旋流分離技術(shù)研究及其應(yīng)用

蔣明虎

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

旋流分離技術(shù)研究及其應(yīng)用

蔣明虎

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

介紹旋流器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其分類，闡述油－水旋流分離技術(shù)、用于細顆粒處理的固－液旋流分離技術(shù)、氣－液旋流分離技術(shù)及其應(yīng)用，分析脈動流條件下的實驗、旋流流場特性、旋流器制造材料和相關(guān)加工方法、脫氣除砂一體化三相分離旋流器等，提出旋流分離技術(shù)未來的研究思路.

旋流分離；油－水分離；細顆粒雜質(zhì)處理；氣－液分離

0 引言

隨著環(huán)保法規(guī)的逐步健全和人們環(huán)保意識的不斷提高，環(huán)境問題日益得到關(guān)注，污水、污泥、廢氣等的處理也越來越受到政府部門、生產(chǎn)單位的重視.另外，在企業(yè)生產(chǎn)過程中，也不可避免地涉及到混合介質(zhì)的分離處理過程，如在油田，從油井采出的原油在地面集輸工藝中必須經(jīng)過多道除氣、脫水和除油過程.在國外針對部分高含水油田已開始在井下對原油采出液直接進行脫水處理，以降低采到地面的原油含水率［1］，提高油田開采經(jīng)濟效益，延長油井壽命等.

旋流分離技術(shù)作為一項高效的多相分離技術(shù)，它是在離心力的作用下利用兩相或多相間的密度差實現(xiàn)相間分離的［1－3］.自從1886年Marse的第一臺旋粉圓錐形旋風(fēng)分離器問世以來，旋流分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙等行業(yè)［4］.油水分離水力旋流器產(chǎn)品最初是由Thew M T等在20世紀70年代研究設(shè)計，并在1980年的旋流器國際會議上首次發(fā)布該成果［5］.

水力旋流器是一種離心式分離設(shè)備，可實現(xiàn)實時快速分離，具有設(shè)備體積小、分離效率高、使用壽命長、操作維護方便等優(yōu)點，在石化、礦山、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛.東北石油大學(xué)是自20世紀90年代初開始開展旋流分離技術(shù)研究，在旋流分離理論研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、流場特性分析及油田實際應(yīng)用等方面做了大量的研究，并取得一些認識和成果.

1 旋流器

1.1 工作原理

旋流器主體結(jié)構(gòu)一般由入口段、圓柱段旋流腔、錐段、尾管段和出口管組成.錐段還可分為單錐和雙錐，一般對于固－液、氣－液和氣－固旋流器為單錐，且通常無尾管；液－液旋流器通常為雙錐結(jié)構(gòu)，帶尾管.

以固－液分離旋流器（見圖1）為例，含有固體顆粒的混合液以一定的入口速度進入旋流器后，在旋流器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)而以渦流的形式存在.旋流腔內(nèi)的混合介質(zhì)邊旋轉(zhuǎn)邊向旋流器的錐段運動，運動路線呈螺旋形態(tài).介質(zhì)在進入圓錐段后，由于內(nèi)徑的逐漸縮小，液體旋轉(zhuǎn)速度逐步加快.在液體呈現(xiàn)渦流運動時，徑向壓力不等，即中心附近壓力最低，形成低壓區(qū)；旋流器邊壁處的壓力最高.由于旋流器的底流口徑較小，使得液體無法全部從底流管排出，而旋流腔頂部有一溢流口，這樣一部分凈化后（固體顆粒含量較?。┑囊后w向壓力較低的中心處流動，呈螺旋狀，邊旋轉(zhuǎn)邊向溢流管處運動，即形成內(nèi)旋流，并最終從溢流口排出.同時，固體顆粒受到離心力作用，當(dāng)該力大于顆粒所受的液體阻力時，固體顆粒向旋流器邊壁移動，與液體分開，并隨部分液體由底流口排出.

圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)及分離原理示意

1.2 分類

1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)類型

（1）靜態(tài)旋流器.即旋流器的外殼固定不動，全部結(jié)構(gòu)也無任何運動部件，完全依靠入口的壓力為內(nèi)部流體提供旋轉(zhuǎn)動力，進而實現(xiàn)分離.

（2）動態(tài)旋流器.即旋流器外殼由電動機帶動旋轉(zhuǎn)，入口液體只要流入旋流器即可工作.通常這種旋流器的分離效率更高，但需要外加動力源.

（3）復(fù)合式旋流器.它是一種將靜態(tài)旋流器與動態(tài)旋流器相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)，借鑒靜態(tài)旋流器和動態(tài)旋流器的特點而發(fā)展起來的.

1.2.2 處理介質(zhì)

（1）液－液水力旋流器.以油－水兩相分離為例，又可分為脫油型水力旋流器和脫水型水力旋流器.

（2）固－液水力旋流器.如在油田去除鉆井液泥漿中的固體雜質(zhì)、去除污水中的固體顆粒雜質(zhì)等.

（3）氣－固旋流器.如旋風(fēng)除塵器等.

（4）固－固旋流器.如采礦工業(yè)中應(yīng)用的顆粒篩分旋流器等.

（5）氣－液旋流器.去除液體介質(zhì)中的少量氣體，或者去除氣體介質(zhì)中的少量液體等.

（6）氣－固－液三相分離旋流器.采用獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)氣體、液體和固體三相的同時分離，是一項很有前景的技術(shù).基于該設(shè)計原理，還可以衍生出氣－液－液（如氣－油－水）三相分離旋流器等.

還有其他一些關(guān)于旋流器的劃分方法，如氣攜式旋流器、旋濾器等.

2 研究狀況

2.1 油－水旋流分離技術(shù)

對于油水分離旋流器，脫油型旋流器主要用于處理水包油型乳狀液，即含油質(zhì)量分數(shù)在26%以下的場合，以脫除混合介質(zhì)中的油；脫水型用來處理含油質(zhì)量分數(shù)超過26%的油－水乳狀液，此時的乳狀液可能是油包水型，也有可能是介于水包油型和油包水型之間的過渡狀態(tài)［6］.脫水型水力旋流器的研制工作由于油的高度乳化而面臨很大的困難.對于脫油型水力旋流器，按照所處理介質(zhì)中的含油量還可進一步劃分為污水處理型（處理低含油）及預(yù)分離型（處理高含油）.

2.1.1 低含油污水處理

針對低含油污水的處理，已完成一些旋流分離實驗研究［7－9］，明確一些主要的結(jié)構(gòu)型式（不同的旋流器結(jié)構(gòu)、旋流器入口數(shù)量、入口流道型式及錐段型式等）［10－13］、結(jié)構(gòu)參數(shù)（各部分尺寸參數(shù)、錐角及參數(shù)間比例關(guān)系等）［14－17］和操作參數(shù)（處理量、分流比、壓降比及入口壓力、壓力降等）［17－25］，以及對旋流器壓力特性和分離性能的影響.在大慶第一采油廠所開展的3 000m3／d規(guī)模的現(xiàn)場中試表明，可通過旋流分離將含油1 000mg／L左右的污水處理到30mg／L以下，再經(jīng)過濾進一步降到10mg／L以下.

2.1.2 高含油污水處理

在低含油污水旋流分離技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開展高含油污水旋流處理實驗研究［26－30］.通過室內(nèi)模擬實驗、現(xiàn)場中試和大規(guī)?，F(xiàn)場應(yīng)用研究，掌握油田采出液預(yù)分離水力旋流器的工作機理、壓力特性和分離性能影響因素，比較不同組合型式對分離效果的影響和在實際中應(yīng)用的可行性等.采用水力旋流器在油田中轉(zhuǎn)站實現(xiàn)采出液預(yù)分離，含水率85%左右的采出液經(jīng)水力旋流器一級處理后，油中含水率可降到30%左右，水中含油質(zhì)量濃度降到2 000mg／L以下；水出口再經(jīng)一級旋流處理后，含油質(zhì)量濃度可降到1 000 mg／L以下.同常規(guī)工藝流程相比，采用旋流分離設(shè)備實現(xiàn)中轉(zhuǎn)站提前放水，可節(jié)約一次性投資，并且每年可節(jié)約耗電費用.同時，由于設(shè)備占地面積小及聯(lián)合站處理工藝的簡化，還可節(jié)省土地資源，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益［29］.該技術(shù)成果已在大慶油田的7座中轉(zhuǎn)站獲得推廣應(yīng)用（見圖2），每年處理采出液的規(guī)模達1 150萬t，累計可為油田創(chuàng)造經(jīng)濟效益6 000余萬元.

在井下分離方面，如采用預(yù)分離旋流器與雙流泵相配合，可直接在井下對采出液進行處理，使其含水率由90%以上降到50%～80%，在降低原油地面處理成本的同時，也簡化了油田地面水處理工藝及設(shè)備［31－33］.隨著采出液含水率的不斷提高，實施井下旋流分離及同井注采工藝將成為油田未來穩(wěn)產(chǎn)的一個主要方向.

2.1.3 相關(guān)配套技術(shù)

在研究中，探討旋流分離技術(shù)在應(yīng)用中需要注意和考慮的問題［34］，并對油田含油污水處理系統(tǒng)工藝及配套設(shè)備開展研究，包括聚結(jié)、增壓方式、工藝方案設(shè)計及不同處理介質(zhì)條件等［35－43］.增壓方式的選擇對旋流處理效果產(chǎn)生較強的影響.容積式泵對于避免油滴的二次乳化有很好的作用，有利于保證旋流分離的高效性，但是成本高、處理量相對較小，因此在滿足處理指標的情況下，盡量采用離心泵等常規(guī)增壓泵.其次，通過采用合理的聚結(jié)設(shè)備可在一定范圍內(nèi)適當(dāng)加大油珠粒徑，保證旋流分離效果.另外，旋流分離設(shè)備的高效應(yīng)用還取決于與油田生產(chǎn)工藝的合理配合，包括處理介質(zhì)的特性、前后工藝設(shè)備的銜接等.

2.1.4 含聚污水處理

在20世紀90年代，開展了針對聚合物驅(qū)油田含油污水旋流處理的前期研究工作［44－46］，為后期大慶油田三次采油中地面水處理工藝提供借鑒和技術(shù)支持.同時，針對含聚污水難處理等問題，加大了對其他類型旋流分離設(shè)備的研究力度，如動態(tài)旋流器［46－62］、復(fù)合式旋流器［63－69］等.對這些新結(jié)構(gòu)旋流器的研究，拓寬了研究思路和旋流器應(yīng)用領(lǐng)域，為不同應(yīng)用提供更多的選擇.

2.1.5 氣攜式旋流分離

為改善油水分離效果，開展氣攜式旋流分離技術(shù)研究，即：將氣體引入旋流器中，以一定的方式形成微小氣泡，小油滴通過與氣泡的結(jié)合構(gòu)成油／氣復(fù)合體，使其“粒徑”增大、與水之間的密度差加大，以提高油水分離效率（見圖3）；研究氣體對旋流設(shè)備壓力特性的影響［70－71］、不同注氣方式［72－75］及微孔材料等［76－81］對油水旋流分離效果的影響，并開展相應(yīng)的現(xiàn)場試驗研究［82］.研究結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作運行參數(shù)的選取，氣攜式旋流器可有效提高旋流分離效果.

2.1.6 旋流分離機理及流場特性

在實驗及現(xiàn)場試驗過程中，通過理論分析及LDA激光測速技術(shù)，研究了旋流器內(nèi)部壓力場［83－96］、速度場［87－98］及其變化規(guī)律.采用計算流體動力學(xué)（CFD）分析軟件FLUENT，對旋流器的壓力分布、速度分布、相濃度分布等開展研究［99－105］，并有效地應(yīng)用在旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和操作參數(shù)優(yōu)化等方面.

圖2 水力旋流器在油田采出液預(yù)分離方面的應(yīng)用

2.2 細顆粒處理旋流分離技術(shù)

隨著油田開發(fā)的不斷深入，同時某些地層膠結(jié)疏松，生產(chǎn)壓差過大，導(dǎo)致采出液的含砂量逐年增加.采出液的大量含砂對地面集輸設(shè)備造成極大的損害，在油田地面處理工藝中，通常采用重力沉降式裝置進行除砂，這種工藝方式簡單、可靠，但占地面積大、處理時間長.

圖3 氣攜式水力旋流器實驗

旋流器早期的研究和應(yīng)用就是在固－液分離方面，但其處理介質(zhì)的密度差和固體顆粒粒徑比較大，用在油田除砂方面并不適合.同常規(guī)除砂處理相比，細顆粒的分離難度相對大得多.為此，開展針對細顆粒雜質(zhì)旋流處理的研究工作［106－108］.結(jié)合油田的實際特點，開發(fā)并設(shè)計相應(yīng)的用于細顆粒雜質(zhì)處理的水力旋流器結(jié)構(gòu).通過實驗研究，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)進行優(yōu)選.與臥螺式離心機配合，實現(xiàn)油田污水處理系統(tǒng)中沉降（細顆粒）污泥雜質(zhì)的旋流濃縮和離心脫水稠化［109－113］.其研究成果已經(jīng)在大慶油田的多座中轉(zhuǎn)站獲得推廣應(yīng)用（見圖4），解決了油田生產(chǎn)中面臨的實際問題.該研究為細顆粒分離水力旋流器在油田的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

圖4 用于細顆粒雜質(zhì)處理的水力旋流器及應(yīng)用

2.3 氣－液旋流分離技術(shù)

在油田采出液中存在壓力變化或溶解氣，在地面處理工藝中進行氣液分離是一個重要的工藝環(huán)節(jié).通過采用常規(guī)旋流器結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計的新型旋流器結(jié)構(gòu)，開展關(guān)于氣液分離的理論分析與實驗研究［114－120］，認為相對于油－水兩相分離，氣體和液體之間的密度差比較大，容易分離，但要實現(xiàn)高效分離，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行參數(shù)優(yōu)化方面進行研究.在研究過程中，注重旋流流場特性與分離性能相結(jié)合，通過流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)出高效的氣液旋流分離結(jié)構(gòu)（見圖5），可實現(xiàn)氣體的完全分離（即底流出液口中氣體零排放）.此項技術(shù)已在我國某項海洋工程現(xiàn)場試驗中獲得成功.

2.4 其他方面

制造材料的選擇是關(guān)系到旋流器的使用壽命及制造成本的重要因素之一［121］.針對采用玻璃鋼、聚胺酯、不銹鋼、普通碳鋼及工業(yè)陶瓷等材料加工旋流器的設(shè)計和制造問題，與相關(guān)廠家開展技術(shù)合作，開發(fā)出多種樣機.目前聚胺酯和不銹鋼水力旋流器已形成產(chǎn)品，技術(shù)也較為成熟.同時，對特殊結(jié)構(gòu)入口流道的加工型式也做了較為深入的研究［122］.

人們一般認為保持流量穩(wěn)定性是保證旋流器高效分離的必要條件，認為流量的不穩(wěn)定（如斷續(xù)流、脈動流等）將使旋流器的分離效率降低.通過研究，掌握了脈動流條件下旋流器的分離特性和能耗特性的變化規(guī)律及其特點［78，123－124］.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，流量的脈動對改善旋流分離效果有時還會起到一定的積極作用，同時其能耗增大的幅度也有限.

圖5 氣－液旋流分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的氣相濃度分布云圖

為探索新型旋流器結(jié)構(gòu)，對旋濾器［125］和尾管過濾式旋流器［82，126］等開展相應(yīng)的實驗研究，同時也分析了可在油田及相關(guān)行業(yè)推廣應(yīng)用的其他離心式分離器［127－128］，如螺旋管分離器等.

針對油田采出液的脫氣和除砂，開發(fā)出脫氣除砂一體化水力旋流器（見圖6），實驗效果較為理想，但還需要通過現(xiàn)場試驗進一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為簡化油田工藝、降低地面工藝能耗提供借鑒.

通過近20a的研究，東北石油大學(xué)對旋流分離技術(shù)研究有了更為深入的認識，取得一些研究成果，也獲得10余項國家發(fā)明專利和實用新型專利.

3 結(jié)束語

隨著化工設(shè)備向高效節(jié)能和多功能化的方向發(fā)展，開發(fā)出一機多能的化工新裝置已成為21世紀的技術(shù)發(fā)展方向［129－130］，水力旋流器也因此出現(xiàn)了一些新的結(jié)構(gòu)形式.這些新型旋流器的設(shè)計開發(fā)對于拓寬思路、改進旋流分離性能、提高旋流分離技術(shù)水平將發(fā)揮積極的促進作用.

水力旋流器的結(jié)構(gòu)雖然并不復(fù)雜，但其分離性能在很大程度上受所處理介質(zhì)特性的影響，因此針對不同應(yīng)用場合和條件，必須有針對性地開展研究.旋流分離技術(shù)雖然得以長足發(fā)展，但在其技術(shù)發(fā)展過程中有許多技術(shù)難題仍需加以解決.該項技術(shù)的主要研究方向：

（1）借助理論分析、CFD模擬分析和實驗研究手段，研究開發(fā)出高效低耗的旋流器產(chǎn)品，進一步擴大旋流器的應(yīng)用范圍，提高其經(jīng)濟效益；

（2）設(shè)計新型旋流器，進一步改善對低密度差細顆?；旌辖橘|(zhì)的處理能力，研究將旋流器用于高黏度介質(zhì)處理的可行性；

（3）設(shè)計開發(fā)高效的脫氣／除砂、脫氣／除油或除砂／除油一體化三相分離旋流器，以減少投資，簡化工藝、提高處理功效；

（4）突破水力旋流器用于井下采出液處理（油－水分離、氣－液分離等）的相關(guān)設(shè)備及工藝技術(shù)難關(guān)，為高含水后期油田開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持；

（5）進一步開展旋流處理配套工藝及其技術(shù)研究，包括破乳、聚結(jié)、低剪切增壓及其工藝系統(tǒng)的反饋控制技術(shù)等；

（6）在旋流分離技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計其他離心式機械分離設(shè)備.

圖6 脫氣除砂一體化三相分離旋流器實驗樣機

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［52］ 王尊策，陳維勤，蔣明虎，等.動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選設(shè)計［J］.石油學(xué)報，2001，22（4）：104－107.

［53］ 劉曉敏，蔣明虎，李楓，等.油水分離用動態(tài)水力旋流器分離特性研究——內(nèi)在因素、外在條件、結(jié)構(gòu)工藝及裝配的影響［J］.化工裝備技術(shù)，2002，23（3）：15－18.

［54］ 蔣明虎，劉曉敏，趙立新，等.脫油型動態(tài)水力旋流器操作參數(shù)的試驗研究——壓力、壓差及壓降比的試驗測定與分析［J］.石油礦場機械，2002，31（4）：18－21.

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Research and application of hydrocyclonic separation technology／2010，34（5）：101－109

JIANG Ming－h(huán)u
（NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China）

Simple status of study on hydrocyclonic separation technology，basic structure，working principle，and classification of hydrocyclones are introduced，focusing on the hydrocyclonic separation technology research carried outatNortheastPetroleum University，such as oil－water hydrocyclonic separation，fine particle hydrocyclonic treatment，gas－liquid hydrocyclonic separation，the research contents，main achievements，and correlating applications are described.In addition，the research on hydrocyclonic separation under cyclic flow condition，characteristics of hydrocyclonic flow field，materials and manufacturing methods，and the new designs like de－gas／de－sand three phase separation hydrocyclone is also introduced.Future research plan and ideas are proposed in the end.

hydrocyclonic separation；oil－water separation；fine particle treatment；gas－liquid separation

book=5,ebook=246

TE992.2；X741

A

1000-1891（2010）05-0101-09

2010-05-07；編輯：任志平

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究（重點）項目（11531z07）

蔣明虎（1962－），男，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旋流分離技術(shù)、環(huán)境工程及油氣田地面工程等方面的研究.