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旋液式油水分離器設(shè)計(jì) 1.研究目的和意義 目前煉油廠對(duì)含油污水的處理，一般采用“老三套”技術(shù)，“隔油-浮選-生化”。多年來(lái)的實(shí)踐證明，該技術(shù)比較簡(jiǎn)單且實(shí)用，但二級(jí)加藥浮選存在著下述問(wèn)題:如二次提升污水，能耗較高，油水分離時(shí)間較長(zhǎng)（30-60min)，建筑占地面積較大，特別是投加大量藥劑后，產(chǎn)生大量浮渣，對(duì)浮渣的處理投資大，操作復(fù)雜，如不妥善處理，則會(huì)造成二次污染等。 旋液式油水分離器是一種新型的具有效率高、處理量大、質(zhì)量輕、體積小、本身無(wú)運(yùn)轉(zhuǎn)部件、維修和管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。 據(jù)BWN Rortoil公司統(tǒng)計(jì)，截至1988年止，全世界巳有18臺(tái)這種裝置在運(yùn)行，另有7臺(tái)正在建造中，其中處理量最大的為30210m3/d，處理后的出水含油量小于5mg/L。 撫順石化公司石油一廠與大連理工大學(xué)合作進(jìn)行了兩年多的試驗(yàn),成功開(kāi)發(fā)了 XYF-5型旋液式油水分離器，取得了較滿意的結(jié)果。結(jié)果表明，煉油廠含油污水在該器中停留2-3s，不投加任何藥劑，處 理后的出水含油量可降至15mg/L以下，達(dá)到了生化進(jìn)水水質(zhì)要求，可以代替二級(jí)加藥劑的壓力浮選程的目的，具有很好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。 2.旋流器的發(fā)展特點(diǎn) 它的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到各行各業(yè)。從其可分離的類(lèi)型上看，除了對(duì)完全溶解于液體介質(zhì)的物質(zhì)不能分離(溶于液體中的氣體，在水力旋流器中也可部分地分離)，以及對(duì)乳化液難于分離(可加入破乳劑后再行分離)外，其它的兩相或三相介質(zhì)均可分離。如液--固、氣--固、液--氣、液--液、液--氣--固三相的分離，甚至密度不同，或形狀不同的兩種固體顆粒亦 可用水力旋流器分離。同時(shí)，對(duì)水力旋流器的操作特性許多學(xué)者作了專(zhuān)門(mén)研究，對(duì)它的應(yīng)用場(chǎng)合，運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇與確定都有了合理的依據(jù)。因此，水力旋流器在實(shí)際應(yīng)用中大都取得了很好的分離效果，經(jīng)濟(jì)效益可觀。許多學(xué)者專(zhuān)門(mén)研究了水力旋流器各部分幾何參數(shù)的合理確定的問(wèn)題，研究了幾何尺寸變化對(duì)分離性能的影響，如，溢流口徑和底流口徑的形狀及大小的改變、圓錐角的變化、尾管長(zhǎng)度等，從而逐漸得出了幾組合理的幾何尺寸。 再次，水力旋流器的設(shè)計(jì)與制造方面，固一液水力旋流器已有幾種定型的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)經(jīng)使用證明較為合理。其中以Rietema，Bradley和Kelsall的三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最普遍，效果最好．他們的選擇與比例放大也有自己的關(guān)系式，這些關(guān)系式都是通過(guò)試驗(yàn)推出的，具有半經(jīng)驗(yàn)性。液一液水力旋流器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，最為合理的是Thew等人的設(shè)計(jì)，他們?cè)谶@一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研充。其效果十分明顯。但液一液水力旋流器的選擇與比例放大的理論工作。目前還很不完善，沒(méi)存提出什么合理的可供遵循約關(guān)系式。水力旋流器的制造技術(shù)也大大提升了，在保證精度以確保水力旋流器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性前提下，制造方法不斷改善。最明顯的是液一液水力旋流器的制造，許多國(guó)家巳用非金屬材料(如聚胺酯等)代替金屬材料，用注塑方法加工生產(chǎn)．同時(shí)將幾個(gè)水力旋流器制造在一個(gè)外殼內(nèi)，加大了處理量，又降低了成本。 總之．水力旋流器出于其特珠的分離機(jī)理及結(jié)構(gòu)持證，使它成為獨(dú)具一格的一種分離裝置．在一定的應(yīng)用場(chǎng)合它比任何其它的分離設(shè)備更便于使用。特別是在石油工業(yè)．尤其是今后三次采油技術(shù)的全面推廣后，水力旋流器的應(yīng)用將更為廣泛?？梢灶A(yù)見(jiàn)．今后若干年內(nèi)，它必將發(fā)揮巨大的效益．在我國(guó)石油工業(yè)等部門(mén)中獲得更廣泛的應(yīng)用。 3. 工作原理 將需要分離的兩相混合液以一定的壓力從旋流器圓筒體上部的切向進(jìn)料口注入，從而在器內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于輕重兩相的密度差異，重相沿錐體器壁向下，形成外旋流并在下部的底流口排出，而輕相則受流體的拽力向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并被向上的內(nèi)旋流由溢流口帶出從而完成兩相的分離。 液--液水力旋流器的分離原理，與固--液分離十分相似。它是利用兩種混合在一起但不互溶的液體之間的密度差，在水 力旋流器體內(nèi)進(jìn)行離心分離。但液--液分離要比固一液分離困難得多，其主要原因是：①一般兩種液體之間的密度差較小，如油與水的密度差一般只有0.1至0.2g/cm3。左右，而固--液兩種介質(zhì)之間的密度差常常較大，有時(shí)會(huì)有幾倍的差別。②分散相的液體介質(zhì)，不論其密度較連續(xù)相液體介質(zhì)大或小，都是以小滴的形式存在。這些液淹沒(méi)有固定不變的形狀，在力的作用下極易變形，有時(shí)甚至?xí)屏选Ｒ虼耍畠煞N液體混合的介質(zhì)在水力旋流器中分離時(shí)．既要求液流在水力旋流器體內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，以保證液滴有足夠的力沿徑向方向移動(dòng)，又要防止液滴在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到過(guò)大的切向剪應(yīng)力致使液滴破碎，分裂成更細(xì)小的液滴，導(dǎo)致分離更加困難。這都是液--液分離水力旋流器的應(yīng)用較固--液水力旋流器晚了近一百年的原因。 下面進(jìn)一步分析一下液--液分離的過(guò)程。兩種液體介質(zhì)的混合物由入口切向進(jìn)入旋流腔后，在內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流。然后由旋流腔經(jīng)過(guò)很短的大錐角段后，迅速過(guò)渡到錐角很小面長(zhǎng)度較大的小錐角段，其后進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)度較大直徑較小的圓拄狀尾管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)使進(jìn)入旋流腔后高速旋轉(zhuǎn)的液體很快收縮到細(xì)長(zhǎng)的小錐角段內(nèi)，這一段直徑變化緩饅，旋轉(zhuǎn)加速度的變化趨于緩和。同時(shí)，液體渦流在細(xì)長(zhǎng)的小錐角段及尾管中存留時(shí)間稍有增加，而液滴在小直徑孔中沿徑向向軸線移動(dòng)的路徑就短，液滴受到的切向力也減小。因之，分散相液滴在連續(xù)相介質(zhì)中的分離更平穩(wěn)，分離的機(jī)率大大增加。在保證液滴分離的同時(shí)，減少了其破碎的幾率，即使部分液滴破碎成更小的尺寸，也會(huì)在長(zhǎng)的小錐角段甚至在尾管中進(jìn)一步分離出。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的這些要求，決定了液--液用水力旋流器比同直徑的固--液水力旋流器的長(zhǎng)徑比大很多，因而總長(zhǎng)度也大好幾倍。 在液--液分離中，連續(xù)相介質(zhì)可能比分散相介質(zhì)重(如從水中分離出所含的少量油)，也可能比分散相介質(zhì)輕(如從油中分離所含的少量的水)。以上兩種不同的情況的分離，原理相似，但水力旋流器的結(jié)構(gòu)會(huì)略有不同。分散相介質(zhì)較連續(xù)相介質(zhì)輕時(shí)，兩種介質(zhì)混合物在水力旋流器體內(nèi)分離時(shí)，輕質(zhì)分散相向軸線附近移動(dòng)，形成輕質(zhì)分散相的核心，并向上從溢流口排出，而分散相介質(zhì)較重時(shí)，它在水力旋流器體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)向器壁移動(dòng)，并向下從底流口排出。所以溢流口與底流口直徑及水力旋流器的其它某些結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)根據(jù)分散相介質(zhì)的濃度及性質(zhì)而做相應(yīng)的改變。 此外，由于液體在水力旋流器體內(nèi)形成渦流．而渦流中心處的壓力最低．溶于液體內(nèi)的氣體會(huì)分解出，在軸線財(cái)近形成一個(gè)“氣核”。個(gè)論固--液分離與液--液分離。這個(gè)氣核都是存在的。實(shí)踐證明．這個(gè)氣核的存在不會(huì)影響分離過(guò)程．有時(shí)還對(duì)分離有利。 與固--液分離相同，用水力旋流器進(jìn)行液一液分離也是不完全分離。從溢流中排出的液體并不完全是輕質(zhì)相介質(zhì)，會(huì)同時(shí)排出少量重質(zhì)相介質(zhì)。而從底流中排出的液體，不可避免地會(huì)含有少量輕質(zhì)相介質(zhì)。但只要操作變量控制恰當(dāng)，分離效率完全可達(dá)到90％~95％以上，有的液--液分離水力旋流器約分離效率高達(dá)98％，能滿足一般分離要求。 4選型設(shè)計(jì)方法及思路 液-液旋流器的選型設(shè)計(jì)方法與固-液旋流器相同，其設(shè)計(jì)方法有2種。第1種是根據(jù)幾何尺寸對(duì)壓降、處理量、分離效率的影響情況,選擇各部分幾何尺寸。這種設(shè)計(jì)方法需要掌握各設(shè)計(jì)變量與水力旋流器性能的定量關(guān)系。當(dāng)然，已有許多經(jīng)驗(yàn)理論和模型可以利用，除特定的旋流器外,這些理論和模 型只能給出近似估算。第2種方法是選擇標(biāo)準(zhǔn)的水 力旋流器，按其相似準(zhǔn)則和幾何尺寸比例關(guān)系，進(jìn)行 計(jì)算和比例放大，這樣能夠得到較可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果。第2種設(shè)計(jì)方法實(shí)際是相似設(shè)計(jì)法，也就是按照設(shè)計(jì)參數(shù)處理量 、壓降"和粒徑的要求，選擇性能優(yōu)良的旋流器，用其相似準(zhǔn)數(shù)關(guān)系和幾何 尺寸比例關(guān)系，計(jì)算設(shè)計(jì)旋流器，在旋流器選型設(shè)計(jì)中常采用該方法。 5閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 [1]李振林，董守平，張建，等.重力式油氣水三相分離器 內(nèi)部流動(dòng)研究[J].石油機(jī)械，1999，27(7) [2]郭軍，張軍，唐馳，等.油氣水復(fù)合式分離器樣機(jī) 實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)造船，2005,46:322-327. 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