（流体机械及工程专业论文）中心进料式动态水力旋流器的性能研究.pdf

人连理：l 人学硕十学位论文 摘要 油田采出液的大量含砂对地面集输设备会造成极大的破坏，目前油田上应用的除砂 方式有重力沉降、过滤除砂、离心除砂以及旋流器除砂等几种形式，但各自缺点也比较 明显。 本文将离心机与水力旋流器的特点结合到一起，自行设计了原油除砂用中心进料式 动态水力旋流器，并建立了实验测试系统，对实验样机进行了系统的实验测试和理论分 析。中心进料式动态水力旋流器与普通旋流器相比具有分离效率高，压力损失小，处理 量及处理量变化范围大等特点。 三种形式的叶轮组成三种实验样机。实验中考察并分析了电机转速、分流比和进口 流量等操作参数对三种实验样机压力性能和分离性能的影响。结果表明，电机转速越高， 分离效果越好，并且在小流量时溢流压降越低；分流比的增大可以有效的提高分离效率， 但溢流压降和底流压降也随之增加；进口流量的增加，修正分离效率会有很小幅度的减 小，同时会引起溢流和底流压降的增加。 本文通过对三种实验样机实验结果的对比得出，i i i 型实验样机分离效率最高，其次 为1 i 型实验样机，最后为i 型实验样机，但三种实验样机的分离效率差别不大；通过压 力性能实验得出，i 型实验样机的压力性能最好，其次为i i 型实验样机，最后为i i i 型实 验样机。综合分离效率和压力性能两方面得出结论，i 型实验样机的性能最好。 本文应用f l u e n t 软件对三种实验样机进行了数值模拟，得出了三种实验样机内部流 场的基本信息。模拟结果表明，三种实验样机内部压力场和速度场的分布与普通静态水 力旋流器类似，其内部离心强度较大，切向速度可最大达1 5 m s 左右，产生的离心强度 约为普通旋流器的5 1 0 倍。通过对叶轮的优化数值实验，得到了压降随叶轮直径和高 度变化的趋势，并通过实验验证发现数值模拟结果与实际结果基本吻合，进而说明了数 值模拟的结果基本可以指导实际问题中叶轮尺寸的优化。为进一步优化叶轮性能提供了 理论依据。 本文所研究的中心进料式动态水力旋流器压力性能和分离性能良好，适于工业应 用，在过程工业中有较好的应用前景和商业价值。 关键词：水力旋流器；压力性能；分离性能；实验研究；数值模拟 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 p e r f o r m a n c er e s e a r c ho fc e n t r a lf e e d i nd y n a m i ch y d r o c y c l o n e a b s t r a c t c r u d eo i lc o n t a i n sal o to ff i n es a n dw h i c hh a si m p a c to nt h eg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n s y s t e ms e r i o u s l y t h ee q u i p m e n t su s e df o rd e s a n d i n g a r es e t t l e m e n tp o o l ，f i l t e r ，c e n t r i f u g e sa n d h y d r o c y c l o n e h o w e v e r , l a c k so f t h e m w e r ea l s oo b v i o u s 。 n i s p a p e rc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so f c e n t r i f u g es a n dh y d r o c y c l o n e ，d e s i g n sc e n t r a l f e e d i nd y n a m i ch y d r o c y c l o n ea n dt h ep e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mo fh y d r o c y c l o n e ，a n dd o e s s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a lt e s t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s e st oh y d r o c y c l o n e c e n t r a lf e e d i n d y n a m i ch y d r o c y c l o n eh a v es e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sh a v i n gh i g h e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ， h a v i n gs m a l l e rd e c r e a s eo fp r e s s u r e ，h a v i n gw i d e rr a n g e o ff e e df l u x n r e ee x p e r i m e n t a lm a c h i n e sh a v et h r e ed if f e r e n ti m p e l l e r s t h i sp a p e rt e s t sa n d a n a l y s e st h ei m p a c to fm o t o rs p e e d ，s p l i tr a t i o ，f e e df l u xo np r e s s u r el o s sa n ds e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo ft h r e ee x p e r i m e n t a lm a c h i n e s t h er e s u l ts h o w s t h a tt h eh i g h e rm o t o rs p e e d ，t h e h i g h e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d t h es m a l l e rd e c r e a s e o fo v e r f l o wp r e s s u r ea ts m a l lf e e df l u x t h ei n c r e a s eo fs p l i tr a t i oc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n de n h a n c et h e d e c r e a s eo fp r e s s u r e t h ei n c r e a s eo ff e e df l u xh a sl e s se f f e c to nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ，b u t t h ed e c r e a s eo fp r e s s u r ea r ei n c r e a s i n g t h i sp a p e rc o m p a r et h er e s u l t sa n df i n dt h a te x p e r i m e n t a lm a c h i n ei i ih a v et h eh i g h e s t s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ，e x p e r i m e n t a lm a c h i n ei is e c o n d l y ，e x p e r i m e n t a lm a c h i n e ih a v et h e l o w e s ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ，h o w e v e rt h ed i f f e r e n c eo ft h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi su n o b v i o u s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp r e s s u r e ，i tc a nb eo b t a i n e dt h a tp r e s s u r ep e r f o r m a n c eo f e x p e r i m e n t a lm a c h i n ei i sb e s t ，e x p e r i m e n t a lm a c h i n ei ls e c o n d l y ，e x p e r i m e n t a lm a c h i n e i i i i sl a s t t h ef i n a lr e s u l ti st h a to fe x p e r i m e n t a lm a c h i n eih a v et h eb e s tp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rs i m u l a t et h ef l o wf i e l do fn e wd y n a m i ch y d r o c y c l o n ea n dg e tt h eb a s i c i n f o r m a t i o no f t h ef l o wf i e l d i ti ss h o w nb yt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a ti n n e rf l o wf i e l di s s i m i l a rt on o r m a lh y d r o c y c l o n e ，b u tt h e yh a v et h eb i g g e rc e n t r i f u g a ls t r e n g t h ，t h et a n g e n t i a l v e l o c i t yo ft h e i ri n n e ri sn e a r l y15 r n sa n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c ei s5 - 10 t i m e sb i g g e rt h a nt h e o r d i n a r yh y d r o c y c l o n e t h er e l a t i o n s h i po fp r e s s u r ed r o pa n ds i z eo fi m p e l l e ri ss h o wb y s i m u l a t i o no fi m p e l l e r t h er e s u l tc a ns u p p l yt h eg u i d a n c ef o ro p t i m i z i n gp e r f o r m a n c eo f i m p e l l e r t h ec e n t r a lf e e d i nd y n a m i ch y d r o c y c l o n eh a saf a v o r a b l ep e r f o r m a n c eo fp r e s s u r ea n d s e p a r a t i o n s oi tm u s th a v eg o o dp r o s p e c t sa n dt h eh i g hv a l u eo f c o m m e r c i a la p p l i c a t i o ni n 大连理t 大学硕+ 学位论文 i n d u s t r i a lp r o c e s s k e yw o r d s ：n y d r o c y c l o n e ；p r e s s u r ep e r f o r m a n c e ；s e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ； e x p e r i m e n tr e s e a r c h ；s i m u l a t i o n 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 蛀超颦盐边全盘壶燃缝! 媪继耷! 冤 作者签名： 毒耍日期：二虬年生月兰生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：亟尘垂型邀耋亚蕴圣盏立刨盏丝纽丝纽铭珥家 作者签名： 张一一日期：珥年上月刍厶日 导师签名：笃摔彳：群轧日期：埤年丘月墨l 日 人连理工大学硕十学位论文 1 绪论 离心力场的创立和运用是科学和技术上的一次飞跃，具有密度差的两相或多相流体 在离心力场的作用下实现相问分离广泛存在于工业过程中。离心分离设备是利用离心力 分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的设备。离心分离设备主要用于将 悬浮液中的固体颗粒与液体分开，或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开； 它也可用于排除湿固体中的液体。在现代工业中离心分离技术已越来越重要，这是因为 离心分离设备具有分离效率高，占地面积小，能够连续运转等优点。本文提出的中心进 料式动态水力旋流器是为油田现场原油除砂设计的一种新型离心分离机械，具有分离效 率高( 最高达9 7 左右) ，压力损失小( 处理量为4 0m 3 h 时仅为0 1 m p a 左右) ，处 理量及处理量变化范围大( 处理量为l o m 3 h 一4 0m 3 h ) 等优点。 1 1 离心机 离心机【1 】和其它分离机械比较，不仅可得到含湿量低的固体和高纯度的液体，而且 还具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件、占地面积小、可连续运转、安全可靠 等优点，有些机型尚可自控操作。故自1 8 3 6 年第一台三足离心机在德国问世后，迄今 一百多年来有了很大的发展，各种商品品种繁多，j 下在向系列化、自动化、组合化及高 效化方面发展。目前我国离心机行业已初具规模，目前已能生产三足离心机，上悬式离 心机，活塞推料离心机，螺旋卸料离心机，离心力卸料离心机，振动卸料离心机与旁滤 式离心机，刮刀卸料离心机以及上述机型组成的复合离心机。分离机则有碟式机( 喷咀 排渣、活塞排渣及人工排渣三种类型) ，室式机及管式机。上述产品不仅遍及全国各地 使用，部分还远销国外。 基础理论的研究一直是我国分离机械方面的薄弱环节。为此，一些高校与研究所在 这方面做了大量研究工作，例如离心机转鼓强度优化设计，离心分离设备的选型和优化 操作条件的研究，碟片式转鼓材料的研究，动平衡技术的探讨等等。为保证离心分离设 备制造质量与使用安全，技术标准无疑是不可缺少的，这方面涉及基础标准、产品标准 及零部件标准三大类，现制定的各类标准的产品覆盖率已逾9 0 ，离心机与分离机的标 准( 包括国家标准、行业标准及内部标准) 已达5 0 多个。 尽管我国的离心分离设备有了很大进展，但从整体而言，与世界先进国家相比，差 距甚大。主要表现在【2 】： ( 1 ) 规格、品种少、系列化程度差。特别缺少集几种结构形式、集几种推动力于一 体的复合式离心机。 中心进科式动态水力旋流器的性能研究 ( 2 ) 技术参数低。国外离心分离机械产品的参数普遍高于我国并继续向高参数、大 容量方向发展。阻卧螺离心机为铡，最近研制的机型为国内最大的，其转鼓直径亦仅为 7 2 0 n u n 。长径比最大为l d - 4 ，分离因数亦较低。而国外转鼓最大直径己达2l m ，长径 比l 屺- - 6 ，处理能力大于2 0 0 m 3 h ，可用于二相或三相分离。还发展了双向挤压型、沉 降、过滤复合机型。目前，较先进的机型都采用计算机控制，会随着物料特性和参数的变 化自动调节其相应的工况。 f 3 1 产品进展缓慢。国外分离设备的新产品进展很快，通一到两年就有新的产品进 人市场，而且还储备所谓“冷冻产品”以适应市场竞争之需要。而国内新产品的投产， 由于种种原因需三至五年才能从产品设计至批量生产。 ( 4 ) 其它方面。在产品的可靠性、稳定性、自控技术、加工工艺、新材料的使用、 配套产品的品质，以及理论研究等方面，均存在不少的差距。 离心机的产品有很多种，下面简单介绍两种离心机的工作原理及特点。 ( 1 ) 螺旋卸料沉降离心机1 w ：螺旋卸料沉降离心机主要由高速旋转的转鼓、与转鼓 转向相同且转速比转鼓略高或略低的螺旋送料器和差速器等部件组成，如图1 1 。需分 离的悬浮液进入离心机转鼓后，高速旋转的转鼓产生强大的离心力把比液相密度大的固 相颗粒沉降到转鼓内壁，由于转鼓和螺旋送料器的转速不同，两者存在相对运动r 即转 速差) ，利用螺旋送料器和转鼓的相对运动把沉积在转鼓内壁的固相推向转鼓大端出口 排出，分离后的清液从离心机转鼓外与壳体之间的通道捧出离心机外。这类离心机分离 因数较高，可连续操作分离性能较好，对物料适应能力强f 可分离固相粒度范围为 00 0 5 m m - 2 t m n 对进料浓度的变化不敏感( 可分离悬浮液容积浓度l 5 0 ) ，操作压 力一般为常压，处理量大，最大可达1 9 0 m 3 h 等优点1 4 】。 凹1 1 螵旋卸料沉降离心机 f i g j 1s c f 0 1 1d i s c h 盯g es c a v e nc a m t r i f u g 大连理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 碟式分离机：所有碟式离心机都包含一组锥形盘片，它由沉降的液流所分隔， 形成板片之间的通道，如图1 2 所示。料液从固定进料管进入旋转鼓，并通过分配器流 入叠置盘片之间，在那里进行悬浮颗粒的分离。碟式离心分离机专用于比重差较小的不 同相混合流质物料的分离，其中比重较小的物料称为轻相，比重较大的物料称为重相。 碟式离心机工作原理可以简单解释为：在高速旋转的转鼓中存在强大的离心力场，进入 转鼓并随着转鼓高速旋转的轻重相物料，由于存在比重差，在同一离心力场中受到的离 心力并不完全相等，由此产生“离心压差”，并导致轻重相分别走向碟片的内外缘，直 至最终完全分离。 我们把转鼓中轻重相开始互相分离的环形圆柱面叫做轻重相分离界面，简称界面。 一般情况下，碟式离心机的转鼓结构在设计时，首先假定一标准液料，该标准液料的流 量、粘度、温度、比重及其轻重相含量比例等参数在可控范围内都是恒定的。然后再设 定一组均匀分布于碟片上的进料孔r 进料孔可以为圆形或长圆形，所有的进料孔均匀分 布在同一圆柱面上) ，使从该进料孔位置开始，轻相和重相通过碟片间隙分别到达碟片 的内缘和外缘所需的时间一样长。这时，所有碟片上的进料孔中心点所围成的圆柱面就 是理想分离界面。最后，以理想分离界面为基础，设定轻重相出口流道在转鼓中的最小 口径，使在离心力场下实际分离界面位置刚好落在理想分离界面上，此时的分离状态就 是理想工作状态。碟式分离机主要技术参数为：转鼓直径范围一般为1 5 0 m m 一1 0 0 0 r a m ， 转速6 0 0 0 1 0 0 0 0 转分，分离因数5 0 0 0 1 4 0 0 0 ，当量沉降面积最大达3 0 0 0 0 m 2 ，生产能 力最大达1 0 0 m 3 h 。适用于液一液及液一固两相分离。 图1 2 碟式分离机 f i g 1 2 d i s ks e p a r a t o r 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 1 2 水力旋流器 1 2 1 水力旋流器的发展 水力旋流器是一种湿化机械分离操作单元设备，在正常操作条件下，其分离精度比 较高，因而应用十分广泛，水力旋流器的研究与应用迄今已有一百多年的历史【5 , 6 1 。1 8 9 1 年b r e t n e y 7 】在美国申请了第一个旋流器专利。1 9 1 4 年水力旋流器正式应用于磷肥的工 业生产。2 0 世纪3 0 年代后期，水力旋流器以商品的形式出现，主要是应用于纸浆水处 理。从2 0 世纪4 0 年代前期开始，水力旋流器开始用于选煤行业。1 9 5 3 年，v a nr o s s u m i i a n g 将水力旋流器用于脱出油中的水分瞵j 。 2 0 世纪6 0 年代以后，人们开始将旋流器用于试验设备以及其他更广泛的工业领域， 主要有矿冶行业中的颗粒分级、矿物质回收与水处理【9 1 ；化学工业中液液萃取、固液滤 取、结晶；空间技术中的零重力场分离；机械加工行业中回收润滑油及贵重金属；电子 工业中回收稀有会属；生物化学工程中的酶、微生物的回收；食品与发酵工业的淀粉、 果汁、酵母等水的分离以及石油工业中的油水分离、油水气分离与油水泥分离等。 2 0 世纪8 0 年代以后，有更多的科技工作者致力于旋流分离器的研究和推广应用。 英国b h r a 流体工程中心发起的旋流分离器国际学术研讨会，更是将旋流分离器的发展 推到了极致。在高速发展的科学技术带动下，水力旋流器也正在逐步发展成具有高技术 含量的分离设备【l o j 。在我国，从2 0 世纪9 0 年代以来掀起了对旋流器特别是多相分离旋 流器的研究和开发热潮。 1 2 2 水力旋流器的工作原理 典型的静态旋流器由圆筒和圆锥筒连结而成，包括溢流管、底流管、进料管等主要 部件组成，见图1 3 。悬浮液以较高的速度由进料管沿切线方向进入水力旋流器，由于 受到外筒壁的限制，迫使液体做自上而下的旋转运动，通常将这种运动称为外旋流或下 降旋流运动。外旋流中的固体颗粒受到离心力作用，如果密度大于四周液体的密度( 这 是大多数情况) ，它所受的离心力就越大，一旦这个力大于因运动所产生的液体阻力， 固体颗粒就会克服这一阻力而向器壁方向移动与悬浮液分离，到达器壁附近的颗粒受到 连续的液体推动沿器壁向下运动，到达底流口附近聚集成为大大稠化的悬浮液从底流口 排出。分离净化后的液体( 当然其中还有一些细小的颗粒) 旋转向下继续运动，进入圆锥 段后因旋液分离器的内径逐渐缩小，液体旋转速度加快。由于液体产生涡流运动时沿径 向方向的压力分布不均，越接近轴线处越小而至轴线时趋近于零，成为低压区甚至为真空 区，导致液体趋向于轴线方向移动。同时，由于旋液分离器底流口大大缩小，液体无法 火连理一f ：人学硕士学位论文 迅速从底流口排出，而旋流腔顶盖中央的溢流口由于处于低压区而使一部分液体向其移 动，因而形成向上的旋转运动并从溢流口排出，这样便完成了分离的过程。 迸 图1 3 水力旋流器结构 f i g 1 3c o n f i g u r a t i o no fh y d r o c y c l o n e 1 2 3 水力旋流器的特点 ( 1 ) 结构十分简单，内部没有任何需要维修的运动件、易损件和支撑件，也无需滤料 等。其结构与容器十分相似，用管线连接，以阀门控制即可操作。 ( 2 ) 占地面积小，安装方便，运行费用低。这对于设备安装受空间限制的许多场合， 如海洋平台、远洋船舶及土地十分紧张的地区，都有特殊的意义。同时，由于质量轻，不 需要特殊的安装条件，只需简单的支承和管线连接即可工作。 ( 3 ) 使用方便、灵活。可以单台使用，也可以并联使用以加大处理量，又可以串联使 用以增加处理深度。 ( 4 ) 处理工艺比较简单，运行参数确定后可长期稳定运行，管理方便，社会效益和经 济效益明显。 1 3 动态水力旋流器 1 3 1 动态水力旋流器的国内外发展概况 动态水力旋流器最初是为了适应海洋平台上处理含油的油田产出水而开发的【1 1 1 。在 此之前，海上石油生产用的水处理设备与陆上使用的设备类似，质量重、占地面积大、 费用高、不能满足海上平台的要求。虽然普通静态水力旋流器具有一系列优点，但该设 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 备在使用上仍受到一定的限制，这是由其操作条件等因素所决定的。首先，静态水力旋 流器为获得较大的离心力场，需要有较高的入口压力，一般在0 6 m p a 以上，同时压力 损失较大，一般在0 3 m p a 以上；其次，普通水力旋流器额定处理量变化小，当处理量 偏离额定处理量时，分离效率会大大降低；此外，单根水力旋流器尺寸较小，处理量大 时必须安装多根水力旋流器单体。根据以上存在的诸多问题，1 9 8 4 年在欧共体委员会的 经济支持下，t o t a lc f p 和n e y r t e c 公司决定合作开发用于原油产出水处理的污水 除油新方法，以减少海洋平台上设备的质量及总体尺寸。在被研究的处理设备之中，“旋 流器”路线得到了极大的推许。最终研究结果发展了旋转式水力旋流器，使其与常规设 备相比其质量及总体尺寸减少1 1 0 1 2 0 ，同时提高了除油效率。 我国在此方面的技术研究起步较晚，上个世纪9 0 年代，动态水力旋流技术被引入我 国【1 2 1 。1 9 9 7 年，为解决大庆油田注聚采出液的处理难题，大庆石油学院开始了该技术的 研究工作，并于当年试制了国内第一台动态水力旋流器样机。当年8 月，该样机在大庆 石油管理局某中转站投入现场试验，其主要分离指标为：当聚合物含量在4 0 0 p p m 左右， 水中含油2 0 0 0 3 0 0 0m g 1 时，经动念水力旋流器一级处理后含油量可降多j 2 0 0 m g l 以下。 2 0 0 1 年，大庆石油学院将动态与静态旋流分离技术有机地结合在一起，研制出了具有动 态与静念水力旋流器的双重优点的复合式水力旋流器。弥补了动态水力旋流器的不足， 如使振动大大减弱，机械可靠性及运行寿命得到提高；液流旋转仍由外部动力驱动，与 静念旋流器相比，仍具有较高的分离效率，成为当前水力旋流器研究的热点。 1 3 2 动态水力旋流器的结构及操作原理 动态水力旋流器有一个混合液入口和轻质相、重质相出口，主要的部件有：旋转简、 入口锥、进口叶片及导管、电机及传动链轮等，如图1 4 所示。 量含蕾盗口 图1 4 动态水力旋流器结构 f i g i 4c o n f i g u r a t i o no fd y n a m i ch y d r o c y c l o n e 人连理工大学硕j 仁学位论文 其操作原理是：在电机驱动和链轮传动下，旋转筒作高速旋转。待分离混合液自进 口叶片及导管进入旋转筒，在旋流分离腔中由于粘性剪切作用而产生高速旋流的强离心 力场，由强离心力场的作用实现混合液的分离，轻质相趋向轴心，并沿设于轴心的轻相 出口流出，重质相向筒壁外侧运移，并从轴心线外侧的重质相出口流出。调节旋转筒的 转速可改变旋流分离腔内的离心力场强度，从而满足混合液的不同分离质量要求。 1 3 3 动态水力旋流器的特点 与静态水力旋流器相比，动态水利旋流器具有以下几个特点： ( 1 ) 入口压力低，压力损失小。静态水力旋流器入口压力一般应在0 7 2 1 m p a ，以 便驱动液流旋转，建立所需要的离心力场，其压力损失相对较大，一般在0 3 m p a 以上； 动态水力旋流器入口压力一般应在0 3 9 1 3 3 m p a ，其压力损失相对较小，一般在0 2 m p a 以下。 ( 2 ) 操作弹性大。在高效区上，动态水力旋流器可在额定处理量的1 0 2 0 0 下运 行，而静态水力旋流器只在额定处理量的4 0 1 0 0 下运行；在处理量上，静态旋流器 分离效率受处理量变化的影响较大，入口流量减少时其效果下降明显。而动态水力旋流 器在流量减小时，其分离效率反而提高。其原因一方面在于动态水力旋流器具有较强的 离心力场，另一方面在于相对提高了液相在设备内的有效停留时问。在处理量加大时， 两者的分离效率都有所下降，静态旋流器分离效率的下降更为明显。 ( 3 ) 结构复杂，制造成本高。静态水力旋流器没有运动部件，基本不需要维护工作。 动念水力旋流器设备结构复杂、制造成本高、维护工作量大，存在有动平衡和动密封问 题，在底流出口附近易产生固体颗粒的聚积而形成污垢，当轴向速度较小时有可能出现 堵塞。 1 4 分离设备的工艺指标 1 4 1 分流比 分流比表示分散相料液排出口处的体积流量占进口体积流量的比值。对于固液分离 来说，分流比也叫做流量比，其定义为 ，：鱼 ( 1 1 ) q 在固液分离中，一般底流口为固体颗粒的卸料口，直接与大气相接，这种工作方式 决定了固一液分离中分流比的大小不可以随便调节，虽然可以通过改变进出口管径等方 式调节分流比，但是这种调节范围也相当有限。而且，如果底流口与溢流口尺寸的大小 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 与进口料液中固体颗粒的浓度不相匹配，很可能造成底流口处固体颗粒的堵塞而影响旋 流器正常工作。一般来讲，固液分离中，分流比越大，会有更多的固体颗粒从底流口流 出，会提高旋流器的分离效率。但是，如果分流比增大，底流中的含湿量也会增大，存 在二次处理的问题。所以，旋流器在保证有较高的分离效率的同时，还要有较小的分流 比。 1 4 2 分离效率和修正分离效率 总分离效率简称为分离效掣1 3 】。分离效率是衡量分离设备分离过程进行完善程度 的技术指标，它是指进入分离设备的物料中，被分离的分散相物料占进口料液中该分散 相物料的比例。它具有明确的物理意义，同时能从质与量两方面反映出设备性能的好坏， 操作参数的优劣等，是改进设备结构优化操作参数的主要技术依据。 对于旋流器的固液分离过程来讲，人们习惯上用被分离物料的质量来表示分离效率 占：堕( 1 2 ) 朋 式中 m 。底流口处分散相固体颗粒的质量流率，姆i s ； ，l 进口处分散相颗粒的质量流率，堙s 。 如果已知进口、底流口、溢流口处分散相的质量浓度趴巳、c o ，则分离效率可以 表示成 ：三( 1 3 ) c g 式中 g 、g t ，进口、底流口处流体的总质量流率。 根据物料衡算可有 g = 瓯+ g 口 ( l4 ) c g = c u 瓯+ c o g o ( 1 5 ) 式中 e 溢流口流股的质量流量。 将式1 3 和式1 4 代入式1 2 可得 g ：幺生二鱼!( 1 6 ) c ( e c o ) 分离效率是旋流器实际操作过程中获得的真实分离效率，之前定义的分离效率还不 足以反映旋流器在离心力场作用下的净分离能力。假如一个旋流器没有离心力场，待分 离料液从进口流入，从溢流和底流口流出，也是具有一定的分离效率的，其大小正好等 人连理1 j 大学硕十学位论文 于分流比。所以如果要表示旋流器的净分离能力，还必须扣除分流比对分离效率的影响。 为此，在此引入修正分离效率的定义。 修正分离效率是假定扣除分流比的影响后的分离效率，即假定从进口流股以及分散 相排出流股中都去掉相当于分流比的流量中所夹带的分散相物质量以后获得的分离效 率。修正分离效率计算公式为 占= 三二! ( 1 7 ) 1 一f 式中，f 为分流比。 1 4 3 分级效率 分离效率或分级效率只能表示水力旋流器针对具体物料的分离结果。当物料的性质 不同时，同一旋流器的分离效率也会发生改变。因此，衡量水力旋流器性能的优劣不仅 要看其分离效率还要看分级效率。分级效率是指水力旋流器对单一级别粒度颗粒的分离 效率。假定进口料液中颗粒为单一的粒径，则针对这种粒径的颗粒可得到一定的分离效 率，然后改变进口料液中颗粒的粒径，再获得分离效率的数据，这样就可以得到分离效 率与分散相颗粒粒径的曲线。这种曲线在圃液分离中被称为级效率曲线，记为g ( d ) ，为 颗粒粒径d 的函数。 计算公式为： g ( d ) ：螋 ( 1 8 ) 、 m f ( d ) 式中，l ( d ) 、f ( d ) 分别表示底流和进料中粒径为d 的颗粒的质量百分数；纸、m 分别表示底流和进料中分散相颗粒的质量流率，妇s 。 与修f 分离效率相对应，扣除分流比影响后的级效率称为修j f 级效率，修正级效率 g ( d ) 与级效率g ( d ) 之间的关系为： g t ( d ) ：g ( d ) - f ( 1 9 ) 1 一f 1 4 4 分离粒度 分离粒度d ，。是衡量旋流器分离分级能力的一个重要指标。旋流器的分离粒度定义 为，进料中某一粒度的所有颗粒中有5 0 被分离进入底流，另外5 0 n 被分进溢流。这 种在分离时具有等概率特性的颗粒的粒度便被称为分离粒度氏。分离粒度以。便是分级 效率曲线上5 0 级效率所对应的粒度。因为修正后的效率才能有效地反映净分离效果， 所以，这晕的分离粒度指5 0 修正效率所对应的粒度以。，称为修j 下分离粒度。 一9 一 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 旋流分离器分离粒度的大小只是旋流器的一个重要分离指标，但并不是主要用来判 定旋流器分离性能的好坏。如果旋流器用于固液分离过程，则分离粒度以。越小越好； 但如果用于分级过程，则要根据工艺场合要求而定，可能要求分离粒度以。较大，也可 能要求其较小。 1 4 5 压力损失 从某种意义上来说，旋流器内部压力损失可以表示旋流器内部的能量损失。旋流器 的内部能量损失可以表示为进口能量减去出口能量，即 z k e = 巨一( e o + e ) ( 1 1 0 ) 式中丝旋流器内部能量损失； 巨进口处流体能量，表示为 e ：旦+ 上g z( 1 11 ) p 2 只和v 分别为进口处流体压力和速度； 乞溢流出口处流体能量，表示为 耻p 。o + 堕2 ( 1 1 2 ) p 见和匕分别为溢流口处流体压力和速度； 瓦底流出口处流体能量，表示为 邑：丝+ 善 ( 1 1 3 ) 见和屹分别为底流口处流体压力和速度。 由于旋流器的底流体积流量与溢流体积流量之比通常很小，故底流出口能量互，可以 近似忽略不计，这样将式( 1 1 0 ) 和式( 1 1 1 ) 带入式( 1 9 ) ，则有 1 a e 二( 仍一p o ) + 寺( v i 2 一乞) ( 1 1 4 ) p 二 又由于进口流动面积和溢流口流动面积可近似相等，而底流流量已被忽略不计，则 有则有m 1 o ，于是有 大连理下大学硕士学位论文 a e 二( 只一p o ) = 二卸 ( 1 1 5 ) pp 式中，p 为旋流器内部压力损失，通常称为溢流压力降。显然，p 可以近似地被 视为旋流器内部能量损失的直观衡量指标。 1 5 本文课题研究内容 油田采出液的大量含砂对地面集输设备会造成极大的破坏，目前油f f l 上应用的除砂 方式有重力沉降、过滤除砂、离心除砂以及旋流器除砂等几种形式【1 4 】。本课题将离心机 与水力旋流器的特点结合到一起，研制出一种用于油砂分离的中心迸料式动态水力旋流 器，该设备具有处理量大，可达4 0 m 3 h ；处理量变化范围较大，可从l o m 3 h 变化至4 0 m 3 t l ； 压力损失小；离心力强，分离效率高；可连续操作等优点。 具体研究内容如下： ( 1 ) 对中心进料式动态水力旋流器进行结构设计，力求使其具有结构简单、易拆卸、 运转平稳等优点。 ( 2 ) 加工出设备以后建立实验装置测试平台。 ( 3 ) 对中心进料式动态水力旋流器进行实验研究，考察各种操作参数对其压力损失 和分离效率的影响。 ( 4 ) 利用f l u e n t 软件，对中心进料式动态水力旋流器进行数值模拟，分析其内部流 场及各种能耗损失，考察叶轮尺寸对压降的影响。 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 2 中心进料式动态水力旋流器的结构特点 本文设计的中心进料式动态水力旋流器的基本结构是在静态旋流腔内加入可旋转 的叶轮，基本结构简图如图2 1 所示。其工作原理是流体通过中心进料管直接进入叶轮 的中心，通过高速旋转的叶轮获得较大的切向速度，并在静态旋流腔内完成固液两相分 离的过程。在结构设计过程中，结合理论分析和数值计算等方法力求使该设备的结构具 有压力损失小、分离效率高、易于实现等优点。 1 叶轮2 旋流腔3 溢流管4 底流口5 溢流出口 图2 1中心进料式动态水力旋流器基本结构见图 f i g 2 1 t h ec o n f i g u r a t i o no fc e n t r a lf e e d - i nd y n a m i ch y d r o c y c l o n e 2 1 旋流腔尺寸结构 本文中心进料式动态水力旋流器旋流腔尺寸为标准固液分离水力旋流器尺寸。直径 d = 2 0 0 m m ，锥角2 0 。对于静态旋流腔，其他比较重要的结构参数有筒体柱段高度，溢 流口直径d o 和底流口直径d 。 柱段高度主要影响旋流器的分离粒度，分离效率和能量消耗【1 5 】。增大柱段高度可延 长分离时间，减小分离粒度和提高分离效率，但亦会增加旋流器的能耗；减小筒体高度 时，则会得到相反的结果。在通常条件下，标准旋流器选用较短的筒体：h = ( o 5 0 , - - - - 1 0 0 ) d 。 本文中选取柱段高度h = 2 0 0 m m 。 溢流口直径主要影响旋流器的生产能力、分离粒度、分离效率和产物分配。在一般 情况下，当溢流口直径增大时，其生产能力增大。但是会造成一些细颗粒未完成分离便 进入溢流中，导致分离效率的降低和分离粒度的增大。本文选用溢流管直径为7 6 m m 。 人连理。 人学硕七学位论文 底流口直径也是对旋流器分离指标有重大影响的因素之一。底流口直径减小，会使 一些颗粒无法从底流口中排出，导致溢流颗粒变租，分离效率降低。如果底流口直径进 一步减小，则会发生底流口堵塞现象造成卸料困难。本文中旋流器在底流口中心插有 溢流管，所以底流口的直径只能换算成当量直径，本文旋流器选用底流口当量直径为 3 8 m m 。 22 旋流发生部件 旋流发生部件是中心进料式动态水力旋流器最丰要的部件之一，通过它的高速旋转 而产生较强的离心力场，其性能的好坏直接影响旋流器的分离效率和压力损失等重要指 标。本文设计了两种形式的叶轮，分别为涡流板式和直板式。 考虑的到涡流板式叶轮既要对流体加速又要起到一定的增压作用，选择叶片形式为 后弯叶片，叶轮外缘直径1 5 0 m t n ，流动角目- - 4 5 ，高度有两种尺寸，一种高度为8 0 n u n ， 下文称使用该叶轮的实验样机为i 型实验样机；另一种高1 0 0 m m ，下文称使用该叶轮 的实验样机为i i 型实验样机。涡流板式叶轮的特点是增压能力强，叶轮中心压力低，有 利于降低入口压力。涡流板式叶轮实物见图2 2 。 删22 涡流板式n 轮 f i g22c o n f i g m t i o no f i m p e l l 盯 直板式叶轮外缘直径1 5 0 m m ，高l o o m m ，叶片宽度4 3 r a m ，叶片个数为1 0 个，下 文称使用该叶轮的实验样机, g i l l 型实验样机，直板式叶轮的特点是产生的离心强度大。 直板式叶轮实物见图2 3 。 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 圈23 直极式叶轮 f i 9 23c o n f i g u r a t i o n o f i m p e l l e r 两种形式叶轮叶片的下端设有挡板 一部分待分离料液直接从叶轮底部流出 23 进料方式 其作用一是对n r 片起到加固的作用，二是防止 直接进入内旋流的清液中，从而影响分离效率。 h 目 进料口2 空心管轴3 皮带轮4n l 轮中心5 叫轮 蚓24 进料结构示意蚓 f i g24f e e d i ns k e t c h m a p 要保证旋流器具有较小的压力损失 进料式动态水力旋流器擐突出的特点之 需寻求一个合理的进料方式。进料方式是中心 。该动态水力旋流器进料结构为空心管轴，待 大连理t 大学硕十学位论文 分离料液通过进料口进入空心管轴，并直接进入与管轴相连的叶轮中心，通过叶片之间 的缝隙进入旋流腔，待分离料液通过高速旋转的叶轮而获得较大的切向速度，进而在旋 流腔内完成分离过程，进料结构示意图如图2 4 。当液体被甩出叶片时，由于流体流动 的连续性会在叶轮中心排液口处形成低压区，从而降低了旋流器的整体压降，达到了减 小能耗的目的。 2 4 溢流管结构 2 4 1 溢流管布置方式 旋流器内的流体按其流动特性可分为自由涡区和强制涡区 1 6 】。强制涡区即旋流器内 空气柱及其邻近区域，强制涡区以外区域属于自由涡区。旋流器内的主要分离过程都发 生在自由涡区，强制涡区基本不参与分离，反而还因强制涡区内的湍动以及能量损失等 因素，造成对分离的不良影响，使分离分级效率较低，致使旋流器的能耗较高。本文设 计的中心进料式动态水力旋流器中，溢流管插在旋流腔的中心，相当于置于强制涡区的 辅助构件，占据了空气柱的位置，这样在一定程度上削弱了强制涡流运动，进而可以 降减旋流器的内部损失。溢流管布置如图2 5 所示。 1 溢流管2 旋流腔3 底流口 图2 5 溢流管布置不意图 f i g 2 5 p o s i t i o no fo v e r f l o wp i p e 2 4 2 溢流入口形式的设计 溢流入口形式直接影响旋流器溢流出口能量损失，前文已论述旋流器的溢流压力损 失基本可以表示旋流器的整体能耗。对于普通的轴向溢流入口形式，会在溢流入口处存 在准强制涡运动，此处的切向速度较大，所以对于普通的轴向进料溢流入口形式来说， 溢流入口处会由于准强制涡的存在而损失大量的能量，导致了旋流器溢流压力较低，压 中心进料式动态水力旋流器的性能研究 力损失较大。因此，采用一种合理的溢流入口结构从而降低溢流入口处能量损失是降低 旋流器整体能耗的关键。本文采用的溢流入口形式为径向溢流入口溢流管的上端开有 一些均稚的条形进料孔，