離散相粒徑對旋流器分離性能的影響

張 勇， 邢 雷， 蔣明虎， 張 艷

( 1. 東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學 黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

水力旋流器具有結構簡單、設備體積小、分離效率高等特點，廣泛應用于石油、化工和環保等領域[1-3]。1976年，一種可實現油水高效分離的雙錐型液—液分離旋流器研制成功[4-7]。人們研究液—液分離旋流器內流場特性及分離效率的影響因素，其中離散相的粒徑對旋流分離性能的影響較大。徐保蕊等[8]研究采出液中砂相粒徑對三相分離器內速度場分布的影響，隨離散相粒度的增大，旋流場的徑向速度增加，粒徑變化對切向速度及軸向速度影響較小。馬藝等[9]研究不同粒徑的油滴粒子在導葉式旋流器內的運移軌跡，表明大粒徑的油滴受水相流動的影響較小，更容易實現油水分離。陸耀軍等[10]對不同粒徑的油滴在兩種旋流器內的隨機運動軌跡進行數值分析。楊雪龍等[11]研究水滴粒徑對旋葉式汽水分離器性能的影響，結果表明對汽水分離器產生影響的粒徑為5～150 μm，對壓損產生影響的粒徑大于5 μm。Cui Rui等[12]對旋流器內顆粒粒度的流動行為進行數值分析，粒度在5～25 μm之間增大時，處于內旋流的顆粒需要更多的時間才能進入溢流管。韓嚴和[13]等通過實驗研究表明，在旋流氣浮過程中，分散相粒徑小于0.02 μm時，切向速度越大，碰撞效率越小；當分散相油滴大于0.02 μm時，碰撞效率隨切向速度增大而增大。

這些離散相粒徑對旋流器分離性能的研究或者采用數值模擬，或者采用分離性能實驗，無法實現分離過程及離散相運移軌跡的可視化分析。筆者借助于高速攝像技術，對旋流場內不同粒徑油滴的運移過程進行跟蹤拍攝，將數值分析及可視化實驗結合，研究離散相粒徑對運動狀態及分離特性的影響，為增強旋流器的適用性、揭示旋流分離機理及其內部流場特性等提供參考。

1 數值建模

1.1 模型

以雙錐型液—液分離旋流器[14]為研究對象，開展不同粒徑油滴在旋流場內的運移軌跡及分離性能數值分析，并進行高速攝像實驗。旋流器的主要結構參數見表1，主要流體域模型見圖1。

表1 雙錐型旋流器主要結構參數

圖1 雙錐型旋流器流體域模型Fig.1 Fluid model of double cone hydrocyclone

1.2 離散相微分方程

離散相粒子軌道模型是求解拉格朗日坐標系下的粒子作用力微分方程，能夠預測離散相粒子的運動軌跡，微分方程[15-16]為

(1)

(2)

式中：FD(μ-μp)為單位質量粒子間的曳力；g(ρp-ρ)/ρp為重力；F為參考坐標系旋轉引起的作用力，包括Basset力、Saffman升力和Magnus力；CD為曳力系數；L為流體動力黏度。

圖2 雙錐型旋流器網格劃分Fig.2 Meshing of double cone hydrocyclone

1.3 網格劃分

采用Fluent前置軟件——Gambit對目標旋流器流體域模型進行網格劃分。結構性網格具有計算速度快、精度高、收斂性強等優點[17-20]，選用六面體結構性網格對目標旋流器進行網格劃分，大、小錐段及圓柱段按等間距網格劃分，保證不同位置網格劃分的一致性(見圖2)。同時，進行網格獨立性檢驗，對比不同網格數下旋流器溢流口處油相體積分數分布，當網格數增加到3.715 78×105時，溢流口油相體積分數分布不隨網格數的增多而明顯變化。為縮短計算時間，選擇該網格數進行計算。

1.4 邊界條件

(1)連續相邊界條件：入口設為速度入口，湍流強度為5%。

(2)離散相邊界條件：離散相油滴入口處的射流源為點源，油滴的入口速度與連續相速度相同，不考慮油滴間的相互碰撞、擠壓、變形及旋轉，粒子之間無質量變化及能量傳遞，設定離散相密度為889 kg/m3。

(3)出口邊界條件：溢流口及底流口設置為壓力出口，離散相在溢流口設置為捕獲(Trap)，在底流口設置為逃逸(Escape)。

(4)壁面邊界條件：壁面粗糙度值為0，流體相采用標準壁面函數、無滑移壁面邊界。

2 數值模擬結果

在目標結構流場中，分別模擬粒徑在1～1 000 μm之間的油滴在旋流場內的運移軌跡，以及對旋流器分離性能的影響。為排除流場隨機特性對油滴運移軌跡的影響，分別入射1、10、100個三個數量級的油滴粒子，觀察單個油滴及油滴粒子群的運移軌跡。模擬向旋流場內入射粒徑為1 μm油滴的粒子運移軌跡(見圖3)。由圖3可以看出，在1 μm粒徑條件下，進入旋流場后，多數油滴粒子隨外旋流運動至底流口而被排出，當注入油滴粒子數為100時，有25個油滴進入內旋流并被溢流口捕獲。

圖3 不同數量級的1 μm粒徑油滴的粒子運移軌跡

保持其他條件不變，模擬粒徑分別為2、4、6、8、10 μm油滴的粒子運移軌跡，與1 μm油滴時的粒子運移軌跡差別不大，即多數油滴粒子在外旋流的作用下由底流口逃逸。粒徑為10 μm油滴時的粒子運移軌跡見圖4。由圖4可以看出，當注入粒子數為100時，有39個油滴粒子被溢流口捕獲并完成分離。

圖4 不同數量級的10 μm粒徑油滴的粒子運移軌跡

在粒徑為1～10 μm時，油滴進入旋流器后并沒有實現較好的分離，粒級效率在25%～40%之間；隨粒徑的逐漸增大，粒級效率呈上升趨勢。當油滴粒徑達到50 μm時，油滴粒子在旋流場內的軌跡產生較為明顯的變化(見圖5)。1個50 μm油滴粒子進入旋流腔，首先在外旋流的作用下沿著器壁旋轉運動，并產生軸向位移而向底流方向運移；進入大錐段，突破零軸向速度包絡面而進入內旋流，在內旋流的作用下由溢流口流出。當入射粒子數為100時，旋流腔有明顯的油核形成，旋流器粒級效率為63%。

圖5 不同數量級的50 μm粒徑油滴的粒子運移軌跡

在10～100 μm內、由小到大選取油滴粒徑，旋流器的分離效率隨油滴粒徑的增大而提高，其中粒徑為100 μm油滴的粒子運移軌跡見圖6。由圖6可以看出，油滴粒子進入旋流場，穿透自由渦并進入強制渦區，油滴由外旋流運移到內旋流所需時間較短且運動軌跡比較平滑，即受湍流影響較小，粒級效率為73%。

圖6 不同數量級的100 μm粒徑油滴的粒子運移軌跡

繼續分別向旋流場內入射粒徑在100～900 μm之間的油滴粒子100個，油滴粒子群運移軌跡見圖7。由圖7可以看出，隨入射油滴粒徑的逐漸增大，旋流器下端軸心位置的油滴粒子運移軌跡越來越細，即由底流口排出的油滴粒子數量逐漸減少；當粒徑達到900 μm時，油滴粒子全部由溢流口排出，粒級效率達到100%。

圖7 不同粒徑油滴的粒子群運移軌跡Fig.7 Migration trajectories of different sizes droplets

圖8 不同粒徑油滴的粒子運移結果Fig.8 Migration histogram of different sizes droplets

為對比粒徑在100～900 μm之間的油滴粒子分離結果，統計不同粒徑油滴的粒子溢流口捕獲率(見圖8)。由圖8可以看出，隨離散相油滴粒徑的逐漸增大，雙錐型旋流器粒級效率逐漸升高。

3 高速攝像實驗

3.1 工藝

在多相流循環系統上，使用最大幀率為3.0×104fps的高速攝像機，錄制旋流場內不同粒徑的離散相油滴分離過程。高速攝像實驗工藝流程見圖9。

3.2 方法

高速攝像機固有幀率很高，曝光時間較短，在實驗過程中需要強光照明。在照明裝置前端放置一張高透白板，使強光均勻地照射在待測區域內，以保障畫面清晰。分別制備不同油滴粒徑的油水混合液進行實驗。首先打開高速攝像控制系統，調整Frame為1.5×103fps；然后待旋流場穩定，點擊Record開始畫面捕捉，錄制時間為6.00 s，觀察離散相油滴在旋流場的分離情況。

圖9 高速攝像實驗工藝流程Fig.9 Experimental process of high-speed camera

3.3 結果

在錄制時間范圍內，選擇流場穩定且可清晰識別粒徑大小的油滴作為追蹤對象。為準確地表示油滴的分離過程，對得到的圖像進行數據提取，應用圖像灰度及像素對油滴運動過程進行描述(見圖10)。高速攝像機拍攝畫面見圖10(a)，選取5個粒徑接近的油滴粒子進行追蹤，并計算被追蹤的粒子距軸心位置的平均距離(見圖10(b))，即以油核中心位置(橫坐標400位置)為軸心，計算各油滴粒子中心位置距軸心距離。當選取另一粒徑的油滴時，同樣選取5個油滴粒子，保證5個油滴粒子距軸心距離均值與上一組實驗相近，以降低實驗誤差，保障計算結果的準確性。

圖10 追蹤油滴粒子的選取Fig.10 Selection of target particles

以粒徑為700 μm油滴粒子分離過程為例，在1.60～3.00 s過程中，粒徑700 μm的5個油滴粒子的位置及分離情況見圖11，以追蹤的油滴粒子全部與油核匯集時刻作為完成分離時間。由圖11可以看出，追蹤的5個油滴粒子全部完成分離時刻為3.00 s，所用分離時間為1.40 s。

圖11 粒徑為700 μm油滴的分離過程Fig.11 Separation process of droplets with 700 μm diameter

分別對粒徑為100、300、500、900 μm油滴進行追蹤，不同粒徑油滴的分離時間曲線見圖12。由圖12可以看出，隨粒徑的逐漸增大，油滴分離時間逐漸縮短。由于實驗時流場轉速、溫度等條件完全相同，且油滴選取位置接近，通過分離時間對比，可以說明粒徑較大的油滴在旋流場內向軸向油核運移的速度較快，即在旋流器內受到較大的軸向力，更容易穿透外旋流而進入內旋流。在一定粒徑范圍內，適當增大離散型油滴的粒徑，可以在一定程度上增加旋流器的分離性能。

圖12 不同粒徑油滴的分離時間曲線

4 結論

(1)旋流器對粒徑在1～10 μm內的油滴分離效果較差，大量油滴隨外旋流通過底流口排出，粒級效率在25%～40%之間；當油滴粒徑增大到50 μm時，油滴的粒子群運移軌跡發生明顯變化，大量油滴向軸心聚集并隨內旋流通過溢流口排出。

(2)當油滴粒徑小于50 μm時，旋流器分離效率受油滴粒徑變化影響較小，隨粒徑的增大而逐漸升高，但增幅較小；當粒徑在50～900 μm內時，隨離散相粒徑的增大，旋流器分離性能逐漸升高且增幅較大，適當增大油滴粒徑可以有效提高旋流器分離性能。

(3)對粒徑為100 μm的油滴，在旋流場內完成分離時間為2.30 s；對粒徑為700 μm的油滴，在旋流場內完成分離時間為1.40 s。旋流場離散相油滴粒徑越大，向軸心油核聚集所需時間越短，分離性能越好。

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