復合式三相旋流分離器分離性能分析

Huang Tiancheng，Wang Yutong，Yao Zhoukun，et al.Separation performance of composite thre-phase hydrocyclone[J]．China Petroleum Machinery，2025，53（5）：117-124.

中圖分類號：TE934 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202404063

Separation Performance of Composite Three-Phase Hydrocyclone

Huang TianchengWang Yutong Yao Zhoukun Zhou Sizhu Gong JunlinYuan Xinmei （School ofMechanicalEnginering，YangtzeUniversity；InstituteofMechanicalStructureStrengthand Vibration，Yangtzei

Abstract： To improve the separation performance of cyclone， a composite three-phase hydrocyclone was designed.By means of numerical simulation，the influences of three main structural parameters on the separation performance of the composite hydrocyclone were analyzed.Based on the single-factor analysis results，an orthogonal test was designed and performed，and variance analysis was conducted on the test results.It is found that as thelength of the first-stage cyclone chamber and the insertion depth ofthe second-stage cyclone chamber increase， the total separation eficiency of the composite hydrocyclone tends to increase and then decrease.As the upper cone angle increases，the total separation effciency gradually decreases.The optimal structural dimensions of the hydrocycloneare obtainedas folows：the length ofthefirst-stage cyclone chamber is 9Omm，the insertion depth of the second-stage cyclone chamber is 20mm ， and the upper cone angle is 0^° . The three structural parameters are ranked as the insertion depth of the second-stage cyclone chamber gt; the length of the first-stage cyclone chamber gt; （204號 theupper cone angle，with respect to the weight of influence on the separation eficiencyof the hydrocyclone.The research results provide a reference for structural design of cyclones.

Keywords：composite three-phase hydrocyclone; structural size；insertion depth of cyclone chamber； lengthof cyclone chamber; upper cone angle； separation performance

0引言

旋流器是一種廣泛應用于石油礦山行業(yè)的分離設備[1-4]。其主要利用離心沉降原理完成液體的澄清、固體顆粒的分級以及2種互不相溶液體的分離[5-11] O

旋流分離技術(shù)被提出的一百多年來，諸多學者對旋流器進行了大量的研究[12-14]，在經(jīng)典旋流器基礎(chǔ)上，衍生出很多新型結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)的旋流器結(jié)構(gòu)簡單，只具備一個旋流腔，無法滿足三相混合物的高分離要求，所以，有學者提出多級分離的結(jié)構(gòu)，把旋流器的分離腔進行分級，以實現(xiàn)多次分離的目的，從而提高分離效率。為解決狹長空間內(nèi)無法實現(xiàn)油水兩相介質(zhì)高精度分離的問題，邢雷等[15]、蔣明虎等[16]提出一種兩級軸入式串聯(lián)旋流器，并研究了在不同分流比和處理量下的分離性能，得出了該旋流器的最佳操作參數(shù)。不同于以上的軸入式結(jié)構(gòu)，艾昕宇[17提出了一種切入式兩級串聯(lián)的旋流器結(jié)構(gòu)，通過將一級旋流器的底流口和二級旋流器的入口連接來實現(xiàn)多級分離的效果，并分別對兩級旋流器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選。針對油泥含油量高、含渣量低的特點，郭建章等[18]提出一種雙層結(jié)構(gòu)的嵌套式旋流器，通過將旋流腔分為內(nèi)外2層來實現(xiàn)多次分離的效果，并采用數(shù)值模擬對比了單層旋流器與3種不同進口位置雙層旋流器的分離效果，研究發(fā)現(xiàn)，相較于普通旋流器，雙層旋流器能有效增強油泥的分離效果。盧秋羽設計了一種脫氣除油一體化旋流器，通過在旋流腔內(nèi)設置兩級螺旋流道，將旋流器分為不同的旋流腔，在不同的旋流腔逐次完成三相的分離，提高了分離效率。

對于多相分離的旋流器，現(xiàn)有研究主要集中在加入內(nèi)置結(jié)構(gòu)或者進行串聯(lián)的方式來提高分離效率。筆者結(jié)合這2種形式，設計了一種兩級旋流器直接連接的復合式旋流分離器，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)混合物二次分離，既減少了壓力損失，又保證了流場的連續(xù)性，提高多相分離效率[20-21]。研究結(jié)果可為旋流器的結(jié)構(gòu)設計提供一定的參考。

1數(shù)值模擬

1.1 物理模型

設計的復合式油氣旋流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中筒體主直徑 D₀=58mm ，外溢流管直徑D₁=22mm ，內(nèi)溢流管直徑 D₂=8mm ，二級旋流腔直徑 D₃=46mm ，二級出砂口直徑 D₄=21mm ，底流管直徑 D₅=12mm ，外溢流管插入深度 L₂=110 mm ，溢流管伸出高度 L₃=30mm ，底流管插入深度 L₅=4mm ，下錐角 β=10^° ，入口尺寸 a₁=6mm 、 ，一級出砂口尺寸 a₂=4mm 、 b₂= 12mm ，二級出砂口尺寸 a₃=3mm 、 b₃=9mm 。分析一級旋流腔長度、二級旋流腔插入深度、上錐角對分離性能的影響，取值范圍依次為 L₁=70～130 mm ： L₃=70～130mm ： α=0^°～25^° 。

混合物從切向入口進入旋流器內(nèi)部后，在外溢流管作用下形成旋流，氣體在內(nèi)溢流管錐壁的作用下向上提升，從外流管排出；初步分離的固體顆粒從一級出砂口排出，剩余的混合物以旋流狀態(tài)進入二級旋流腔；氣體在下錐體的作用下向上提升，從內(nèi)流管排出，二次分離的固體顆粒從二級出砂口排出，剩余的液體則從底流管排出。

1.2 邊界條件設置

根據(jù)工作情況，采用MIXTURE多相流模型研究旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能的影響，湍流模型采用RSM應力模型。氣體成分為甲烷，密度為0.6679kg/m³ ，黏度為 1.087×10^-5Pa?s ；考慮到氣體的破碎和聚合，開啟群體平衡方程（PBM），將氣體按氣泡直徑大小分為6組，各組體積分數(shù)呈正態(tài)分布；允許最小破碎直徑為 0.02mm ，允許最大聚合直徑為 0.20mm ，總的氣體體積分數(shù)為30% 。固體成分主要為砂粒，密度為 2330kg/m³ ，黏度為 ，體積分數(shù)約為 7.5% ，其粒徑分布如表1所示。其余物質(zhì)為普通液態(tài)水。入口類型為速度入口，入口混合物假定已達到穩(wěn)定狀態(tài)，其速度大小均為 4m/s ，入口壓力設置為10 000Pa 。出口類型為壓力出口，出口壓力大小為一個標準大氣壓，壁面條件設定為無滑移壁面。壓力-速度耦合方案為SIMPLEC，壓力求解方法采用PRESTO！，動量、體積分數(shù)、湍動能及湍流耗散率求解方法采用二階迎風格式以提高計算精度。

1.3 流域模型的抽取及網(wǎng)格劃分

對抽取的流域模型進行網(wǎng)格劃分，為提高計算的準確性，對劃分的網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證[22-24]采用氣體分離效率和固體分離效率作為評價指標，驗證結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，旋流器的氣體分離效率先快速升高，后趨于平緩，在網(wǎng)格數(shù)量超過15萬以后，各分離效率基本趨于穩(wěn)定。因此，為保證計算的準確性，進行網(wǎng)格劃分時以15萬作為參考，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

1.4 評價指標

為準確地描述旋流器的分離性能，采用以下指標對其結(jié)果進行評價，

（1）氣體分離效率 η_q

式中： F^′ 為溢流口分流比，無量綱； η_j 為簡化效

率， ； η_m 為質(zhì)量效率； C_i 為人口含氣質(zhì)量分數(shù)。

（2）固體質(zhì)量分離效率 η_s ：

式中： M_so 和 M_si 分別為出砂口和入口的固體質(zhì)量流率， kg/s 。

（3）綜合分離效率 η_z ：

2結(jié)果分析

旋流器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其分離性能都有一定的影響，針對這里提出的復合式結(jié)構(gòu)，選取一級旋流腔長度、二級旋流腔插入深度和上錐角大小3個因素作為主要影響因素。并選取不同旋流器二級旋流腔入口上方截面作為研究對象，其位置如圖1中I所示。

2.1一級旋流腔長度對分離性能的影響

混合物料進人旋流器內(nèi)部以后會繞著中心沿壁面旋轉(zhuǎn)，逐漸形成旋流，一級旋流腔長度會影響旋流器內(nèi)部的流場發(fā)展情況。

由于旋流器內(nèi)部的壓力基本呈對稱分布，這里只選取旋流器一側(cè)的壓力分布進行分析。不同一級旋流腔長度下，旋流器內(nèi)部的壓力分布如圖4所示。由圖4可知，隨著一級旋流腔長度的增加，旋流器內(nèi)靠近壁面處的壓力逐漸降低。原因是一級旋流腔越長，二級旋流腔離入口越遠，入口的混合物狀態(tài)越穩(wěn)定，且壁面摩擦也逐漸增多，導致壁面附近壓力逐漸降低。

不同一級旋流腔長度下，旋流器內(nèi)部的切向速度分布如圖5所示。切向速度越大，越有利于固體顆粒想壁面處運移。由圖5可知，隨著一級旋流腔長度的增加，截面Ⅰ處的切向速度逐漸降低，說明一級旋流腔越長，混合物的壓力損失越大，旋流器的性能越差。

一級旋流腔長度對旋流器固體分離效率的影響如圖6所示。由圖6可知，在其他因素保持不變的情況下，隨著一級旋流腔長度的增加，一級出砂口的固體分離效率 η_?1 逐漸下降，二級出砂口的固體分離效率 η₂ 逐漸升高，固體總分離效率 η_s 呈逐漸下降的趨勢。說明對于固體顆粒來說，在一級旋流腔長度為 70mm 時，分離效率已達到最佳水平，繼續(xù)增加一級旋流腔的長度反而不利于固體分離效率的提升。

一級旋流腔長度對氣體分離效率和總分離效率的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著一級旋流腔長度的增加，氣體分離效率先升高后下降；總分離效率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在一級旋流腔長度為 90mm 時，總分離效率達到最高。說明對于氣體，一級旋流腔長度為 70～90mm 時，隨著其長度的增加，有利于分離效率的提高，而超出該范圍會導致其分離性能的下降。

2.2二級旋流腔插入深度對分離性能的影響

對于復合旋流器來說，兩級旋流腔重合部分相當于一個“集砂桶”結(jié)構(gòu)，在一級旋流腔長度保持不變的情況下，二級旋流腔插入一級旋流腔的深度將會直接影響固體的分離效率。

不同二級旋流腔插入深度下，旋流器內(nèi)的壓力分布如圖8所示。由圖8可知，旋流器內(nèi)的壓力分布整體上符合常規(guī)旋流器內(nèi)的壓力分布規(guī)律，隨著二級旋流腔插入深度的增加，截面I處的壓力呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。原因是在一級旋流腔長度保持不變的情況下，二級旋流腔插入的深度越深，二級旋流腔距離旋流器的入口越近，流體所經(jīng)過的時間越短，經(jīng)受的壁面摩擦也相對較少，能量損失較小，導致截面I處壓力增大。

不同二級旋流腔插入深度下，旋流器內(nèi)部的切向速度分布如圖9所示。由圖9可知：隨著二級旋流腔插入深度的增加，切向速度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，并且在插入深度較小時，切向速度變化幅度較大；當插入深度超過 20mm 時，隨著插入深度的繼續(xù)增加，切向速度變化幅度相對較小。

二級旋流腔插入深度對固體分離效率的影響規(guī)律如圖10所示。由圖10可知：隨著二級旋流腔插入深度的增加，“集砂桶”逐漸增高，一級出砂口的固體分離效率 η_?1 先快速升高后下降；二級出砂口的固體分離效率 η₂ 先下降后升高；固體總分離效率 η_s 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。說明二級旋流腔插入深度在 0～30mm 可以提高固體分離效率，超出 30mm 后提升作用減弱，不利于總體固體分離效率的提高。

二級旋流腔插入深度對底流口壓降、氣體分離效率和總分離效率的影響規(guī)律如圖11所示。由圖11可知：隨著二級旋流腔插入深度的增加，底流口壓降呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；氣體分離效率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；總分離效率隨二級旋流腔插入深度的增加先升高后下降，在插入深度為 20mm 時，總分離效率達到最大。說明在一級旋流腔長度保持不變的情況下，二級旋流腔插入深度越深，旋流器內(nèi)的壓力損失越大，下錐段進行氣體分離所能利用的能量越少。

2.3上錐角對分離性能的影響

在旋流器主直徑及二級旋流腔圓柱段直徑保持不變的情況下，改變上錐角的大小會直接影響二級旋流腔的入口大小，從而影響固體和氣體的分離效率。

上錐角大小對旋流器固體分離效率的影響如圖12所示。由圖12可知，隨著上錐角的增大，一級出砂口、二級出砂口固體分離效率和固體總分離效率都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。說明固體分離效率在上錐角變化的一定范圍內(nèi)可以取到最佳值，上錐角太大，則會影響整體的固體分離效果。

上錐角對旋流器氣體分離效率的影響如圖13所示。由圖13可知：隨著上錐角的增大，氣體分離效率略有波動，但整體呈下降的趨勢；總分離效率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在上錐角為 0^° 時，旋流器的分離性能達到最佳。說明對于該復合式旋流器，上錐角過大，會影響二級旋流腔下錐段對于氣體的提升作用，無法充分發(fā)揮復合式旋流器的優(yōu)勢

3 正交試驗及方差分析

為了進一步探究上述3個因素對該復合式旋流器分離性能的影響權(quán)重，根據(jù)以上單因素分析結(jié)果，分別選取5個水平，利用正交試驗對其進行試驗設計[25]，并對結(jié)果進行方差分析。正交試驗結(jié)果如表2所示。

對表2的正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，一級旋流腔長度和二級旋流腔插入深度對固體總分離效率和氣體分離效率的影響均具有高度的顯著性，上錐角對二者的影響則在統(tǒng)計學意義上不顯著。根據(jù) F 值大小對3個因素的影響權(quán)重進行排序，對于固體總分離效率和氣體分離效率的影響權(quán)重一致，均為：二級旋流腔插入深度gt;一級旋流腔長度gt;上錐角。

表2 正交試驗結(jié)果

表3方差分析表

4結(jié)論

（1）結(jié)合串聯(lián)式、內(nèi)外嵌套式以及雙溢流管旋流器的優(yōu)點，設計了一種包含兩級旋流腔的復合式三相旋流器，能實現(xiàn)混合物的兩次分離，可為旋流器結(jié)構(gòu)設計提供一種新思路。（2）隨著一級旋流腔長度的增加和二級旋流腔插入深度的增加，復合式旋流器的總分離效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；隨著上錐角的增大，總分離效率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。旋流器對應的最佳尺寸分別為：一級旋流腔長度為 90mm ，二級旋流腔插入深度為 20mm ，上錐角為 0^° 。（3）通過對正交試驗結(jié)果進行方差分析，得出3個因素對該復合式旋流器2種分離性能的影響權(quán)重排序為：二級旋流器腔插入深度 gt; 一級旋流腔長度 gt; 上錐角。

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第一作者簡介：黃天成，教授，生于1979年，2016年畢業(yè)于中國石油大學（北京）機械設計及理論專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)從事機械結(jié)構(gòu)與強度、有限元理論及工程應用流體機械及工程方面的科研工作。地址：（434023）湖北省荊州市。email：huangtch @ yangtzeuedu. cn。

通信作者：袁新梅，女，副教授。email：8241067 @ qq. com。

收稿日期：2024-04-20 修改稿收到日期：2025-01-08（本文編輯任 武）