液一液水力旋流器的研究与开发应用.pdf

2 0 0 0年 6月 J u n e 2 0 0 0 化学工业 CHEM I CAL I NDUSTRY 与工程 AND EN GI _、EERI NG 第 1 7卷 Vo 1 ． 1 7 第 3期 N o．3 十 H ￡专题综述 ≥ ， ④ 液 一 液 水 力 旋 流 器 的 研 究 与 开 发 应 用 c 一 f ， f 赵庆 国 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 ， 北 京1 0 2 2 0 0 摘要 液液 水力旋流器倍 受石油企业 的重视 ， 这主要是 近年来 为 了适应 海上采油过程 中油 水分 离时所要求 的水 中含 油量低 、 占用空 问小等特 点。 本文对 这种 分 离过程 的特 点 、 主要 的 技 术指 标 及 其 目前 的 应 用 状 况 进 行 了 系统 的 总 结 ， 从 实验 研 究 、 模 型 化 研 究 与应 用 研 究 的 角度 对 水 力 旋 流 器的 研 究进 展 进 行 了广 泛 的 综述 。 此 外 ， 还 时 目前 研 究 中存 在的 问题 以及今后进 一步的研 究方 向提 出了 自己的见 解 关键词 左蓝 运煎佥直； 壁壹墨 中 图分 类号 TQ0 2 8 ． 4 6 ； TQ0 5 1 ． 8 4 ； 文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 9 5 3 3 2 0 0 0 T E31 ．1 03 01 41 - 0 8 The De v e l o pm e nt a nd Appl i c a t i o n o f Li qu i d～ Li qui d H y dr 0 c y c l 0 ne ZHAO Qi n g g u o I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， P e t r o l e u m Un i v e r s i t y． B e i j i n g 1 0 2 2 0 0 ， Ch i Ab s t r a c t H y d r o c y c l o n e i s ma i n l y d e v e l o p e d f o r t h e o i l wa t e r s e p a r a t i o n s y s t e m i n o f f s h o r e o i l p r o d u c t i o n ． I n t h i s p a p e r ， t h e f u n d a me n t a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s o f h y d r oc y c l o n e a n d t h e s t a t e o f t h e a r t s o f i t s i n d u s t r i a 1 u s e a r e p r e s e n t e d． Th e r e l a t e d r e s e a r c h wo r k i s r e v i e we d f r o m t h r e e a s p e c t s l a b o r a t o r y， s i mu l a t i o n a n d a p p l i c a t i o n ． Fi n a l l y， t h e p r o b l e ms i n t h e p r e s e n t r e s e a r c h fi e l d a r e p o i n t e d o u t a n d s o me us e f u l o p i ni o n s a r e g i v e n ． Ke y wo r d s Hy d r o c y c l o n e； Li q u i d l i q u i d S e p a r a t i o n； Se p a r a t o r 收 稿 日期 1 9 99 1 0 2 9 基金 项 目 中国石 油 天然 气集 团公 司九 五科 技攻 关项 目。 作者 简介 赵庆 国 1 9 6 2 一 ， 男 ， Ni t“ 迁安 博士 ， 现在 石 油大学 北 京 博 士 后流 动 站工 作 ， 主要 从事 反应 工程 与分 离 技术 研究 维普资讯 1 42 化学工业与工程 水 力 旋 流 器 是 根 据 离 心 力场 远 大 于 重 力 场 的原 理 发 展 起 来 的用 于 分 离 液 体 混 合 物 的 设 备 ， 自 j 0年代 开 始 水 力 旋流 器 应 用 于选 矿 ， 其 后 陆 续 出 现 大 量 水 力 旋 流 器 的 操 作 性 能 、 内流场分布 、 分离效率 及结构 优化等方 面 的研 究 ， 并 且 水 力 旋 流 器 也 逐 渐 地 应 用 于很 多其他行业 。 其 常见 结构如图 1所 示 ， 由圆柱 体 、 锥 体 两 段 、 溢 流 日、 底 流 口与 进 料 口组 8 l _ 溢 流 口 2 进 料 日 3 一圆柱体 } 4 大锥 段 j - 小锥 段 6 一 一底 流 口 7外旋 涡 ； 8 内旋 涡 图 1 双锥 水力 旋 流器分 离 原理 圈 成 。 混 合 物 物 料 沿 切 向进 入 旋 流 器 时 ， 在 圆柱 腔 内产生 高速 旋转 流场 ， 混 合物 中密 度 太 的 组 分 在 旋 转 流 场 的作 用 下 同时 沿 轴 向 向下 运 动 和 沿 径 向 向 外 运 动 ， 到 达 锥 体 段 后 沿 器 壁 向下运动 ， 并 由底流 口排 出 ； 这样就形成 了外 旋 涡 流 场 ； 密 度 小 的 组 分 向 中 心 轴 线 方 向运 动 ， 并 在轴线 中心形成 一 向上运 动的内旋 涡 ， 然 后 由溢 流 口排 出 这 样 就 达 到 了 两 相 分 离 的 目的 。 1水 力 旋流 器 的应 用 水 力 旋 流 器 在 液 一 液 分 离 与 固 液 分 离 时 的主要差别是 液滴在流体剪 切力的作用下很 可 能 耍 破 碎 为 更 小 的 液 滴 ， 甚 至 出 现 乳 化 现 象 ， 液 滴 尺 寸 越 小 ， 在 离 心 力 场 中 的 S t o k e s 力越 小 ． 因此 ， 一 般 来说 ， 液 液 分 离 比固 液 分离难于进行 另外 ， 液液馄 合物 中两 相之间 的 密 度 差 一 般 比 固液 混 合 物 中两 相 之 间 的 密 度 差 小 ， 这 也增 加 了液 液 分离 的 难 度 ， 为 了提 高 分 离 效 率 ， 有 些 学 者 建 议 采 用 双 锥 结 构 的 液 液 旋 流 器 见 图 1 ， 这 种 结 构 可 延 长 料 液 在旋 流 器 内 的 停 留时 间 。 与 之 相 比 ， 单 锥 结 构 的 旋 流 器 在 液 液 分 离 与 固液 分 离 中都 有 所 应 用 。 图 1 所 示 结 构 均 为 静 态 旋 流 器 。旋 流 器 的 另 一 类 形 式 为 动 态 旋 流 器 其 内部 的 旋 转 流 场 通 过 高 速 旋 转 的 旋 流 器 器 壁 的 产 生 ， 通 过改 变 旋 流 器 器 壁 的转 速 可 方 便 地 调 节 旋 流 器 内 的 离 心 力 场 强 度 ， 但 在 分 离 液 液 混 合 物 时 ， 由 于器 壁 的 高 速 旋 转 产 生 的 高 速 流 场 易 使 液 滴 出现 破 碎 现 象 ， 反 而 降 低 分 离 效 率 ， 所 以动 态 水 力旋 流 器 在 液 液 分 离 中并 没 有 特 殊 的优 势 1 ． 1 液一 液水 力旋 流器在国外的开发应用 液 一 液 水 力 旋 流 器 最 早 的 应 用 见 于 l 9 4 3 年 ， 美 国 原 子 能 委 员 会 的 Te p e和 W o o d s将 其 用 于 乙 醚一 水 系 统 的 分 离 ． 随 后 被 用 于 液一 液 及 液 液固 系 统 的 分 离 ， 但 被 广 泛 地 应 用于工业则是始 自于油- 水分离 。 随着原油 中 含 水 量 的 增 加 ， 需 要 处 理 的 油 水 量 迅 速 增 加 ， 而 当 时 所 用 的油 一 水 分 离 设 备 的体 积 非 常 庞 大 ； 同 时 随 着 环 境 保 护 要 求 的提 高 ， 各 国对 于 水 上 采 油 平 台 向海 中排 水 时所 允 许 的 油 含 量 指 标 越 来 越 苛 刻 。在 这 种 背 景 下 ， 英 国 S o u t h a mp t o n大 学 的 M． T． Th e w 首 先 系 统 地 开 展 了 水 力 旋 流 器 应 用 于 油 一 水 分 离 的 研 究 工 作 并 从 1 9 8 0年 的 国 际旋 流 器 学术 会 议 开 始 ， 陆 续 公 布 了 他 们 的 研 究 成 果 。 。 。 此 后 Th e w 的 研 究 成 果 转 让 给 B WN Vo r t o i l 公 司 ， 该 公 司根 据 Th e w 的 旋 流器 模 型 制 成 维普资讯 第 1 7卷 第 3 期 赵 庆 国 液一 液 水力旋 流 器 的研究 与开 发应用 1 4 3 了 Vo r o i l旋 流 器 样 机 ． 并 在 炼 油 厂 用 含 油 污 水 进 行 小 规 模 试 验 ， 随 后 又 进 行 丁 现 场 试 验 。 样 机 经过 两 次 改 进 ， 使 其 工 作 性 能 和 抗 腐 蚀 能 力 大 大 提 高 ， 形 成 了 具 有 Vo r t o i l 特 色 的 旋 流 管 组 合 模 块 而 开 始 商 业 性 应 用 ～ 到 8 O年 代 末 ． 其 他 人 叉 在 Th e w 的 旋 流 器 基 础 上 做 了更 为 广 泛 的实 验 研 究 ． 优 化 了 几 何 结 构 和 尺 寸 ， 提 高 了旋 流 器 的 工 作 性 能 ． 如 Co n o c o 妇和 Amo c o 口 “ 等 公 司 液一 液 旋 流 器 的 模 块 化 是 在 同 一 机 壳 内 并 联 或 串联 几 根 乃 至 几 十 根 旋 流管 当 采 用 并 联 形 式 的模 块 时 ， 可 适 应 不 同 处 理 量 的要 求 ； 当采 用 串 联 形 式 的模 块 时 ， 可进 一 步 降 低 底 流 出 口 的 含 油 量 ． 以 适 应 不 同 污 水 排 放 标 准 的要 求 。 1 ． 2液 一 液 旋 流 器 在 国 内发 展 现 状 - _ 我 国 在 液 液 旋 流 分 离 技 术 研 究 方 面 起 步 较 晚 。8 0年 代 末 ， 液 一 液 旋 流 技 术 在 国 外 油 田 污 水 处 理 中 的 广 泛 应 用 ， 引 起 国 内有 关 单 位 和学 者 的 重 视 在 引进 成 套 旋 流 器 的 同 时 ． 根 据 国 外 文 献 资 料 中 提 供 的 液 一 液 旋 流 器 模 型 尺 寸 比例 ， 结 合 自己 的设 计 经 验 ． 设 计 出 适 合我 国油 田实际情况 的液一 液旋 流器 ． 开始了 液 液 旋 流 分 离 技 术 的实 验 研 究 。 其 中 江 汉 石 油 机 械 研 究 所 设 计 的 XL 一 1 0型 液一 液 旋 流 分 离 器 ． 油 田现 场 试 验 的 分 离 效 率 为 0 ． 9 4 ； 大 庆 油 田设 计 院 于 1 9 9 2设 计 的 双 锥 型 旋 流 器 的 除 油 效 率 基 本 达 到 了 国 外 同 类 产 品 的 指 标 ； 胜 利 油 田 勘 探 设 计 院 同 沈 阳 新 阳 机 器 制 造 公 司合 作 开 发 的 预 分 离 旋 流 器 和 污 水 处 理 旋 流 器 的 分 离 效 率 分 别 在 8 0 以上 ， 但 在 现 场应 用 中性 能还 不 稳 定 。 此 外 ， 石 油 大 学 北 京 和 大 港 油 田近 年 接 受 中 国 石 油 化 工 集 团 总 公 司 的委 托 ， 进 一 步 探 讨 结 构 参 数 、 物 性 参 数 及 操 作 参 数 对 旋 流 器 分 离 性 能 的影 响 ， 研 究 油 井 产 液 中 油水 预 分 与 污 水 脱 油 两 种 用 途 的 液 液 旋 流 器 的 优 化 设 计 。 1 ． 3液一 液 水 力旋流器 的特点 与 重 力 分 离 设 备 相 比 ． 水 力 旋 流 器 的 优 点 为 1 结 构 紧 凑 、 体 积 小 、 重 量 轻 这 是 由 于 离 心 力 远 大 于 重 力 约 1 0 0倍 的 数 量 级 ， 所 以 在 料 液 处 理 量 相 同 的情 况 下 ， 物 料 在 水 力 旋 流 器 中所 需 的停 留 时 间 典 型 的 停 留 时 间 为 2秒 左 右 远 小 于 重 力 分 离 设 备 ； 2 易 于设 计 、 安 装 ； 静 态 水 力 旋 流 器 可 以模 块 化单 元 的 方 式 进 行 设 计 、 组 装 ， 当料 液 处 理 量 增 加 或 减 小 时 ， 可 以 随 时增 减 旋 流 器 的 个 数 ， 而且 由 于 旋 流 器 的 体 积 小 、 重 星轻 ． 在 海 洋 平 台上 可 以 很 方 便 地 吊装 ； 3 快 速 启 动 、 迅 速 稳 定 由 于 料 液 在 水 力 旋 流 器 内 的 平 均 停 留 时 间 很 短 ． 所 以在 开 始 启 动 时 以 及 当进 料 中油 水 两相 呈 现 “ 断 塞 流 ” 状 态 后 ， 旋 流 器 分 离 系 统 可 以 在 几 秒 内就 恢 复 至 正 常 操 作 状 态 ； 4 由 于 静 态 水 力 旋 流 器 中没 有 运 动 部 件 ， 需 要 的 系 统 配 件 少 ； 5 维 修 费 用 低 ； 通 常 只 需 维 护 循 环 油 泵 ， 其 次 是 旋 流 器 被 冲刷 磨 蚀 与 腐 蚀 后 的 维 护 ； 6 对 海 洋 平 台 的晃 动不 敏感 。 2 水 力旋 流 器 的主 要 技术 参 数 1 基 本 结 构 参 数 旋 流 器 的 主 要 结 构 参 数 包 括 圆 柱 段 直 径 、 长度 ， 锥 段 的锥 角 、 长 度 ， 尾 管 段 直 径 、 长 度 ， 溢 流 口直 径 以及 进 口管 的 结 构 形 式 、 尺 寸 及 个 数 。 这 些 参 数 决 定 了 内 流 场 的 流 态 ， 将 直 接 影 响旋 流 器 的操 作 性 能 2 物 性 参 数 物 性 参 数 主 要 包 括 分 散 相 的 颗 粒 液 滴 尺寸 ， 两 相 的密 度 、 粘 度 及 表 面 张 力 。 由 于旋 流器 的分 离效 率 随 分 散 相颗 粒 尺 寸 的 增 大 而提 高 ． 所 以颗 粒 液 滴 尺 寸 是 影 响 旋 流 器 操 作 性 能 的重 要 参 数 。两 相 之 间 密 度 差 的 大 小 决 定 一 定 操 作 条 件 下 离 心 力 场 的 强 度 大 小 ， 粘 度 及 表 面 张 力 则 影 响 流 体 的 剪 切 力 大 小 及 液 滴 破 碎 的难 易 程 度 。 3 操 作 参 数 操 作 参 数 包 括 进 出 口料 液 的 流 量 、 浓 度 、 温 度 ， 分 流 比 及 进 出 口处 的 压 维普资讯 l 44 化学工业与工程 2 0 0 0年 6月 力 其 中温 度 的 高 低 影 响 物性 参 数 。 流 量 Q 的大 小决 定 了内 流 场 的强 度 。 当流 量 较 小 时 ， 旋 流 器 内 的 流 速 也 较 小 ， 不 能 进 行 有 教 分 离 ； 当流量增大 时 ， 不仅通过旋 流器 的压 降增大 ， 而且有可 能使 液液混台物 中的分散 相液滴破 碎 为较 小 尺 寸 的 液 滴 ， 甚 至 出 现 浮 化 现 象 ， 使 分离教率反而 降低 。在旋流器技术 中一 般用 流 量 调 节 比 R 。来 表 示 这 个 范 围 ， 其 定 义 为 维持 高 教 率 操 作 所 允 许 的 最 大 进 口流 量 与最 小 进 口流 量 之 比 ， 即 R口一 Q ／ Q 1 分 流 比是 指 分 散 相 浓 度 较 高 的 出 口处 的 总 流 量 对 脱 油 旋 流 器 为 溢 流 口流 量 ， 对 脱 水 旋 流 器 为 底 流 出 口流 量 Q 占进 口总 流 量 的分 率 ， 即 F Qn ／ Q． 脱 油 2 a 或 F Q ／ Q． 脱 水 2 b 在 一 定 流 量 范 围 内 ， 分 流 比 大 小 对 分 离 教率高低有一定影 响。 因此 ， 为 了使分散相 能 有 教 地 被 分 离 出 来 ， 一 般 要 求 分 流 比既 要 大 于 某 一 临 界 值 该 临 界 值 大 于 进 口浓 度 值 ； 又 要 小 于 某 一 上 限值 ， 该 上 限 的 确 定 取 决 于 对 分 散 相 出 口处 混 台 液 的浓 度 要 求 。 4 性 能 参 数 液一 液 旋 流器 的 性 能 参 数 主 要有 流量一 压 降特性 、 分 离教 率 和迁 移概 率 ， 这 些 特 性 与 旋 流 器 的结 构 参 数 、 操 作 参 数 及 物 性 参 数 密 切 相 关 。 a 流量一 压 降关 系 进出 口之 间的压 降是 表 示 两 相 分 离 所 需 的 能 量 ， 流 量 Q 一 压 降 △ P 关 系 反 映 了旋 流 器 的 能 量 消 耗 ， 其 一 般 形式 有 A p． 一 P 一 P 一 AQ 3 a △P 。一 P 一 P。一 BQ 3 b ， 式 中常数 A、 n、 B 和 与旋流器 的结构有关 。 b 总 分 离 教 率 e和 折 算 分 离 教 率 ￡ r 总 分 离 教 率 可定 义 为 较 浓 分 散 相 的出 口处 分 散 相 的体 积 流 量 对 脱 油 旋 流 器 为溢 流 口， 对 脱 水 旋 流 器 为 底 流 口 与 进 口处 的 分 散 相 体 积 流 量 的 比值 ， 即 eV。 ／ ． 一 l K Q ／ K．Q， 一 l K 1 一F ／ K 脱 水 旋 流 器 4 a e V ／ V， 一 1 一K。 Q。 ／ K． Q． 一 l K。 1 F ／ K， 脱 油 旋 流 器 4 b 总 分 离 教 率 不 能 用 来 评 价 旋 流 器 分 离 能 力 的 高 低 ， 因 为 它 的大 小 依 赣 于 分 散 相 粒 径 的 大 小 粒 径 愈 大 ， 愈 容 易 分 离 ， 反 之 愈 难 分 离 。 另 外 ， 用 式 4 来 衡 量 旋 流 器 的分 离 教 率 总 是带 有 一 定 的局 限 ， 因 为 按 此 式 计 算 的 教 率 中包 含 了分 流 的部 分 。 假设 旋 流 器 没 有 任 何 分 离 作 用 ， 即 进 口浓 度 与 溢 流 浓 度 脱 油 旋 流 器 或 底 流 浓 度 脱 水 旋 流 器 相 同 ， 只 起 到 分 流 作用 ， 则旋流 器的分离教率应等于零 ， 但此时 按式 4 计 算 的分 离教率为 e K． Q。 ／ K Q 一 F 或 e K Q√ K． Q． 一F 即此时的教率等于分流比 F。在评价旋流器的 分 离 能力 时 为 了扣 除 分流 比 的这 种 影 响 ， 一 般 采用折算分离教率 净分离教率 ， 其定义为 一 e ， ／ 1 一F 一 l K ／ K 5 a 或 1 K。 ／ K 5 b 式 5 是 广 泛 使 用 的分 离技 率表 达 式 C 迁 移率 Mp 与折算迁移 率 分离教 率 表 示 对 含 有 不 同粒 径 的 分 散 相 进 行 分 离 的 总 结 果 ， 由 于 分 散 相 颗 粒 被 分 离 的 难 易 程 度 与 分 散 相 的颗 粒 尺 寸 密 切 相 关 ， 所 以 分 离 效 率 并 不 能 完 全 表 示 旋 流 器 的 分 离 能 力 。旋 流 器 的分 离 能 力 一 般 用 迁 移 率 来 判 定 ， 它 表 示 在 分 散 相 中 粒 径 为 d 的渡 漓 ， 经 过 旋 流 器 后 从 连 续 相 中 被 分 离 出 来 的概 率 对 于水 脱 油 旋 流 器 ， 如 果 料 液 中 的分 散 相 为 单 一 尺 寸 的 液 滴 ， 则 Mp l一 1 F K ／ K． 6 当 进 口料 液 中 液 滴 的粒 径 分 布 为 P ， 与 之 对 应 的 底 流 I 1 中液 滴 的 粒 径 分 布 为 P 时 ， 水 脱 油 旋 流 器 的 迁移 率 为 埘 一 l [ 1一 F K J ／ E p ． d K． ] 7 维普资讯 第 1 7卷第 3 期 赵 庆 国 液一 液水 力 旋流器 的研 究 与开 发 应用 1 4 5 与 折 算 分 离 效 率 相 对 应 ． 扣 除 分 流 对 迁 移 率 的 影 响 后 即 得折 得 迁 移 率 Me 一 E M d 一，] ／ 1 一， 一l 一户 K ／ 户 ． K． ] 8 迁 移 率 与 分 离 效率 之 间 的 关 系 为 r e l 户 d d p 9 a 。 或 I MP A d d p 9 b d 3水 力旋 流 器技 术 的研 究进 展 3 。 1实 验 研 究 实 验 研 究 的 内 容 分 为 两 个 方 面 一 是 确 定旋流器 的压 降、 分离 效率、 迁移率等操作 性 能 与 进 口流 量 、 浓 度 、 粒 径 与 分 流 比等 主 要 参 数 之 问 的 关 系 ， 以及 旋 流 器 的 结 构 参 数 、 流 体 的 物 蛀 参 数 及 各 种 操 作 参数 对 旋 流 器 性 能 参 数 的 影 响 ， 以 满 足 特 定 工 业 现 场 条 件 下 的 特 殊 要 求 ， 并 尽 可 能 达 到 最 优 化 设 计 ， 其 中 Th e w 等 人 的 研 究 工 作 包 括 了 液 液 旋 流 器 分 离 性 能 实 验 流 程 的 确 定 、 实 验 用 油 滴 尺寸 的获得 方法 、 分离 效率 以及 压降 与进 口 料 液 的 浓 度 、 分 流 比 及 流 量 等 参 数 之 间 的 关 系 、 迁 移 率 曲线 、 旋 流 器 尺 寸 对 分 离 效 率 的 影 响 、 料 液中含 气率 的影 响等诸 多方 面。 以后 Th e w 等 人 的 进 一 步研 究 则 确 定 了 双 锥 水 力 旋 流 器 的 优 化 组 合 尺 寸0 ． 而 且 通 过 回 归 得 到 了旋 流 器 的设 计 用 关 联 式 。 另 一 方 面 是 对 旋 流 器 内 流 场 的 试 验 测 试 ， 其 目的 是 对 内流 场 的形 状 及 特 性 如 流 体 的 湍 流 性 能 ， 流 体 在 旋 流 器 内及 各 出 口处 的 停 留时 间 分 布 及 其 相 应 的 短 流 、 死 角 ， 流 体 在 整 个 旋 流 器 内 的 零 速 度 包 络 面 等 情 况 获 得 一 定 的 感 性 认 识 ， 为 相 关 的 模 拟 工 作 提 供 基 础 。 这 部 分 的 研 究 工 作 最 早 见 于 Ke l s a i l 一 的 显 微 镜 光 学 测 量 法 追 踪 固体 颗 粒 在 旋 流 器 内 的 运 动 轨 迹 ， 由 此 可 获 得 固 体 颗 粒 的 轴 向 与 切 向流 速 分 布 。Ke l s a l l 测 得 的 流 速 分 布 中 ， 轴 向速 度 的 零 包 络 面 为 一 锥 形 曲 面 ， 而 后 B r d l e y 和 P u l l i n g 口 采 用 示 踪 剂 法 研 究 旋 流 器 内 的 流 场 时 ， 则 清 晰 地 显 示 轴 向 速度 的 零 包 络 面 为 一 柱 形 曲面 。在 后 续 的研 究 中 ， 人 们 逐 渐 地 采 用 了 先 进 的 L DV 技 术 来 测 量 内 流场 一 J ， 并 将 测 量 结 果 与 理 论 研 究 相结合 ， 以期对 内流 场的分 布特性 有一 更 清 楚 的认 识 。 3 ． 2理 论 模 拟 研 究 水 力 旋 流 器 的 物 理 模 型 与 计 算 模 型 很 多 ， 下 面 是 几 种 主要 模 型 0 1 停 留时 间理 论 由 Ri e t e ma 首先 提 出 。该 理 论 认 为 当进 口截 面处 固体 颗 粒呈 均 匀 分 布 时 ， 如 果 处 于进 口截 面 中 心 处 的 固 体 颗 粒 经 过 旋 流 器 时 在其 停 留时 间 内正 好 能 运 动 到 器 壁 表 面 处 ， 则 这 一 颗 粒 尺 寸 即 为 分 割 尺 寸 对 应 于 分 离 效 率 为 5 0 时 的 颗 粒 尺 寸 2 两 相 湍 流 模 型 在 层 流 时 ， 旋 流 器 内 的 切 向速 度 与 r “ 成 正 比 ， 流 体 在 湍 流 状 态 下 与 层 流 状 态 下 的 指 数 显 然 不 同 。 R i e t e ma L 2 副曾 根 据 Ke l s a l l [ 实 测 的 流 速 分 布 来估 测 涡 流 粘 度 。B l o o r和 I n g h a mE 2 s - 则 根 据 P r a n d t l 混 合 长 理 论 提 出 了 更 为 严 谨 的 单 相 粘 性 流 体 流 动 的 湍 流 模 型 ， 得 到 了 流 速 分 布 及 涡 流粘 度 的 空 间 分 布 。 Du g g i n s和 F r i t h 进 一 步指 出 ， 涡 流 粘 度 不 仅 与 空 间 位 置 有 关 ， 而 具 还 具 有 各 向 异 性 性 质 ， 并 且 在 不 同方 向 上 涡 流 粘 度 的 比值 不 是 一 个 常 数 ， 对 此 他 们 还 提 出 了 一 个 新 的 计 算 方 法 ， 即动 量 方 程 中 轴 向 与径 向分 量 中的 涡 流粘 度 按 传统 的 湍 流 模 型 计 算 ， 切 向分 量 中 的 粘 度 则 按 混 台 长 的 形 式 计 算 ， 如 此 便 可 兼 顾 旋 转 条 件 下 湍 流 流 动 中 的 各 向异 性 性 质 3 分 析 模 型 s z 9 , 3 1 系 指 通 过 求 解 基 本 的 流 体 力 学 方 程 得 到 的 模 型 ， 可 使 模 型 工 作 大 大 地 简 化 。 维普资讯 1 4 6 化学工业与工程 2 0 0 0年 6月 4 数 值 模 拟 法 计 算 流 体 力 学 法 现 时 有 许 多 商 业 性 计 算 流 体 力 学 软 件 ． 如 S I M P L E X 及 F LUENT 等 。 ” ～ ． 这 种 方 法 的 优 点 是 只 要 边 界 条 件 及 流 动 模 型 正 确 ． 就 可 获 得 可 靠 的 结 果 这 里 值 得 一 提 的 是 Ra j i a ma n i 和 M i l i n 的 适 用 于 高 进 料 浓 度 的 模 型 ． 通 过迭代计算 可以获得 各种进料浓度下旋 流器 内 的 浓 度 场 ， 该 模 型 的 假 定 是 颗 粒 流 体 问 不 存 在 耦 合 作 用 ， 流 动 状 况 为 轴 对 称 ． 在 计 算 时 用 P r a n d t l 混 合 长 的 方 法 来 表 示 湍 流 的 影 响 。 模 型 计 算 结 果 表 明 ， 当进 料 体 积 分 数 低 于 2 0 时 ． 计 算时 不需 要迭代过程 ， 得 到的分离 性 能 就 能 于 试 验 结 果 很 好 地 吻 合 。 3 ． 3应 用 研 究 在 实 验 室 的研 究 中 ， 所 有 的 操 作 参 数 、 物 性 参 数 均 可 精 确 地 控 制 ， 所 以 得 到 的 数 据 比 较 规 范 ， 根 据 试 验 数 据 得 到优 化 的 组 合 尺 寸 后 将 旋 流 器 应 用 于 油 田 现 场 时 ， 还 需 解 决 一 些 特 殊 的 现 场 操 作 问题 ， 主 要 问题 有 1 在 油 田 现 场 操 作 中 ， 如 果 出 现 油 水 断 塞 流 状 态 s l u g fl o w ， 则 旋 流 器 的分 离 效 率 为零 ， 必 须 从 系 统 操 作 方 面着 手 解 决 1 3 s ] ； 2 分 离 效 率 的 改 进 不 仅 取 决 于 单 个 旋 流 器 的 操 作 性 能 ， 更 取 决 于 整 个 分 离 系 统 的 优 化 设 计 及 相 应 的 配 套 设 备 ， 例 如 有 时 料 液 通 过 诸 如 控 制 阀 门 等 系统配件时产生 的压 降会 使油滴破碎 为更小 的 尺 寸 ， 从 而 引起 分 离 效 率 的 降 低 ， 为 此 在 旋 流 器 分 离 系 统 中直 接 将 旋 流 器安 装 于 油 水 混 合 物 降 压 之 前 ， 且 在 旋 流 器 后 采 用 下 游 强 化 分 离 容 器 ， 则 可 提 高分 离 系 统 的 总分 离 效 率 ； 3 为 了调 节 流 量 的 方 便 及 在 油 井 出油 压 力 较 低 的情 况 下 的 需 要 ， 在 旋 流 器 进 口前 常 设 置 辖 送 泵 ， 但 此 泵 会 使 流 体 剪 切 作 用 而 易 使 油 滴 发 生 破 碎 现 象 ， 从 而 使 分 离 效 率 降 低 ； 4 旋 流 器 组 的 组 合 结 构 一 般 小 尺 寸 旋 流 器 比大 尺 寸 旋 流 器 的 分 离 效 率 高 ， 所 以 现 时 多 采 用 较 小 尺 寸 的 旋 流 器 ， 当 料 液 处 理 量 较 大 时 ， 需 将 多 个 旋 流 器 并 联 使 用 。 Ry y n a n e n 口 - 的 专 利 中 曾 提 供 一 个 新 奇 的 旋 流 器 组 合 结 构 ， 这 就 是 使 两 相 邻 并 排 的 旋 流 器轴 线 之 间 的 距 离 小 于旋 流 器 的 直 径 并 使 两 个 旋 流 器 圆柱 腔 内 的 两 个 旋 转 流 场 相 互 接 触 ， 这 样 有 助 于 降 低 压 降并提 高分 离敬 率 ， 研究表 明， 在一定 的条 件 下 两 圆柱 腔 问 的 接触 角 为 0 ． O 2 5 ～ 0 ． ， 这 种 结 构 确 实 能 改进 分 离 效 率 4 结束 语 影 响 旋 流 器 性 能 的 因 素 包 括 结 构 参 数 、 物 性 参 数 及 操 作 参 数 等 十 几个 参 数 ， 如 对 各 个 参 数 的影 响 都 进 行 系 统 的研 究 ， 必 然 耗 资 耗 时 过 多 ， 故 必 须 另 辟 蹊 经 就 当 前 来说 ， 进 一 步 的研 究 工 作 应 该 考 虑 到 以 下 几 个 方 面 1 试 验 方 法 的 进 一 步 改 进 Th e w M T 关 于 液一 液 旋 流 器 迁 移 率 的 试 验 方 法 是 通 过 调 节 泵 速 首 先 产 生 试 验 所 需 的 油滴 尺 寸 ， 然 后 再 与 水 混 合 后 进 人 旋 流 器 ， 分 别 测 量 旋 流 器 进 出 口处 的油 滴 尺 寸 分 布 及 浓 度 ， 即 可 得 到分 离 效 率 ， 将 此 分 离 效 率 作 为进 口处 平 均 油 滴 尺 寸 下 的 效 率 ， 改 变 油 滴 尺 寸 后 重 复 进 行 试 验 即 得 到 迁 移 率 曲线 这 种 方 法 中 ， 以进 口油 滴 尺 寸 分 布 下 的分 离效 率 作 为 油 滴 尺 寸 为 其 平 均 值 时 单 一 油 滴 尺 寸 下 的 效 率 ， 依 此 得 到迁 移 率 曲 线 的 方 法 与 实 际情 况 存 在 着 一 定 的 差 距 ， 如何 消 除 这 种 误 差 将 是 今 后 的 研 究 中 不可 忽 视 的 一 个 方 面 。 2 机 理 研 究 流 体 在 旋 流 器 内 的 停 留 时 问 分 布 及 湍 流 程 度 会 影 响 分 离 效 率 及 压 降 ； 液 滴 与 连 续 相 流 体 之 问 的 运 动 是 否 遵 循 S t o k e s定 律 将 直 接 影 响 对 旋 流 器 分 离 过 程 的模 拟 方 法 ； 液 漓 在 离 心 力 场 作 用 下 的变 形 及 破 碎 的 规 律 、 机 理 等 都 是 夸 后 的研 究 中不 可 避免 要 逐 步 解 决 的 问题 。 3 对 操 作 性 能 的模 拟 对 旋 流器 的 内流 场 及 操 作 性 能 的 模 拟 将 是 今 后 研 究 中的 发 展 方 向 。特 别 是 有关 操 作 性 能 对 各 种 因 素 的参 维普资讯 第 1 7卷 第 3期 赵 庆 国 液 液 水力 旋 流器 的研 究 与开发 应 用 1 4 7 数 敏 感 性 研 究 是 非 常 具 有 现 实 意 义 的 ， 是 应 引起 重 视 的 一 个 方 面 4 广 泛 的 应 用 性 研 究 虽 然 有 关 旋 流 器 的研究 文献涉 及到水处理 、 化工 中的液一 液萃 取 、 生 化、 食 品与 发酵工业 中的分离等诸 多方 面 。 j ． 但 在 这 些 方 面 的 工 业 应 用 很 少 ， 今 后 的研 究 应