鄂廣杏，張 明，程文學(xué)，陳玉霞, 曲正新

（1. 西南石油大學(xué)， 四川 成都 610000； 2. 中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100028； 3. 中國(guó)寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司, 北京 100007; 5. 中國(guó)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(xué)3，陳玉霞4, 曲正新5

（1. 西南石油大學(xué)， 四川 成都 610000； 2. 中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100028； 3. 中國(guó)寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司, 北京 100007; 5. 中國(guó)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(guó)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(xiàng)技術(shù)在氣—液、氣—固、固—液、液—液等混相分離的進(jìn)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(guó)環(huán)保法律法規(guī)的逐步健全，以及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，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(xiàng)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(diǎn)

1.1 工作原理

旋流分離技術(shù)的實(shí)現(xiàn)設(shè)備為旋流分離器（簡(jiǎn)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(jìn)行分離。旋流分離器的基本機(jī)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(gè)，且多為軸向出口，設(shè)置在旋流器的兩端?？拷M(jìn)料段的是溢流口，遠(yuǎn)離進(jìn)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(shì)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(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；安裝便捷，可多角度安裝；工作穩(wěn)定、連續(xù)，操作維護(hù)方便；效率高；成本低，投資少、占地小、維護(hù)費(fèi)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(duì)工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)格，否則嚴(yán)重影響分離效果；具有單一性，依據(jù)不同條件設(shè)計(jì)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(jìn)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(fù)雜的重力分離工藝，提高系統(tǒng)的能量利用率、節(jié)約運(yùn)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(yùn)動(dòng)，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(dǎo)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(dǎo)葉式以進(jìn)料穩(wěn)定、阻力損失小的特點(diǎn)，適宜安裝操作于井下狹長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分離需較強(qiáng)的離心力場(chǎng)與較長(zhǎng)的停留時(shí)間，眾多學(xué)者為弄清分離機(jī)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(yùn)用渦流函數(shù)法表征的湍流輸運(yùn)方程，在引入湍流粘度概念后，得到了流速分布和級(jí)效率曲線。Pericleous[5]等采用PHOENICS程序?qū)π鞴苤械膯蜗嗔鲌?chǎng)進(jìn)行了模擬。李玉星[6]等采用RNG K-E模型對(duì)旋流管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了模擬，得到了湍動(dòng)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(jìn)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(dòng)的不同密度的流體在螺旋尋動(dòng)的過程中按照不同的軌道作螺旋運(yùn)動(dòng)，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(dòng)流場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)雙層流場(chǎng)，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(jì)了導(dǎo)流板，通過數(shù)值模擬得到流場(chǎng)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(fēng)除塵工藝上，常用的旋風(fēng)除塵器一般由筒體、錐體、進(jìn)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(jìn)口進(jìn)入后，氣流變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(guó)強(qiáng)[8]對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示，有效地提高了回收效率。

圖2 旋風(fēng)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(duì)固—固分離時(shí)，顆粒的分級(jí)過程存在一定的概率性，分級(jí)的精度提高較難。劉鐵航[9]針對(duì)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(jí)和篩分復(fù)合分級(jí)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(shí)現(xiàn)氣、水、砂的分離，從而解決我國(guó)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(jì)參數(shù)對(duì)分離效果的影響。張玉潔[11]等采用數(shù)值模擬對(duì)三相旋流分離器進(jìn)行了流場(chǎng)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(zhǎng)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(jì)參數(shù)的變化對(duì)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(jì)參數(shù)、旋流分離器的工作條件等，對(duì)此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬等方法對(duì)旋流分離器進(jìn)行改造，以提高其特定環(huán)境下的運(yùn)行效率。王長(zhǎng)忠[12]針對(duì)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(dòng)旋流傘、靜旋流傘等裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得較好的脫水效果。曹學(xué)文[13]針對(duì)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(jì)了超聲速翼，能實(shí)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(diǎn)明顯，具有較大的推廣、適用空間，應(yīng)用前景明朗。針對(duì)我國(guó)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(guó)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(duì)油水混合物進(jìn)行預(yù)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(guó)已經(jīng)完成多套井下油水分離裝置的安裝，而我國(guó)仍處于研發(fā)的起步階段。在國(guó)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。

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［2］趙立新,李楓.離心分離技術(shù)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)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.

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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(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：油氣田地面集輸。E-mail：eguangxing28@162.com。