液-液水力旋流器分離效率深度提升技術探討

宋民航，趙立新，徐保蕊，劉琳，張爽

（1 中國科學院過程工程研究所,北京 100190；2 東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；3 黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

水力旋流器利用液流高速旋轉過程中產生的離心力，實現對具有密度差不互溶介質間的離心分離，因其結構簡單、分離快速、成本及維護費用低等優點，在石油化工、動力發電、污水處理等涉及多相分離的領域均獲得了一定應用。其中，液-液水力旋流器的研究主要起始于20世紀60 年代，首先應用于油水兩相介質的分離[1]，隨著研究深入及技術升級，其用途也在不斷擴大，進一步擴展到了氣-液-固、液-液-固等多相分離領域。

隨著我國及世界范圍內對環保、能源及節能問題的日益關注，對工業設備的高效及經濟運行提出了更高要求。在油田開采領域，我國主力油田普遍進入中高含水開采期，隨著聚驅規模不斷擴大，含聚污水采出量逐年增多，一方面增加了開采費用，同時由于含聚污水黏度大，加大了地面分離的工藝難度，進一步降低了開采經濟性。在該背景下，對液-液水力旋流器而言是重大機遇，但也同時面臨著巨大挑戰，如何進一步提升水力旋流器的分離效率、深化其高效運行性能是目前急需解決的重要問題。從旋流分離機理考慮，能否實現對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[2]。這是由于在給定處理液物性參數條件下，分散相粒徑越小，其高速旋轉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，國內外學者開展了豐富的研究工作，具體涉及旋流器局部結構的改進，使液流在流入旋流腔內部的過程中更加平穩，減小局部湍流強度，由此產生了漸開線形、渦線形及螺旋線形等入口結構[4]。為了抑制溢流管附近短路流造成的負面效果，進一步設計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]。在旋流腔結構方面，Larsson[7]通過將旋流腔內壁設計為螺旋形階梯狀，用以降低液流旋轉過程中的能量損耗，實現在增加處理量的同時，分離效率也得以提升。針對常規雙錐水力旋流器，Petty等[8]將柱狀旋流腔拉長并取消了錐段結構，研究表明旋流器內部的湍流程度減弱，利于流場穩定，緩解了強湍流下造成的分散相剪切破碎，但由于缺少錐段的速度補償作用，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的“底流夾細”及大錐角容易造成的“溢流跑粗”現象，可通過構建多段錐角來提高水力旋流器的分級效率。Nunes 等[10]采用多孔陶瓷材料加工錐段，結合了旋流分離及過濾分離優勢來強化分離過程，但研究發現采用多孔材料后，旋流場及中心油核的穩定性變差，分離特性還有待進一步研究。此外，針對旋流器的入口形式，聶濤[11]系統對比了采用軸向入口與切向入口旋流器間的流動、壓力及能量分布特性，分析得到軸流式旋流器內液流流動更加平穩，有助于提升整體分離效率。針對入口分散相濃度較高的固液分離工況，Li等[12]通過適當增大入口速度，明顯提高了旋流分離效率。國內科研院所，包括江漢石油機械研究所[13]、四川聯合大學[14]、中國石油大學[15-16]、北京石油化工學院[17]、東北石油大學[18]等研究單位均先后開展了液-液水力旋流器的分離機理及應用技術研究，并獲得了豐富的理論及實驗研究成果[13-19]，推動了液-液旋流分離技術的快速發展。

為進一步提升水力旋流器的分離效率，本文在總結已有理論及研究成果基礎上，從影響旋流分離效率的關鍵物理因素出發，提出促進旋流分離過程的多種技術方案，為旋流分離效率的深度提升提供一定理論及技術支撐。

1 水力旋流器分離效率提升路徑分析

1.1 水力旋流器結構及工作原理

圖1 給出了兩種典型液-液水力旋流器的結構示意圖。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、低密度介質流出的溢流管及高密度介質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，也可位于同側同向布置[20]。在水力旋流器工作過程中，液流由切向入口進入，在旋流器內部進行高速旋轉，液流的高速旋轉將促使具有密度差的不互溶介質間發生離心分離，使密度小的介質向軸心運動，而密度較大的介質則向壁面遷移，并最終由不同的出口排出，實現旋流分離過程。水力旋流器內的液流流線大致呈螺旋形，并隨著與入口距離的增大，促進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構的大、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液流流量增多，從而增大切向速度，以此補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效率，也采用了多錐段的結構進行設計[21-22]。

在水力旋流器內，切向速度在數值上遠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。對于理想流體，雙錐水力旋流器內的液流旋轉半徑r與切向速度vt間的關系可表示為vtrn=常數，圖2 給出了沿旋轉半徑r方向的理論切向速度vt分布，圖中坐標原點O位于旋流器的中心處。根據切向速度變化規律，可將液流流動分為位于內側的強制渦區與外側的自由渦區，二者共同形成了位于旋流器內部的組合渦結構。對于強制渦區，其特征為切向速度vt與旋轉半徑r呈正比，該區域流速分布主要受流體黏性力影響，整體流動近似剛體旋轉，此時指數n=1。而在自由渦區，隨著旋轉半徑r的增大，切向速度vt逐漸減小，屬于未有外界能量補充的勢流旋轉流動，此時指數n=-1。沿旋轉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出現于強制渦與自由渦的相接處。由于實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，實際n值大小將發生變化[23]，從而改變對分離效率影響較大的vt分布，因此實際切向速度分布與圖2 有所差異。對于如圖1(a)所示的雙錐水力旋流器，強制渦及自由渦主要存在于圓柱段、大錐段及小錐段內，受結構尺寸及速度衰減等的影響，其分布位置及變化規律也有所不同。此外，對于不同類型的水力旋流器而言，強制渦及自由渦的分布位置及變化規律也存在較大差異。適當增大各渦內的切向速度及增強旋流場穩定性，將有利于提升旋流分離效率。

圖2 水力旋流器內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計原理，Zhao 等[24]進一步設計開發了如圖1(b)所示的內錐水力旋流器，即加大圓柱段長度并取消大錐段、小錐段，通過在圓柱段內設置內錐體，同樣能夠形成內錐與圓柱段內壁之間的漸縮結構，用以補償旋轉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度大幅縮短，并有利于低密度分散相在內錐表面的聚結長大，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，由于設置內錐后，底部形成的環腔面積逐漸縮小，切向旋流速度增大，對底部的環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

在旋流場內，分散相的停留時間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。其中，分散相停留時間t的主要影響因素包括旋流場的幾何尺寸、連續相的流速大小及連續相與分散相間的滑移速度等，而以上參數主要取決于水力旋流器的結構及尺寸、布置工藝、運行參數以及處理液自身的物性參數。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（聚合物或氣浮等）條件下，對于給定處理液（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。基于此，從以上影響旋流分離效率的關鍵物理因素出發，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。下文中如無特殊說明，均采用油水兩相介質對提升旋流分離效率的思路原理進行說明。

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 延長分散相在旋流場內停留時間

旋流器內部液流在旋轉過程中的能量衰減，決定了不能單純依靠增大旋流器軸向長度來延長分散相在旋流場內的停留時間，通常采用的方法是將兩級甚至多級旋流器進行串聯，從而實現延長分散相停留時間及強化旋流分離過程的目的。圖4給出了水力旋流器兩級串聯的典型工藝布置，入口處理液經第一級旋流器發生分離后，部分未經分離的分散相油滴（以小粒徑為主）由底流排出，并進入到第二級旋流器內進行再次分離。通常為了促進對小粒徑分散相的分離，第二級旋流器的直徑要小于第一級。由于整體工藝通過多段管路及閥門等進行連接，整體工藝系統占地空間相對較大，難以靈活布置于有限狹小空間內，因此在空間緊湊性和經濟性上有待進一步提高。

圖4 水力旋流器兩級串聯的典型工藝布置

在采油井下分離領域，借助油水分離設備對生產層的采出液進行預分離，將低含水的采出液舉升至地面，同時，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濟性。東北石油大學針對該需求，對應用于井下有限空間內的水力旋流器進行設計開發，通過對旋流器單體結構[26-27]、管柱內流道布置[28]、過渡段結構[29]及連接方式[30]等的系統優化，最終確定了兩級串聯布置的井下旋流分離工藝。井下兩級串聯旋流器結構及油相體積分數分布如圖5所示[31]，第一級為預分離旋流器，采用軸向螺旋流道入口結構，并在一級外錐段布置了錐形分流體用于穩流，第二級為脫油型旋流器，采用常規雙切向入口水力旋流器。由圖5(b)中數值計算得到的油相體積分數分布可見，第一級預分離旋流器首先使混合介質中大部分油相形成中心富油流，并從一級溢流口排出。而后，少量油相伴隨著大量水相進入第二級脫油型旋流器進行二次分離，使富水相得到進一步凈化。通過對結構及運行參數的系統優化，得到實驗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。在優化參數下，其分離效率可達到92%以上[31]。在相同物性參數處理液條件下，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]。該技術在油田的實際應用結果表明，在產油量基本不變情況下，能夠使油井產液量和含水率大幅降低，使含水率超過98%的油井具備經濟開采價值。針對井下油水分離，鐘功祥等[33-34]結合了旋流分離原理及超親水油水分離膜材料，設計了基于膜分離的井下水力旋流器。實驗室測量結果表明，在適當溫度范圍內，針對含水體積分數大于80%的油水混合液，能夠實現出水含油濃度達到井下直接回注標準。目前，隨著同井注采技術的不斷進步，井下油水分離技術正向著高效、低成本、智能化的方向持續發展[35]。

圖5 井下兩級旋流分離裝置結構及油相體積分數分布

本文作者課題組進一步將兩級旋流器進行有機集成，形成了一種更加緊湊的二次分離水力旋流器[36]，其結構設計及油相體積分數分布如圖6 所示。在該旋流器中，第一級和第二級分別結合了內錐旋流器[圖6(a)]和雙錐旋流器[圖6(b)]的結構特點。為了使結構更加緊湊，將原第一級切向底流出口與原第二級切向入口優化為共用螺旋流道，同時將原第一級的內錐與原第二級的溢流管合二為一，形成中空內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。通過該設計，使兩級串聯旋流器的軸向長度縮短30%以上，且無需附加管路及裝置進行連接。由圖6(d)的油相體積分數分布可見，在兩處溢流口處均有大量油相聚集，同時，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構及油相體積分數分布

2.2 增大分散相直徑

分散相粒徑越大越有利于液流旋轉過程中的快速分離，而氣攜式旋流分離是通過增大油滴復合體的粒徑促進其徑向遷移過程的典型方法[37-38]，即在旋流分離的基礎上，結合了氣浮選原理，通過將微氣泡引入旋流場，使氣泡與油滴聚集形成油氣復合體，相比于純油滴，復合體的直徑增大，同時密度減小，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為在常規雙錐水力旋流器[圖1(a)]上應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、小錐段單獨注氣或者進行組合注氣。針對微孔直徑大小和注氣段位置選取的研究結果表明，在入口含油質量濃度為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構簡圖

液滴聚結技術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，促進微粒徑分散相間聚結為更大的液滴，相關研究結果表明，適當范圍內增加聚合物含量，有利于提高旋流分離效率，但增加過多后反而會增大流動阻力，改變流場分布，帶來負面效果。相比之下，靜電聚結法具有快速、清潔、高效的特性，通常無需添加化學藥劑且不產生附加污染物，對于含小粒徑油滴的油水混合液適應性更強[39-40]。在不增加聚合物及附加設備條件下，利用旋流自身特性實現在水力旋流器的入口前端，將處理液中小粒徑分散相聚結為更大粒徑，也是一種典型的聚結方法，如在旋流器入口前端增加用于液滴聚結的旋流聚結器[41][圖8(a)]，促進微粒徑分散相聚結的螺旋管[圖8(b)][42]，以及更加集成化的聚結旋流分離器[圖8(c)][43]。

圖8 基于旋流聚結思路的微粒徑分散相聚結器

除采用旋流聚結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實現對油滴的聚結效果。英國Opus公司開發了一種Mares Tail管式聚結器[44]。該聚結器的內部填充了具有親油疏水性能的聚丙烯纖維介質，能夠促進微小油滴在纖維表面的吸附、碰撞及聚結長大。實際應用結果表明，增加該聚結器后，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 技術中[45]，采用一種纖維聚結材料的濾芯安裝于多管并聯水力旋流器的入口或上游區域，在某海上平臺的測試結果表明，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。該類型聚結器在長期運行中應減少或避免入口液流所夾帶的顆粒物等固相物質，防止聚結器內部纖維的堵塞問題。

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，對周圍小液滴的碰撞聚并概率越大，從而產生了反轉入口流道的聚結旋流分離方式[46]，該分離方式結合了螺旋聚結及反轉入口結構，將聚結形成的大粒徑分散相油滴導向至旋流腔內壁附近流入，使在大粒徑油滴向中心運移過程中，與周圍小粒徑油滴的碰撞聚并概率增大，聚結后的油相共同向溢流管運移并排出。相比于圖8所示的幾種旋流聚結思路，該方法在確保旋流器入口前端聚結效果的同時，進一步利用了聚結后大粒徑液滴對微小粒徑液滴的良好聚并效果，構建了旋流器內部的聚結過程。在此基礎上，本文作者課題組進一步構建了粒徑梯級聚結的旋流分離方式[47]，如圖9 所示，其特點是在旋流腔上部的溢流管外側，依次梯級布置有三層通道，并共同位于呈錐狀的梯級聚結室內部。入口處理液首先經外側螺旋管聚結后，靠近內側的大粒徑油滴直接通過內切向入口送入旋流腔內壁附近，而剩余分散相油滴（主要為中、小、微粒徑油滴）由外切向入口進入梯級聚結腔內，由于梯級聚結室采用漸縮結構，將加快進入其內部油滴的高速旋轉，在這個過程中，粒徑相對較大的中粒徑油滴將更容易向中心運移，并率先流入靠近外側的中粒徑通道，而后，小、微粒徑油滴依次流入位于內側的小粒徑通道和微粒徑通道，從而在旋流腔上部由外至內，形成油滴粒徑由大到小的分布規律，實現液滴在向中心遷移過程中，由大到小的梯級高效聚結，促進旋流分離效率的深度提升。

圖9 分散相梯級聚結旋流器結構示意圖及聚結原理

在對高密度分散相的旋流分離領域，付鵬波等設計了一種進口顆粒排序型旋流器，其結構原理如圖10 所示。為了提高對細小顆粒的分離效率，在旋流器入口前端布置了顆粒排序器，利用離心力場對進入旋流器入口處的不同大小顆粒進行排序，使難分離的小粒徑顆粒由旋流器進口的外側和下側進入，降低小顆粒在靠近溢流口進入時由溢流口直接排出的可能性，有利于對不同大小顆粒高效分離。實驗結果表明，入口平均粒徑為15.7μm 時，優化結構下的分離效率可達98.3%，相比于增加顆粒排序器前提升了6.4%，尤其對于PM2.5的分離效率提升了15%～20%[49]。對比分散相油滴的梯級聚結（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口處于有利于分離的位置。主要區別在于，針對油相分離，進一步結合了液滴間自身的碰撞聚結特性及大粒徑液滴與周圍液滴碰撞概率大的優勢，增大對小粒徑液滴的聚結長大概率，達到提升整體分離效率的目的。

圖10 進口顆粒排序型旋流器結構及顆粒排序示意圖

2.3 減小分散相旋流半徑

在水力旋流器實際應用過程中，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]，通常對于這部分微小粒徑分散相的旋流分離效率較差，甚至未經分離直接排出，嚴重制約著整體分離效率的提升。通常，為了促進這部分微小粒徑分散相的分離，常設計采用直徑較小的水力旋流器，通過減小旋轉半徑，加大分散相所受到的徑向遷移力，促進其快速分離。以對直徑為1～56μm的鈦白粉（TiO2）進行旋流分離為例[50]，采用的旋流腔直徑較小，為20mm，整體旋流器長度僅為159mm，詳細結構參數如圖11 所示。盡管該旋流器能夠實現在0.4m3/h 入口處理量條件下，優化分離效率達到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 應用于鈦白粉分離的小直徑水力旋流器

為了實現大處理量及寬粒徑范圍下的高效旋流分離，本文作者課題組進一步設計了基于粒徑重構梯級分離的水力旋流器[51]，其結構設計思路及油相體積分數分布如圖12 所示。這里同樣以油水兩相處理液為例進行說明，考慮到大粒徑油滴在較大直徑旋流腔內即可實現高效分離[圖12(a)]，而對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部，從而構建了同時適用于大小粒徑油滴高效分離的兩層同軸旋流室。并且，在切向入口前端設置對油水混合物具有預分離作用的彎管結構（也可為螺旋管或其他能夠實現預分離的結構），將油水混合液預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、外層旋流腔內，從而實現基于油滴自身粒徑大小構建合適的徑向遷移力。此外，也可根據預分離效果，設置三層或以上的旋流室。目前，針對該旋流分離思路的數值計算結果表明[圖12(d)]，通過對分散相的粒徑重構及梯級分離，在大直徑旋流腔的內側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。并且細小油滴的去除效率明顯提高，整體分離效率相比于優化前提高了2.85%[52]。

圖12 基于粒徑重構梯級分離的水力旋流器結構設計及油相體積分數分布

2.4 增大分散相旋流切向速度

由1.2 節的分析可見，理論上增大分散相的切向速度將促使其快速分離，但對于前面所介紹的靜態水力旋流器，實際運行中的切向速度過高將使高速旋轉流動帶來的剪應力增大，這種剪應力會使分散相或聚結體破裂，加大分離難度，尤其對于液-液分離時，入口速度更須控制在一定范圍內[53]。相比之下，動態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 給出了一種典型動態水力旋流器結構示意圖，處理液由左側軸向入口流入，經旋轉葉片的啟旋作用后產生旋轉流，與此同時，電動機驅動旋轉筒高速旋轉進一步帶動其內部液流進行高速旋轉，從而實現旋流分離過程。其優點主要體現在：利用外殼旋轉帶動液體介質運動，旋流室內切向速度基本不受其所在位置影響，克服了靜態水力旋流器中由于液流流動速度衰減引起的旋轉強度下降問題；由于不依靠靜態水力旋流器的入口液流能量驅動旋轉，使湍流效果相對減弱，即使對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水力旋流器[56]。其不足在于，傳統動態水力旋流器需要外接動力源，增加了設備成本及運行費用[25]，且由于設置了徑向尺寸較大的旋轉葉片，將一定程度上造成對上游來液分散擾流的負面效果。

圖13 典型動態水力旋流器結構示意圖

為了減輕動態水力旋流器中旋轉葉片對上游來液的分散擾流作用，Enviro Voraxial Technology（EVTN）公司在早期設計提出了Voraxial 葉片誘導旋流分離技術， 而后該技術于2017 年被Schlumberger 公司收購[57]。該技術的主要技術特征在于采用一種高速旋轉的無剪切、無阻塞葉輪誘導產生徑向及軸向流動，促進兩相或三相介質的旋流分離，且運行過程中，無需對入口含油量波動、分散相濃度或流量等入口參數進行連續調整。目前，已形成了三種型號尺寸的緊湊型移動處理裝置，處理范圍在5～1100m3/h[58]。在國內方面，姬宜朋[59]設計開發了如圖14 所示的軸向渦流分離器。主體結構由驅動機構、渦發生器、靜止錐筒、輕相收集管等組成。其特點是在渦發生器的轉鼓內壁固定有高度和長度均小于轉鼓半徑和長度的漸變螺旋葉片。通過構建的加速區、穩流區及靜止錐筒內的離心力場，強化多相介質的旋流分離。采用該分離器處理某油田生產污水的結果表明，入口油相含量在100～300mg/L時，除油效率可達80%以上（最高可達91.8%），出水油相含量穩定在30mg/L以下[60]。

圖14 軸向渦流分離器結構示意圖

此外，為了延續動態及軸向渦流水力旋流器在穩定旋流場及促進微小粒徑分散相高效分離方面的優勢，同時降低設備成本及運行能耗，進一步形成了自旋式旋流分離思路，即在不依賴外界動力情況下，僅依靠液流流經旋流器過程中產生的自身推力，驅動旋流腔內部液流進行高速旋轉。圖15 為所述自旋式旋流分離器的結構示意圖，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生的反向旋轉力矩，驅動溢流管進行高速旋轉，并帶動其周圍的液流進一步高速旋轉。圖15(b)為外側旋流腔自旋的旋流分離方式[62]，借助底部液流流經靜葉片后產生的射流推力，推動動葉片及與之相連的旋流腔實現高速旋轉，從而進一步驅動旋流腔壁面區域液流的高速旋轉。該類型水力旋流器相比于常規的靜態水力旋流器（圖1）結構要復雜一些，需要進一步對該類型旋流器進行系統優化，獲得結構緊湊、便于加工、運行可靠且穩定高效的自旋式旋流分離器結構及其優化的運行參數。

圖15 自旋式旋流分離器結構示意圖

2.5 旋流分離工藝系統優化

以上分別從單一因素出發，探討了水力旋流器分離效率深度提升的新思路，而在實際旋流分離工藝中，除了考慮旋流器自身性能外，分離工藝中必要的附屬結構，如閥門、取樣管及分流比調節裝置等也將對整體分離性能產生一定影響。圖16 為一種典型的旋流分離工藝系統，在該工藝中，油水混合液經泵的增壓后，依次流經入口管路、閥門和流量計，進入旋流器內發生旋流分離，而后經分離的富油相和富水相分別由溢流管和底流管流出。為了確定最佳的運行參數，常通過位于出、入口管路上的取樣管對液流進行取樣以測量油相濃度，計算得出分離效率，之后通過對操作參數的反復調節，以達到最優的旋流分離效率。其中，避免入口閥門內部紊流造成的液滴破碎、增強取樣代表性以及促進更加快速準確的操作參數調節等，是值得深入思考的問題。

圖16 典型旋流分離工藝系統布置

（1）避免入口閥門內部紊流造成的液滴破碎。傳統旋流分離工藝中多采用市面上常見的閘閥、蝶閥或球閥等對入口流量進行調節，由于上述閥門普遍采用擋板（塊）來改變閥內阻力，實現對流量的調節，這將不可避免地造成混合液流經閥門后，在擋板（塊）后方產生流場紊亂，造成分散相液滴的剪切破碎，使液滴粒徑減小，增大后續旋流分離的難度。如何實現流量調節的同時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芯閥門結構[63]，區別于傳統閥門擋板，在閥體內部設置了流線型內芯，用以降低液流與閥芯間的硬性碰撞，通過調整內芯與出口間的過流面積調節液體流量。通過該結構設計，最大程度避免了混合液流經閥門過程中產生的紊流及由此造成的液滴剪切破碎，有助于后續旋流分離效率的提升。

圖17 防止液滴湍流破碎的軸向內芯閥門結構示意圖

在避免液流流經閥門造成的液滴剪切破碎同時進一步兼顧液滴聚結長大方面，Typhonix公司設計了如圖18 所示的Cyclone-based 低剪切閥，在閥桿上布置有導流葉片以形成旋轉液流，具體結合了導流葉片、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，同時通過構建高速旋流場促進分散相液滴的聚結增大[64]。與常規閘閥的對比試驗結果表明，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，同時也促進了油滴聚結效果[65]。此外，劉鵬[66]進一步將旋流聚結思路應用于原油開采的節流閥設計中，通過在閥籠側壁開設的多組切向節流孔實現液流的切向旋轉，促進分散相液滴的聚結長大。

圖18 Cyclone-based低剪切閥結構示意圖

（2）增強取樣裝置對液流取樣的代表性。液流取樣的準確性決定著對整個分離系統的性能評價，并直接指導系統運行參數的優化調節，以獲得最優分離性能。在這個過程中，對取樣裝置的要求，一方面要防止液流取樣過程中，由于液流急速轉向造成的分散相液滴發生慣性分離及流場紊亂產生的液滴剪切破碎，同時，需結合等面積等速取樣方法，使取樣液流更能準確反映取樣管路的分散相含量及粒徑分布。顯然，常規在管路側壁上安裝支管用于液流取樣的結構很難滿足上述要求，需要設計開發更具有代表性的液流取樣裝置。

（3）促進快速準確的旋流器操作參數調節。入口流量及溢（底）流分流比是系統優化過程中的常用調整參數[67]。其中，分流比調整是通過對入口、溢流及底流管路上的閥門開度進行協同調節，以實現對各股液流間的流量比調整。而在實際分流比調整過程中，由于對單根管路流量進行調節時，系統阻力也將發生改變，會直接影響到其他管路內的液流流量，往往需要進行反復調節以獲得目標分流比。為了優化這一問題，進一步構建了如圖19 所示用于分流比快速調節的閥門[68]，在該結構中，上、下腔體分別用于連通溢流管和底流管，通過同時調整上、下內芯的相對位置，可以對溢流與底流間的流量分配進行靈活調節。并且，閥體出口端的內壁準線為拋物線形設計，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節過程中對旋流器入口流量的影響。

圖19 分離比調節閥門結構示意圖

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化提升外，以旋流分離技術為核心，進一步耦合親油疏水材料、氣浮選、膜分離、微波技術及超聲技術等，也是深度提升兩相乃至多相不互溶介質間分離效率的切實可行的方法[69]。

3 結語

本文以液-液水力旋流器分離效率的深度提升為目標，分別從分散相在旋流場內的停留時間、分散相粒徑、分散相距軸心旋轉半徑、分散相切向旋轉速度以及旋流分離工藝系統等影響旋流分離效率的關鍵物理因素出發，在總結已有研究及理論成果基礎上，從延長分散相停留時間、促進分散相高效聚結、對微小粒徑分散相高效分離、構建高速穩定切向旋流場等多角度分析總結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的多種技術方案，并針對旋流分離工藝的系統優化，分析了降低液滴破碎及增強取樣代表性等的需求及可行性技術。所探討的多種技術方案將為液-液兩相以及固-液、氣-液、氣-液-固等多相混合介質的高效旋流分離器設計及系統優化提供一定理論及技術支撐。

文中詳細探討了旋流分離效率深度提升的多種技術思路，但對于特定技術方案而言，尚需進一步通過數值計算及實驗測量方法對方案結構及運行參數進行系統優化研究，以實現最優分離性能。同時，以旋流分離技術為核心，進一步耦合親油疏水材料、氣浮選、膜分離及微波技術等，挖掘多分離技術間的協同作用。此外，在不斷追求分離工藝各環節優化設計的同時，需進一步結合多相液流物性參數及分離效率的在線監測技術，開展水力旋流分離系統性能的智能化分析診斷與優化控制，進一步促進旋流分離效率的深度提升。