三相臥螺離心機(jī)設(shè)計分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效果的影響

朱明軍，胡大鵬

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連116024）

引 言

在原油等石油產(chǎn)品的開采、運輸和精煉中，一些油可能被固體和液體污染物如沉積物和水污染[1]。例如含油污泥是一種油性固體廢物，回收其中的油品具有重大價值意義[2]。通常，石油產(chǎn)品中過量的任何污染物產(chǎn)生不可用的最終產(chǎn)品。而且，污染的石油產(chǎn)品可能很難以環(huán)境安全的方式處理[3-4]。

沉積物和水是原油生產(chǎn)中產(chǎn)生的主要不需要的副產(chǎn)物。所有石油產(chǎn)品都含有一些沉淀物和水，在不同的乳化狀態(tài)下具有不同比例的油、水和固體[5]。在所有情況下，過量的沉淀物和水產(chǎn)生的產(chǎn)品是不可銷售的、不可用的和非一次性的。

為了利用這種休眠的油/水乳液，必須將沉積物和水的水平降低到可接受的水平。國內(nèi)外主要通過萃取分離、淬火、高溫回火-機(jī)械脫水、熱脫附和生物處理等方法來處理從而回收油[6-7]。但是不同的油田及煉油煉化企業(yè)需要處理的油品成分復(fù)雜，含油濃度不盡相同，需要根據(jù)進(jìn)料濃度準(zhǔn)確使用和調(diào)節(jié)設(shè)備的油水固三相界面[8]。針對目前國內(nèi)外機(jī)械離心脫水當(dāng)中使用的三相臥螺離心機(jī)存在的不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)油水界面的缺陷，本文提出了一種有針對性的三相臥螺離心機(jī)[9-10]。

本文提出的沉降式三相離心機(jī)，能夠解決目前三相臥螺離心機(jī)使用過程中存在的料液性質(zhì)復(fù)雜濃度大不相同，分離產(chǎn)品達(dá)不到環(huán)保及回收要求，分離后水相存在絮狀物等問題[11-13]，特別適用于從不同性質(zhì)和濃度的石油產(chǎn)品中機(jī)械地分離諸如沉積物和水的污染物。此離心機(jī)適用于處理各種污染產(chǎn)品，包括輕油、重油和化學(xué)污染的油[14]。它在油田生產(chǎn)操作中具有特殊應(yīng)用，可以處理大量受污染的原油以生產(chǎn)可銷售的石油產(chǎn)品[15-17]。本文提出的裝置還可用于各種油/水乳液的精制和處理，例如來自制造或運輸操作的廢油、重型取芯油、各種瀝青油混合物和水淹油撇油[18]。

在兩相臥螺離心機(jī)的理論、數(shù)值仿真及模擬研究方面，黃建龍等[19]、毛文貴[20]分別對螺旋旋轉(zhuǎn)、機(jī)構(gòu)運動仿真，虛擬樣機(jī)和仿真進(jìn)行了研究。朱桂華等[21]、鄭勝飛等[22]、于萍等[23]使用FLUENT 軟件對臥螺離心機(jī)流場規(guī)律以及固體顆粒運動狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析。譚蔚等[24]對大型臥螺離心機(jī)進(jìn)行了流固耦合狀態(tài)下的數(shù)值模擬及實驗研究。

在臥螺離心機(jī)三相分離領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對此方面的研究主要是以發(fā)表專利為多[25-26]，而在理論研究、數(shù)值模擬計算或是實驗研究方面很少。肖澤儀等[27]對處理含油廢水的三相臥螺離心機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Leone 等[28]將一種稱之為“Eureka”的用于專門生產(chǎn)提取橄欖油的新型臥螺離心機(jī)進(jìn)行了操作參數(shù)等的模擬研究。

1 環(huán)形分液板管法蘭式（傳統(tǒng)式）三相臥螺離心機(jī)排液結(jié)構(gòu)及改進(jìn)設(shè)計和CFD分析

如圖1 所示，傳統(tǒng)式油水砂分離三相臥螺離心機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計是在轉(zhuǎn)鼓大端法蘭外連接有一塊大環(huán)形分液板以及與出油口相當(dāng)數(shù)量的管法蘭，分液板通過螺釘和管法蘭與大端法蘭連接，這樣保證了分離出的油相和水相流向各自的收集管道。另外，在臥螺離心機(jī)螺旋芯管沿軸向設(shè)置有12塊豎板，同時在大端轉(zhuǎn)鼓壁上設(shè)置有一溢流堰板，從而縮短液滴（油滴）沉降距離，增大沉降時間，使油滴和液體水沿著各自的路徑向各自的出口方向運動，提高了油相的除水及除渣效果以及水相的澄清率和固相的干度。

圖1 傳統(tǒng)式三相臥螺離心機(jī)部分結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Partial structural model of the traditional three-phase decanter centrifuge

1.1 環(huán)形分液板管法蘭式排液結(jié)構(gòu)CFD 計算結(jié)果分析

對傳統(tǒng)式三相臥螺離心機(jī)建立三維流域模型以及通過Gambit網(wǎng)格劃分（在此不再闡述）和Fluent邊界條件設(shè)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 k-ε 方程作為湍流模型，并用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法作近壁處理（near-wall treatment），分離的隱式和SIMPLE方法用于計算。使用歐拉-歐拉模型當(dāng)中的Mixture多相流模型[29]，其中水相為初始相，油相和固相為二階相。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(nèi)），即自由液面位置與螺旋壁面重合。保持三相臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3200 r/min，轉(zhuǎn)鼓和螺旋差轉(zhuǎn)速為20 r/min，進(jìn)料流率為4.0 m3/h。數(shù)值模擬計算后得到流場分布情況。在這里主要觀察和研究油相和固相的濃度分布情況及分離效率。

圖2 為數(shù)值模擬計算后油相的濃度分布，從圖中可以看出出油含油濃度平均在60%左右，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)品要求，在錐段也有較高濃度的油滴聚集。

圖2 油相濃度分布及局部放大圖Fig.2 Oil phase concentration distribution and partial enlargement

圖3 為數(shù)值模擬計算后固相的濃度分布，從圖中可以看出固相顆粒砂子基本都沉降在轉(zhuǎn)鼓壁處，有一部分砂子堵塞在了出油通道里面，從而影響了出油純度，降低了分離效率。

通過模擬計算分析可知，傳統(tǒng)式三相臥螺離心機(jī)設(shè)計缺陷在于溢流堰板的設(shè)置較為不合理，位置和數(shù)量都有待于改進(jìn)。此外，沿軸向布置的管法蘭出油通道增大了流體的軸向流動距離，使得較為細(xì)小的還未完全沉降的固體顆粒很容易沉降在管法蘭壁面上，堵塞出油通道，降低分離效率。

1.2 改進(jìn)式（溢流擋板式）三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型

圖3 固相濃度分布及局部放大圖Fig.3 Solid phase concentration distribution and partial enlargement

圖4為改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型及流域模型，主要包括柱錐段轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、BD-油擋板、大端法蘭和小端法蘭等，針對傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)模型設(shè)計缺陷和不足，改進(jìn)式結(jié)構(gòu)模型關(guān)鍵設(shè)計是在大端法蘭內(nèi)設(shè)置有徑向出油通道和軸向出水通道，并設(shè)置有五組可調(diào)溢流擋板（包括溢流擋水板和溢流擋油板等），用來控制出水和出油濃度以及用于三相分離不同的排液方式。改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑為360 mm，轉(zhuǎn)鼓長徑比為4.5∶1，螺旋輸送器柱段內(nèi)徑為200 mm。螺旋柱段螺距為70 mm，錐段螺距為70～50 mm。工作原理為：料液從右端小端法蘭內(nèi)的進(jìn)料管進(jìn)入，通過布料室進(jìn)入到離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓液池中，在強(qiáng)大的離心作用下，油水砂三相因密度不同而在液池中由內(nèi)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導(dǎo)流影響，從出油通道和出水通道分別排出，固相則在螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速差的作用下，由螺旋葉片推送至小端出渣口排出[30]。

1.3 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)網(wǎng)格劃分及CFD 計算結(jié)果分析

對改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)流域模型進(jìn)行六面體和四面體混合網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格質(zhì)量檢查，網(wǎng)格總數(shù)為4124827個。如圖5所示，發(fā)現(xiàn)EquiSize Skew（網(wǎng)格歪斜度）0～0.1之間的網(wǎng)格總數(shù)占87.67%，0.6～1 之間的網(wǎng)格只占0.64%，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，達(dá)到計算要求。單元網(wǎng)格尺寸為3 mm，之后分別用2.5 mm 和3.5 mm 的單元網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)格，時間步長取為t=0.02 s 不變，計算過程中取出水口的含油體積分?jǐn)?shù)為一監(jiān)測值，得到t=300 s（接近收斂）時出水口含油體積分?jǐn)?shù)分別為7.2%、7.8%、8.8%，三者之間相差不大，說明計算結(jié)果與網(wǎng)格大小無關(guān)。

圖4 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型(a)及流域模型(b)Fig.4 Structural diagram(a)and fluid region model(b)of the improved three-phase horizontal screw centrifuge

圖5 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)網(wǎng)格劃分[(a),(b)]及網(wǎng)格質(zhì)量檢查[(c)～(f)]Fig.5 Three-dimensional model meshing[(a),(b)]and grid quality check[(c)—(f)]of the improved three-phase horizontal screw centrifuge

通過網(wǎng)格劃分，類似1.1 節(jié)設(shè)定邊界條件以及使用Fluent 14.5 軟件中的Mixture 多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到流場分布。

從圖6 中可以看到，在進(jìn)料含油體積分?jǐn)?shù)為30%的情況下，數(shù)值模擬計算穩(wěn)定后大部分油相聚集在柱段液池內(nèi)層，錐段只有少量油滴。出油體積分?jǐn)?shù)在92%左右，油相回收率較高，說明此種結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)式三相臥螺離心機(jī)對油水分離效果更好。

如圖7所示，在數(shù)值模擬計算穩(wěn)定后，固相基本都集中在液池錐段部分，越靠近小端出渣口固相濃度越高。進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)為10%，出渣固相體積濃度在71%左右，說明此種結(jié)構(gòu)的三相臥螺離心機(jī)對固相分離效率也有較大的提升。

圖6 油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 Cloud map of oil phase volume concentration distribution

圖7 固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.7 Cloud map of solid phase volume concentration distribution

1.4 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)特點分析

1.4.1 徑向出油的原因及特點 出油通道設(shè)計為徑向打通法蘭之后90°拐彎打軸向通道，之后從轉(zhuǎn)鼓端面出油而并非直接從法蘭圓柱面出油，原因如下。

（1）由于法蘭和轉(zhuǎn)鼓之間的徑向縫隙會有小部分流體徑向泄漏打在機(jī)罩上，在機(jī)罩上由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生一圈烙印，若直接從法蘭圓柱面徑向出油，由于流體很大的徑向沖擊力，垂直接觸機(jī)罩，沖擊痕跡明顯且烙印區(qū)域增大，使得電流過大，電機(jī)功率消耗太大，原則上可以更換大功率電機(jī)，但不經(jīng)濟(jì)[31]。

（2）若直接徑向出油，則機(jī)殼內(nèi)出油和出水之間的軸向距離很小，會給罩殼密封造成很大困難，出油和出水就有可能再次混合而造成分離效率下降。

1.4.2 溢流擋油板可調(diào) 油水界面的準(zhǔn)確預(yù)測和調(diào)整對于分離性能至關(guān)重要[32]。如圖8 所示，溢流擋油板的大小是可以變化的。擋油板的R?。≧油）增大（往轉(zhuǎn)鼓壁方向），則出油更快，油環(huán)深度變淺，水環(huán)向內(nèi)（往中心軸方向）遷移導(dǎo)致出油含水增多，而同時油環(huán)外層（油水分界面）向內(nèi)遷移，出水含油量會降低。在調(diào)節(jié)過程中，溢流擋水板（出水孔外側(cè)）的R?。≧水）比溢流擋油板的R弧大0～8 mm。

1.4.3 出水口內(nèi)側(cè)阻油板可調(diào) 如圖8 所示，出水孔法蘭內(nèi)側(cè)阻油板主要用來控制出水的清澈度，擋板端面往外，則泥沙量增多，往內(nèi)則含油量逐漸增多，水相可能在靠近中間某一位置最清。

1.4.4 出水和出油孔可以互換 出油孔和出水孔互換之后，出水口出油，出油口則出水。如圖9 所示，去掉原模型出水孔法蘭內(nèi)側(cè)擋板，在新模型出水孔法蘭內(nèi)側(cè)加一組額外阻油板，新的出水擋板R?。≧水）也要大于出油擋板R?。≧油）0～8 mm。根據(jù)進(jìn)料含油量的多少調(diào)節(jié)此阻油板的R弧（進(jìn)料含油多則往外調(diào)）。

1.4.5 三相分離不同的排液方式

（1）油水與砂的分離。一種情形如圖10(a)所示，將出油孔全堵死，油相和水相從大端排水孔排出而固相從排渣口排出，去掉出水孔法蘭內(nèi)側(cè)阻油板，調(diào)節(jié)溢流擋水板即可實現(xiàn)。另外一種情形如圖10(b)所示，堵死原模型所有出水孔，則大端出油口流出的就是油水混合物，固相從排渣口排出，需要注意的是，新模型溢流擋油板的R弧（R油）要大于出渣口距中心軸內(nèi)半徑（R砂），這樣才能實現(xiàn)此目標(biāo)。

(2)水與油砂的分離。如圖11所示，油和砂的混合物一并從小端出砂口排出，而水相從大端出水口排出，這就需要將出油孔全部堵死，調(diào)節(jié)溢流擋水板即可實現(xiàn)。需要注意的是，這種情況的前提是不能去掉原出水孔法蘭內(nèi)側(cè)阻油板。

圖8 調(diào)節(jié)溢流擋油板和阻油板時的大端法蘭示意圖Fig.8 Schematic diagram of the large-end flange when the overflow oil baffles and the oil resistance plates were adjusted

圖9 出水孔和出油孔互換時的大端法蘭示意圖Fig.9 Schematic diagram of the large-end flange when the water and oil discharging outlets were exchanged

圖10 油水與砂分離時的結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Schematic diagram of the oil-water and sand separation

圖11 水與油砂分離時的結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Schematic diagram of the water and oil-sand separation

(3)油與水砂的分離。水和砂一并從小端出砂口排出，而油相從大端出油口排出，如圖12(a)所示，將出水孔堵死，調(diào)節(jié)新模型溢流堰板即可實現(xiàn)。另外一種情形如圖12(b)所示，堵死原模型出油孔，去掉原出水孔法蘭內(nèi)側(cè)擋板，原模型出水孔則為新模型出油的情形。以上這兩種情況都需要注意的是，如果溢流擋油板的R?。≧油）大于出渣口距中心軸內(nèi)半徑（R砂），則從出油口流出的是油水混合物，水相不可能從出渣口流出，因此，設(shè)計時需要將溢流擋油板的R弧調(diào)節(jié)成小于出渣口內(nèi)徑2～5 mm。

改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)三相分離不同排液方式的特點在生產(chǎn)實踐當(dāng)中可以有效利用。例如當(dāng)所需要的產(chǎn)品更加側(cè)重于濾清液（水相）的澄清時，三相分離可以變?yōu)樗c油砂的分離，這樣對出水的澄清有利，而油砂的混合物可以考慮使用動態(tài)旋流除砂等技術(shù)來分離。當(dāng)所需要的產(chǎn)品對油相的純度要求較高，比如以回收原油為主要目的時，三相分離可以變?yōu)橛团c水砂的分離，這樣對出油的脫水和除渣有利，而水砂混合物可以通過另一臺兩相臥螺離心機(jī)實現(xiàn)分離。當(dāng)所需要的產(chǎn)品對固相的干燥有利或除去固相為主要目的，則三相分離可以變?yōu)橛退c砂的分離，而油水混合物可以通過螺旋分離器[33]或蝶式分離機(jī)等分離。

1.4.6 變螺距螺旋特點分析 改進(jìn)式臥螺離心機(jī)的螺旋柱段螺距設(shè)計為70 mm，錐段為70～50 mm 均勻變化。螺距大則輸渣能力強(qiáng)，對于較粗較濕顆粒推砂容易，而小螺距螺旋更有利于推送細(xì)黏較干的物料，柱段主要為沉降段，螺距較大有利于推送濕而黏的物料，減小扭矩，而錐段主要為干燥段，小螺距螺旋更有利于推送較干的物料[34]。

圖12 油與水砂分離時的結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Schematic diagram of the oil and water-sand separation

2 實驗研究

2.1 實驗工作簡介

根據(jù)改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計尺寸及特點，畫出整套三相臥螺離心機(jī)零件圖和裝配圖，然后依據(jù)圖紙到加工廠生產(chǎn)制造設(shè)備，之后搭建三相臥螺離心機(jī)油水砂分離實驗平臺。如圖13所示，整套實驗裝置包含的主要設(shè)備有三相臥螺離心機(jī)、各組溢流擋板、電控變頻柜、電加熱水箱、進(jìn)料泵等。其中電控變頻柜主要包含主變頻器、副變頻器、交流接觸器、繼電器、電流互感器、各設(shè)備控制空氣開關(guān)、三相動力電纜電線和控制面板等。

實驗工作主要分以下步驟進(jìn)行。

（1）料液調(diào)制及加熱等準(zhǔn)備工作。實驗用的物料為原油、自來水及滑石粉按照體積比3∶6∶1 的比例進(jìn)行配制，換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)后即可。對料液邊加熱邊攪拌，確保物料進(jìn)入三相離心機(jī)前黏度降低并充分混合均勻。絮凝劑和凈水劑用聚丙酰胺和聚合氯化鋁按照質(zhì)量比1∶2的比例配制。

（2）空載運行、清液預(yù)熱及螺桿泵調(diào)試。關(guān)閉進(jìn)料閥門不啟動螺桿泵，開啟三相臥螺離心機(jī)主副變頻器，逐漸加速使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋達(dá)到較高轉(zhuǎn)速。然后將螺桿泵進(jìn)料直接與熱水罐連接，準(zhǔn)備好各出口料液接桶，啟動螺桿泵，再逐漸調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速觀察各進(jìn)出口流量等的變化。

（3）油水砂分離狀態(tài)測試。關(guān)閉螺桿泵，排出離心機(jī)內(nèi)清液，然后將螺桿泵與進(jìn)料攪拌桶及離心機(jī)進(jìn)料連接，開啟進(jìn)料閥門，啟動離心機(jī)和螺桿泵，調(diào)節(jié)主副變頻器逐漸使轉(zhuǎn)鼓加速，等待觀察出油出水及排渣狀態(tài)變化。

（4）測試結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響并記錄數(shù)據(jù)。更換三相離心機(jī)大端法蘭溢流擋油板及油與水砂分離時新模型的溢流擋油板，啟動離心機(jī)使其處于一恒定轉(zhuǎn)速（3200 r/min 左右），保持其他操作參數(shù)和進(jìn)料物性參數(shù)等的恒定，對離心機(jī)進(jìn)料、出油、出水及排渣進(jìn)行分類采樣編號并測量和計算分離效率。

圖14 示出了實驗前后油水砂三相分離進(jìn)料及出料結(jié)果圖片，圖14(a)、(b)為油田現(xiàn)場采集的原油和調(diào)制的進(jìn)料含油污泥，其中固相顆粒選用滑石粉，圖14(c)為絮凝劑和凈水劑配液，圖14(d)～(f)分別為出料污水和原油、污水（濾清液）及泥砂，其中圖14(d)的污水為加入絮凝劑后的出料，與圖14(e)未加入絮凝劑的分離效果明顯不同，前者濾清液更清。對每組實驗分離出來的物料（包含濾清液、出油及出砂）進(jìn)行采樣編號，之后使用近紅外油料分析儀、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、精密電子天平秤等進(jìn)行濃度等的測量。

圖13 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)油水砂分離實驗裝置圖Fig.13 Diagram of experimental set-up of three-phase decanter centrifuge for oil-water-sand separation

圖14 改進(jìn)式三相臥螺離心機(jī)油水砂分離進(jìn)料及出料實驗結(jié)果Fig.14 Experimental results of feeding and discharging of three-phase decanter centrifuge for oil-water-sand separation

2.2 分離效率計算

2.2.1 物料質(zhì)量守恒定律 總的質(zhì)量守恒是（在此暫時先不考慮密度差，即假設(shè)進(jìn)料、濾清液、濾餅的密度一致為1）：進(jìn)料質(zhì)量流率=出渣（濾餅）質(zhì)量流率+出水（濾清液）質(zhì)量流率+出油質(zhì)量流率，表示為：

根據(jù)式(1)可得：進(jìn)料體積流率×進(jìn)料料液密度=出渣質(zhì)量流率+出水體積流率×出水密度+出油體積流率×油相密度。于是有，出渣質(zhì)量流率=進(jìn)料體積流率×進(jìn)料料液密度-出水體積流率×出水密度-出油體積流率×油相密度。

固相質(zhì)量守恒為（假設(shè)進(jìn)料、濾清液、濾餅的密度一致為1）：

聯(lián)合式(1)和式(2)及其他已知參數(shù)和以上換算關(guān)系，可以得出出渣質(zhì)量流率（Ms）以及濾清液質(zhì)量流率（Mw）的值。

2.2.2 分離效率計算 分離效率用固相回收率（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來表示。固相回收率=出渣固相質(zhì)量流率/進(jìn)料固相質(zhì)量流率=（出渣質(zhì)量流率×濾餅含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/（進(jìn)料質(zhì)量流率×進(jìn)料含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,表示為:

油相回收率=出油油相質(zhì)量流率/進(jìn)料油相質(zhì)量流率=（出油質(zhì)量流率×出油含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/（進(jìn)料質(zhì)量流率×進(jìn)料含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表示為：

油在濾餅中的損失=出渣油相質(zhì)量流率/進(jìn)料油相質(zhì)量流率=（出渣質(zhì)量流率×出渣含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/（進(jìn)料質(zhì)量流率×進(jìn)料含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表示為：

油在水中的損失=出水油相質(zhì)量流率/進(jìn)料油相質(zhì)量流率=（濾清液質(zhì)量流率×出水含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/（進(jìn)料質(zhì)量流率×進(jìn)料含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表示為：

在式(3)～式(6)中，各質(zhì)量流率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以用體積流率、體積分?jǐn)?shù)和密度換算得到。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響研究分析

改變結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為改變各組溢流堰板的大小，如1.4 節(jié)所述，其情形有很多種，在這里主要研究改變溢流擋油板和三相分離不同的排液方式中油與水砂分離時的情形。首先保持轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速恒定為3200 r/min，轉(zhuǎn)鼓和螺旋差轉(zhuǎn)速恒定為20 r/min，保持進(jìn)料流量為4.0 m3/h，進(jìn)料含油質(zhì)量濃度為24%，進(jìn)料含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39%，改變出油通道溢流擋油板的大小，其R弧=110、112、114、116、118 mm時，測定各出料濃度并計算出對應(yīng)的分離效率值。

如圖15所示，油相回收率總體上較高且隨著溢流擋油板R弧的增大而逐漸升高，如1.4.2 節(jié)分析，保持溢流擋水板的R弧為118 mm 不變，隨著溢流擋油板R弧的增大，出油流率更快，從而油相回收率升高。同時溢流擋油板的R弧增大會導(dǎo)致整個液池向外（轉(zhuǎn)鼓壁方向）遷移，因此干燥區(qū)距離增大，沉渣含濕量降低含固濃度增大，從而使得固相回收率升高。油在濾餅中的損失隨著溢流擋油板R弧的增大而逐漸減小，這是由于出渣含油量的降低所致。油在水中的損失隨著溢流擋油板R弧的增大也逐漸減小，這是因為水環(huán)和油環(huán)外層（油水分界面）向內(nèi)（往中心軸方向）遷移，出水含油量降低所致。

圖15 改變溢流擋油板對分離效率的影響Fig.15 The effect of changing overflow oil baffle on separation efficiency

如1.4.5 節(jié)分析，將原模型出水孔堵死，保持轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓和螺旋差轉(zhuǎn)速、進(jìn)料流量、進(jìn)料含油含固濃度等的恒定不變，對油與水砂排液方式分離時的情形進(jìn)行實驗研究。由于新模型溢流擋油板的R弧須調(diào)節(jié)成小于出渣口內(nèi)徑2～5 mm（出渣口距離中心軸內(nèi)徑為111 mm），因此改變新模型溢流擋油板的R弧=106、107、108、109 mm，測量實驗數(shù)據(jù)并計算分離效率。從圖15可以看出，隨著新模型溢流擋油板R弧的增大，油相回收率逐漸升高，油在濾清液和濾餅中（水砂混合物中）的損失逐漸降低，這是由于溢流擋油板R弧的增大會導(dǎo)致液池變淺，出油更快，水砂混合物出口含油量降低所致。

3 結(jié) 論

（1）可調(diào)溢流擋板式較環(huán)形分液板管法蘭式排油結(jié)構(gòu)三相臥螺離心機(jī)，其油相回收率更高，出油體積分?jǐn)?shù)在92%左右，出渣固相體積分?jǐn)?shù)在71%左右，出渣固相也相對較干，較適合油水砂三相的分離。

（2）溢流擋油板和出水口內(nèi)側(cè)擋油板均為可調(diào)。溢流擋油板的R弧增大會導(dǎo)致出油含水增多而出水含油量會減小。調(diào)節(jié)出水口內(nèi)側(cè)擋油板可以使出水更加清澈。另外，對模型稍作改進(jìn)，就可以使出水和出油互換。

（3）三相分離有油水與砂、油與水砂等幾種不同的排液方式，可以根據(jù)所要求產(chǎn)品的純度及目的來選擇一種排液方式。

（4）柱段螺旋螺距設(shè)置為120 mm，錐段為120～90 mm 均勻變化，螺距大有利于推送較粗較濕的物料，減小扭矩，而小螺距螺旋更有利于推送細(xì)黏較干的物料。

（5）實驗表明隨著溢流擋油板R弧的增大，油相回收率和固相回收率逐漸升高，油在濾餅中的損失和油在水中的損失逐漸降低，油相回收率在92%左右，固相回收率在27%左右。油與水砂分離排液時，油相回收率隨著新模型溢流擋油板R弧的增大而逐漸增大，而油在水砂混合物中的損失逐漸減小。

符 號 說 明

Mi,Ms,Mw,Mo——分別為進(jìn)料、出渣、出水及出油質(zhì)量流率，kg/s