一種雙葉輪動態(tài)旋流分離器的壓力性能

劉培啟， 吳柯含， 周運志， 任 帥， 胡大鵬

(大連理工大學 化工機械與安全學院， 遼寧 大連 116024)

一種雙葉輪動態(tài)旋流分離器的壓力性能

劉培啟， 吳柯含， 周運志， 任 帥， 胡大鵬

(大連理工大學 化工機械與安全學院， 遼寧 大連 116024)

由于原油黏度較高，常規(guī)旋流器壓損大、除砂效率低，據此研發(fā)了一種雙葉輪動態(tài)旋流分離器。采用實驗和模擬相結合的方法，對該設備的流場與操作特性進行研究。在入口設置了渦板式葉輪，可對進料增壓并改善進料對稱性，有利于分離和減少壓損，同時葉輪中心負壓可實現裝置自吸功能；在出口設置了多尺寸的直板葉輪，對溢流出口液體進行可調節(jié)增壓；為了穩(wěn)定內部流場，流場中心設置了中心固棒，進一步提高分離性能的同時壓損可減少19%以上。操作特性研究表明，提高轉速，壓降呈線性減小趨勢，實驗范圍內，壓降減少21%以上；壓降隨流量增加呈指數增大趨勢，小流量下設備可實現無壓降分離。該裝置集成了分離與增壓功能，且通過改善流場有效降低了壓損。

原油分離；旋流器；壓降；模擬；實驗驗證

隨著油田開采的不斷深入，油田采出液中的含砂量大幅度增加，如不進行相應的處理，將會對后續(xù)的管道運輸和煉化造成很大的影響[1]。旋流分離器占地小、液料停留時間短，有著很高的分離效率和設備利用率，更由于其性價比高、安裝維護方便，受到了國際石油工程界的廣泛關注，已逐漸代替重力沉降技術而廣泛應用于油田采出液除砂處理[2-5]。目前，學術界對于旋流分離器做了大量的研究，也不斷有新型旋流器或改進結構被提出。

旋流分離器可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，目前油田用旋流分離器以靜態(tài)式居多。很多結構參數都影響著靜態(tài)旋流分離器的性能，包括進口設計、錐角結構、溢流管結構等，國內外對于優(yōu)化旋流器結構與尺寸以達到更好的分離效率和壓降性能做了大量的研究。Elsayed等[6-7]發(fā)現進口寬度比高度對于旋流器性能的影響更大，并提出了進口的最佳寬/高比大約在0.5～0.7之間；Zhao等[8-9]研究了單進料口與雙進料口對于旋流器性能的影響，為此設計了3種進口的旋流器，分別為傳統矩形單進口、切向對稱螺旋進口和收斂對稱螺旋進口，實驗比較了3種進口對于分離效率和壓降的影響。Ghodrat等[10]對不同錐段結構的旋流器進行數值模擬，總結了凹錐形、標準錐形和凸錐形3種錐段結構對旋流器性能的影響。Li等[11-12]和Xiong等[13]研究了一種新型溢流出口結構。

雖然對于提高靜態(tài)旋流器性能的研究取得了一系列的成果，但隨著油氣田的深入開發(fā)，油氣田的開采壓力將越來越低，而靜態(tài)旋流器的高性能的基礎則是具有足夠高的入口壓力或速度以產生足夠強的渦流，達到分離目的，除非設置預增壓裝置，否則很難保證其分離效率和出口壓力。同時，靜態(tài)旋流器易受進口流量和壓力波動的影響，壓降較大，對于小顆粒的分離效率也不理想。由此，研究帶轉動部件的動態(tài)旋流分離器十分必要。

1984年在歐共體的支持下，由法國的TOTAL CEP和NEYRTEC 首次提出了動態(tài)旋流器的概念,并于1986年7月研制出世界上第1臺試驗用樣機[16-18]；王尊策等[19]研制出的復合型動態(tài)旋流器采用旋轉柵的結構，適用于液液和氣液的高效分離；樊寧等[20]研究了一種新型結構，采用離心渦輪葉輪結構，可產生強大的離心力場；Jiao等[21-22]利用空心轉動軸帶動旋轉葉輪，替代了傳統旋流器中的固定空心管，使得凈化氣體從空心轉動軸中溢流而出。但目前對于動態(tài)水力旋流器研究依然較少，針對固液分離領域的研究則更少。所以研發(fā)一種高效、節(jié)能、適用廣的固液動態(tài)旋流器很有必要。

綜合以往對靜態(tài)和動態(tài)旋流器的研究，考慮旋流組合渦流的擾動特征和固液混合的物料特性[23-25]，提出了雙葉輪動態(tài)結構和穩(wěn)流中心固棒，開發(fā)出了一種中心進料形式的新型動態(tài)旋流分離器，能有效實現高效分離和降低設備整機壓降的作用。該裝置是對靜態(tài)旋流器和增壓裝置的一種集成，但相較于單純在進出口設置泵設備不同的是，該裝置可在流量不變的情況下提高葉輪轉速，以增加進料壓力和切向速度，有利于更好的分離。分離性能研究表明，該裝置對于中位粒徑d50=44.62 μm、極限粒徑d98=88.66 μm的砂粒的分離效率普遍維持在92%以上，最高可以達到97%以上；并且具備了良好的抗流量波動性能，處理量在50%～117%范圍波動時，效率變化在1%以內。筆者就其壓力特性進行模擬和實驗研究，首先，采用對比研究等方法，通過重點分析雙葉輪結構和中心固棒結構對流場的影響，驗證了其設計的合理性；接著，探討了實驗工況下的壓降規(guī)律和操作特性，驗證了該裝置在整機壓降方面的優(yōu)越性，并提出了操作建議。

1 雙葉輪動態(tài)旋流分離器的結構組成

雙葉輪動態(tài)旋流分離器的主要結構由旋流發(fā)生部件、靜態(tài)旋流腔、進料結構、溢流結構、底流結構、機械密封等組成，其示意圖如圖1所示?？招霓D軸在起到溢流管作用的同時，帶動了旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪的旋轉。

待分離物料由雙徑向進料管進入進料腔，經直板導流葉片進入旋流發(fā)生葉輪中心，經研究該葉輪采用后彎渦流板式葉輪；物料在葉輪高速旋轉的帶動下產生較高的圓周切向速度，形成強大的離心力場，達到分離效果；內旋流攜帶少量的固相細顆粒沿著中心固棒向上運動，進入溢流結構后，通過溢流葉輪即直板式葉輪增壓后由溢流出口管排出。為了便于對內部流場的了解，選擇具有代表性的與幾何軸線垂直的截面Ⅰ進行研究。

圖1 雙葉輪動態(tài)旋流分離器結構示意圖Fig.1 Structural schematic drawing of double-impeller dynamic hydrocyclone1—Underflow structure; 2—Static cyclone cavity；3—Whirl producer; 4—Feed structure; 5—Overflow structure

圖2為旋流發(fā)生葉輪和溢流結構的三維圖。旋流發(fā)生葉輪片由上、下環(huán)板固定，下環(huán)板固定于溢流管外壁，使得旋流發(fā)生葉輪與溢流管、溢流葉輪同軸旋轉，上環(huán)板與溢流管之間存在環(huán)隙，進料由此處自吸進入；直板式葉輪固定于溢流管外壁，兩者同軸旋轉，并在溢流管相應位置開孔，使得溢流液進入葉輪腔室得到增壓。

圖2 旋流發(fā)生葉輪和溢流結構三維模型Fig.2 3D dimension model of whirl producer and overflow structure(a) Whirl producer; (b) Overflow structure

2 雙葉輪動態(tài)旋流分離器的數值模擬方法

油田產出液的含砂質量分數一般都低于2%，

固相顆粒對旋流器內流場分布特性的影響較小，僅通過對單相流場的數值模擬計算就能準確體現出整個流場的分布特點[26]。因此，筆者在分析流場時僅對液相進行數值模擬計算。為保證數值解的精度，各控制方程中對流項的離散采用了二階迎風格式度，離散方程求解采用壓力速度耦合方程的改進半隱方法SIMPLEC算法，壓力離散格式采用三階精度的PRESTO！格式。湍流模型采用基于重整化群理論的RNG 雙方程湍流模型。采用貼體坐標法對模型進行網格劃分，形成分區(qū)域組合網格；旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪流域網格采用interface對與靜態(tài)流域網格連接，并在FLUENT軟件中設置為動網格。網格總單元數為197056個。其網格劃分如圖3所示。

圖3 雙葉輪動態(tài)旋流分離器的網格劃分Fig.3 The grid of double-impeller dynamic hydrocyclone (a) Front view; (b) Top view

3 雙葉輪動態(tài)旋流分離實驗系統與流程

為了研究筆者設計的新型動態(tài)水力旋流器的壓力性能，同時為優(yōu)化操作參數和結構的改進提供理論依據，加工了實驗樣機并對樣機進行了水-砂混合物的實驗研究，其設備流程示意圖如圖4(a)所示。循環(huán)水箱中的懸浮液經攪拌均勻后由離心泵抽出并進入動態(tài)水力旋流器；經過動態(tài)水力旋流器的分離作用后，懸浮液中的大部分液相(水)和極少量的砂粒從溢流口流出至循環(huán)水箱，而砂子則經底流口排出進入循環(huán)水箱，以實現液料的循環(huán)利用。圖4(b)為實驗裝置實物圖。

圖4 雙葉輪動態(tài)旋流分離器的實驗流程圖和實驗系統照片Fig.4 Flow chart of the double-impeller dynamic hydrocyclone and photography of the experimental system1—Experimental prototype; 2—Piezometer；3—Rotameter; 4—Valve; 5—Pump; 6—Circulation water tank(a) Flow chart; (b) Photography of experimental system

4 結果與討論

4.1 雙葉輪動態(tài)旋流分離器結構設計合理性分析

4.1.1 旋流發(fā)生葉輪分析

為了減小流動損失，獲得更好的流場分布和增壓效果，該旋流發(fā)生部件采用后彎渦流板式葉輪。圖5為該葉輪截面的靜壓分布云圖。由圖5可看出，葉輪中心圓為溢流出口截面，外側則為進料和旋流發(fā)生區(qū)域。沿著旋流發(fā)生葉輪的徑向，壓力呈梯度分布，沿著葉輪徑向壓力逐漸增加。葉輪進料處為絕對負壓，這也使得該旋流分離器具有自吸特性。物料自吸進入旋流發(fā)生葉輪中心，經葉輪旋轉加速達到增壓效果，從而降低了入口壓力、提升了整機工作壓力，有助于減少溢流壓降。且轉速越高，有助于分離的同時旋流發(fā)生葉輪的增壓和自吸效果更加明顯。

圖5 雙葉輪動態(tài)旋流分離器中旋流發(fā)生葉輪截面靜壓分布Fig.5 Static pressure distribution of the whirl-producing impeller section of the double-impeller dynamic hydrocyclone

同時，旋流發(fā)生葉輪也起到了進料分配的作用。液料從進料中心進入葉輪，并由旋流發(fā)生葉輪增壓后分配入流場，類似于多入口進料，有助于增加進料對稱性[27-28]。由圖5還可以看出，每兩片葉輪之間的壓力分布幾乎相同，相較于傳統旋流器的單切向入口結構，能有效減少由于非軸對稱旋轉流動引發(fā)的渦核擺動、顆粒返混和分離效率下降等現象，同時降低了流動中的壓力損失。

4.1.2 溢流葉輪分析

溢流葉輪采用直板式葉輪，設置葉片數為6片。圖6為溢流葉輪截面靜壓分布。由圖6可以看出，溢流管中的壓力為絕對負壓，可見經歷內外渦流后產生了一定的能量消耗。對于常規(guī)旋流器而言，需要在出口處設置增壓設備以滿足輸運環(huán)節(jié)。該裝置在溢流結構中集成了增壓葉輪，能大幅度提升溢流液的壓力，且沿葉輪徑向壓力呈線性增加，達到了很好的增壓效果，從而降低了整機壓降，免去了外置增壓設備。隨著轉速的提高，溢流葉輪的增壓效果將進一步加強。

為了拓寬出口壓力的調節(jié)范圍，特在溢流增壓腔室內預留了一定的空間裕度，可容納不同尺寸的直板式葉輪，以達到不同增壓要求。通過數值模擬對比研究了溢流葉輪的增壓效果，對比在不同轉速下無溢流葉輪、溢流葉輪直徑D分別為120 mm和130 mm時的出口壓力大小，結果如圖7所示。

圖6 雙葉輪動態(tài)旋流分離器中溢流葉輪徑向靜壓分布Fig.6 Static pressure distribution of overflow impeller in the radial direction of the double-impeller dynamic hydrocyclone

圖7 雙葉輪動態(tài)旋流分離器的溢流葉輪直徑對溢流出口壓力的影響Fig.7 Effect of impeller diameter of the double-impeller dynamic hydrocyclone on overflow outlet pressure

由圖7可以看出，在3種結構下，提高運行轉速均能增加溢流出口壓力，但無溢流葉輪時提高幅度很小，并且無溢流葉輪時的出口壓力始終為負值，有溢流葉輪時的出口壓力增加幅度約為無溢流葉輪時的6倍。數值模擬范圍內，設置溢流葉輪能將出口壓力最大提高0.08 MPa。這是因為無溢流葉輪的情況下，出口壓力的提高僅僅是受旋流發(fā)生葉輪的影響，所以隨著轉速提高出口壓力的增加幅度有限。

同時增大葉輪直徑可以有效提高出口壓力，數值模擬轉速范圍內，直徑D=130 mm的出口壓力比直徑D=120 mm提高了15%以上?？梢?，通過更換不同尺寸的溢流葉輪能將裝置的壓力調控提升到一個更大的范圍。

4.1.3 中心固棒分析

為了研究中心固棒對壓降的影響，實驗設定樣機運行轉速為2100 r/min，分流比為10%，在進口流量分別為15、20、25、30和35 m3/h 5種操作條件下對比分析了有無中心固棒兩種結構的整機壓降，如圖8所示。

圖8 不同進口流量下雙葉輪動態(tài)旋流分離器有無中心固棒時的壓降對比Fig.8 Contract of pressure drop between the double-impeller dynamic hydrocyclone with and without a central rod under different inlet flows

從圖8可以看出，無論是否設置中心固棒，溢流壓降都隨著流量的增加而變大，但插入中心固棒后壓降要明顯小于無中心固棒的結構，這種優(yōu)勢在大流量工況下更為明顯。在實驗范圍內，設置中心固棒能減少19%～65%的壓降。這是由于中心固棒能夠有效占據內旋流中的空氣柱。其中，空氣柱是水力旋流分離過程中的一種常見現象，是水力旋流器內強制渦的主要組成部分，盡管強制渦內不發(fā)生分離或分級過程，但這部分區(qū)域卻占據了很大一部分能量，具體表現為強制渦域的能量耗散和由于進口流量波動引起的空氣柱擾動。故在雙葉輪旋流分離器中設置中心固棒，削弱了強制渦域擾動，穩(wěn)定了流場，達到了減少能量損耗的目的。同時，削弱中心空氣柱的擾動能有效減少顆粒返混等不利影響，提高分離效率。

這種削弱效果可以從湍流耗散率分布圖中看出，見圖9。湍流耗散率表示湍流運動中由于黏性耗散產生的能量損失的大小。在無中心固棒的結構下，湍流耗散率相對較高，黏性力作用使得壓力能轉化為熱能而損失；由分布的不對稱性可觀察出擾動的存在，加快了壓力能的損耗，并且會不利于分離過程的進行。設置中心固棒后，湍流耗散率有效降低，并且以軸向呈對稱分布，流場穩(wěn)定無擾動。

圖9 雙葉輪動態(tài)旋流分離器在圖1截面Ⅰ處有無中心固棒時的湍流耗散率分布Fig.9 Turbulent dissipation rate distribution in sectionⅠ(shown in Fig.1) of the double-impeller dynamic hydrocyclone with and without a central solid rod

4.2 雙葉輪動態(tài)旋流分離器操作參數對壓降的影響

4.2.1 轉速的影響

選取實驗分流比為10%，在進口流量分別為20、25、30和35 m3/h時，分別測定不同運行轉速下的溢流壓降，如圖10所示。由圖10可以看出，在實驗范圍內，溢流壓降隨樣機運行轉速的提高而呈線性下降趨勢，同一流量下，隨著轉速的提高，設備壓損可減小21%～79%；設備最高壓降能控制在0.13 MPa以內，最小壓降低于0.01 MPa，接近無壓降運行。因此，雙葉輪動態(tài)旋流分離器具有較好的壓降特性，能通過提高運行轉速有效控制壓力損失。

圖10 不同進口流量下溢流出口壓力降與轉速的關系Fig.10 The relationship between the overflow pressure drop and the rotating speed under different inlet flows

同時，不同流量下轉速對于壓降的影響有著很大的差別，小流量下提高轉速的作用更顯著。因此，有必要對流量-壓降特性進行研究。

4.2.2 流量的影響

為了更直觀地研究流量對壓力性能的影響，在樣機運行轉速分別為1200、1500、1800和2100 r/min時，分別測定不同流量下的溢流壓降，結果如圖11所示。

由圖11可見，在實驗范圍內，溢流壓降隨著進口流量的提高呈指數型增長，流量對于壓損特性有著顯著影響；同時，各曲線的分布會隨著流量的提高趨向收斂，如35 m3/h時已有兩個數據點發(fā)生了重合，同樣說明通過提高轉速來減小壓降具有局限性，大流量下效果相對不明顯。首先，這是因為流量增加會導致流動能量損耗加劇；同時，旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪還存在著類似離心泵效應，即流量變大，揚程逐漸降低，增壓效果削弱，故會導致壓降增加。

因此，雖然由對該設備的分離性能研究得出，雙葉輪動態(tài)旋流分離器有著優(yōu)良的抗流量波動性能，可以在超過設計流量的工況下依然保持較高的分離效率，但這種情況下會產生較大的壓力損失和葉輪功率消耗。宜采用多個旋流器并聯運行，或設計更大處理量的裝置，以降低運行能耗，節(jié)省成本。

圖11 不同轉速下溢流出口壓力降與進口流量的關系Fig.11 The relationship between the overflow pressure drop and the inlet flux under different rotating speeds

5 結 論

基于重整化群理論的RNG雙方程湍流模型，建立了雙葉輪動態(tài)旋流分離器的數學模型；加工實驗樣機并采用水-砂混合物作為待處理液進行實驗研究。針對流動壓損和機械增壓共同作用下的整機壓降作了重點分析，總結得出以下結論：

(1) 旋流發(fā)生葉輪能對進料進行有效增壓并降低了入口壓力，同時有助于增加進料對稱性和穩(wěn)定流場，從而減少了流動壓損并提高分離效率；中心固棒結構能進一步穩(wěn)定流場并減小至少19%的壓力損失；溢流葉輪能對溢流液進行有效增壓。因此，雙葉輪動態(tài)旋流分離器通過改善流場盡可能減少了流動壓損，并集成了機械增壓，使得整機壓降較小，結構合理。

(2) 溢流葉輪直徑為D=130 mm時的出口壓力比直徑D=120 mm時提高了15%以上，故可以通過調節(jié)溢流葉輪尺寸控制壓降；隨著轉速提高，壓降線性降低，實驗范圍內壓力損失減少21%以上，故同樣可以通過調節(jié)轉速控制壓降。

(3) 壓降會隨著流量的提高呈指數增加；小流量下能實現無壓降運行；大流量下轉速對壓降調節(jié)不明顯，為了降低運行成本，宜采用多個旋流器并聯或重新設計。

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Pressure Performance of Double-Impeller Dynamic Hydrocyclone

LIU Peiqi， WU Kehan， ZHOU Yunzhi， REN Shuai， HU Dapeng

(SchoolofChemicalMachineryandSafetyEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The high viscosity of the petroleum commonly leads to the high pressure loss and low sand removal rate of conventional hydrocyclone. To overcome this challenge, we developed a double-impeller dynamic hydrocyclone. Experiments and simulations were combined to study systematically the flow field and operating characteristics of the developed double-impeller dynamic hydrocyclone. A vortex plate-type impeller, which was put at the inlet structure, was used to pressurize the inlet flow and improve the symmetry of the flow distribution. It helps to improve the separating performance and reduce the pressure loss. Meanwhile, the low pressure in the center of the centrifugal force field provides the self-priming feature of hydrocyclone. A plate impeller was placed at the overflow structure to pressurize the overflow flow and increase the outlet pressure. By altering the diameter of the plate impeller, the outlet pressure could be increased adjustably. A central rod was arranged in the flow field in order to stabilize the forced vortex field, making further improvement on the separating performance and reducing the flow loss by more than 19%. The study of operating characteristics indicated that with the increasing of rotating speed, the pressure drop decreased linearly. The pressure drop was cut down by 21% in the experiment range. It suggested the possibility to control the pressure drop by regulating the rotating speed. Pressure drop, which may reach zero under small flow rate, increased exponentially with the increase of flow rate. It showed that the flow played a stronger role on the pressure performance than rotating speed did when the flow was large. In conclusion, the double-impeller dynamic hydrocyclone integrates the separation and pressurization functions, and by improving the flow field, it could effectively reduce the pressure loss.

petroleum separation; hydrocyclone; pressure drop; simulation; experimental validation

2016-08-02

十三五國家科技重大專項(2016ZX05066005-002)、大連市高層次人才創(chuàng)新支持計劃(2016RQ01)項目資助

劉培啟，男，副教授，博士，從事化工機械、流體機械方面的研究；E-mail: lpq21cn@dlut.edu.cn

胡大鵬，男，教授，博士，從事非定常流體流動和裝備技術、特種化工裝備技術方面的研究；E-mail:hudp@dlut.edu.cn

1001-8719(2017)04-0693-08

TQ028.7

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.013