【正文】 帶輪的基準(zhǔn)直徑及驗(yàn)算帶速取傳動(dòng)比i=1，參考[20]中，普通V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，選取大小帶輪的基準(zhǔn)直徑mm。則：kW （317）kW （318）kW （319）式中：——V帶傳動(dòng)效率，~，； ——第三、第二、第一級(jí)V帶需要傳遞的功率。其中，V有 （316）式中：——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m； ——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的外徑，m； ——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的外徑，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m。而在水力旋流器剛開始啟動(dòng)的時(shí)候，需要很大的功率才能將其帶動(dòng)起來(lái)，這部分主要靠帶輪傳遞的轉(zhuǎn)矩克服旋流體在摩擦副的摩擦阻力矩，主要是在滾動(dòng)軸承處的摩擦。由此，我們可以計(jì)算得到單旋體所需要的功率。本文設(shè)計(jì)的旋流器油錐錐角選取9176。有收油錐主要目的是增加收油處流場(chǎng)的穩(wěn)定和溢流嘴位置的靈活布置，以得到較好的分離效果，同時(shí)也可減緩大處理量的液力沖擊，更好地保持低能耗。圖35 不同溢流嘴直徑對(duì)分離效率的影響 溢流嘴位置圖36中溢流嘴直徑為6mm，其操作條件及參數(shù)同圖35，溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的位置選取收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)，獲得的分離效率關(guān)系為，這說(shuō)明改變溢流嘴位置的布置對(duì)分離效率也有一定的影響。該關(guān)系的優(yōu)選設(shè)計(jì)較復(fù)雜，因?yàn)樗粌H涉及入水口含油量、介質(zhì)粘度、油滴粒徑分布、油水密度差、溫度等，而且與操作參數(shù)（如處理量、工作壓力、轉(zhuǎn)速、分流比等）關(guān)系密切。排油口直徑大小不僅與入液含油濃度有關(guān)，而且會(huì)直接影響處理后油中含水或水中含油的分離指標(biāo)。在x=0處，y=0；在x=d處，；在處。實(shí)踐表明，其加工方便、經(jīng)濟(jì)合算，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好[16]。溢流嘴外表面主要作用是把油水從分界面分開并引導(dǎo)液流平穩(wěn)過(guò)渡，避免產(chǎn)生劇烈的旋渦，以致破壞局部的流場(chǎng)穩(wěn)定。時(shí)，收縮現(xiàn)象基本消除，流道暢通，有利于減小尺寸。假如溢流嘴橫截面積為過(guò)流面積，那么嘴壁入口處的流速不可能無(wú)限大。其中：= （37）s （38） 將和t帶入式（36）中，可得mm 由此可得。柵片是后續(xù)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)產(chǎn)生和流場(chǎng)穩(wěn)定的實(shí)物載體，其直線長(zhǎng)度直接影響液體的驅(qū)旋時(shí)間，但并不是柵片越長(zhǎng)越好，柵片太長(zhǎng)，雖然驅(qū)旋作用加強(qiáng)，但其間液流速度提高。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。則計(jì)算式[16]為： （34）式中：L——葉片長(zhǎng)度，mm； d——中心軸直徑，mm；h——葉片厚度，mm。在轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對(duì)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(shí)，分離效率最高，如表33所示[17]?；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。表32 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長(zhǎng)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(dòng)，則產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度未必滿足分離的要求。動(dòng)態(tài)水力旋流器的存留時(shí)間一般為3~8s[17]。若L過(guò)長(zhǎng)，則勢(shì)必導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大、振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果。利用數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m時(shí)，分離效率最高，如表31所示。D和L均會(huì)影響動(dòng)態(tài)旋流器處理量[16]。第3章 動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)旋流器分離液的旋流強(qiáng)弱與其密切相關(guān)。分流比大小的確定與人口含油（含水）百分比有關(guān)。另外，流量過(guò)大會(huì)破壞動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，使分離效率下降[3]。 （21）式中：——溢流出口流量（即溢流量）；——底流出口流量（即底流量）。處理量過(guò)低會(huì)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(duì)分離也是很不利的。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)分散相油滴乳化程度加大而難以分離，使分離效率下降。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(dòng)性加強(qiáng)，有利于分離[3]。 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。 動(dòng)態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)水力旋流器作為旋流分離技術(shù)的一個(gè)新的分支，具有靜態(tài)水力旋流器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。所以動(dòng)態(tài)水力旋流器對(duì)分流比不敏感，故可在較小的分流比下進(jìn)行操作。另一方面在于相對(duì)提高了液相在設(shè)備內(nèi)的有效停留時(shí)間。圖27 靜、動(dòng)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(dòng)液流旋轉(zhuǎn)，建立所需要的離，心力場(chǎng)，其壓力損失相對(duì)較大，；~，其壓力損失相對(duì)較小。圖2圖26分別是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度分布曲線。其不同在于動(dòng)態(tài)水力旋流器的最大切向速度峰值更高。切向速度決定了處理液所受離心力的大小。動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部?jī)H在入口錐及筒壁附近由于摩擦可能引起些紊流外。動(dòng)態(tài)水力旋流器除了在旋流腔內(nèi)部的導(dǎo)流錐及轉(zhuǎn)筒周壁附近由于摩擦可能引起小小的紊流外，沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向上的切向速度與軸向速度基本恒定，流場(chǎng)穩(wěn)定性較好，可以認(rèn)為是沒(méi)有紊流的渦流場(chǎng)[13]?；旌弦毫髟谵D(zhuǎn)動(dòng)外殼的帶動(dòng)下，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，邊壁的液流與轉(zhuǎn)筒殼體內(nèi)壁間的摩擦阻力作用產(chǎn)生一個(gè)渦速度場(chǎng)分布，重質(zhì)水相受離心力作用運(yùn)移到邊壁處[23]，同時(shí)在軸向力的作用下由底流出口排出，油滴則向中心運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的油核，最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出，最終實(shí)現(xiàn)油水分離，如示意圖23[11]。通過(guò)靜、動(dòng)平衡測(cè)試，保證轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所必需的回轉(zhuǎn)精度，減少設(shè)備自振。這需要改善傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[8]，提高制造精度及改進(jìn)底座形式，合理選用材質(zhì)，盡量避免在有效分離的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生與地基共振的現(xiàn)象；需要調(diào)整部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，如溢流嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其位置的合理布置，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)等。各支承座孔間的同軸度也會(huì)影響轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和密封結(jié)構(gòu)的密封性能。動(dòng)態(tài)水力旋流器轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)在旋流腔內(nèi)形成使液體離心分離的渦流。影響靜態(tài)水力旋流器分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有切向入口形式及個(gè)數(shù)、旋流腔主直徑及長(zhǎng)度、大小錐段結(jié)構(gòu)形式及尺寸等，其旋流腔主直徑主要決定處理量的大小，大錐段主要進(jìn)行旋流分離預(yù)加速，小錐段主要起分離作用，尾管主要是穩(wěn)定油核，幾乎沒(méi)有分離作用[5]；動(dòng)態(tài)水力旋流器沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向?yàn)橹饕蛛x區(qū)，影響其分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有旋轉(zhuǎn)柵、旋轉(zhuǎn)筒、溢流嘴等。主要結(jié)構(gòu)有傳動(dòng)輪、轉(zhuǎn)筒、旋轉(zhuǎn)柵、收油桿、溢流嘴及其調(diào)節(jié)組件等構(gòu)成。（5）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的收油錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳的收油錐錐角。 本文研究的主要內(nèi)容（1）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離機(jī)理的理論分析；分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運(yùn)動(dòng)行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離性能的影響。目前，國(guó)內(nèi)在油田水處理方面仍普遍采用重力沉降設(shè)備，如游離水脫除器等，在實(shí)際應(yīng)用上具有處理效率低等問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，液液旋流分離技術(shù)在上世紀(jì)90年代初期才引入我國(guó)。在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)與模擬技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們對(duì)旋流分離的工作機(jī)理及過(guò)程行為有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，大大推動(dòng)了水力旋流器結(jié)構(gòu)模式的多樣化，使其在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了更大的作用。從20世紀(jì)50年代開始，旋流分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域以及規(guī)模均得到了迅速的發(fā)展，同時(shí)也吸引了越來(lái)越多的科學(xué)工作者致力于旋流分離技術(shù)的理論分析和應(yīng)用研究。水力旋流器（如圖11）是旋轉(zhuǎn)流分離技術(shù)方面的代表性設(shè)備，是一種用途十分廣泛的通用分離分級(jí)設(shè)備。本文重點(diǎn)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。（3）在邊緣地區(qū)的小區(qū)塊上直接處理油井采出液，將預(yù)分離水力旋流器及污水處理水力旋流器用于就地處理與回注系統(tǒng)中，減少管網(wǎng)的鋪設(shè)，大大節(jié)約了投資，降低了開采成本。中轉(zhuǎn)站來(lái)液經(jīng)水力旋流器預(yù)分離處理后，油直接送至電脫水器，水直接送至污水處理站。根據(jù)不同需求，開展水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作參數(shù)優(yōu)選與配套技術(shù)研究，使水力旋流器在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)大有可為。現(xiàn)在，水力旋流器在許多領(lǐng)域己成為重要的高效分離設(shè)備。但至今尚未達(dá)到工業(yè)化推廣應(yīng)用階段，其主要原因是結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)還不夠合理，室內(nèi)試驗(yàn)工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況差別較大。兩者綜合作用的結(jié)果極大地制約了靜態(tài)旋流分離技術(shù)在原油脫水凈化方面的應(yīng)用，故實(shí)現(xiàn)原油旋流脫水凈化較有可能的技術(shù)方案是采用動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)。前者如水力旋流器（亦稱旋流分離器），流體固定的機(jī)身內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)；后者如各種離心機(jī)，由于機(jī)身旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)內(nèi)部流體作回旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)。離心分離設(shè)備按有無(wú)旋轉(zhuǎn)部件可以分為旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備和機(jī)身旋轉(zhuǎn)的離心分離設(shè)備。 本課題研究的意義及現(xiàn)狀 本文研究的意義原油是一粘稠狀的非牛頓流體，由于粘度大，一方面進(jìn)行原油的靜態(tài)旋流脫水需要建立更強(qiáng)的離心力場(chǎng)，另一方面也明顯增加了阻力損失。盡管動(dòng)態(tài)水力旋流器在試驗(yàn)研究階段已顯示出優(yōu)越的分離性能。隨著研究的深入，水力旋流器由固液分離進(jìn)而擴(kuò)展到兩種不互溶液體介質(zhì)的液液分離以及氣液分離、氣固液三相分離等，成為一種多功能、多用途的高效分離裝置。也可用于稀土元素和裂變物質(zhì)的分離等方面。（1）在聯(lián)合站應(yīng)用，可代替一級(jí)脫水與一級(jí)沉降。減少外輸液量，節(jié)約水資源，同時(shí)減少了運(yùn)行費(fèi)用。（5）將污水處理用水力旋流器制成移動(dòng)式或固定式油水分離設(shè)備，用于井下工具或其他工具的清洗等，減少油田廢水的排放，對(duì)節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)都具有積極的意義。 課題研究現(xiàn)狀（1）旋流分離技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究概況旋轉(zhuǎn)流分離是離心力場(chǎng)在分離科技方面的重要應(yīng)用之一。圖11 水力旋流器使用實(shí)物圖水力旋流器的基本工作原理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的提出已經(jīng)有一百多年了，但是直到二戰(zhàn)以后才被有效的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)四川大學(xué)的陳文梅、褚良銀等教授在旋流器的湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬，旋轉(zhuǎn)流浮選分離與分級(jí)過(guò)程行為與特性等方面進(jìn)行了深入的研究。但是，可以看到對(duì)于水力旋流器的工藝研究和配套技術(shù)研究從事的并不多，僅僅從事了一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的探索。國(guó)內(nèi)部分單位的實(shí)際應(yīng)用表明，引進(jìn)的技術(shù)存在成本高而且不能很好適應(yīng)國(guó)內(nèi)油田實(shí)際工況等缺點(diǎn)，因此，國(guó)內(nèi)必須走借鑒、研發(fā)與應(yīng)用相結(jié)合的資助研究的道路。同時(shí)，這方面研究還很是不足，有待進(jìn)一步深入研究。（4）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的溢流嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最優(yōu)的有效直徑，并對(duì)溢流嘴的外輪廓進(jìn)行優(yōu)化。第2章 動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理 動(dòng)態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水力旋流器由入液腔、旋轉(zhuǎn)筒、溢流腔、底流腔等組成。1入液腔,2機(jī)械密封組件,3軸承,4傳動(dòng)輪,5旋轉(zhuǎn)柵,6轉(zhuǎn)筒,7溢流嘴,8溢流腔,9底流腔,10底座,11帶輪和V帶12支架,13電機(jī)圖21 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖圖22 水力旋流器實(shí)物照片從動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)看，它不像靜態(tài)水力旋流器有較復(fù)雜的切向入口、圓柱段旋流腔、大小錐段及長(zhǎng)長(zhǎng)的尾管。它的壓力損失非常小靜態(tài)水力旋流器內(nèi)液體的高速旋轉(zhuǎn)是靠液體自身的壓力提供的，即運(yùn)行；時(shí)必須有足夠的入口壓力保持來(lái)液高速旋轉(zhuǎn)，因此其分離效率的獲得是通過(guò)犧牲液體自身的壓力損失來(lái)完成的，其壓力損失相對(duì)比較大[6]。若轉(zhuǎn)筒各段同軸度精度不高則高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動(dòng)，將嚴(yán)重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無(wú)法產(chǎn)生油核。動(dòng)態(tài)水力旋流器屬十動(dòng)力設(shè)備，裝置自振以及與地基共振對(duì)分離效率的影響不可忽視。單旋體高速度旋轉(zhuǎn)，其軸向尺寸較大，因此保證旋體各段內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的同軸度極為關(guān)鍵。待分離的油水混合液由入液口進(jìn)入旋流器，液流流過(guò)旋轉(zhuǎn)柵流道和尾部導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)來(lái)入液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用?？烧J(rèn)為油水在該裝置內(nèi)的軸向流動(dòng)是近似平行[12]。 動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析 技術(shù)原理比較兩者都是利用水力旋流離心作用實(shí)現(xiàn)不同相之間的分離，但離心力場(chǎng)的建立方法有所不同：靜態(tài)水力旋流器是由壓能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能來(lái)形成離心力場(chǎng)，而動(dòng)態(tài)水力旋流器是外加電能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒所形成的。從內(nèi)部流場(chǎng)來(lái)看。這一點(diǎn)與靜態(tài)旋流器相似。圖24 靜態(tài)水力旋流器與動(dòng)態(tài)水力旋流器切向速度場(chǎng)的比較通過(guò)激光流速計(jì)的測(cè)繪．還可得到兩種旋流器中離心加速度的分布情況。圖25 靜態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng) 圖26 動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng) 分離性能比較英國(guó)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(shí)間為2s；而后，經(jīng)過(guò)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(shí)，對(duì)7μm油滴的分離效率為50％，液體停留時(shí)間小于2s：動(dòng)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(shí),對(duì)7μm油滴的分離效率為80％（參見圖27），液體停留時(shí)間為3~10s，處理后的水中含油為8~25mg/L[14]。其原因一方