起旋速度對(duì)旋流分離器分離特性的影響

摘 要 將DN 50軸流式旋流器用于烷基化產(chǎn)物與催化劑的分離，通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，探究起旋速度對(duì)旋流器流場(chǎng)內(nèi)烷基化產(chǎn)物與催化劑的兩相體積分布及油相回收率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：旋流器的分離性能隨著起旋速度的增加而提升，表現(xiàn)為烷基化產(chǎn)物的軸向速度、切向速度以及湍動(dòng)能與起旋速度正相關(guān)，軸心處輕相的聚集與壁面重相的匯合加劇，油相體積分?jǐn)?shù)上升，分離效率呈非線性增長，當(dāng)起旋速度超過14 m/s時(shí)，分離效率可超過90%，試驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞 軸流式旋流器 烷基化產(chǎn)物 起旋速度 數(shù)值模擬 試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào) TQ051.8+4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）05?0710?06

基金項(xiàng)目：山東省重大科技創(chuàng)新工程（批準(zhǔn)號(hào)：2019JZZY010508）資助的課題。

作者簡介：尹宏（1999-），碩士研究生，從事多相流分離方面的研究。

通訊作者：孫治謙（1983-），副教授，從事多相流動(dòng)與分離的研究工作，sunzhq@upc.edu.cn。

引用本文：尹宏，孫杰文，陳琪，等.起旋速度對(duì)旋流分離器分離特性的影響［J］.化工機(jī)械，2024，51（5）：710-715.

離子液體烷基化技術(shù)是一項(xiàng)適應(yīng)綠色化學(xué)技術(shù)要求的新型工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，其具有催化活性高、選擇性強(qiáng)、可重復(fù)使用及工藝安全性高等優(yōu)勢(shì)，在烷基化工業(yè)化生產(chǎn)中具有巨大的潛力。近年來，中國石油大學(xué)、Chevron、Shell等機(jī)構(gòu)和公司開展了一系列相關(guān)研究。其中，中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出的離子液體烷基化用軸流式旋流分離器［1］，為全面提升我國烷基化汽油質(zhì)量和環(huán)保性開辟出了新途徑［2］。

在離子液體烷基化生產(chǎn)過程中，烷基化產(chǎn)物中的催化劑與烴的分離是回收烷基化油的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)分離速度和精度都有很高的要求。旋流分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、分離效率高及處理范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［3］，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤礦及污水處理等液-液非均相領(lǐng)域。劉培坤等對(duì)旋流器進(jìn)口流速與氣液比（GRL）之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在4～10 m/s的進(jìn)口速度和30%～40%的氣液比下，旋流器的分離效果最好［4］；LI F等分析了旋流器入口流速與進(jìn)口含油濃度對(duì)分離性能的影響，發(fā)現(xiàn)在入口流速為5～8 m/s、進(jìn)口流體含油濃度為1%～9%時(shí)，旋流器具有最佳分離效率［5］；馬猛等通過分析不同采出液的黏度對(duì)分離效果的影響，確定了旋流器的最佳入口結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，導(dǎo)葉型軸流式旋流器對(duì)采出液黏度的敏感性較低，分離性能最佳［6］。

雖然液液旋流器在油水分離中的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，但是離子液體烷基化產(chǎn)物特性與油水等物系相比仍存在較大差異，其分離特性有待深入研究。筆者以離子液體烷基化產(chǎn)物分離用DN 50軸流式旋流器為研究對(duì)象，基于k?ε與mixture模型相結(jié)合的數(shù)值模型，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，研究旋流器內(nèi)部流場(chǎng)、兩相體積分布、壓力分布和分離效率的變化規(guī)律，為烷基化產(chǎn)物用旋流器分離的開發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 旋流器數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

圖1為離子液體烷基化產(chǎn)物分離用軸流式旋流器結(jié)構(gòu)，其中烷基化產(chǎn)品由進(jìn)口進(jìn)入，兩相的密度差異大，重相（催化劑）在離心力作用下集中在壁面上，而輕相（烷基化油）在內(nèi)部壓力場(chǎng)的作用下被壓到軸心，從溢流孔中流出，而重相則從底部流出。

旋流器具體尺寸如下：

導(dǎo)葉高度L 40 mm

柱段長度L 75 mm

錐段長度L 400 mm

溢流口直徑D 10 mm

底流管直徑D 20 mm

柱段直徑D 50 mm

1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.2.1 網(wǎng)格劃分

軸流式旋流分離器導(dǎo)葉部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在網(wǎng)格劃分效率低、幾何不連續(xù)及網(wǎng)格數(shù)量大等問題。為此，筆者根據(jù)旋流分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)葉區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故進(jìn)行局部加密，旋流分離器柱段、錐段、底流管及溢流管等由于結(jié)構(gòu)簡單，故采用多面體網(wǎng)格劃分。圖2為旋流分離器網(wǎng)格劃分結(jié)果及部分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格放大圖。

1.2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

旋流器的分散相回收率是探索其分離性能的重要依據(jù)，因此，對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行模擬，但結(jié)果顯示隨著網(wǎng)格數(shù)量的改變分散相回收率基本保持不變。為此，研究壓力分布隨網(wǎng)格數(shù)量的變化關(guān)系（圖3）。由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從20萬增大到60萬時(shí)，壓力分布變化明顯，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)從60萬增大到100萬時(shí)，壓力分布穩(wěn)定，幾乎沒有變化，因此為確保網(wǎng)格數(shù)量滿足精度的同時(shí)保證計(jì)算效率，筆者選擇60萬網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1.2.3 邊界條件設(shè)置

mixture模型中設(shè)置烷基化油為主相，離子液體為次相。離散相方程用QUICK差分格式，采用SIMPLIE算法，設(shè)置壁面為無滑移邊壁，粗糙度設(shè)定為0.5。進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口，溢流、底流口為自由流。溢流比為0.5，分散相即離子液體入口體積分?jǐn)?shù)為50%，入口流量設(shè)置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m3/h。

1.3 模擬可靠性驗(yàn)證

1.3.1 試驗(yàn)裝置

模擬可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)（圖4）主要由供料系統(tǒng)、管道傳送系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)和分離系統(tǒng)5部分組成。

料液由混合器在料桶中均勻攪拌，在離心泵作用下將料液泵入旋流器進(jìn)行分離。分離出的液相從溢流口排出并流回料桶，重相和少量輕相直接從底流口流回料桶，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)。在水力旋流器進(jìn)料主管和溢流主管的主干道上設(shè)置取樣口，以便取樣和分析。

溢流口和底流口的輕相濃度由從兩個(gè)出口取樣口取出的輕相和重相的體積比計(jì)算，分離效率由入口和出口流量計(jì)的讀數(shù)以及兩個(gè)出口取

1——電機(jī)；" 2——螺桿泵； 3——料筒；

4——攪拌器； 5——取樣口； 6——閥門；

7——電磁流量計(jì)；" " " 8——壓力表；

9——DN 50液液旋流器

樣口的體積比計(jì)算，起旋速度由入口流量與導(dǎo)葉之間的最小橫截面積計(jì)算：

α=V/V（1）

η=αQ/Q（2）

V=Q/（A n）（3）

式中 A——導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間流道中的最小截面積；

n——導(dǎo)葉片數(shù)量；

Q——溢流總流量；

Q——入口油相總流量；

Q——入口總流量；

V——溢流、底流口采樣總體積；

V——溢流、底流采樣口烷基化油體積；

V——起旋速度；

α——溢流、底流口分散相濃度；

η——油相收率。

通過閥門可以調(diào)節(jié)入口輕重相流量，以更改試驗(yàn)操作參數(shù)，從而改變?nèi)肟诹髁?，通過計(jì)算求取起旋速度，入口流量分別取1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m3/h。

在兩相密度、黏度、液滴破碎及聚并等方面，由于甘油-水溶液及煤油體系與離子液體-烷烯烴體系相差很?。?］，因此采用甘油-水溶液及煤油體系驗(yàn)證數(shù)值模型。實(shí)際上在旋流器分離性能模擬中主要以離子液體-烷烯烴體系為介質(zhì)，甘油-水溶液與離子液體的物性參數(shù)見表1。

1.3.2 模型可靠性

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，設(shè)定入口烴酸比為0.67，溢流比為0.5，在不同入口流量Q（1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m3/h）和溢流比F（0.35、0.40、0.45、0.50）下進(jìn)行模擬和試驗(yàn)，得到兩相回收率隨入口流量和溢流比的變化關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)與模擬的兩相回收率有相同的變化趨勢(shì)，兩相回收率均隨著入口流量的增大而逐漸增大，輕相回收率隨溢流比的增大而增大，重相回收率則相反，且模擬值與試驗(yàn)值相差均在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為旋流器的模擬值與試驗(yàn)值結(jié)果一致，表明所建立的模型可以準(zhǔn)確模擬烷基化產(chǎn)物的分離。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 速度特性影響分析

旋流器通過流體自身螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，將不同密度的多相流體分離，在旋流器整個(gè)操作過程中無需添加其他旋轉(zhuǎn)部件，因此，有必要通過軸向和切向速度來分析旋流分離器內(nèi)的流場(chǎng)。在操作參數(shù)和物性參數(shù)相同的情況下，改變起旋速度，研究相同截面（z=150 mm）處的軸向和切向速度的分布特征。

圖6是z=150 mm截面處不同起旋速度下的軸向速度分布曲線，可以看出，軸向速度在中心軸線處呈對(duì)稱分布。以軸心為起點(diǎn)，軸向速度隨半徑增大而持續(xù)提高，直至峰值，隨后當(dāng)半徑繼續(xù)增大，軸向速度迅速減小，在邊壁處速度減小為零；總體上軸向速度變化呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢(shì)，最后在中心線處達(dá)到絕對(duì)最大值。軸向速度的絕對(duì)值隨著起旋速度的減小而逐漸減小，由于流體向下速度的降低，分散相停留在旋流器內(nèi)的時(shí)間延長，從而使產(chǎn)物與催化劑充分分離，有效降低了外旋流中重相進(jìn)入內(nèi)旋流的可能性，避免溢流跑粗現(xiàn)象，其結(jié)果與理論上的軸向速度趨勢(shì)吻合，模擬結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖7是z=150 mm截面處不同起旋速度下的切向速度分布曲線，可以看出，起旋速度的變化不影響旋流器內(nèi)部切向速度的分布規(guī)律，即切向速度沿軸心大致對(duì)稱。切向速度從軸心開始隨著半徑的增加逐漸增大，達(dá)到最大速度值后隨著半徑的繼續(xù)增加，切向速度逐漸減小，在邊壁附近處接近于零。隨著起旋速度增大，最大切向速度和離心場(chǎng)強(qiáng)度均增加，離心強(qiáng)度高的區(qū)域可以促使兩相流體分離，減少溢流跑粗，提高分離效率［8］。

2.2 湍動(dòng)能分析

文獻(xiàn)［9，10］深入分析了旋流器中油滴的破碎和聚并現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)湍流加劇會(huì)使旋流分離器流場(chǎng)內(nèi)的輕相破碎甚至乳化。因此，研究不同起旋速度下旋流器內(nèi)烷基化產(chǎn)物分離湍動(dòng)能的影響規(guī)律很有必要。

圖8是z=150 mm截面處不同起旋速度下的湍動(dòng)能分布曲線?？梢钥闯?，隨著起旋速度的增大，湍動(dòng)能波動(dòng)幅度更加明顯，表明湍動(dòng)能與起旋速度成正相關(guān)關(guān)系。這是由于在軸心處產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，導(dǎo)致烷基化產(chǎn)物的速度和壓力都有所下降，其壓力能與動(dòng)能也隨之降低；隨著烷基化產(chǎn)物速度波動(dòng)加大，流體在軸心處產(chǎn)生的湍動(dòng)能也增大。結(jié)果表明，在旋流器的內(nèi)流場(chǎng)中，壓力與湍動(dòng)能呈現(xiàn)較強(qiáng)的各向異性。

2.3 分散相（離子液體）體積分?jǐn)?shù)分布

不同起旋速度下旋流器內(nèi)分散相體積分?jǐn)?shù)分布如圖9所示。可以看出，當(dāng)起旋速度為8 m/s時(shí)，離子液體的體積分?jǐn)?shù)較小，主要聚集在邊壁處，輕相分布不明顯；隨著起旋速度的提高，重相在管壁處的富集程度提高，輕相主要集中在軸心處；當(dāng)起旋速度為14 m/s時(shí)，輕相與重相的區(qū)域分布明顯，且隨著起旋速度的增加，輕相體積分?jǐn)?shù)的最低位置也隨之上升，這是因?yàn)橥榛a(chǎn)物液滴的徑向沉降相對(duì)于離子液速率增加，油滴粒子可以輕易地通過連續(xù)相遷移至軸心，烷基化產(chǎn)物在軸心附近的富集程度隨之升高。

2.4 分離效率

旋流器的分離效率是判斷旋流器分離性能的重要指標(biāo)，普遍以旋流器的實(shí)際分離效率E來評(píng)價(jià)旋流器的分離性能，計(jì)算式如下：

E=（1-ω/ω）×100%（4）

式中 ω——入口烷基化產(chǎn)物中分散相體積分?jǐn)?shù)；

ω——旋流器底流口中分散相體積分?jǐn)?shù)。

觀察相回收率曲線（圖10）可以發(fā)現(xiàn)，兩相的回收率均隨著起旋速度的增大而增大，綜合考慮起旋速度的影響，當(dāng)起旋速度在14～16 m/s范圍內(nèi)時(shí)旋流器對(duì)離子液體烷基化產(chǎn)物的分離效果最好，離子液體回收率在90%以上，烴回收率在85%以上。

3 結(jié)論

3.1 旋流器流場(chǎng)中的烷基化產(chǎn)物的軸向速度、

切向速度和湍動(dòng)能均與起旋速度成正相關(guān)，隨著起旋速度的增大，烷基化產(chǎn)物的軸向速度增大，

輕相加速向軸心聚集，重相向壁面處匯合；軸心處的烷基化產(chǎn)物湍動(dòng)能逐漸增大，重相可順利從底流口排出。

3.2 隨著起旋速度的增大，軸心處烷基化產(chǎn)物的油相體積分?jǐn)?shù)提高，在壁面處重相的富集程度增加，有利于烷基化油與離子液體的分離。

3.3 旋流器的分離效率與起旋速度成非線性正相關(guān)。隨著起旋速度的增大，催化劑聚集在壁面附近且分離效率升高，當(dāng)起旋速度大于14 m/s時(shí)，分離效率可達(dá)到90%以上。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］" "畢京賀，段金鑫，朱麗云，等.離子液體烷基化用軸流式旋流器分離性能模擬研究［J］.流體機(jī)械，2022，50（2）：56-63；70.

［2］" "劉鷹，劉植昌，徐春明，等.室溫離子液體催化異丁烷-丁烯烷基化的中試研究［J］.化工進(jìn)展，2005，24（6）：656-660.

［3］" "楊艷斌，何偉，郭彥軍，等.兩相旋流分離器礦漿內(nèi)部流場(chǎng)及分離特性研究［J］.電子科技，2020，33（4）：55-60.

［4］" "劉培坤，王華健，趙振江，等.氣液比對(duì)壓裂返排液旋流除砂器性能的影響［J］.天然氣工業(yè)，2019，39（11）：44-54.

［5］" "LI F，LIU P K，YANG X H，et al.Effects of inlet concentration on the hydrocylone sepraration performance with different inlet velocity［J］.Powder Technology，2020，375（110）：337-351.

［6］" "馬猛，王聰，張永學(xué)，等.高含水稠油預(yù)分離用分離器水力特性研究［J］.石油機(jī)械，2017，45（2）：73-77.

［7］" "周建軍.離子液體催化C4烷基化反應(yīng)器流動(dòng)特性與傳質(zhì)性能［D］.北京：中國石油大學(xué)（北京），2009.

［8］" "許慧林，劉培坤，楊興華，等.復(fù)合曲錐對(duì)旋流器分離性能的影響［J］.金屬礦山，2020（3）：184-189.

［9］" "呂鳳霞，楊賀，袁惠新，等.液-液分離水力旋流器油滴破碎與聚并的數(shù)值模擬［J］.石油機(jī)械，2017，45（11）：71-76.

［10］" "邢雷，蔣明虎，張勇，等.軸入導(dǎo)錐式旋流器內(nèi)油滴聚并破碎特性［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，43（2）：140-147.

（收稿日期：2023-08-29，修回日期：2024-08-23）

Effect of Rotation?starting Speed on Separation Characteristics

of Hydrocyclones

YIN Hong， SUN Jie?wen， CHEN Qi， WANG Zhen?bo， SUN Zhi?qian

（College of New Energy， China University of Petroleum （East China））

Abstract" "A DN 50 axial hydrocyclone was employed to separate alkylation products from catalysts. Through numerical simulations and experimental validation， the influence law of swirling velocity on the two?phase volume distribution of alkylation products and catalysts within the cyclone flow field was discussed， including the oil recovery rate. The results demonstrate that， the separation efficiency of the hydrocyclone is enhanced with increasing swirling velocity， and which shows" a positive correlation between swirling velocity and axial velocity， tangential velocity and turbulence kinetic energy of the alkylation products； the intensified aggregation of the light phase at the core and the convergence of the heavy phase near the wall can elevate oil volume fraction and the separation efficiency becomes increased nonlinearly and surpasses 90% when the swirling velocity exceeds 14 m/s. The experimental result complies with the simulation data.

Key words" " hydrocyclone， alkylation product， rotation?starting" speed， numerical simulation， experimental study