新型液-液分离水力旋流器

摘要

本发明涉及液‑液分离的技术领域，公开了一种新型液‑液分离水力旋流器，包括：圆柱形的入口室，所述入口室的顶部与底部均为开口；第一收缩腔，所述第一收缩腔的顶部与底部均为开口，所述第一收缩腔固定安装在所述入口室的底部；第二收缩腔，所述第二收缩腔的顶部与底部均为开口，所述第二收缩腔固定安装在所述第一收缩腔的底部；第一旋流腔，所述第一旋流腔的顶部与底部均为开口，所述第一旋流腔固定安装在所述第二收缩腔的底部。本发明提供的新型液‑液分离水力旋流器具有可在不降低分离效率的前提下可大幅降低入口油水混合流体的工况要求，同时提高了对微小型液滴的分离效率的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及液-液混合液分离的技术领域，尤其涉及一种用于油水分离的旋 流器。适用于，但不限于油水混合液的分离，这种油水混合液可以来自油田生 产水或者煤化工排放的含油污水等场合。

背景技术

在国家倡导环保和绿色发展的背景下，对油田生产水以及煤化工含油污水的 排放要求逐步提高，需要高效经济的分离装置对产出的含油污水进行处理，一 方面使得水排放达到国家标准，另一方面回收油品产生经济效益。

现有的液-液水力旋流器对入口流体工况有严苛的要求，用一个综合性的参 数来体现即表现为要求入口流体雷诺数很高，同时对微小油滴(小于20微米) 的分离效率不理想，这两点极大的限制了液-液旋流器的应用和发展。

因此，有必要提供一种新的新型液-液分离水力旋流器解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可在不降低分离效率的前提下可大幅降 低入口油水混合流体的工况要求，同时提高了对微小型液滴的分离效率的新型 液-液分离水力旋流器。

为解决上述技术问题，本发明提供的新型液-液分离水力旋流器包括：圆柱 形的入口室，所述入口室的顶部与底部均为开口；第一收缩腔，所述第一收缩 腔的顶部与底部均为开口，所述第一收缩腔固定安装在所述入口室的底部；第 二收缩腔，所述第二收缩腔的顶部与底部均为开口，所述第二收缩腔固定安装 在所述第一收缩腔的底部；第一旋流腔，所述第一旋流腔的顶部与底部均为开 口，所述第一旋流腔固定安装在所述第二收缩腔的底部；圆柱腔，所述圆柱腔 的顶部与底部均为开口，所述圆柱腔固定安装在所述第一旋流腔的底部；第二 旋流腔，所述第二旋流腔的顶部与底部均为开口，所述第二旋流腔固定安装在 所述圆柱腔的底部；尾管，所述第二旋流腔的顶部与底部均为开口，所述尾管 固定安装在所述第二旋流腔的底部。

优选的，所述入口室的顶部固定安装有顶部封盖，所述顶部封盖上固定安装 有上溢流管，所述上溢流管的底端延伸至所述入口室内。

优选的，所述尾管的底部固定安装有底部封盖，所述底部封盖，所述底部封 盖上固定安装有下溢流管，所述下溢流管的顶端延伸至所述第二旋流腔内。

优选的，所述入口室的外壁上固定安装有第一进液通道和第二进液通道，所 述第一进液通道和第二进液通道呈旋转对称分布，且所述第一进液通道和第二 进液通道均与所述入口室相连通。

优选的，所述尾管的外壁上对称开设有第一底流口和第二底流口，所述第一 底流口和第二底流口均为矩形。

优选的，所述第一收缩腔、第二收缩腔、第一旋流腔和第二旋流腔由上至下 均呈锥形收缩。

与相关技术相比较，本发明提供的新型液-液分离水力旋流器具有如下有益 效果：

本发明选定最优参数后通过布置上下两根溢流管，达到分离效率互补平衡的 目的，进口流体工况不同，上下溢流管分离效率不同，但两者总的分离效率基 本稳定；并且下溢流口更易于分离微小直径的油滴，实现在分离效率基本稳定 的前提下大幅降低对入口油水混合流体的雷诺数，同时提高了对微小型油滴的 分离效率。

附图说明

图1：图1a为本发明液-液水力旋流器的整体结构示意图，图1b～e为局部 结构示意图；

图2为本发明液-液水力旋流器的在工作状态下的三维示意图；

图3为本发明液-液水力旋流器的速度剖面图，||<

图4为本发明液-液水力旋流器在不同进料雷诺数下的归一化切向速度曲线， z代表所取位置与入口室1上端面的轴向距离，R为所取位置的截面最大半径， r为截面上任意一点到截面中心的距离，

图5为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的归一化切向速度等高 轮廓图；

图6为本发明液-液水力旋流器在不同进料雷诺数下的归一化轴向速度曲线， 为轴向流速，正负幅值分别代表逆向(向上)和顺向(向下)流，曲线和 雷诺数对应关系为：-··-Re

图7为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的归一化轴向速度等高 轮廓图；

图8为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的逆流芯归一化轴向速 度等高轮廓图；

图9为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的归一化静压曲线，曲 线和雷诺数对应关系为：-··-Re

图10为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的上下溢流管分离效率 曲线，G

图11为本发明液-液水力旋流器在不同进液雷诺数下的总分离效率曲线， G

图中标号：1、入口室；2、第一收缩腔；3、第二收缩腔；4、第一旋流腔； 5、圆柱腔；6、第二旋流腔；9、第一进液通道；10、第二进液通道；11、上 溢流管；12、顶部封盖；13、下溢流管；14、尾管；15、底部封盖；16、第一 底流口；17、第二底流口。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1a所示，本发明液-液水力旋流器包括：圆柱形的入口室1，所述入口 室1的顶部与底部均为开口；第一收缩腔2，所述第一收缩腔2的顶部与底部 均为开口，所述第一收缩腔2固定安装在所述入口室1的底部；第二收缩腔3， 所述第二收缩腔3的顶部与底部均为开口，所述第二收缩腔3固定安装在所述 第一收缩腔2的底部；第一旋流腔4，所述第一旋流腔4的顶部与底部均为开 口，所述第一旋流腔4固定安装在所述第二收缩腔3的底部；圆柱腔5，所述 圆柱腔5的顶部与底部均为开口，所述圆柱腔5固定安装在所述第一旋流腔4 的底部；第二旋流腔6，所述第二旋流腔6的顶部与底部均为开口，所述第二 旋流腔6固定安装在所述圆柱腔5的底部；尾管14，所述第二旋流腔6的顶部 与底部均为开口，所述尾管14固定安装在所述第二旋流腔6的底部。

所述入口室1的顶部固定安装有顶部封盖12，所述顶部封盖12上固定安装 有上溢流管11，所述上溢流管11的底端延伸至所述入口室1内。

所述尾管14的底部固定安装有底部封盖15，所述底部封盖15，所述底部 封盖15上固定安装有下溢流管13，所述下溢流管13的顶端延伸至所述第二旋 流腔6内。

所述入口室1的外壁上固定安装有第一进液通道9和第二进液通道10，所 述第一进液通道9和第二进液通道10呈旋转对称分布，且所述第一进液通道9 和第二进液通道10均与所述入口室1相连通。

所述尾管14的外壁上对称开设有第一底流口16和第二底流口17，所述第 一底流口16和第二底流口17均为矩形。

所述第一收缩腔2、第二收缩腔3、第一旋流腔4和第二旋流腔6由上至下 均呈锥形收缩。

新型液-液水力旋流器包括两个分离区域：SZ1和SZ2。第一分离区SZ1包 括上溢流管11、入口室1、第一收缩腔2和第二收缩腔3、第一旋流腔4和圆 柱腔5；第二分离区SZ2包括第二旋流腔6、尾管14和下溢流管13。上述所 有组件依次同轴相连。入口室1的直径和长度分别为D和Li。

直径为Do1上溢流管11与入口室1相连，插入深度为Lv1。入口室1 顶边缘设置第一进液通道9和第二进液通道10并切线连接(如图1b所 示)，进液通道的横截面是具有相同水力直径D

本实施例中：

如图2所示，油水混合液从进液通道切向流入入口室1内产生强烈的涡旋 运动。油的密度约880kg/m

为了进一步分析和阐明本发明旋流器的工作原理，对几组具有代表性的油 水混合流体进行流场模拟，具体入口流体参数条件如下表7.2所示：

雷诺数是一个综合性的参数，能够较好的反映入口流体的工况特征，因此 选用进液雷诺数作为关键变量指标。

如图3所示为新型水力旋流器的速度剖面图，显示了不同雷诺数的轴向和 水平叠加速度流线。少量流体从进液通道直接流入溢流口，形成少量不利的短 循环。雷诺数比较低的情况时(ReF＝11440)，靠近壁面的流体由于收缩腔导 致流道变窄流向旋流中心，并在第一旋流腔4中产生逆流芯。随着入口流体雷 诺数的升高，出现近壁流体向中心移动的位置在向旋流器下游迁移，出现的逆 流核心更清晰。

如图4所示为不同进料雷诺数下的归一化切向速度曲线。切向速度随着雷 诺数的增加而增加，旋流器腔室中产生旋流强度也随之增加。第一旋流腔4(约 z/D＝2到z/D＝5)内切向速度保持在很高的水平，旋流切向速度峰值出现在 r/R＝0.15附近然后基本稳定，到达外层r/R＝0.65之后逐渐下降；同时整个旋 流器内切向速度U

如图5所示为不同进液雷诺数的归一化切向速度等高轮廓图，显示了整个 旋流的切向速度情况。第一收缩腔2和第二收缩腔3和第一旋流腔4中，切向 速度没有明显降低，反映出锥形收缩腔和旋流腔的加速运动和摩擦损失平衡得 很好，到圆柱腔5(约5＜z/D＜10)中，切向速度由于流体和壁面摩擦而略有 减小。在第二旋流腔6中由于锥形壁的加速作用，切向速度再次增加，第二旋 流腔6的较小半径可以提供很高的离心率力g，对微小型液滴分离效果显著。

如图6所示是不同进料雷诺数下的归一化轴向速度曲线，正负幅值分别代 表逆向(向上)和顺向(向下)流。靠近壁面的轴向流速随着与入口室1顶部 的轴向距离增加而增加；在旋流腔末端z/D＝5位置，Re

如图7所示是不同进液雷诺数的归一化轴向速度等高轮廓图，显示了整个 旋流的轴向速度情况。对于Re

如图9所示为不同进料雷诺数下的归一化静压曲线，显示出旋流器内四个 不同位置静压情况。静压力从侧壁向水力旋流器的中心逐渐减小，另一方面旋 流中心静压力随着雷诺数的增加而降低，反映出进料雷诺数更高(流速越快)， 在水力旋流器中产生的离心力g更大，从而降低了中心压力；这证明出前面所 分析的圆柱腔5内摩擦导致旋流运动减缓，中心压力升高，产生逆向压力梯度， 进而产生逆流芯原理的正确性。

根据上述分析，设置上下溢流管以及溢流管的直径和插入深度对溢流出口 的压力降和分离效果有非常关键的影响；整个水力旋流器部件的设置和尺寸参 数的选定都关系着旋流场的产生速度、维持范围、压力梯度进而紧密联系着在 不同进口流体雷诺数下的分离效率，通过反复的模拟和实验，综合考虑压力降 和分离效果选定表1中的尺寸参数。

采用多相流模拟得出进料雷诺数对水力旋流器分离效率的影响，如图10所 示，其中G

新型旋流器总分离效率G

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运 用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。