【正文】 速度不會逐漸遞減，從而內(nèi)部任意半徑處的切向速度均不會受軸向位置的影響．即從入口到出口處切向速度不變．兩相介質(zhì)的分離區(qū)域加長，因而分離效率更高[14]。圖24 靜態(tài)水力旋流器與動態(tài)水力旋流器切向速度場的比較通過激光流速計(jì)的測繪．還可得到兩種旋流器中離心加速度的分布情況。圖2圖26分別是靜態(tài)、動態(tài)水力旋流器中的離心加速度分布曲線。從對比分析來看：靜態(tài)水力旋流器的峰值出現(xiàn)在距軸心較近之處衰減非常迅速，其有效分離區(qū)較小；而動態(tài)旋流器則恰巧相反其有效分離區(qū)遠(yuǎn)大于靜態(tài)旋流器。因此，動態(tài)旋流器內(nèi)的力場分布更加合理．更利于分離過程的進(jìn)行[14]。圖25 靜態(tài)水力旋流器中的離心加速度場 圖26 動態(tài)水力旋流器中的離心加速度場 分離性能比較英國南安普頓（Southampton）大學(xué)設(shè)計(jì)的F型靜態(tài)水力旋流器，其單管臨界分離粒徑為60m，雙管和三管串聯(lián)的臨界分離粒徑分別為40μm和30μm，液體停留時間為2s；而后，經(jīng)過科技人員的不斷開發(fā)，靜態(tài)水力旋流器的單管I臨界分離粒徑可達(dá)30~20μm，當(dāng)處理含油污水時，對7μm油滴的分離效率為50％，液體停留時間小于2s：動態(tài)水力旋流器的臨界分離粒徑可達(dá)15μm，當(dāng)處理含油污水時,對7μm油滴的分離效率為80％（參見圖27），液體停留時間為3~10s，處理后的水中含油為8~25mg/L[14]。圖27 靜、動態(tài)水力旋流器的水中除油性能比較 操作性能比較（1）入口壓力~，以便驅(qū)動液流旋轉(zhuǎn)，建立所需要的離，心力場，其壓力損失相對較大，；~，其壓力損失相對較小。（2）操作彈性在高效區(qū)上，動態(tài)水力旋流器可在額定處理量的10％~200％下運(yùn)行，而靜態(tài)水力旋流器只在額定處理量的40％~100％下運(yùn)行；在處理量上，靜態(tài)旋流器分離效率受處理量變化的影響較大．入口流量減少時其效果下降明顯。而動態(tài)水力旋流器在流量減小時，其分離效率反而提高。其原因一方面在于動態(tài)水力旋流器具有較強(qiáng)的離心力場。另一方面在于相對提高了液相在設(shè)備內(nèi)的有效停留時間。在處理量加大時，兩者的分離效率都有所下降，靜態(tài)旋流器分離效率的下降更為明顯；在入口含油量上，動態(tài)水力旋流器能適應(yīng)入口含油量變化較大的情況，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)入口含油從330mg/L上升到660mg/L時，水流的含油濃度為只從22mg/L上升到24mg/L；而靜態(tài)旋流器則要求入口含油≤2000mg/L。（3）分流比分流比定義為富油相出口流量與水力旋流器處理量之比。當(dāng)分流比變化時，動態(tài)水力旋流器的分離性能沒有太大的變化。所以動態(tài)水力旋流器對分流比不敏感，故可在較小的分流比下進(jìn)行操作。以減少富油相的再處理量：靜態(tài)水力旋流器的分流比一般在5％以下，與動態(tài)水力旋流器比較，需要處理的富油相量更多。（4）維護(hù)性能靜態(tài)水力旋流器沒有運(yùn)動部件，基本不需要維護(hù)工作；動態(tài)水力旋流器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、維護(hù)工作量大，存在有動平衡和動密封問題，在底流出口附近易產(chǎn)生固體顆粒的聚積而形成污垢。當(dāng)軸向速度較小時有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[14]。 動態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)動態(tài)水力旋流器作為旋流分離技術(shù)的一個新的分支，具有靜態(tài)水力旋流器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。它一方面使旋流分離技術(shù)提高到一個新的水平，另一方面為旋流技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。動態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）動態(tài)水力旋流器的旋流腔借助外部動力產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速比靜態(tài)水力旋流器高幾十倍，油滴在旋流腔內(nèi)授充分分離，極大地提高了旋流器的分離效率；（2）由于動態(tài)水力旋流器不是靠液體自身的運(yùn)動造旋的，故對來液壓力及流量的要求不嚴(yán)格，有利于現(xiàn)場操作；（3）旋流轉(zhuǎn)速的提高，加大了不同相質(zhì)的離心力差值，有利于密度差較小的兩種不互溶液體的分離。當(dāng)然，動態(tài)水力旋流器也存在以下缺點(diǎn)：（1）外殼轉(zhuǎn)動，造成固體顆粒在邊壁的積聚，易產(chǎn)生污垢；（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外殼的轉(zhuǎn)動必須依靠電動機(jī)等動力源[15]。 主要物性參數(shù)和操作參數(shù) 原油含水率查閱資料得到的原油含水率與分離效率之間的關(guān)系如圖28?？梢钥闯?，隨著入口含水率的升高，分離效率也逐漸升高；入口含水率超過80%時，分離效率達(dá)到90％以上[3]。圖28 原油含水率與分離效率的關(guān)系 介質(zhì)溫度溫度與分離效率之間的關(guān)系如圖29所示。圖29 溫度與分離效率關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)溫度在20~70℃時，分離效率逐漸升高。這是因?yàn)樯邷囟仁乖囼?yàn)介質(zhì)的粘度下降，油水界面張力下降，介質(zhì)的流動性加強(qiáng)，有利于分離[3]。 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速不同處理量下的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率之問的關(guān)系如圖210所示。一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較高時效率也高，這是因?yàn)榱髁恳欢〞r液流加快，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增高，油水介質(zhì)的徑向壓力差越大，分離也越好。最高轉(zhuǎn)速時，分離能力可達(dá)到最大，理論上效率應(yīng)最高，但由于整個裝置的人口壓力及壓力降急劇增加，振動加劇，因此此時效率達(dá)不到最高。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，旋轉(zhuǎn)柵對分散相油滴乳化程度加大而難以分離，使分離效率下降。高轉(zhuǎn)速還會使裝置使用壽命及運(yùn)行可靠性受到限制，增加運(yùn)行成本[3]。圖210 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率關(guān)系曲線 處理量處理量即單位時間內(nèi)通過水力旋流器的液體量的大小，即入口流量，通常用Q，表示，國際單位m3/h，表示每小時或每天的流量（m3）。對于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過高的處理量將會產(chǎn)生過大的壓力損失，同時也使液體進(jìn)入旋流器的速度過高，有可能使液滴破碎，不利十分離。處理量過低會使液流進(jìn)入水力旋流器的流速大幅度下降，不能形成強(qiáng)度足夠的渦流，對分離也是很不利的。因此，任何一臺水力旋流器都有一個合理的處理量范圍，即額定處理量區(qū)。實(shí)際應(yīng)用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應(yīng)現(xiàn)場工況的變化，具有更高的靈活性。實(shí)際運(yùn)行時來自入口的液體將由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此，根據(jù)物料平衡原理，應(yīng)有下式成立。 （21）式中：——溢流出口流量（即溢流量）；——底流出口流量（即底流量）。如圖211，入口流量在6~12m3/h分離效率逐漸增高； 入口流量10m3/h分離效率隨人口流量的降低而迅速降低；入口流量10 m3/h效率隨人口流量的增加而緩慢增高；人口流量在l0~13 m3/h離效率變化不大。確定合理流量區(qū)間為10~13m3/h。高轉(zhuǎn)速時，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時，液體在旋流腔速度加快，停留時間變短，不利于分離，而使分離效率下降。另外，流量過大會破壞動態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場的穩(wěn)定性，使分離效率下降[3]。圖211 入口流量與分離效率之間的關(guān)系曲線 分流比分流比F定義為溢流量（出油量）占（入口總流量）的百分比，即 （22）式中：——溢流量，；——處理量。分流比與分離效率之間的關(guān)系如圖212?？梢钥闯?，分流比對分離效率影響不顯著，分流比在8~12%時，分離效率達(dá)84%以上。分流比大小的確定與人口含油（含水）百分比有關(guān)。就本試驗(yàn)而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保證底流含油量盡可能少的前提下，分流比越小越好。因?yàn)楫?dāng)人口流量和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時，適當(dāng)減小分流比，溢流流量相應(yīng)減少，隨溢流排出的水相應(yīng)減少，人口所含的油盡可能多地都從溢流排出，因此分離效率得到提高[3]。圖212 分流比與分離效率關(guān)系曲線本文設(shè)計(jì)的水力旋流器的物性參數(shù)和操作參數(shù)：介質(zhì)溫度為50℃，處理量為12，分流比為10%，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速1460r/min。第3章 動態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒長度L確定轉(zhuǎn)筒參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑以及長度，動態(tài)旋流器分離液的旋流強(qiáng)弱與其密切相關(guān)。轉(zhuǎn)筒為兩端帶制口的直圓管結(jié)構(gòu)，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時，D越大，切向速度也大，導(dǎo)致離心力增加，利于分離。L影響輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心的運(yùn)移效果，L越大，混合介質(zhì)在腔內(nèi)存留時間越長，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移越充分。當(dāng)L長度足夠時，能保證液流在腔內(nèi)的分離時間為3~5s左右。D和L均會影響動態(tài)旋流器處理量[16]。若液滴在腔內(nèi)的存留時間為T，則有： （31）式中：Q—— 處理量，；D—— 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，mm；L—— 轉(zhuǎn)筒長度，mm；T—— 存留時間，s。處理量確定時，液滴的存留時間取決于轉(zhuǎn)筒長度。轉(zhuǎn)筒長度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時間增加，使油滴有充分的分離時間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長度過長，則導(dǎo)致動力損耗加大，振動加強(qiáng)，反而影響分離效果[16]。利用數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)筒長度對分離效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)筒長度為2m時，分離效率最高，如表31所示。因此，轉(zhuǎn)筒長度選取L=2m。表31 轉(zhuǎn)簡長度對分離效率的影響轉(zhuǎn)筒長度/m分離效率%轉(zhuǎn)筒長度/m分離效率% 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D確定長徑比K是指轉(zhuǎn)筒長度L與其主直徑D的比值。當(dāng)D確定時，隨L適當(dāng)增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時間增加，使油滴有充分的分離時間，分離效果也就愈好。若L過長，則勢必導(dǎo)致動力損耗加大、振動加強(qiáng)，反而影響分離效果。表32給出了轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率影響的部分?jǐn)?shù)據(jù)。考慮到影響設(shè)備分離性能的各種因素，在設(shè)計(jì)時長徑比一般應(yīng)在15~20間選取。額定處理量確定時，液滴的存留時間由L確定。動態(tài)水力旋流器的存留時間一般為3~8s[17]。故參考手冊[21]，選取轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D=110mm。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。將式（31）變形可得== （33）存留時間T=~8s內(nèi)，故設(shè)計(jì)合理。表32 轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長徑比K平均分離效率G（%）H1H2H3H4H550909095140201317214 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)確定旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口端，若單靠轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁與液流間的摩擦使液流作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度未必滿足分離的要求。為使混合液獲得足夠的切向速度，本研究設(shè)計(jì)出了對進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體起預(yù)加速作用的旋轉(zhuǎn)柵。旋轉(zhuǎn)柵固定于空心驅(qū)動軸軸向外端，是實(shí)現(xiàn)油水混合液旋轉(zhuǎn)流動的關(guān)鍵部件。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會造成油水混合液中油滴的嚴(yán)重乳化，進(jìn)而降低分離效率?；诶碚摲治龊驮囼?yàn)研究，優(yōu)選出了葉片式和螺旋式兩種結(jié)構(gòu)形式。本文設(shè)計(jì)水力旋流器選用葉片式旋轉(zhuǎn)柵。旋轉(zhuǎn)柵對進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。葉片式旋轉(zhuǎn)柵通過葉片對來液進(jìn)行預(yù)加速，葉片個數(shù)過少，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場分布不均；葉片個數(shù)過多，則使液流的過流面積減小，壓力損失增加及液滴的剪切破碎程度加劇，不利于分離效率的提高。在轉(zhuǎn)筒長度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對分離效率的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著葉片數(shù)的增加，分離效率先升高后降低；當(dāng)葉片數(shù)為3時，分離效率最高，如表33所示[17]。表33 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對分離效率的影響旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%2345因此，選擇旋轉(zhuǎn)柵的葉片數(shù)3片，如圖31所示。圖31 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)圖 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑選擇旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口處，起導(dǎo)流與預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用，使分離液在旋流腔內(nèi)迅速形成強(qiáng)渦流。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見圖31，流量Q，液體流過旋轉(zhuǎn)柵的時間t，過流面積A。則計(jì)算式[16]為： （34）式中：L——葉片長度，mm； d——中心軸直徑，mm；h——葉片厚度，mm。當(dāng)處理量一定時，旋轉(zhuǎn)柵中心孔直徑越小，則液體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵的流速、壓力及流體局部阻力損失也就越大。為避免過大的入口速度波動造成局部的阻力損失，一般要求旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積應(yīng)稍大于旋轉(zhuǎn)柵各流道面積之和；若旋轉(zhuǎn)柵流道數(shù)越多，液流過流面積就會減小，也導(dǎo)致液體流動平穩(wěn)性較差，壓力損失及液滴的剪切破碎程度也會增加，將不利于分離[16]。前面已經(jīng)選取D=110mm，因而試選取d=75mm，h=12mm。帶入式（34），得： =4452 而，旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積=== 4416 （35）式中：——旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積。可見，略小于A,符合最優(yōu)設(shè)計(jì)。因而，中心孔徑d=75mm合理。 旋轉(zhuǎn)柵葉片長度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動的液體。柵片是后續(xù)旋轉(zhuǎn)流場產(chǎn)生和流場穩(wěn)定的實(shí)物載體，其直線長度直接影響液體的驅(qū)旋時間，但并不是柵片越長越好，柵片太長，雖然驅(qū)旋作用加強(qiáng)，但其間液流速度提高。高速液流是導(dǎo)致乳化的因素之一，高速運(yùn)行時間越長，液流乳化越嚴(yán)重，因此需對柵片的直線長度進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)[17]。若保證液體充分旋轉(zhuǎn)，則液滴在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)必須有足夠的存留時間，查閱材料[13]可知，液滴要得到充分旋轉(zhuǎn)，則液滴至少要在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)轉(zhuǎn)3周。則柵片長度計(jì)算有 （36）式中：——液流的軸向速度，m/s； t ——液流分子在旋轉(zhuǎn)柵上的加速時間，s。其中：= （37）s （38） 將和t帶入式（36）中，可得mm 由此可得。在轉(zhuǎn)筒長度為2m，柵片數(shù)目為3的條件下，取柵片長度分別為100mm、95mm、90mm、85mm的旋轉(zhuǎn)柵，通過數(shù)值模擬進(jìn)行分離效率對比研究，結(jié)果表明：當(dāng)葉片長度為95mm時，分離效率最高，如表34所示[17]。觀察數(shù)值模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)