張蓓蓓 劉 影 李秀媛

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶市生態(tài)環(huán)境局；3.大慶市龍鳳區(qū)機(jī)關(guān)事務(wù)服務(wù)中心；4.黑龍江省大慶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心）

旋流反應(yīng)器作為一種反應(yīng)分離一體化設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、分離效果顯著的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于多相混合介質(zhì)的相互分離［1］，旋流器在使用過(guò)程中分離效率受結(jié)構(gòu)參數(shù)、實(shí)際工況及流體物性參數(shù)等因素的影響［2，3］，因此提高旋流器的分離效率一直是多相介質(zhì)分離領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高分離效率采取了改進(jìn)外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流場(chǎng)的措施，為進(jìn)一步提升工業(yè)生產(chǎn)效率提供了可能［4～7］。邱良燕等提出一種新型軸向旋流分離器， 采用Fluent模擬軟件評(píng)判各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離性能的影響，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出增大葉片厚度、增大下部集塵室長(zhǎng)度或減小排氣管的長(zhǎng)度均會(huì)增大分離效率的結(jié)論［8］。 聶傲利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)葉片式氣液分離器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究旋流葉片的傾角對(duì)液滴脫除效果的影響，結(jié)果表明旋流葉片角度為15°更能顯著影響其脫除效率［9］。王勝和史仕熒針對(duì)導(dǎo)流片型油水旋流分離器進(jìn)行入口結(jié)構(gòu)研究，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究直板型導(dǎo)流片與流線型導(dǎo)流片壓降損失差異，證實(shí)了流線型導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)應(yīng)用于井下油水旋流分離器所產(chǎn)生的分離效果最好［10］。 聶濤等對(duì)導(dǎo)流葉片旋流分離器內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)開(kāi)展研究，得到導(dǎo)流葉片旋流分離器內(nèi)速度場(chǎng)的分布規(guī)律，并通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高導(dǎo)流葉片旋流分離器的穩(wěn)定性［11］。 李峰等設(shè)計(jì)了一種漸擴(kuò)出 口 旋 流 器［12］，并 將 試 驗(yàn) 結(jié) 果 與Hsieh 經(jīng) 典 數(shù)據(jù)［13，14］進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果顯示漸擴(kuò)出口能使壓力降、切向和軸向速度減小，能量消耗降低，確保流場(chǎng)穩(wěn)定。

上述研究表明結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異均會(huì)對(duì)旋流器分離效率產(chǎn)生較大影響， 鑒于上述研究結(jié)論，筆者以螺旋倒錐式旋流器為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)， 將2個(gè)軸入式旋流器進(jìn)行串聯(lián)，形成雙軸向進(jìn)液兩級(jí)旋流器串聯(lián)方案，探討兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器整體構(gòu)型對(duì)油水分離效率所產(chǎn)生的影響，為進(jìn)一步提高水力旋流器油水分離性能提供思路。

1 研究對(duì)象

在前期研發(fā)的多種軸向進(jìn)液旋流分離單體結(jié)構(gòu)中， 螺旋倒錐式結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較好的分離性能，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中均呈現(xiàn)出較好的適用性。 為進(jìn)一步降低回注水中的含油濃度，采用在前期研發(fā)的螺旋倒錐式旋流器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，完成兩級(jí)軸入式旋流器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成可具有較小徑向尺寸的雙軸向進(jìn)液兩級(jí)旋流器串聯(lián)方案。兩級(jí)串聯(lián)旋流器的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：油水混合介質(zhì)由軸向入口進(jìn)入一級(jí)油水分離器內(nèi)，富油相由一級(jí)溢流口流出，富水相由一級(jí)底流口流入二級(jí)油水凈化器的螺旋入口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)分離。 一級(jí)底流液經(jīng)螺旋流道加速后在二級(jí)油水凈化器內(nèi)進(jìn)行二次油水分離，凈化器內(nèi)的富油相由二級(jí)溢流口流出與一級(jí)溢流口匯合，完成油水二次分離。

圖1 兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器外觀結(jié)構(gòu)

兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器的一級(jí)油水分離器與二級(jí)油水凈化器結(jié)構(gòu)相同，研究過(guò)程中針對(duì)兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器的旋流腔長(zhǎng)度、錐角、倒錐高度、螺旋升角、 槽深及螺旋頭數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)開(kāi)展優(yōu)選， 最終得出兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖

具體參數(shù)尺寸如下：

一級(jí)旋流器

旋流腔長(zhǎng)度L160 mm

柱段長(zhǎng)度L212 mm

錐段長(zhǎng)度L3360 mm

底流管長(zhǎng)度L460 mm

倒錐高度L576 mm

主直徑D150 mm

底流管直徑Dd124 mm

溢流管直徑Du112 mm

二級(jí)旋流器

旋流腔長(zhǎng)度L660 mm

柱段長(zhǎng)度L712 mm

錐段長(zhǎng)度L8360 mm

底流管長(zhǎng)度L960 mm

倒錐高度L1076 mm

主直徑D250 mm

底流管直徑Dd224 mm

溢流管直徑Du212 mm

2 邊界條件及計(jì)算模型設(shè)置

2.1 邊界條件

入口邊界條件：設(shè)置一級(jí)旋流器入口為總?cè)肟?，邊界條件為速度入口，模擬旋流器處理量范圍為2～5 m3/h。

出口邊界條件：以一級(jí)溢流出口為總溢流出口，二級(jí)底流出口為總底流出口，出口邊界條件都選擇自由出口，分流比變化范圍在20%～35%。

模擬介質(zhì)設(shè)置：以油水兩相為模擬介質(zhì)，水為連續(xù)相，密度998.2 kg/m3，動(dòng)力粘度1.003 mPa·s；油為離散相，密度889 kg/m3，動(dòng)力粘度1.06 Pa·s，油相體積分?jǐn)?shù)固定為2%。

2.2 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型采用混合模型（Mixture）——一種簡(jiǎn)化的多相流模型，由于旋流器內(nèi)部為高速旋轉(zhuǎn)流體，雷諾應(yīng)力模型（RSM）充分考慮了渦旋、張力、剪切應(yīng)力的瞬時(shí)變化，能較好地測(cè)出流場(chǎng)內(nèi)部各個(gè)方向的異性湍流［15～17］，壁面為無(wú)速度滑移條件，殘差精度設(shè)為10-5。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 表頭設(shè)計(jì)

兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器（一級(jí)油水分離、二級(jí)油水凈化）的操作參數(shù)較多，筆者根據(jù)其主要分離原理在正交優(yōu)化部分主要針對(duì)含水率φ、處理量Q與分流比f(wàn)3個(gè)操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)檢驗(yàn)上述不同參數(shù)下對(duì)應(yīng)的油水分離效率來(lái)評(píng)價(jià)兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的分離性能， 根據(jù)各參數(shù)對(duì)該旋流器分離性能的影響， 初步確定各因素水平數(shù)為5。 其中含水率取值范圍在90%～99%、處理量取值范圍在2.0～5.0 m3/h、分流比取值范圍在20.0%～35.0%，由于含水率φ的取值范圍較大，因此將其分為90%～94%與95%～99%，形成兩個(gè)6因素5水平的正交試驗(yàn)方案。 通過(guò)查閱正交表，最終選定本次正交試驗(yàn)選用L25（56）正交試驗(yàn)表。 根據(jù)隨機(jī)原則確定各因素水平數(shù)的排序，分別完成表1、2所示的表頭設(shè)計(jì)。

表1 兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器操作參數(shù)因素水平表一

表2 兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器操作參數(shù)因素水平表二

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

按照兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器操作參數(shù)優(yōu)選正交表，對(duì)列舉的每一號(hào)方案進(jìn)行嚴(yán)格模擬，為降低模擬分析過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次隨機(jī)的重復(fù)試驗(yàn)， 得到2套25組不同匹配方案下兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的油水分離效率，其中一套結(jié)果采用直觀分析方法和方差檢驗(yàn)進(jìn)行分析和準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。

3.2.1 直觀分析

模擬得出本次正交試驗(yàn)的25組匹配方案所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，得到試驗(yàn)組匹配方案所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果（表3），評(píng)價(jià)指標(biāo)為該旋流器的油水分離效率。 通過(guò)分析正交試驗(yàn)可知，極值最大列所對(duì)應(yīng)的因素水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大，通過(guò)對(duì)25組匹配方案所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出各因素對(duì)油水分離效率影響從主到次的順序?yàn)椋築（處理量）>C（分流比）>A（含水率）。 空列所對(duì)應(yīng)的極差可反映各因素間的交互作用，對(duì)于此試驗(yàn)而言，空列對(duì)應(yīng)的極差值均小于各因素的極差值，故可以忽略各因素間的交互影響。

表3 兩級(jí)串聯(lián)水力旋流分離器試驗(yàn)結(jié)果及其分析

（續(xù)表3）

由于本次試驗(yàn)中兩級(jí)串聯(lián)水力旋流分離器的分離性能是通過(guò)溢流出口處含油濃度與入口處含油濃度的比值來(lái)評(píng)價(jià)的， 即二者的比值越大說(shuō)明該參數(shù)下旋流器的油水分離性能更好， 所以在篩選最優(yōu)方案時(shí)需選取k值較大時(shí)對(duì)應(yīng)的水平數(shù)，由表3可以看出，A因素列k5>k3>k2>k1>k4，B因素列k5>k4>k2>k3>k1，C因素列k5>k4>k3>k2>k1，由此可以確定最優(yōu)方案為B5C5A5，即按表1取含水率為94%，處理量為5.0 m3/h，分流比為35.0%時(shí)，該兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的分離性能最好，此時(shí)分離效率為95.86%。

3.2.2 方差檢驗(yàn)

而總離差平方和又表示為：

在正交試驗(yàn)中總平方和的總自由度dfT=試驗(yàn)總次數(shù)-1=n-1，正交表任一列離差平方和對(duì)應(yīng)的自由度dfj，顯然總自由度同時(shí)滿足：

而誤差的自由度計(jì)算式為：

計(jì)算平均離差平方和（均方）因素的均方MSj，例如因素A，為：

試驗(yàn)誤差的均方為：

將各因素的均方與誤差的均方相除即可得出F值，計(jì)算公式如下：

對(duì)于給定的顯著性水平α值， 檢驗(yàn)各因素的顯著性可通過(guò)比較FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C與F臨界值的大小計(jì)算得出。如果FA＞Fα（dfA，dfe），則因素A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，通常在進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)至少要完成α=0.01、α=0.05、α=0.10的3個(gè)水平顯著性檢驗(yàn)。 在本次正交試驗(yàn)中根據(jù)F 分布表，查得臨界值F0.01（4，12）=5.41，F(xiàn)0.05（4，12）=3.25，F(xiàn)0.10（4，12）=2.48，通過(guò)對(duì)比得出表3的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，因此得到影響大小為處理量＞分流比＞含水率，與 直觀分析結(jié)果一致。

差異源離差平方和SS 自由度df 平均離差平方和MS F值F臨界值顯著性A B C 總和534.05 3 620.27 723.81誤差e 127.15 5 005.28 4 4 4 2 4 12 133.51 905.07 180.95 10.60 12.60 85.42 17.08 F0.01（3，6）=5.41 F0.05（3，6）=3.25 F0.10（3，6）=2.48*********

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出該兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的最佳操作參數(shù)為含水率為94%， 處理量為5.0 m3/h，分流比為35.0%，且在此最佳參數(shù)下的分離效率為95.86%。

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

筆者開(kāi)展操作參數(shù)對(duì)水力旋流器分離性能影響的實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)工藝流程（圖3）原理為：水箱中裝滿水后， 水相在螺桿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)下加速進(jìn)入靜態(tài)混合器， 此時(shí)油相受到計(jì)量泵的作用加速與水相一起進(jìn)入靜態(tài)混合器與水溶液相遇后流入旋流器，進(jìn)行離心分離，分離后的大部分油相沿溢流口依次經(jīng)過(guò)溢流口流量計(jì)和溢流口排液閥進(jìn)入廢液池， 而大部分水相則通過(guò)底流口依次經(jīng)過(guò)底流流量計(jì)和底流排液閥進(jìn)入廢液池中。

圖3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工藝流程

在對(duì)水力旋流器進(jìn)行效率計(jì)算時(shí)，性能好壞通過(guò)質(zhì)量效率來(lái)表達(dá)。 溢流所含油的質(zhì)量與入口含油質(zhì)量的比值為分離效率， 也就是質(zhì)量效率，質(zhì)量效率E的計(jì)算方法如下：

式中 F——溢流口分流比；

φd——底流口含油濃度，mg/L；

φi——入口含油濃度，mg/L。

4.1 不同處理量對(duì)分離性能的影響

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方法、含油分析和效率計(jì)算方法，得出兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器樣機(jī)隨入口進(jìn)液量的變化規(guī)律如圖4所示。 由圖中可以看出，隨著進(jìn)液量的增加，分離效率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，都為先增大后減小。 當(dāng)旋流器在入口處理量為2.0 m3/h時(shí)，分離效率最小，隨著入口處理量增加到5.0 m3/h時(shí)， 分離效率達(dá)到最大值，為95.81%。

圖4 不同處理量下兩級(jí)串聯(lián)旋流器分離效率分布

4.2 不同分流比對(duì)分離性能的影響

實(shí)驗(yàn)得出兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器的分離效率隨分流比的變化規(guī)律如圖5所示， 可以看出兩級(jí)水力旋流器的分離效率均隨分流比的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。 且兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器在分流比為35.0%時(shí)，分離效率達(dá)到最大值，此時(shí)分離效率為96.31%。

圖5 溢流分流比與分離效率關(guān)系曲線

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)正交試驗(yàn)方法對(duì)螺旋倒錐式軸向進(jìn)液兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的含水率、處理量和分流比3個(gè)操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 采用正交試驗(yàn)法通過(guò)對(duì)分離效率的考察，得到影響因素大小為處理量>分流比>含水率，且其最佳操作參數(shù)為：含水率為94%，處理量為5.0 m3/h，分流比為35.0%。

5.2 通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)正交試驗(yàn)方法所得的最佳處理量與最佳分流比進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步確定所研究的螺旋倒錐式軸向進(jìn)液兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器的最佳處理量為5.0 m3/h，最佳分流比為35.0%，此時(shí)其油水分離效率最高為96.31%。