混相旋流分離技術(shù)應(yīng)用研究

鄂廣杏，張 明，程文學，陳玉霞, 曲正新

（1. 西南石油大學， 四川 成都 610000； 2. 中國石油技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100028； 3. 中國寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責任公司, 北京 100007; 5. 中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京100034）

混相旋流分離技術(shù)應(yīng)用研究

鄂廣杏1，張 明2，程文學3，陳玉霞4, 曲正新5

（1. 西南石油大學， 四川 成都 610000； 2. 中國石油技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100028； 3. 中國寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責任公司, 北京 100007; 5. 中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京100034）

概述了旋流分離技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了旋流分離技術(shù)的工作原理和工作特性，研究了此項技術(shù)在氣—液、氣—固、固—液、液—液等混相分離的進展，明確了旋流分離技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及問題，闡述了在石油、化工、環(huán)保等多行業(yè)的推廣前景。

旋流分離；混相；氣—液；固—液

目前隨我國環(huán)保法律法規(guī)的逐步健全，以及人們對環(huán)保意識的不斷增強，工業(yè)污水、廢氣、污泥等的高效處理受到政府、企業(yè)的不斷關(guān)注。在企業(yè)生產(chǎn)中，多處涉及混合介質(zhì)的處理分離，如在油田，從油井采出的原油需經(jīng)除氣、脫水及除油等多道分離工序。旋流分離技術(shù)作為一項新興高效混相分離技術(shù)，正在被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，其中包括石油、化工及環(huán)保等行業(yè)，具有較為廣泛的應(yīng)用前景[1,2]。

1 旋流分離技術(shù)特點

1.1 工作原理

旋流分離技術(shù)的實現(xiàn)設(shè)備為旋流分離器（簡稱旋流器），其依據(jù)離心沉降的原理，將非均相混合物中密度不同的相進行分離。旋流分離器的基本機構(gòu)為分離腔、入口和出口，如圖1所示。分離腔有圓錐形、圓柱形及柱—錐形三種形式。入口分為單入口和多入口，依據(jù)入口與分離腔的連接形式，入口又可分為切向入口和漸近線入口。出口一般設(shè)置兩個，且多為軸向出口，設(shè)置在旋流器的兩端?？拷M料段的是溢流口，遠離進料端的為底流口。

圖1 旋流分離器工作原理Fig.1 The working principle of hydrocyclone separation

1.2 優(yōu)勢及不足

旋流分離技術(shù)是一種高效節(jié)能的分離技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單；安裝便捷，可多角度安裝；工作穩(wěn)定、連續(xù)，操作維護方便；效率高；成本低，投資少、占地小、維護費用少；生產(chǎn)及條件的范圍較寬，具有良好的適應(yīng)性。旋流分離技術(shù)也存在一定不足：對工藝參數(shù)的設(shè)計要求較為嚴格，否則嚴重影響分離效果；具有單一性，依據(jù)不同條件設(shè)計的旋流分離器，不能被安裝到其他處處理不同介質(zhì)、不同參數(shù)的物料。

2 混相旋流分離應(yīng)用領(lǐng)域

旋流分離技術(shù)可進行氣—液、氣—固、固—液、液—液等多相分離，在石油、石化行業(yè)中多采用旋流分離技術(shù)代替龐大、低效、復雜的重力分離工藝，提高系統(tǒng)的能量利用率、節(jié)約運行成本、減小固定投資。

2.1 氣—液旋流分離技術(shù)

氣—液分離使被分離介質(zhì)在離心力、浮力和重力的多重作用下，液體流向器壁并以螺旋線形式向下運動，氣體則流向中心并從頂部逸出。采用氣—液旋流分離技術(shù)的分離器具有多種形式，不同的形式有不同的應(yīng)用方向：管柱式在地面及海上的油氣分離、井下分離、天然氣輸送及火炬尾氣的洗滌方面應(yīng)用較廣；螺旋片導流式多被應(yīng)用于天然氣與石油開采中的油氣分離、壓縮空氣中的凈化處理、水處理裝置等；軸流導葉式以進料穩(wěn)定、阻力損失小的特點，適宜安裝操作于井下狹長空間環(huán)境；管道式則直接被安裝在石油或天然氣的輸送管道上，可消除氣液兩相流輸送時易產(chǎn)生堵塞、斷流等問題[3]。

2.2 液—液旋流分離技術(shù)

液—液旋流分離技術(shù)在水處理、醫(yī)藥、石化等眾多行業(yè)得到應(yīng)用。因其與固液或氣固旋流分離相比，具有相間密度小的特點，實現(xiàn)分離需較強的離心力場與較長的停留時間，眾多學者為弄清分離機理，提高分離效率開展大量研究，取得了豐厚成果。Hsien與Rajamani[4]運用渦流函數(shù)法表征的湍流輸運方程，在引入湍流粘度概念后，得到了流速分布和級效率曲線。Pericleous[5]等采用PHOENICS程序?qū)π鞴苤械膯蜗嗔鲌鲞M行了模擬。李玉星[6]等采用RNG K-E模型對旋流管內(nèi)流動進行了模擬，得到了湍動能的分布情況。

2.3 固—液旋流分離技術(shù)

固—液旋流分離技術(shù)在化工、液壓油分離裝置、環(huán)保治理等方面有較為廣泛的應(yīng)用，其作用原理為，在液固混相進入分離器主體后，固體微粒同液流一起旋轉(zhuǎn)，由于固體微粒與液流密度不同，旋動的不同密度的流體在螺旋尋動的過程中按照不同的軌道作螺旋運動，密度大于液體的固體微粒被離心力拋向壁面從下端溢出，密度小于液體的則隨液體旋流上升，從頂端排放口溢出。在旋動流場中會出現(xiàn)雙層流場，即外層下旋、內(nèi)層上旋。宛西原[7]等在旋流分離器中設(shè)計了導流板，通過數(shù)值模擬得到流場的壓力、速度、粒子軌跡等分布情況，有效的提高了分離效率。

2.4 氣—固旋流分離技術(shù)

氣—固旋流分離技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于旋風除塵工藝上，常用的旋風除塵器一般由筒體、錐體、進氣管、排氣管和出塵管等部件組成。工作原理為含塵氣體由切向進口進入后，氣流變?yōu)閳A周運動，密度較大的塵粒甩向器壁從而失去徑向慣性，沿器壁向下運動落入排灰管，氣流在錐體下端反轉(zhuǎn)向上，形成內(nèi)旋氣流由排氣管排出。魏國強[8]對旋風分離器進行了改進，如圖2所示，有效地提高了回收效率。

圖2 旋風除塵器示意圖Fig.2 The schematic of cyclone

2.5 固—固旋流分離技術(shù)

固—固旋流分離技術(shù)較多的被應(yīng)用在顆粒篩分旋流器上，此設(shè)備廣泛的應(yīng)用于采礦、采煤等工業(yè)領(lǐng)域。旋流分離為一種概率分離過程，在對固—固分離時，顆粒的分級過程存在一定的概率性，分級的精度提高較難。劉鐵航[9]針對分離精度較難提出了一種新型的旋流分離器，為旋流篩分器，并指出旋流篩的離心沉降分級和篩分復合分級的過程，分析表明帶篩網(wǎng)的旋流器具有較高的分離精度。

2.6 氣—液—固旋流分離技術(shù)

旋流分離技術(shù)還被應(yīng)用于氣—液—固三相分離上，可一次性實現(xiàn)氣、水、砂的分離，從而解決我國眾多老油田隨開采年限增加含砂、含氣增多造成除砂、除氣難的問題。鄭娟[10]提出了一種新型三相旋流分離器，將分離過程分為氣液分離和液固分離兩部分，并分析了不同設(shè)計參數(shù)對分離效果的影響。張玉潔[11]等采用數(shù)值模擬對三相旋流分離器進行了流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果表明分離器溢流管的伸入長度、倒錐結(jié)構(gòu)高度、入口截面面積及出液孔高度等設(shè)計參數(shù)的變化對脫氣除砂效果影響較大。

3 旋流分離關(guān)鍵技術(shù)及問題

旋流分離在眾多行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，但其分離效率受到很多因素制約，如被分散介質(zhì)的性質(zhì)、旋流分離器的設(shè)計參數(shù)、旋流分離器的工作條件等，對此國內(nèi)外眾多學者采用實驗測試與數(shù)值模擬等方法對旋流分離器進行改造，以提高其特定環(huán)境下的運行效率。王長忠[12]針對目前天然氣脫水不凈的問題提出了一種新型旋流天然氣脫水裝置，增加了動旋流傘、靜旋流傘等裝置，經(jīng)現(xiàn)場試驗取得較好的脫水效果。曹學文[13]針對傳統(tǒng)低溫分離工藝的困難，提出了超聲速旋流天然氣分離工藝，設(shè)計了超聲速翼，能實現(xiàn)良好的超聲速分離效果。Raoufi A[14]等為防止分離出現(xiàn)的“二次流”和“選路流”現(xiàn)象，提出在分離器下方出氣管安裝倒流片，或提出將出氣管下方封閉，在其壁面上開一定數(shù)量的孔，可有效的提高分離效率。

4 旋流分離應(yīng)用前景

旋流分離優(yōu)點明顯，具有較大的推廣、適用空間，應(yīng)用前景明朗。針對我國的缺水現(xiàn)狀，污水處理、回收從而減小耗水量是政府、企業(yè)必須考慮的問題。旋流分離技術(shù)的高效分離效果，可為企業(yè)的污水回收、再利用帶來幫助。在石油行業(yè)，國內(nèi)的許多大油田隨開采年限的增加，原油含水率不斷升高，從而產(chǎn)生了大量的油田污水。為了降低開采成本，有必要在井底對油水混合物進行預分離，從而可使部分產(chǎn)出水直接注入注水層。加拿大和美國已經(jīng)完成多套井下油水分離裝置的安裝，而我國仍處于研發(fā)的起步階段。在國內(nèi)推廣以旋流分離技術(shù)為基礎(chǔ)的井下油水分離技術(shù)具有重大意義。

［1］蔣明虎,趙立新,李楓,等.旋流分離技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2000.

［2］趙立新,李楓.離心分離技術(shù)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社,2006.［3］張勁松,趙勇,馮叔初.氣—液旋流分離技術(shù)綜述[J].過濾與分離,2002, 12(1):42-45.

［4］Kopetz H, Verissimo P. Real Time and Dependability Concepts[M]. New York: Addison-Wesley, 1993.

［5］WuT. A Real-World Analysis of Kerberos Password Security [A]. I n Proceedings of the 1999 NetWork and Distributed ystemSecurity Symposium[C]. San Diego California:NDSS , 1999:97-111.

［6］李玉星,馮叔初,李安星,等.水力旋流器及壓力分布特性的數(shù)值模擬[J].流體機械,2002,30(10):15-19.

［7］宛西原,漆磊,汪霞.新型固—液旋流分離過程的建模與仿真研究[J].水科學與工程技術(shù),2013(5):51-53.

［8］魏國強,沙豪,趙巖,等.旋風除塵在海洋石油輸灰系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東化工,2011(11):110-110.

［9］劉鐵航,袁惠新.旋流式篩分過程初探[J].粉末冶金工業(yè),2006(2):27-30.

［10］鄭娟.用于氣—水—砂三相分離的水力旋流器的實驗研究[D]. 大連:大連理工大學,2005.

［11］張玉潔,蔣明虎,趙立新,等.基于 CFD的三相分離旋流器流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機械,2010(6):744-749.

［12］王長忠.新型旋流式天然氣脫水裝置[J].通用機械,2013(3):34-35.

［13］曹學文,陳麗,杜永軍等.超聲速旋流天然氣分離器的旋流特性數(shù)值模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版),2007(6):79-81.

［14］Raoufi A, Shams M, Farzaneh M, et al. Numerical simulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder[J]. Chemical E ngineering and Processing, 2008, 47(1):128-137.

Research on Miscible Hydrocyclone Separation Technology

E Gang-xing1，ZHANG Ming2，CHENG Wen-xue3，CHEN Yu-xia4,QU Zheng-xin5

（1. Southwest University of Petroleum, Sichuan Chengdu 610000, China；2. China Petroleum Technology Development Corporation, Beijing 100028，China; 3. China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation, Beijing 100012，China; 4. CNPC Beijing Richfit Information Technology Co.,Ltd., Beijing 100007，China; 5. China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation, Beijing 100034，China）

Application of the hydrocyclone separation technology in China was summarized. The working principle and characteristics of the hydrocyclone separation technology were analyzed. The progress of this technology in miscible separation of gas-liquid, gas-solid, solid-liquid, liquid-liquid was studied. The key aspects and issues about application of the hydrocyclone separation were discussed. And its promotion prospects in petroleum, chemical, environmental protection and other industries were elaborated.

Hydrocyclone separation; Miscible; Gas-liquid; Solid-liquid

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0580-03

2014-10-23

鄂廣杏（1990-），女，遼寧丹東人，在讀碩士，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣田地面集輸。E-mail：eguangxing28@162.com。