旋流分离技术概要

液-液旋流分离技术胜利工程设计咨询有限公司地面工艺技术研究所（科研所）郭长会130546038972009年6月19日•一、水力旋流器简介•1.1水力旋流器几何结构来料入口溢流口底流口入口段收缩段出口段分离段•旋流管由入口段、收缩段、分离段和出口直管段四个回转体顺序连接而成。•这四段又被称为：涡旋腔室段、大锥段、小锥段、尾直管段。在入口段有一个或多个切向入口，用以输入待分离的液体混合物。入口段的顶面上有一个溢流出口，用以排出较轻的组分。出口段的尾部是底流出口，用于排出较重的组分。图91.2水力旋流器工作原理图10图11•按照Bradley的定义，水力旋流器是一种“利用流体压力产生旋转运动的装置”。•水力旋流器的工作原理应包括三个部分：首先，籍切向输入流体的静压力产生旋转运动；继而，在该旋转运动中完成待分离物料的空间规律性分布；最后，经特殊的结构设计完成分离。•液体混合物从入口沿切向流进入口段后，产生高速旋转。由于混合物中轻重组分的密度不同，在离心力的作用下，重组分将向旋流器回转壁面处运动，并在壁面附近浓集，在旋转过程中，逐渐向底流出口运动，最终排出旋流器。与此同时，轻组分将向旋流器中心轴处运动，形成中心核，并向入口方向运动，从溢流出口排出。这样就实现了轻重组分的分离。Hydrocyclones(De-Oilers)TangentialInletDisposalWaterOutletOilConcentrateOutlet水力旋流器示意图12图13图14图15图16水力旋流器的突出特点•a、占地面积小。例如，处理量1.92104m3/d，常规系统占地160m2，旋流器占地仅18m2.•b、重量轻。不到常规设备重量的1/5。•c、分离效率高。一般达到85%，最高95~99%•d、可靠性高。无运动部件；维护简便。•e、流量调节范围宽。•f、安装方向不受限制。•g、工艺流程简单。可取消大量的管线和昂贵的沉降装置。1.3水力旋流器发展简史•几位里程碑式的人物和事件：1）Bretney，1891，在美国申请了世上第一个水力旋流器专利。2）Driessen，1939，将水力旋流器用于煤泥水的澄清作业（荷兰）3）Kesall，50年代，提出了关于水力旋流器三维流动的经典性描述。4）Bradley，60年代，《水力旋流器》（英文）（1965年）图175）八十年代，D.A.Colman和M.T.Thew,1980年,公布了“液液分离旋流器”研究成果；1984年，旋流器用于海洋石油工业。（“南安普敦双锥型”、“Colman型”、“Colman&Thew型”）（SouthamptonUniversity,UK)L.Svarovsky,1984年出版了他的专著《水力旋流器》（Hydrocyclones）（UniversityofBradford,UK)从1980年开始，由英国的BHRA（水力学研究会）发起的国际水力旋流器学术会议已经举行了6届。从与会论文来看，水力旋流器理论研究的深入与应用范围的广泛都是前所前所未有的。依目前情况分析，我们完全有理由认为，水力旋流器在其诞生100余年之际，其理论与应用的研究正处于一个空前的活跃期，而且还将蓬勃发展下去。水力旋流器在分离领域的应用固体洗涤油气分离液分离气油水分离液分离液澄清浓缩液分离固状的差异）分选（依颗粒密度或形分级（依粒度大小）固分离固分离1.4水力旋流器流场的基本特征•四种基本运动形式：•外旋流、内旋流、短路流、循环涡流；•两个基本特征：•轴向零速包络面（简记作LZVV,LZVV：lineofzeroverticalvelocity）•中心空气柱（对与液液分离旋流器，不一定出现中心空气柱。）图18图191.5水力旋流器性能参数•旋流器的性能主要通过以下几个参数来描述：（1）分离效率分离效率是评价旋流器工作性能的一项指标，它通常用符号表示。ε=（1-ku/kin)×100%式中：ku--底流排出液含油浓度，ppm;kin-入口液流含油浓度，ppm。底流排出液中含油浓度愈低，旋流器的分离效率愈高。应该指出的是：同一台旋流器处理不同油水混合物时效率通常是不同的，能够较好地评价旋流器分离性能的指标应该是粒级效率。（2）粒级效率粒级效率表示分离设备分离性能的重要指标。它表示来流中某一粒径的液滴经旋流器处理后从连续相中分出的概率。不同粒径的液滴其运移概率总处于0～1之间。液滴粒径愈大，从连续相中分出的概率愈高，其运移概率就愈大。好的分离设备能使较小的液滴有较大的运移概率。其定义可表示为：εd=ε(d)式中：εd---旋流器粒级效率，即对应于某一油滴粒径下的分离效率；d---油滴粒径。（3）分割粒径定义：dcut=d|εd=50%即：粒级效率为50%处所对应的粒径；用d50表示。我们希望旋流器有较小的d50（4）分流比分流比表示旋流器三口流量之间的关系，它们通常用符号F表示。F=Qo/Qin式中：Qin--旋流器入口流量；Qo---旋流器溢流口流量。显然，F应大于来流的含油浓度，且在保证高效分离的前提下尽量减小分流比F，以减少需进一步处理的溢流流量。（5）压降比压降比表示旋流器三口压力之间的关系,它通常用符号PDR表示。PDR=(Pin-Po)/(Pin-Pu)式中：Pin--入口压力，MPa；Po---溢流口压力，MPa；Pu---底流口压力，MPa。在旋流器实际应用场合下，人们将通过调节压降比来控制、调整旋流器的性能。影响旋流器分离性能的因素•影响水力旋流器分离性能的技术参数有几十个，主要包括三大类：结构参数、操作参数、物性参数。•对这些参数的研究、优化，得出性能良好的旋流器。•几何尺寸：主要有：涡旋腔室直径、长度；入口截面积、溢流口直径、锥体角度、尾直管段长度等；•物性参数主要有：连续相密度、分散相密度、混合物粘度、油滴直径分布，等。•操作参数：主要有：入口流量、分流比、压降比，等二、水力旋流器研究•2.1水力旋流器研究方法•水力旋流器的研究方法包括纯试验方法、半理论、半试验方法和纯理论方法。•1、纯试验方法（“黑箱”法）纯试验方法是采用正交试验方法，取不同变量进行组合，试验各变量之间的关系，最后得出各种油水条件下旋流器的最优结构参数和最优结构下的最佳运行参数。该方法是目前进行旋流器研究的最常用的方法，但该方法的采用必须有一定的资金保证，同时该方法研究的结果受试验条件的限制，其适用范围较小。水力旋流器实验室流程图图20水力旋流器实验室主要设施：•装置组成：旋流器、清水泵系统、加油系统、取样系统和数据采集系统、分析系统。•主要设备为：旋流器、离心泵（清水泵）、比例泵（加油泵）、清水罐、油水混合罐、静态混合器、椭圆齿轮流量计、等动量取样器。实验中使用的主要分析仪器为：激光粒度仪、紫外分光光度计。V1V3V4V2取样口接容器通气口U型管压差计主流侧向引压口管口形式样品室V2V1V2V1等动量取样图21•2、半试验、半理论方法（流场结构法）•采用激光多普勒测速仪测定不同结构旋流器在不同操作条件下的流场，得出旋流器内流场的经验方程，采用粒子动态轨迹分析方法分析旋流器的分离效率。•利用该方法可以分析旋流器的结构参数和运行工艺参数对旋流器分离效果的影响，用于指导旋流器的优化设计。•3、纯理论方法（数学模型法）•对旋流器内流体流动进行理论分析，建立旋流器内流体流动的理论方程和边界条件，运用计算流体力学方法进行计算机模拟求解，得出旋流器内流场的理论解。运用粒子轨迹分析方法，分析旋流器在不同条件下的分离效率。•利用该方法可以进行旋流器的优化设计和运行状态模拟，但最终仍需以试验来确定理论分析的正确与否。2.2水力旋流器流场结构•1.旋转流体的基本运动特性•（1）旋转流体运动的基本方程up+dprpdsdrdzab图22旋转流运动a．旋转流；b．流管在绕垂直轴旋转运动的流体中，在半径r点处取一方形流管(如图22所示)，其宽为dr，厚为dz。在同一平面上可应用Bernoulli方程gupH22•通过对上式求导，对微元体受力分析，得到旋转流体的运动微分方程•它反映了旋转流体运动中的能量变化关系，是旋转流体运动的一个基本方程。引入不同的限定条件便可得出不同场合下的旋转流体运动规律。rudrdudrgudH•（2）自由涡运动和强制涡运动•自由涡运动自由涡是外部没有能量补给时流体的圆周运动，这时的总水头无增无减，即H为常数，dH＝0。由旋转流体运动基本方程得：•积分得：ur＝C(常数)•上式说明在自由涡中圆周速度与半径的乘积为一常数，速度与半径成反比例关系，也就是说，在自由涡运动中流体质点的速度与半径按双曲线规律变化。0rudrdu•强制涡运动强制涡运动是旋转容器中流体与容器以同一角速度旋转时的运动。此时流体与刚体旋转运动类似，其圆周切线速度等于旋转角速度与旋转半径的乘积。•强制涡的速度分布公式为：•式中：u为圆周切线速度，ω为旋转角速度，r为旋转半径。ru（3）组合涡运动•组合涡运动是指由自由涡和强制涡组合而成的复杂流体运动。旋流器中流体的运动，大气中的旋风及龙卷风运动等，都属于组合涡运动。这种旋转运动的中心是强制涡运动的涡核，涡核以外是自由涡运动。组合涡运动中的自由涡由于受到中心强制涡的制约，其速度分布往往不再符合ur＝C，而是满足：•式中的指数n＝0.4～0.9，这种运动称为准自由涡运动。•旋流器内的流体流动就是一种组合涡运动Curnrruuuru强制涡区自由涡区O图232.水力旋流器内的液流运动•（1）切向运动•在旋流器内的三维运动中，切向速度具有最重要的地位。一般认为，水力旋流器内液流的切向速度分布符合准自由涡规律，但不同的研究者曾提出不同的数学表达式，其中以Bradley和Pulling根据Kelsall的实验数据所提出的表达式最为简单，也最为常用：式中，c为常数，与水力旋流器操作条件及结构参数有关；n为指数，其数值一般在0.4~0.9之间。虽然Bradley本人曾认为从流体动力学角度很难对上式予以解释，但该式确能很好地拟合实验数据，因而现已成为水力旋流器准自由涡区液流切向速度的经典表达式。crun切向速度的测定结果•水力旋流器内液流的运动的实际测定，一般首推Kelsall的工作。•图24所示为Kelsall用光学观察法测出的切向速度分布，这是一个为广大水力旋流器研究者所熟知并得到广泛引用的结果。图24•近年来，运用激光测速技术研究水力旋流器内的液流运动引起了人们广泛的注意。而其中Hsieh等人的工作具有一定的代表性，图25即为他们对切向速度的测定结果。图25•从测试结果中可以看到，切向速度分布呈典型的Rankine涡结构，即在内旋流区域切向速度随半径成线性关系增加（似固体），外旋流区域切向速度随半径增加而减小。（2）轴向运动•在水力旋流器三维液流运动中，流动方向发生明显改变的是轴向速度。•轴向速度分布的一个重要特点是零速包络面（LZVV）的存在。LZVV是内旋流与外旋流的分界面，其位置对水力旋流器的分离粒度（旋流器的分离粒度定义为以相等几率进入溢流或底流的分散相颗粒的粒度）有重要影响。轴向速度测定结果•图26为Hsieh和Rajamani对固液分离水力旋流器轴向速度的计算与测定结果。图26——数值分析，……激光测定特点：第一，在溢流管外侧区域，存在循环流和短路流；第二，在溢流管以下区域，向上的轴向流动比向下的轴向流动要快得多；第三，轴向流动的转折点（即零速点）构成的轴向零速包络面呈倒锥面形状。LZVV•关于轴向速度分布的数学模型，迄今很少有人提出。•Bloor和Ingham曾从连续性方程及运动方程出发，给出固液分离水力旋流器内轴向速度的解析解如下：••其中，α为旋流器的半锥角，r为半径，z为轴向位置，B为常数。该式在定性上可反映轴向速度的分布特征（如零速点、流动方向的改变等）。211)/53(21rzrBuz•关于液液分离旋流器轴向速度分布的测试，首推1984年Southampton大学M.T.Thew教