倒錐參數對氣舉式水力旋流器分離性能的影響

摘 要 利用單因素試驗設計方法，針對氣舉式水力旋流器倒錐參數，開展不同參數下的性能優化研究。利用數值模擬方法，對不同倒錐高度、注氣直徑和注氣速度下的流場特性及分布規律進行分析。結果表明，當倒錐高度為130 mm、注氣直徑為1.8 mm、注氣速度為3.5 m/s時，分離效率達到最佳，較優化前提高了0.98%。對比倒錐參數優化前后的氣舉式水力旋流器油核分布形態，優化后油核均在倒錐結構上方形成，促進了旋流器分離性能的提升，驗證了倒錐參數優化對氣舉式水力旋流器的重要性。

關鍵詞 水力旋流器 倒錐結構 參數優化 油水分離性能 數值模擬

中圖分類號 TQ051.8" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0702?08

基金項目：國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目（批準號：U21A201181）資助的課題；黑龍江省自然科學基金（批準號：LH2022E017）資助的課題；大慶市指導性科技計劃（批準號：zd?2021?38）資助的課題；提高油氣采收率教育部重點實驗室開放課題（批準號：NEPU?EOR?2021?04）資助的課題。

作者簡介：李楓（1969-），教授，從事同井注采技術、旋流分離理論的研究。

通訊作者：邢雷（1990-），副教授，從事旋流分離理論及應用技術、同井注采技術方面的研究工作，Nepuxinglei@163.com。

引用本文：李楓，劉俊達，邢雷，等.倒錐參數對氣舉式水力旋流器分離性能的影響［J］.化工機械，2024，51（5）：702-709.

多相介質分離技術［1～3］廣泛應用于工業油水分離、油氣分離等領域。近年來，隨著化工生產、環境科學、生物醫藥等學科的快速發展，對介質分離和純化的要求不斷提高，推動了多相介質分離技術的迅速發展。

水力旋流器［4］是一種基于旋流分離原理，依靠不同物質密度差來實現多相介質高效分離的離心分離設備，具有設備運行維護方便、整體結構布局緊湊簡單及便于量產制造等優勢，且設備還具有較高的分離效率和較低的運行功耗，可以在穩定的狀況下維持高效分離，因此在污水處理、化工、石油、冶金及生物等領域得到了廣泛應用［5～8］。THEW M探究了水力旋流器在油水兩相介質分離中的可行性，生產出了商用高壓Vortoil型水力旋流器并成功應用［9］。隨后，諸多學者開展了油水分離領域的研究。邢雷等針對超低進液量情況下的微型油水分離水力旋流器開展了結構參數優化研究，結合多種試驗設計實現了水力旋流器分離性能的提升［10］。HUANG L等設計了一種新型動態水力旋流器結構，降低了干擾物對油水分離的影響，減少了油核分散現象，提高了水力旋流器的適應性［11］。楊拓利用雷諾應力模型和離散相模型系統地分析了油滴粒徑、分流比、入口流量等參數對水力旋流器除油效率的影響規律［12］。針對井下油水分離，趙傳偉等基于正交試驗設計，對井下雙級串聯式水力旋流器進行了結構優化［13］。彭永剛針對井下油水旋流分離器的分離性能開展了試驗分析，確定了井下水力旋流器的適用區間［14］。ZHAN M等設計了一種適用于井下狹窄空間的軸入式旋流器，并對導葉出口角、葉片的扭曲直徑和葉片數量3個結構參數進行了優化分析，實現了在狹小空間內油水的高效分離［15］。ZHANG J P等針對新型軸向油水分離器，通過觀測內部油相運移軌跡與油核形態變化，驗證了含油量對油水分離器的分離性能影響機理［16］。

為了進一步提升井下油水分離器的分離性能，提高油水分離器對井下復雜工況的適應能力，各種適用于井下油水分離的強化技術被相繼提出。邢雷等針對旋流器內小油滴難以分離的問題，針對性地設計了一種水力聚結器，可在油滴被分離前聚結，使油滴粒徑增大，從而實現分離性能的提升［17］。劉洋等介紹了過濾-旋流耦合分離裝置，作為一種新型分離設備，將旋流分離與過濾技術相結合，既充分發揮傳統水力旋流器的快速、高效、旋轉渦流運動等優點，又通過深度過濾提高了傳統水力旋流器的分離精度［18］。MOFARRAH M等利用電場和旋流場相結合的方法，對旋流器內細小顆粒進行回收，提高了分離效率［19］。上述學者的研究可為井下油水旋流分離器性能的提升提供支撐，然而對于氣相舉升強化井下油水分離性能的研究卻鮮有報道。因此，筆者設計了一種氣舉式水力旋流器結構，并針對注氣結構的相關參數，利用單因素試驗設計，完成注氣結構的參數優化，實現水力旋流器分離性能的提升，為水力旋流器的井下應用提供理論支撐。

1 氣舉式水力旋流器結構設計及工作原理

氣舉式油水分離水力旋流器（圖1）主要由入流口、溢流口、螺旋流道、柱段旋流腔、底流錐段、底流口、注氣口和空氣倒錐組成，通過空氣倒錐的頂部注氣口注入氣相介質，推動旋流器內部油相聚集形成的油核成形于零軸向速度包絡面以內，使得油相介質更利于旋流分離，從而提高旋流器的分離性能。其尺寸參數如圖2所示。

氣舉式油水分離水力旋流器尺寸參數如下：

旋流器總長L 460 mm

入流口長度L 50 mm

螺旋流道長度L 60 mm

柱段旋流腔長度L 65 mm

空氣倒錐錐段長度L 160 mm

底流口長度L 50 mm

注氣直徑d 2 mm

柱段旋流腔直徑D 50 mm

空氣倒錐直徑D 15 mm

底流口直徑D 25 mm

溢流口直徑D 8 mm

氣舉式油水分離水力旋流器工作時，采出液通過井壁進入水力旋流器的入口位置，在入口壓力作用下，液體流經螺旋流道，由軸向運動轉變為高速的切向旋轉運動，從而產生較大的離心力，在離心力的作用下，輕質相油相會向中間聚集，重質相水相會沿著邊壁旋流而下。通過在空氣倒錐頂部注氣口注入氣相介質，利用垂直上升的氣相介質帶動輕質油相更快地流向溢流口，完成油相介質的強化分離，重質相水相則由于加入了密度更小的氣相而更近邊壁運移，最終沿著底流口排出。

2 數值模擬方法

2.1 數學模型

雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）已廣泛應用于均勻湍流、自由射流、邊壁射流、尾流、二維和三維管等湍流運動中，其預測的平均流速分布、雷諾應力分布等更加貼近實測值，同時在油水分離領域也有著廣泛應用，故文中數值模擬采用RSM。油、水兩相的連續性方程如下［20］：

（α ρ）+▽（α ρu）=0" （1）

（αρ）+▽（α ρu）=0（2）

式中 u——連續相（水）的速度；

u——離散相（油）的速度；

α——連續相（水）的體積分數；

α——離散相（油）的體積分數；

ρ——連續相（水）的密度；

ρ——離散相（油）的密度。

RSM的實質是根據時均化法則，直接構建表示雷諾應力的輸運方程，通過對輸運方程中新產生的未知項分別進行簡化，從而構成封閉方程組。對于不可壓縮流動，時均化后的Navier?Stokes方程為：

=0nbsp; "（3）

ρ+ρ=-+

μ-ρ

u′

u′（4）

式中 p——時均壓力，Pa；

u、u——時均速度分量；

u′u′——雷諾應力分量；

x、x——坐標分量；

μ——流體動力黏度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3。

RSM中，通過求解雷諾應力各分量的輸運方程來封閉以上基本方程：

?+=D+P+?+ε（5）

D=

+

μ（6）

P=-p

u′

u′

+u′

u′

（7）

?=-C ρ

u′

u′-

δk-C

P-

δ

P（8）

ε=ρεδ" "（9）

式中 C、C——經驗常數，C=1.8，C=4.2；

D——擴散項；

k——湍動能；

P——應力產生項；

P——湍流應力張量的各個分量在各方向上的生產項之和，Pkk=2p；

u——流體速度分量的第k個分量；

x——空間坐標的第k個分量；

ε——耗散率；

ε——黏性耗散項；

μ——湍動黏度；

?——壓力應變項；

σ——Prandtl數，σ=0.82；

δ——Kronecker?delta函數。

2.2 網格劃分

使用ANSYS ICEM模塊對模型進行網格劃分，相對于四面體網格來說，六面體網格具有更好的穩定性和收斂性，且六面體網格能更清晰地呈現流場內介質分布，因此選用六面體網格作為網格的基本形狀。網格數越多，計算結果越精確，但計算時間會加長，網格數過少，又會使得模型計算結果產生偏差。因此，選取一個合適的網格數是數值模擬的首要條件。筆者選取318 932、386 981、435 268、503 125、628 234、716 843共6種網格數量，以油相底流口質量流率作為評價指標，進行網格無關性驗證，結果表明，隨著網格數的升高，底流口質量流率發生變化，當網格數超過503 125時，底流口質量流率基本不再發生變化。因此，為保證計算結果的精確性同時節省計算時長，選擇網格數為503 125的模型進行數值模擬分析，網格劃分結果如圖3所示。

2.3 邊界條件

利用ANSYS Fluent進行數值模擬，采用Mixture混合相模型，三相介質分別為連續相介質水相（water?liquid），離散相介質油相（engine?oil），注入相介質氣相（air）。其中，水相密度998.2 kg/m3，黏度1.003 mPa·s；油相密度850 kg/m3，黏度1.030 Pa·s，粒徑300 μm，油相體積分數1%；氣相密度1.225 kg/m3，黏度1.789×10-5 Pa·s。油水兩相介質入口采用速度入口，入口速度1.24 m/s，含油濃度1%，底流分流比70%，湍流模型采用RSM，計算精度10-6。

2.4 評判指標

采用水力旋流器的油水分離分離效率作為水力旋流器油水分離性能的評判標準。分離效率定義為底流口油相體積分數與入口油相體積分數的比值，并且考慮了分流比對分離效率的影響，其計算式為：

E=1-（1-F）（10）

式中 E——水力旋流器的分離效率；

F——溢流分流比；

φ——底流口含油濃度，mg/L；

φ——入口含油濃度，mg/L。

為了對流場內部進行分析，以流體域入口z=0 mm平面為起始處，選取z=100 mm、z=160 mm、z=220 mm、z=280 mm4個截面開展流場形態分布分析。

3 結果與分析

氣舉式水力旋流器的空氣倒錐結構對分離性能具有關鍵作用，因此，選取與倒錐相關的倒錐高度、倒錐注氣面積、注氣速度3個參數開展分離性能模擬分析。

3.1 倒錐高度對流場特性的影響

倒錐高度作為氣舉式水力旋流器倒錐結構最重要的參數，直接影響流場內部的注氣位置。注氣位置太高，會沖散內部旋轉的油核，注氣位置太低，則氣相介質會從底流口流出，難以對流場內部產生影響。因此，選取合適的注氣位置對氣舉式水力旋流器分離性能至關重要。倒錐高度范圍為125～170 mm，以5 mm為間隔，利用單因素試驗設計方法開展不同倒錐高度的研究。不同倒錐高度下的分離效率和溢流含水率如圖4所示。可以看出，隨著倒錐高度的增加，油相介質分離效率呈現先升高后降低再升高的趨勢，溢流含水率基本不變；倒錐高度為130 mm時分離效率達到最大值95.13%。由圖5不同倒錐高度下的軸向切面油相體積分布云圖可知，隨著倒錐高度的升高，油核整體位置先呈現上升趨勢，然后油核內部開始出現中空區域，這是由于油核高度過高，氣相介質直接注入在油核內部，擠壓油核向邊緣驅散，從而影響油相介質的分離效率。當倒錐高度為130 mm時，底流口無明顯油相介質出現且中心基本未出現氣相空心區。

3.2 倒錐注氣面積對流場特性的影響

倒錐注氣面積作為倒錐結構的重要結構參數，對分離性能具有較大影響。文中以注氣直徑d反映倒錐注氣面積的大小。當注氣直徑過大時，氣相介質對油核的推動力分散，破壞原流場內旋流場，降低分離性能；注氣直徑過小時，內部氣相介質產生的推動力不足，難以起到推動油相介質逃逸的作用。因此，選取合適的注氣直徑對氣舉式水力旋流器分離性能的提升至關重要。注氣直徑范圍為1.0～3.0 mm，以0.2 mm為間隔，開展不同注氣直徑下的分離性能模擬分析。圖6為不同注氣直徑下氣舉式水力旋流器的分離效率和溢流含水率。可以看出，隨著注氣直徑的增加，分離效率呈現先升高后降低的趨勢，溢流含水率出現了極小幅度的增加；當注氣直徑為1.8 mm時，分離效率達到最佳值95.15%，此時溢流含水率為18.53%。分析圖7不同注氣直徑下的切向截面油相體積分數分布云圖可知，隨著注氣直徑的增加，氣相介質體積分數呈現逐級遞增趨勢，z截面和z截面油相介質分布并未出現明顯變化，z截面油相介質呈圓環狀分布，且隨著注氣直徑的增加圓環直徑變大，油相介質體積分數降低，z截面靠近底流口的氣相體積分數接近0。當注氣直徑為1.8 mm時，z截面幾乎無氣相介質出現，z截面氣相介質較少，且氣相介質存在區域未超過z截面。

3.3 注氣速度對分離性能的影響

注氣速度作為氣舉式水力旋流器最重要的操作參數，其直接影響注氣強化性能的提升。注氣速度過高時，進入旋流場的氣相介質增多，會對油相介質在中心的聚集造成影響，進而阻礙注氣強化性能的提升；注氣速度較低時，難以對倒錐上方的油核起到推動作用，因此選擇合適的注氣速度對氣相增強分離作用具有重要意義。注氣速度范圍為1～5 m/s，以0.5 m/s為間隔，共計9組，得到不同注氣速度下的分離效率和溢流含水率如圖8所示。可以看出，隨著注氣速度的增大，旋流場內部氣相介質增多，對旋流場內部的旋轉油核產生推動作用，分離效率提高；隨著注氣速度的繼續增大，氣相介質推動力過強導致油核分散，造成分離效率降低；當注氣速度為3.5 m/s時分離效率達到最大值95.16%，此時溢流含水率為18.53%。結合圖9不同注氣速度下的軸向截面油相體積分數分布云圖和圖10不同注氣速度下的切向截面油相體積分數分布云圖可知，隨著注氣速度的增大，油核呈現明顯的上升趨勢，但注氣速度過大時，油相介質會從兩端向底流口流去，從而造成分離性能的降低；z截面油相介質分布幾乎不受注氣速度的影響，z截面隨著注氣速度的增大中心處油相介質體積分數逐漸減小。

3.4 倒錐參數優化前后的性能對比分析

為驗證單因素法對水力旋流器倒錐參數的優化效果，選取優化前后的氣舉式水力旋流器結構模型開展對比分析。優化前后倒錐參數及油核對比如表1、圖11所示，可以看出，優化后分離效率從94.18%提升至95.16%，提高了0.98%；優化后油核整體位置升高，倒錐外部幾乎無油相介質存在，旋轉油核整體直徑變小，分離性能得到提升。

4 結論

4.1 為進一步增強氣舉式水力旋流器油水分離性能，基于單因素試驗設計方法，開展注氣倒錐的參數優化研究，結果表明，倒錐高度為130 mm、注氣直徑為1.8 mm、注氣速度為3.5 m/s時，氣舉式水力旋流器分離性能達到最佳。

4.2 對比倒錐參數優化前后氣舉式水力旋流器油核分布形態可知，優化后油核整體位置升高，倒錐外部幾乎無油相介質存在，旋轉油核整體直徑變小，分離效率從94.18%提升至95.16%，提高了0.98%。

4.3 通過對倒錐高度、注氣直徑、注氣速度進行優化，獲得了不同參數下氣舉式水力旋流器流場內部的變化規律。不同倒錐參數下z截面處油相介質所受影響不大，但z截面處油相介質受到了明顯的舉升，油相介質含量出現了明顯的變化。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-09-10，修回日期：2024-09-06）

Study on the Influence of Inverted Cone Length on

the Performance of Air?lift Hydrocyclone

LI Feng1， 2， LIU Jun?da1， XING Lei1， 2， 3， LI Xin?ya1，2， GUAN Shuai1， 2， LEI Dong?wei1

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University；

2. Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Media Treatment and Pollution Prevention；

3. Postdoctoral Research Workstation in Daqing Oilfield）

Abstract" "Through employing the single?factor experimental design， the performance study under different parameters for the inverted cone parameters of air?lifted hydrocyclones was implemented， including employing numerical simulation to analyze both flow?field characteristics and distribution law which boasting of different inverted cone heights， gas injection diameters and gas injection velocity parameters. The results show that when the inverted cone height stays at 130 mm， the gas injection diameter is 1.8 mm and the gas injection rate is 3.5 m/s， the separation efficiency becomes best， which is 0.98 % higher than that before being optimized. Comparing the oil core’s distribution patterns in the air?lifted hydrocyclone before and after optimizing the inverted cone parameters， the oil cores optimized can be formed above the inverted cone structure and which promotes cyclone separation performance and verifies importance of the optimization of the inverted cone parameters for the air?lifted hydrocyclone.

Key words" " hydrocyclone， inverted cone structure， parameter optimization， oil?water separation

performance， numerical simulation