内循环式水力旋流油水分离器的研究

1、内循环式水力旋流油水分离器的研究张辉煌栾江峰赵志阳辽宁石油化工大学机械工程学院摘要：介绍了现代石油行业所面临的主要问题并提出油水分离工作在石油行业内占据 着不可或缺的地位，是一项顺疲时代发展，提高资源充分利用与开发和环境保 护的重要工作，并综合概述油水分离技术的现状。叙述了重力沉降与离心分离两 种分离方法的基本原理。通过分析两种方法的优缺点，结合前辈对分离技术的研 宄，在此基础上提出全新的油水分离结构，即内循环式水力旋流油水分离器。通 过设计制造设备，利用实验来研究新结构的可行性。关键词：油水分离;离心分离;新型分离结构;作者简介：张辉煌（1990-），男，河南省信阳市人，硕士，毕业于辽宁石油

2、化 工大学化工过程机械专业，研宄方向:压力容器与结构完整性技术。e-mail:1006328603qq. como收稿日期：2017-01-10research on internal circulating hydrocyclone oil-water separatorzhang hui-huang luan jiang-feng zhao zhi-yangschool of mechanical engineering， liaoningshihua university;abstract：main problems of the modern petroleum industry we

3、re introduced, and its pointed out that the oil-water separation work occupies an indispensable position in the petroleum industry. it is an important work to adapt tothe development of the times, to improve the full use and development of resources and the protection of environment. in this paper,

4、the present situation of oi1-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

5、 internal circulating hydrocyclone oil-water separator was put forward. and the feasibility of the new structure was verified by experiments.keyword：oil-water separation; centrifugal separation; novel separation structure;received： 2017-01-10随着现代工业的不断发展，石油的需求量与消耗量逐渐增大，我国石油行业也 随之呈现出全面崛起的景象。伴随着崛起的冋吋石汕

6、行业也带来了各种各样问题: 一方面随着油田开采时间的增长，油田开采逐渐进入末期，油田产出液屮含水 率也逐年增加，含水率甚至高达95%以上;男一方而则是随之带来的大量含油污 水。据统计:钻井污水排放量约640x10t/a, >1.只有少量进行了处理并达标排放;釆 油污水排放量更是高达3 800x10t/a,而排放达标率只冇52%,其中含稠油的污 水棊本全部未达到排放标准;在石油炼化阶段污水排放量2 460 x 10t/a,排放达 标率较为乐观，但也仅为74%m。综上两个方面，油水混合液的分离是一项顺 应时代发展，提高资源充分利用与开发和环境保护的重要工作，现实意义重大。1己有技术和设备综述

7、总体上看油水混合液的分离方法可归纳为四大类，包括:物理法、化学法、物理 化学法和生物化学法m。其中物理方法是利用油水间物理性质的不同而实施的 分离方法，例如各相密度差、导电率、声速等，其对应的物理分离方法主要有重 力沉降、离心旋流、高压静电、高频脉冲、微波辐射、超声波等方法。化学方法 是利用化学药剂（破乳剂、聚并剂等）破坏汕水乳化液的界面稳定性，将汕水混 合物由乳化态转变为游离态，进而实现油水混合液的分离di。将上述物理分离 法与化学分离法结合使用，从而达到油水分离的目的即为物理化学法。与化学法 操作类似，生物化学法是在油水混合液中加入适量的由微生物组成的生物破乳 剂来代替化学破乳剂来破坏油水

8、乳化液的稳定性，实现油水混合液的脱水。木文 将着重介绍物理处理法中的重力沉降与离心分离法，分析现有两种方法的优缺 点，并试图在这两种方法相关设备基础上提出新型的油水分离设备一内循环式 水力旋流油水分离器。l.i重力沉降法正文依靠多和介质间所受的重力不同，而实现多和分离过程的方法。常见的重力 分离设备主要有：卧式（或立式）除油罐、斜板隔油池、以及粗粒化（聚结）除 油罐等1。据研究表明在重力沉降过程屮，油相液滴的沉降效果是以颗粒的运动速度与池 子而积为函数来衡量的，与池深、沉降时间无关，因此可通过扩大沉降而积、提 高沉降速度两个途径来提高重力沉降分离效率ul由于重力沉降分离的方法具 有低能耗、低成

9、木和运行使用简单的优点，一直成为油水两相分离的首要方法。 但因其分离设备占用空间尺汴较大的缺点限制了该方法在小平台上的应用，如 海上平台。但是当油与水之间密度差很小时，重力沉降法则无法有效的将油水分 离开来。1.2离心分离法正文离心分离又可称之为离心沉降分离。利用离心运动产生的超大g值来代替重 力g值，实现油水混合液的分离。根据离心力的产生方式不同，离心分离设备可 分为常见的离心机、水力旋流器、螺旋管分离器等m。液一液水力旋流器是利用离心力来加快分散相沉降速度实现两相分离的分离设 备，也是较为传统的离心分离设备包1。如下图1所示为液一液水力旋流器结构 及相流动示意图，主要由入口、柱段、锥段、尾

10、管、底流口和溢流口组成ul 汕水混合液以一定的入u压力由切向入ij进入旋流器内沿器壁做螺旋运动吋可 产生较高的离心加速度。据报道，典型的液一液水力旋流器内的离心力可达到比 重力高1000倍以上，所以对于两相密度差较小和分散颗粒直径较小的油水混合 液，均有较好的分离效果m。"溢流 尾管段图1液一液水力旋流器结构示意图fig. 1 schematic diagram of liquid hydrocyclone卜载原图由于液一液水力旋流器具有体积小、重量轻、分离效率高、无运动部件、易于维 护等优点，成为近年来陆上和海上油田重点推广应用的油水分离设备u1。但液 一液水力旋流器也存在着对几何

11、结构参数敏感、对流量和介质性质要求相对稳定 的特性，造成液一液水力旋流器的通用性差、自控水平要求高等缺点。在应用中 这就要求设计者需要不停的针对不同的介质和工况做优化和改造液一液旋流器 的结构参数。螺旋管分离器，与水力旋流器原理类似，当油水混合液在螺旋管中高速流动时 混合液受离心力作用使密度较大的水相移向螺旋管的外侧，密度较小的油则挤 向螺旋管的内侧，待管内流动状态稳定后，在流态稳定段的螺旋管外侧壁面开 小孔将水放出，从而使油水两相分离m。如图2为螺旋管分离器结构及相分布 示意图。n 050.&1sc 31d做图2螺旋管分离器结构及相分布示意图fig. 2 the structure

12、and phase distribution of the spiral separator 下载原图螺旋管型分离器具有设备占地面积小、处理速度快、分离效率高等优势，但是螺 旋管分离器的螺旋结构使其在运行过程产生巨大压降且处理量低，因此极大的 阻碍了该结构的工业化应用。2内循环式水力旋流油水分离器的提出通过对重力沉降法与离心分离法的分析得到，二者均具有低能耗、低成本和运行 使用简便的优点。但重力沉降设备体积较大，因此不适宜小平台作业;且当油水 两和密度差较小时，利用重力场无法有效分离，所以不适宜重质油的混合液分 离。而传统的液一液水力旋流器的分离效率对设计参数、操作参数和介质性质极 其敏感，通

13、用性和分离稳定性较差。因此寻找重量轻、a用空间小、通用性强的 高效处理方法，成为本文的主要目标，以便实现小平台、高效率作业。面对这些要求，急需寻求新型的油水分离设备，以解决传统设备所面对的困难。在此本文 提出新型汕水分离设备一内循环式水力旋流汕水分离器（图3）。出料口内旋wk入料【h图3内循环式水力旋流油水分离器结构图fig. 3 structure diagram of internal circulation hydrocyclone oil-water separator 小载原图内循环式水力旋流油水分离器分离原理及过程为:油水混合液以一定的压力通过 入料口切向进入内旋桶内形成高速旋流场

14、。在离心力作用下由于油水之间的密度 差异，由油和组成的轻质和逐渐向中心运动形成油核并通过上部溢流管流出进 入外桶（外桶内置斜板）进一步依靠重力沉降再次分离；由水相组成的重质相向 逐渐被甩向外侧边缘，同时由切向出料口排出。由于内旋桶内液体的螺旋运动与 外桶的静液压力作用，外筒底部经过沉降分离后的低含油油水混合液通过回流 口再次进入内旋桶内分离，从而达到循环式油水分离的目的。内旋桶内混合液的 运动是复杂的三维螺旋运动，在流体力学里流体的这种运动也称为旋涡运动。简 而言之旋桶内油水的分离过程可简单归纳为流体旋涡的产牛.、发展和消散过程。3理论阐述新结构的可行性重力沉降分离是油水分离中最基本的分离方法

15、，探宄沉降分离原理首先耍将油 水混合物模型简化为互不和溶，密度不同，混合液只有非乳化或者非稳态乳化 的形式，汕相为分散相的理想模型。汕滴在沉降设备内的最终的沉降速度为：卜(pw-po);式中:v分散相沉降速度，m/s;d油滴直径，m;p»水相密度,kg/m;p。一油相密度，kg/m;g重力加速度，m/s;一无量纲阻力系数，其数值取决于油滴的状态和与油滴尺寸大小有关的re 数。re=-(2式中：re雷诺数(reynolds number),表征流体流动情况的无量纲数d一特征长度，m;p 密度，kg/m;u 一黏性系数，kg/ (m s);v一流体的流速，m/s。在stokes定律范围内

16、(re<0.3)，阻力系数满足的关系为:这时，油滴最终的沉降速度为:_ (pw-po)灯d2( 4 )18/zw在牛顿定律范围内（1 000re200 000）,阻力系数接近常数，0. 44,这吋, 油滴最终的沉降速度为：174 ,(pw- j pq若re数在stokes定律和牛顿定律之间（0.3<rc<l 000），阻力系数表达式为:=18-54e0.6(6从式（4）、（5）得出可以通过增大分散相的粒径、增大两相的密度差、减小连 续相粘度（提高re数）来提高油水分离效率。虽然这些公式以理想模型为假设 推导而来，没有考虑乳化液稳定性和分散相液滴聚并变大的影响，但是它们描 述了

17、沉降分离过程的基木规律，所以目前多数分离方法都是基于该原理发展起 来的。从上述公式（4）、（5）描述的沉降规律来看，如果利用离心原理人为增大g值也可用来提高油水分离效率。如果使液滴受离心力作用，则液滴承受的加速度2a = ro）为:(7)式中，一为旋转半径，m; 一旋转角速度，rad/s。用a代替公式（4）或（5）屮的g，就得到离心力场屮液滴分离时的加速度:式屮&和ar分别是在离心力和重力作用下液滴分离时的加速度。g为离心系数。国外典型的商业离心分离设备其离心系数可高达5 000到15 000,由此可见离 心沉降的效率远远高于重力沉降，这也是近年来采用离心沉降分离逐渐取代重 力沉降分离

18、的根木原因。结合“浅池理论”，即在重力沉降过程中，分散相液滴的沉降效率只与颗粒的 运动速度与负载面积有关，与池深、沉降吋间无关，可得离心分离与重力沉降相 结合的新型内循环式水力旋流油水分离器在理论上可达到分离油水混合物的效 果。且可通过在外筒内增加斜板的方式来增大沉降面积以提高沉降分离效率，通 过优化设计旋流室的设计尺寸可提高离心分离的稳定性与效率。4内循环式水力旋流油水分离器结构可行性实验4. 1设备相应设计离心分离方法可简单理解力人为加大沉降力场的方法，其原理是制造较高的离 心力场来代替重力场，实现两和或多和的分离任务。离心分离方法中离心力是使 液粒产生沉降效果的主要动力，其大小为：f =

19、 (al p2)式中:f离心力，n;p i密度，kg/m;p 2密度，kg/m;v液体切向速度，m/so式中的ro 离心加速度，代替了重力沉降中的重力加速度g，且数值上 ro»go利用这一基木原理与上节所述的“浅池理论”，我们建立了如图4的设 备模拟模型、并加工制造了如图4所示的设备。閔4内循环式水力旋流油水分离器设备閔fig. 4 internal circulation hydrocyclone oil-water separator下载原图4.2对该设备的工作效果进行评估实验:取含水率高达75%的0/w型汕水混合物测试，待设备运行稳定的情况下， 取适量分离后的汕和澄清液测得，汕相含水率近似为30%的w/0型汕水混合物， 澄清液含水率近似为86%的0/w型油水混合物。由上述实验结果可得，该设备可分离油水混合物，