軸流式旋流分離器研究進展*

趙立新 宋民航 蔣明虎 李 楓 張 勇

(東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院)

水力旋流器因其結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、經(jīng)濟適用及易于維護等多方面的優(yōu)點，已經(jīng)在石油、化工等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外已有很多研究人員投入到對旋流器的研究中。Yuan H和Thew M T率先開始研究用于油水分離的水力旋流器[1]，Petty C A等對旋流器提出了反向出流的結(jié)構(gòu)類型[2]，賀杰等研究人員對旋流器的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)等諸多方面做了很多研究。具體包括應(yīng)用計算流體動力學(xué)的方法對旋流器內(nèi)部流場進行模擬分析，加工樣機進行室內(nèi)實驗或現(xiàn)場實驗分析等[3～6]。

目前對切向入口水力旋流器的研究居多，對軸向入口旋流器的研究偏少。軸流式旋流分離器與常規(guī)切向入口的旋流分離器相比具有徑向尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、壓力損失小、改善入口處循環(huán)流、分離效率高且流場更加穩(wěn)定的優(yōu)點。對軸流式入口旋流器的深入研究有利于提高旋流分離器內(nèi)部流場的穩(wěn)定性，提高分離效率，簡化安裝工藝并拓寬旋流器的應(yīng)用領(lǐng)域。筆者對軸流式旋流器的研究概況進行了簡要的分析總結(jié)，意在提出今后對軸流式入口旋流器的研究和創(chuàng)新方向。

1 導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)形式研究進展

軸流式旋流分離器又被稱為軸入式、導(dǎo)流葉片式、導(dǎo)葉式旋流分離器。目前已有部分學(xué)者對采用軸向入口形式的旋流分離器進行了研究。較常見的導(dǎo)流葉片類型包括直螺旋葉片、圓弧葉片及傾斜平板式葉片(圖1)等。雖然葉片的形式多種多樣，但從分離原理來說，都是利用入口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對流體的導(dǎo)向作用，使入流的軸向速度轉(zhuǎn)變?yōu)槔趦上喾蛛x的有效切向速度，從而對密度不同的兩相流進行旋流分離。由于軸向入口結(jié)構(gòu)采用周向?qū)ΨQ布置，使其相對于切向入口結(jié)構(gòu)有效降低了入口處循環(huán)流的影響，提高了分離效率，同時入口處湍流作用減弱，減小了入口處的壓力損失。

圖1 導(dǎo)流葉片類型

張榮克和廖仲武對旋風分離器的正交直母線導(dǎo)向葉片的設(shè)計參數(shù)進行了具體的介紹，包括常見導(dǎo)流葉片的類型、部分葉片準線方程的推導(dǎo)及葉片出口面積的計算等[7]。并根據(jù)實例介紹了具體葉片參數(shù)在計算和加工時的展開下料圖。

目前采用直螺旋葉片的入口導(dǎo)流形式應(yīng)用較多。蔣明虎等研究介紹了一種軸流式分離器，入口結(jié)構(gòu)采用螺旋葉片的形式，并且對該結(jié)構(gòu)類型進行了數(shù)值模擬，分析了螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離器內(nèi)部速度場和壓力場的影響，并通過實驗分析了不同操作參數(shù)對其分離效率的影響，證明了該導(dǎo)向式入口類型具有很高的分離效率和較低的壓力損失[8]。Vaughan N P也提出了一種基于螺旋葉片入口形式的小處理量、小尺寸、用于細顆粒分離的結(jié)構(gòu)類型，該結(jié)構(gòu)與切向入口相比腔體直徑尺寸更小[9]。出口處可連接過濾器，能夠進行更精細的分離，并且對螺旋流道的尺寸和腔體的長度進行實驗研究，實驗結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)比切向入口結(jié)構(gòu)在氣液分離上更加有效。由于該分離器制造簡單、對處理量敏感，可以預(yù)見該分離器在很多場合都會具有良好的應(yīng)用前景。王振波等發(fā)明了一種新型軸流式高效水力旋流器，其軸向入口流道采用螺旋槽或者螺旋葉片形式，由進料口、導(dǎo)向器、溢流管、錐體以及底流管等部分組成[10]。

吳應(yīng)湘等發(fā)明了一種軸向式入口油水旋流分離器[11]，其結(jié)構(gòu)包括進液管段、旋流生成管段和除水管段，旋流管段由固定在管段內(nèi)部的兩片以上傾斜平板式導(dǎo)流葉片組成[12]，該發(fā)明由于進液管和出液管直徑相同，便于直接安裝在管道上，適應(yīng)性好，分離效果明顯且體積較小。

陳明奕發(fā)明了一種管道進氣旋流器，包括環(huán)形外圈、位于環(huán)形外圈中間處的柱體和連接環(huán)形外圈與中間柱體的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板與環(huán)形外圈軸線的夾角為銳角[13]。該分離器充分利用了現(xiàn)有設(shè)備的管道接口，應(yīng)用時可以直接連接，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。羅小明等也發(fā)明了一種軸流管道式氣液分離器，其設(shè)計思路與管道進氣旋流器相近，分離器殼體充當集液腔，省去了液體存儲設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)緊湊，可直接與管道進行法蘭連接，采用擴張結(jié)構(gòu)的出口管，能夠減小壓力損失[14]。

部分研究人員也對不同入口形式的旋流分離器做了相關(guān)的對比研究，通過對比研究更加說明了軸流式入口結(jié)構(gòu)的多方面優(yōu)越性。馬藝等對常規(guī)的切向入口旋流器進行了改進，采用導(dǎo)流葉片的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切向入口，并保持常規(guī)旋流器結(jié)構(gòu)的其他尺寸不變[15]。針對該結(jié)構(gòu)和常規(guī)結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)類型利用Fluent軟件進行了模擬分析，通過對速度場和壓力場的對比分析，得出軸流式旋流分離器在分離效果和壓力損失上具有更多的優(yōu)勢和具有更好的發(fā)展前景的結(jié)論。Brunazzi E等提出了入口類型不同的3種分離器結(jié)構(gòu)：入口是由6個傾斜的平板組成的傾斜平板式葉片；入口是單頭連續(xù)的螺旋葉片；在單頭連續(xù)螺旋葉片的基礎(chǔ)上加集液錐的結(jié)構(gòu)[16]。并對3種結(jié)構(gòu)形式做了對比實驗，最終根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析得出了能夠預(yù)測分離效率的數(shù)學(xué)模型。Hsiao Ta-Chih等對軸入式旋流器的結(jié)構(gòu)類型做了研究，認為不同入口形式下的分離效果是由兩種旋流器內(nèi)不同的流形造成的[17]。并通過實驗確定了一種最佳的軸入式分離器結(jié)構(gòu)形式。

目前，研究報道的導(dǎo)流葉片形式多種多樣，但由于葉片在入口處起到導(dǎo)流的作用，是入口處壓力急劇增大的部分，往往是軸流式分離器中較易損壞的部件，因此在導(dǎo)流葉片設(shè)計上除了要考慮葉片的導(dǎo)流效果外，還要考慮到葉片應(yīng)用的可靠性，另外導(dǎo)流葉片的加工難度也是影響其能否廣泛應(yīng)用的重要因素，因此綜合考慮，導(dǎo)流葉片的設(shè)計應(yīng)充分考慮到其加工的經(jīng)濟性和可靠性。

2 數(shù)值模擬研究進展

隨著計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，因其方便、經(jīng)濟等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在水力旋流器的設(shè)計研究上。其應(yīng)用主要包括對旋流器流體域三維模型的建立和網(wǎng)格劃分，之后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到計算流體動力學(xué)軟件中進行數(shù)值模擬，最后對計算結(jié)果進行后處理。將數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合來驗證軸向入口結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。圖2為軸流式旋流器入口處網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 旋流器網(wǎng)格劃分

Dirkzwager M發(fā)明了一種軸向入口水力旋流器[18]，Kegge S J以該結(jié)構(gòu)為原型，對分離器的分離效果進行了數(shù)值模擬分析，但模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果相差較遠[19]。周幗彥等利用計算流體力學(xué)的方法對一種螺旋片導(dǎo)流式氣液分離器進行了數(shù)值模擬，研究了螺旋片的螺旋個數(shù)和螺距對氣液分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著螺距和螺旋個數(shù)的增加，分離器的分離效率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢[20]。且經(jīng)實驗對比分析可知，其模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了應(yīng)用計算流體力學(xué)的方法進行軸流式氣液分離器設(shè)計的可行性。丁旭明等研究了導(dǎo)葉式入口和雙切向入口對旋流器分離性能的影響，并通過實驗證實導(dǎo)流葉片式的旋流器具有很高的處理量和分離效率，并且具有小于切向入口旋流器的壓力損失[21]。馬藝等利用Fluent軟件對一種導(dǎo)葉式液液旋流器進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)油相體積分數(shù)在軸心處達到最大值，旋流器內(nèi)的柱段是起主要分離作用的部分，且在一定范圍內(nèi)加大處理量和入口油相濃度，油相更容易向中心處聚集，分離效率更高[22]。王振波等對導(dǎo)葉式旋流器分離過程中油滴的運動遷移規(guī)律進行了數(shù)值模擬，得到了旋流器內(nèi)油滴運動的3種軌跡、切割粒徑和粒級效率曲線，分析了油滴粒徑對旋流器內(nèi)油滴破碎與聚結(jié)的影響。還對導(dǎo)葉式旋流管內(nèi)部流場進行了模擬，分析了流量對分離效率和粒級效率的影響，并結(jié)合實驗研究了油滴在流場內(nèi)的運動規(guī)律，模擬表明處理量越大，粒級效率越大，而實驗表明處理量越大，油滴越容易破碎，不利于油滴的聚集[23，24]。俞接成等介紹了一種軸向入口的水力旋流器，并運用Fluent軟件對其分離效果進行了模擬，模擬結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)類型旋流器具有很高的分離效率和很好的應(yīng)用前景[25]。Nieuwstadt T M和Dirkzwager M也對軸流式旋流分離器進行了實驗和模擬分析[26]。

目前的模擬研究內(nèi)容主要涉及到針對旋流器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬分析，而對導(dǎo)流葉片內(nèi)部的流場分析較少，因為導(dǎo)流葉片是產(chǎn)生旋流分離的部件，其內(nèi)部流場復(fù)雜多變，深入了解其內(nèi)部的流場特性對進一步認識軸流式分離器的分離特性具有很重要的意義，因此今后的數(shù)值模擬分析應(yīng)針對導(dǎo)流葉片流場區(qū)域的模擬分析，進行重點研究。

3 實驗研究進展

實驗研究主要包括室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實驗，包括運用激光多普勒測速儀對內(nèi)部流場進行分析測量及利用物理或化學(xué)方法獲得出入口數(shù)據(jù)等技術(shù)手段。激光多普勒測速儀是一種利用激光多普勒效應(yīng)的測量儀器，它利用運動微粒散射光的多普勒頻移來測量固體或液體的運動速度。

3.1 軸流式液液旋流分離器

王振波等利用激光多普勒測速技術(shù)(LDV)對導(dǎo)葉式液液旋流器的流場流動規(guī)律和分布特性進行了測試分析，發(fā)現(xiàn)了流場內(nèi)切向速度呈現(xiàn)“雙峰”分布的趨勢，軸向速度存在軸向零速度過渡區(qū)域，加大流量可以增加切向速度和軸向速度值，但對無量綱速度無影響，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析得到流場內(nèi)部切向速度準自由渦參數(shù)與其軸向位置和徑向位置有關(guān)[27]。于長錄等利用激光多普勒測試技術(shù)對不同入口速度下導(dǎo)葉式液液旋流器的流場分布規(guī)律進行了測試分析，得到了速度場分布規(guī)律、保持旋流器較高分離效率的最大切向速度范圍和壓降公式[28]。段文益等對應(yīng)用于固液分離的導(dǎo)葉式水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)進行了優(yōu)選實驗，同時分析了物性參數(shù)對分離效果的影響，實驗確定了旋流器的最佳錐角、最佳葉片數(shù)量、葉片出口角度和流道寬度，分析得到其分離效率在一定范圍內(nèi)隨著流量和分流比的增加而增加，且固相顆粒粒度和密度越大越利于固液的分離[29]。

3.2 軸流式氣液旋流分離器

金向紅等對導(dǎo)葉式氣液分離器和其他結(jié)構(gòu)類型的氣液分離器做了比較，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉式氣液分離器具有壓力損失小這一顯著特點，并經(jīng)過實驗分析發(fā)現(xiàn)該類型氣液分離器對低含液濃度的氣液兩相流具有較高的分離效果，同時對不同的溢流管尺寸和旋流腔體的結(jié)構(gòu)類型做了對比研究，得出導(dǎo)葉式氣液分離器最宜采用管柱式結(jié)構(gòu)的結(jié)論[30]。王振波等分析了液滴在軸流式氣液分離器內(nèi)運動的受力情況，并推導(dǎo)出了分離效率的計算公式，通過實驗對理論公式進行了修正，其計算值與實驗值吻合較好[31]。柳玉暉等分析了軸流式氣液旋流分離器的壓力降產(chǎn)生原因，利用實驗數(shù)據(jù)得出了壓力損失系數(shù)的計算模型，經(jīng)實驗證明壓力降計算值與實驗值吻合性較好[32]。金向紅等研究了導(dǎo)葉角度對軸流式氣液旋流器的分離效率的影響，并確定了葉片的最佳出口角度和一定角度下流量、壓降之間的關(guān)系，并通過實驗說明了采用導(dǎo)流葉片的氣液旋流器對一定條件下的氣液混合相具有比較好的分離效果[33]。

3.3 軸流式固液旋流分離器

丁旭明等對一種新型的軸流式固液旋流器和切入式水力旋流器進行了對比實驗研究，通過實驗發(fā)現(xiàn)該軸流式結(jié)構(gòu)不僅可以保持一定的分離效率，處理量大，而且可以大幅度的降低壓力損失。但對細顆粒進行分離的情況下應(yīng)提供較高的入口速度[34]。

3.4 軸流式氣固旋流分離器

Hsiao Ta-Chih等提出了一種多級旋流系統(tǒng)用來分離太空星體上的粉塵，該系統(tǒng)由一個緊湊的入口和5個軸向入口的旋流分離段組成，實驗表明隨著級數(shù)的增加其分割粒徑逐漸減小，其中旋流分離段的級數(shù)可以根據(jù)對分割粒徑的要求逐級添加[35]。Tsai Chuen-Jinn等設(shè)計了在低壓力損失的條件下進行細顆粒分離的軸流式旋流分離器，其內(nèi)部腔體直徑僅30mm，經(jīng)過實驗證明在較低入口壓力下，對粒徑在100nm以下的細顆粒具有很好的分離效果，通過實驗證明了雷諾數(shù)對細顆粒的分離效果有很大的影響[36]。

與此同時，國內(nèi)外相關(guān)研究人員還對軸流式旋流分離器的配套設(shè)備和工藝中能夠影響到分離器性能的相關(guān)結(jié)構(gòu)部件進行了研究。金有海等對導(dǎo)葉片式旋風管的排氣芯管結(jié)構(gòu)進行研究，分析了錐形芯管和分流型芯管對分離器內(nèi)部流場的影響，分析表明，分流型芯管可以有效降低流場內(nèi)部的短路流量，并且能夠很大程度上降低分離器總的壓力損失[37]。

從目前的實驗研究來看，可借鑒的實驗研究成果相對較少，而且采用軸向入口的導(dǎo)流葉片的形式多種多樣，一定程度上降低了實驗成果之間的相互借鑒作用。

4 應(yīng)用進展

由于軸流式旋流器的諸多優(yōu)點，使其在包括石油、化工、礦產(chǎn)加工以及航空航天等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軸向?qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)也被應(yīng)用在液液水力旋流器、旋風分離器、氣液分離器及固液分離器等分離設(shè)備中，并取得了良好的分離效果。

目前已有開展液液水力旋流器在同井注采系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[38]，但常規(guī)切向入口徑向尺寸較大，使其在井下的應(yīng)用受到很大限制。由于軸流式旋流器具有徑向尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，使其適應(yīng)于井下有限的套管空間，便于在套管空間內(nèi)的串、并聯(lián)工藝布局?？梢?，軸流式旋流分離器在井下油水預(yù)分離及脫氣等方面也具有很好的應(yīng)用前景。

在選礦領(lǐng)域，Yalcin T等對應(yīng)用于選礦過程中的軸流式旋流分離器進行了實驗研究，研究表明軸入式旋流器在選礦工業(yè)中也具有很多的優(yōu)勢[39]。Straub D J和Collett JR JL介紹了一種用在飛機上的軸入式云水旋流分離器，用來分離空氣流中的水滴，從而對云水進行取樣分析[40]。另外由于軸流式旋流器獨特的軸向入口結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)緊湊使其更加方便與管道進行連接，在流體輸送的過程中直接進行兩相的分離?？梢娸S流式旋流分離器整體的優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，壓力損失小且分離效率高，使其更加適應(yīng)多種工況下的環(huán)境，從而拓寬了旋流分離器的應(yīng)用范圍。目前相對于常規(guī)旋流器的應(yīng)用程度來說，軸流式旋流分離器仍然得到較少的實際應(yīng)用。

5 結(jié)束語

在研究人員多年的不懈努力研究下，旋流分離技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用，軸入式旋流分離器的研究也相應(yīng)的得到了深入地開展，但不可否認針對軸流式旋流器的研究依然處于起步階段，整體研究不夠深入。由于軸流式旋流分離器的尺寸優(yōu)勢，應(yīng)研究開發(fā)小型、高效、能夠分離更小粒徑的旋流分離器，從而進一步提高分離效果、擴大應(yīng)用范圍，比如由于軸流式旋流分離器徑向尺寸小，更能適應(yīng)井下有限的套管空間，這就為旋流器應(yīng)用于井下分離提供了更大的可行性，研究應(yīng)用于井下的高效且結(jié)構(gòu)緊湊的旋流分離器具有很大的研究和發(fā)展空間；對切向入口旋流器的研究比較成熟，可考慮將已有切向入口旋流器的結(jié)構(gòu)類型改進成軸向入口的結(jié)構(gòu)形式，并對分離器的整體結(jié)構(gòu)類型進行改進和創(chuàng)新，從而進行對比分析，提高軸入式旋流器的分離效率，同時設(shè)計研究出更加高效、可靠、易于加工的導(dǎo)流葉片；從分離器流場實際出發(fā)，尋求能夠反映最真實的旋流器內(nèi)部流場的數(shù)學(xué)模型，從而利用計算流體力學(xué)的方法更加正確的指導(dǎo)設(shè)計和實驗；由于旋流器屬于不完全分離器，因此應(yīng)不斷建立健全軸流式旋流分離器的配套設(shè)備和工藝，對能夠影響到分離器性能的相關(guān)結(jié)構(gòu)部件進行研究。今后的研究工作應(yīng)將軸流式旋流分離器與分離器入口的穩(wěn)流器、氣浮聚結(jié)原理、自動控制技術(shù)以及入口前端加藥絮凝技術(shù)等相結(jié)合進行研究。

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