原标题：【2021年第4期】三相卧螺离心机规划剖析及结构参数对别离作用的影响

  摘 要首要提出了用于油水砂别离的三相螺旋沉降式离心机两种结构模型。经过CFD数值核算发现，带有轴向管法兰的三相卧螺离心机结构模型存在必定的缺点，即管法兰上有堵砂的状况呈现且别离功率较低。经过改善规划，可调溢流挡板的三相卧螺离心机结构模型是可取的。该模型有较高的油相收回率，且固相也相对较枯燥，适用于油水固三相别离。该模型还具有水与油砂别离、油水与砂别离或油与水砂别离等几种不同的排液办法。对此三相卧螺离心机加工制作，树立试验渠道，经过试验研讨发现，此种结构的三相卧螺离心机对油相的别离功率较高，挡板圆弧中心到转鼓中心轴的间隔对别离功率有着不同的影响。

  要害词卧螺离心机；三相别离；离心别离；多相流；核算流体力学；数值模仿；别离功率

  在原油等石油产品的挖掘、运送和精粹中，一些油或许被固体和液体污染物如沉积物和水污染 [1] 。例如含油污泥是一种油性固体废物，收回其间的油品具有严重价值含义 [2] 。一般，石油产品中过量的任何污染物发生不行用的终究产品。并且，污染的石油产品或许很难以环境安全的办法处理 [3-4] 。

  沉积物和水是原油出产中发生的首要不需求的副产物。一切石油产品都含有一些沉淀物和水，在不同的乳化状况下具有不同份额的油、水和固体 [5] 。在一切状况下，过量的沉淀物和水发生的产品是不行出售的、不行用的和非一次性的。

  为了运用这种休眠的油/水乳液，必须将沉积物和水的水平下降到可接受的水平。国内外首要经过萃取别离、淬火、高温回火-机械脱水、热脱赞同生物处理等办法来处理然后收回油 [6-7] 。可是不同的油田及炼油炼化企业需求处理的油品成分杂乱，含油浓度不尽相同，需求根据进料浓度精确运用和调理设备的油水固三相界面 [8] 。针对现在国内外机械离心脱水傍边运用的三相卧螺离心机存在的不能精确调理油水界面的缺点，本文提出了一种有针对性的三相卧螺离心机 [9-10] 。

  本文提出的沉降式三相离心机，能够处理现在三相卧螺离心机运用进程中存在的料液性质杂乱浓度大不相同，别离产品达不到环保及收回要求，别离后水相存在絮状物等问题 [11-13] ，特别适用于从不同性质和浓度的石油产品中机械地别离比如沉积物和水的污染物。此离心机适用于处理各种污染产品，包括轻油、重油和化学污染的油 [14] 。它在油田出产操作中具有特别运用，能够处理很多受污染的原油以出产可出售的石油产品 [15-17] 。本文提出的设备还可用于各种油/水乳液的精制和处理，例如来自制作或运送操作的废油、重型取芯油、各种沥青油混合物和水淹油撇油 [18] 。

  在两相卧螺离心机的理论、数值仿真及模仿研讨方面，黄建龙等 [19] 、毛文贵 [20] 别离对螺旋旋转、组织运动仿真，虚拟样机和仿真进行了研讨。朱桂华等 [21] 、郑胜飞等 [22] 、于萍等 [23] 运用 FLUENT软件对卧螺离心机流场规则以及固体颗粒运动状况进行了仿线] 对大型卧螺离心机进行了流固耦合状况下的数值模仿及试验研讨。

  25-26] ，而在理论研讨、数值模仿核算或是试验研讨方面很少。肖泽仪等 [27] 对处理含油废水的三相卧螺离心机进行了数值模仿。Leone等 [28] 将一种称之为“Eureka”的用于专门出产提取橄榄油的新式卧螺离心机进行了操作参数等的模仿研讨。

  如图1所示，传统式油水砂别离三相卧螺离心机的要害规划是在转鼓大端法兰外衔接有一块大环形分液板以及与出油口适当数量的管法兰，分液板经过螺钉和管法兰与大端法兰衔接，这样确保了别离出的油相和水相流向各自的搜集管道。别的，在卧螺离心机螺旋芯管沿轴向设置有12块竖板，一起在大端转鼓壁上设置有一溢流堰板，然后缩短液滴（油滴）沉降间隔，增大沉降时刻，使油滴和液体水沿着各自的路径向各自的出口方向运动，提高了油相的除水及除渣作用以及水相的弄清率和固相的干度。

  对传统式三相卧螺离心机树立三维流域模型以及经过Gambit网格区分（在此不再论述）和Fluent边界条件设定，进口被界说为速度进口，三个出口（固相出口和溢流油、水出口）界说为outflow（自在出流）。此外，流域被界说为fluid区域。运用RNG k - ε 方程作为湍流模型，并用规范壁面函数法作近壁处理（near-wall treatment），别离的隐式和SIMPLE办法用于核算。运用欧拉-欧拉模型傍边的Mixture多相流模型 [

  29] ，其间水相为初始相，油相和固相为二阶相。油水固三相均视为不行紧缩流体处理。模仿进程假定流体充溢整个流域（第四相空气不考虑在内），即自在液面方位与螺旋壁面重合。坚持三相卧螺离心机转鼓转速为3200 r/min，转鼓和螺旋差转速为20 r/min，进料流率为4.0 m 3 /h。数值模仿核算后得到流场散布状况。在这里首要调查和研讨油相和固相的浓度散布状况及别离功率。

  图4为改善式三相卧螺离心机结构模型及流域模型，首要包括柱锥段转鼓、螺旋运送器、BD-油挡板、大端法兰和小端法兰等，针对传统式结构模型规划缺点和缺乏，改善式结构模型要害规划是在大端法兰内设置有径向出油通道和轴向出水通道，并设置有五组可调溢流挡板（包括溢流挡水板和溢流挡油板等），用来操控出水和出油浓度以及用于三相别离不同的排液办法。改善式三相卧螺离心机转鼓直径为360 mm，转鼓长径比为4.5∶1，螺旋运送器柱段内径为200 mm。螺旋柱段螺距为70 mm，锥段螺距为70~50 mm。作业原理为：料液从右端小端法兰内的进料管进入，经过布料室进入到离心机转鼓液池中，在强壮的离心作用下，油水砂三相因密度不同而在液池中由内到外依次是油相、水相和固相，油相和水相经过左端大端法兰时，因为遭到各组溢流挡板的导流影响，从出油通道和出水通道别离排出，固相则在螺旋运送器和转鼓转速差的作用下，由螺旋叶片推送至小端出渣口排出 [

  对改善式三相卧螺离心机流域模型进行六面体和四面体混合网格区分以及网格质量检查，网格总数为4124827个。如图5所示，发现EquiSize Skew（网格歪斜度）0~0.1之间的网格总数占87.67%，0.6~1之间的网格只占0.64%，阐明网格区分质量较好，到达核算要求。单元网格尺度为3 mm，之后别离用2.5 mm和3.5 mm的单元网格尺度区分网格，时刻步长取为 t =0.02 s不变，核算进程中取出水口的含油体积分数为一监测值，得到 t =300 s（挨近收敛）时出水口含油体积分数别离为7.2%、7.8%、8.8%，三者之间相差不大，阐明核算成果与网格巨细无关。

  32] 。如图8所示，溢流挡油板的巨细是能够改动的。挡油板的 R 弧 （ R 油 ）增大（往转鼓壁方向），则出油更快，油环深度变浅，水环向内（往中心轴方向）搬迁导致出油含水增多，而一起油环外层（油水分界面）向内搬迁，出水含油量会下降。在调理进程中，溢流挡水板（出水孔外侧）的 R 弧 （ R 水 ）比溢流挡油板的 R 弧 大0~8 mm。

  出油孔和出水孔交换之后，出水口出油，出油口则出水。如图9所示，去掉原模型出水孔法兰内侧挡板，在新模型出水孔法兰内侧加一组额定阻油板，新的出水挡板 R 弧 （ R 水 ）也要大于出油挡板 R 弧 （ R 油 ）0~8 mm。根据进料含油量的多少调理此阻油板的 R 弧 （进料含油多则往外调）。

  （1）油水与砂的别离。一种景象如图10(a)所示，将出油孔全堵死，油相和水相从大端排水孔排出而固相从排渣口排出，去掉出水孔法兰内侧阻油板，调理溢流挡水板即可完成。别的一种景象如图10(b)所示，堵死原模型一切出水孔，则大端出油口流出的便是油水混合物，固相从排渣口排出，需求留意的是，新模型溢流挡油板的 R 弧 （ R 油 ）要大于出渣口距中心轴内半径（ R 砂 ），这样才干完成此方针。

  (3)油与水砂的别离。水和砂一起从小端出砂口排出，而油相从大端出油口排出，如图12(a)所示，将出水孔堵死，调理新模型溢流堰板即可完成。别的一种景象如图12(b)所示，堵死原模型出油孔，去掉原出水孔法兰内侧挡板，原模型出水孔则为新模型出油的景象。以上这两种状况都需求留意的是，假如溢流挡油板的 R 弧 （ R 油 ）大于出渣口距中心轴内半径（ R 砂 ），则从出油口流出的是油水混合物，水相不或许从出渣口流出，因而，规划时需求将溢流挡油板的 R 弧 调理成小于出渣口内径2~5 mm。

  改善式三相卧螺离心机三相别离不同排液办法的特色在出产实践傍边能够有用运用。例如当所需求的产品愈加侧重于滤清液（水相）的弄清时，三相别离能够变为水与油砂的别离，这样对出水的弄清有利，而油砂的混合物能够考虑运用动态旋流除砂等技能来别离。当所需求的产品对油相的纯度要求较高，比如以收回原油为首要目的时，三相别离能够变为油与水砂的别离，这样对出油的脱水和除渣有利，而水砂混合物能够经过另一台两相卧螺离心机完成别离。当所需求的产品对固相的枯燥有利或除掉固相为首要目的，则三相别离能够变为油水与砂的别离，而油水混合物能够经过螺旋别离器 [

  根据改善式三相卧螺离心机结构模型规划尺度及特色，画出整套三相卧螺离心机零件图和装配图，然后根据图纸到加工厂出产制作设备，之后树立三相卧螺离心机油水砂别离试验渠道。如图13所示，整套试验设备包括的首要设备有三相卧螺离心机、各组溢流挡板、电控变频柜、电加热水箱、进料泵等。其间电控变频柜首要包括主变频器、副变频器、沟通接触器、继电器、电流互感器、各设备操控空气开关、三相动力电缆电线和操控面板等。

  图14示出了试验前后油水砂三相别离进料及出料成果图片，图14(a)、(b)为油田现场收集的原油和调制的进料含油污泥，其间固相颗粒选用滑石粉，图14(c)为絮凝剂和净水剂配液，图14(d)~(f)别离为出料污水和原油、污水（滤清液）及泥砂，其间图14(d)的污水为参加絮凝剂后的出料，与图14(e)未参加絮凝剂的别离作用显着不同，前者滤清液更清。对每组试验别离出来的物料（包括滤清液、出油及出砂）进行采样编号，之后运用近红外油料剖析仪、电热恒温鼓风枯燥箱、精细电子天平秤等进行浓度等的丈量。

  改动结构参数首要为改动各组溢流堰板的巨细，如1.4节所述，其景象有很多种，在这里首要研讨改动溢流挡油板和三相别离不同的排液办法中油与水砂别离时的景象。首要坚持转鼓转速稳定为3200 r/min，转鼓和螺旋差转速稳定为20 r/min，坚持进料流量为4.0 m 3 /h，进料含油质量浓度为24%，进料含固质量分数为39%，改动出油通道溢流挡油板的巨细，其 R 弧 =110、112、114、116、118 mm时，测定各出料浓度并核算出对应的别离功率值。

  如图15所示，油相收回率总体上较高且跟着溢流挡油板 R 弧 的增大而逐步升高，如1.4.2节剖析，坚持溢流挡水板的 R 弧 为118 mm不变，跟着溢流挡油板 R 弧 的增大，出油流率更快，然后油相收回率升高。一起溢流挡油板的 R 弧 增大会导致整个液池向外（转鼓壁方向）搬迁，因而枯燥区间隔增大，沉渣含湿量下降含固浓度增大，然后使得固相收回率升高。油在滤饼中的丢失跟着溢流挡油板 R 弧 的增大而逐步减小，这是因为出渣含油量的下降所造成的。油在水中的丢失跟着溢流挡油板 R 弧 的增大也逐步减小，这是因为水环和油环外层（油水分界面）向内（往中心轴方向）搬迁，出水含油量下降所造成的。

  如1.4.5节剖析，将原模型出水孔堵死，坚持转鼓转速、转鼓和螺旋差转速、进料流量、进料含油含固浓度等的稳定不变，对油与水砂排液办法别离时的景象进行试验研讨。因为新模型溢流挡油板的 R 弧 须调理成小于出渣口内径2~5 mm（出渣口间隔中心轴内径为111 mm），因而改动新模型溢流挡油板的 R 弧 =106、107、108、109 mm，丈量试验数据并核算别离功率。从图15能够看出，跟着新模型溢流挡油板 R 弧 的增大，油相收回率逐步升高，油在滤清液和滤饼中（水砂混合物中）的丢失逐步下降，这是因为溢流挡油板 R 弧 的增大会导致液池变浅，出油更快，水砂混合物出口含油量下降所造成的。