油水分离用水力旋流器流动机理和应用研究

杨阳

摘要：在油水分离领域水力旋流器是一种新型的分离设备，其主要是充分利用离心力来最终实现油水的有效分离。首先对旋流器进行了简单阐述，并在此基础上对油水分离水力旋流器分离机理进行了探讨。作为一种新型的油水分离器，水力旋流器实际应用过程中取得了很好的经济效益。

【关键词】水力旋流器；污水处理；油水分离；应用分析

引言

水力旋流器主要是起源于管内旋流运动清除空气中尘埃的基本原理。自19世纪80年代末水力旋流器出现以来其一直在不相容的两种介质分离中得到了广泛的应用。而且，在发展过程中及应用范围也越来越广。在上世纪90年代，我国的一些油田充分利用水力旋流器而实现油水分離预处理以及含油污水的净化处理。作为一种新型、高效、经济的分离设备，水力旋流器在油田发展过程中发挥出了非常大的作用。

1 旋流器基本结构及工作原理

1.1 基本结构

目前应用的液-液旋流器主要是在通过对液-固旋流器进行总结改进后最终形成的，整个旋流器主要是由圆筒段、大椎段、小锥段、维管段等几个部分组成[1]。

1.2 工作原理

具有一定压力的油水混合物通过切向位置进入到旋流器内部，然后在旋流器的内部进行高速旋转。密度相对较小的油会逐渐向旋流器轴心方向运动，并最终形成方向向上的内旋流油核；密度相对较大的水分则逐渐向旋流器内壁方向运动，逐渐形成了方向向下的外旋流。油水实现分离后最终会从溢流口排出；而经过脱油后的水分则会通过旋流器底部流口排出。

2 机理分析

2.1 入口流量.

对于旋流器来说入口流量是一个非常重要的操作参数。当油水混合物进入到水力旋流器内部的时候，会在强大的旋转力场作用下最终实现油水分离。增大流量，可以进一步提升旋流器内部的旋转力场，从而使得油水分离，分离速率增加，但与此同时，在强大的旋转力作用下，最终会导致油滴剧烈震荡产生破碎，油滴逐渐变小，从而使得油水分离难度加大，更多的油会随着水分从旋流器的底部流出，而由于旋转力的作用增加，使得油水两相在旋流器内部停留时间进一步减小，在各种因素的综合作用下，最终导致油水两相分离效率不断下降；而如果入口流量过小，虽然会导致油水两相混合物在旋流场内部长时间停留，但是由于旋流器内部产生的旋流强度过小，导致油水很难出现分离。通常情况下，固定结构的旋流管都具有一定的高效流量范围，而在这一流量范围内最大流量与最小流量之间的比值就就经常被当作是旋流器的流量调节比，流量调节的大小在很大程度上能够反映出旋流器对于液流量波动适应性，如果流量调节比相对比较大，则说明旋流器对波动有较强的适应性，通常情况下，旋流器流量调节比会处于3-6之间。

2.2 油滴粒径

在所有影响旋流器分离效果的因素中含油污水中的油滴粒径是非常重要的一项参数，结合stokes定律可以知道，随着油滴粒径的不断增大，油水分离的难度也会越来越大。如果将不同数值下油滴的粒径以及相应的分离效率作为基本参数就能够绘制出相应的效率曲线。通过油滴粒径与流量的变化曲线可以发现，当油滴的粒径为75μm的时候，油滴粒径会随着流量不断的增大而呈现出先减小后增大的趋势，而当油粒的粒径为50μm的时候，随着流量的不断增大，油滴粒径会不断下降，并没有表现出明显的增加趋势。这也充分说明，在流量不断增大的过程中，旋流管内部的旋转力场会不断增强，从而使得油水分离效果进一步增加。但随着流量持续增大，旋转力场强度过大最终导致油滴出现破碎现象。由于上述两种颗粒直径范围内的油滴破碎的几率非常大，从而导致其分离效果下降[2]。

2.3 分流比

对于水力旋流器来说，溢流富油流量与入口流量之间的比值就是其分流比，分流比的大小通常情况下都是由溢流和底流实际的含油浓度来决定，有效提升水力旋流器的分流比，溢流和底流实际的含油浓度都会相应减小，这样就能有效提升分离效率，但是溢流含水量会相应增加。利用增加分流比的方法来提升分离效率具有一定的限制性。经过大量研究发现，当水力旋流器分流比超过一定数值的时候，其实际分离效率与分离流有大小基本上不会产生关联。通过上述分析可以发现，较轻的油会在旋流器的内部经过旋流场的作用后最终形成油核，并且会在压力梯度的作用下从水力旋流器溢流口排出。分流比的实际大小对中心油核的长度、形状以及稳定程度不可避免的都会产生一些影响。增大分流比，会导致旋流器有效分离长度增加；与此同时，液体在高速运动下其惯性也会不断增加，会导致轴心位置的油核实际的波动幅度减小，能进一步提升油核的稳定性，由此进一步提升旋流器实际的分离效率。随着分流比进一步增加，会导致水分也会进入油核中，同时也会使得油水两相从入口位置直接进入溢流的短路流现象进一步加剧，从而使得旋流器分离性能遭到破坏。分离效率也不能实现进一步提升，还会造成溢流中含水量迅速增加。而分流比较小，会造成油核呈现出细长的状态，有效分离长度也会缩短，对油滴进入油核也会形成一定的阻碍，从而使得油水分离效率下降。

3 结束语

通过分析油滴在旋流器内部的受力情况，可以知道水力旋流器理主要是利用离心加速度取代重力加速度实现油水分离，高效的运行特征也与此有紧密的联系。通过分析旋流管内部的流动机制以及分离机理，并对影响旋流分离器的因素进行了研究，为旋流器优化运行提供可靠依据，采用油水分离用旋流器处理含油污水具有经济和技术的可行性。

参考文献

[1]付星星，魏伟胜，徐建. 水力旋流器在废油基钻井液的处理与回收中的应用[A]. 中国化工学会.中国化工学会2011年年会暨第四届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛论文集[C].中国化工学会：，2011：5.

[2]吕宪俊，崔学奇，邱俊. 水力旋流器的结构参数与分离性能研究[A]. 东北大学矿物材料与粉体技术研究中心、中国金属学会选矿专业委员会、中国选矿学会粉体工程学术委员会、辽宁省硅酸盐学会非金属矿专业委员会.第十三届全国粉体工程及矿产资源高效开发利用研讨会论文专辑[C].东北大学矿物材料与粉体技术研究中心、中国金属学会选矿专业委员会、中国选矿学会粉体工程学术委员会、辽宁省硅酸盐学会非金属矿专业委员会：，2007：5.