井下微型气液旋流分离器优化设计与性能分析

针对采油井筒内产出液含气对油田同井注采开发模式的不利影响,基于旋流分离原理提出一种井下微型气液旋流分离器结构。借助Plackett-Burman设计、最陡爬坡设计与响应曲面设计结合计算流体动力学方法,对井下微型气液旋流分离器结构参数进行显著分析及优化设计,构建了显著性结构参数与分离效率间的二次多项式数学关系。系统分析了入口进液量、分流比及气相体积分数对气液分离性能的影响规律。构建室内微型气液旋流分离性能测试系统,对数值模拟结果的准确性及优化结果的高效性进行了验证性试验。试验结果表明优化后的微型气液旋流分离器结构可使液相效率由优化前的84.10%提高到87.22%。获得了微型气液旋流分离器最佳溢流分流比为6%,最佳入口流量为13.77 L/h,最适用的气相体积分数为5.5%,最佳工况下气液平均分离效率为99.66%。为了指导分离器在不同含气量条件下的最佳运行参数调控,构建了气相体积分数及溢流分流比与分离效率间的数学关系模型,获得了不同气相体积分数条件下的最佳分流比。     

基于多尺度孔结构的保温隔热涂层的导热系数与导热模型

以水性丙烯酸酯乳液为成膜物质,以二氧化硅气凝胶（ SA）与空心玻璃微珠（ HGB）为隔热填料,同时引入纳米孔和微米孔,制备了具有多尺度孔结构的保温隔热涂料。通过热常数分析仪测量不同 SA、HGB体积比的涂层的导热系数。结果表明：涂层的导热系数与 SA、HGB的体积比密切相关。涂层的导热系数随填料体积分数的增加而减小,当填料体积分数为 70%,SA与 HGM体积比为 8∶2时,涂层导热系数最低为 0. 053 W/（m·K）。使用并联模型、串联模型、 Maxwell模型、 H-C模型对 SA/HGM保温隔热涂层的导热实验数据进行拟合,发现当填料体积分数为 30%时,涂层导热系数可以用 Maxwell模型进行预测;当填料体积分数为 50%和 70%时,需要考虑涂层中开放孔隙的影响,涂层导热系数可以用基于 Maxwell模型的修正模型进行预测。     

水合物法平衡级分离CO2/N2流程模拟分析

化石燃料燃烧排放烟气中CO₂的量占CO₂总排放量的75%,为了缓解CO₂导致的全球温室效应,需将CO₂/N₂中的CO₂分离出来。水合物法分离是一种高效、低能耗的CO₂/N₂分离技术。本文研究了水合物法平衡级分离CO₂/N₂过程中,进料CO₂体积分数、反应条件与反应特性三者间的关系,利用CPA-SRK方程+Chen-Guo模型对其进行平衡级分离流程模拟分析。经计算发现,进料干基CO₂体积分数对水合物法分离CO₂/N₂工艺的反应压力、平衡级级数均有较大影响。随着体积分数的增加,反应压力呈减小趋势,减小幅度随体积分数增加而减小,当进料CO₂体积分数小于20%时,压力下降较快,当体积分数大于50%时,压力降低幅度变小。温度为277K时,CO₂体积分数小于10%时,需四个水合物平衡级分离才能得到满足要求的气样;当体积分数为10%~20%时,需三个水合物平衡级分离;体积分数大于30%时为两个水合物平衡级分离。温度对水合分离的反应压力有较大影响,但对所需平衡级分离级数的影响并不大。随着温度的升高,水合反应压力呈增加趋势,增加幅度随进料干基CO₂体积分数的增加而降低。针对所研究气样,在不同温度下,均需三个水合物平衡级分离才能达到工艺要求。     

含气条件对井下油水分离旋流器性能影响的数值模拟

为探究气体对井下油水旋流器性能的影响规律,针对新型螺旋流道倒锥式旋流器,采用Fluent软件对气液比分别为0.01、0.03、0.05、0.08、0.10时旋流器的油相分布进行模拟分析。通过对比分析发现:不含气时旋流器的分离效率为89.31%;在结构参数和分流比不变的条件下,旋流器分离效率随气液比的增加呈降低趋势,气液比为0.10时,分离效率为36.90%;气液比越大,溢流口的油相体积分数越小,底流口的油相体积分数越大;溢流口和底流口的压力损失随气液比的增大而递减。     

多级螺旋分离器结构优化设计与性能分析

为解决井下油水分离水力旋流器串接工艺较为复杂的问题,基于串联旋流分离原理提出一种新型多级螺旋分离器结构。利用响应曲面设计结合计算流体动力学方法,构建多级螺旋分离器参数与分离效率间的数学关系模型,得出最佳结构参数匹配方案,并针对最优结构模型系统地探究在一定范围内不同入口流量、油相体积分数及分流比对应的分离性能变化规律。开展室内分离性能实验,对数值模拟结果的准确性及优化结果的高效性进行验证。结果表明,优化后的结构可使分离效率由91.0%提高至96.2%。对比不同入口流量条件下的分离性能,得出最佳入口流量为2.5 m³/h;在一定范围内,随着油相体积分数及溢流分流比的增加,分离效率均呈先增大后减小趋势,其中模拟效率最高可达99.72%,实验效率可达97.70%,进一步验证了模拟结果的可靠性及优化结果的高效性。     

脱气除油旋流系统流场分布及分离特性

目前我国大部分油田已进入高含水阶段，且采出液中常带有大量伴生气，采用旋流分离法实现采出液高效分离对于简化陆上油田地面处理工艺及提升海上平台经济环保的采出液处理技术具有重要意义。脱气除油旋流系统由GLCC型气液分离器和油滴重构旋流器串联组成，设计的目的是在保证高效脱气的同时进一步改善对小油滴的去除效果，实现油气水三相高效分离。本文基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法，利用种群平衡模型（population balance model，PBM）模拟油滴破碎与聚结，对脱气除油旋流系统内部流场特性及粒度分布进行模拟分析，并采用数值模拟与试验相结合的研究方法，对比分析不同含气体积分数和气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离性能的影响规律。结果表明：含气体积分数与气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离效率的交互作用较显著，在研究范围内综合脱气效率和除油效率可以得到，含气10%、20%、30%的最佳分流比分别为25%、30%、35%，数值模拟结果与试验结果吻合良好，验证了数值模拟方法的可靠性。另外，含气体积分数越大，油滴重构旋流器的油滴分层重构现象越明显，油滴重构旋流器可以在一定程度上改善含气情况下油水分离效果差的现象，脱气除油旋流系统对油气水三相分离的适用性较好。     

加盐萃取-精馏耦合分离苯-环己烷共沸物

采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)+硫氰酸钾(KSCN)萃取分离苯-环己烷共沸物,并用常规间歇精馏处理富含苯的萃取液。考察了不同溶剂与原料液的体积比、盐质量分数对该体系分配系数及选择系数的影响,并进行了多级错、逆流萃取实验及精馏实验。实验结果表明:7级错流萃取可得摩尔分数大于97%(脱溶剂摩尔分数)的环己烷;5级逆流可得摩尔分数大于75%(脱溶剂摩尔分数)的环己烷;精馏后的萃取液,苯摩尔分数可达98%以上,DMF+KSCN摩尔分数可达96%以上。加盐萃取-精馏耦合分离苯-环己烷共沸物可得到令人满意的分离效果,是一种绿色节能的新方法。     

氢同位素的低温精馏分离及模拟技术

低温精馏分离氢同位素的技术,是可使聚变反应器燃料循环使用的有效方法。在研究低温精馏氢同位素的过程中,必须考虑到物系的特殊性,如氚具有衰变热、氢溶液的非理想性,以及严格的分离要求等。文章从理论及实际出发综述了氢同位素低温精馏体系的发展过程,并比较和讨论了各种流程的构造及特点,总结了氢同位素低温精馏模拟研究的发展历程和目前状况。提出进一步研究低温精馏分离氢同位素的必要性。     

轴入式两级串联旋流器分离性能研究

基于计算流体动力学软件Fluent,采用雷诺应力模型,以轴入式两级串联旋流器为研究对象,模拟分析了不同处理量和分流比条件下旋流器的分流特性和分离特性。模拟结果表明:处理量在2.40~7.20m~3/h范围内变化时,旋流器的分离效率随处理量的增大逐渐升高,处理量大于4.80m~3/h时,分离效率增幅缓慢;分离效率随分流比的增大呈先增加后减小的趋势,最佳一级分流比为20%,最佳二级分流比为15%。由现场分离性能实验可知最佳处理量为4.80m~3/h,最佳分流比为35%,实验结果与模拟结果吻合良好,验证了模拟结果的准确性。     

热循环吸附装置的初步氢同位素分离

设计建立了热循环吸附法(TCAP)氢同位素分离实验装置,并通过初步实验验证其分离性能。分离柱为双排圆形排列钻孔管结构,总长度约16 m,封装涂钯氧化铝1 558 g。全回流模式的初步实验结果显示,该分离实验装置可有效实现氢同位素分离,全回流模式下,分离柱热/冷循环温度为150℃/10℃,体积分数50.7%H2—49.3%D2的混合气体经30个循环后,柱底部的氘丰度达到98.8%,顶部氕丰度达到98.4%。初步实验结果表明,该分离装置可有效实现氢同位素分离。     

油水乳液体系水合分离塔的模拟计算

在水合物法辅助分离乙烯裂解气流程中,水合物分离塔是非常关键的单元操作设备。气体混合物在塔内的分离过程与气体吸收塔类似,但因涉及气-液-液-固4相,所以计算更加复杂。将速率法和平衡级法相结合,提出了油水微乳体系吸收-水合分离塔的模拟计算方法。模拟计算了一典型乙烯裂解气在水合分离塔内的分离状况。为了确定适宜的操作条件,分别考核计算了操作温度和气液比对分离效果及能量消耗的影响。所得结果对水合分离塔的设计、操作条件的确定以及乙烯裂解气分离流程的制定有很重要的意义。计算结果还表明,通过水合物技术在0℃左右可实现氢气、甲烷和C₂以上组分的有效分离,因此可以节约大量制冷功耗。     

离子交换色谱法分离硼同位素的研究进展

综述了离子交换色谱法分离硼同位素的进展。在目前的研究方法中,主要采用强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂和硼特效树脂作为柱填充材料,本文对于这3种树脂的优缺点进行了比较,最后对影响单级分离因子的因素进行了讨论。表明离子交换色谱法是一种极具潜力的硼同位素分离方法,具有高效节能的特点。     

电极上气泡分离行为及其强化技术研究进展

电解水作为大规模生产氢气的途径,增强电解水效率对于氢能源的生产具有十分重要的意义。而如何提高电解水工艺的电解效率是一个被广泛关注的问题。在电解过程中,电极两端产生的气体有三种去向：逸出电解槽、溶解于电解质中、附着在电极上。但在电解过程中,附着在电极上的气泡会严重影响电极与电解质之间的接触面积,直接降低了电解效率。降低气泡在电极上的停留时间能够有效增加电解质与电极的接触时间,提高产氢效率。本工作主要综述了近年来促进电解过程中极板上氢氧气泡从电极分离行为的研究,分别从极板属性、电流、溶液浓度和外加物理场这几个方面对气泡成核、生长、聚结和分离行为进行了具体的归纳总结,讨论了各种强化气泡分离方法的特点,并展望了未来的发展方向和路线,为未来的电解气泡脱离技术的研究提供参考。     

Maximizing separation performance of q-cascades for multicomponent isotope separation

The Q-cascade is a type of model cascade that is particularly useful for studying multicomponent isotope separation. The cascade segmentation technique is further developed to optimize Q-cascades, which minimizes the relative total flow by splitting a cascade into smaller segments that each use the mass number of the virtual component as a decision variable. Application of this technique to Cadmium isotope separation shows that it is always effective. If the number of segments into which a cascade is split increases, then the minimum relative total flow decreases. A progressive segmentation strategy is developed to maximize the number of segments.     

Stage and point efficiencies in barrier separation processes

The Murphree type stage and point efficiencies for any rate governed barrier separation process have been critically examined. Standart's plate efficiency definition and the concept of the rate of enriching mass transfer through the barrier have been utilised to propose new definitions of stage and point efficiencies in barrier separation processes with single entry separating elements. Expressions have been derived for the proposed point efficiency for various nonidealities encountered in some common barrier separation processes. An analytical relation between the proposed stage and point efficiencies has been developed for an ideal cross flow stage in a close separation barrier separation process. The procedure for estimating the proposed stage efficiency has been indicated also for a cross flow stage when the flux expressions through an ideal and a real barrier are known.     

化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇过程参数优化与分析

我国能源结构决定了以煤为主的甲醇生产路线。传统煤制甲醇过程主要存在过程能量效率低、CO₂捕集能耗高等问题。本文提出了一种化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇新过程，以降低能耗、二氧化碳排放及提高能源效率。化学链空分技术的集成可以替代传统煤制甲醇过程的空气分离单元，并在一定程度上降低能耗。化学链制氢技术的集成，一方面可以替代水煤气变换装置，并且可以极大程度降低二氧化碳捕集能耗；另一方面，化学链制氢技术还可生产用于调整合成气氢与碳比的氢。本文对新过程的核心单元进行了参数优化以及全流程的模拟，基于模拟对新过程的性能进行了分析，结果表明新过程与传统的煤制甲醇过程相比，空分和二氧化碳捕集能耗分别降低了41%和89%。同时，新过程的能量效率提高了18%，二氧化碳排放量降低了45%。     

Hydrogen separation from the H2/N2 mixture by using a single and multi-stage inorganic membrane

The separation characteristics of hydrogen from a gas mixture were investigated by using a single and two-stage inorganic membrane. Three palladium impregnated membranes were prepared by using the sol-gel, hydrolysis, and soaking-and-vapor deposition (SVD) techniques. A two-stage gas separation system without a recycling stream was constructed to see how much the hydrogen separation factor would be increased. Numerical simulation for the separation system was conducted to predict the separation behavior for the multi-stage separation system and to determine the optimal operating conditions at which the highest separation factor is obtained. Gas separation through each prepared membrane was achieved mainly by Knudsen diffusion. The real separation factor for the H₂/ N₂ mixture was increased with the pressure difference and temperature for a single stage, respectively. For the twostage separation system, there was a maximum point at which the highest separation factor was obtained and the real hydrogen separation factor for H₂/N₂ mixture was increased about 40 % compared with a single stage separation. The numerical simulation for the single and two-stage separation system was in a good agreement with the experimental results. By numerical simulation for the three-stage separation system, which has a recycle stream and three membranes that have the same permeability and hydrogen selectivity near to the Knudsen value, it is clear that the hydrogen separation factors for H₂/N₂ mixture are increased from 1.8 to 3.65 and hydrogen can be concentrated up to about 80 %. The separation factors increased with increasing recycle ratio. Optimal operating conditions exist at which the maximum real separation factor for the gas mixture can be obtained for three-stage gas separation and they can be predicted successfully by numerical simulation.     

低温吸附法分离氢同位素

液氮温度下用分子筛Y在自行设计的单塔变压吸附装置上进行氢氘气体分离的研究,考察了流量与压力对分离效果的影响,在气体总压力0.40 MPa、总流量129.79 cm3/min与吸附床长度1.0 m时氢氘气体之间的分离因子可达到1.52。然而压力为0.013 9 MPa与0.017 5 MPa时D2与H2在分子筛Y上的平衡吸附量比值仅分别为1.18和1.17。结合平衡吸附和动态分离之间的差异,表明吸附法能够有效分离氢同位素气体的机理是基于动力学效应。