（化工过程机械专业论文）用于气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究.pdf

用于气水渺三相分离的水力旋流器的实验研究 摘要 随着我国众多老油附含砂、含气的增多，原油除砂、除气追在眉睫。本论文研制了 一种用于气液固三相分离的水力旋流器，一次实现气一水一砂的三相分离；对液固分离水 力旋流器进行单体及串联系统的性能测试，以有效的进行三相分离水力旋流器的砂库结 构的改进：应用数值模拟的方法得到旋流器流场的基础信息。 在两相流分离的理论模型与经验模型的基础上，本文设计旋流器的具体结构：入口 为之7 0 的入口管，使得入口混合流成层流状态，入口扰动较小；入口喷嘴为矩形，能够 最大程度降低入口能耗：柱段长度较长，实现气体带液和液体带气都很少；溢流管结构 不插入旋流器顶部，消除短路流现象；2 0 0 锥角实现较大砂粒的分离，锥段底部侧壁开 口，保证排砂顺畅：气体出日管和液体出! z i 管保证出口气液流速不会过大。 对此旋流器进行性能测试，从而得出结论：该旋流器可以有效的分离气液固三相组 分；旋流器有效工作有虽小压力和最大压力，以及最小流量和晶大流量的要求；随流量 增大，旋流器底流丌三芹、溢流瓜蓐都埔大；气液比越大，旋流器的能耗越多：但气液比 增大，旋流器的压i i 犟l l d l 乎不变：降低入口的流肇和混合液的气液比是最可行的降低旋 流器能耗的方法。 通过液同分离用水力旋流器单体以及串联系统性能的测定，对旋流器串联系统进行 整体评价。液固分离水力旋流器单体有最佳的工作范围、最小工作压力的要求，分离性 能指标受入u 混合物的物性的影响；小直径小锥角水力旋流器分离粒度小、处理量小、 压降大、分流比大：大蓖狰大锥角水力旋流器分离粒度大、处理量大、压降小、分流比 小；串联旋流器系统操作压力大，单级效率并没有提高，二级旋流器由于扰动较大陆能 降低，出口能耗增多；根据串联系统的性能特点，分析得出结论：三相分离旋流器性能 比旋流器串联系统性能更佳。 本文对此三相分离旋流器以及液固分离旋流器进行数值模拟，得到单相流场的基本 信息。流场信息与理论预测和实验结论吻合良好。 关键词：液固分离式旋流器；管柱式旋流器：三相分离；研制： 用于气- a - 程) 三相分离的水力旋流器的实验研究 s t u d yt h eg a s - l i q u i d - s a n dt h r e e - p h a s eh y d r o c y c l o n e a b s t r a c t w i t ho u rc o u n t r yn u m e r o u so l do i lf i e l dc o n t a i n i n gm o l ls a n da n da i r , i ti su r g e n tt oc r u d e o i lg e tr i do fs a n da n da i r t h i st h e s i sd e v e l o p e dak i n do fh y d r o c y c l o n et os e p a r a t eg a s - l i q u i d - s a n dt h r e ep h a s e s c a r r yo ns i n g l ea n dc o n t a c ts y s t e mf u n c t i o nt e s tt ol i q u i d s o l i dh y d r o c y c l o n e ， i no r d e rt oi m p r o v et h es t r u c t u r eo f s a n ds t o r e h o u s eo f t h r e e - p h a s eh y d r o c y c l o n e u s en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt og e tb a s i cm e s s a g eo f f l u i df i e l d b a s eo nf l o w i n gt h e o r ya n de x p e r i e n c i n gm o d e lo ft w op h a s e ss e p a r a t i o n , d e s i g nt h e c o n c r e t es t r u c t u r e e n t r yf o 卜2 7 0 m a k ee n t r yf l o wl a m i n a r ，g e tr e l a t i v e l yl e s sp e r t u r b a t i o ni n e n t r y t h es p r a yn o z z l ei sr e c t a n g l e ，c a l lr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nt ot h eg r e a t e s te x t e n t t h e l e n g t ho fp o s ts e c t i o n sr e l a t i v e l yl o n g e r , r e a l i z eg a sb r i n gl e s sl i q u i da n dl i q u i db r i n gl e s sg a s o v e r f l o wp i p ed o n ti n s e r ts w i r ld e v i c et o p c a na v i o ds h o r to u tp h e n o m e n o n 2 0 0a w lc o m e r r e a l i z eb i gs a n ds e p a r a t i o n ，o p e no n e sm o u t ho na w ls e c t i o n so f b o t t o ms i d ew a l l ，u n l o a df , a n d s m o o t h l y g a se x p o r ta n dl i q u i de x p o r ti si nc h a r g eo f g a s l i q u i do u tv e l o c i t yb e i n gn o t t o of o s t c a r r yo nt h ef u n c t i o nt e s t t ot h i sh y d r o c y c l o n e t h u sd r a wt h ec o n c l u s i o n ：t h r e e - i l i a s e c o m p o n e n ts e p a r a t i o ni se f f e c t i v e h y d r o c y c l o n ew o r ke f f e c t i v e l yh a st h er e q u e s to fm i n i r i u m a n dm a x i m u mp r e s s u r e ，m i n i m u ma n dm a x i m u mf l o w i n c r e a s ew i t hf l o w , s w i r ld e v i c eb o t t o m f l o wa n do v e r f l o wd i f f e r e n c eo fp r e s s u r ei n c r e a s e t h eg r e a t e ro ft h eg l ri s ，t h em o i le n e r g y c o n s u m p t i o n ；b u tg l ri n c r e a s i n g ，p d rh a r d l yt oc h a n g e r e d u c i n ge n t r yf l o wo rg l ri s f e a s i b l em e t h o dt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n s u r v e ya n da p p r a i s es i n g l ea n dc o n t a c ts y s t e mf u n c t i o no fh y d r o c y c l o n e d r a wt h e c o n c l u s i o n ：t h es i n g l eh a st h er e q u e s to fm i n i m u mw o r k i n gp r e s s u r e ；t h ep e r f o r m a n c ei s a f f e c t e db yp r o p e r t i e so ft h em i x t u r e s m a l ld i a m e t e ra n dl i t t l ea w lc o m e rh y d r o c y c l o n eh a s b e t t e rs e p a r a t e ，l o w e rw o r kc a p a c i t y ，l a r g ep r e s s u r ed r o pa n dd i f f i u e n c er a t i o l a r g eo n e ，h i g h e r w o r kc a p a c i t y ，s m a l lp r e s s u r ed r o pa n dd i f f i u e n c er a t i o c o n t a c ts y s t e mp r e s s u r e sd r o pe v e n l a r g e r , s i n g l ee f f i c i e n c yi s n o ti m p r o v e d ，t h es e c o n dp e r f o r m a n c ei sr e d u c e db yp e r t u r b a t i o n ， e x p o r te n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e a c c o r d i n gt op e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co f c o n t a c ts y s t e m ， d r a wt h ec o n c l u s i o n ：t h ep e r f o r m a n c eo f t h r e e p h a s eh y d r o c y c l o n ei sb e t t e rt h a nc o n t a c ts y s t e m c a r r yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h i st h r e e - p h a s eh y d r o c y c l o n ea n dh y d r o c y c l o n e ，g e tb a s i c i n f o r m a t i o no fs i n g l e p h a s ef l u i df i e l d f l o wf i e l di n f o r m a t i o ni si d e n t i c a lt op r e d i c tw i t ht h e t h e o r ya n de x p e r i m e n tc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：c y c l o n e ；c y l i n d r i c a lc y i o n e ；t h r e e p h a s es e p a r a t i o n ；d e v e l o p ； i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另t ! d n 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：日期：，一j 岁巧 用于气水形三相分离的水力旋流器的实验研究 引言 水力旋流器是一种分离非均匀相混和物的分级分离设备。可以用来完成液体澄清、 固相颗粒洗涤、液体除气与除砂、固相颗粒分级与分类，以及两种非互溶液体的分离等 多种作业。水力旋流器具有结构简单、无运动部件、设备紧凑、占地面积小、设备成本 低和处理量大等许多优点。水力旋流器按用途分类可以分为：分级【l 】、分离口】、浓缩 1 3 1 、洗涤【4 1 、澄清”1 、脱泥除气1 6 1 。迄今已经在矿物加工、化工、石油、轻工、环 保、采矿、食品、医药、纺织与染料业、冶会、机械、建材及煤炭等众多工业部门获得 了广泛的应用；而且由于水力旋流器结构及型式的f 1 趋多样化，其应用领域仍在不断拓 展，例如近来已有水力旋流器应用到生物工程及电解业等领域中的报导。 在国内，水力旋流器的应用f 受到越来越多的工程师们的关注。就目前的情况，水 力旋流器的工作原理是利用混合相之间密度差不同，在流场中受到的离心力和流体曳力 不n 日进行分离的。水 符ir r i 。要分离的混合物在卜部沿侧面切向送入圆柱腔内，在圆f t 腔内产 ，e 百速旋转流场。混介物密度大的组分红旋转流场的作用下同时沿轴向向f 运动，沿着 径向r ；, j 夕l - 运动，相i 到达器l 镀后沿卉器啦向f 运动，并山底流口排出，从而形成外涡雠： 擀度小的组分t , , t l , # l l l 线力薹动，并化轴线t 仙d 彤成一向上运动的内涡旋，然后i f 溢 流il 排h ，这样就达到了分离的e 的。 当6 口我国大量老油刚进入中期丌发阶段，采m 沛携带人量油砂，= f = j 。7 l - 大醚的伴乍 气。除油、除砂成为不可缺少的工业作! i 上。e l 前，油用伴生气和油砂的分离普遍采用常 规沉降式分离器，它的体积及占地面积人、重量重、投资及运行成本商。油气砂的分离 方法有两种：1 分别进行除砂、除气，即进行两次分离：2 由f 油气砂三相问存在较 大的密度差，而旋流器足利用分离相问的密度差进行分离的，有一次实现三相分离的潜 力。设计三相分离的旋流器一次实现除砂、除气。本文拟用后种思路进彳一种三相分离 旋流器的可行性实验。 e l6 d 旋流器应用于混合相分离包括：固一围分离、到液分离、液一气分离、液，液分 离、以及三相同时分离。所谓三相同时分离，这艰包括固一液一气三相同时分离、液液 气三相同时分离以及固一液一液同时三相分离。在用水力旋流器进行三相同时分离中，固一 液一液三相同时分离方面的作业已有文献报导，主要用于从含油污水中同时除去油和悬 浮物。b e d n a r s k i 和l i s t e w n i k 提出了从含油污水中同时除去油份和砂粒的旋流器t 。i 。该 旋流器处理含少量油和砂粒的污水时，除油牢可达8 0 以上，排砂率u r 达4 7 。其他三 相同时分离旋流器技术均未有报道，其软件硬件技术均有待于进一步的发展。 用于气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 1 绪论 1 1 水力旋流器的前人研究青况 水力旋流器最早在1 8 9 1 年就取得了专利，由于结构简单、便于制造和安装，以及 处理量大等优点，受到了各国选矿专家的推崇。从2 0 世纪5 0 年代起，旋流器的应用领 域以及规模均得到了迅猛的发展，同时不断地吸引着越来越多的学者和工程师们致力于 旋流器理论与应用的研究。到了2 0 世纪8 0 年代以后，形成了相当大的规模。从1 9 8 0 年起，便丌始定期举行由英国b h r a 流体工程中心发起的旋流器分离国际研讨会，迄 今已历7 届。随着现代测试技术和计算与模拟技术的飞速发展，人们对旋流器的工作能 力及过程行为有了越来越深刻的认识，从而大大推动了旋流器结构型式的多样化及其应 用领域的不断拓展。可以说，存科学与技术r 新月异的今天，旋流器也在逐年发展成为 具有高科技含量的分离设备。存我国，从2 0 世纪9 0 年代以来对旋流器特别是多相分离 的水力旋流器的研究再r ij l ：发掀起了热潮。f l 前，无论是从科技界还是从工稃界来看，人 1 f i x , j - 旋流器的兴趣有增无减。 在旋流器技术的研究和丌发应用中盘何提r 岛其分离性能和如何降低其运行成本，自 始至终是倍受关 e 的两大问题。旋流器的运行费用主要取决j = 旋流器单元操作的隧量耗 损。因此，改善旋流器分离过程和降低旋流器能量损耗是广人科研工作者追求的两大目 标。而要改善旋流分离器能量耗损，首先就要弄清楚旋流器内部分离过程行为和能量损 耗行为，这就要基于对旋流器t q i n - 流场的深入认识。近年来，有科研工作者借助先进的 现代测试技术和计算机模拟等方法，在旋流器湍流结构与数值模拟、旋流器分离过程数 值模拟与强化旌流器能量耗损与节能原理、旋流器液液分离过程行为、旋流器浮选分离 和分级过程行为与特征、以及旋转流强化管式微滤膜分离过f i z ：l 仃7 + - - 为与理论等方俩，进行 了深入系统的研究，取得了一系p l j g , j 新性研究成果。 用于液液、液一固的两相分离技术经过多年的研究实验，已经得到较好的经验结论 和理论结论。由于旋流器分离机理复杂，三相分离的尝试将是一个很有前景的发展方 向。现阶段关于三相分离的研究还处于起步阶段，没有较好的可以借鉴的实践结论，还 需要进行较多的实验摸索。可以确定水力旋流器有这个性能的实现的潜力。可以预期未 来的实验研究将在此方向有很大的发展潜力。 一，一 用于气，拇砂三相分离的水力旋流器的实验研究 1 2 水力旋流器的理论发展 两相分离的理论是三相分离的基础，追踪两相分离的理论发展，有助于新的理论的 提出和实践。本论文的提出依托于已有的液固两相分离和气一液两相的分离的理论发展 而来。 1 2 1 液固分离用水力旋流器的研究进展 随着基础理论研究和测试技术的不断进步和完善，对旋流器的研制也在不断取得进 展。科学工作者长期对旋流器性能的湍流、短路流、空气柱等问题进行了深入的研究 后，提出一系列的行之有效的解决措施。 1 2 1 1 在消除水力旋流器的内部短路流方面进行的研究 众所周知，短路流现象是普通旋流器内流体流动的固有特征流动之一，是引起水力 旋流器溢流跑粗，分离产品中粗中有细的重要原冈之一。短路流的存在以及其流量的大 4 n 与溢流管的结构形状有直接的关系。因此控制短路流最重要的方法是从改进溢流管 的结构着手。王风光等人j 8j 曾经提出环流旁路旋流器，在顶盖和溢流管之i 日丌一坏隙引 ：b 短路流，并将短路流返回进料槽。实验结果表l 刿：环流旁路旋流器比普通的旋流器的 分绂效率提高8 v o & ：右。徐继涧等人 9 1 曾经提出厚鼻t 溢流管旋流器，溢流管壁厚增加， 可以加长短路流的路径，有设降低短路流流量，从而不仅能提高旋流器的分离敛；筝，并 能降低其内部损失。另外一些研究者则相继从改变短路流的方向着手以降低短路流流 量，他们通过改进溢流管的形状与插入深度或者通过在溢流管端部安装圆箍式姨臀域倒 向叶片等，将边界层内液体倒入外侧的循环流中。t z y g a n o v 等【1 0 i 还提出涡轮旋流器， 也在降低或消除短路流方面有较好的效果。褚良银等人1 提出一种锥齿型高效水力旋流 器，在溢流管外壁附加一些环形亡旨后，旋流器分离精度指数比普通水力旋流器提高1 8 倍。最近，有研究者提出在溢流管外壁附加与短路流方向相反的逆向螺旋以减少短路 流，实际效果还有待进一步实验验证。 1 2 1 2 在消除水力旋流器的空气柱以及改善中心部位的湍流方面进行的研究 空气柱对旋流器分离过程的利弊，长期以来有不同的认识，但近期来主要的观点认 为空气柱有弊无利。因为空气柱内部不发生任何分离过程，空气柱的存在内耗散掉的所 有能量( 包括流体动能及损失的压头) 对水力旋流器的分离过程都是没有贡献的；同 时，空气柱的大小与位置的波动既是流场不稳定的反映，又是3 n , n 流场不稳定的因素， 在一定程度上破坏了被分离颗粒在旋流器内的规律性分布，从而降低旋流器的分离效 率；另外，空气柱在气液截面作为水力旋流器内的流体的自由表面对旋流器的工作也 3 一 州r 气水- 砂二相分离的水力旋流器的实验研究 无益处l 。但对空气柱的消除问题，由于长期争论没有过多可以借鉴的方法，在以前的 研究中科研人员主要从防止底流吸入空气着手，常采用封闭底流或底流口像通常的溢流 那样外接足够插管内的管路的方法，这样破坏了旋流器正常分离过程，在实际生产中多 不采用；即使采用，旋流器的进料中含有足够量的气体，则同样难以完全避免空气柱的 脱。徐继润等人i j _ 则挺 | 以适“的阿体棒占据水力旋流器中原来空气柱位置来取消空 气杞的方法。实验表明，当冈体占满空7c 柱的何置时，内部损失平均降低了5 1 5 ，可 见其节能效果十分明显的，而且分离性能也能得到提高：但加设中心固体棒以后，旋流 器溢流量要减少，固体越裥，边界层截面积越大，向上流动的区域越小，溢流量的减少 也就越多。褚良银等人i i3 j 提出的新型高效旋流器，采用了中心插入部件结构( 特别是中 心翅片) 。希望可以有效消除的空气柱，而且把旋流器中心空气柱及其附近液体流动形 成的强制大涡破坏成小满，同时也使中心附近区域内流体速度的猛增趋势得到抑制，从 而抑制了压力能与动能之间的快速转换，从三方面有力的降低了水力旋流器的能量损 失。中心翅片的加入，可使水力旋流器处理能力明显上升，分离修诈效率和分离精度得 到提高，明显改进旋流器的分离性能【i ，因而显示出良好的应用前景。根据实际生产要 求，可选用不同的中心插入结构。 1 1 3 在破坏水力旋流器的边壁边界层对细粒的屏蔽作用方面进行的研究 任f “i 绕壁血的流体流动，住商雷诺数情况下都会在壁面附近形成一层速度梯度很大 晌溥层液体，这一薄流体层印是边界层。早在1 9 5 2 年d a n s t i o m t h j 就认识到旋流器壁边 界层对细粒的屏蔽作用方面进行了一些努力，边壁注水和边壁充气来破坏旋流器壁边界 层对细粒的屏蔽作用，使细粒离开边界层进入分离主流中，从而减少细颗粒在底流中的 含量，达到提高分级效率的目的。将水力旋流器的光滑器壁改为阶梯状器壁，也可以依 靠器壁上的奇异点( 环线) 来破坏边擘边界层对细粒的屏蔽作用，使水力旋流器的分离 精度得到提高 i “。l a r s s o n l 【“将水力旋流器锥段内部设计成带负角的螺旋槽阶梯状，螺 旋槽旋向与流体旋转方向相同，据报道，此种结构i t 边界层也有破坏作用；而且，这种 锥段内肇【j 丁使底流出口处的，k 力较高( 比溢流口处的压力岛) ，使底流排料容易，可降 低水力旋流器内的轴向压力损失，达到节能的目的。 1 2 1 4 在改善旋流器进口部f 眵流动结构方面进行的研究 普遍认为迸料流体从进料管进入水力旋流器时，因其流道的转向及其截面积的忽然 扩张，会引起转向损失和涡流损失等局部阻力，以及引起流体的扰动及湍流脉动等对分 离过程不利的流动结构。人们存试图从改善旋流器进口部位的流动结构着手改善其分离 性能方面进行了许多探时。b o a d w a y l l 8 j 认为采用渐丌线砑! 进料口代替切线型进料口，能 一4 一 用丁气一水砂_ 二相分离的水力旋流器的实验研究 有效的降低进口处湍流造成的能量损失。云锡公司进行弧线型进料口与切线型进行比较 后发现，在其他参数定时，采用弧线犁进料可以使生产能力得到提高，这就间接说明 弧线型进料| 比切线鉴! 进料口所产生的进口损失要小。龚伟安| 1 9j 也用理论计算方t ：, t k k 较 了螺线型进料l | 和切线型进料口的阻力系数后发现切线型进料口的阻力系数最大，对数 螺线型进料r 的r i 力系数次之，阿基米德螺旋线型进料r 】的阻力系数最小。但最近的研 究结采却5 汕e z 乏个矛历i i7 1 ，闪为最新研究结果表叫采用切线圆管时能耗系数最小( 比采 用渐丌线矩形管、弧线矩形管、斜2 0 0 切线圆管、螺旋线型矩形管时总能耗系数都 低) 。这可能要从一个总体的角度来看这个问题，因为旋流器的进料管结构不仅影响到 进r 1 部位的流体流动结构，而且会很大程度地影响旋流器柱段内流动结构，虽然适当的 进料管结构可以减少进口部位的能量损失，f 目渐丌线型、螺旋线和弧线型进料管也有它 们的缺点，那就是它们在把流体引进旋流器之后，还有较强的导向作用，而这时所引导 的方向是周向的( 在同轴向位置上) ，与旋流器内流体的螺旋方向不一致，流体由圆 周运动变成螺旋运动义需要再一次的转向，这样就经过了两次转向( 一次由一维直线运 动转为周向运动，一次山剧向运动转为螺旋运动) ：而切线型进料管则在一次转向中便 实现了直线运动到螺旋运动的转变。于是总体来说，前i 者比后者作进料管时，旋流器 总能耗会较大些。斜2 0 0 切线型进料管设计时是为了减少从直线运动到螺旋运动转变过 ：1 2 q f 1 9 转向损失的，位结果印使9 , 自 t - - 耗系数增加9 ，这可能是因为2 0 0 这个角度选择 的不太俞适，与旋流器内流体螺旋运动的迹线升角吻合不好所造成的负影响，使溢流管 外擘与器壁之f 、n j 环隙空间的宽度减少，可使进口处流体因流道面积的突然扩大产生的能 量耗损得到降低，并得到验证。 1 2 1 5 在改善旋流器出口部位流动结构方面进行的研究 通常认为旋流器出口部位流体流动结构也会影响其能耗及分离性能。降低出口能量 损失即是要减少出口流体的排 h 所引起的出口流体压力能及速度能的流失，这就要让流 体在进入出fj 处具有较少压头的情况下也能顺利排出水力旋流器外。理论上，降减旋流 器 f r 1 能量损失的手要办法有：1 在出1 i 管内将流体部分动能转化为压力能，这样既 能减少流体动能损大，又能保证流体顺畅排出；2 减少出口流体顺畅排出所需要的压 力水平；3 降城出口管内的粘r 上耗损和湍能耗损。迄令人们己经在这些方面进行了一 ! 尝试和研究。a o 川利用渐扩管降速丁 压的原珲，将溢流管和底流管改为渐扩管 ( 在普通水力旋流器内为肖圆管) 从而不仅使ml 处流体在较低压力( 可低于大气 压) 状态下也能顺利排出到旋流器外，而且使出口流体的速度得到有效的利用而不至于 用于气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 浪费掉，在获得同样生产能力的情况下，其进口压力可比普通水力旋流器的进口压力 小，即所需能耗较小。另外一些研究者也利用相同的原理进行了类似的研究，并获得了 同样的结果。法国a l s l x o m - - a t l a n t i cn e y r t a c 公司研制的溢流管带虹吸水封、底流管带 水封的水力旋流器以及开本拉沙公司的负压水力旋流器( 溢流导管带虹吸水封、底流口 带鱼尾状调节器) ，均因溢流管虹吸作用使其出口处流体所需的压力比普通水力旋流器 内所需的出口压力( 一般要高于大气压) 的要小，其所需进口压力也相应小些，于是降 低了总能耗。据报道，负压水力旋流器所需能耗仅为普通水力旋流器的三分之一。近年 来，褚良银等人川的研究表明，溢流管采用虹吸装置对提高修汇分离效率也有帮助，底 流管采用渐扩管还能适当增加旋流器的修正分离粒度。 l 2 2 气液分离用水力旋流器的研究发展 用水力旋流器进行气液分离作业主要应用于石油工业中原油的脱气，特别是在海上 油h 1 这种空间十分：盖贵的地方尤其受到青睐。英国石油公司率先研制的油气分离用水力 旋流器具有极高的除气效率，大大高于通常所用的重力分离器。气体体积含量占6 4 的 原油经该旋流器次分离，含气鸵可降剑5 ，且排出的气体中不舍油。此旋流器已经 有1 a k 实用产：品。9 5 9 6 年间，f r a n c a 口2 瞎设计的有螺旋型壁面的气液分离水力旋流 器e 口消欧洲号利，2 0 0 0 年s m o v a f a g h i a n 等发表了天于g l c c ( g a s - l i q u i dc y l i n d r i c a l c y c l o n e ) ”3 j 的几何结构、物料特性、压力凶素等的实验。关于进一步的实验装胃设计或 装肾性能的进。步报道还是很少的。吐j 。气液混合流场是非常复杂的，关于气液两相流 型的理论研究是很多学者关注的焦点，圈内有较多的相关的流型研究的文献报道。而气 液分离装置的研制最近几 1 ：成为新的热点，幽内只有为数不多的报道。2 0 0 2 年中国石 油天然气股份有限公司联合石油大学学者张劲松口4 j 发表了关于气液分离旋流分离技术综 述的论文；大庆石油学院刘晓敏 2 5 1 2 0 0 4 年发表论文，进行气液旋流分离装置的研制与 可行性试验的报导。 由上述有关高效节能水力旋流器研究进展表明，对传统结构水力旋流器进行改造和 升级，以提高其分离性能、问时降低其能量耗损，不仅能降低其运行成本、提高生产效 益，而且可以提高能源利用率，获得显著的经济效益和社会效益。新型高效水力旋流器 的丌发也对扩展旋流器应用范围、提高其在现代工业中应用的技术水平起到重要作用。 但是，由于测试手段及理论研究等方面的原因，迄今对高效节能水力旋流器的研究还多 停留在实验性能验证上，对其相应的增效降耗的工作机理的认识还十分有限，国内外相 关的研究报导还很少，这势必影响其进一步的发展和应用。 。6 h j 于气求砂二相分离的水力旋流器的实验研究 1 2 3 气液分离用水力旋流器的应用介绍 由于g l c c 是一种最近几年j 。出现的热点分离器。对于其应用的报道还不是很 多，多数人对它还是很陌生的。g l c c 的应用从气液的不完全分离到完全分离。对 g l c c 模型的最新研究进腱推动了g l c c 分离器在工业中的应用。 1 2 - 3 1 成功应用 “) 十f 1 计量川路 g l c c 最大的应用( 已近1 0 0 项) 是用于多相计量回路。对于不能避免液体中携带 气体的情况，通常需要在液体出u 管中安装一个三相计量系统。般来说，尽量去除了 气体量，将使液体出口管上三相计量更加准确。这样保证了大多数多相计量仪器对允许 通过仪器的气体含量的l i i i 要求。除了提高精确度以外，气体不完全分离还使得多相计 量装置更小巧，成本更低。对于多相计量系统来说，其成本与大小直接相关，将小巧的 计量装置与g l c c 联合使用所节省的费用将可达到g l c c 本身成本的四倍。 f 2 1 不完全分离 小型g l c c 更适合于需要气体部分( 不完全) 分离的场合。其中一种应用是高压 油井中通过不完全分离而j “，l - 的气体用作低，瓦油井的气举操作。g l c c 在o k l a h o m a 州 的c h e v r o n 石油公司设计的海上气举系统中是作为核心装置的，它不需要空气压缩机和 气举管线。 ( 3 ) 小型分离系统 小型分离系统通过尺寸及重量的减少使采油成本大幅度降低。另外，去除液体中的 大部分气体会减少液流的波动，也会改善其它沉降式分离设备( 如井口除砂水力旋流 器) 的分离性能。c h e v r o n 石油公司j 下在研究g l c c 与游离水脱除用水力旋流器及脱油 型水力旋流器的系列组合装置，以改善排水质量。 ( 4 1 传统分离器的预分离装置 旋流分离器已经被证明可以作为内部分离装置用于大型卧式分离器中。g l c c 也可 作为有用的外部预分离装置米改善现有卧式分离器的性能。通过分离出部分气体，分离 器的液位可以升高， 丑而使存留时间增加，在容器中也不会出现雾状流。巴西的 p e t r o b r a s 公司已经采用g l c c 预分离器在其一个油用中对现有分离器进行了改进。另一 家公司正在对采用了g l c c 的现有试验分离器的性能改善进行评估。 ( 5 1 商用g l c c ，“品 目的已制造出许多g l c c 产品，用于相对简单的应用当中。对g l c c 的应用及要 求迅速增多。几家公司f f 在将g l c c 加艇0 他( f j f | 勺d , 型分离器生产线上。另外正如前面 一7 一 用于气- 水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 所提到的，现在已有采用g l c c 和一个二级卧式分离器的商用多相计量系统。日益增长 的工业需求将促进其进一步商业化。 1 2 3 1 2 应用前景 当前g l c c 的成功应用为其将来潜在的应用增添了信心。这需要对现有模型进行 改进，这项工作丁f 在进行之中。下面介绍的是最令人注目的应用中的两项。 ( 1 ) 海底应用 g l c c 技术对石油工业最大的冲击就是在海底分离方面的应用。b a k e racl 4 3 】等人 在“t h ev a s p ss u b s e as e p a r a t i o na n dp u m p i n gs y s t e m ”一文中得出的结论表1 3 月( t r a n s ， l n s t o f c h e m i c a le n g i n e e r s ，1 9 9 2 年1 ，q ) g l c c 是“井口分离及泵送是用于采出液长距 离输送的热效率最高的一种方法”。在一项最新的研究中，p r a d o 等人认为此项技术也 适用于浅海及中深海应用。边缘海洋油f h 的发展确实与高效、经济的技术的发展是分不 丌的。海底应用要求分离器的没计及性能具有高度的可靠性，要求设备简单、小巧、强 度高、且经济性好。g l c c 的优点使其任竞争力极人的众多技术当中表现尤为出色。 ( 2 ) 采山液分离 具有切i a j k h 的立式分离器在油tr i | l 已经州：刍普遍。采用g l c c 之的的分斑器人 多庞大可笨重，并带有垂直的低速切阳入i j 管。纠向速度通常很低，以至f 重儿离心 力和浮力基本平衡而起剑分离的作用。g l c c 硬件及软件的发展使其体积减小，改善了 立式分离器的性能。 总之，g l c c 新的应用迅速扩大，并不断研究和设计出新结构和新应用。【三有几家 公司币在应用g l c c ( 如多相汁量环) 并j 1 ：发新的产品。现在，已有商业化的g l c c 产 品出现。随着对g l c c 内部流动特性深入理解和准确预测，g l c c 的应用必将越来越广 泛。 1 3 评价水力旋流器性能的重要工业指标 水力旋流器的分离性能指标繁多，根据不同的操作目标，选定不同的评价参数。往 往各个性能指标不能同时得到最佳值。 1 3 1 液固分离用水力旋流器的性能评价指标 1 3 1 1 分离修f 总效率 水力旋流器的总效率e ，( 又称底流回收率) 指底流固相质量流率m 。与悬浮液固相 质量流率m 之比，即： 一8 用于气水- 砂三相分离的水力旋流器的实验研究 e ：丝l m 假定在水力旋流器中无物料累积和流失， 质量流率 t 和底流口回相质量流率m 。之和， m = m 。+ m 。 则进料固相质量流率m 等于溢流口固相 即： ( 1 2 ) 在实践中，由于总是有一些液相伴随着固相从底流流出，总流被分为两股物料流。 其结果总是使分离效率至少达到一定的“保证”值。换言之，分离设备起到一种分流器 的作用，而且至少也可按底流与通过量体积的比例使固相分成两部分。故总效率并不代 表水力旋流器的净分离效果，不得不对总效率进行修正，即扣除死通量造成的部分分离 效果。修f f ：总效率由下式i f 算： 。， e i - - r ， 乜= 一 i r ， r ：盟i ( ) ( 1 3 ) ( 1 ，4 ) 式中：q 为底流体积流量( m 3 s ) ： 9 为进口体积流量( m 弧) ： r ，为底流与通过量的体积比( 又称流量分衍) ，即由死通量引起的最小效率。 1 3 ，i2 分离粒度 分离粮度如。是衡量旋流器分离分级能力的一个重要性能指标。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 则被分离进入 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c b o ，它表征着旋 流器所能进行分离分级的粒度范围。所以，分离粒度( 如o ) 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j 请g 有效地反映净分离效果，所以，本研究中的分 离粒度是指5 0 修币级效率所对应的粒度诎称为修汇分离粒度。 9 _ l j 丁i 气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 1 3 1 3 分级效率曲线及分离精度 由于水力旋流器的总分离效率很大程度上取决于进料固相的粒度分布。因此，在许 多场合不宜于用总效率作为水力旋流器的分离效率指标。而是采用分级效率来评价。所 渭分级放率，足指巾级别粒度颗粒的分离效率。若求得每一级别粒度下颗粒的分离效 率，则i r 以得到条分缴效率曲线。分绂效率曲线可以用柬较完整地评价水力旋流器分 离分绒性能。与分离修正总效率一样，为了考察净分离效果，用与式( 1 3 ) 同样的方法来 修正分级效率： 、g(d)一r，pf 叭d ) 2 寻 式中：gy 称为修f 级效率； g ( a 3 为分级效率。 1 3 1 4 分流比 水力旋流器分流比定义为底流与溢流的体积流量之比，即 s ：盟。1 0 0 q 。 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 式巾：s 为分流比： g 和q o 分别为底流和溢流的体积流量( m 3 s ) 。 对旋流器分流比的评价，并不是简单地以其越大越好或愈小愈好，因为在不同的应 用场合下，往往需要根据 艺要求柬确定分流比，可能要求其大，也可能要求其小。 1 3 2 气液分离用水力旋流器的性能评价指标 由于气液分离旋流器并非成熟的旋流器产品，其性能指标也没有通用的标准。根据 气液分离旋流器的分离目的，及两相流的基本参数，认为气液分离旋流器气体出口管的 含液率或者气体的分离百分率，气液分离旋流器液体出口管的含气率或者液体的分离百 分率为有效的性能评价指标。 一l o h jr 气肥砂z , f l j 分离的水力旋流器的实验研究 1 3 2 1 截面古气率a 及截面含液率( 1 一口) 在气液两相流作一元流动的管道中，如管道流通截面积为彳，气相及液相所占截面 积分别为a 。、a ，则气相所占截面积和总流通截面积之比为截面含气率，用a 表示。 液十所r l i 截而积利流通截而积之比为截f f i 含液率，用( 1 - 口) 表示。即 “二= a g 4 ( ，- = 爿i a ( 1 7 ) ( 1 8 ) 在本实验中可应用液体出口的界面含气率以及气体出口的截面含液率进行性能评 估。但是出于实际的气相及液相所占截面积不容易测量，所以使用价值不高。 1 3 2 2 体积流量9 ，气相体积流量珐及液相体积流量9 每秒流过管道流通截面积的e 液两相流体体积为体积流量，用q 表示。每秒流过 管道的气相体积及液相体积分别为气相体积流量和液相体积流量，分别用珐和q 表 示。并有 q = q q l ( 1 9 ) 1 3 2 3 体积含气率b 和体积含液率( 1 6 ) 气体体积流量和两相体积流量之比为体积含气率，用b 表示；液体体积流量和两相 体积流量之比为体积含液率，即( 1 6 ) 表示。即 b 2 q q = q 乳q g = q d t 1 一2 q q = q ( q 。q f ) f 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 1 3 2 4 7l 相折算速度和液相折算速度坼 气相体积流量和管道截面积之比为气相折算速度，用表示。液相体积流量和管 道截面积之比为液相折算速度，用所表示。可表示为： v e 2 q 弘 ( 1 1 2 ) 用于气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 v f q a( 1 1 3 ) 由于气相实际速度和液相实际速度是非常难测定的，工程上经常用气相折算速度 和液相折算速度h 代替。 1 4 本课题的研究目的及其意义 本课题是在研究气液分离和液固分离用旋流器的原理和实验发展的基础上，实践三 相混合物一次分离的设想的可行性实验。三相分离的水力旋流器的设想提出后，真f 进 行实践考察的报导一直缺失，而三相分离旋流器的实际应用的要求越来越明显，开阔的 应用空阳j 和需求，就引导实践活动的迅速开展。比较离心分离旋流器与传统的重力分离 旋流器，分离效率高很多、占用空间小、人力需求小、易操作等优良的操作特性和经济 特性，在空问要求高的海上油罔作业等领域有很好的使用价值。随着我国众多老油阳开 发的后期，j 砂变多、伴，j ：气量增加，油阡| 除砂、除气成为迫在眉睫的工艺要求。研制 结构简一弘、次除砂、除气的设备就备受哭渡。本文设计的三相分离器在工程应用中有 较女，的经济。l t 4 1 1 实片j 性。 1 2 刚r 气水砂三相分离的水力旋流器的实验研究 2 水力旋流器的基本结构和分离原理 为了提高常舰水力旋流器的性能，多年来人们对水力旋流器的结构及型式进行了许 多独特的改进，使水力旋流器的结构型式闩趋多样化，甚至出现了一些工作原理与传统 旋流器的分离理论模式相差甚远的新型水力旋流器以适应某种特定的分离要求。水力旋 流器也住从+ 种低技术含量的垃备转变为具有中高技术意义上的通用分离分级设备。旋 流器的基本工作原理是旋流器结构设计和优化的基础。 2 1 液固分离用水力旋流器的基本结构 液固分离用水力旋流器的基本结构如图2 1 。由圆柱体、锥体、溢流口、底流口与 进料口组成。溢流口在圆柱体的上端与顶盖连接，进料口在圆柱体上部沿着侧面切线方 向进入圆柱腔内。混合物料沿着切向进入旋流器时，在圆柱腔内形成高速旋转的流场。 混合物中密度大的组分在旋转流场的作用下同时沿着轴向向下运动，沿着径向向外运 动，在达到锥体段沿着器壁向下运动，并由底流口排出，这样就形成了外旋涡流场：密 度小的组分向中