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液 液旋流分离技术 胜利工程设计咨询有限公司地面工艺技术研究所 科研所 郭长会130546038972009年6月19日 一 水力旋流器简介1 1水力旋流器几何结构 旋流管由入口段 收缩段 分离段和出口直管段四个回转体顺序连接而成 这四段又被称为 涡旋腔室段 大锥段 小锥段 尾直管段 在入口段有一个或多个切向入口 用以输入待分离的液体混合物 入口段的顶面上有一个溢流出口 用以排出较轻的组分 出口段的尾部是底流出口 用于排出较重的组分 图9 1 2水力旋流器工作原理 图10 图11 按照Bradley的定义 水力旋流器是一种 利用流体压力产生旋转运动的装置 水力旋流器的工作原理应包括三个部分 首先 籍切向输入流体的静压力产生旋转运动 继而 在该旋转运动中完成待分离物料的空间规律性分布 最后 经特殊的结构设计完成分离 液体混合物从入口沿切向流进入口段后 产生高速旋转 由于混合物中轻重组分的密度不同 在离心力的作用下 重组分将向旋流器回转壁面处运动 并在壁面附近浓集 在旋转过程中 逐渐向底流出口运动 最终排出旋流器 与此同时 轻组分将向旋流器中心轴处运动 形成中心核 并向入口方向运动 从溢流出口排出 这样就实现了轻重组分的分离 Hydrocyclones De Oilers TangentialInlet DisposalWaterOutlet OilConcentrateOutlet 水力旋流器示意 图12 图13 图14 图15 图16 水力旋流器的突出特点 a 占地面积小 例如 处理量1 92 104m3 d 常规系统占地160m2 旋流器占地仅18m2 b 重量轻 不到常规设备重量的1 5 c 分离效率高 一般达到85 最高95 99 d 可靠性高 无运动部件 维护简便 e 流量调节范围宽 f 安装方向不受限制 g 工艺流程简单 可取消大量的管线和昂贵的沉降装置 1 3水力旋流器发展简史 几位里程碑式的人物和事件 1 Bretney 1891 在美国申请了世上第一个水力旋流器专利 2 Driessen 1939 将水力旋流器用于煤泥水的澄清作业 荷兰 3 Kesall 50年代 提出了关于水力旋流器三维流动的经典性描述 4 Bradley 60年代 水力旋流器 英文 1965年 图17 5 八十年代 D A Colman和M T Thew 1980年 公布了 液液分离旋流器 研究成果 1984年 旋流器用于海洋石油工业 南安普敦双锥型 Colman型 Colman Thew型 SouthamptonUniversity UK L Svarovsky 1984年出版了他的专著 水力旋流器 Hydrocyclones UniversityofBradford UK 从1980年开始 由英国的BHRA 水力学研究会 发起的国际水力旋流器学术会议已经举行了6届 从与会论文来看 水力旋流器理论研究的深入与应用范围的广泛都是前所前所未有的 依目前情况分析 我们完全有理由认为 水力旋流器在其诞生100余年之际 其理论与应用的研究正处于一个空前的活跃期 而且还将蓬勃发展下去 水力旋流器在分离领域的应用 1 4水力旋流器流场的基本特征 四种基本运动形式 外旋流 内旋流 短路流 循环涡流 两个基本特征 轴向零速包络面 简记作LZVV LZVV lineofzeroverticalvelocity 中心空气柱 对与液液分离旋流器 不一定出现中心空气柱 图18 图19 1 5水力旋流器性能参数 旋流器的性能主要通过以下几个参数来描述 1 分离效率分离效率是评价旋流器工作性能的一项指标 它通常用符号表示 1 ku kin 100 式中 ku 底流排出液含油浓度 ppm kin 入口液流含油浓度 ppm 底流排出液中含油浓度愈低 旋流器的分离效率愈高 应该指出的是 同一台旋流器处理不同油水混合物时效率通常是不同的 能够较好地评价旋流器分离性能的指标应该是粒级效率 2 粒级效率粒级效率表示分离设备分离性能的重要指标 它表示来流中某一粒径的液滴经旋流器处理后从连续相中分出的概率 不同粒径的液滴其运移概率总处于0 1之间 液滴粒径愈大 从连续相中分出的概率愈高 其运移概率就愈大 好的分离设备能使较小的液滴有较大的运移概率 其定义可表示为 d d 式中 d 旋流器粒级效率 即对应于某一油滴粒径下的分离效率 d 油滴粒径 3 分割粒径定义 dcut d d 50 即 粒级效率为50 处所对应的粒径 用d50表示 我们希望旋流器有较小的d50 4 分流比分流比表示旋流器三口流量之间的关系 它们通常用符号F表示 F Qo Qin式中 Qin 旋流器入口流量 Qo 旋流器溢流口流量 显然 F应大于来流的含油浓度 且在保证高效分离的前提下尽量减小分流比F 以减少需进一步处理的溢流流量 5 压降比压降比表示旋流器三口压力之间的关系 它通常用符号PDR表示 PDR Pin Po Pin Pu 式中 Pin 入口压力 MPa Po 溢流口压力 MPa Pu 底流口压力 MPa 在旋流器实际应用场合下 人们将通过调节压降比来控制 调整旋流器的性能 影响旋流器分离性能的因素 影响水力旋流器分离性能的技术参数有几十个 主要包括三大类 结构参数 操作参数 物性参数 对这些参数的研究 优化 得出性能良好的旋流器 几何尺寸 主要有 涡旋腔室直径 长度 入口截面积 溢流口直径 锥体角度 尾直管段长度等 物性参数主要有 连续相密度 分散相密度 混合物粘度 油滴直径分布 等 操作参数 主要有 入口流量 分流比 压降比 等 二 水力旋流器研究 2 1水力旋流器研究方法水力旋流器的研究方法包括纯试验方法 半理论 半试验方法和纯理论方法 1 纯试验方法 黑箱 法 纯试验方法是采用正交试验方法 取不同变量进行组合 试验各变量之间的关系 最后得出各种油水条件下旋流器的最优结构参数和最优结构下的最佳运行参数 该方法是目前进行旋流器研究的最常用的方法 但该方法的采用必须有一定的资金保证 同时该方法研究的结果受试验条件的限制 其适用范围较小 水力旋流器实验室流程图 图20 水力旋流器实验室主要设施 装置组成 旋流器 清水泵系统 加油系统 取样系统和数据采集系统 分析系统 主要设备为 旋流器 离心泵 清水泵 比例泵 加油泵 清水罐 油水混合罐 静态混合器 椭圆齿轮流量计 等动量取样器 实验中使用的主要分析仪器为 激光粒度仪 紫外分光光度计 V2 V1 V2 V1 等动量取样 图21 2 半试验 半理论方法 流场结构法 采用激光多普勒测速仪测定不同结构旋流器在不同操作条件下的流场 得出旋流器内流场的经验方程 采用粒子动态轨迹分析方法分析旋流器的分离效率 利用该方法可以分析旋流器的结构参数和运行工艺参数对旋流器分离效果的影响 用于指导旋流器的优化设计 3 纯理论方法 数学模型法 对旋流器内流体流动进行理论分析 建立旋流器内流体流动的理论方程和边界条件 运用计算流体力学方法进行计算机模拟求解 得出旋流器内流场的理论解 运用粒子轨迹分析方法 分析旋流器在不同条件下的分离效率 利用该方法可以进行旋流器的优化设计和运行状态模拟 但最终仍需以试验来确定理论分析的正确与否 2 2水力旋流器流场结构 1 旋转流体的基本运动特性 1 旋转流体运动的基本方程 在绕垂直轴旋转运动的流体中 在半径r点处取一方形流管 如图22所示 其宽为dr 厚为dz 在同一平面上可应用Bernoulli方程 通过对上式求导 对微元体受力分析 得到旋转流体的运动微分方程它反映了旋转流体运动中的能量变化关系 是旋转流体运动的一个基本方程 引入不同的限定条件便可得出不同场合下的旋转流体运动规律 2 自由涡运动和强制涡运动 自由涡运动自由涡是外部没有能量补给时流体的圆周运动 这时的总水头无增无减 即H为常数 dH 0 由旋转流体运动基本方程得 积分得 ur C 常数 上式说明在自由涡中圆周速度与半径的乘积为一常数 速度与半径成反比例关系 也就是说 在自由涡运动中流体质点的速度与半径按双曲线规律变化 强制涡运动强制涡运动是旋转容器中流体与容器以同一角速度旋转时的运动 此时流体与刚体旋转运动类似 其圆周切线速度等于旋转角速度与旋转半径的乘积 强制涡的速度分布公式为 式中 u为圆周切线速度 为旋转角速度 r为旋转半径 3 组合涡运动 组合涡运动是指由自由涡和强制涡组合而成的复杂流体运动 旋流器中流体的运动 大气中的旋风及龙卷风运动等 都属于组合涡运动 这种旋转运动的中心是强制涡运动的涡核 涡核以外是自由涡运动 组合涡运动中的自由涡由于受到中心强制涡的制约 其速度分布往往不再符合ur C 而是满足 式中的指数n 0 4 0 9 这种运动称为准自由涡运动 旋流器内的流体流动就是一种组合涡运动 强制涡区 自由涡区 O 图23 2 水力旋流器内的液流运动 1 切向运动在旋流器内的三维运动中 切向速度具有最重要的地位 一般认为 水力旋流器内液流的切向速度分布符合准自由涡规律 但不同的研究者曾提出不同的数学表达式 其中以Bradley和Pulling根据Kelsall的实验数据所提出的表达式最为简单 也最为常用 式中 c为常数 与水力旋流器操作条件及结构参数有关 n为指数 其数值一般在0 4 0 9之间 虽然Bradley本人曾认为从流体动力学角度很难对上式予以解释 但该式确能很好地拟合实验数据 因而现已成为水力旋流器准自由涡区液流切向速度的经典表达式 切向速度的测定结果 水力旋流器内液流的运动的实际测定 一般首推Kelsall的工作 图24所示为Kelsall用光学观察法测出的切向速度分布 这是一个为广大水力旋流器研究者所熟知并得到广泛引用的结果 图24 近年来 运用激光测速技术研究水力旋流器内的液流运动引起了人们广泛的注意 而其中Hsieh等人的工作具有一定的代表性 图25即为他们对切向速度的测定结果 图25 从测试结果中可以看到 切向速度分布呈典型的Rankine涡结构 即在内旋流区域切向速度随半径成线性关系增加 似固体 外旋流区域切向速度随半径增加而减小 2 轴向运动 在水力旋流器三维液流运动中 流动方向发生明显改变的是轴向速度 轴向速度分布的一个重要特点是零速包络面 LZVV 的存在 LZVV是内旋流与外旋流的分界面 其位置对水力旋流器的分离粒度 旋流器的分离粒度定义为以相等几率进入溢流或底流的分散相颗粒的粒度 有重要影响 轴向速度测定结果 图26为Hsieh和Rajamani对固液分离水力旋流器轴向速度的计算与测定结果 图26 数值分析 激光测定 特点 第一 在溢流管外侧区域 存在循环流和短路流 第二 在溢流管以下区域 向上的轴向流动比向下的轴向流动要快得多 第三 轴向流动的转折点 即零速点 构成的轴向零速包络面呈倒锥面形状 LZVV 关于轴向速度分布的数学模型 迄今很少有人提出 Bloor和Ingham曾从连续性方程及运动方程出发 给出固液分离水力旋流器内轴向速度的解析解如下 其中 为旋流器的半锥角 r为半径 z为轴向位置 B为常数 该式在定性上可反映轴向速度的分布特征 如零速点 流动方向的改变等 关于液液分离旋流器轴向速度分布的测试 首推1984年Southampton大学M T Thew教授采用一维LDV进行的测试 图27为测试结果 可以看到 液液分离旋流器的轴向速度分布与固液分离旋流器显著不同 其强制涡区域非常狭小 LZVV的半径在整个小锥段内都很小 这一特点是由液液分离旋流器的特殊几何结构所决定的 图27 LZVV 轴向零速包络面LZVV 水力旋流器中 存在着由零轴向速度点形成的倒锥形包络面 简称轴向零速包络面 LZVV LZVV的径向位置决定水力旋流器的分离粒度 尽管颗粒按其大小沿径向的排列只受切向及径向流动的影响 但轴向流动却决定这些规则排列的颗粒在何处分为两部分 通过离心力 浮力及径向阻力的平衡 得到了在半径r处回旋的颗粒的粒度为 图28 可见在不同半径处回旋着不同粒度的颗粒 由于轴向零速包络面的形状为倒锥面 则在不同轴向位置的LZVV上所回旋的颗粒具有不同的粒度 如图所示的两个截面上 分离粒度分别为d1及d2 显然d1 d2 不难发现 大颗粒多是从靠近溢流管的上部区域进入溢流 而小颗粒则多从下部区域混入底流 3 径向运动 Kelsall从轴向速度的测定结果计算出的径向速度分布 右图 径向速度激光测定结果 左图 激光实测径向速度的分布态势 即在准势流区ur的数值随半径的减小而增大 是与理论分析相吻合的 Kelsall关于径向速度方向的观点是正确的 但他关于径向速度在数值上与半径成正比的观点则很有商榷的必要 图29 图30 2 3水力旋流器流场数值模拟研究 描述旋流器运动规律的数学基础是Navier Stokes方程和连续性方程 连续性方程 动量方程 对上述方程作时均化处理 可得Reynolds时均方程组 方程首先由Reynolds导出 因而通常称为Reynolds时均方程 其中的称为Reynolds应力 连续性方程 动量方程 由于N S方程的非线性性质 造成了Reynolds方程中出现了一些未知的关联项 使得Reynolds方程组无法封闭 针对这一问题 许多学者付出了艰苦的努力 来寻找各种方法以使方程封闭 因补充的关系式数量不同 类型不同 所形成的湍流理论模型也各种各样 其中有代表性的湍流模型有标准k 模型 RNGk 模型和雷诺应力 代数应力 模型 1 水力旋流器流场数值模拟方法 微分方程数值解有各种各样的方法 如有限元法 有限差分法 有限分析法 边界元法和有限体积法等 这些方法都有自己的优缺点 根据水力旋流器的流体流动的基本方程的特点 有限体积法是较为合适的数值求解方法 有限体积法就是将计算区域划分为有限个不重叠的控制体积 并使每个网格节点周围有一个控制体积 将待解的微分方程在每个控制体积上进行积分 便得出一组离散化方程 其中的未知数是网格节点上的因变量 1 有限体积法 2 控制方程的离散化 旋流器液相湍流控制方程用轴对称二维湍流模型方程表达 可写成通式为 式中为广义未知量 二维通用微分方程的离散格式 式中 图31 3 交错网格系统和SIMPLE及SIMPLEC算法 如图31所示 交错网格是指将计算速度分量ui的网格系统与计算标量的主网格系统错开布置的一种网格系统 短箭头分别表示速度分量u和v的节点位置 即用以计算速度分量u和v 图31 的网格节点布置在控制体积的相应的交界面上 标量k p的计算节点始终在控制体积的中心点 这种速度网格与标量网格交错的布置方式 有效地避免了波状压力场合速度场 同时也避免了控制体表面的速度插值问题 SIMPLE算法 SIMPLE算法 Semi ImplicitMethodforPressureLinkedEquations 是1972年Patankar和Spalding在计算三维完全抛物型流动时提出的一种算法 算法的关键是利用连续性方程和动量方程构成一个近似的压力校正方程来求解速度场 多年来 SIMPLE算法在计算流体力学及其应用领域中被广泛采用 受到了普遍的欢迎 SIMPLE算法的具体步骤为 1 假定一个速度场 由此计算 和b 2 假定一个压力场 3 求解动量离散方程 得u v 4 求解压力修正方程 得到p 5 用速度校正公式计算新的速度场u v 6 用压力修正式计算新的压力场 7 计算流场的其余变量 w k T等 8 用新求得的速度场及新的物性 源项等代入动量方程 并把新的压力p当作一个新的初值压力场 返回第3 步 重复全过程 直至得到收敛解 由于SIMPLE算法在推导压力校正p 方程的过程中忽略了相邻点速度对速度校正的影响 只是速度完全依赖于压力校正方程 从而导致计算的收敛性和稳定性不够理想 为此 人们采用了改进的SIPMLE算法 SIMPLER SIMPLEC PISO等 来克服这些不足 采用标准k 模型 RNGk 模型和Reynolds应力模型对图32所示的典型Colman Thew双锥旋流器进行了流场模拟数值计算 并将模拟结果与LDV流场测试结果进行了对比 2 液液分离旋流器流场数值模拟中湍流模型的确定 图32 图33轴向速度分布数值模拟与实测值的对比 a b c d e 在小锥段内 RSM模型与实测值吻合得较好 而标准k 模型和RNGk 模型与实测值之间存在着本质的偏 差 这两个模型不能够预测出旋流器的轴向反流典型流动特征 a b c d e 图34切向速度分布数值模拟与实测值的对比 标准k 模型和RNGk 模型都过分夸大了近轴区的强制涡范围 抑制了近壁区的自由涡区 而RSM模型的预测结果与实测 值相对比可见 除了速度值略微偏小些之外 RSM模型预测的强制涡区范围和速度分布走势都与实测值完全相同 采用RSM模拟计算了旋流器入口与底流口之间的压降与流量的关系 图35压降与流量的关系 图36压降沿管长的分布 Do 4mm 图37压降沿管长的分布 Do 4mm 研究表明 雷诺应力模型对于强旋湍流的模拟具有比标准k RNGk 模型更强的能力 适于液液分离水力旋流器的流场数值模拟研究 3 几种不同结构旋流器数值模拟结果对比 典型的Colman Thew旋流器结构尺寸 图38Colman Thew旋流器 图39几种新结构旋流器示意图 对一上几种结构旋流器模拟计算结果的分析 以LZVV分布形态和粒级效率为综合评价指标进行分析 图40LZVV及油滴在旋流器中分离状况示意图 从LZVV分布上看 cyclone 3为最佳 其次为cyclone 5 Colman Thew结构 图41几种不同结构旋流器的LZVV迹线对比 粒级效率对比 从粒级效率来看 cyclone 5结构为最佳 图42几种不同结构旋流器旋流器粒级效率对比 弗劳德离心准数对比 从离心加速度分布来看 cyclone 5优于Colman Thew结构 尤其在续管段中 cyclone 5保持较高的离心加速度 有利于细小油滴的分离 图43几种不同结构旋流器离心加速度对比 2 4除油水力旋流器压降规律实验研究 图44旋流器压降分布实验流程 图45旋流器侧压孔示意图 1 水力旋流器能量耗损特性实验研究 定义旋流器的能量耗散 EnergyDissipation 为流体在入口处的能量与出口处的能量之差 用Ed表示 即 2 能量耗散Ed与分流比F的关系 图46能量耗散试验结果 3 溢流孔径Do对能量耗散Ed的影响 图47能量耗散试验结果 结论 对于实验采用的旋流器 分流比F在0 25 范围内 旋流器的能量耗散Ed与分流比F无关 保持常数 图48能量耗散与分流比的关系 4 水力旋流器特征压降比 可以注意到 当Rf 100 即 F 0 时 不同孔径溢流口的实验曲线都趋于同一个值 PDRC 1 15 非常有意义的是 当改变入口流量时 上述结论仍然成立 实验数据见下表 图49压降比与底流比的关系 Rf 100 时的压降比实验数据表QiPDR l min Do 4mmDo 6mmDo 8mm701 21 21 1601 11 10 9501 01 01 0401 21 21 0301 00 71 0 从表中显见 在实验误差范围内 入口流量处于30 70L min 所有PDR数值在Rf 100 时都保持一个常数值PDRC 这里PDRC 1 0 1 2 5 实验及理论研究确定除油旋流器压降比计算模型 将能量耗散定义式 改写为单位体积流体的能量耗散 定义无溢流时 即F 0时 入口与底流口的压降为 PiuC 即 Piu PiuC 此时旋流器的单位体积能量耗散则为 实验研究表明 在分流比F 25 时 同样入口流量下 有溢流时的能量耗散与无溢流时