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首先提出了用于油水砂分离的三相螺旋沉降式离心机两种结构模型。通过CFD数值计算发现，带有轴向管法兰的三相卧螺离心机结构模型存在一定的缺陷，即管法兰上有堵砂的情况出现且分离效率较低。通过改进设计，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回收率，且固相也相对较干燥，适用于油水固三相分离。该模型还具有水与油砂分离、油水与砂分离或油与水砂分离等几种不同的排液方式。对此三相卧螺离心机加工制造，搭建实验平台，通过实验研究之后发现，此种结构的三相卧螺离心机对油相的分离效率较高，挡板圆弧中心到转鼓中心轴的距离对分离效率有不一样的影响。
关键词卧螺离心机；三相分离；离心分离；多相流；计算流体力学；数值模拟；分离效率
在原油等石油产品的开采、运输和精炼中，一些油可能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态废料，回收其中的油品具有重大价值意义 [2] 。通常，石油产品中过量的任何污染物产生不可用的最终产品。而且，污染的石油产品可能很难以环境安全的方式处理 [3-4] 。
沉积物和水是原油生产中产生的主要不需要的副产物。所有石油产品都含有一些沉淀物和水，在不同的乳化状态下具有不一样比例的油、水和固体 [5] 。在所有情况下，过量的沉淀物和水产生的产品是不可销售的、不可用的和非一次性的。
为了利用这种休眠的油/水乳液，必须将沉积物和水的水平降低到可接受的水平。国内外主要是通过萃取分离、淬火、高温回火-机械脱水、热脱附和生物处理等方法来处理从而回收油 [6-7] 。但是不同的油田及炼油炼化企业要处理的油品成分复杂，含油浓度不完全一样，应该要依据进料浓度准确使用和调节设备的油水固三相界面 [8] 。针对目前国内外机械离心脱水当中使用的三相卧螺离心机存在的不能准确调节油水界面的缺陷，本文提出了一种有明确的目的性的三相卧螺离心机 [9-10] 。
本文提出的沉降式三相离心机，能够解决目前三相卧螺离心机使用的过程中存在的料液性质复杂浓度大不相同，分离产品达不到环保及回收要求，分离后水相存在絮状物等问题 [11-13] ，非常适合于从不同性质和浓度的石油产品中机械地分离诸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] 。它在油田生产操作中具有特殊应用，能处理大量受污染的原油以生产可销售的石油产品 [15-17] 。本文提出的装置还可用在所有油/水乳液的精制和处理，例如来自制造或运输操作的废油、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、数值仿真及模拟研究方面，黄建龙等 [19] 、毛文贵 [20] 分别对螺旋旋转、机构运动仿真，虚拟样机和仿真进行了研究。朱桂华等 [21] 、郑胜飞等 [22] 、于萍等 [23] 使用 FLUENT软件对卧螺离心机流场规律以及固体颗粒运动状态进行了仿线] 对大型卧螺离心机进行了流固耦合状态下的数值模拟及实验研究。
25-26] ，而在理论研究、数值模拟计算或是实验研究方面很少。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拟。Leone等 [28] 将一种称之为“Eureka”的用于专门生产提取橄榄油的新型卧螺离心机进行了操作参数等的模拟研究。
如图1所示，传统式油水砂分离三相卧螺离心机的关键设计是在转鼓大端法兰外连接有一块大环形分液板以及与出油口相当数量的管法兰，分液板通过螺钉和管法兰与大端法兰连接，这样保证了分离出的油相和水相流向各自的收集管道。另外，在卧螺离心机螺旋芯管沿轴向设置有12块竖板，同时在大端转鼓壁上设置有一溢流堰板，从而缩短液滴（油滴）沉降距离，增大沉降时间，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效果以及水相的澄清率和固相的干度。
对传统式三相卧螺离心机建立三维流域模型以及通过Gambit网格划分（在此不再阐述）和Fluent边界条件设定，入口被定义为速度入口，三个出口（固相出口和溢流油、水出口）定义为outflow（自由出流）。此外，流域被定义为fluid区域。使用RNG k - ε 方程作为湍流模型，并用标准壁面函数法作近壁处理（near-wall treatment），分离的隐式和SIMPLE方法用于计算。使用欧拉-欧拉模型当中的Mixture多相流模型 [
29] ，其中水相为初始相，油相和固相为二阶相。油水固三相均视为不可压缩流体处理。模拟过程假定流体充满整个流域（第四相空气不考虑在内），即自由液面位置与螺旋壁面重合。保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。数值模拟计算后得到流场分布情况。在这里主要观察和研究油相和固相的浓度分布情况及分离效率。
图4为改进式三相卧螺离心机结构模型及流域模型，最重要的包含柱锥段转鼓、螺旋输送器、BD-油挡板、大端法兰和小端法兰等，针对传统式结构模型设计缺陷和不足，改进式结构模型关键设计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），用来控制出水和出油浓度以及用于三相分离不同的排液方式。改进式三相卧螺离心机转鼓直径为360 mm，转鼓长径比为4.5∶1，螺旋输送器柱段内径为200 mm。螺旋柱段螺距为70 mm，锥段螺距为70~50 mm。工作原理为：料液从右端小端法兰内的进料管进入，通过布料室进入到离心机转鼓液池中，在强大的离心作用下，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，油相和水相通过左端大端法兰时，由于受到各组溢流挡板的导流影响，从出油通道和出水通道分别排出，固相则在螺旋输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 [
对改进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划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%，说明网格划分质量较好，达到计算要求。单元网格尺寸为3 mm，之后分别用2.5 mm和3.5 mm的单元网格尺寸划分网格，时间步长取为 t =0.02 s不变，计算过程中取出水口的含油体积分数为一监测值，得到 t =300 s（接近收敛）时出水口含油体积分数分别为7.2%、7.8%、8.8%，三者之间相差不大，说明计算结果与网格大小无关。
32] 。如图8所示，溢流挡油板的大小是可以变化的。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）迁移导致出油含水增多，而同时油环外层（油水分界面）向内迁移，出水含油量会降低。在调节过程中，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。
出油孔和出水孔互换之后，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外阻油板，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节此阻油板的 R 弧 （进料含油多则往外调）。
（1）油水与砂的分离。一种情形如图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，调节溢流挡水板就可以实现。另外一种情形如图10(b)所示，堵死原模型所有出水孔，则大端出油口流出的就是油水混合物，固相从排渣口排出，必须要格外注意的是，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 ），这样才可以实现此目标。
(3)油与水砂的分离。水和砂一并从小端出砂口排出，而油相从大端出油口排出，如图12(a)所示，将出水孔堵死，调节新模型溢流堰板就可以实现。另外一种情形如图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情形。以上这两种情况都必须要格外注意的是，如果溢流挡油板的 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，水相不可能从出渣口流出，因此，设计时需要将溢流挡油板的 R 弧 调节成小于出渣口内径2~5 mm。
改进式三相卧螺离心机三相分离不同排液方式的特点在生产实践当中可以有效利用。例如当所需要的产品更加侧重于滤清液（水相）的澄清时，三相分离可以变为水与油砂的分离，这样对出水的澄清有利，而油砂的混合物可优先考虑使用动态旋流除砂等技术来分离。当所需要的产品对油相的纯度要求比较高，比如以回收原油为最大的目的时，三相分离可以变为油与水砂的分离，这样对出油的脱水和除渣有利，而水砂混合物能够最终靠另一台两相卧螺离心机实现分离。当所需要的产品对固相的干燥有利或除去固相为最大的目的，则三相分离可以变为油水与砂的分离，而油水混合物能够最终靠螺旋分离器 [
根据改进式三相卧螺离心机结构模型设计尺寸及特点，画出整套三相卧螺离心机零件图和装配图，然后依据图纸到加工厂生产制造设备，之后搭建三相卧螺离心机油水砂分离实验平台。如图13所示，整套实验装置包含的主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。其中电控变频柜主要包含主变频器、副变频器、交流接触器、继电器、电流互感器、各设备控制空气开关、三相动力电缆电线和控制面板等。
图14示出了实验前后油水砂三相分离进料及出料结果图片，图14(a)、(b)为油田现场采集的原油和调制的进料含油污泥，其中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)分别为出料污水和原油、污水（滤清液）及泥砂，其中图14(d)的污水为加入絮凝剂后的出料，与图14(e)未加入絮凝剂的分离效果明显不同，前者滤清液更清。对每组实验分离出来的物料（包含滤清液、出油及出砂）进行采样编号，之后使用近红外油料分析仪、电热恒温鼓风干燥箱、精密电子天平秤等进行浓度等的测量。
改变结构参数主要为改变各组溢流堰板的大小，如1.4节所述，其情形有很多种，在这里主要研究改变溢流挡油板和三相分离不同的排液方式中油与水砂分离时的情形。首先保持转鼓转速恒定为3200 r/min，转鼓和螺旋差转速恒定为20 r/min，保持进料流量为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%，改变出油通道溢流挡油板的大小，其 R 弧 =110、112、114、116、118 mm时，测定各出料浓度并计算出对应的分离效率值。
如图15所示，油相回收率总体上较高且随着溢流挡油板 R 弧 的增大而逐渐升高，如1.4.2节分析，保持溢流挡水板的 R 弧 为118 mm不变，随着溢流挡油板 R 弧 的增大，出油流率更快，从而油相回收率升高。同时溢流挡油板的 R 弧 增大会导致整个液池向外（转鼓壁方向）迁移，因此干燥区距离增大，沉渣含湿量降低含固浓度增大，从而使得固相回收率升高。油在滤饼中的损失随着溢流挡油板 R 弧 的增大而逐渐减小，这是由于出渣含油量的降低所致。油在水中的损失随着溢流挡油板 R 弧 的增大也逐渐减小，是因为水环和油环外层（油水分界面）向内（往中心轴方向）迁移，出水含油量降低所致。
如1.4.5节分析，将原模型出水孔堵死，保持转鼓转速、转鼓和螺旋差转速、进料流量、进料含油含固浓度等的恒定不变，对油与水砂排液方式分离时的情形进行实验研究。由于新模型溢流挡油板的 R 弧 须调节成小于出渣口内径2~5 mm（出渣口距离中心轴内径为111 mm），因此改变新模型溢流挡油板的 R 弧 =106、107、108、109 mm，测量实验数据并计算分离效率。从图15能够准确的看出，随着新模型溢流挡油板 R 弧 的增大，油相回收率逐渐升高，油在滤清液和滤饼中（水砂混合物中）的损失逐渐降低，这是由于溢流挡油板 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降低所致。
