气泡强化柱状水力旋流器结构优化研究

为促进国内气泡强化柱状水力旋流器工程化进程,在计算流体力学(CFD)数值模拟的基础上,运用响应曲面法对气泡强化柱状水力旋流器的结构进行了优化设计分析。优化设计后的气泡强化柱状水力旋流器最佳处理量为4~8 m3/h,此时分离效率可达95%以上,且溢流口和底流口的压力损失不高于0.36 MPa。与意大利萨伊博姆公司所研制的"3C"型柱状水力旋流器相比,在总体压降相当的情况下,优化设计后的柱状水力旋流器分离效率更高,工作稳定性更好;与常规切向入口水力旋流器相比,所设计的柱状水力旋流器在压力损失相近的情况下,单体处理量大幅度提高。优化设计后的柱状水力旋流器分离性能好,在液-液分离领域,特别是对空间要求较高场所具有广阔的市场应用前景,其优化设计成果也将对气泡强化柱状水力旋流器应用提供有力的理论支撑。     

液—液水力旋流器的结构类型及特点

介绍了液－液水力旋流器的几种主要结构类型,包括常规静态水力旋流器、固定式静态水力旋流器、转动式水力旋流器和动态水力旋流器等,并就各种类型水力旋流器的简要结构、工作原理、主要特点、应用场合和分离效果等做了分析,指出并非某一结构为最佳结构类型,在实践中应当根据实际应用场合的条件的不同,合理选择水力旋流器的结构类型,以在获得最佳处理效果的同时,充分发挥水力旋流分离性能。     

动态水力旋流器圆管螺旋流场特性研究

对动态水力旋流器圆管螺旋流场结构及形成原理作了简要描述。在深入研究动态水力旋流器分离机理及分离性能的基础上,运用圆管螺旋流动方程式进行了动态水力旋流器内部螺旋流动分布理论研究,得到旋流器内部流场按强制涡、自由涡、组合涡及螺旋涡的分布特性。同时利用直圆管柱模型,模拟计算出了圆管螺旋流的理论分布结果。研究和掌握动态水力旋流器内部流体螺旋流的运动及分布规律,为今后深入进行其分离机理、流场测试及分离性能研究打下了一定的基础。     

柱型水力旋流器单相流场数值模拟

运用RNGK-ε模型对柱型水力旋流器的全流场进行数值模拟,对模拟的切向速度、轴向速度、径向速度、动压、静压、流体运动轨迹进行分析。实验所测结果证明模拟结果是可靠的。     

关于直流电型水力旋流器脱水效率的讨论

直流电型水力旋流器是在脱水型水力旋流器的基础上增设一直流电场,直流电场和旋流场的共同作用大幅度提高了原油脱水效率。与直流电脱水器和脱水型水力旋流器相比,直流电型水力旋器具有体积小、重量轻、成本低、脱水效率高、脱水效果好、流量调节范围广,安全可靠等优点。直流电型水力旋流器作为油田原油脱水设备具有广阔的发展前景。     

双锥双入口型水力旋流器分离效率实验研究

在室内建立双锥双入口型水力旋流器分离效率评价装置,利用正交试验设计采出液预处理室内实验,探索双锥双入口型水力旋流器分离效率与操作参数的关系,确定最佳操作条件以提高双锥双入口型水力旋流器的分离效率。同时,将Designer Expert软件数值模拟结果与正交试验结果进行对比,结果基本吻合。最后,研究分离介质物性参数随操作参数的变化,并分析其对水力旋流器分离效率的影响。     

气液比对压裂返排液旋流除砂器性能的影响

水力旋流器已被应用于压裂返排液除砂,为了提高其分离性能,基于Fluent软件模拟和实验,研究了不同入口气液比(GLR)下水力旋流器的空气柱直径、压力与速度分布及分离效率,总结了入口GLR对水力旋流器分离性能的影响规律,并确定了最佳入口GLR范围。研究结果表明:①物料不含气体时,底流口与溢流口负压区将外界气体吸入内流场形成空气柱,当物料中含有气体时,空气柱中绝大部分气体来自溢流口与底流口,并且最终通过溢流口排出;②随着气液比升高,壁面处压力、底流压差及溢流压差均呈现非线性增长的趋势;③随着气液比升高,切向速度增大,却减小了较小气液比(10%～20%)下的组合涡流场指数;④随着气液比升高,轴向速度不断增大,然而过高的气液比(GLR 40%)却增加了流场的不稳定性;⑤气液比的升高提高了水力旋流器的除砂效率并减小了切割粒径,当GLR 30%时组合涡流场指数较小且分离效率较低,GLR 40%时能量损耗较大,确定出最佳GLR区间介于30%～40%。结论认为,该研究成果可以为水力旋流器的优化设计提供参考。     

水力旋流器内分离介质流动分布特征数值模拟

提出了脱油型水力旋流器参数关系的结构模型,依据建立和修正的分离场的k-ε湍流数学模型,进行了网格划分,确定出边界条件.描述了水力旋流器内部分离介质的三维流动分布特征对分离性能的影响.对旋流器压力场、速度场和分离介质运动迹线分布特征的数值模拟进行了研究.分析了旋流器内部分离介质流动分布特征的数值模拟结果,实际测试的分布结果与流动场结构中理论计算的分布结果相一致.通过合理控制旋流器操作参数(如流量、压力和分流比等)来实现最佳的分离效果.该研究将为改进水力旋流器结构设计、提高分离性能和降低能耗损失提供参考,也为其更好的推广应用奠定一定的基础.     

基于CFD的水力旋流器流场模拟研究

介绍了一种利用CFD软件进行水力旋流器流场模拟的方法,展示了对旋流器流场最重要的几个物理量的模拟结果,即静压力、切线速度、密度以及空气柱等的分布情况。通过对以上几个主要参数的模拟结果分析,发现模拟结果基本满足(准)自由涡运动规律;对于具体结构的旋流器,可以利用模拟结果较准确地得出旋流器的结构参数n,为旋流器设计提供可靠的设计依据,亦可研究不同工况下水力旋流器的处理效果。     

微孔材料对气携式液-液水力旋流器性能的影响

在常规脱油型水力旋流器的基础上,通过结构设计制成气携式液-液水力旋流器,旨在提高其除油效率。介绍了气携式液-液旋流分离的基本原理、样机结构及实验工艺流程,该旋流器的部分旋流体由微孔材料制成。研究了微孔材料对水力旋流器分离性能的影响,如微孔直径、微孔材料安装位置等。试验研究显示,20~40μm孔径的微孔材料可获得最佳旋流分离效果,小锥段微孔注气的效果最佳。对微孔材料的SEM分析表明,试验1个多月后微孔未发生堵塞现象。     

排气管偏置对PV型旋风分离器性能影响的研究

以Ф300mm、标准PV型旋风分离器为基准模型进行冷态对比实验，研究了排气管与筒体轴线偏心布置对PV型旋风分离器分离性能的影响。结果表明，排气管偏置是进一步提高PV型旋风分离器性能的有效措施之一。在适当的偏心矩和偏置方位下，不仅能降低压降，还可以显著提高分离效率。     

基于Q判据的不同排气管直径旋风分离器内部涡分析

为了研究排气管直径对旋风分离器内部流场的影响,采用雷诺应力模型对4种不同排气管直径的旋风分离器进行气相流场的数值模拟,同时引入Q判据识别内部空间涡的结构。结果表明,利用Q判据做出的涡等值面,可以较为直观地看出涡结构的变化趋势。在一定范围内,减小排气管的相对直径,可以使旋风分离器内部流动更加稳定;但当排气管直径过小时,内部湍动作用会加剧,能量损失加大。在壁面处,有封闭的涡线形成,能量损失加剧;改善壁面处的涡平衡,可以有效抑制封闭涡线的形成,从而减小能量损失,提高分离效率。此外,涡核摆动并不是随着排气管直径的增大就越剧烈,而是存在一个极值,在极值处涡核摆动整体最小;适当地调整排气管直径,有利于涡结构的平衡,提高流体的稳定性,从而提高分离效率。     

排气管直径对旋分器非轴对称旋转流场的影响

采用相位多普勒分析仪研究了4种不同排气管直径的旋风分离器气相非轴对称旋转流场。结果表明,实验测得的切向速度、轴向速度、湍流度分布与旋风分离器典型流场分布特点一致;随着排气管直径的减小,旋转中心与旋风分离器几何结构中心之间的偏心距也明显减小,其内部流场分布的非轴对称性减弱,有利于提高旋风分离器的分离效率,并降低因涡核摆动造成的摩擦阻力。说明合理地设置排气管直径是抑制单入口旋风分离器非轴对称旋转流动、提高旋风分离器性能的有效手段。     

导叶式旋风管入口环形空间内气相流场数值模拟

利用Fluent软件和雷诺应力模型(RSM)对装有分流型芯管的导叶式旋风管内部三维强旋湍流流动进行了数值模拟计算,尤其是将入口环形空间和芯管内的气相流场数值模拟结果与实验结果进行了对比。结果表明,数值模拟值与实验值吻合较好。部分气流通过芯管上的细长开缝进入芯管,实现气体的分流,通过两股不同方向旋流的相互作用,使得芯管内气流的旋转速度降低。     

旋风分离器旋风长度的分析计算

认为当分离器外旋流中损耗的能量(即外旋流向内旋流传递的总能量)与内旋流旋转能量达到平衡,即内外旋流之间能量的传递达到稳定状态时,旋转气流到达旋涡尾端位置。由此,采用分离器内压降定量表征能量的损耗,推导得到旋风长度的计算公式。考察了排气管直径、入口尺寸、排气管插入深度、入口浓度、分离器长度、排尘口直径等因素对旋风长度的影响。将该公式计算结果与实验测量值进行对比,结果表明,该公式能较好地反映各因素对旋风长度的影响趋势,且数值差别较小。该公式通过旋风分离器能量传递的特性推导,具有明确的物理意义,适用性较强。     

入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析

旋风分离器的入口气流颗粒浓度对旋风分离器的压力降有重要影响。在入口气流颗粒质量浓度5~550 g/m3范围内,对蜗壳式旋风分离器的压力降进行了实验分析。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,旋风分离器的压力降逐渐降低,尤其是开始阶段,降幅明显。除旋风分离器的入口部分压力损失外,旋风分离器的压力降主要由气、固两相流与器壁之间的摩擦损失和气、固两相流的旋转损失两部分构成,前者与入口气流速度有关,后者与旋转速度有关。随着入口颗粒浓度的增加,摩擦损失部分增加,但旋风分离器内的气、固两相流的旋转速度降低,旋转损失部分降低,综合结果是旋风分离器的总压力降降低。旋风分离器的压力降变化也使管路系统压力分布发生变化,导致入口流量发生变化,加入颗粒后通过旋风分离器的流量相对纯气相时的流量明显增加。最后,给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的计算方法。计算中考虑了加入颗粒后对切向速度的衰减作用,适用于高入口颗粒浓度的工况。     

螺线型旋风分离器的结构改进研究

采用螺线型旋风分离器实验装置,考察了排气管插入深度、螺线通道延伸段对螺线型旋风分离器分离性能的影响。结果表明,随着排气管插入深度的增加,螺线型旋风分离器的分离效率先增后减,当排气管的插入深度与进气口高度相等时,分离效率最高;添加螺旋通道延伸段,可在压力降不变的情况下有效提高分离器的分离效率。在本实验条件下,与普通螺线型旋风分离器相比,在相同压力降时,改进后的螺线型旋风分离器分离效率可提升6%~10%,能除尽10 μm以上的颗粒,对2 μm以下的超细颗粒也有较好的捕集效果。基于边界层分离理论,建立了螺线型旋风分离器的粒级效率计算公式,计算值与实验数据吻合性较好。     

旋风分离器自然旋风长的影响因素

自然旋风长为旋涡尾端到排气管下口截面的轴向距离。旋涡尾端是复杂的湍流动力学现象,对旋风分离器内颗粒返混、壁面磨损、料腿结垢和堵塞有重要影响。目前,学者们将自然旋风长的影响因素主要归结为筒体直径、入口面积和排气管直径3个方面,忽略了其他结构参数及操作参数的影响,故经验公式的准确性及适用性较差。笔者对旋风分离器内部能量传递过程进行分析,阐述旋涡尾端的存在机理,并实例说明自然旋风长经验公式的局限性与不足,总结了筒体的高/径比、锥体尺寸等几何参数,以及入口速度、入口浓度等操作参数对自然旋风长的影响,以期为旋风分离器高度的设计优化提供参考。     

柱形水力旋流器结构优化设计

文章根据TD哈蒂冈提出的圆柱水力旋流器的数学模型,提出了优化圆柱水力旋流器的结构参数(旋流器直径、进料管直径、溢流管直径、底流管直径、旋流器长度)的方法.     

液液旋流分离器内流动偏心现象的试验研究

旋流分离器中空气柱(旋流中心)溢流端偏心反映了旋流分离器内流动的不对称性。通过试验研究表明，旋流分离器的操作参数对溢流端旋流中心的偏移的影响并不显著，而主要决定于旋流分离器的输入结构形式，随输入结构形式不对称性的增加，流动偏心的程度也在增加。揭示了液液(除油型)旋流分离器内流动不对称性对分离效率的影响，这对进一步提高旋流分离器分离效率具有重要的指导意义。