)算并設(shè)置溢流堰。

根據(jù)水力平衡分析，本文設(shè)計(jì)的新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)大端法蘭結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在三相臥螺離心機(jī)內(nèi)，液池由內(nèi)到外（從螺旋芯管到轉(zhuǎn)鼓壁方向）依次是油相、水相和砂相，因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮大端法蘭內(nèi)以沉孔的形式出油，將沉孔大端用一擋板封閉住，并開(kāi)設(shè)徑向出油通道，之后開(kāi)設(shè)90°通道從轉(zhuǎn)鼓端面出油，并且在沉孔內(nèi)增設(shè)溢流擋油板，通過(guò)調(diào)節(jié)其大小，可以控制油環(huán)的位置及高度。出水通道則與出油通道錯(cuò)開(kāi)一定角度、在大端法蘭內(nèi)軸向出水，并在大端法蘭外端面增設(shè)溢流擋水板，通過(guò)調(diào)節(jié)其大小，來(lái)控制水位的高低，大端法蘭內(nèi)端面增設(shè)一隔油板來(lái)阻止油相進(jìn)入出水孔。其中溢流擋水板的大于或者等于溢流擋油板的，用H0～H8 表示5 種狀態(tài)：①H0，溢流擋水板的()等于溢流擋油板的()；②H2，溢流擋水板的比溢流擋油板的大2mm；③H4，溢流擋水板的比溢流擋油板的大4mm；④H6，溢流擋水板的比溢流擋油板的大6mm；⑤H8，溢流擋水板的比溢流擋油板的大8mm。

圖3 三相臥螺離心機(jī)大端法蘭結(jié)構(gòu)

如果溢流擋水板的比溢流擋油板的小，則水位還未達(dá)到出水孔高度時(shí)，水相就會(huì)從出油孔排出。

此種新型可調(diào)溢流堰板式三相臥螺離心機(jī)的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于溢流堰板的靈活多樣及可調(diào)節(jié)性。溢流堰位于大端，溢流堰板包括溢流擋油板及擋水板。以溢流擋水板為例，當(dāng)溢流擋水板往液池的內(nèi)層（遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)鼓壁方向）移動(dòng)時(shí)，水相的流出速度會(huì)增加，同時(shí)油環(huán)會(huì)遷移到外層，水中的含油量增加，出油流速降低。因此，根據(jù)進(jìn)料中油水濃度分布的比例，可以調(diào)節(jié)溢流擋油板或擋水板，以控制油環(huán)、水環(huán)和油水界面的位置以及出水口的含油量和出油口的含水量，從而獲得所需要的產(chǎn)品。

1.2 流域模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

大端法蘭中每個(gè)溢流擋板的大小和位置決定了出油和濾清液的純度，從而影響分離效率。由于數(shù)值方法主要用于研究離心機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)分布規(guī)律，因此在建立流域（物理）模型時(shí)，主要考慮轉(zhuǎn)鼓液池內(nèi)及大端法蘭內(nèi)的流體流動(dòng)。

圖4為出油出水通道及柱段部分螺旋流道網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格劃分的復(fù)雜性和難點(diǎn)在于如何切割出規(guī)則的螺旋流道，從而劃分出六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格整體上采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格形式，網(wǎng)格總數(shù)為4124827 個(gè)，單元網(wǎng)格尺寸取為3mm。接著用2.5mm、3.5mm的單元網(wǎng)格尺寸來(lái)劃分網(wǎng)格，保持時(shí)間步長(zhǎng)=0.02s不變，監(jiān)測(cè)出水口的含油體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)計(jì)算到=300s（基本收斂）時(shí)，測(cè)得出水口的含油體積分?jǐn)?shù)分別是7.2%、7.8%、8.8%，三者之間差別不大，這說(shuō)明計(jì)算結(jié)果和網(wǎng)格大小無(wú)關(guān)。網(wǎng)格劃分及質(zhì)量檢查完成之后在Fluent軟件里進(jìn)行邊界條件設(shè)定，入口被定義為速度入口，三個(gè)出口（固相出口和溢流油、水出口）定義為outflow（自由出流）。此外，流域被定義為fluid區(qū)域。使用RNG-方程作為湍流模型，并用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法作為近壁處理（Near-Wall Treatment），分離的隱式和SIMPLE方法用于計(jì)算。使用Euler-Eulerian多相流模型，其中水相為初始相，油相和固相為二階相，使用Schillernaumann模型作為相間作用力模型。油水固三相均視為不可壓縮流體處理。模擬過(guò)程假定流體充滿整個(gè)流域（第四相空氣不考慮在內(nèi)），即自由液面位置與螺旋壁面重合。保持三相臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3200r/min，轉(zhuǎn)鼓和螺旋差轉(zhuǎn)速為20r/min，進(jìn)料流率為4.0m/h。數(shù)值模擬后得到流場(chǎng)分布情況。

圖4 三相臥螺離心機(jī)部分網(wǎng)格劃分情況

1.3 油相和固相濃度分布分析

不同計(jì)算時(shí)刻油相體積濃度分布情況如圖5所示。應(yīng)注意，由于第四相空氣的影響沒(méi)有考慮在內(nèi)，因此流體充滿了整個(gè)液池。從云圖分布可以看出，初始階段（=40～120s）油相在離心機(jī)液池內(nèi)較少且油位波動(dòng)比較明顯，隨著時(shí)間的推移，液池內(nèi)油相逐漸增多且油位逐漸趨于穩(wěn)定（=200～300s）。這說(shuō)明在離心機(jī)啟動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，液池內(nèi)相間分離效果逐漸顯現(xiàn)，油環(huán)和水環(huán)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并各自從不同的溢流口排出。需要注意的是，擋油板的位置很重要，一般在柱錐交接處，但同時(shí)要保證其在進(jìn)料室所有分料口的右端，這樣就不會(huì)有過(guò)多的油相越過(guò)擋油板向出渣口方向運(yùn)動(dòng)。

圖5 不同計(jì)算時(shí)刻油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 為不同計(jì)算時(shí)刻轉(zhuǎn)鼓壁固相濃度分布情況，大部分固相基本上都沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上。分離因數(shù)和分離時(shí)間是分離過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵因素。在計(jì)算初始時(shí)刻（=40s），也就是物料剛進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓液池當(dāng)中時(shí)，在轉(zhuǎn)鼓柱段和錐段都沉降了大量的泥砂，隨著時(shí)間的推移，在螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)雙重?cái)D壓作用下，由螺旋葉片將沉渣逐漸推送至出渣口方向，柱段固相濃度逐漸降低，錐段增多，最后（=300s）柱錐段固相濃度總體上都比較低，沉渣全都在出渣口附近運(yùn)動(dòng)，最終從出渣口排出。

圖6 不同計(jì)算時(shí)刻固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

另外，可以在進(jìn)料之前對(duì)料液進(jìn)行預(yù)絮凝以提高固相回收率。在管線靜態(tài)混合器中，按照一定的濃度比，將添加了流體細(xì)尾礦（FFT）的石膏和絮凝劑（A3338TM）等材料混合在一起，然后進(jìn)入離心機(jī)，這將減少能耗和操作重力，并提高固相礦渣捕獲率。

2 三相臥螺離心機(jī)油水砂分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)流程分析及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖7示出了實(shí)驗(yàn)工藝簡(jiǎn)易流程圖，首先含油污泥和水砂混合物在進(jìn)料攪拌罐中加入絮凝劑和凈水劑進(jìn)行調(diào)質(zhì)，將調(diào)制好的物料加熱至80℃左右，攪拌均勻后通過(guò)配備了無(wú)級(jí)可調(diào)轉(zhuǎn)速的螺桿泵進(jìn)入三相臥螺離心機(jī)，分離出的油相和水相回流至攪拌罐，泥砂每隔0.5h人工輸送至輸攪拌罐，用一臺(tái)三相動(dòng)力變頻柜控制三相臥螺離心機(jī)的啟停及調(diào)速，用另外兩臺(tái)較小的電柜控制攪拌罐的加熱和攪拌軸調(diào)速以及螺桿泵的啟停和變頻等，整套裝置處于自動(dòng)控制結(jié)合人工控制的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程中。三相臥螺離心機(jī)進(jìn)料流量安裝一渦輪流量計(jì)來(lái)測(cè)量，離心機(jī)出油和出水流量分別采用橢圓齒輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量。

圖7 實(shí)驗(yàn)工藝流程

為了使設(shè)備平穩(wěn)安全運(yùn)行，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)須合理到位。如圖8所示，首先，根據(jù)所有設(shè)備所占面積及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其次，平整地面且打好地基，用挖掘機(jī)清理砂土及雜物，之后用車輛排土，接著鋪毛石、支模板、預(yù)置鋼筋，配制C25 混凝土澆筑水泥地面用來(lái)放置攪拌罐、螺桿泵、儲(chǔ)水池、電控柜、管道支架、電纜電線等設(shè)備。與此同時(shí)，澆筑兩個(gè)基座、撤模板，待兩個(gè)基座及地面完全凝固結(jié)實(shí)之后（一般需兩周）將設(shè)計(jì)和加工好的三相臥螺離心機(jī)（重約3t）用大型吊車吊裝至兩個(gè)基座上，然后搭建一個(gè)尼龍布料帳篷用來(lái)防雨水，之后采用焊接及法蘭連接方式連接各進(jìn)出料管線和流量計(jì)等，最后安裝整套三相動(dòng)力電源來(lái)控制三相臥螺離心機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖8 三相臥螺離心機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

圖9示出了油水砂三相分離實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分以下步驟進(jìn)行。

圖9 三相臥螺離心機(jī)油水砂三相分離實(shí)驗(yàn)裝置

（1）料液調(diào)制準(zhǔn)備工作及攪拌罐調(diào)試運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)用的物料為原油（來(lái)自含油污泥）、自來(lái)水及石英砂按照一定的體積分?jǐn)?shù)比（約為2∶7∶1）進(jìn)行配制，絮凝劑和凈水劑分別用聚丙酰胺和聚合氯化鋁按照1∶100 的比例配制，待攪拌罐料液溫度升至80℃以后再加絮凝劑和凈水劑，絮凝劑和凈水劑用量分別約為150g 和15kg。加熱過(guò)程中隨時(shí)啟動(dòng)攪拌軸對(duì)物料邊加熱的同時(shí)邊攪拌，每次攪拌不少于10min，確保物料進(jìn)入三相離心機(jī)前黏度降低并充分混合均勻。

（2）三相臥螺離心機(jī)空載運(yùn)行調(diào)試。關(guān)閉進(jìn)料閥門（與攪拌罐出料口連接的蝶閥），不啟動(dòng)螺桿泵，開(kāi)啟三相臥螺離心機(jī)主副變頻器運(yùn)行（Run）按鈕，將主副變頻器頻率設(shè)定在較低值，然后同時(shí)逐漸加速使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋達(dá)到較高轉(zhuǎn)速。

（3）三相臥螺離心機(jī)清液預(yù)熱狀態(tài)測(cè)試及螺桿泵調(diào)試。主副變頻器頻率設(shè)定在較低值，用軟管將螺桿泵進(jìn)料直接與清水罐（熱水）連接，關(guān)閉攪拌罐回油回水閥門，開(kāi)啟采樣閥及準(zhǔn)備好出砂小車（接清水），然后啟動(dòng)螺桿泵，轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿泵無(wú)級(jí)變速機(jī)手輪逐漸調(diào)速并觀察流量變化，最后再逐漸調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速觀察各流量及壓力變化。

（4）三相臥螺離心機(jī)油水砂分離狀態(tài)測(cè)試。關(guān)閉螺桿泵，降低轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速使得離心機(jī)內(nèi)清液逐漸排出設(shè)備，直到各采樣口及出渣口不再出水，然后將螺桿泵進(jìn)料與攪拌罐出料連接，關(guān)閉采樣閥門同時(shí)開(kāi)啟回油回水管道閥門，開(kāi)啟進(jìn)料閥門，啟動(dòng)離心機(jī)和螺桿泵，然后調(diào)節(jié)主副變頻器逐漸使轉(zhuǎn)鼓加速，打開(kāi)攪拌罐人孔，等待觀察回油回水及排渣狀態(tài)變化。

（5）測(cè)試轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響并記錄數(shù)據(jù)。按照設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速變化值逐漸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，測(cè)試并記錄每個(gè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速下的進(jìn)料、出油及出水流量和壓力值及各電壓電流表讀數(shù)。此外，在每種轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，對(duì)離心機(jī)進(jìn)料、回油、回水及排渣進(jìn)行采樣及分類編號(hào)，為之后的濃度測(cè)量及分離效率計(jì)算等工作做好鋪墊。

（6）測(cè)試處理量（進(jìn)料流量）對(duì)分離效率的影響并記錄數(shù)據(jù)。同步驟三首先清洗離心機(jī)，然后啟動(dòng)離心機(jī)使其處于一恒定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)螺桿泵轉(zhuǎn)速以改變進(jìn)料流量，類似步驟（5）進(jìn)行操作并采樣和記錄數(shù)據(jù)。

圖10 示出了油水砂三相分離實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果圖片。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中三相臥螺離心機(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，從攪拌罐中回油和回水情況來(lái)看，回油較純，回水較清。離心機(jī)出渣口排渣也較為干燥，三相分離效果總體上較好，達(dá)到預(yù)期。

圖10 三相臥螺離心機(jī)油水砂分離實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3 操作參數(shù)對(duì)分離性能影響

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

采用固相回收率（分離液除砂效率）、油相回收率（除油效率）、油在濾餅中的損失以及油在水中的損失等分離效率來(lái)評(píng)估油水砂三相分離性能，這涉及對(duì)三相分離實(shí)驗(yàn)樣品中含砂濃度及含油濃度等的測(cè)量及計(jì)算。實(shí)驗(yàn)樣品含油濃度測(cè)量采取的方法為紫外分光光度法，相比于其他方法，其有著測(cè)試靈敏度高、快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。在定量測(cè)量方面，對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的混合物及化合物各組分含量，Lambda750S 型分光光度計(jì)測(cè)定比較精確。測(cè)量原理為：用石油醚（30～60℃及60～90℃）萃取設(shè)備各進(jìn)出口采樣樣品，用紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)Lambda750S 分別測(cè)定萃取溶液在波長(zhǎng)254nm處的吸光值，然后依據(jù)所制定的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出設(shè)備各進(jìn)出口的含油濃度。吸光值的大小與測(cè)量混合物中原油的濃度大小成正比。

具體測(cè)量方法是：將系列標(biāo)準(zhǔn)溶液依次放入紫外分光光度計(jì)吸收池，以脫芳烴后的60～90℃石油醚為參比溶液，使用10mm標(biāo)準(zhǔn)石英比色皿，分別掃描測(cè)定在254nm處的吸光度，查看光譜圖導(dǎo)出的Excel 表格，可以查詢到在254nm 處的紫外吸光度，以標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)、不同濃度下的吸光度為縱坐標(biāo)，由此可以繪制出不同濃度下的標(biāo)準(zhǔn)曲線。配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液及繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖11(a)和(b)所示。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制及標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制圖

將樣品萃取液依次放入紫外分光光度計(jì)吸收池，以脫芳烴后的60～90℃石油醚為參比溶液，使用1cm標(biāo)準(zhǔn)石英比色皿，分別掃描測(cè)定在254nm處的吸光度，根據(jù)吸光度值，查詢繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出相應(yīng)的濃度值。

根據(jù)式(3)可以計(jì)算樣品中油的濃度。

實(shí)驗(yàn)樣品含水含砂濃度測(cè)定通過(guò)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱加熱法來(lái)進(jìn)行，設(shè)定溫度值為110℃，烘干至無(wú)氣泡產(chǎn)生（約3h），冷卻至室溫后取出樣品，擦去三角瓶表面殘留的水分，用精密電子天平稱量烘干后的三角瓶質(zhì)量，三角瓶前后質(zhì)量差即為樣品含水質(zhì)量濃度。烘干后的三角瓶質(zhì)量減去空的三角瓶質(zhì)量即為樣品含砂質(zhì)量濃度。

3.2 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響

如表2及圖12所示，保持處理量和進(jìn)料料液密度及濃度等的不變，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，出砂含固濃度緩慢增大，出油、出水以及出砂流率也逐漸增大，固相回收率也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增大，切向速度隨之增大，表征分離效果的分離因數(shù)增大，固體顆粒沉降速度增大，更多的固相向液池外層遷移，干燥段以及排砂孔出砂固相體積分?jǐn)?shù)增大，出砂含固增多、含水和含油減少，從而使得固相回收率提高。同時(shí)，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增大也會(huì)使得流體軸向速度增大，即使增大的梯度不是那么明顯，但也會(huì)導(dǎo)致液體及固相出流速度增大，出砂質(zhì)量流率增大，這樣也會(huì)使固相回收率提高。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速在3400r/min 時(shí)，固相回收率達(dá)到83%左右。但是轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，否則會(huì)出現(xiàn)反混現(xiàn)象，不但對(duì)分離效果不利，反而會(huì)造成不必要能源上的損失，也會(huì)使得轉(zhuǎn)鼓及螺旋扭矩增大，螺旋輸送器負(fù)荷增加，沉渣對(duì)轉(zhuǎn)鼓的磨損加劇，設(shè)備運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性下降，甚至使得離心機(jī)故障率上升、使用壽命降低。

表2 改變轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及各濃度計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖12 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響

隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，出油體積流率增大，出油含油濃度逐漸增大，油相回收率也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。油水分離時(shí)在轉(zhuǎn)鼓液池內(nèi)形成油層，其含油濃度會(huì)隨著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。轉(zhuǎn)速增大使得分離因數(shù)增大，油水界面張力降低，當(dāng)其增大到一定程度時(shí)，油水界面膜黏度下降，界面被破壞，更多的油滴則會(huì)拜托水相的束縛從水層當(dāng)中分離開(kāi)來(lái)，逐漸聚集形成油層，更多的油相向液池內(nèi)層遷移，油層厚度逐漸增大，出油口含油增多，出油流率增大，出油含水和含砂減少，從而使得油相回收率增大。但是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，否則流體之間剪切力會(huì)增加，湍流流動(dòng)也會(huì)加劇，使得油水分離效率反而下降。

油相的損失主要分為油在水（濾清液）中的損失和在濾餅（底渣）中的損失。其中油在水中的損失主要是由于部分油滴顆粒沒(méi)有擺脫油水界面張力的束縛，繼續(xù)聚集在水相中以油包水或水包油的形式從溢流排水孔排出，造成油在水中有一定程度的殘留。在三相分離之前，固體顆粒表面親油特征使得油相吸附于其表面和孔隙中。離心分離沉降過(guò)程中，由于固體顆粒和油滴密度不同，在離心力的作用下，固體顆粒表面或者孔隙中的油滴會(huì)上浮，乳化水則會(huì)聚合形成自由水并進(jìn)入到砂相中，從而更大密度的水相代替油相，進(jìn)而使油水砂三相分離開(kāi)來(lái)。而油在濾餅中的損失主要是由于固體顆粒層（底渣層）大多由于被離心力壓緊形成致密的渣顆粒，而一部分油或水未能擺脫油渣黏附力則吸附于致密層中，油滴隨著固相一并從出渣口排出，造成油在濾餅中會(huì)有一定程度的損失。隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，出渣含油濃度總體逐漸降低，油在濾餅中的損失整體上保持在較低水平。出水含油濃度總體逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，油在水中的損失也整體上保持在較低水平。這說(shuō)明在允許的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大會(huì)使得油相分離效率上升，油的損失會(huì)減小，對(duì)回收原油等有利。

出砂含固實(shí)驗(yàn)值總體上較模擬值低，究其原因主要是實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片之間的間隙較模擬時(shí)小，這是因?yàn)槟M時(shí)便于網(wǎng)格的劃分，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器也會(huì)存在振動(dòng)及微量變形等，使得條件并不是在理想狀態(tài)下，模擬時(shí)假設(shè)設(shè)備沒(méi)有振動(dòng)等其他任何因素的干擾，是在較理想的條件下進(jìn)行。另外，實(shí)驗(yàn)分離出的沉渣一部分沉降在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上未被螺旋葉片完全刮干凈，另一部分沉渣則在離心機(jī)殼體上黏附，導(dǎo)致出渣含固率降低。此外在模擬過(guò)程中，流域模型的建立、邊界條件的設(shè)置及計(jì)算等也會(huì)產(chǎn)生誤差。

出油含油濃度實(shí)驗(yàn)值總體上較模擬值低，主要原因是在數(shù)值模擬過(guò)程中，假設(shè)料液進(jìn)入離心機(jī)后是整體獲得離心加速度，初始分離過(guò)程較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分離過(guò)程更為迅速，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)分離階段分散相油滴顆粒沉降時(shí)間較長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，待分離的料液軸向速度較大，部分油滴顆粒沒(méi)有完全沉降就隨濾清液排出，從而使得出油含油濃度會(huì)較模擬值低。另一方面，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的油相物料來(lái)源為含油污泥中的原油，含油污泥黏性較高且含大量苯酚類等化學(xué)物質(zhì)，并且出油會(huì)產(chǎn)生一定的浮渣，而模擬過(guò)程使用的是純?nèi)剂嫌停ば暂^低更容易沉降分離，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出油質(zhì)量流率主要是由橢圓齒輪流量計(jì)測(cè)量得到的，測(cè)量會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，另外在模擬過(guò)程中，流域模型的建立、邊界條件的設(shè)置以及計(jì)算等也會(huì)產(chǎn)生誤差。這些因素導(dǎo)致了出油含油濃度實(shí)驗(yàn)值較模擬值總體上低。

出渣含油總體上較低且變化幅度不大，其實(shí)驗(yàn)值較模擬值稍低，究其原因主要是在出砂樣品的萃取過(guò)程中萃取液洗滌沉渣時(shí)未完全洗滌干凈所致。出水含油質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)值較模擬值有一定的偏差，究其原因主要是出水含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在實(shí)驗(yàn)萃取及測(cè)量計(jì)算過(guò)程中導(dǎo)致的誤差所致。另外在模擬過(guò)程中，流域模型的建立、邊界條件的設(shè)置以及計(jì)算等也會(huì)產(chǎn)生誤差，使得出渣含油及出水含油實(shí)驗(yàn)值與模擬值存在一定的偏差。

3.3 處理量對(duì)分離效率的影響

對(duì)于臥螺離心機(jī)來(lái)說(shuō)，其處理量是指單位時(shí)間進(jìn)入到離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓液池內(nèi)的進(jìn)料流量。它是衡量臥螺離心機(jī)生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，在滿足料液分離要求前提下，臥螺離心機(jī)的最大進(jìn)料量可以視為適宜處理量。固體顆粒的離心沉降速度以及脫水速度是決定處理量的關(guān)鍵因素，進(jìn)料濃度也對(duì)處理量有著一定影響。進(jìn)料濃度低、給料量小、分離效果好，但是會(huì)造成生產(chǎn)效率的下降，給料量大造成分離效率下降，無(wú)法達(dá)到分離要求，同時(shí)螺旋輸送器扭矩也會(huì)增大，甚至導(dǎo)致離心機(jī)出現(xiàn)故障不能工作。臥螺離心機(jī)處于正常工作時(shí)，進(jìn)料流率增大，顆粒彼此之間于轉(zhuǎn)鼓錐段就會(huì)有更多的接觸機(jī)會(huì)，這樣會(huì)使得螺旋輸送器和錐段轉(zhuǎn)鼓對(duì)固渣顆粒共同擠壓脫水，增強(qiáng)了雙向擠壓作用，出砂口固相顆粒的含水率會(huì)降低。進(jìn)料流率的增大雖然使得固相顆粒接觸機(jī)會(huì)增加，但是轉(zhuǎn)鼓錐段處過(guò)高濃度的固相顆粒會(huì)使得離心機(jī)不能處于穩(wěn)態(tài)正常工作狀態(tài)下，因此存在一個(gè)能使得離心機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的最大處理能力。

在保持其他物性參數(shù)及操作參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速器來(lái)改變螺桿泵轉(zhuǎn)速，從而改變處理量。如圖13 所示，實(shí)驗(yàn)表明，隨著處理量的增大，油相回收率和固相回收率均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而油在濾餅中的損失及油在水中的損失逐漸增大。當(dāng)處理量為3m/h 時(shí)，油相回收率達(dá)到65%左右，固相回收率達(dá)到68%左右。處理量較低時(shí)，液池內(nèi)液相含量較多，固體顆粒含水量高，絮凝劑與固體顆粒接觸表面積增大、絮凝效果較為理想，固相容易被分離排出，因此固相回收率較高。隨著處理量的增大，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓液池內(nèi)固相的相對(duì)含量會(huì)增加，此時(shí)固體顆粒密實(shí)度提高，含水率下降，絮凝劑絮凝效果不充分不理想，導(dǎo)致濾清液含固量增大，固相回收率下降。而且隨著處理量的增大，物料在離心機(jī)液池中的停留時(shí)間減小，更多的固渣來(lái)不及沉降分離，就會(huì)隨著濾清液或油滴流動(dòng)到溢流出水口或者出油口排出，使得固相回收率下降，同時(shí)過(guò)高的處理量使得進(jìn)料料液也會(huì)對(duì)已分離的物料加速擾動(dòng)，濾清液含固率也會(huì)增大，固相回收率隨之降低。另外，處理量增大，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓壁面上的沉渣層厚度增大，但是沉渣層表面的顆粒較為松散，很容易被流體沖刷帶走而造成固相分離效率的下降。處理量增大，固相顆粒濃度增大，固相顆粒與油滴顆粒接觸機(jī)會(huì)增大，油滴黏附于固相顆粒表面或者滲透于固體沉渣層內(nèi)，更多的油相被固渣包圍一并流動(dòng)到出渣口或者隨濾清液流動(dòng)到出水口，從而造成油相回收率的下降，油在濾餅中和水中的損失增大。此外，處理量增大，也會(huì)使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)已經(jīng)沉降聚集的油滴與進(jìn)料物料發(fā)生再次混合，使得油水分離效果變差，降低油相分離效率。

圖13 處理量對(duì)分離效率的影響

4 結(jié)論

（1）在不考慮第四相空氣的影響情況下，流體充滿整個(gè)液池。在離心機(jī)啟動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，液池內(nèi)相間分離效果逐漸顯現(xiàn)，油環(huán)和水環(huán)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并各自從不同的溢流口排出。大部分固相基本上都沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，隨著時(shí)間的推移，在螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)雙重?cái)D壓作用下，由螺旋葉片將沉渣逐漸推送至出渣口方向，柱段固相濃度逐漸降低，錐段增多，最后沉渣全都在出渣口附近運(yùn)動(dòng)，最終從出渣口排出。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速增大，出砂含固濃度增大，固相回收率也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速在3400r/min 時(shí)，固相回收率達(dá)到83%左右。隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，出油含油濃度逐漸增大，油相回收率也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，油在濾餅及水中的損失整體上保持在較低水平。出砂含固濃度及出油含油濃度實(shí)驗(yàn)值總體上較模擬值低，出渣含油總體上較低且變化幅度不大，其實(shí)驗(yàn)值較模擬值稍低，出水含油質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)值較模擬值有一定的偏差。

（3）隨著處理量的增大，油相回收率和固相回收率均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而油在濾餅中的損失及水中的損失逐漸增大。當(dāng)處理量為3m/h 時(shí)，油相回收率達(dá)到65%左右，固相回收率達(dá)到68%左右。處理量增大，絮凝劑絮凝效果不充分不理想，導(dǎo)致濾清液含固量增大，而且物料在離心機(jī)液池中的停留時(shí)間減小，更多的固渣來(lái)不及沉降分離，使得固相回收率下降。處理量增大，會(huì)使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)已經(jīng)沉降聚集的油滴與進(jìn)料物料發(fā)生再次混合，使得油水分離效果變差，降低油相分離效率。

當(dāng)時(shí)我認(rèn)為自己是以電影為主的，說(shuō)只有臺(tái)灣有戲里需要的布景，我們很適合去那里拍。現(xiàn)在想來(lái)，其實(shí)也是有私心想去找鄧麗君。

—— 萃取液中油的濃度，mg/L

—— 重力加速度，m/s

—— 樣品的質(zhì)量，mg

—— 樣品中油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

—— 平衡線（油水界面）處壓力，MPa

—— 任意徑向位置處壓力，MPa

—— 任意徑向位置，mm

—— 平衡線處徑向位置，mm

—— 自由液面徑向位置（油環(huán)內(nèi)半徑），mm

—— 水相出口內(nèi)半徑，mm

—— 萃取液體積，L

—— 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，r/s

—— 流體密度，kg/m

—— 油相密度，kg/m

—— 水相密度，kg/m

Σ—— 離心機(jī)當(dāng)量沉降面積，cm