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 袁惠新*，董譯文，張  衍，范鳳山

 （常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213164）

摘要：分析了現(xiàn)有用于液液分離的動態(tài)旋流器的技術(shù)進(jìn)展、分離特性及其不足。針對高黏度、高濃度液液混合物分離難的問題，結(jié)合旋流器和離心機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型的分離機(jī)——旋流器-組合式分離機(jī)。該新型分離機(jī)既有超重力特性，能強(qiáng)化沉降分離過程，又具有流體剪切作用，能打破液液互包混合體系，提高分離效率。

 關(guān)鍵詞：動態(tài)旋流器；液液分離；旋流器一離心機(jī)組合式分離機(jī)

 中圖分類號：TK051.8文章編號：0253 -4320(2016)04 -0159 -04

 DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 039

 工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛存在液液分離過程，如采出液油水分離、煉油過程中的煤油脫水、汽油脫水、石腦油脫水、環(huán)己烷和環(huán)己酮脫水、叔丁醇脫水等。特別是高濃度、高黏度的液液混合物，常常以液一液互相包裹的形式存在，分離困難。另外，液液體系容易乳化，如果分離設(shè)備內(nèi)剪切作用、湍流程度過大，會因乳化而惡化分離過程。

 液液分離技術(shù)有多種，如沉降分離、聚結(jié)分離、電分離和超聲波分離等。沉降分離為常用的分離技術(shù)。

1傳統(tǒng)的液液沉降分離技術(shù)

 液液沉降分離包括重力沉降分離和超重力沉降分離。

 重力沉降分離設(shè)備利用重力加速度或重力場，分離過程中沉降驅(qū)動力小，分離速度慢。因此，在一定的處理量下，重力沉降分離需要較長的時間或較大的設(shè)備體積。

 超重力沉降分離包括離心機(jī)分離和旋流器 分離。

 用于液液分離的典型的離心機(jī)為管式離心機(jī)和 碟式離心機(jī)。離心機(jī)內(nèi)部流場主要為強(qiáng)制渦，具有低湍流特性。

 旋液分離器為靜態(tài)超重力分離設(shè)備。其工作原理是混合液通過切向進(jìn)料口送入旋流腔內(nèi)，在旋流腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋流離心力場。由于離心力的作用，重液相沿壁面從底流口流出，輕液相則向中心聚集并由溢流口排出，這樣就完成具有密度差的兩相分離。旋流器其內(nèi)部流場主要為準(zhǔn)自由渦，具有剪切湍流特性，旋流場內(nèi)存在劇烈的湍流及較高的速度梯度，產(chǎn)生較大的瞬時剪切力和局部壓力波動以及黏性剪切力。

 當(dāng)混合液黏度較大時，采用靜態(tài)旋流分離過程中壓力損失大，旋流衰減快，離心驅(qū)動力不足而影響分離效果。而重力沉降分離技術(shù)和傳統(tǒng)的離心分離技術(shù)因無法打破油水互包體系，也難以滿足分離要求。

2動態(tài)旋流器

 動態(tài)旋流器因在分離高黏度流體介質(zhì)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，近年來隨著工程實踐的需要有著廣泛的應(yīng)用。動態(tài)旋流器在結(jié)構(gòu)改善、數(shù)值模擬計算等方面的研究，有著較大的進(jìn)展。

2.1動態(tài)旋流器型式

 常見動態(tài)旋流器有TOTAL型、復(fù)合型和預(yù)旋流型3種型式。

 Total型動態(tài)旋流器有一高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒，人口流道內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)柵及導(dǎo)向錐�；旌弦毫鹘�(jīng)旋轉(zhuǎn)柵預(yù)旋加速，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)部。通過轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁的摩擦力使得混合液加速旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了混合液內(nèi)部離心力。最終，輕相聚集在轉(zhuǎn)筒中心，經(jīng)溢流口排出；重相則向轉(zhuǎn)筒壁面遷移，由底流口流出。

 復(fù)合型動態(tài)旋流器結(jié)合了靜態(tài)旋流與動態(tài)旋流的特性，主要由2部分構(gòu)成，動力驅(qū)動部分和常規(guī)靜態(tài)旋流器部分。混合液經(jīng)旋轉(zhuǎn)柵加速產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)渦流，流入靜態(tài)旋流腔，最終實現(xiàn)分離。

 預(yù)旋流型動態(tài)旋流器主要由預(yù)旋流室和旋流器轉(zhuǎn)筒組成�；旌弦涸陬A(yù)旋流室中得到預(yù)分離后，切向流入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒部分。在轉(zhuǎn)筒的高速旋轉(zhuǎn)下，離心力得到加強(qiáng)，進(jìn)一步提高混合液的分離效率。

 同時，隨著液液分離技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者提出了各類改進(jìn)型動態(tài)旋流器。

 李高森在傳統(tǒng)靜態(tài)旋流器與動態(tài)旋流器的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種靜螺旋柵式除油型動態(tài)旋流器。結(jié)合傳統(tǒng)旋流器結(jié)構(gòu)，在高速旋轉(zhuǎn)的旋流筒入口處增加了一新型靜止的螺旋柵，使得混合液能迅速形成旋轉(zhuǎn)液渦。通過數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)的方法研究了不同形式的旋轉(zhuǎn)柵對流場的影響，最終提供了合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善裝置的分離性能。

 程向新等針對常規(guī)分離裝置無法達(dá)到船舶含油污水處理要求的問題，研究出了一種船舶含油污水動態(tài)旋流器。介紹了該分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)筒的長徑比、旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)、溢流口、底流錐等。通過實驗，驗證了該分離裝置的可行性。但裝置內(nèi)部的流場運(yùn)動有待進(jìn)一步研究。

 張攀峰等在傳統(tǒng)含油廢水處理方法的基礎(chǔ)上，對分離器旋轉(zhuǎn)柵、溢流口和轉(zhuǎn)筒3個主要部件進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了含油廢水動態(tài)旋流分離系統(tǒng)。通過模擬實驗，分析了轉(zhuǎn)速、流量與分離效率的關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速的增大，動態(tài)旋流器的分離能力得到提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，旋流器內(nèi)入口壓力、壓力降過大，分離效率出現(xiàn)明顯下降。與靜態(tài)旋流器相比，動態(tài)旋流器操作范圍寬，適應(yīng)性強(qiáng)，在一定處理量范圍內(nèi)都能保持較高的分離效率。

 任帥結(jié)合離心機(jī)與泵的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，設(shè)計了自增壓型動態(tài)水力旋流器。采用旋轉(zhuǎn)葉輪提供驅(qū)動，進(jìn)料口裝有導(dǎo)流葉片，溢流出口處設(shè)置葉輪裝置，改善了循環(huán)式中心進(jìn)料動態(tài)旋流器溢流口壓力損失大的不足。通過數(shù)值計算，研究了該裝置局部結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對流場以及分離性能的影響。結(jié)果表明，裝置內(nèi)部流場分布合理，具有良好的分離性能和增壓性能。

 洪遠(yuǎn)等通過對典型的動態(tài)旋流器的數(shù)值模擬與試驗，優(yōu)化了旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括轉(zhuǎn)筒長度、旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)、葉片長度、溢流口直徑等，為油田生產(chǎn)中動態(tài)旋流器的設(shè)計及選型提供了參考。

2.2動態(tài)旋流器的數(shù)值模擬研究

 Jiao等采用RSM模型模擬動態(tài)旋流器內(nèi)部流場及分離效率，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果證明了進(jìn)液速度以及旋轉(zhuǎn)柵轉(zhuǎn)速很大程度上決定了分離器內(nèi)部切向速度的分布。隨著轉(zhuǎn)速的提高，旋流器分離效率增大。不同轉(zhuǎn)速條件下，入口速度對分離效率的影響也有所不同。

 郭廣東等選取Total型動態(tài)旋流器為研究對象，同樣采用RSM湍流模型對旋流器內(nèi)部速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了流場內(nèi)3個速度分量的分布情況，分別為切向、軸向、徑向，證明了運(yùn)用FLUENT軟件模擬內(nèi)部復(fù)雜流場的可靠性。隨后在此基礎(chǔ)上，采用離散相模型和多相流模型模擬了內(nèi)部油滴運(yùn)動軌跡以及油水兩相分離過程。油相的運(yùn)動軌跡主要由油滴粒徑的大小決定。

 張攀峰等研究了不同轉(zhuǎn)速下動態(tài)旋流器的內(nèi)部流場的分布。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，旋流器內(nèi)部切向速度、靜壓增大，湍動能除旋轉(zhuǎn)柵附近明顯增大外，后段部分減弱。動態(tài)旋流器內(nèi)部呈強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流動，且具有各項異性特性。旋轉(zhuǎn)柵的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速對于內(nèi)部湍流強(qiáng)度以及湍流耗散有顯著影響。

 王尊策等也對不同操作參數(shù)下復(fù)合式動態(tài)旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了流量及轉(zhuǎn)速對速度場、兩相分布的影響。研究表明，旋流器內(nèi)切向速度由準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強(qiáng)制渦組成，呈現(xiàn)雙渦結(jié)構(gòu)，與張攀峰等所研究結(jié)果相吻合。同時隨著流量及轉(zhuǎn)速的增大，軸心處油相濃度增大且各相速度增加。

2.3現(xiàn)有動態(tài)旋流器的不足

 現(xiàn)有動態(tài)旋流器多采用軸向進(jìn)料結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)鼓長徑比較大。軸向進(jìn)液方式雖然簡化了入口結(jié)構(gòu)，卻一定程度上限制了設(shè)備的分離性能。軸向進(jìn)液時，流場內(nèi)部主要運(yùn)動為重相由中心向壁面遷移，為保證混合液在停留時間內(nèi)得到分離，不得不選取較大長徑比。轉(zhuǎn)筒直徑偏小，則使得動態(tài)旋流器內(nèi)離心驅(qū)動能力降低；同一直徑下，較長的轉(zhuǎn)筒長度則使系統(tǒng)不平衡振動加劇，影響流場的穩(wěn)定性，出口處易造成已分離兩相返混現(xiàn)象。

3新型分離機(jī)

 鑒于上述動態(tài)旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)，本文中研究設(shè)計了一新型分離機(jī)，旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)。分離機(jī)采用切向進(jìn)液方式，選擇合適的長徑比，結(jié)合了旋流器高湍動能、高剪切力和離心機(jī)分離因數(shù)高等特點(diǎn)，避免了靜態(tài)旋流器內(nèi)油滴破碎和乳化現(xiàn)象；同時可打破混合液中液液互相包裹體系，從而能有效分離有高濃度、高黏度等特性的油水混合液。

3.1  旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，分離機(jī)由2部分組成：固定不轉(zhuǎn)的旋部分和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)鼓部分。其中預(yù)旋部分主要由進(jìn)料管、溢流管和旋流腔構(gòu)成；轉(zhuǎn)鼓部分主要由轉(zhuǎn)鼓頸部、轉(zhuǎn)鼓喇叭口、轉(zhuǎn)鼓大圓筒、轉(zhuǎn)鼓錐筒和轉(zhuǎn)鼓小圓筒組成。分離機(jī)2部分采用同軸連接，結(jié)構(gòu)簡單。與其他型式旋流器相比，內(nèi)部流體無需二次人流，減少了流體的突擴(kuò)和突縮，從而降低內(nèi)部湍流能耗和避免了混合液的剪切乳化。

 根據(jù)角動量守恒原理及高黏度流體內(nèi)摩擦的影響，物料旋轉(zhuǎn)速度將逐漸減小，將影響分離過程。為了克服這一點(diǎn)，旋流器后面直接是離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓部分。轉(zhuǎn)鼓部分從頸部向喇叭口內(nèi)徑逐漸增大，經(jīng)過轉(zhuǎn)鼓大圓筒后再進(jìn)入錐段部分。

 混合液經(jīng)過進(jìn)料口以一定的速度切向進(jìn)入分離機(jī)的預(yù)旋部分，即旋流器部分，在旋流腔內(nèi)產(chǎn)生旋流。在旋流段，物料經(jīng)受流體剪切作用和離心沉降作用，液液互包體系被打碎，同時完成部分沉降過程，達(dá)到一定程度的預(yù)分作用�；メ屢院蟮囊阂夯旌衔镫S后進(jìn)入離心機(jī)段，此處湍流強(qiáng)度較小，離心力更為強(qiáng)大，極其有利于液液分離，特別是高黏度、高濃度液液混合物的分離。值得指出的是，該分離機(jī)是利用旋流器錐頂排出重相、中間溢流口排出輕相的技術(shù)，使沉到轉(zhuǎn)鼓壁面的重液相沿著錐面順暢地從旋流器錐頂排出，而聚集到分離機(jī)中間的輕液相反向流動，從右端的溢流口排出。

3.2旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)的理論分析

 旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)的分離原理同水力旋流器相同，也是利用2種介質(zhì)間的密度差離心分離，但其流場特性及液滴受力情況不同。

 不管在旋流器段還是在離心機(jī)段，液滴都受到因介質(zhì)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力。

旋流器段：

 通過比較可知，一般來講，離心機(jī)段顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑大于旋流器段。因此，顆粒在離心機(jī)段所受的離心力大于旋流器段。

另外，在旋轉(zhuǎn)場內(nèi)，在沿徑向的壓力分布表現(xiàn)為靠近壁面處較高，而軸中心附近區(qū)域的靜壓較低，因此，顆粒還受到徑向壓力梯度引起的離心浮力的作用：

 在離心機(jī)段，輕、重兩相受到更大的有利于沉降分層的徑向作用力，使得在離心機(jī)段更小的顆�？梢酝瓿沙两怠�

在旋轉(zhuǎn)場中，顆粒還受到剪切應(yīng)力的作用：

4結(jié)語

 對于高黏度、高濃度液液混合物，分離的必要條件是打破液液互包體系。重力沉降分離技術(shù)和傳統(tǒng)的離心分離技術(shù)難以滿足分離要求的主要原因就是無法打破油水互包體系�，F(xiàn)有的動態(tài)旋流器也是這個問題。

 新型分離機(jī)——旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)，在結(jié)構(gòu)上得到了簡化，改變了傳統(tǒng)的軸向進(jìn)料方式，采用切向進(jìn)液，提高了分離機(jī)的分離能力。特別是吸收了旋流器和離心機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既具有流體剪切效應(yīng)，打破液液互包體系，又具有強(qiáng)大的離心沉降作用，在處理高濃度、高黏度及大處理量液液混合物方面有明顯的優(yōu)勢。因此，旋流器-離心機(jī)組合式液液分離機(jī)值得加以深入研究。