操作参数对固-液-液三相水力旋流器分离效率的影响

郭广东,邓松圣,张福伦

(中国人民解放军后勤工程学院,重庆 401031)

操作参数对固-液-液三相水力旋流器分离效率的影响

郭广东,邓松圣,张福伦

(中国人民解放军后勤工程学院,重庆 401031)

固-液-液三相水力旋流器是水环境污染治理的主要设备之一。分离效率是衡量水力旋流器性能的最重要参数。对分离效率与进料流量、进料浓度等操作参数之间的关系进行了试验研究,并通过受力分析从理论上对细颗粒易受参数影响的原因进行了阐述。

三相水力旋流器;分离效率;进料浓度;进口流量

Abstract:Solid-liquid-liquid three-phase hydrocyclone isone of themajor important equipments for treatment of polluted water.The separation efficiency is the most important technical indication for evaluating whether the separating process is perfect or not.In this study,the relationships bet ween separation efficiency and inlet flowrate,feed concentration were investigated.The reason why particlesof s maller-diameterwere more sensitiveto the changes of parameters is explained through a force balance analysis.

Key words:three-phase hydrocyclone;separation efficiency;feed concentration;inlet flowrate

固-液-液三相水力旋流器是一种分离固体和两种互不相容液体的设备,在离心力的作用下根据 3相之间的密度差来实现 3相分离,可以广泛应用于油田含油污水、冶金及机械加工制造业含油废水、国防污水等的处理[1-4]。

在实际应用中,水力旋流器有 2个重要的技术指标[5],即分离效率和压力损失。提高分离效率和降低压力损失也就成为水力旋流器研究的重点。本文将利用试验的方法着重研究进口流量和进口浓度对其分离效率的影响。

1 试验装置

3相分离试验装置流程如图1所示,试验时将预先配好的石英砂加入料斗中,通过引射的方式将一定比例的油和水充分混合后再携带石英砂进入三相水力旋流器,分离出去的砂通过集砂罐排出,油从溢流口进入油收集罐,水经底流口进入水收集罐。在旋流器的进液管路、溢流管路和底流管路出口处都装有取样装置;流量计在试验工况调节时只作参考用;实际上,流人旋流分离器的流量是通过“桶量计时”的方法,分别计量各收集罐的量而得出。试料烘干后的质量由精密数字天平计量,仪器的精度为 0.01 g。本试验所用水力旋流器的结构如图2。

图1 3相分离试验流程

试验所用方法是首先控制某几个量不变,进而观察某 2个量对分离效率的影响。试验所用介质为轻柴油、水、石英砂的 3相混合物,其物性参数是:ρ油=830 kg/m3,ρ水=1 000 kg/m3,ρ砂=2 650 kg/m3;温度稳定在室温。

图2 试验所用固-液-液三相水力旋流器结构

2 试验结果

2.1 进口流量对分离效率的影响

水力旋流器的总效率可以表述为液滴、颗粒与总的悬浮液质量之比,油相的分离效率E0可以表示为

对于固相的分离效率ES可以表示为

或者考虑物料平衡,根据式 (1)可以得到

这里油、水、砂各组分的分离效率分别为

式中,Q、Q0,Qs,Qu分别为进口、溢流口、横向流、底流口的流量;k,k0,ks,ku分别为进料口、溢流、横向流、底流中分散相的体积百分数;E0,Es分别为油和砂的分离效率。

试验中首先控制分流比和进料浓度,观察进口流量对分离效率的影响。从图3可以看出,提高进口流量,油和砂的分离效率都会随之提高,但油的分离效率在进口流量达到 4 m3/h时急剧的下降;砂的分离效率也在同时下降,但下降幅度不大。

图3 进料浓度为 0.1%,分流比为 0.2时进料流量对分离效率的影响

首先随着进口流量的增大,入口的速度也在增大,进而决定着产生的离心力也增大,所以分离效率也就随之提高。

为什么离心力过大分离效率却不能随之增大,反而减小呢?首先随着进口流量的增大,油滴破碎严重导致的乳化现象严重,使分离效果急剧下降,砂相则受影响小一点。矫学成等学者[6]认为,随着流入量Q的增大,聚集在底流排出口 (圆锥简顶端)附近的微粒子,由于分离空气柱的存在,上升流也随着增大,使已经被分离微粒子的一部分在底流口附近被卷起向上,随上升流一起排出;在极端情况下,若底流口直径一定,一味地增大流量,不仅不能提高分离效率,而且容易使底流口堵塞,使分离器不能正常工作。

2.2 进口浓度对分离效率的影响

试验分别用进料浓度为 0.6%、3.4%、6.1%、8.7%、10.3%、13.6%、15.8%的油、水、砂 3相混合物经试验管路进入试验用水力旋流器,测得在不同进口速度下的三相水力旋流器砂相和油相的分离效率。从图4～5可以看出,随着进料浓度的增加,旋流器油相和砂相的分离效率都在减小,这主要是因为颗粒间的相互作用随进料浓度的增加而变大,而且混合液的黏度也随之增加,进而影响分离效率;同时也验证了对于结构固定的水力旋流器,其最优进料流量也是固定的,只是砂相比油相分离所受影响要小得多。

遂急奏，得入见。曰：‘执政固为此，欲致臣于死，臣死不足惜，奈国事何？’上急召吕夷简等问之，夷简从容曰：‘此误尔，当改正。’弼语益侵夷简，晏殊言夷简决不肯为此，真恐误尔。弼怒曰：‘殊奸邪，党夷简以欺陛下。’仁宗召宰相吕夷简面问之，夷简从容袖其书曰 ：“恐是误，当令改定。”［1］3287

图4 进料浓度对油相分离效率的影响

图5 进料浓度对砂相分离效率的影响

3 影响颗粒的参数

在三相水力旋流器内,若忽略粒子之间的相互作用,则单个颗粒在径向上受到的力主要有离心力fc,向心浮力fb和曳力fd,分别定义为[7]

式中,dp为颗粒直径,m;r为运动回转半径,m;ρp为颗粒密度,kg/m3;ρι为液相密度,kg/m3;μι为液相粘度,Pa·s;vt为颗粒切向运动速度,m/s;vpl为径向上颗粒与液体之间的相对运动速度,m/s;CD为阻力系数,不同Re范围内阻力系数为[8]

而雷诺数是由下式定义

当颗粒达到沉降速度时,在径向上离心力、向心浮力和曳力达到平衡,得到

对于某一颗粒,沉降速度越大,颗粒被分离的概率也就越高。由式 (11)可知,沉降速度与颗粒直径的平方成正比,因此与大颗粒相比,细颗粒的分离过程更加取决于来流的流速和液相组成。流速越高或者黏度越低,颗粒被分离的概率也就越大。

4 结论

1) 提高进口流量有利于提高水力旋流器的分离效率。但是,对于特定的三相分离旋流器,存在着某一最佳进口流量,尤其是对于油水分离,进口流量过大容易造成混合液乳化,使分离效率急剧降低。

3) 对于旋流器分离效率的提高,今后主要研究方向还应该在结构尺寸,例如,进料口、溢流口插入深度等。

[1] 郭广东,邓松圣,张福伦.固-液-液三相分离水力旋流器现状及发展趋势[J].石油矿场机械,2009,38(11):16-18.

[2] 欧益宏,杜 扬.柱型水力旋流器单相流场数值模拟[J].石油矿场机械,2006,35(3)∶15-18.

[3] 王尊策,张 双,吕凤霞,等.脱水型动态水力旋流器影响因素试验研究[J].石油矿场机械,2009,38(4):44-47.

[4] 刘晓敏,刘银梅,蒋明虎.影响动态水力旋流器脱油性能的综合因素[J].化工机械,2006,33(2):122-126.

[5] 苗 青,袁恵新.液液旋流分离器内流动偏心现象的试验研究[J].石油矿场机械,2005,34(1):93-95.

[6] 矫学成,王贵林,张 勇,等.液体旋流分离器分离效率的研究[J].环境工程学报,2007(5):139-144.

[7] 赵庆国,张明贤.水力旋流器分离技术[M].北京:化学工业出版社,2003:10-11.

[8] CoelhoMAZ,Medronho RA.A model forperfor mance prediction of hydrocyclones[J].Chemical Engineering Journal,2001(84):7-14.

Effects of Operating Conditions on Separation Efficiency of Three-Phase Solid-liquid-liquid hydrocyclones

GUO Guang-dong,DENG Song-sheng,ZHANG Fu-lun
(Logistical Engineering University,Chongqing401031,China)

TE931.101

A

1001-3482(2010)05-0017-03

2009-10-09

重庆市科委自然科学基金资助项目 (CSTC,2008BB7142);后勤工程学院创新基金资助项目

郭广东 (1984-),男,山东莒南人,硕士研究生,主要从事油气输运方面的研究工作,E-mail:ggdong2007@126.com。