用双锥-内锥型水力旋流器提纯海洋天然气水合物浆体

针对水合物混合浆体中存在少量天然气的问题,设计了一种适合水合物混合浆体除气除砂的新型水力旋流器?双锥?内锥型水力旋流器,采用有限体积数值模拟方法研究了颗粒粒径、锥角组合、进口压力对固体颗粒和天然气分离效率的影响. 结果表明,固体颗粒粒径为50?90 ?m、天然气气泡直径为400?800 ?m、进口压力为4.3?7.3 MPa时分离效率最佳,最优的锥角组合为10o–5o.     

基于雷诺应力模型的脱油旋流器流场特性研究

采用雷诺应力模型(RSM)对油水分离用水力旋流器进行了数值模拟,模拟出了循环流和短路流现象,得到了内部流场的轴向速度、径向速度和切向速度的分布规律;模拟结果与实验结果吻合较好,说明该湍流模型和计算方法的选取是正确的;另外,针对油相体积分数为2%,油滴粒径为40μm的混合介质进行分析,得出了油水二相的体积分数分布。在旋流器的轴心处油相体积分数最大,最大处混合介质中含油体积分数高达98.9%;在壁面附近体积分数很小,说明该水力旋流器的分离效果较好。通过数值模拟为进一步研究水力旋流器内部流场的分布和结构优化设计奠定了基础。     

旋流分离对天然气水合物除砂提纯的影响

针对固态流化开采方法开采海底天然气水合物含砂量大导致开采效率低的问题,提出原位分离工艺,设计了旋流分离装置,基于该装置利用CFD数值模拟方法研究了固相(砂和水合物颗粒)直径、入口浆体流量及浆体中砂浓度对装置分离性能的影响。结果表明,在研究范围内,砂和水合物分离效率大部分高于60%,最高达98.72%,压降大部分低于0.5 MPa,最低至0.03 MPa。砂粒分离效率随固相粒径增大先增大后趋于平稳,随浆体入口流量增大先增大后减小,随砂浓度增大而降低;水合物分离效率随固相粒径增大先增大后趋于平稳,随浆体入口流量增大先增大后减小,随砂浓度增大而降低。溢流口和底流口压降几乎不随固相粒径变化,随砂浓度和浆体入口流量增大而增大。固相粒径、入口流量、砂浓度对分离性能有较大影响,在砂粒径大于20 ?m、水合物粒径大于40 ?m、浆体入口流量约5 m3/h、入口砂浓度不超过25vol%的条件下分离性能良好。     

新型α旋流器流场模拟与实验研究

根据集成膜法海水软化技术对海水超滤前分离粒度及效率的要求,开发出了内置导流板和曲线长锥体的新型α旋流器,并对其流场特性进行了数值模拟和实验研究.以CFD模拟软件Fluent 6.2提供的雷诺应力模型(RSM)为基础,分析了速度矢量、切向速度、轴向速度等参数的分布规律,研究了内部导流板和曲线长锥体结构对其分离性能的影响.按照模拟优化结果,加工了相同的尺寸常规旋流器和新型α旋流器,以水-细砂为实验物系对两旋流器的分离性能做了对比实验.模拟和实验结果表明:与常规旋流器相比,新型α旋流器以内构件对流体进行导流和整流后,不仅流场稳定,而且能耗小、压降低.在相同操作条件下,对于小粒径颗粒的分级效率新型α旋流器优于常规旋流器,对于5μm粒径的颗粒其分离效率达到90%;当分流比为0.87时,其分割粒径d50为1.3μm.     

纯化天然气水合物螺旋分离器流场与性能分析

基于海洋天然气水合物固态流化开采方法的井下原位除砂提纯回填工艺,本文结合试采所得水合物浆体特征,设计用于解决设备磨损、储层坍塌等问题的井下除砂螺旋分离器,利用CFD数值模拟方法研究了入口速度和水合物体饱和度对井下除砂螺旋分离器流场和性能的影响,得到了随着入口速度增加,流场中流体的速度急剧增大,特别是切向速度、分离效率增加。当分离效率为70%以上,分离器内压降急剧增大,表明分离器内部的能量损耗不断增加;随着入口水合物体积分数的增加,螺旋分离器内流场变化微小,水合物分离效率降低,砂分离效率增加;分离效率为80%以上,压降逐渐降低。说明该分离器的最佳操作区为入口速度范围为3～5m/s,水合物入口体积分数15%以下。研究结果表明：本螺旋分离器具有极佳的除砂效果;切向速度是决定分离器分离性能的关键速度,处理量的增大有利于水合物的提纯;海底水合物储层中水合物饱和度变化对螺旋分离器分离效率具有一定的影响,但螺旋分离器对其具有一定的适应能力;揭示了水合物井下螺旋分离器除砂的分离机理,为其设计提供了一定的依据,为海洋水合物储层开采防砂提了一种新的技术及装备。     

固-液微型水力旋流器的实验研究与数值模拟

采用正交试验和计算流体力学(CFD)的方法,对固-液微型水力旋流器进行了初步研究。实验采用的微米级固体颗粒分别为1250目和2500目的滑石粉颗粒。首先通过正交试验研究了微型旋流器处理量和进料浓度对两种粒径的滑石粉溶液的分离效率的影响,得到较优的分离操作条件。然后利用CFD的方法对微型水力旋流器的内部流场进行数值模拟,湍流相采用雷诺应力(RSM)模型,再加入离散颗粒进一步模拟微型水力旋流器内颗粒运动,其中离散相采用离散相(DPM)模型。最终得到水力旋流器的流场的压力和速度分布云图及固体颗粒运动轨迹,为进一步优化微型水力旋流器的结构参数提供了参考。     

湿法磷酸料浆分层过滤性能的实验研究

根据固液分离的基本原理 ,将磷酸料浆经水力旋流器分级为重液和清液 ,这 2类料浆按重液、清液的顺序进行分层过滤。实验研究了不同分级粒径对过滤强度的影响。结果表明 ,清液中固相平均粒径 8.31μm过滤强度最大 ;较之混合过滤 ,分层过滤可提高磷酸料浆的过滤强度达 5 0 %左右     

水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

天然气水合物提纯螺旋分离器性能数值模拟

针对海底浅层天然气水合物开采中产砂量大而造成管路堵塞、设备磨损的问题,基于固态流化开采方法,提出天然气水合物原位分离的思路,结合水合物混合浆体物性参数设计井下原位螺旋分离器,采用CFD-Fluent商业软件建立分析模型并进行模型正确性验证,考察了固相水合物体积浓度、固相砂体积浓度和入口流速对分离装置性能的影响。结果表明,研究范围内砂去除率和水合物回收率均约为80%,随水合物体积分数增大,砂去除率和水合物回收率变化非常小,分离器压降变化很小;随砂体积分数增大,砂去除率急剧降低,而水合物回收率急剧增加,压降急剧增大;随入口速度增加,砂去除率和水合物回收率不断增大,分离器压降不断增大。设计的螺旋分离器在水合物原位除砂提纯中性能优异,水合物饱和度对分离器性能影响不大,但粉砂浓度对分离器性能影响较明显,工程应用中需要重点考虑;入口速度对分离器分离性能起关键性作用,决定了分离器的处理能力,适当提高入口速度可一定程度提高分离器的分离效率。     

水平弯管内水合物浆液流动安全分析

以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响该系统中水合物颗粒最大体积分数的3个因素(入口水合物体积分数、流速和粒径尺寸)进行分析。结果表明:水合物粒径较小时,弯管系统中水合物最大体积分数与速度之间趋近于线性关系,而随着水合物颗粒粒径的增大,弯管系统中水合物的最大体积分数变化趋势趋于平缓;水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,随着流速加快,水合物最大体积分数受粒径影响逐渐减小;增大浆液运行速度可以使得弯管系统中水合物最大体积分数会有一定的稳定性,但同时也会导致弯管外拱璧的压力增大、弯管内壁处压力急剧降低,加剧管道腐蚀,大大毁坏了管道结构。     

操作参数对水力旋流器壁面磨损的影响研究

水力旋流器是利用离心力场加速其内部颗粒沉降和强化分离过程的分离设备。水力旋流器内的介质在离心力场作用下做强烈的旋转运动,对水力旋流器壁面造成冲击和摩擦,因此磨损问题是水力旋流器最主要的失效形式。针对水力旋流器壁面出现的严重磨损问题,采用数值模拟与实验相结合的方法,研究操作参数对水力旋流器壁面磨损规律。利用Fluent求解其内部流场和固体颗粒的运动特性。探究水力旋流器的操作参数进口速度和颗粒粒径对壁面磨损的影响规律。搭建了一套水力旋流器壁面磨损实验装置进行磨损实验,与数值模拟的结果作比较,实验规律与数值模拟相符。     

窄筛分颗粒气固流态化特性数值模拟研究

为更好地指导工业生产,了解不同粒径颗粒在气固流化床中的状态以及流化床中颗粒分布情况,针对气固流化床中窄筛分颗粒流态化特性进行数值模拟研究。通过流场模拟软件分析在相同流化床中不同粒径段的颗粒(46～80、106～113、185～221μm)和不同流化床进气速度条件下所能达到的体积分数和流化床层高度以及达到这一指标所需时间,并采用欧拉-欧拉模型和SIMPLE算法计算不同气速条件下的颗粒体积分数、速度分布。结果表明,在相同气速条件下,颗粒粒径增大,导致流化床内颗粒体积分数最高点与最低点的差距变大,颗粒分布不均匀性增加,同时床层整体高度下降,床层内颗粒密度上升,颗粒体积分数下降,流化效果降低;相同颗粒粒径情况下,增加气速可降低流化床内部颗粒的体积分数,增加气体与固体颗粒的接触面积,增强流化效果,但减少了流化床内部颗粒速度矢量分布达到均匀的时间,颗粒分布不均匀性更加明显。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

石膏旋流器分离性能的试验研究

通过对影响水力旋流器分离性能的三个因素:底流管径、进料浓度和入口压力进行正交试验,得出影响旋流器分离效果的各因素主次顺序,并对各影响因素进行分析。通过分级实验得出,经分离后底流口颗粒粒径集中于20μm以上,溢流颗粒粒径则集中于20μm以下。随着颗粒粒径的增大,分离效率也在增大,当粒径达到30μm时,效率已经接近100%,旋流器起到明显的分级、增浓效果。     

超重力水力聚结分离器流场分析与性能评估

采用离散相模型以脱油型水力旋流器为研究对象,分析了不同粒径油滴粒子在旋流场内的运移轨迹,得出随着粒径的增大旋流器的粒级效率逐渐升高。基于油滴运移轨迹设计了一种水力聚结旋流分离装置,可在旋流分离前端通过水力聚结使小颗粒油滴聚并成大颗粒油滴,进而增强旋流分离性能。开展室内试验对水力聚结分离器的分离性能和适用性进行验证。结果表明:粒径在100～900μm范围内随着油滴粒径的逐渐增大,旋流分离效率逐渐升高;水力聚结器可在油滴进入旋流分离器前使油滴碰撞聚结致使离散相油滴粒径分布增大,从而提高旋流器分离效率,其最佳入口进液量在4. 12m~3/h左右,最佳分流比为20%。     

固相颗粒在旋流场形成过程中的运动分析

通过CFD-DEM耦合计算方法模拟不同粒径颗粒在FX-50水力旋流器内的运动行为,分析旋流器内旋流分离场的形成过程,连续相的运动采用求解平均化的Navier-Stokes方程得到,离散相的运动通过离散元法计算。采用欧拉-拉格朗日方法,通过Freestream曳力模型传递相间数据,分析了流体的速度场、压力场,颗粒群的速度、受力、颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触作用力。结果表明,当循环流与入口流汇合时,颗粒速度损失较大;当旋流场稳定后,60μm粒径颗粒群在旋流器锥段的堆积最严重,分离速度较70μm、80μm颗粒低;颗粒平均速度的变化为先减小再增大,直到以后的稳定变化。旋流场未稳定时颗粒在竖直方向的运移速度大于旋流场稳定后竖直方向的运移速度,80μm颗粒竖直方向平均速度始终大于60μm和70μm。颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触过程中,颗粒的受力以法向方向为主,当颗粒与壁面接触时,所受合力最大;由于流动前期颗粒在旋流器内运动轨迹不稳定,颗粒随机碰撞明显,导致颗粒平均接触力波动较大,当旋流场达到稳定状态以后,数值改变很小。     

弯管体系内浆液流动分析

针对弯管系统中易在弯头处出现水合物堵塞的现象,以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响弯管系统中水合物颗粒最大体积分数的2个因素(颗粒直径、管径)进行了分析。结果表明:当水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,即随着粒径的增大,水合物的最大体积分数趋近迅速增大的状态,而当浆液流速较快时,水合物最大体积分数受流速影响较大;管径的增大可以减小水合物颗粒直径对弯管系统中水合物最大体积分数的影响,到管道直径达到200 mm时,水合物颗粒直径的变化几乎不会影响水合物最大体积分数。研究结果为水合物浆液混输领域的发展提供理论依据。     

溢流循环水力旋流器流场特性的数值分析

针对旋流器在运行过程中所产生的短路流、循环流以及分离效率低等现象,提出了一种溢流循环水力旋流器。依据计算流体力学,应用FLUENT软件对其进行了数值模拟,并与现有的双锥水力旋流器进行对比分析,研究了介质条件及操作参数对该旋流器的流场以及分离性能的影响。研究结果表明:溢流循环结构能够改善水力旋流器内部的短路流以及循环流现象,保持原有流场的稳定,还能有效地提高内侧溢流口轻质相体积分数,降低底流口轻质相体积分数,最终实现油水两相高效分离。     

水力旋流器流场特征和分级分离性能研究综述

水力旋流器利用颗粒-颗粒或颗粒-流体在旋流流场中运动行为差异实现分级分离过程,被广泛地应用于化工、冶金、矿物加工和环保等行业。在实际运行中,由于操作条件不合理或设备结构条件限制,使颗粒分级或固液分离性能无法满足应用需求,本文分析了水力旋流器的流场特征,并总结了影响旋流器分离性能的关键因素。水力旋流器内部呈现复杂的多相流场,颗粒性质、料液性质、进料条件等操作参数和旋流器的几何结构会影响水力旋流器的分离性能,实际应用中可以通过优化运行条件和旋流器的几何结构,提高旋流器的分级分离性能。     

颗粒入口位置与粒径对旋流器分离效率的影响

水力旋流器入口截面上不同位置的颗粒存在着不同的运动轨迹,不同的运动轨迹可以直接反映旋流器的分离性能,因此,弄清楚入口截面上的分离高效区非常重要。采用EDEM-FLUENT耦合数值仿真分析方法,将入口截面离散化为一系列的节点,针对不同粒径的球形水合物颗粒,统计研究了入口各节点位置的分离效率、运动轨迹和总分离效率。得到以下结论:水合物颗粒的分离高效区位于入口的上侧和内侧的交汇区域,而下侧和外侧交汇的区域为分离低效区,中间存在一个狭小的分离中效区。分离高效区中水合物颗粒的运动轨迹主要为短路流。随着水合物粒径的减小,分离高效区会向入口上侧和内侧交汇区域收缩,并趋于稳定。提出了颗粒入口位置分离效率的新概念,并可以利用它来确定水力旋流器的总分离效率。