一种轴流式气旋浮油水分离装置和方法

技术领域

本发明涉及油水分离设备技术领域，具体涉及一种轴流式气旋浮油水分离装置和方法。

背景技术

基于环境治理和污染物资源化利用的现实需求，含油污水中微量油类的分离亦已成为当今水治理领域的研究热点。人们迫切需要高效、节能、体积小的分离技术，旋流分离器是最有效的分离设备之一。但旋流器对密度接近水的重质油滴和粒径大小较小的微细油滴的脱除效果并不理想。现有的解决方案之一是向旋流器中加入微气泡，气泡附着油滴，降低油滴-气泡黏附体的密度，在密度差导致的离心力差异下实现油水分离。因此，将旋流、气浮两种单元处理技术组合而成的气浮旋流一体化(或称气旋浮)处理技术可有效强化旋流脱油效果。

当运用气旋浮技术去除污水中的油滴时，油滴与气泡的碰撞概率和黏附稳定性决定了除油效率。只有气泡和油滴稳定地结合起来而不易造成脱附的情况下，气旋浮技术对于去除污水中的油滴才是有效的。众多的文献研究表明，适当的湍动能可以增加油滴与气泡的碰撞效率，并使油滴-气泡黏附体具有较佳的稳定性。然而，当前在旋流器基础上改造的气旋浮分离器，其结构型式以切向入口进液的锥形水力旋流器为主。但切向入口进液，要求液体速度快，动能大，这不仅会导致气泡和油滴无法稳定黏附，还会引起液滴和气泡破裂，扰乱流场干扰油水分离。而轴流式水力旋流器由于是靠旋流叶片起旋，叶片的入口湍动能要远小于锥形水力旋流器，并且旋流叶片可以使流体均匀流动，有效防止偏心。但轴流式旋流器除油和轴流式气旋浮分离器除油在技术原理上并不一样，为满足油滴和气泡的碰撞黏附形成稳定升力体的时间，在设计上，轴流式气旋浮分离器的长度要长于传统的轴流式旋流分离器。如中科院力学研究所吴应湘设计的轴流式井下旋流油水分离器，该发明便不能直接用于气旋浮领域，一是因为该装置是用于处理大相比油水混合物(油含量1％以上)，装置内径过大，不能有效处理含油污水中的微量油类(油含量0.1％以下)；二是因为该装置长度过短，未能提供使微细气泡和油滴碰撞、黏附的充足时间。若通过提高入口流速来克服旋流强度在重力作用下的衰减，则会重复切向入口式旋流器的弊病。此外，CN113636617B公开了一种弱旋流耦合微气浮的水体快速预除藻方法及装置，但该方法和装置均以气-固碰撞、黏附为前提，这与气-水碰撞、黏附原理存在热力学和流体力学上的不同，其设备不能通过气旋浮实现油水的有效分离。因此，现有的轴流式旋流器无法直接用于气旋浮耦合除油。因此，目前亟需一种可将旋流、气浮两种单元处理技术结合在一起，从而提高重质油滴和微细油滴分离效果的轴流式气旋浮分离装置和方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种轴流式气旋浮油水分离装置和方法。所述分离装置和方法通过设计新型的轴流式气旋浮分离器结构，将旋流与气浮两种单元处理技术有效结合，可提高重油和微细油的分离效果。

因此，本发明的第一个目的在于，提供一种轴流式气旋浮油水分离装置，所述分离装置包括自下而上依次设置的起旋段、第一渐缩段、稳旋段和分离段，其中：

所述起旋段位于分离装置的底部，所述起旋段的直径D1为20～50mm，长度L1为2D1～4D1，其内部设置有进水口和起旋装置，所述进水口位于所述起旋段的底部，所述起旋装置位于所述进水口的上方；

所述第一渐缩段为下部大上部小的圆台形连接管段，长度L2为2L1～5L1，其下端和上端分别与起旋段和稳旋段相接，且下端的外径与起旋段的外径相匹配，上端的外径与稳旋段的外径相匹配；所述第一渐缩段的管壁与所述起旋段的管壁之间的夹角β为174°～179°；

所述稳旋段呈长柱状，所述稳流段的直径D2为2/3D1～5/6D1，长度L3为4L1～8L1，所述稳流段的中上部设置有强化旋流装置；

所述分离段位于分离装置的筒头部分，长度L4为2L1～4L1，其顶端设置有单个垂直分布的出油口，顶部两侧设置有两个水平对称分布的出水口；所述分离段的腔体中心设置有第二渐缩段，所述第二渐缩段为下部大上部小的圆台形连接管段，其下端和上端分别与稳旋段和出油口相接，且下端的外径与稳旋段的外径相匹配，上端的外径与出油口的外径相匹配；所述第二渐缩段的管壁与所述稳旋段的管壁之间的夹角δ为172°～178°。

根据本发明，所述设置于起旋段内部的起旋装置设置有柱芯，所述柱芯的底部和顶部设置为半椭球体构型，所述柱芯的中部设置有起旋叶片。

进一步地，所述起旋叶片包括下段的直流段和上段的旋流段，所述直流段为垂直片状构型，所述旋流段为螺旋片状构型。

进一步地，所述直流段与旋流段之间的旋流角度α为120°～140°，所述起旋叶片的数量设置为4～6个。

进一步地，所述起旋叶片可通过焊接等方式固定于所述起旋段的内壁上。

进一步地，所述起旋装置的叶片外径D7与D1等长，所述起旋装置的柱芯的径向宽度D8为1/2D7～3/4D7，所述起旋叶片的长度H1为1.25D7～3D7，所述起旋装置的长度H2为1.5D7～3.5D7。

根据本发明，所述设置于稳旋段内部的强化旋流装置设置有柱芯，所述柱芯的顶部设置为半球体构型，底部设置为半椭球体构型，所述柱芯的中部设置有强化旋流叶片。

进一步地，所述强化旋流叶片为螺旋片状构型，所述柱芯的内部设置为通孔结构，所述通孔结构的直径D11为1/4D10～1/2D10。

进一步地，所述强化旋流叶片可通过焊接等方式固定于所述稳旋段的内壁上。

进一步地，所述强化旋流叶片与垂直线的夹角γ为120°～140°，所述强化旋流叶片的数量设置为4～6个。

进一步地，所述强化旋流装置的叶片外径D9与D2等长，所述强化旋流装置的柱芯的径向宽度D10为1/2D9～3/4D9；所述强化旋流叶片的长度H3为1.25D9～3D9，所述强化旋流装置的长度H4为1.5D9～3.5D9；所述强化旋流叶片的安装高度Z为1/2L3～3/4L3。

根据本发明，所述分离段内部的第二渐缩段上均匀分布有若干圆形状出水口，通过所述第二渐缩段将分离段分隔为内腔体和外腔体，所述外腔体直径D6为1.2D2～2D2。

进一步地，所述出油口的直径D3为1/4D2～1/2D2，所述出水口的直径D4为1/2D3～3/4D3，所述出水孔的直径D5为1/4D4～1/2D4。

本发明的第二个目的在于，提供一种轴流式气旋浮油水分离方法，以解决现有旋流器无法有效分离重质油和微细油的问题，提高除油效率。所述分离方法包括如下步骤：

步骤一、得到油水气三相混合液：

首先往所述分离装置下方的进水池内的释气盘中通入加压溶气水，所述加压溶气水内的高压气体通过释气盘释放，形成微细气泡；接着往所述进水池中通入含油污水，得到所述油水气三相混合液；

步骤二、为混合液提供适当的湍动能：

所述混合液随后经过位于分离装置底部的进水口进入起旋段，在所述起旋段内部的起旋装置的叶片旋流作用下产生切向速度，这一过程中产生的适当的湍动能有助于油滴和气泡的碰撞黏附，形成统一的升力体，并在密度差导致的离心力差异下完成油、气与水相的初步分离；

步骤三、实现内部流场的均匀过渡：

所述混合液随后经过具有圆台状结构的第一渐缩段，所述圆台状结构可平缓地提高混合液的切向速度，减少随着混合液运行上升离心力下降的影响，使装置内部流场平稳过渡到稳旋段；

步骤四、完成油滴和气泡的稳定黏附：

所述混合液随后经过具有平直段结构的稳旋段，所述平直段结构可为油水分离提供足够的空间，污水中的油滴在微细气泡上完成铺展、黏附，并通过所述稳旋段内部的强化旋流装置的叶片旋流作用，再次提高所述混合液的切向速度，在密度差导致的离心力差异下完成油、气与水相的再次分离；

步骤五、油相和水相的分离：

所述混合液随后经过位于筒头的分离段，通过所述分离段内部设置的第二渐缩段的圆台状结构，进一步强化水相和油相的离心力差异，使水相在离心力作用下，从第二渐缩段上均匀分布的出水孔排出，进入水相空间，实现水相与油相的分隔；随后水相从两侧的出水口排出，油、气则从上端的出油口排出。

根据本发明，所述步骤一含油污水中的油粒径在10μm以上，密度为0.6～0.95g/cm

根据本发明，所述步骤一微细气泡粒径大小为5～30μm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的轴流式气旋浮油水分离装置，将旋流和气浮工艺耦合于一体，对重质油滴和微细油滴的去除效率高，能够实现含油污水的高效预处理；

2、起旋装置可降低对入口流速的要求，形成温和的旋流场，可避免湍动能过大导致的油滴、气泡破碎和油滴-气泡黏附不稳定；并且旋流叶片可以使流体均匀流动，有效防止流场偏心；

3、通过第一渐缩段的设计可减弱旋流强度在重力作用下的衰减，一是可增大油滴和气泡的碰撞效率，使得旋流场内的轻相组分的上升流更加稳定，使装置内部流场平稳过渡到稳旋段；稳旋段则为油滴和气泡的稳定黏附，形成统一的升力体提供了足够的空间和时间；

4、通过强化旋流装置的再次造旋，可有效解决轴流式气旋浮分离器内流场的旋流强度在重力作用下的衰减的问题，进一步提高气泡、油滴及气泡—油滴黏附体的向心碰撞速度，旋流气浮的浮选性能有效提升，除油效率进一步提高。同时强化旋流装置的中空设计，可避免气芯破坏后对流场的扰动影响。

5、同时，本发明的轴流式气旋浮油水分离装置的结构紧凑，占地面积小，内部无动部件，运行稳定，且可适用于不同领域液体的液液分离过程。

附图说明

图1为本发明的轴流式气旋浮油水分离装置的结构示意图。

图2为本发明的轴流式气旋浮油水分离装置的结构剖视图。

图3为本发明分离装置的起旋装置的结构示意图。

图4为本发明分离装置的起旋装置的结构尺寸图。

图5为本发明分离装置的强化旋流装置的结构示意图。

图6为本发明分离装置的强化旋流装置的结构尺寸图。

图7为本发明分离装置的筒头部分的结构剖视图。

图8为本发明分离装置的筒头部分的俯视图。

图9为本发明分离方法的流程示意图。

图10为本发明分离方法步骤一的示意图。

图号说明：

1-起旋段；11-第一法兰；12-进水口；13-起旋装置；131-柱芯；132-起旋叶片；2-第一渐缩段；3-稳旋段；31-强化旋流装置；311-柱芯；312-强化旋流叶片；313-通孔结构；4-分离段；41-第二法兰；42-出油口；43-出水口；44-第二渐缩段；45-出水孔；5-进水池；51-释气盘；52-微细气泡。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1轴流式气旋浮油水分离装置

如图1和图2所示，本发明的轴流式气旋浮油水分离装置，包括自下而上的依次设置的起旋段1、第一渐缩段2、稳旋段3和分离段4，所述起旋段1和分离段4的下方分别设置有第一法兰11和第二法兰41，用于分离装置的稳固安装。其中：

所述起旋段1位于分离装置的底部，其内部设置有进水口12和起旋装置13，所述进水口12位于所述起旋段1的底部，所述起旋装置13位于所述进水口12的上方，用于让进入起旋段1的油气水混合液起旋，这过程中产生的适当的湍动能有助于油滴和气泡碰撞黏附，在密度差导致的离心力差异下完成油、气与水相的初步分离；

所述第一渐缩段2为下部大上部小的圆台形连接管段，其下端和上端分别与起旋段1和稳旋段3相接，且下端的外径与起旋段1的外径相匹配，上端的外径与稳旋段3的外径相匹配；该结构有助提高液体的切向速度，用于减少随着混合液运行上升离心力下降的影响。

所述稳旋段3呈长柱状，该结构为油滴和气泡碰撞黏附提供足够的空间，并在密度差导致的离心力差异下与水相完成再次分离；所述稳流段3的中上部设置有强化旋流装置31，用于再次提高混合液的切向速度，减少离心力下降的影响。

所述分离段4位于分离装置的筒头部分，其顶端设置有单个垂直分布的出油口42，顶部两侧设置有两个水平对称分布的出水口43，分别用于分离后的油、气与水相的排出。所述分离段4的腔体中心设置有第二渐缩段44，所述第二渐缩段44为下部大上部小的圆台形连接管段，其下端和上端分别与稳旋段3和出油口42相接，且下端的外径与稳旋段3的外径相匹配，上端的外径与出油口42的外径相匹配。

进一步地，如图3和图4所示，所述设置于起旋段1内部的起旋装置13设置有柱芯131，所述柱芯131的底部和顶部设置为半椭球体构型，用于降低流动阻力，从而实现流体的平缓过渡。所述柱芯131的中部设置有起旋叶片132，所述起旋叶片132包括下段的直流段和上段的旋流段，所述直流段为垂直片状构型，所述旋流段为螺旋片状构型；所述起旋叶片132可通过焊接等方式固定于所述起旋段的内壁上；所述起旋叶片132的数量设置为4～6个。

进一步地，如图5和图6所示，所述设置于稳旋段3内部的强化旋流装置31设置有柱芯311，所述柱芯311的顶部设置为半球体构型，底部设置为半椭球体构型。由于混合液运行一段高度后，旋流动能下降明显，因此通过所述强化旋流装置31可再次提高混合液的切向速度；所述柱芯311的中部设置有强化旋流叶片312，所述强化旋流叶片312为螺旋片状构型，并通过焊接等方式固定于所述稳旋段3的内壁上；所述柱芯311的内部设置有通孔结构313，这是由于气体的密度最小，故气旋浮分离器正常运行后，中心段会产生气芯，为不扰动气芯影响旋流场稳定，所述柱芯311的内部设置为通孔；所述强化旋流叶片312的数量设置为4～6个。

进一步地，如图7和图8所示，所述分离段4内部的第二渐缩段44上均匀分布有若干圆形状出水口45，通过所述第二渐缩段44将分离段4分隔为内腔体和外腔体，所述内腔体为混合相空间，与出油管段相连，所述外腔体为水相空间，与出水管段相连。在分离段，依靠所述第二渐缩段44的结构，进一步强化水相和油相的离心力差异，可使水相在离心力作用下从出水孔45排出，进入水相空间，并从出水口43排出，油、气则从出油口42排出。

如图1～图8所示，本发明分离装置的具体结构尺寸如下。

1、本发明分离装置具体结构的直径尺寸如下：

所述起旋段1的直径为D1为20～50mm；

所述稳流段3的直径D2为2/3D1～5/6D1；

所述出油管的直径D3为1/4D2～1/2D2；所述出水管的直径D4为1/2D3～3/4D3；所述出水孔的直径D5为1/4D4～1/2D4；

所述水相空间的直径D6为1.2D2～2D2；

所述起旋装置的叶片132外径D7与D1等长，所述起旋装置的柱芯131的径向宽度D8为1/2D7～3/4D7；

所述强化旋流装置的叶片312外径D9与D2等长，所述强化旋流装置的柱芯311的径向宽度D10为1/2D9～3/4D9，内部通孔结构313的直径D11为1/4D10～1/2D10。

2、本发明分离装置具体结构的长度或高度尺寸如下：

所述起旋段1的长度为L1为2D1～4D1；

所述第一渐缩段2的长度L2为2L1～5L1；

所述稳流段3长度L3为4L1～8L1；

所述分离段4的长度L4为2L1～4L1；

所述起旋叶片132的长度H1为1.25D7～3D7，起旋装置13的长度H2为1.5D7～3.5D7；

所述强化旋流叶片312的长度H3为1.25D9～3D9，强化旋流装置31的长度H4为1.5D9～3.5D9；所述强化旋流叶片312的安装高度Z为1/2L3～3/4L3。

3、本发明分离装置具体结构的角度尺寸如下：

所述起旋装置13的直流段与旋流段之间的旋流角度α为120°～140°；

所述起旋段1的管壁与所述第一渐缩段2的管壁之间的夹角β为174°～179°；

所述强化旋流叶片312与垂直线的夹角γ为120°～140；

所述稳旋段3的管壁与所述第二渐缩段42的管壁之间的夹角δ为172°～178°。

本发明分离装置的工作原理如下：

首先，在油水混合液通过进水口12进入本发明分离装置前，往所述分离装置下方的进水池内的释气盘中通入加压溶气水，所述加压溶气水内的高压气体通过释气盘释放，形成微细气泡；混合液进入分离装置的起旋段1后，先在所述起旋装置13的作用下产生切向速度，这一过程中适当的湍动能有助于油滴和气泡碰撞黏附，形成统一的升力体，并在密度差导致的离心力差异下完成初步分离；之后混合液先后经过第一渐缩段2和稳旋段3，所述第一渐缩段2的圆台状结构有助提高混合液的切向速度，减少离心力下降的影响，而所述稳旋段3的平直段结构可为油水分离提供足够的空间，且在运行一段距离后，混合液旋流动能下降明显，通过所述稳旋段3内部的强化旋流装置31可再次提高切向速度；最后在筒头的分离段，净化液在离心力作用下从出水孔45出来进入水相空间，并从出水口44排出，油、气则从出油口43排出。

实施例2轴流式气旋浮油水分离方法

基于实施例1的轴流式气旋浮油水分离装置，本实施例用于提供一种轴流式气旋浮油水分离方法，所述分离方法可用于分离粒径在10μm以上的油滴，或油密度为0.6～0.95g/cm

步骤一、得到油水气三相混合液

如图10所示，所述分离装置的下方的进水池5内设置有释气盘51，首先往所述释气盘51中通入加压溶气水，所述加压溶气水内的高压气体通过所述释气盘51释放，形成微细气泡52，其中，所述微细气泡粒径大小为5～30μm；接着往所述进水池中通入含油污水，得到所述油水气三相混合液。

步骤二、为混合液提供适当的湍动能

所述混合液随后经过位于分离装置底部的进水口12进入起旋段1，在所述起旋段内部的起旋装置13的叶片旋流作用下产生切向速度，这一过程中产生的适当的湍动能有助于油滴和气泡的碰撞黏附，形成统一的升力体，并在密度差导致的离心力差异下完成油、气与水相的初步分离。

步骤三、实现内部流场的均匀过渡

所述混合液随后经过具有圆台状结构的第一渐缩段2，所述圆台状结构可平缓地提高混合液的切向速度，减少随着混合液运行上升离心力下降的影响，使装置内部流场平稳过渡到稳旋段。

步骤四、完成油滴和气泡的稳定黏附

所述混合液随后经过具有平直段结构的稳旋段3，所述平直段结构可为油水分离提供足够的空间，污水中的油滴在微细气泡52上完成铺展、黏附，并通过所述稳旋段3内部的强化旋流装置31的叶片旋流作用，再次提高所述混合液的切向速度，在密度差导致的离心力差异下完成油、气与水相的再次分离。

步骤五、油相和水相的分离

所述混合液随后经过位于筒头的分离段4，通过所述分离段4内部设置的第二渐缩段44的圆台状结构，进一步强化水相和油相的离心力差异，使水相在离心力作用下，从第二渐缩段上均匀分布的出水孔45排出，进入水相空间，实现水相与油相的分离；随后水相从两侧的出水口43排出，油、气则从上端的出油口42排出。

实施例3本发明分离装置和方法对油水混合液的分离效果

本实施例针对油水混合液进行分离研究，用于验证本发明分离装置和方法对油水混合液的分离效果。其中实验变量为油的密度，以及气旋浮装置是否通入微细气泡。

1、油水分离装置结构

采用实施例1所述的油水分离装置，其中具体尺寸为：所述起旋段1底部进水口12的直径D1为25mm，长度L1为65mm；所述第一渐缩段2的竖直长度L2为150mm；所述稳旋段3的直径D2为20mm，长度L3为250mm；所述分离段4的长度L4为100mm，出油口42的直径D3为6mm，出水口43的直径D4为8mm；所述起旋装置13内径D8为10mm，旋流叶片132高度H1为30mm，叶片数6片，柱芯长度H2为50mm；所述强化旋流装置31内径D10为10mm，通孔313直径D11为4mm，旋流叶片高度H3为20mm，叶片数5片，柱芯长度H4为35mm。

2、配置不同油密度的混合油

取同种运动粘度的白油和硅油，按不同比例配置不同油密度的混合油，其中所述混合油的密度分别为0.76g/cm

3、制备油水混合液

将上述步骤配置的混合油分别与自来水按不同比例混合，使得混合液中油含量大致为1000mg/L；将混合液放入剪切乳化机中适当乳化，并分别存放于水罐中，得到所述油水混合液。

4、进行油水分离实验

1)无气浮的油水分离实验：油水混合液通过水泵控制进入轴流式气旋浮分离器中，进口处混合液流速固定为1m/s。待装置稳定，依次在装置进口处，出水口处取样，测量水中的油含量。

2)增加气浮的油水分离实验：接着启动溶气泵，溶气泵的循环含气水流量是含油污水的进水流量的3％，调节水泵，保持进口处油气水混合液流速固定为1m/s。待装置稳定，依次在装置进口处，出水口处取样，测量水中的油含量。

3)按照上述步骤方法依次分别进行不同油密度的油水混合液分离实验，具体结果见表1。

4)按步骤1和2各重复上述实验一次，在装置进口处，出水口处取样，测量水中的油滴的粒径分布，其中固定油密度为0.88g/cm

表1不同油密度混合油无气浮与有气浮的油水分离效率

表2 0.88g/cm

结果显示：使用本发明分离装置且不启动溶气泵(无气浮)，对油密度为0.76g/cm

而在微细油滴粒径分离上，加气浮前，出水口处10-20μm以内油滴浓度为200mg/L，加气浮后，出水口处10-20μm以内油滴浓度为110mg/L，对微细油滴的分离有显著提升。由此可知，本发明分离装置和方法成功将气浮与轴流两种单元处理技术相结合，并较大程度地提高了油水混合液的分离效果。因此，新工艺适用于对含油污水中的重质油滴和微细油滴的紧凑处理，可实现短流程下快速分离的目的。

综上所述，本发明的轴流式气旋浮油水分离装置和方法通过设计新型的分离器结构，将旋流和气浮工艺耦合于一体，既提高了分离过程中油滴与气泡的碰撞概率和黏附稳定性，又提高了运行过程中液体的切向速度，从而减少随着混合液上升离心力下降的影响，最终在密度差导致的离心力差异下实现与油、气与水相的有效分离。因此，本发明的油水分离装置和方法，能够实现含油污水的高效预处理，提高重质油滴和微细油滴的去除效率，并大大提高重油水的分离效率和污水治理效果；此外，本发明的轴流式气旋浮油水分离装置的结构紧凑，占地面积小，内部无动部件且运行稳定，可适用于不同领域液体的液液分离过程。因此，本发明的油水分离装置和方法在油水分离和污水治理方面具有较高的现实应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。