操作參數對三相臥螺離心機油水砂分離性能影響模擬及實驗分析

朱明軍，胡大鵬

（1 宿州學院化學化工學院，安徽 宿州 234099；2 大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024）

工業(yè)生產中，廣泛存在著液液（固）兩相或三相分離過程，如含油污泥脫水、采出液油水分離、煉油過程中的煤油脫水、汽油脫水等。在煉油、煉化等石油化工企業(yè)中，含油污水處理中的一般產物為“三泥”，包含油泥、浮渣和剩余活性污泥，其中，處理油泥和浮渣是長期以來的共性技術難題。石油勘探、開采、加工、煉制、儲存、運輸等過程中會產生大量的含油污泥，對含油污泥中的原油進行回收利用有著可觀的經濟效益和環(huán)境價值。例如，某煉油污水處理廠每年產生的含油污泥約為150kt，如果采用填埋方式處理，僅此一項，該公司每年將支付排污費2000 萬元，但是如果對含油污泥進行干化處理，每年將從含油污泥中提取輕質油1500t，同時生產高熱值的焦粒3000t，將其與煤混合后在燃煤鍋爐中高溫燃燒，對焦粒中所含油類以及有毒有機物進行分解、回收大量熱，就實現了含油污泥的資源化利用。

三相臥螺離心機操作涉及從固體中分離出兩種互不相溶的液體，通常是油和水，這可能是廢油（通常為原油）回收利用或植物油（例如棕櫚油或橄欖油）的分離。三相臥螺離心機不僅在含油污泥處理方面有著廣闊的應用前景，在油田采出液等方面也是如此，設計大處理量型三相臥螺離心機將在此領域具有廣闊的應用前景，同時根據一些小型油田、根據油田采出液自身的料液性質，也可以匹配特定的臥螺離心機進行分離。利用三相臥螺離心機來對油田采出液進行油水砂的三相分離，可以一次性實現對廢水排放達標的同時除去了有害固相顆粒并回收有用油相。

在三相臥螺離心機研究方面，國內外研究總體上較少，主要是以發(fā)表專利為多，而在理論研究、數值模擬計算或是實驗研究方面很少。三相臥螺離心機在橄欖油提取工業(yè)是重要的機械創(chuàng)新設備，可將液相中的果皮分離出來，也可用于兩相或三相橄欖油的配置以及油漿調制技術。另外，在三相臥螺離心機結構模型及數值模擬研究方面，四川大學姜杰等于2017 年對一種油水分離的三相臥螺離心機進行了CFD 分析研究，通過調節(jié)排水孔寬度的方式來增大流量、提高油水分離效率，也可通過擴大溢流軸向寬度、降低流體溢流速度、減小摩擦力使更少水相跟隨油相溢流，從而提高油水分離效率。在三相臥螺離心機溢流排液結構方面，也有其他研究者提出了各自不同的模型。Miller 等提出了一種從石油產品中分離出水和固體顆粒的方法，其模型設置的擋油板以及附加擋板減少了出水油含量，也使進料液流對已經沉降的油相和水相的擾動降低。陳杰等提出了一種臥式螺旋沉降三相分離離心機，其模型中法蘭盤設置有兩圈排液孔，內外圈為溢流孔和節(jié)流孔，分別用于排出輕相液和重相液，這種結構模型也為本文溢流排液形式設計具有一定的啟發(fā)意義。另外，還有一些研究者進行了液液固三相臥螺離心機溢流結構等方面的研究，通過實驗進行了進料料液質量流率變化對提取效率、廢水含油量以及固相水含量的影響，包括對輸入和輸出質量平衡的計算、油相和廢水質量流率的測量和計算等，為本文實驗研究及測量和計算提供了借鑒。其研究的關鍵技術瓶頸在于不能同時對溢流出油和溢流出水的擋板進行調整，這樣使得不能準確地根據進料料液含油濃度及料液性質等進行相間液位調整，不能獲得具有實際應用價值和需求的分離產品。

三相臥螺離心機油水砂分離由于其技術的局限性，在國內外雖有一定程度的工業(yè)化應用但規(guī)模不大。傳統式臥螺離心機用于含油污泥處理單元中分為三相分離和兩相分離，用于兩相分離時，油（或水）從大端排出，而水（或油）和砂的混合液從小端出渣口排出，其含油污泥相處理方式工藝較為復雜，涉及的單元操作設備也較多，增加了生產投資成本和周期。此外，傳統式三相臥螺離心機用于油水砂三相分離時，其油水分離相界面不能根據料液性質和濃度變化及分離產品的需求準確調整，這樣使得分離效果不理想，分離產品達不到環(huán)保及回收要求。因此，提出一種新型可調溢流堰板式的三相臥螺離心機，克服傳統式臥螺離心機用于油水砂分離時的不足和局限性，可以根據進料料液性質和濃度及分離產品的需求來調節(jié)溢流擋板，從而改變油水分離相界面，使得分離產品達到環(huán)保及回收要求，對含油污泥處理在內的高效成套裝置應用具有重要意義。

1 新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機CFD計算分析

1.1 可調溢流堰板式三相臥螺離心機結構模型及水力平衡分析

如圖1所示，此種新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機主要包括柱錐段轉鼓（bowl）、螺旋輸送器（screw conveyor）、大端法蘭（front hub）和小端法蘭（rear hub）。這種結構模型的優(yōu)化設計在于大端法蘭內設置有徑向出油通道和軸向出水通道，并設置有5組可調溢流擋板，用來控制出水和出油濃度。此種三相臥螺離心機的工作原理是，料液從右端小端法蘭內的進料管進入，通過布料室（feed chamber）進入到離心機轉鼓液池中，在強大的離心作用下，油水砂三相因密度不同而在液池中由內到外依次是油相、水相和固相，油相和水相通過左端大端法蘭時，由于受到各組溢流擋板的影響，從出油通道和出水通道分別排出，固相在螺旋輸送器和轉鼓轉速差的作用下由螺旋推送至小端出渣口排出。表1為新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機幾何模型基本尺寸。

圖1 三相臥螺離心機結構

表1 新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機幾何模型基本尺寸

油水砂三相分離水力平衡如圖2所示，為了使三相臥螺離心機分離出油水砂三相，必須相對于排渣高度位置水平設置兩個不同高度的溢流堰。首先，固體排出的徑向位置為，以此為依據，設置由徑向位置決定的溢流堰高度（液池深度），用來固定干燥段的范圍。然后必須設置徑向位置，以在兩個液相之間建立水力平衡，在需要時將平衡線保持在處。溢流擋板可以是溢流擋油板，也可以是溢流擋水板，在此可以看成是統一形式的擋板。

圖2 三相分離水力平衡圖

在離心機中，任意徑向位置處的壓力由給出，見式(1)。

因此，在三相離心機中，平衡線（即油水界面）處的壓力可按式(2)計算。

式中，為輕相液油的密度；為重相液水的密度。

由式(1)可以看出，在液體密度以及轉鼓轉速和自由液面徑向位置不變的情況下，隨著徑向位置的增大，離心壓力逐漸增大，而且呈二次方的拋物線變化規(guī)律。這說明在越靠近轉鼓壁的區(qū)域離心壓力越大。從式(2)能夠看出，可以通過控制油水界面的位置來調節(jié)平衡線處的壓力。

從圖2可知，當溢流擋板向中心軸線（遠離轉鼓壁方向）移動時，出水更快，此時油水分界面和自由液面位置向轉鼓壁方向移動（和增大），但是由于油相積累較多使得離心機液池中料液黏度增大，離心力不能及時破壞部分乳化水界面膜和油水界面作用，使得一部分油相跟隨水相以水包油或者油包水的形式進入到水層當中，同時部分油層也會進入到水層中，使得出水口的含油濃度會增大。同理，當溢流擋板向轉鼓壁方向移動時，出水會變慢，水油二次混融，出油口的含水量會增多，同時部分水相可能會沖散已經沉降在轉鼓壁上的較為松散的顆粒，也造成水固或油固二次混融，對固液分離效率不利。另外，出油流率的增大，使得離心作用不能及時破壞離心機液池中黏附于油滴表面的部分固體顆粒的黏滯阻力，導致部分固體顆粒隨著油相一并從出油孔流出，也會對油的回收品質及固相的回收產生不利影響。因此，要綜合考慮諸多有利因素以及分離產品的目的及用途來選擇調節(jié)擋板。

平衡線（e-line）位置的選擇取決于許多因素。離心機轉鼓中各相所占的容量可以與進料中各相所占的體積成比例地選擇。那么，每一相/Σ的值基本是相同的。但是，如果從某一相中將另一相分離時相對較困難（反之亦然），則可以為轉鼓液池中另一相提供額外的容量，以提高其澄清效率。在很多情況下，某一相的純度可能比另一相更重要，比如回收原油時，原油的純度是更多考慮的因素，那么應當給予更重要的相（原油純度）更多的考慮。但是，在設定e-line時必須格外謹慎，以免一相突破另一相（兩相混融）。當一個或多個相的流速較高時，溢流堰的峰值會很大程度上移動e-line，因此必須調整堰的高度來重新計算并設置溢流堰。

根據水力平衡分析，本文設計的新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機大端法蘭結構如圖3 所示。在三相臥螺離心機內，液池由內到外（從螺旋芯管到轉鼓壁方向）依次是油相、水相和砂相，因此設計時考慮大端法蘭內以沉孔的形式出油，將沉孔大端用一擋板封閉住，并開設徑向出油通道，之后開設90°通道從轉鼓端面出油，并且在沉孔內增設溢流擋油板，通過調節(jié)其大小，可以控制油環(huán)的位置及高度。出水通道則與出油通道錯開一定角度、在大端法蘭內軸向出水，并在大端法蘭外端面增設溢流擋水板，通過調節(jié)其大小，來控制水位的高低，大端法蘭內端面增設一隔油板來阻止油相進入出水孔。其中溢流擋水板的大于或者等于溢流擋油板的，用H0～H8 表示5 種狀態(tài)：①H0，溢流擋水板的()等于溢流擋油板的()；②H2，溢流擋水板的比溢流擋油板的大2mm；③H4，溢流擋水板的比溢流擋油板的大4mm；④H6，溢流擋水板的比溢流擋油板的大6mm；⑤H8，溢流擋水板的比溢流擋油板的大8mm。

圖3 三相臥螺離心機大端法蘭結構

如果溢流擋水板的比溢流擋油板的小，則水位還未達到出水孔高度時，水相就會從出油孔排出。

此種新型可調溢流堰板式三相臥螺離心機的主要設計特點在于溢流堰板的靈活多樣及可調節(jié)性。溢流堰位于大端，溢流堰板包括溢流擋油板及擋水板。以溢流擋水板為例，當溢流擋水板往液池的內層（遠離轉鼓壁方向）移動時，水相的流出速度會增加，同時油環(huán)會遷移到外層，水中的含油量增加，出油流速降低。因此，根據進料中油水濃度分布的比例，可以調節(jié)溢流擋油板或擋水板，以控制油環(huán)、水環(huán)和油水界面的位置以及出水口的含油量和出油口的含水量，從而獲得所需要的產品。

1.2 流域模型網格劃分及邊界條件設定

大端法蘭中每個溢流擋板的大小和位置決定了出油和濾清液的純度，從而影響分離效率。由于數值方法主要用于研究離心機內的流場分布規(guī)律，因此在建立流域（物理）模型時，主要考慮轉鼓液池內及大端法蘭內的流體流動。

圖4為出油出水通道及柱段部分螺旋流道網格劃分情況，網格劃分的復雜性和難點在于如何切割出規(guī)則的螺旋流道，從而劃分出六面體結構性網格，網格整體上采用六面體結構網格和四面體非結構網格的混合網格形式，網格總數為4124827 個，單元網格尺寸取為3mm。接著用2.5mm、3.5mm的單元網格尺寸來劃分網格，保持時間步長=0.02s不變，監(jiān)測出水口的含油體積分數，當計算到=300s（基本收斂）時，測得出水口的含油體積分數分別是7.2%、7.8%、8.8%，三者之間差別不大，這說明計算結果和網格大小無關。網格劃分及質量檢查完成之后在Fluent軟件里進行邊界條件設定，入口被定義為速度入口，三個出口（固相出口和溢流油、水出口）定義為outflow（自由出流）。此外，流域被定義為fluid區(qū)域。使用RNG-方程作為湍流模型，并用標準壁面函數法作為近壁處理（Near-Wall Treatment），分離的隱式和SIMPLE方法用于計算。使用Euler-Eulerian多相流模型，其中水相為初始相，油相和固相為二階相，使用Schillernaumann模型作為相間作用力模型。油水固三相均視為不可壓縮流體處理。模擬過程假定流體充滿整個流域（第四相空氣不考慮在內），即自由液面位置與螺旋壁面重合。保持三相臥螺離心機轉鼓轉速為3200r/min，轉鼓和螺旋差轉速為20r/min，進料流率為4.0m/h。數值模擬后得到流場分布情況。

圖4 三相臥螺離心機部分網格劃分情況

1.3 油相和固相濃度分布分析

不同計算時刻油相體積濃度分布情況如圖5所示。應注意，由于第四相空氣的影響沒有考慮在內，因此流體充滿了整個液池。從云圖分布可以看出，初始階段（=40～120s）油相在離心機液池內較少且油位波動比較明顯，隨著時間的推移，液池內油相逐漸增多且油位逐漸趨于穩(wěn)定（=200～300s）。這說明在離心機啟動到正常運轉的過程中，液池內相間分離效果逐漸顯現，油環(huán)和水環(huán)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)并各自從不同的溢流口排出。需要注意的是，擋油板的位置很重要，一般在柱錐交接處，但同時要保證其在進料室所有分料口的右端，這樣就不會有過多的油相越過擋油板向出渣口方向運動。

圖5 不同計算時刻油相體積分數分布云圖

圖6 為不同計算時刻轉鼓壁固相濃度分布情況，大部分固相基本上都沉降在轉鼓內壁上。分離因數和分離時間是分離過程的兩個關鍵因素。在計算初始時刻（=40s），也就是物料剛進入轉鼓液池當中時，在轉鼓柱段和錐段都沉降了大量的泥砂，隨著時間的推移，在螺旋輸送器和轉鼓旋轉雙重擠壓作用下，由螺旋葉片將沉渣逐漸推送至出渣口方向，柱段固相濃度逐漸降低，錐段增多，最后（=300s）柱錐段固相濃度總體上都比較低，沉渣全都在出渣口附近運動，最終從出渣口排出。

圖6 不同計算時刻固相體積分數分布云圖

另外，可以在進料之前對料液進行預絮凝以提高固相回收率。在管線靜態(tài)混合器中，按照一定的濃度比，將添加了流體細尾礦（FFT）的石膏和絮凝劑（A3338TM）等材料混合在一起，然后進入離心機，這將減少能耗和操作重力，并提高固相礦渣捕獲率。

2 三相臥螺離心機油水砂分離實驗系統搭建

2.1 實驗流程分析及實驗平臺搭建

圖7示出了實驗工藝簡易流程圖，首先含油污泥和水砂混合物在進料攪拌罐中加入絮凝劑和凈水劑進行調質，將調制好的物料加熱至80℃左右，攪拌均勻后通過配備了無級可調轉速的螺桿泵進入三相臥螺離心機，分離出的油相和水相回流至攪拌罐，泥砂每隔0.5h人工輸送至輸攪拌罐，用一臺三相動力變頻柜控制三相臥螺離心機的啟停及調速，用另外兩臺較小的電柜控制攪拌罐的加熱和攪拌軸調速以及螺桿泵的啟停和變頻等，整套裝置處于自動控制結合人工控制的動態(tài)循環(huán)過程中。三相臥螺離心機進料流量安裝一渦輪流量計來測量，離心機出油和出水流量分別采用橢圓齒輪流量計和電磁流量計來測量。

圖7 實驗工藝流程

為了使設備平穩(wěn)安全運行，搭建實驗平臺須合理到位。如圖8所示，首先，根據所有設備所占面積及實驗場地環(huán)境設計好實驗平臺。其次，平整地面且打好地基，用挖掘機清理砂土及雜物，之后用車輛排土，接著鋪毛石、支模板、預置鋼筋，配制C25 混凝土澆筑水泥地面用來放置攪拌罐、螺桿泵、儲水池、電控柜、管道支架、電纜電線等設備。與此同時，澆筑兩個基座、撤模板，待兩個基座及地面完全凝固結實之后（一般需兩周）將設計和加工好的三相臥螺離心機（重約3t）用大型吊車吊裝至兩個基座上，然后搭建一個尼龍布料帳篷用來防雨水，之后采用焊接及法蘭連接方式連接各進出料管線和流量計等，最后安裝整套三相動力電源來控制三相臥螺離心機系統的運行。

圖8 三相臥螺離心機實驗系統平臺搭建

2.2 實驗裝置搭建及實驗過程分析

圖9示出了油水砂三相分離實驗裝置圖。實驗過程分以下步驟進行。

圖9 三相臥螺離心機油水砂三相分離實驗裝置

（1）料液調制準備工作及攪拌罐調試運行。實驗用的物料為原油（來自含油污泥）、自來水及石英砂按照一定的體積分數比（約為2∶7∶1）進行配制，絮凝劑和凈水劑分別用聚丙酰胺和聚合氯化鋁按照1∶100 的比例配制，待攪拌罐料液溫度升至80℃以后再加絮凝劑和凈水劑，絮凝劑和凈水劑用量分別約為150g 和15kg。加熱過程中隨時啟動攪拌軸對物料邊加熱的同時邊攪拌，每次攪拌不少于10min，確保物料進入三相離心機前黏度降低并充分混合均勻。

（2）三相臥螺離心機空載運行調試。關閉進料閥門（與攪拌罐出料口連接的蝶閥），不啟動螺桿泵，開啟三相臥螺離心機主副變頻器運行（Run）按鈕，將主副變頻器頻率設定在較低值，然后同時逐漸加速使離心機轉鼓和螺旋達到較高轉速。

（3）三相臥螺離心機清液預熱狀態(tài)測試及螺桿泵調試。主副變頻器頻率設定在較低值，用軟管將螺桿泵進料直接與清水罐（熱水）連接，關閉攪拌罐回油回水閥門，開啟采樣閥及準備好出砂小車（接清水），然后啟動螺桿泵，轉動螺桿泵無級變速機手輪逐漸調速并觀察流量變化，最后再逐漸調節(jié)離心機轉鼓轉速觀察各流量及壓力變化。

（4）三相臥螺離心機油水砂分離狀態(tài)測試。關閉螺桿泵，降低轉鼓轉速使得離心機內清液逐漸排出設備，直到各采樣口及出渣口不再出水，然后將螺桿泵進料與攪拌罐出料連接，關閉采樣閥門同時開啟回油回水管道閥門，開啟進料閥門，啟動離心機和螺桿泵，然后調節(jié)主副變頻器逐漸使轉鼓加速，打開攪拌罐人孔，等待觀察回油回水及排渣狀態(tài)變化。

（5）測試轉鼓轉速對分離效率的影響并記錄數據。按照設計的轉鼓轉速變化值逐漸調節(jié)轉速，測試并記錄每個轉鼓轉速下的進料、出油及出水流量和壓力值及各電壓電流表讀數。此外，在每種轉鼓轉速狀態(tài)下，對離心機進料、回油、回水及排渣進行采樣及分類編號，為之后的濃度測量及分離效率計算等工作做好鋪墊。

（6）測試處理量（進料流量）對分離效率的影響并記錄數據。同步驟三首先清洗離心機，然后啟動離心機使其處于一恒定轉速，調節(jié)螺桿泵轉速以改變進料流量，類似步驟（5）進行操作并采樣和記錄數據。

圖10 示出了油水砂三相分離實驗過程及結果圖片。實驗過程中三相臥螺離心機系統整體運行平穩(wěn)，從攪拌罐中回油和回水情況來看，回油較純，回水較清。離心機出渣口排渣也較為干燥，三相分離效果總體上較好，達到預期。

圖10 三相臥螺離心機油水砂分離實驗過程及結果

3 操作參數對分離性能影響

3.1 實驗測量方法

采用固相回收率（分離液除砂效率）、油相回收率（除油效率）、油在濾餅中的損失以及油在水中的損失等分離效率來評估油水砂三相分離性能，這涉及對三相分離實驗樣品中含砂濃度及含油濃度等的測量及計算。實驗樣品含油濃度測量采取的方法為紫外分光光度法，相比于其他方法，其有著測試靈敏度高、快速準確的優(yōu)點。在定量測量方面，對于結構較復雜的混合物及化合物各組分含量，Lambda750S 型分光光度計測定比較精確。測量原理為：用石油醚（30～60℃及60～90℃）萃取設備各進出口采樣樣品，用紫外/可見/近紅外分光光度計Lambda750S 分別測定萃取溶液在波長254nm處的吸光值，然后依據所制定的標準曲線計算出設備各進出口的含油濃度。吸光值的大小與測量混合物中原油的濃度大小成正比。

具體測量方法是：將系列標準溶液依次放入紫外分光光度計吸收池，以脫芳烴后的60～90℃石油醚為參比溶液，使用10mm標準石英比色皿，分別掃描測定在254nm處的吸光度，查看光譜圖導出的Excel 表格，可以查詢到在254nm 處的紫外吸光度，以標準溶液濃度為橫坐標、不同濃度下的吸光度為縱坐標，由此可以繪制出不同濃度下的標準曲線。配制的系列標準溶液及繪制的標準曲線如圖11(a)和(b)所示。

圖11 標準溶液配制及標準曲線繪制圖

將樣品萃取液依次放入紫外分光光度計吸收池，以脫芳烴后的60～90℃石油醚為參比溶液，使用1cm標準石英比色皿，分別掃描測定在254nm處的吸光度，根據吸光度值，查詢繪制的標準曲線，得出相應的濃度值。

根據式(3)可以計算樣品中油的濃度。

實驗樣品含水含砂濃度測定通過電熱恒溫鼓風干燥箱加熱法來進行，設定溫度值為110℃，烘干至無氣泡產生（約3h），冷卻至室溫后取出樣品，擦去三角瓶表面殘留的水分，用精密電子天平稱量烘干后的三角瓶質量，三角瓶前后質量差即為樣品含水質量濃度。烘干后的三角瓶質量減去空的三角瓶質量即為樣品含砂質量濃度。

3.2 轉鼓轉速對分離效率的影響

如表2及圖12所示，保持處理量和進料料液密度及濃度等的不變，隨著轉鼓轉速的增大，出砂含固濃度緩慢增大，出油、出水以及出砂流率也逐漸增大，固相回收率也呈現增大的趨勢。轉鼓轉速增大，切向速度隨之增大，表征分離效果的分離因數增大，固體顆粒沉降速度增大，更多的固相向液池外層遷移，干燥段以及排砂孔出砂固相體積分數增大，出砂含固增多、含水和含油減少，從而使得固相回收率提高。同時，轉鼓轉速增大也會使得流體軸向速度增大，即使增大的梯度不是那么明顯，但也會導致液體及固相出流速度增大，出砂質量流率增大，這樣也會使固相回收率提高。轉鼓轉速在3400r/min 時，固相回收率達到83%左右。但是轉速不宜過高，否則會出現反混現象，不但對分離效果不利，反而會造成不必要能源上的損失，也會使得轉鼓及螺旋扭矩增大，螺旋輸送器負荷增加，沉渣對轉鼓的磨損加劇，設備運行安全性及穩(wěn)定性下降，甚至使得離心機故障率上升、使用壽命降低。

表2 改變轉鼓轉速實驗數據測量及各濃度計算數據表

圖12 轉鼓轉速對分離效率的影響

隨著轉鼓轉速的增大，出油體積流率增大，出油含油濃度逐漸增大，油相回收率也呈現逐漸升高的趨勢。油水分離時在轉鼓液池內形成油層，其含油濃度會隨著轉鼓旋轉速度的增大而增大。轉速增大使得分離因數增大，油水界面張力降低，當其增大到一定程度時，油水界面膜黏度下降，界面被破壞，更多的油滴則會拜托水相的束縛從水層當中分離開來，逐漸聚集形成油層，更多的油相向液池內層遷移，油層厚度逐漸增大，出油口含油增多，出油流率增大，出油含水和含砂減少，從而使得油相回收率增大。但是轉鼓轉速不宜過高，否則流體之間剪切力會增加，湍流流動也會加劇，使得油水分離效率反而下降。

油相的損失主要分為油在水（濾清液）中的損失和在濾餅（底渣）中的損失。其中油在水中的損失主要是由于部分油滴顆粒沒有擺脫油水界面張力的束縛，繼續(xù)聚集在水相中以油包水或水包油的形式從溢流排水孔排出，造成油在水中有一定程度的殘留。在三相分離之前，固體顆粒表面親油特征使得油相吸附于其表面和孔隙中。離心分離沉降過程中，由于固體顆粒和油滴密度不同，在離心力的作用下，固體顆粒表面或者孔隙中的油滴會上浮，乳化水則會聚合形成自由水并進入到砂相中，從而更大密度的水相代替油相，進而使油水砂三相分離開來。而油在濾餅中的損失主要是由于固體顆粒層（底渣層）大多由于被離心力壓緊形成致密的渣顆粒，而一部分油或水未能擺脫油渣黏附力則吸附于致密層中，油滴隨著固相一并從出渣口排出，造成油在濾餅中會有一定程度的損失。隨著轉鼓轉速的增大，出渣含油濃度總體逐漸降低，油在濾餅中的損失整體上保持在較低水平。出水含油濃度總體逐漸呈現下降的趨勢，油在水中的損失也整體上保持在較低水平。這說明在允許的額定轉速范圍內，轉鼓轉速的增大會使得油相分離效率上升，油的損失會減小，對回收原油等有利。

出砂含固實驗值總體上較模擬值低，究其原因主要是實驗時轉鼓與螺旋葉片之間的間隙較模擬時小，這是因為模擬時便于網格的劃分，實驗過程中機器也會存在振動及微量變形等，使得條件并不是在理想狀態(tài)下，模擬時假設設備沒有振動等其他任何因素的干擾，是在較理想的條件下進行。另外，實驗分離出的沉渣一部分沉降在離心機轉鼓內壁上未被螺旋葉片完全刮干凈，另一部分沉渣則在離心機殼體上黏附，導致出渣含固率降低。此外在模擬過程中，流域模型的建立、邊界條件的設置及計算等也會產生誤差。

出油含油濃度實驗值總體上較模擬值低，主要原因是在數值模擬過程中，假設料液進入離心機后是整體獲得離心加速度，初始分離過程較現場實驗分離過程更為迅速，進入穩(wěn)態(tài)分離階段分散相油滴顆粒沉降時間較長，在現場實驗中，待分離的料液軸向速度較大，部分油滴顆粒沒有完全沉降就隨濾清液排出，從而使得出油含油濃度會較模擬值低。另一方面，實驗過程中采用的油相物料來源為含油污泥中的原油，含油污泥黏性較高且含大量苯酚類等化學物質，并且出油會產生一定的浮渣，而模擬過程使用的是純燃料油，黏性較低更容易沉降分離，并且實驗過程中出油質量流率主要是由橢圓齒輪流量計測量得到的，測量會產生一定的誤差，另外在模擬過程中，流域模型的建立、邊界條件的設置以及計算等也會產生誤差。這些因素導致了出油含油濃度實驗值較模擬值總體上低。

出渣含油總體上較低且變化幅度不大，其實驗值較模擬值稍低，究其原因主要是在出砂樣品的萃取過程中萃取液洗滌沉渣時未完全洗滌干凈所致。出水含油質量濃度實驗值較模擬值有一定的偏差，究其原因主要是出水含油質量分數在實驗萃取及測量計算過程中導致的誤差所致。另外在模擬過程中，流域模型的建立、邊界條件的設置以及計算等也會產生誤差，使得出渣含油及出水含油實驗值與模擬值存在一定的偏差。

3.3 處理量對分離效率的影響

對于臥螺離心機來說，其處理量是指單位時間進入到離心機轉鼓液池內的進料流量。它是衡量臥螺離心機生產能力的重要指標，在滿足料液分離要求前提下，臥螺離心機的最大進料量可以視為適宜處理量。固體顆粒的離心沉降速度以及脫水速度是決定處理量的關鍵因素，進料濃度也對處理量有著一定影響。進料濃度低、給料量小、分離效果好，但是會造成生產效率的下降，給料量大造成分離效率下降，無法達到分離要求，同時螺旋輸送器扭矩也會增大，甚至導致離心機出現故障不能工作。臥螺離心機處于正常工作時，進料流率增大，顆粒彼此之間于轉鼓錐段就會有更多的接觸機會，這樣會使得螺旋輸送器和錐段轉鼓對固渣顆粒共同擠壓脫水，增強了雙向擠壓作用，出砂口固相顆粒的含水率會降低。進料流率的增大雖然使得固相顆粒接觸機會增加，但是轉鼓錐段處過高濃度的固相顆粒會使得離心機不能處于穩(wěn)態(tài)正常工作狀態(tài)下，因此存在一個能使得離心機正常穩(wěn)定運行的最大處理能力。

在保持其他物性參數及操作參數不變的情況下，通過調節(jié)無級變速器來改變螺桿泵轉速，從而改變處理量。如圖13 所示，實驗表明，隨著處理量的增大，油相回收率和固相回收率均呈現降低的趨勢，而油在濾餅中的損失及油在水中的損失逐漸增大。當處理量為3m/h 時，油相回收率達到65%左右，固相回收率達到68%左右。處理量較低時，液池內液相含量較多，固體顆粒含水量高，絮凝劑與固體顆粒接觸表面積增大、絮凝效果較為理想，固相容易被分離排出，因此固相回收率較高。隨著處理量的增大，離心機轉鼓液池內固相的相對含量會增加，此時固體顆粒密實度提高，含水率下降，絮凝劑絮凝效果不充分不理想，導致濾清液含固量增大，固相回收率下降。而且隨著處理量的增大，物料在離心機液池中的停留時間減小，更多的固渣來不及沉降分離，就會隨著濾清液或油滴流動到溢流出水口或者出油口排出，使得固相回收率下降，同時過高的處理量使得進料料液也會對已分離的物料加速擾動，濾清液含固率也會增大，固相回收率隨之降低。另外，處理量增大，離心機轉鼓壁面上的沉渣層厚度增大，但是沉渣層表面的顆粒較為松散，很容易被流體沖刷帶走而造成固相分離效率的下降。處理量增大，固相顆粒濃度增大，固相顆粒與油滴顆粒接觸機會增大，油滴黏附于固相顆粒表面或者滲透于固體沉渣層內，更多的油相被固渣包圍一并流動到出渣口或者隨濾清液流動到出水口，從而造成油相回收率的下降，油在濾餅中和水中的損失增大。此外，處理量增大，也會使轉鼓內已經沉降聚集的油滴與進料物料發(fā)生再次混合，使得油水分離效果變差，降低油相分離效率。

圖13 處理量對分離效率的影響

4 結論

（1）在不考慮第四相空氣的影響情況下，流體充滿整個液池。在離心機啟動到正常運轉的過程中，液池內相間分離效果逐漸顯現，油環(huán)和水環(huán)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)并各自從不同的溢流口排出。大部分固相基本上都沉降在轉鼓內壁上，隨著時間的推移，在螺旋輸送器和轉鼓旋轉雙重擠壓作用下，由螺旋葉片將沉渣逐漸推送至出渣口方向，柱段固相濃度逐漸降低，錐段增多，最后沉渣全都在出渣口附近運動，最終從出渣口排出。

（2）實驗表明，轉速增大，出砂含固濃度增大，固相回收率也呈現增大的趨勢。轉鼓轉速在3400r/min 時，固相回收率達到83%左右。隨著轉鼓轉速的增大，出油含油濃度逐漸增大，油相回收率也呈現逐漸升高的趨勢，油在濾餅及水中的損失整體上保持在較低水平。出砂含固濃度及出油含油濃度實驗值總體上較模擬值低，出渣含油總體上較低且變化幅度不大，其實驗值較模擬值稍低，出水含油質量濃度實驗值較模擬值有一定的偏差。

（3）隨著處理量的增大，油相回收率和固相回收率均呈現降低的趨勢，而油在濾餅中的損失及水中的損失逐漸增大。當處理量為3m/h 時，油相回收率達到65%左右，固相回收率達到68%左右。處理量增大，絮凝劑絮凝效果不充分不理想，導致濾清液含固量增大，而且物料在離心機液池中的停留時間減小，更多的固渣來不及沉降分離，使得固相回收率下降。處理量增大，會使轉鼓內已經沉降聚集的油滴與進料物料發(fā)生再次混合，使得油水分離效果變差，降低油相分離效率。

當時我認為自己是以電影為主的，說只有臺灣有戲里需要的布景，我們很適合去那里拍?，F在想來，其實也是有私心想去找鄧麗君。

—— 萃取液中油的濃度，mg/L

—— 重力加速度，m/s

—— 樣品的質量，mg

—— 樣品中油的質量分數，%

—— 平衡線（油水界面）處壓力，MPa

—— 任意徑向位置處壓力，MPa

—— 任意徑向位置，mm

—— 平衡線處徑向位置，mm

—— 自由液面徑向位置（油環(huán)內半徑），mm

—— 水相出口內半徑，mm

—— 萃取液體積，L

—— 轉鼓轉動角速度，r/s

—— 流體密度，kg/m

—— 油相密度，kg/m

—— 水相密度，kg/m

Σ—— 離心機當量沉降面積，cm