油气复合体径向受力分析.pdf

第 4 8 卷第 2期 2 0 1 1年 4月 化工设备与管道 P R OC ES S E QUI P ME NT＆ P I P I NG Vo 1 ． 48 No ． 2 Apr ． 2 01 1 油气 复合体 径 向受力分析 孙 立 莹 ， 方 江 涛 ， 徐 辉 1 ． 林德 工程 大连 有限公 司，辽宁 大连1 1 6 0 1 3 ； 2 ． 大连市锅 炉J土力容器检验研究所 ，辽宁 大连 1 1 6 0 1 3 摘要 微孔注气式旋流 器是 旋流分 离技 术与气浮选技 术的巧 妙结合 ， 利 用气泡携 带油滴 ， 形成油 气复合体 ， 能有 效去除粘度 大、 乳化程度严 重等难 分 离的油 油 气复合 体具 有 比油滴更 大的 直径、 更小 的密度。通过 对 油气复合 体 的径 向进行 受力分析 ， 得 出其径 向主要 受 离心力 、 浮 力、 斯 托克 斯 阻力， 进 而得 出 了油 气复合体 的运动 方程。并 通过试验验证 了微孔 注气方式有利 于提 高旋 流器的分 离效率 ， 且 分 离效率最高可达 9 5 ． 9 ％ 这为油 田采 油污水的 处 理 提 供 了 更好 的途 经 。 关键词 微孔注气 ； 水力旋流器 ； 油气复合体 ； 受力分析 ； 运 动方程 中图分类号 T Q 0 5 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 1 1 0 2 - 0 0 1 9 - 0 3 M e c ha n i c a l An a l y s i s o f Oi l - g a s M i x t ur e i n Ra di a l Di r e c t i o n S UN L i ． y i n g ，F ANG J i a n g - t a o ，XU Hu i ， ．L i n d e E n g i n e e r i n g D a l i a n C o m p a n y L t d ， D a l i a n 1 1 6 0 1 3， C h i n a ； 2 ．Da l i a n B o i l e r Pr e s s u r e V e s s e l I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ．Da l i a n 1 6 0 1 3，C h i n a Ab s t r a c t Mi c r o p o r o u s a i r i n j e c t i o n h y d r o c y c l o n e c o m b i n e s w i t h t h e t e c h n i q u e s o f c y c l o n e s e p a r a t i o n a n d a i r f l o t a t i o n S O a s t o m a k e us e o f a i r bu b bl e t o c a n T o i l dr i p a nd t o f o r m o i l a i r mi x t u r e ． I n t hi s wa y．t he o i l wi t h h i g h v i s c o s i t y a n d s e r i o us e mul s i fic a t i on c a n b e e f f e c t i v e l y r e mo v e d．Co mpa r e d wi t h 0 i l d r i p．o i l a i r mi x t u r e ha s l a r g e r d i a me t e r a nd l i g h t e r d e ns i t y ．I n t h i s a r t i c l e．t he me c ha n i c a l a n a l y s i s f o r o i l g a s mi x t u r e i n r a d i a l d i r e c t i o n w a s c a r r i e d o u t ．I t w a s k n o w n t h a t i n t h i s d i r e c t i o n，o i l g a s mi x t u r e i s s u b j e c t e d t o c e n t r i f - ug a l f o r c e，flo a t i ng f o r c e a nd S t o k e s r e s i s t a n c e f o r c e ．Th e n，t he mot i o n e qu a t i o n wa s de r i v e d．By e x pe r i me n t ，t he f a c t t h a t i,t wi l l be n e fi t t o t h e s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y o f c y c l o n e t o u s e mi c r o p o r o u s a i r i n j e c t i o n me t h o d a n d t h e e f f i c i e n c y n l a y r e a c h 9 5 ． 5 ％h a s b e e n pr o v e d．Th us，t hi s me t ho d i s b e t t e r wa y i n t h e t r ea t me n t o f wa s t e wa t e r p r o d uc e d i n o i l f i e l d． Ke ywo r ds mi c r o p o r o u s a i r l n j‘ e c h ‘ o n；hy d r o e y c l o n e； o i l g a s mi x t u r e； me c h a n i c a l a n a l y s i s； mo t i o n e qu a t i o n 微孔注气式旋流器是将旋流分离技术与气浮选 技术结合而研发 的一种新 型液一 液水力旋流器。它 避开了常规水力旋流器对乳化油去除效果差 分割 粒径一般在 3 0 m左右 ， 气浮法对原水含油浓 度适应范 围偏 小 4 0～1 5 0 mg ／ L 、 处理 效率 较低 6 0 ％ ～8 0 ％ [ 2 3 的缺 点 ， 能 够 对 粘 度 大 、 乳 化 程 度 严重 、 乳化油浓度高 、 难生物降解的三次采油污水进 行有效去除。 加强对微孔注气式旋流器分离机理 的研究 ， 如 对 分 散 相 介 质 的 受 力 分 析 ， 特别 是 径 向受 力 分 析 ， 找出其运动规律 ， 可 以更好地判断其对分离 性能的影响， 做 出合 理的效率 预测 ， 进 而进行试 验 研 究 。 1 样机结构 微孔注气式旋流器样机结构如图 1 所示。样机 采用液． 液水力旋流器 的典型结构 双锥结构 ， 即 有两个锥体构成 ， 大锥段和旋流腔是钢结构的， 小锥 段是微孔材料所制 ， 旋流器 的主直径 D为 2 8 人 口采用 双人 口形 式 ， 两 个 入 口均 为 切 向入 口 ， 且互 成 1 8 0 。 角 ， 溢流 口直 径 为 1 0 m m。 收稿 日期 2 0 1 0 - 1 1 1 1 作者简介 孙立莹 1 9 8 2 一 ， 女 ， 吉 林省德 惠市人 ， T 程师。 主要 从 事锅炉压力容器设计工作 2 0 化工设备与管道 第 4 8卷第 2期 气 腔 图 1 微孔注气式旋流器的结构 2 油气 复合体径 向受力分析 水力旋流器的内部流场是比较复杂的 ， 分散相 介质的运动受到诸多因素的作用。在微孔注气式旋 流器中， 在注气时 ， 气体进入旋流腔后 ， 适 当尺寸 的 气体便与油滴结合形成油气复合体 。在微孔注气式 旋流器中分散相为油气复合体。为了研究油气复合 体的运动过程， 对油气复合体进行了径向受力分析。 2 ． 1 离心 力 油气复合体在切向加速度的作用下将产生离心 力 F a ． F a 2 。d _ V t 1 式中m 油气复合体的质量 ； J D 油气复合体的密度 ； c f 油气复合体的直径 ； ／ t 油气复合体的切向速度。 显然 ， 离心力是使油气复合体向外 指向器壁 运动的力。 2 ． 2 浮力 旋流器内的流场为～组合涡， 而涡流运动的特 点是外部压力最高 ， 轴心处压力最低， 径向存在压力 差。由压力差而产生的力叫浮力。浮力也是造成油 气复合体径向流动的原 因之一。 为 了分析方便 ， 在任意半径 r 处取一小微元体 见图 2 ， 设其质量为 m， 当量直径为 d 。小微元体 以切向速度 13 t 运动时 ， 作用于其上的离心力为 m ／ r 。由于压力差的存在 ， 假定微元体外侧压力为 P d p ， 而 内侧压力为 P， 径 向上压力梯度为 d p ／ d r 。微 元体周围的连续相介质可看作是作 匀速圆周运动 ， 其质量 为 m 时， 对直径为 d的油气复合体 ， 在径向 上的作用力 F 可写作 F 詈 d m 詈 d p 了V t 2 式 中p 连续相水的密度。 比较式 1 和式 2 ， 由于在微孑 L 注气式旋流器 中， 连续相介质为水 ， 则 P p 。 ， 因此 ， F F 。显 然 ， ， 。 是指向核 t2 , 的， 浮力是使油气 复合体 向内 指 向核心 运动 的力。在这个力 的作用下， 轻质分散 相油气复合体 向内运动的速度 大于连续 相水 的速 度 ， 产生了分离。 I I 图 2 微 元体受力分析 2 ． 3斯托克 斯 阻力 当油气复合体沿径向相对于水运动时， 液体的 粘性会对其运动产生阻力 。如果旋流器中混合液的 动力粘度为 ， 油气复合体与水在径 向上的相对运 动速度为 则其沿径 向运动时油气复合体所受阻 力用斯托克斯公式表示为 F 3 “r q x d v 1 8 mc t Z V r 3 “P。 显然 ， F 的方向是指向器壁的。 相对速度 可用下式计算 O r 1 R． 4 1 8 u ， 、。 式 中 △ p 为水与油气复合体的密度差。 2 ． 4径 向运动 方程 油气复合体实际上还受 马格纳斯力 、 滑移． 剪切 升力 以及 B a s s e t 力和视质量力的作用。在此粗略计 算 ， 只考虑油气复合体在径 向上主要所受 的力 离 心力 F 、 浮力 F 及斯托克斯 阻力 F 。其在径 向上 昕受合 力为 ∑FF 。 一F 一F 5 此合力正是使油气复合体与水分离并向核心运 动 的力 。 孙立 莹， 等 ．油气复合体径向受力分析 2 1 在此合力的作用下油气复合体的径向运动方程为 d v Fp - F a - F 6 3分 离效 率g ,-j- 图 3是微孔注气与常规旋流器的分离效率 的对 比图。从 图 3中可以看出， 注气要明显好于不注气 ， 注气时旋流器的效率基本 都在 9 0 ％ 以上 ， 最高可达 9 5 ． 9 ％。注气条件下 ， 旋 流器得 到的分离效率 比较 稳定， 波动不大 ； 而不注气 的条件下 ， 旋 流器的分离 效率变化却很大 ， 且平 均分离效率 只有 7 5 ％左右 ， 说明分离效率受操作参数变化影响很大。从 图 3中 还可以看 出， 注气时旋流器的分离效率 比未注气时 平均可以提高 1 0 ％ ～ 2 0 ％ 。说 明采取微孑 L 注气 的 方式来试 图提高旋 流器 的分离效率是可行的 ， 且注 气时受操作条件等因素影响相对小 。 n 图 3 分 离效率对比图 因微孔注气式旋流器中的分散相油气复合 体具有比常规旋流器中的分散相油滴更大的直 径和更低 的密度 ， 从而易于被旋流器去除掉 ， 旋流器 的分离效率得 以提高。 4 结束 语 1 油气复合体径向主要受离心力 、 浮力 、 斯托 克斯 阻 力 。 2 离心力 、 浮力、 斯托克斯阻力三力之合是使 油气复合体向核心运动与连续相水分离的力。 3 微孑 L 注气式旋流器的分离效率相对于常规 旋流器的分离效率可提高 1 0 ％ ～ 2 0 ％ ， 且注气时最 高分离效率可达到 9 5 ． 9 ％。 4 采用微孔注气方式来提高旋流器的分离效 率是可行 的。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵立新． 用于油 田污 水处理 的水力旋 流技术 的理论 与实验 研 究[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 ， 2 0 0 4 [ 2] 魏飞 ， 张雅杰 ． 气 浮法处理 含油废 水的试验研 究 J ] ． 电力环境 保 护 ， 2 0 0 5 ， 2 1 1 3 4 ． 3 6 ． [ 3 ] 蒋 明虎， 赵立新 ， 李枫 ， 等． 旋流分 离技 术 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业 大学 出版社 ， 2 0 0 0 5 8 4 5 3 ． [ 4 ] 赵立新 ， 朱宝军 ， 李枫 ， 等． 气携式 液液水力旋流 器分离性能影 响因素[ J ] ． 化学工程 ， 2 0 0 7， 3 5 2 4 3 4 7 ． [ 5 ] 赵立新 ， 蒋 明虎 ， 李枫 ， 等． 旋流器分散相液滴受力分析 液一 液水力旋流器速 度场研 究之 五 [ J ] ． 石 油机 械 ， 1 9 9 9， 2 7 5 2 4- 2 7 ． [ 6 ] 曹仲文 ， 袁惠新． 旋流场 中分散相颗粒径 向受力及径 向速度 方 程 [ J ] ． 江南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4， 3 5 4 9 8 - 5 0 1 ． 上接 第 1 0页 6 其他 下面 ， 对设计者使用 S W6塔器模块中经常碰到 的一些问题做一简要的解释。 6 ． 1 基 础高 度 即指裙座基础环底截面至地面的高度。如果塔 器裙座不直接放在地面 ， 它们之 问有一基础 ， 基础高 度即指这个基础的高度 ； 如果裙座直接放在地 面， 则 该 高度应 填 0 。 6 ． 2法兰 当量 设计压 力 塔器 中的法兰 ， 除了受压 力载荷外 ， 还要 受附加载 荷 外力矩 及 轴向外载荷 的作用， 所以应根据 公式 8 7 0 计算法兰的当量设计压力P ， 作为 G B 1 5 0中 法兰的计算压力 。对于塔器 ， 应该按 P 值选用标准 法兰 ； 若要进行法兰计算 ， 则用 p 表示其计算压力。 6 ． 3上下封头的液注静压力 对于上封头 ， 设计者需判断液注静压力是否大 于 5 ％设计压力 ， 如果 是则 由设计者 负责输入液注 静压力值 ； 对于下封头 ， 则 由程序 自行判断 ， 当液注 静压力大于 5 ％设计压力时 自动计入计算压力 ， 因 此无需设计者输入 。 参 考 文 献 [ 1 ] J B ／ T 4 7 1 0 --2 0 0 5 ， 钢制塔式容器 [ S ] ． [ 2 ] G B 1 5 O 一 1 9 9 8 ， 钢制压力容器[ S ] [ 3 ] 路秀林 ， 王者相． 化 工设备设 计全书一塔 设备议计 [ M] ． 上 海 上海科学技术出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ]H G 2 0 6 5 2 -- 1 9 9 8 ， 塔器设计技术规定 [ S ] ． [ 5] 林杰 ．S W6软件包塔 器模块 编制说 明[ J ] ． 化 工设备 与管道 2 0 0 3， 4 0 5 61 452，