一種雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器的壓力性能

劉培啟， 吳柯含， 周運(yùn)志， 任 帥， 胡大鵬

(大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

一種雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器的壓力性能

劉培啟， 吳柯含， 周運(yùn)志， 任 帥， 胡大鵬

(大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全學(xué)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(jù)此研發(fā)了一種雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器。采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，對(duì)該設(shè)備的流場(chǎng)與操作特性進(jìn)行研究。在入口設(shè)置了渦板式葉輪，可對(duì)進(jìn)料增壓并改善進(jìn)料對(duì)稱性，有利于分離和減少壓損，同時(shí)葉輪中心負(fù)壓可實(shí)現(xiàn)裝置自吸功能；在出口設(shè)置了多尺寸的直板葉輪，對(duì)溢流出口液體進(jìn)行可調(diào)節(jié)增壓；為了穩(wěn)定內(nèi)部流場(chǎng)，流場(chǎng)中心設(shè)置了中心固棒，進(jìn)一步提高分離性能的同時(shí)壓損可減少19%以上。操作特性研究表明，提高轉(zhuǎn)速，壓降呈線性減小趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，壓降減少21%以上；壓降隨流量增加呈指數(shù)增大趨勢(shì)，小流量下設(shè)備可實(shí)現(xiàn)無(wú)壓降分離。該裝置集成了分離與增壓功能，且通過(guò)改善流場(chǎng)有效降低了壓損。

原油分離；旋流器；壓降；模擬；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

隨著油田開(kāi)采的不斷深入，油田采出液中的含砂量大幅度增加，如不進(jìn)行相應(yīng)的處理，將會(huì)對(duì)后續(xù)的管道運(yùn)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(shí)間短，有著很高的分離效率和設(shè)備利用率，更由于其性價(jià)比高、安裝維護(hù)方便，受到了國(guó)際石油工程界的廣泛關(guān)注，已逐漸代替重力沉降技術(shù)而廣泛應(yīng)用于油田采出液除砂處理[2-5]。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)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(jìn)結(jié)構(gòu)被提出。

旋流分離器可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，目前油田用旋流分離器以靜態(tài)式居多。很多結(jié)構(gòu)參數(shù)都影響著靜態(tài)旋流分離器的性能，包括進(jìn)口設(shè)計(jì)、錐角結(jié)構(gòu)、溢流管結(jié)構(gòu)等，國(guó)內(nèi)外對(duì)于優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)與尺寸以達(dá)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(xiàn)進(jìn)口寬度比高度對(duì)于旋流器性能的影響更大，并提出了進(jìn)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(jìn)料口與雙進(jìn)料口對(duì)于旋流器性能的影響，為此設(shè)計(jì)了3種進(jìn)口的旋流器，分別為傳統(tǒng)矩形單進(jìn)口、切向?qū)ΨQ螺旋進(jìn)口和收斂對(duì)稱螺旋進(jìn)口，實(shí)驗(yàn)比較了3種進(jìn)口對(duì)于分離效率和壓降的影響。Ghodrat等[10]對(duì)不同錐段結(jié)構(gòu)的旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)了凹錐形、標(biāo)準(zhǔn)錐形和凸錐形3種錐段結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)。

雖然對(duì)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(kāi)發(fā)，油氣田的開(kāi)采壓力將越來(lái)越低，而靜態(tài)旋流器的高性能的基礎(chǔ)則是具有足夠高的入口壓力或速度以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的渦流，達(dá)到分離目的，除非設(shè)置預(yù)增壓裝置，否則很難保證其分離效率和出口壓力。同時(shí)，靜態(tài)旋流器易受進(jìn)口流量和壓力波動(dòng)的影響，壓降較大，對(duì)于小顆粒的分離效率也不理想。由此，研究帶轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)旋流分離器十分必要。

1984年在歐共體的支持下，由法國(guó)的TOTAL CEP和NEYRTEC 首次提出了動(dòng)態(tài)旋流器的概念,并于1986年7月研制出世界上第1臺(tái)試驗(yàn)用樣機(jī)[16-18]；王尊策等[19]研制出的復(fù)合型動(dòng)態(tài)旋流器采用旋轉(zhuǎn)柵的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，采用離心渦輪葉輪結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)；Jiao等[21-22]利用空心轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪，替代了傳統(tǒng)旋流器中的固定空心管，使得凈化氣體從空心轉(zhuǎn)動(dòng)軸中溢流而出。但目前對(duì)于動(dòng)態(tài)水力旋流器研究依然較少，針對(duì)固液分離領(lǐng)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(dòng)態(tài)旋流器很有必要。

綜合以往對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)旋流器的研究，考慮旋流組合渦流的擾動(dòng)特征和固液混合的物料特性[23-25]，提出了雙葉輪動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)流中心固棒，開(kāi)發(fā)出了一種中心進(jìn)料形式的新型動(dòng)態(tài)旋流分離器，能有效實(shí)現(xiàn)高效分離和降低設(shè)備整機(jī)壓降的作用。該裝置是對(duì)靜態(tài)旋流器和增壓裝置的一種集成，但相較于單純?cè)谶M(jìn)出口設(shè)置泵設(shè)備不同的是，該裝置可在流量不變的情況下提高葉輪轉(zhuǎn)速，以增加進(jìn)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(duì)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(dá)到97%以上；并且具備了良好的抗流量波動(dòng)性能，處理量在50%～117%范圍波動(dòng)時(shí)，效率變化在1%以內(nèi)。筆者就其壓力特性進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)研究，首先，采用對(duì)比研究等方法，通過(guò)重點(diǎn)分析雙葉輪結(jié)構(gòu)和中心固棒結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性；接著，探討了實(shí)驗(yàn)工況下的壓降規(guī)律和操作特性，驗(yàn)證了該裝置在整機(jī)壓降方面的優(yōu)越性，并提出了操作建議。

1 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器的結(jié)構(gòu)組成

雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器的主要結(jié)構(gòu)由旋流發(fā)生部件、靜態(tài)旋流腔、進(jìn)料結(jié)構(gòu)、溢流結(jié)構(gòu)、底流結(jié)構(gòu)、機(jī)械密封等組成，其示意圖如圖1所示?？招霓D(zhuǎn)軸在起到溢流管作用的同時(shí)，帶動(dòng)了旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪的旋轉(zhuǎn)。

待分離物料由雙徑向進(jìn)料管進(jìn)入進(jìn)料腔，經(jīng)直板導(dǎo)流葉片進(jìn)入旋流發(fā)生葉輪中心，經(jīng)研究該葉輪采用后彎渦流板式葉輪；物料在葉輪高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下產(chǎn)生較高的圓周切向速度，形成強(qiáng)大的離心力場(chǎng)，達(dá)到分離效果；內(nèi)旋流攜帶少量的固相細(xì)顆粒沿著中心固棒向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入溢流結(jié)構(gòu)后，通過(guò)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(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的了解，選擇具有代表性的與幾何軸線垂直的截面Ⅰ進(jìn)行研究。

圖1 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，上環(huán)板與溢流管之間存在環(huán)隙，進(jìn)料由此處自吸進(jìn)入；直板式葉輪固定于溢流管外壁，兩者同軸旋轉(zhuǎn)，并在溢流管相應(yīng)位置開(kāi)孔，使得溢流液進(jìn)入葉輪腔室得到增壓。

圖2 旋流發(fā)生葉輪和溢流結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)旋流分離器的數(shù)值模擬方法

油田產(chǎn)出液的含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都低于2%，

固相顆粒對(duì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)分布特性的影響較小，僅通過(guò)對(duì)單相流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算就能準(zhǔn)確體現(xiàn)出整個(gè)流場(chǎng)的分布特點(diǎn)[26]。因此，筆者在分析流場(chǎng)時(shí)僅對(duì)液相進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。為保證數(shù)值解的精度，各控制方程中對(duì)流項(xiàng)的離散采用了二階迎風(fēng)格式度，離散方程求解采用壓力速度耦合方程的改進(jìn)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(biāo)法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成分區(qū)域組合網(wǎng)格；旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪流域網(wǎng)格采用interface對(duì)與靜態(tài)流域網(wǎng)格連接，并在FLUENT軟件中設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格。網(wǎng)格總單元數(shù)為197056個(gè)。其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

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

3 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與流程

為了研究筆者設(shè)計(jì)的新型動(dòng)態(tài)水力旋流器的壓力性能，同時(shí)為優(yōu)化操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)，加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了水-砂混合物的實(shí)驗(yàn)研究，其設(shè)備流程示意圖如圖4(a)所示。循環(huán)水箱中的懸浮液經(jīng)攪拌均勻后由離心泵抽出并進(jìn)入動(dòng)態(tài)水力旋流器；經(jīng)過(guò)動(dòng)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(jīng)底流口排出進(jìn)入循環(huán)水箱，以實(shí)現(xiàn)液料的循環(huán)利用。圖4(b)為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖4 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器的實(shí)驗(yàn)流程圖和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.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(jié)果與討論

4.1 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性分析

4.1.1 旋流發(fā)生葉輪分析

為了減小流動(dòng)損失，獲得更好的流場(chǎng)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(cè)則為進(jìn)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(jìn)料處為絕對(duì)負(fù)壓，這也使得該旋流分離器具有自吸特性。物料自吸進(jìn)入旋流發(fā)生葉輪中心，經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)加速達(dá)到增壓效果，從而降低了入口壓力、提升了整機(jī)工作壓力，有助于減少溢流壓降。且轉(zhuǎn)速越高，有助于分離的同時(shí)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(dòng)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(shí)，旋流發(fā)生葉輪也起到了進(jìn)料分配的作用。液料從進(jìn)料中心進(jìn)入葉輪，并由旋流發(fā)生葉輪增壓后分配入流場(chǎng)，類似于多入口進(jìn)料，有助于增加進(jìn)料對(duì)稱性[27-28]。由圖5還可以看出，每?jī)善~輪之間的壓力分布幾乎相同，相較于傳統(tǒng)旋流器的單切向入口結(jié)構(gòu)，能有效減少由于非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)引發(fā)的渦核擺動(dòng)、顆粒返混和分離效率下降等現(xiàn)象，同時(shí)降低了流動(dòng)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(shè)置葉片數(shù)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(duì)負(fù)壓，可見(jiàn)經(jīng)歷內(nèi)外渦流后產(chǎn)生了一定的能量消耗。對(duì)于常規(guī)旋流器而言，需要在出口處設(shè)置增壓設(shè)備以滿足輸運(yùn)環(huán)節(jié)。該裝置在溢流結(jié)構(gòu)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(dá)到了很好的增壓效果，從而降低了整機(jī)壓降，免去了外置增壓設(shè)備。隨著轉(zhuǎn)速的提高，溢流葉輪的增壓效果將進(jìn)一步加強(qiáng)。

為了拓寬出口壓力的調(diào)節(jié)范圍，特在溢流增壓腔室內(nèi)預(yù)留了一定的空間裕度，可容納不同尺寸的直板式葉輪，以達(dá)到不同增壓要求。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比研究了溢流葉輪的增壓效果，對(duì)比在不同轉(zhuǎn)速下無(wú)溢流葉輪、溢流葉輪直徑D分別為120 mm和130 mm時(shí)的出口壓力大小，結(jié)果如圖7所示。

圖6 雙葉輪動(dòng)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(dòng)態(tài)旋流分離器的溢流葉輪直徑對(duì)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(jié)構(gòu)下，提高運(yùn)行轉(zhuǎn)速均能增加溢流出口壓力，但無(wú)溢流葉輪時(shí)提高幅度很小，并且無(wú)溢流葉輪時(shí)的出口壓力始終為負(fù)值，有溢流葉輪時(shí)的出口壓力增加幅度約為無(wú)溢流葉輪時(shí)的6倍。數(shù)值模擬范圍內(nèi)，設(shè)置溢流葉輪能將出口壓力最大提高0.08 MPa。這是因?yàn)闊o(wú)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(zhuǎn)速提高出口壓力的增加幅度有限。

同時(shí)增大葉輪直徑可以有效提高出口壓力，數(shù)值模擬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，直徑D=130 mm的出口壓力比直徑D=120 mm提高了15%以上?？梢?jiàn)，通過(guò)更換不同尺寸的溢流葉輪能將裝置的壓力調(diào)控提升到一個(gè)更大的范圍。

4.1.3 中心固棒分析

為了研究中心固棒對(duì)壓降的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)定樣機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2100 r/min，分流比為10%，在進(jìn)口流量分別為15、20、25、30和35 m3/h 5種操作條件下對(duì)比分析了有無(wú)中心固棒兩種結(jié)構(gòu)的整機(jī)壓降，如圖8所示。

圖8 不同進(jìn)口流量下雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器有無(wú)中心固棒時(shí)的壓降對(duì)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(wú)論是否設(shè)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(wú)中心固棒的結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)勢(shì)在大流量工況下更為明顯。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，設(shè)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(jù)內(nèi)旋流中的空氣柱。其中，空氣柱是水力旋流分離過(guò)程中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，是水力旋流器內(nèi)強(qiáng)制渦的主要組成部分，盡管強(qiáng)制渦內(nèi)不發(fā)生分離或分級(jí)過(guò)程，但這部分區(qū)域卻占據(jù)了很大一部分能量，具體表現(xiàn)為強(qiáng)制渦域的能量耗散和由于進(jìn)口流量波動(dòng)引起的空氣柱擾動(dòng)。故在雙葉輪旋流分離器中設(shè)置中心固棒，削弱了強(qiáng)制渦域擾動(dòng)，穩(wěn)定了流場(chǎng)，達(dá)到了減少能量損耗的目的。同時(shí)，削弱中心空氣柱的擾動(dòng)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(jiàn)圖9。湍流耗散率表示湍流運(yùn)動(dòng)中由于黏性耗散產(chǎn)生的能量損失的大小。在無(wú)中心固棒的結(jié)構(gòu)下，湍流耗散率相對(duì)較高，黏性力作用使得壓力能轉(zhuǎn)化為熱能而損失；由分布的不對(duì)稱性可觀察出擾動(dòng)的存在，加快了壓力能的損耗，并且會(huì)不利于分離過(guò)程的進(jìn)行。設(shè)置中心固棒后，湍流耗散率有效降低，并且以軸向呈對(duì)稱分布，流場(chǎng)穩(wěn)定無(wú)擾動(dòng)。

圖9 雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器在圖1截面Ⅰ處有無(wú)中心固棒時(shí)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(dòng)態(tài)旋流分離器操作參數(shù)對(duì)壓降的影響

4.2.1 轉(zhuǎn)速的影響

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

圖10 不同進(jìn)口流量下溢流出口壓力降與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.10 The relationship between the overflow pressure drop and the rotating speed under different inlet flows

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

4.2.2 流量的影響

為了更直觀地研究流量對(duì)壓力性能的影響，在樣機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別為1200、1500、1800和2100 r/min時(shí)，分別測(cè)定不同流量下的溢流壓降，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，溢流壓降隨著進(jìn)口流量的提高呈指數(shù)型增長(zhǎng)，流量對(duì)于壓損特性有著顯著影響；同時(shí)，各曲線的分布會(huì)隨著流量的提高趨向收斂，如35 m3/h時(shí)已有兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)生了重合，同樣說(shuō)明通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)減小壓降具有局限性，大流量下效果相對(duì)不明顯。首先，這是因?yàn)榱髁吭黾訒?huì)導(dǎo)致流動(dòng)能量損耗加??；同時(shí)，旋流發(fā)生葉輪和溢流葉輪還存在著類似離心泵效應(yīng)，即流量變大，揚(yáng)程逐漸降低，增壓效果削弱，故會(huì)導(dǎo)致壓降增加。

因此，雖然由對(duì)該設(shè)備的分離性能研究得出，雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器有著優(yōu)良的抗流量波動(dòng)性能，可以在超過(guò)設(shè)計(jì)流量的工況下依然保持較高的分離效率，但這種情況下會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失和葉輪功率消耗。宜采用多個(gè)旋流器并聯(lián)運(yùn)行，或設(shè)計(jì)更大處理量的裝置，以降低運(yùn)行能耗，節(jié)省成本。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下溢流出口壓力降與進(jìn)口流量的關(guān)系Fig.11 The relationship between the overflow pressure drop and the inlet flux under different rotating speeds

5 結(jié) 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(dòng)態(tài)旋流分離器的數(shù)學(xué)模型；加工實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并采用水-砂混合物作為待處理液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)流動(dòng)壓損和機(jī)械增壓共同作用下的整機(jī)壓降作了重點(diǎn)分析，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1) 旋流發(fā)生葉輪能對(duì)進(jìn)料進(jìn)行有效增壓并降低了入口壓力，同時(shí)有助于增加進(jìn)料對(duì)稱性和穩(wěn)定流場(chǎng)，從而減少了流動(dòng)壓損并提高分離效率；中心固棒結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步穩(wěn)定流場(chǎng)并減小至少19%的壓力損失；溢流葉輪能對(duì)溢流液進(jìn)行有效增壓。因此，雙葉輪動(dòng)態(tài)旋流分離器通過(guò)改善流場(chǎng)盡可能減少了流動(dòng)壓損，并集成了機(jī)械增壓，使得整機(jī)壓降較小，結(jié)構(gòu)合理。

(2) 溢流葉輪直徑為D=130 mm時(shí)的出口壓力比直徑D=120 mm時(shí)提高了15%以上，故可以通過(guò)調(diào)節(jié)溢流葉輪尺寸控制壓降；隨著轉(zhuǎn)速提高，壓降線性降低，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)壓力損失減少21%以上，故同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制壓降。

(3) 壓降會(huì)隨著流量的提高呈指數(shù)增加；小流量下能實(shí)現(xiàn)無(wú)壓降運(yùn)行；大流量下轉(zhuǎn)速對(duì)壓降調(diào)節(jié)不明顯，為了降低運(yùn)行成本，宜采用多個(gè)旋流器并聯(lián)或重新設(shè)計(jì)。

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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(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05066005-002)、大連市高層次人才創(chuàng)新支持計(jì)劃(2016RQ01)項(xiàng)目資助

劉培啟，男，副教授，博士，從事化工機(jī)械、流體機(jī)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(dòng)和裝備技術(shù)、特種化工裝備技術(shù)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