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油/水分離液 - 液圓柱CYCLONE* 劉海飛，徐鏡宇著 朱盼譯 [摘要]：在這篇文章油/水分離液 - 液旋流器的實驗研究中，確定了分流比和流量對油/水分離性能的影響。從實驗結果中可以看出：分流比增加，油/水分離效率提高。首先，我們需要找出最佳的分流比。超出最佳的分流比，在含水量保持恒定的情況下，溢出的油含量會降低。旋流器內的油芯結構的形成和相位分布的過程是由數值模擬完成的。此外，對分離效率的雷洛數和分流比基于量綱分析，比較之間的預測值和實驗數據，能得出很好的印證。 [關鍵詞]：圓柱旋風，油/水分離，分流比，流量，含水率 介紹： ????隨著陸上油田的老化和海洋石油領域的大規(guī)模開采，多相分離技術面臨著新的挑戰(zhàn)。據調查，在國內幾大油田的油氣水分離裝置，多相分離器仍主要是基于對這些傳統(tǒng)的分離技術，如重力沉降和電解分離。由于到深海的平臺安裝受設備的空間和重量的限制，重要的是要開發(fā)緊湊和高效的油/水分離器。 ?將數種分離器的使用分離方法合并并利用其各自的優(yōu)缺點，可以實現高效的分離。最近，他們已經吸引了石油行業(yè)的濃厚興趣。力學研究所，中國科學學院按照組合共同使用的原則，重力，膨脹和離心分離器，并已成功應用于幾個陸上油田。最近提出了一種新型的管道線式油/水分離器。這種新的分離系統(tǒng)享有以下幾個優(yōu)點：緊湊型的幾何形狀，分離效率高，維修方便。圓柱氣旋是一個新穎的管道式的油/水分離器的主要組成部分。 ?圓筒形旋流器是一個垂直的切向入口管和兩個出口，使用離心分離技術，它是一個簡單的，緊湊的，低重量和低成本的分離器。圖1是圓筒形旋流器的結構示意圖。兩種不混溶液體形成的混合物通過切向入口流動到筒狀的旋流器一個強有力的回旋流場中。由于密度差的密度越大,分量傾向于積聚壁附近的和螺旋的底部出口（下溢），而較輕的成分流入的圓筒形旋流器，以形成反向流動的纖芯區(qū)域，從頂部出口溢出。圓筒形旋流器的機理是很象傳統(tǒng)的水力旋流器，但用的圓筒形旋流器的幾個優(yōu)點，如更穩(wěn)定的油芯，更大的容量和更低的壓力損失。最初，圓筒形氣旋分離，用的氣 - 液混合物，氣 - 液的圓筒形旋流器。他們成功地投入使用，在石油工業(yè)中。在近十年中，液 - 液圓柱氣旋分開油/水mixture.Most的相關研究，采用計算流體動力學（CFD）在圓柱氣旋預測多相流特性，流場以及分離機構的性能，研究主要集中在圓柱氣旋。在本文中，提出了一種高效的液 - 液圓筒形旋流器，揭示了分流比和流速對油/水在液 - 液的圓筒形旋流器的分離性能的影響。為了進一步了解在旋風油/水分離和相位分布的詳細過程，進行數值模擬out.Finally，通過三維分析，一個簡單的模型是建立在預測的分離效率上的。 1實驗裝置和程序 實驗進行了力學研究所，中國科學院學報上的多相流設施。油/水分離系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。實驗裝置的系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）供給模塊，包括相儲罐，液相泵，流體流量計和混合物分離器，（2）液 - 液圓筒形旋流器，由透明的有機玻璃管，用來目視觀察的油/水分配，這是實驗系統(tǒng)的核心部件，如圖3中所示，（3）數據采集模塊，包括控制臺，相體積分數檢測裝置，泵的壓力換能器和camera.In實驗中，將水和油從它們各自的儲罐，進入管道通過一個丁字路口。在混合之前，水的流速由橢圓齒輪流量計測量流速的電磁流量計和油計量。將混合物沿著一根4米長的水平管，然后通過一個噴嘴，再讓大的橫截面面積的20％的截面位于旋流器入口切向引入到筒狀氣旋的樣品的移動設備和一個壓力傳感器位于上面的入口和每個插座。上溢和下溢管中的閥門，允許流率離開的圓筒形旋流器的控制。放置一個攝像頭記錄下油/水分離過程。在分離流溢出和下溢流進入分離器后進一步根據重力分離。最后，油和水會流回到油箱和水箱。 所有實驗均在室溫溫度和大氣的出口壓力。圓柱氣旋在這項研究中所使用的主要幾何尺寸如下：D = 0.05米，Di = 0.05 米 Do= 0.05米，Du= 0.04 米，L = 0.9米，H = 0.1米，所示如圖3所示。水和白油作為試驗液體。主相是水,密度為998公斤/米和0.001千克/立方米·秒的粘度值。第二階段油的密度和粘度是840千克/立方米和0.215千克/米·秒，分別對水流量率變化為2.5米/小時，油8.75米/小時，從4％到30％的體積分數進行研究。我們總共有195個實驗測試點。 2結果和分析 2.1油/水分離分流比的影響 ?分流比，定義為溢出的液體流速和入口的液體流速之間的比率，其中一個最重要的操作para-m。在下面將要討論分流比對油/水分離效果上的影響。 ??2.1.1含水率 ?在給定的進氣條件下，指定的分流比例是通過調節(jié)球閥出水管調節(jié)的。圖4示出的圖片序列中的分流比對油芯形狀的影響。在進氣口的表面的水和油的流速，0.743米/秒和0.182米/秒，進油餾分為19.7％。油/水混合物在離心力的作用被分離后，切向引入到氣旋，但油芯的形狀是不明確的，并且大部分油與水由下溢管溢出。當分流比增加至24.2％，可以看出，在底流中有少量石油。在流分流比為27.4％或31.4％，在旋流器中的油芯的形狀是很清楚的，只有干凈的水，觀察中的下溢。然后，當分流比達到35.6％，油進入氣旋直接排放從溢流管，并在旋流器中無油芯形成。 ??分流比對中的下溢的含水率的影響，如圖5所示為水的分流比的函數作圖。在實驗過程中，進水的流量是固定的，入口的燃油流量逐漸增大。水的速度的研究被認為是在輸入油的體積分數為4％至30％不等。在圖5中，表面的水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢钥闯?，與上面水切下溢的分流比的影響是類似的。以水流速為0.743米/ s為例子，表面油速度0.037米/秒，0.072米/秒，0.182米/秒，0.282米/秒和0.315米/秒，其中產量的油量分數為4.7％ ，8.8％，分別為19.7％，27.5％和29.8％。目標分流比下獲得的實驗數據點 ，而輸入柴油餾分是固定的，隨著分流比下溢的增加，水切割，表示增加分流比，可以提高在旋流器中的油/水分離。它也可以被觀察到，存在一個最優(yōu)的分流比在旋流器中，當僅干凈的水，觀察中的下溢和盡快的分流比是大于該值的，實驗為油/水分離進一步改善。對于不同的輸入油的體積分數，這些最佳分流比也發(fā)生了變化。在這些條件下，最佳的分流比是15.3％，22.5％，27.4％，37.1％和38.5％，分別。在實驗室條件下，通過分離在CYC，底流中的油的體積分數可以被減少到百萬分之一以下的值。 2.1.2溢出的含油量 ??圓筒形旋流器的溢流含有大量的油。通過油/水分離，我們不僅應該有干凈的水溢，但我們也應該有純油溢出或至少有一個油價高體積分數盡可能高。圖6顯示了在溢出的油分含量的分流比的影響。圖6（a）和6（b）表示的情況下，地表水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢杂^察到，在溢出的油分含量的分流比的影響是類似的。根據目標輸入油的體積分數，與分流比的增加，在溢出的油含量先增大然后減小。這是因為在低流量分割比只有少量的液體彈出從溢流出口和油芯的中心形成的旋風不能成功被夾帶在溢流流體中。雖然分流比例適當增加了更多的液體會從溢流口流出。但是，如果分流比要高得多，油芯不能與溢流排出，和一定量的水混合成的油芯，并在溢出流夾帶，導致增加的油含量。從圖6還可以看出，存在一個最優(yōu)的分流比的溢出。與流過下溢，為低輸入油的體積分數，例如4.7％，8.8％和19.7％，在實驗中的情況下，這兩個最佳分流比的最佳分流比比較類似的，但油體積分數高達27.5％和29.8％時，溢出的最佳分流比是遠低于該下溢的。???? 2.2流速對油/水分離的影響 相同的入口油體積分數下的含水率和相同的分流比的混合物的流速與在圖7中示出。在實驗過程中，油體積分數和分流比分別為10％和20％。隨著流量的增加，離心力增大，因而在旋流器中分離的油/水的流量的不斷增加，在該點后，使含水急劇下降。這些現象可以解釋如下：在旋流器中的油/水分離過程中，入口流率的顯著增加可以使油滴打破了由于過度的剪切力和紊流，在高流速低的壓力（通常為圓筒形旋流器軸線），在該混合物中溶解的氣體將被釋放，并阻礙了分離。 2.3數值模擬 ? 到目前為止，我們已經討論了圓柱形旋風的油/水分離性能，從宏觀的角度來看，由于實驗室實驗的限制，這是很難很好地模擬在旋流器中的多相流動特性。為了進一步了解油/水的詳細分離過程，在圓筒形旋流器的相位分布進行了數值模擬。圓柱氣旋的數值模擬是基于商業(yè)CFD代碼“Fluent6.3.26”，采用有限體積法離散微分方程描述的多相流。強大的漩流旋風，旋風采用雷諾應力模型（RSM）捕捉到湍流的各向異性。被施加到模擬的油/水的二相流的Euler多相流模型。給出如下的數學模型。 2.3.2邊界條件 在數值模擬中的圓筒形旋流器的幾何尺寸如圖1所示。共使用3.5×10?網格單元。將水和油是用來作為測試液體。在入口處，一個速度入口條件被指定。正確指定的湍流參數和正常速度及各相的相體積分數。定義下溢和溢出的邊界條件基礎上的流量和出口壓力。簡單的算法是用于壓力速度耦合和二階迎風計劃，被應用到插入字段變量控制量的面孔。迭代過程繼續(xù)進行，直到連續(xù)性殘余被減少到1.0×10-6，對兩個出口相流率進行監(jiān)視，以判斷圓筒形旋流器的流動穩(wěn)定與否。 ?2.3.3數值結果 圖中顯示了圓筒形旋流器數值模擬的油芯結構的瞬態(tài)發(fā)展。入口的水和油的表面速度為0.5米/秒和0.1米/秒，下溢和溢流出口之間的壓力差為0.75千帕，根據本實驗測量，可以觀察到圓筒形氣旋初始填充，水與油/水的混合物被引入到氣旋，由于離心力的存在，水相流向旋流器的壁，而油相被積累在中心。經過大約26 s的計算，相分布在圓柱氣旋變得相當穩(wěn)定，油分芯變形非常小。 ??在旋流器中的油相的橫截面的分布，圖9中給出。圖9（a）示出的油芯結構和其他三個數字（B，C和D）示出的油相的輪廓線的距離為2，6和10相差的水平入口管直徑，與相差的進樣口的距離的增加，油芯變成更修長，并最終消失。油體積分數在中心和旋流器壁附近的低得多。在旋流器中的相位分布是不對稱的，因為單個入口安排MENT進行實驗，以驗證上述模型。圖10顯示了比較的水切割之間的數值結果與實驗數據，而實線表示模擬的解決方案。對于那些低流量分割比例，最大相對通過數值模擬和實驗數據之間的誤差不超過2.7％，這表明，上述模型可以預測油/水二相流在圓筒形旋流器分離相當不錯。 3分離效率預測 圓筒形旋流器的分離效率取決于許多參數，主要包括結?構參數，操作參數和物理參數，結構參數是主要的圓筒形旋流器的幾何尺寸，如旋流器直徑D，氣缸的高度H?？梢杂^察到，從圖11（一），對于不同的雷諾數，分流比和下溢的含水的功能之間的關系是相同的。實曲線的實驗數據圖嵌合。此外，所有的曲線遵循相同的玻爾茲曼分布。比較實驗值和計算的。大多數的實驗值是±2％的偏差區(qū)域內。之間找到一個合理的合適的實驗值和計算值。圖12（b）表示溢出的油分含量的實驗值與從方程（14）獲得計算出的值進行比較，可以看出，式（14）描述的實驗數據大部分在±10％之內。 ?4。結論 進行的實驗研究中的液 - 液圓筒形旋流器來模擬油/水分離的分流比和流速對分離效率的影響,也進行了數值模擬，以進一步了解油芯結構的形成過程中的相位分布的圓柱氣旋。從結果來看，可以得出的主要結論如下：（1）分流比是一個影響油/水液 - 液的圓筒形旋流器分離效率的關鍵參數。分離效率隨著分流比的增加而增加。但也有一定的入口條件下的最佳分割比例。分割比率高于最佳則被認為是干凈的水溢流和含水保持恒定，而在溢出的油含量因分割比進一步增加開始減小。（2）適當增加入口流量可以提高油/水分離效率。然而，一個極端的高流率可能會妨礙由于油/水乳化和溶解的氣體的分離。（3）圓筒形旋流器被引入到油相后，由于離心力的存在下，蓄積在中心。相位分布往往是相當穩(wěn)定的，大約幾秒鐘后，含水量數值結果與實驗數據吻合良好，表明該數值模型來預測油/水兩相流的圓柱氣旋相當不錯。（4）通過一維分析，分離效率的雷諾數和分流比的函數在整個實驗中表現出相同的趨勢，之間得到良好的預測值和實驗數據和預測曲線實驗數據，特別是對下溢，含水的偏差在±2％之內。 參考文獻 [1]鄭志柱，周勇和郭君等。海底管道油氣多相流運輸的分離技術[J]。實驗流體力學雜志，2005，19（1）：94-98（中國）。 [2] BELAIDI A. 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[13].何翌.油水分離旋流器性能測試：〔學位論文〕.大連：大 連理工大學，1993. 6研究的內容及主要任務 （1）學會查閱文獻資料的方法 （2）知道分離原理及方法 （3）能夠對油水分離設備進行設計計算 （4）會用繪圖軟件繪制裝配圖、零件圖繪制和三維效果圖 （5）學會文檔排版的基本知識 7設計時間安排 時 間 階段 內容與任務 成果 5-7周 畢業(yè)實習 了解設計相關的技能 資料收集、實習日志、實習報告 8-9周 設計準備 進行深入的調查和國內外文獻查閱、確定設計思路和步驟 外文翻譯、開題報告 9-11周 方案設計 完成旋液式油水分離器數據計算和分析,進行廣泛的設計方案構思 計算數據，工藝結構 12-14周 深入設計 進行fluent模擬實驗并完成零件圖和裝配圖 電子圖與設計說明書綱要 15-16周 末期設計 完成設計所有環(huán)節(jié)，定型打包，設計說明書的編寫 設計說明書 17周 答辯準備 設計過程中所有文件的檢查修改、答辯用材料的編寫 畢業(yè)設計、電腦演示、論文答辯提綱、視頻課件制作 教師意見： 指導教師簽字： 日期： X XX大學 畢業(yè)設計開題報告 題 目 名 稱 旋液式油水分離器設計 院 （系） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級_________ 學 生 姓 名 指 導 教 師 輔 導 教 師_________ 開題報告日期 XX大學畢業(yè)論文(設計)指導教師評審意見 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 旋液式油水分離器設計 指導教師 職 稱 評審日期 評審參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評審意見： 指導教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 XX大學畢業(yè)論文(設計)評閱教師評語 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 旋液式油水分離器設計 評閱教師 職 稱 評閱日期 評閱參考內容：畢業(yè)論文(設計)的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設計)是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。 評語： 評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分 XX大學畢業(yè)論文(設計)答辯記錄及成績評定 學生姓名 專業(yè)班級 畢業(yè)論文 (設計)題目 旋液式油水分離器設計 答辯時間 年 月 日 時 答辯地點 一、答辯小組組成 答辯小組組長： 成 員： 二、答辯記錄摘要 答辯小組提問（分條摘要列舉） 學生回答情況評判 三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_______分 畢業(yè)論文(設計)最終成績評定(依據指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文(設計)評分的相關規(guī)定) 等級(五級制)：_______ 答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日 院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章) XIII 旋液式油水分離器的設計 學生： 指導老師： [摘要]:目前，水力旋流器在油田采出液預分離和含油污水處理中逐步推廣應用。水力旋流器具有結構簡單緊湊、效 率高、體積及占地面積小等優(yōu)點。對水力旋流器結構及參數關系進行了分析。通過改進與優(yōu)選水力旋流器結構，得到旋 流器單體的雙入口結構理想型式為反渦線、大小錐段為圓弧過渡形式。同時簡要分析了高次曲線與正余切曲線結構的 錐段過渡形式，確定出合理的水力旋流器單體旋流腔長度為65 mm。經過理論研究和對比試驗發(fā)現，具有結構參數關系 模型的水力旋流器較常規(guī)結構的水力旋流器有更高的分離效率。 水力旋流器是利用強離心力場來實現有一定密度差且不互溶物系分離的離心 沉降設備。目前油田在無動力加工環(huán)境中的單井作業(yè)無法進行機械脫水處理，一 直采用裝原油的容器下加煤炭火燒加溫、攪拌、沉淀、分解的老方法進行脫水處 理。這種方法不但極易引起火災，而且原油損耗大、勞動強度髙、工作效率低， 以及對環(huán)境造成極大污染。該方法已經不能滿足現在油田生產的需要。 水力旋流法是由英國南安普頓大學（Southampton)研究成功的一種具有80 年代先進水平的含油污水處理新方法。因為它結構簡單、分離效率高、成本低， 從它問世之日起，就得到了世界各國的重視?，F在，旋流分離已作為重力分離的 一項替代技術，成為世界國際油田地面工程中的主體技術和重要裝備。 在前期對液-液旋流分離器流量壓降特性實驗研究的基礎上，分析了結構參數、操作參數及物性參數對液- 液旋流分離效率的影響;提出了液-液旋流分離器結構設計的設計方法和設計步驟，認為建立性能優(yōu)良的旋流器模 型數據庫，是選型設計的基礎和前提。 [關鍵詞]：水力旋流器；分離效率；入口 ；錐段；溢流管；旋流腔；底流管 [Abstract:] At present, the hydrocyclone in oilfield produced gradually promote the use of liquid separation and oily sewage treatment. Hydrocyclone has the advantages of simple and compact structure, high efficiency, small volume and area etc.. On the relationship between the structure and the parameters of the hydrocyclone are analyzed. Through the improvement and optimization of hydrocyclone, get double entrance structure of ideal type cyclone monomer for the vortex line, size of the taper section is arc transition form. At the same time, a brief analysis of the cone transition form high-order curve and curve structure, reasonable length of single bodied whirl cavity of hydrocyclone has been determined as 65 mm. It has been discovered that through theoretical study and contrast test，the hydrocyclone that possessing relation model of structural parameters hasmore higher separation efficiency than hydrocyclones with conventional structures. Cyclone separators are used in various kinds of industries to separate materials of different densities. By creating a strong swirl, large centrifugal forces in the process mixture are generated and due to differences in density the materials will separate. At present in petroleum industry, single well cannot proceed mechanical dehydration treatments with not power. It always taken heat up and deposit method to dewatering, such means not only bring fire and crude oil waste large, labor intensity high, and it have badly influence on environment. Now that approach had insatiability oil fields produce demand. Hydraulic power method was newly oil-water separation method. It was invented by Britain Southampton University in 1980s. For it structure simplicity, separation efficiency high, and cost low. From it appearance, that has been got widely recognition. In the not far future, rotational flow separate will certainly replace gravitational separation technology, became 21 century international oil field primary equipment. Based on the experiments aiming at studying flowrate and pressure drop performance，geometric parameters， operating parameters and liquid characteristic parameters influence on separate efficiency are analyzed. Optimal structure design method and process of liquid-liquid separate hydrocyclone are brought forward. It's thought that the database of best hydricyclone model is the basic and premises about optimal structure design. [Keywords]: hydrocyclone； separation efficiency； entrance； conicsection； overflow pipe; whirl cavity； underflow pip XVI