水力旋流器湍流结构控制与能耗降减

引言能耗较高迄今仍是水力旋流器技术开发和应用中的主要问题之一．旋流器能耗的降低,不仅可以降低其运行成本、提高生产效益,而且可以提高能源利用率．旋流器在正常工作状况下其内的流体呈湍流运动状态,旋流器的高分离因素来自其湍流运动,即湍能耗散在旋流器内是不可避免的．那么,为了降低旋流器内的能量损失,只能想办法使湍能耗散降到最小．本文将采用设置类似大涡破碎器和流向棱纹面的方法,对旋流器内的湍流结构进行控制,并研究其湍流结构的变化与能量耗损降低的关系．l实验旋流器的结构按Rietema［1]最佳分离结构进行设计．经…     

Studies on the performance of a hydrocyclone and modeling for flow characterization in presence and absence of air core

Hydrocyclones are getting more and more interest from various industries. They are widely used to separate particulates from liquid at high throughput because of their advantages like simple structure, low cost, large capacity and small volume, require little way of maintenance and support structure. Modeling of complex and multiphase flow behavior inside the hydrocyclone is done usually with the help of computational fluid dynamic study. Current study involves experimental investigation of separation performance characteristics of the hydrocyclone using new design parameters. For experimental purpose, a new hydrocyclone was designed with insertion of solid rod, at central portion of conical section of hydrocyclone, inside the hydrocyclone . By which air core could be eliminated effectively and hydrocyclone performance is improved. This effect may be observed due to reduction of radial and axial components of velocity and turbulence in the area near the entrance of the vortex finder. Therefore, the flow field characteristics inside the hydrocyclone with no air core become more suitable for separation. Also the effect of flow rate, vortex finder depths, air core and particle interaction were studied experimentally. A new arrangement was suggested to eliminate the air core formed inside the hydrocyclone. In this case, effect of diameter and height of solid rod inserted inside the hydrocyclone with changing total inlet flow rate was studied experimentally. Three-dimensional geometry and meshing of hydrocyclone is created in Gambit, preprocessor of commercial software—Fluent, for hydrodynamic study.     

水力旋流器分离性能强化研究

设计了一种在旋流器轴心线位置具有中心固棒的新型水力旋流器,该中心固棒的引入有效地消除了旋流器内的中心空气柱。实验研究了该中心固棒替代空气柱对旋流器性能指标的系统影响。研究结果表明,采用中心固体棒取消旋流器内的空气柱后,旋流器的分离性能得到了有效的强化。与具有空气柱的旋流器相比,不管旋流器锥段结构如何变化(从普通直锥、到抛物线型锥、到双曲线型锥),具有中心固棒的旋流器均具有更高的分离总效率、更高的修正分离总效率、更小的修正分离粒度以及更高的分离精度。随着旋流器锥段内部空间的增大,中心固棒使旋流器分离性能提高的幅度也增大。     

水力旋流器新型出口挡板结构对分离性能的影响

针对小直径水力旋流器,设计了不同内置挡板式的溢流管和底流管,实验研究了新型出口挡板结构对水力旋流器分离性能的影响。研究结果表明：内置挡板溢流管适用于处理量较大的工况,与传统溢流管相比,分离效率略有降低,但在高流量下其压降的降低幅度可达11.11%,挡板宜采用相对较窄、较短、三块120°间隔设计方式;底流管内置挡板采用十字交叉结构可稳定内旋流,使分离效率最大可提高5.96%;新型内置挡板的溢流口与底流口相耦合,可同时实现提高分离效率和降低压降的目标。此外,在相同情况下,发现溢流管内置挡板可消除水力旋流器内部的“空气柱”,据此推断“空气柱”并非由内部空气形成,而是其内部负压中心形成的某种湍流程度较高的强制旋流涡。     

水力旋流分离器内流动和油水分离的数值模拟

The fluid flow and oil-water separation were simulated using a Reynolds stress transport equation model of turbulence in water flow and a stochastic model of oil droplet motion,Simulation results give the axial and tangential velocity components,the pressure and turbulence intensity distribution and droplet trajectories for a hydrocyclone of F type and a hydrocyclone proposed by the present authors.The flow filed predictions are in qualitative agreement with the LDV measurements.The results show that the proposed hydrocyclone has better performance than the hydrocyclone of F type due to creating stronger centrifugal force and lower axial velocity.     

含聚浓度对旋流器性能影响的数值模拟与试验

以螺旋导流式旋流器为研究对象,选用幂律流体模型和离散相模型（DPM）计算了不同含聚浓度条件下的分离性能,对旋流器流场（速度场、压力场）及油滴运移特性进行了细致的分析,并采用高速摄像技术（HSV）开展了相应的分离特性试验。研究发现：聚合物浓度为0时,油滴存在明显的乳化效应,实测效率81.7%;浓度增大后,乳化效应减弱,油滴分散在旋流器内,中心油核消失,效率急剧下降,4000mg/L时旋流器基本无分离效果;浓度增大对压降影响较小,底流压降最高增幅5.6%,最大值不超过200kPa。分析表明,效率下降与切向速度衰减、径向压力梯度减小有关;浓度增大后油滴轴向向下运动的距离增加,呈现向旋流器外壁面运动的趋势,分离时间延长。     

油井采出液预分水用轴向水力旋流器的实验研究

高含水油井采出液的高效预分水是目前油气集输处理领域面临的关键难题之一,轴向水力旋流器因具有结构紧凑、分离效率高等优点而得到了国内外的广泛关注。本文针对自主研发的油井采出液预分水用轴向水力旋流器开展了室内实验研究。与切向水力旋流器对比,轴向水力旋流器不仅分离效率更高,而且油出口处的油滴聚结长大近1.8倍,在分水率高于50%的情况下,水出口处的含油浓度低于1000mg/L;轴向水力旋流器压降较低,且压降比与分流比呈线性相关。分流比、含水率和流量对分离性能均有显著影响,其中分流比的变化直接影响油核的大小和稳定性,室内样机的最佳分流比为0.45,当含水率为90%、处理量为1.00m³/h时分水率与含油浓度分别为62.9%和432.8mg/L;含水率高于75%时分离性能良好;室内样机的最佳流量为1.50m³/h。自主研发的轴向水力旋流器不仅满足性能要求,而且在操作弹性、可控性方面较切向水力旋流器均有一定的提升。     

多进口旋流器流场特征及分离性能

为了改善单进口旋流器稳定性差、分级效率低等问题,本文提出了多进口旋流器结构。通过数值模拟方法,在恒定入料工况下,对比分析了单、二、三、四进口旋流器的流场特征和分离性能。研究结果表明：增加旋流器进口数量,会对旋流器流场和分离性能产生积极影响,有利于旋流流场径向压力的增大,且进口数量为偶数时,流场径向静压力增强效果更好;旋流器柱段区域流场切向速度增大,有利于强化旋流器分离能力。同时使用Mixture耦合RSM模型预测了离散相CaCO₃颗粒的分离效率,结果表明多进口旋流器可以在低速度入口条件下完成离散相的高精度分离。入料速度为3m/s的工况条件下,多进口旋流器分离50μm、57.5μm颗粒的底流分配率较单进口旋流器分别提升了10.60%、5.59%,对抑制旋流器溢流产品错配率和提高分级精度有积极的影响。因此,增加旋流器进口数量,可以有效提升旋流分级效率和分离精度。     

溢流管结构对天然气水合物用旋流器分离性能的影响

建立了主直径100 mm的旋流器模型,采用计算流体力学(CFD)方法研究了溢流管内径、插入深度及壁厚对旋流器分离天然气水合物性能的影响规律。结果表明,入口流速为9 m/s时,随溢流管内径增大,水合物分离效率增大,砂的分离效率降低,旋流器的压力降逐渐减小;随溢流管壁厚增大,水合物和砂的分离效率稍有增大,旋流器的压力降先增大后减小;随溢流管插入深度增大,水合物分离效率先减小后增大,砂的分离效率先增大后减小,旋流器的压力降波动较小。溢流管内径对旋流器分离天然气水合物性能的影响最大,插入深度次之,壁厚的影响最小。     

新型水处理装置——动态水力旋流器的试验研究

介绍了新型水处理装置－动态水力旋流器的结构,特点及现场的试验结果,证明其分离效率较了装置高,是工业水处理技术中又一个新的研究发展方向。     

含油水处理用复合式水力旋流器研究进展

复合式水力旋流器是一种将动态与静态旋流分离技术有机结合在一起 ,而获得强大惯性离心力的含油水高效处理新型设备 ,其主要特点是旋流强度大、液流压力损失较低、振动幅度降低、分离效率更高 ,且处理量在较大的变化范围内有很好的处理效果。介绍其结构设计、分离机理及影响因素等方面的研究进展 ,设计了合理结构的样机。     

锥体开缝对水力旋流器固液分离性能的影响

设计了一种新型锥体切向开缝结构的水力旋流器，并针对锥体开缝长度、位置、数量以及开缝型式对水力旋流器分离性能的影响开展了实验研究。研究结果表明：锥体开缝会使水力旋流器的压降大幅降低；开缝长度由10 mm增大到50 mm的过程中，分离效率呈现先增大后减小的趋势，开缝长度为20 mm时最佳；第二条缝隙的开缝位置由锥体底部向上移动的过程中，分离效率也呈现出先增大后减小的趋势，距底部缝隙80 mm时分离效率最高；保持出口截面积不变，在底部开6 mm长的缝隙，另外在最佳开缝位置处开一条长缝隙时的分离效率最高，且与底部缝隙呈反方向分布是最优的开缝型式，与常规水力旋流器对比，在高流量下其分离效率仅降低了1.48%，但压降降低可达36.84%，节能效果显著，具有重要的应用价值。     

Improvement of performance efficiency of a hydrocyclone with design modification by suppressing air core

Hydrocyclones have been used for beneficiation of coal and mineral in coal washeries and mineral process industries. To enhance the efficiency of hydrocyclone, it is very essential to quantify the presence or absence of air core within the hydrocyclone. In the present study, for the first time, a new hydrocyclone design has been conceptualized and tested for its efficiency in separation of particles based on gravity. Experimental investigations have been carried out using design of experiments and the results have been analyzed statistically. The results have shown that suppressing the air core improves the separation efficiency of the hydrocyclone. Efforts have been made to explain the concept through fundamentals of fluid flow in hydrocyclone. The air core has a significant effect on particle separation as the relative density of the particles approach to the fluid density. The results will be used in the development of a new design of dense medium hydrocyclone at industrial scale that will improve the separation efficiency of the hydrocyclones by separating the near gravity particles more efficiently.     

轴流式旋流器试验研究

提出一种新型轴流式液固旋流分离器,室内实验发现它可以在不降低分离效率及处理量的情况下可大幅度降低旋流器内的压力损失,从而降低能耗。     

水力旋流器分离细颗粒的试验研究

介绍了用于细颗粒分离的水力旋流器的基本结构形式及主要结构参数。并针对旋流器雷诺数、分流比、旋数等无因次参数对压力特性的影响进行了细致的试验研究,找出了这些参数与欧拉数和压降比的相互关系。所有试验均在不含气的条件下进行。结果表明,随着雷诺数、分流比和旋数的分别加大,水力旋流器的压力降呈增加趋势,压降比则呈下降趋势。另外,针对当量直径45μm尿素复合颗粒进行了分离特性研究。结果表明,随着雷诺数的加大,分离效率逐步提高,但并非雷诺数越大越好;对于分流比,则只在低雷诺数时有利于分离效果的改善;旋数分别为9、16和29的实验结果表明,旋数16的总体效果为最优。     

导叶式旋流器内油滴的聚结破碎及影响因素

利用流场测试实验和模拟计算对导叶式旋流器的内部流场和湍流性能进行研究,得到导致旋流场中油滴发生聚结破碎现象的内因为时均速度梯度引起的黏性剪切力和湍流流动引起的高剪切应力及湍动能,并分析了油滴破碎的主要发生部位。同时为宏观考察导叶式旋流器内油滴聚结与破碎相对作用强弱,验证了旋流器的分离性能作为表征量的可行性,并在此基础上,利用导叶式旋流器的分离性能实验结果对油滴聚结破碎发生的外因进行研究,结果表明导向叶片的结构参数（叶片数和叶片出口角）和旋流器的操作参数（入口流速、溢流率、分散相入口浓度和操作温度）均会影响到油滴在旋流器中的存在和运动形态。     

旋流分离技术研究进展

介绍了旋流分离技术的研究进展,包括水力旋流器的结构形式与结构参数、新结构类型、主要水力学参数、混合液性质及流量稳定性、材料与制造技术、磨损与腐蚀及旋流分离应用技术的研究进展等,还对旋流分离技术的发展趋势作了简要分析。研究表明,随着人们对旋流分离技术的不断开发,其在石油、化工等行业得到了越来越广泛的应用。     

旋流分离技术的现状与应用前景

在简述了液液旋流分离器的基本结构和工作原理及特点的基础上 ,介绍了旋流分离技术用于油污水处理、原油或其他油品脱水、液化气脱胺等方面的研究与发展现状 ,并展望了旋流分离技术在液液分离过程中的应用前景     

动态水力旋流器脱油动力结构布置改进研究

动态水力旋流器是一种旋转式油水高效离心分离的新型设备。介绍了通过改进其脱油动力结构布置形式,增加了流场旋流强度,提高了分离效率。试验证明了改进后的布置方案有更好的脱油性能。     

水力旋流器能耗机制与节能原理研究 Ⅲ.湍流压力场脉动结构

采用电阻应变式压力测定仪及在线数据自动采集与实时处理系统,在国内外首次对水力旋流器内湍流压力场的脉动结构进行了系统的实测研究。结果表明,在溢流管端以下内旋流区域中,流体的压力脉动强度以及压力相对脉动强度均很大,该区域是一个湍动能量损失严重的区域;水力旋流器中绝大部分区域内的脉动压力均服从Ｇａｕｓｓ分布;但在柱段区域的个别地方以及锥段上部内旋流区域的许多地方,脉动压力则拒绝Ｇａｕｓ假设,在这些部位湍流具有明显的间歇性特征。