油水分離用水力旋流器流動機理和應用研究

楊陽

摘要：在油水分離領域水力旋流器是一種新型的分離設備，其主要是充分利用離心力來最終實現油水的有效分離。首先對旋流器進行了簡單闡述，并在此基礎上對油水分離水力旋流器分離機理進行了探討。作為一種新型的油水分離器，水力旋流器實際應用過程中取得了很好的經濟效益。

【關鍵詞】水力旋流器；污水處理；油水分離；應用分析

引言

水力旋流器主要是起源于管內旋流運動清除空氣中塵埃的基本原理。自19世紀80年代末水力旋流器出現以來其一直在不相容的兩種介質分離中得到了廣泛的應用。而且，在發展過程中及應用范圍也越來越廣。在上世紀90年代，我國的一些油田充分利用水力旋流器而實現油水分離預處理以及含油污水的凈化處理。作為一種新型、高效、經濟的分離設備，水力旋流器在油田發展過程中發揮出了非常大的作用。

1 旋流器基本結構及工作原理

1.1 基本結構

目前應用的液-液旋流器主要是在通過對液-固旋流器進行總結改進后最終形成的，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入到旋流器內部，然后在旋流器的內部進行高速旋轉。密度相對較小的油會逐漸向旋流器軸心方向運動，并最終形成方向向上的內旋流油核；密度相對較大的水分則逐漸向旋流器內壁方向運動，逐漸形成了方向向下的外旋流。油水實現分離后最終會從溢流口排出；而經過脫油后的水分則會通過旋流器底部流口排出。

2 機理分析

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。當油水混合物進入到水力旋流器內部的時候，會在強大的旋轉力場作用下最終實現油水分離。增大流量，可以進一步提升旋流器內部的旋轉力場，從而使得油水分離，分離速率增加，但與此同時，在強大的旋轉力作用下，最終會導致油滴劇烈震蕩產生破碎，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，而由于旋轉力的作用增加，使得油水兩相在旋流器內部停留時間進一步減小，在各種因素的綜合作用下，最終導致油水兩相分離效率不斷下降；而如果入口流量過小，雖然會導致油水兩相混合物在旋流場內部長時間停留，但是由于旋流器內部產生的旋流強度過小，導致油水很難出現分離。通常情況下，固定結構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最大流量與最小流量之間的比值就就經常被當作是旋流器的流量調節比，流量調節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性，如果流量調節比相對比較大，則說明旋流器對波動有較強的適應性，通常情況下，旋流器流量調節比會處于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參數，結合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。如果將不同數值下油滴的粒徑以及相應的分離效率作為基本參數就能夠繪制出相應的效率曲線。通過油滴粒徑與流量的變化曲線可以發現，當油滴的粒徑為75μm的時候，油滴粒徑會隨著流量不斷的增大而呈現出先減小后增大的趨勢，而當油粒的粒徑為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，旋流管內部的旋轉力場會不斷增強，從而使得油水分離效果進一步增加。但隨著流量持續增大，旋轉力場強度過大最終導致油滴出現破碎現象。由于上述兩種顆粒直徑范圍內的油滴破碎的幾率非常大，從而導致其分離效果下降[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，溢流和底流實際的含油濃度都會相應減小，這樣就能有效提升分離效率，但是溢流含水量會相應增加。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。經過大量研究發現，當水力旋流器分流比超過一定數值的時候，其實際分離效率與分離流有大小基本上不會產生關聯。通過上述分析可以發現，較輕的油會在旋流器的內部經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。分流比的實際大小對中心油核的長度、形狀以及穩定程度不可避免的都會產生一些影響。增大分流比，會導致旋流器有效分離長度增加；與此同時，液體在高速運動下其慣性也會不斷增加，會導致軸心位置的油核實際的波動幅度減小，能進一步提升油核的穩定性，由此進一步提升旋流器實際的分離效率。隨著分流比進一步增加，會導致水分也會進入油核中，同時也會使得油水兩相從入口位置直接進入溢流的短路流現象進一步加劇，從而使得旋流器分離性能遭到破壞。分離效率也不能實現進一步提升，還會造成溢流中含水量迅速增加。而分流比較小，會造成油核呈現出細長的狀態，有效分離長度也會縮短，對油滴進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 結束語

通過分析油滴在旋流器內部的受力情況，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現油水分離，高效的運行特征也與此有緊密的聯系。通過分析旋流管內部的流動機制以及分離機理，并對影響旋流分離器的因素進行了研究，為旋流器優化運行提供可靠依據，采用油水分離用旋流器處理含油污水具有經濟和技術的可行性。

參考文獻

[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用[A]. 中國化工學會.中國化工學會2011年年會暨第四屆全國石油和化工行業節能節水減排技術論壇論文集[C].中國化工學會：，2011：5.

[2]呂憲俊，崔學奇，邱俊. 水力旋流器的結構參數與分離性能研究[A]. 東北大學礦物材料與粉體技術研究中心、中國金屬學會選礦專業委員會、中國選礦學會粉體工程學術委員會、遼寧省硅酸鹽學會非金屬礦專業委員會.第十三屆全國粉體工程及礦產資源高效開發利用研討會論文專輯[C].東北大學礦物材料與粉體技術研究中心、中國金屬學會選礦專業委員會、中國選礦學會粉體工程學術委員會、遼寧省硅酸鹽學會非金屬礦專業委員會：，2007：5.