除油水力旋流器结构研究包括旋流器结构的理论分析和试验研究两大部分。旋流器结构的试验研究就是利用具有一定密度差和粒度分布的油水混合物，在试验台架上测试旋流器的流道结构和面积、锥管的锥角、直管的长度、尾端结构以及溢流结构等几何结构和尺寸对旋流器分离性能的影响，从中筛选出最优结构和最佳尺寸。

　　1 除油水力旋流器的溢流口结构

　　除油水力旋流器的溢流口结构可以有三种形式，即直孔式、涡流探测管式和涡流屏蔽罩式，其示意图见图1。

　　1.1 直孔式溢流口

　　直孔式溢流口结构最简单，加工也最方便。对这种结构的溢流口设计，主要是确定溢流口直径d0。溢流口直径d0的大小取决于旋流器的设计分流比大小，一般为0.03d～0.1d。选择d0时除应考虑分流比的大小外，还应考虑旋流器的应用地点有无机杂等会堵塞溢流口的物质存在。如果被处理液较为纯净，可以选择上述范围的下限，否则选择上限。

　　1.2 涡流探测管式溢流口

　　涡流探测管在液固、气固旋流器中应用较多。其主要结构参数为溢流口直径d0、涡流探测管直径以及涡流探测管的长度L0。采用涡流探测管的

目的主要是为了减少旋流器入口液流和旋流器中反向溢流的碰撞和掺混，因此涡流探测管的长度应大于液体旋转螺旋线的螺距。涡流探测管的直径除了应考虑探测管的机械强度和加工工艺外，还应考虑其对入口液流的阻力影响。溢流口直径可以采用和直孔式溢流口的大小相同。

　　1.3 涡流屏蔽罩式溢流口

　　涡流屏蔽罩式溢流口是最新发展起来的一种新型溢流结构，其主要结构参数为溢流口直径、屏蔽罩内径和屏蔽罩长度。

　　溢流口直径的大小和屏蔽罩的长度可以按涡流探测管溢流口考虑，屏蔽罩的内径大小必须考虑分流比的大小、油芯的直径以及罩的直径对旋流器入口阻力的影响。

　　采用溢流屏蔽罩的主要作用是为避免中心油芯在一定条件下的紊动所造成的二次回流。

　　2 试验方法与试验设备

　　2.1 室内模拟试验方法

　　对于一给定结构和尺寸的旋流管，影响其分离效率的因素有：入口流量、入口含油浓度、分流比、混合液中油滴平均直径和粒度分布曲线的宽度、三口压力(入口、溢流口、底流口)，室内试验的目的就是通过大量试验，寻求最佳工作点。由于影响因素多，每种影响因素的可调范围宽，若将各因素的可调范围人为划分为几个水平，然后对各因素、各水平进行排列组合试验的话，试验工作量非常大。为减少试验次数，同时又能获得较满意的结果，应通过正交试验方法来实现。但经过一段时间的试验，发现在本试验装置上，尚无法完全实现正交试验所需的试验工况(如：大流量、高浓度、小分流比工况)，而且根据以前的试验结果，发现在各因素的试验范围内，它们之间的交互作用甚小，几乎可以认为无交互作用。据此，我们采用的试验方法为：改变某一因素，维持其它因素不变，寻求该因素的最佳点。依此类推，逐一寻求其它各因素的最佳点。最后，综合各因素的最佳点，即为该旋流管的最佳工作点。从理论上来讲，我们所得到的工作点，可能不是最佳点，但应该在最佳点附近。考虑到该方法方便易行，试验时应采用该方法。

　　对旋流器各部分几何尺寸和结构优选，应采用正交试验法，采用上述试验方法得出每种结构和尺寸组合的最佳工况(评价指标)，而不必把旋流器的操作参数列入因素中去。

　　2.2 流程及主要设备

　　试验流程如图2所示。清水罐1中清水经增压泵2增压和流量计4计量后进入静态混合器5;在油罐18中按比例加入一定量的油、水和乳化剂，经搅拌器搅拌一定时间后形成具有要求粒度分布的油水乳液，该乳液经计量泵17增压后进入静态混合器5;乳化油流和水流在静态混合器5中充分混合，形成具有要求浓度和粒度分布的液体混合物进入水力旋流器9。在旋流器中，油水混合液中大部分油和少量的水从溢流口排入地沟14，处理后的大部分水和微量的油从旋流器底流口经流量计计量后排入地沟13。等动量取样系统用于提取旋流器入口样品，以便分析入口液流中油滴粒径分布和含油浓度。旋流器的溢流流量用体积法计量。该装置的主要设备规格为：

　　清水罐：F1000 ×1000mm(直径×高)

　　增压泵：G70-(2单螺杆泵)

　　计量泵：Zj3-320/63 静态混合器：SL-50

　　涡轮流量计：LW-50 水力旋流器：公称直径25mm，可以实现单管、两管和三管组合。

　　紫外可见光分光光度计：752C

　　MASTERSIZER MS-S short 激光粒度测试仪，粒度范围0.05～900μm。

　　3 涡流探测管对旋流器外特性的影响

　　本试验所用的油水混合液是通过小罐添加乳化剂搅拌法制备的。所用乳化剂为NaOH，NaOH含量为5000ppm，搅拌80分钟后进行试验。试验用旋流器有两种：无涡流探测管的三管组合和有涡流探测管的两管组合(分析时折算成单管流量进行比较)。

　　3.1 压降分析

　　把有、无涡流探测管旋流器的流量-压降试验数据绘制在同一图上(图3)，通过分析两旋流管的流量压降关系可以看出，有、无涡流探测管旋流器的入口到底流口之间的压降基本相同，但无涡流探测管旋流器入口到溢流口之间的压降比带涡流探测管的要大。即，在同样流量、同样入口和底流口压力、同样分流比下，带涡流探测管的旋流器溢流口压力高。也就是说，要维持和不带涡流探测管旋流器同样的分流比，带涡流探测管旋流器溢流口需要节流。因此，在溢流管线较长或溢流罐压力较高的情况下，从压降角度考虑应采用带涡流探测管的旋流器。

　　图3 有、无涡流探测管旋流器流量压降曲线比较造成这种现象的原因可能是由于涡流探测管深入到靠近大锥管处，缩短了油芯运移的距离，从而减少了底流口到溢流口间的压差。从另一个角度考虑，各截面上油芯处的压力和该截面上液体的旋转速度有关，旋转速度越大，油芯处压力越低，这也可以说明经过入口圆柱段后，液体混合物的旋转速度已经降低，造成涡流探测管入口处压力较高。

　　3.2 最佳工作点

　　图4和图5为两种旋流器的流量-分离效率曲线和分流比-分离效率曲线。

　　从图中可以看出，两种旋流器的最佳分流比都是1.5%。最佳流量范围，有涡流探测管旋流器大于无探测管旋流器。因此，有涡流探测管旋流器的流量适用范围较宽。

　　4 涡流探测管对粒级效率的影响

　　水力旋流器的分离性能与进料粒径有很大关系，因此，讲旋流器的分离效率(总效率)是多少，并不能完全代表旋流器的分离性能，只有粒级效率才能准确反映旋流器的分离性能。

　　4.1 效率的定义

　　总效率：分离出的油的总体积与进入旋流器的油的总体积之比。用公式表示即为：

　　粒级效率：进料中每种粒度所对应的分离效率。

　　4.2 粒级效率曲线上的重要点

　　粒级效率函数曲线有时称为概率分布曲线，它表示进料中任何特定粒度的粒子被分离或随流体带走的概率。相应于50%概率的粒度称为等概率分离粒度d50，而且通常被用作分离设备的“分割粒度”。除了分割粒度d50以外，还有两个分割粒度的定义。

　　解析分割粒度是进料以总效率给出的比例按粒度进行分离所得到的粒度。

　　分离极限是粒级效率曲线上效率等于100%所对应的粒度，即大于分离极限的所有颗粒都能完全分离。

　　4.3 粒级效率的测试方法

　　对水力旋流器来讲，测量其粒级效率最有效的方法是采用单一粒径的粒子分别通过旋流器，测试其分离效率。但由于单一粒径的粒子和水之间的密度差不一定能达到油水分离的密度差要求，同时，选择既符合密度差要求，又具有单一粒径的颗粒是非常困难的。

　　测量粒级效率的第二种方法为选择具有一定粒度分布的粒子通过旋流器，同时测试旋流器入口和底流液流中粒子的粒度分布。通过比较入口和底流口的粒度分布，可以求得旋流器的粒级效率。对于固-液分离旋流器和旋风分离器，采用该方法是可行的，但对于液-液分离旋流器来讲，由于液体颗粒在旋流器中同时受剪切和聚结两种作用的影响，液滴在旋流器中粒径会发生变化，采用该方法测试旋流器的粒级效率是不可行的。

　　测量旋流器粒级效率的第三种方法是采用具有不同中径的液体混合物通过旋流器，测试其分离效率，每个中粒径所对应的旋流器的分离效率近似为粒级效率曲线上的一个点。通过测试旋流器在具有不同中径的油水混合物通过旋流器时的分离效率，就可以得到旋流器的粒级效率曲线，本研究就是采用该方法测量旋流器的粒级效率曲线。

　　4.4 粒级效率测量结果

　　图6为采用NaOH乳化剂所做的粒级效率曲线，图7为采用OP系列乳化剂所做的粒级效率曲线。从图6可以看出，在同样条件下，有涡流探测管旋流器的分离效率高于无涡流探测管旋流器的分离效率。

　　但采用OP系列乳化剂所得出的粒级效率曲线(图7)基本相同，粒径在10～30μm 范围内，有涡流探测管旋流器的分离效率略高于无涡流探测管旋流器的分离效率。

　　产生这种现象的原因可能是由于两种乳液的稳定性不同所引起的。也就是说，采用带涡流探测管旋流器分离不稳定乳液，分离效率高于无涡流探测管旋流器。

　　5 结论

　　通过测试和分析有涡流探测管和无涡流探测管两种结构旋流器的外特性和粒级效率，所得出的结论如下。

　　(1)对于不稳定乳液(静置分层时间小于3分钟)，有涡流探测管旋流器的分离效率高于无涡流探测管旋流器的分离效率。对于稳定乳液，两种旋流器的分离效率基本相同，油滴中粒径在10～25μm 范围内，有涡流探测管旋流器的分离效率略高一些。

　　(2)在其它条件相同的前提下，有涡流探测管旋流器的流量和分流比调节范围宽。

　　(3)两种结构旋流器的分割直径d50为10μm，分离极限为30μm。

　　参考文献:

　　[1] 何利民，于延生，刘尔.激光粒度仪及其在旋流器室内研究中的应用[J].油气田地面工程,1999(1):20-22.

　　作者：李奎山1, 何利民2(东莞理工学院，东莞 523106; 2.石油大学，东营 257061)

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