油/水分離液 - 液圓柱 CYCLONE*[摘要]：在這篇文章油 /水分離液 - 液旋流器的實驗研究中，確定了分流比和流量對油/水分離性能的影響。從實驗結(jié)果中可以看出：分流比增加，油 /水分離效率提高。首先，我們需要找出最佳的分流比。超出最佳的分流比，在含水量保持恒定的情況下，溢出的油含量會降低。旋流器內(nèi)的油芯結(jié)構(gòu)的形成和相位分布的過程是由數(shù)值模擬完成的。此外，對分離效率的雷洛數(shù)和分流比基于量綱分析，比較之間的預(yù)測值和實驗數(shù)據(jù)，能得出很好的印證。[關(guān)鍵詞] ：圓柱旋風(fēng)，油 /水分離，分流比，流量，含水率介紹：隨著陸上油田的老化和海洋石油領(lǐng)域的大規(guī)模開采，多相分離技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)幾大油田的油氣水分離裝置，多相分離器仍主要是基于對這些傳統(tǒng)的分離技術(shù)，如重力沉降和電解分離。由于到深海的平臺安裝受設(shè)備的空間和重量的限制，重要的是要開發(fā)緊湊和高效的油/水分離器。將數(shù)種分離器的使用分離方法合并并利用其各自的優(yōu)缺點，可以實現(xiàn)高效的分離。最近，他們已經(jīng)吸引了石油行業(yè)的濃厚興趣。力學(xué)研究所，中國科學(xué)學(xué)院按照組合共同使用的原則，重力，膨脹和離心分離器，并已成功應(yīng)用于幾個陸上油田。最近提出了一種新型的管道線式油/水分離器。這種新的分離系統(tǒng)享有以下幾個優(yōu)點：緊湊型的幾何形狀，分離效率高，維修方便。圓柱氣旋是一個新穎的管道式的油/水分離器的主要組成部分。圓筒形旋流器是一個垂直的切向入口管和兩個出口，使用離心分離技術(shù)，它是一個簡單的，緊湊的，低重量和低成本的分離器。圖 1 是圓筒形旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖。兩種不混溶液體形成的混合物通過切向入口流動到筒狀的旋流器一個強(qiáng)有力的回旋流場中。由于密度差的密度越大,分量傾向于積聚壁附近的和螺旋的底部出口（下溢） ，而較輕的成分流入的圓筒形旋流器，以形成反向流動的纖芯區(qū)域，從頂部出口溢出。圓筒形旋流器的機(jī)理是很象傳統(tǒng)的水力旋流器，但用的圓筒形旋流器的幾個優(yōu)點，如更穩(wěn)定的油芯，更大的容量和更低的壓力損失。最初，圓筒形氣旋分離，用的氣 - 液混合物，氣 - 液的圓筒形旋流器。他們成功地投入使用，在石油工業(yè)中。在近十年中，液 - 液圓柱氣旋分開油/水 mixture.Most 的相關(guān)研究，采用計算流體動力學(xué)（CFD ）在圓柱氣旋預(yù)測多相流特性，流場以及分離機(jī)構(gòu)的性能，研究主要集中在圓柱氣旋。在本文中，提出了一種高效的液 - 液圓筒形旋流器，揭示了分流比和流速對油/ 水在液 - 液的圓筒形旋流器的分離性能的影響。為了進(jìn)一步了解在旋風(fēng)油/水分離和相位分布的詳細(xì)過程，進(jìn)行數(shù)值模擬 out.Finally，通過三維分析，一個簡單的模型是建立在預(yù)測的分離效率上的。1實驗裝置和程序?qū)嶒炦M(jìn)行了力學(xué)研究所，中國科學(xué)院學(xué)報上的多相流設(shè)施。油/水分離系統(tǒng)的示意圖如圖 2 所示。實驗裝置的系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）供給模塊，包括相儲罐，液相泵，流體流量計和混合物分離器， （2）液 - 液圓筒形旋流器，由透明的有機(jī)玻璃管，用來目視觀察的油/水分配，這是實驗系統(tǒng)的核心部件，如圖 3 中所示， （3）數(shù)據(jù)采集模塊，包括控制臺，相體積分?jǐn)?shù)檢測裝置，泵的壓力換能器和 camera.In 實驗中，將水和油從它們各自的儲罐，進(jìn)入管道通過一個丁字路口。在混合之前，水的流速由橢圓齒輪流量計測量流速的電磁流量計和油計量。將混合物沿著一根 4 米長的水平管，然后通過一個噴嘴，再讓大的橫截面面積的 20％的截面位于旋流器入口切向引入到筒狀氣旋的樣品的移動設(shè)備和一個壓力傳感器位于上面的入口和每個插座。上溢和下溢管中的閥門，允許流率離開的圓筒形旋流器的控制。放置一個攝像頭記錄下油/水分離過程。在分離流溢出和下溢流進(jìn)入分離器后進(jìn)一步根據(jù)重力分離。最后，油和水會流回到油箱和水箱。所有實驗均在室溫溫度和大氣的出口壓力。圓柱氣旋在這項研究中所使用的主要幾何尺寸如下：D = 0.05 米，Di = 0.05 米 Do= 0.05 米，Du= 0.04 米，L = 0.9 米，H = 0.1 米，所示如圖 3 所示。水和白油作為試驗液體。主相是水,密度為 998 公斤/米和 0.001 千克/立方米·秒的粘度值。第二階段油的密度和粘度是 840 千克/立方米和 0.215 千克/米·秒，分別對水流量率變化為 2.5 米/小時，油 8.75 米/小時，從 4％到 30％的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。我們總共有 195 個實驗測試點。2結(jié)果和分析2.1油/水分離分流比的影響分流比，定義為溢出的液體流速和入口的液體流速之間的比率，其中一個最重要的操作 para-m。在下面將要討論分流比對油/ 水分離效果上的影響。2.1.1含水率在給定的進(jìn)氣條件下，指定的分流比例是通過調(diào)節(jié)球閥出水管調(diào)節(jié)的。圖4 示出的圖片序列中的分流比對油芯形狀的影響。在進(jìn)氣口的表面的水和油的流速，0.743 米/秒和 0.182 米/秒，進(jìn)油餾分為 19.7％。油/水混合物在離心力的作用被分離后，切向引入到氣旋，但油芯的形狀是不明確的，并且大部分油與水由下溢管溢出。當(dāng)分流比增加至 24.2％，可以看出，在底流中有少量石油。在流分流比為 27.4％或 31.4％，在旋流器中的油芯的形狀是很清楚的，只有干凈的水，觀察中的下溢。然后，當(dāng)分流比達(dá)到 35.6％，油進(jìn)入氣旋直接排放從溢流管，并在旋流器中無油芯形成。分流比對中的下溢的含水率的影響，如圖 5 所示為水的分流比的函數(shù)作圖。在實驗過程中，進(jìn)水的流量是固定的，入口的燃油流量逐漸增大。水的速度的研究被認(rèn)為是在輸入油的體積分?jǐn)?shù)為 4％至 30％不等。在圖 5 中，表面的水的速度分別為 0.743 米/秒和 0.991 米/秒?？梢钥闯?，與上面水切下溢的分流比的影響是類似的。以水流速為 0.743 米/ s 為例子，表面油速度 0.037 米/ 秒，0.072米/秒，0.182 米/秒，0.282 米/秒和 0.315 米/秒，其中產(chǎn)量的油量分?jǐn)?shù)為 4.7％ ，8.8％，分別為 19.7％，27.5％和 29.8％。目標(biāo)分流比下獲得的實驗數(shù)據(jù)點 ，而輸入柴油餾分是固定的，隨著分流比下溢的增加，水切割，表示增加分流比，可以提高在旋流器中的油/水分離。它也可以被觀察到，存在一個最優(yōu)的分流比在旋流器中，當(dāng)僅干凈的水，觀察中的下溢和盡快的分流比是大于該值的，實驗為油/水分離進(jìn)一步改善。對于不同的輸入油的體積分?jǐn)?shù)，這些最佳分流比也發(fā)生了變化。在這些條件下，最佳的分流比是 15.3％，22.5％，27.4％，37.1％和 38.5％，分別。在實驗室條件下，通過分離在 CYC，底流中的油的體積分?jǐn)?shù)可以被減少到百萬分之一以下的值。2.1.2 溢出的含油量圓筒形旋流器的溢流含有大量的油。通過油/水分離，我們不僅應(yīng)該有干凈的水溢，但我們也應(yīng)該有純油溢出或至少有一個油價高體積分?jǐn)?shù)盡可能高。圖 6 顯示了在溢出的油分含量的分流比的影響。圖 6（a）和 6（b）表示的情況下，地表水的速度分別為 0.743 米/秒和 0.991 米/秒?？梢杂^察到，在溢出的油分含量的分流比的影響是類似的。根據(jù)目標(biāo)輸入油的體積分?jǐn)?shù)，與分流比的增加，在溢出的油含量先增大然后減小。這是因為在低流量分割比只有少量的液體彈出從溢流出口和油芯的中心形成的旋風(fēng)不能成功被夾帶在溢流流體中。雖然分流比例適當(dāng)增加了更多的液體會從溢流口流出。但是，如果分流比要高得多，油芯不能與溢流排出，和一定量的水混合成的油芯，并在溢出流夾帶，導(dǎo)致增加的油含量。從圖 6 還可以看出，存在一個最優(yōu)的分流比的溢出。與流過下溢，為低輸入油的體積分?jǐn)?shù)，例如 4.7％，8.8％和 19.7％，在實驗中的情況下，這兩個最佳分流比的最佳分流比比較類似的，但油體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 27.5％和29.8％時，溢出的最佳分流比是遠(yuǎn)低于該下溢的。 2.2流速對油/水分離的影響相同的入口油體積分?jǐn)?shù)下的含水率和相同的分流比的混合物的流速與在圖7 中示出。在實驗過程中，油體積分?jǐn)?shù)和分流比分別為 10％和 20％。隨著流量的增加，離心力增大，因而在旋流器中分離的油/水的流量的不斷增加，在該點后，使含水急劇下降。這些現(xiàn)象可以解釋如下：在旋流器中的油/水分離過程中，入口流率的顯著增加可以使油滴打破了由于過度的剪切力和紊流，在高流速低的壓力（通常為圓筒形旋流器軸線） ，在該混合物中溶解的氣體將被釋放，并阻礙了分離。2.3數(shù)值模擬到目前為止，我們已經(jīng)討論了圓柱形旋風(fēng)的油/水分離性能，從宏觀的角度來看，由于實驗室實驗的限制，這是很難很好地模擬在旋流器中的多相流動特性。為了進(jìn)一步了解油/水的詳細(xì)分離過程，在圓筒形旋流器的相位分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。圓柱氣旋的數(shù)值模擬是基于商業(yè) CFD 代碼“Fluent6.3.26” ，采用有限體積法離散微分方程描述的多相流。強(qiáng)大的漩流旋風(fēng)，旋風(fēng)采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）捕捉到湍流的各向異性。被施加到模擬的油/水的二相流的 Euler多相流模型。給出如下的數(shù)學(xué)模型。2.3.2 邊界條件在數(shù)值模擬中的圓筒形旋流器的幾何尺寸如圖 1 所示。共使用 3.5×10? 網(wǎng)格單元。將水和油是用來作為測試液體。在入口處，一個速度入口條件被指定。正確指定的湍流參數(shù)和正常速度及各相的相體積分?jǐn)?shù)。定義下溢和溢出的邊界條件基礎(chǔ)上的流量和出口壓力。簡單的算法是用于壓力速度耦合和二階迎風(fēng)計劃，被應(yīng)用到插入字段變量控制量的面孔。迭代過程繼續(xù)進(jìn)行，直到連續(xù)性殘余被減少到 1.0×10-6，對兩個出口相流率進(jìn)行監(jiān)視，以判斷圓筒形旋流器的流動穩(wěn)定與否。2.3.3 數(shù)值結(jié)果圖中顯示了圓筒形旋流器數(shù)值模擬的油芯結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)發(fā)展。入口的水和油的表面速度為 0.5 米/秒和 0.1 米/秒，下溢和溢流出口之間的壓力差為 0.75 千帕，根據(jù)本實驗測量，可以觀察到圓筒形氣旋初始填充，水與油/水的混合物被引入到氣旋，由于離心力的存在，水相流向旋流器的壁，而油相被積累在中心。經(jīng)過大約 26 s 的計算，相分布在圓柱氣旋變得相當(dāng)穩(wěn)定，油分芯變形非常小。在旋流器中的油相的橫截面的分布，圖 9 中給出。圖 9（a）示出的油芯結(jié)構(gòu)和其他三個數(shù)字（B，C 和 D）示出的油相的輪廓線的距離為 2，6 和 10 相差的水平入口管直徑，與相差的進(jìn)樣口的距離的增加，油芯變成更修長，并最終消失。油體積分?jǐn)?shù)在中心和旋流器壁附近的低得多。在旋流器中的相位分布是不對稱的，因為單個入口安排 MENT 進(jìn)行實驗，以驗證上述模型。圖 10 顯示了比較的水切割之間的數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，而實線表示模擬的解決方案。對于那些低流量分割比例，最大相對通過數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)之間的誤差不超過 2.7％，這表明，上述模型可以預(yù)測油/水二相流在圓筒形旋流器分離相當(dāng)不錯。3分離效率預(yù)測圓筒形旋流器的分離效率取決于許多參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)，操作參數(shù)和物理參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)是主要的圓筒形旋流器的幾何尺寸，如旋流器直徑 D，氣缸的高度 H。可以觀察到，從圖 11（一） ，對于不同的雷諾數(shù)，分流比和下溢的含水的功能之間的關(guān)系是相同的。實曲線的實驗數(shù)據(jù)圖嵌合。此外，所有的曲線遵循相同的玻爾茲曼分布。比較實驗值和計算的。大多數(shù)的實驗值是±2％的偏差區(qū)域內(nèi)。之間找到一個合理的合適的實驗值和計算值。圖 12（b）表示溢出的油分含量的實驗值與從方程（14）獲得計算出的值進(jìn)行比較，可以看出，式（14）描述的實驗數(shù)據(jù)大部分在±10％之內(nèi)。4。結(jié)論進(jìn)行的實驗研究中的液 - 液圓筒形旋流器來模擬油/ 水分離的分流比和流速對分離效率的影響,也進(jìn)行了數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解油芯結(jié)構(gòu)的形成過程中的相位分布的圓柱氣旋。從結(jié)果來看，可以得出的主要結(jié)論如下：（1）分流比是一個影響油/水液 - 液的圓筒形旋流器分離效率的關(guān)鍵參數(shù)。分離效率隨著分流比的增加而增加。但也有一定的入口條件下的最佳分割比例。分割比率高于最佳則被認(rèn)為是干凈的水溢流和含水保持恒定，而在溢出的油含量因分割比進(jìn)一步增加開始減小。 （2）適當(dāng)增加入口流量可以提高油/水分離效率。然而，一個極端的高流率可能會妨礙由于油/水乳化和溶解的氣體的分離。 （3）圓筒形旋流器被引入到油相后，由于離心力的存在下，蓄積在中心。相位分布往往是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約幾秒鐘后，含水量數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，表明該數(shù)值模型來預(yù)測油/水兩相流的圓柱氣旋相當(dāng)不錯。 （ 4）通過一維分析，分離效率的雷諾數(shù)和分流比的函數(shù)在整個實驗中表現(xiàn)出相同的趨勢，之間得到良好的預(yù)測值和實驗數(shù)據(jù)和預(yù)測曲線實驗數(shù)據(jù)，特別是對下溢，含水的偏差在±2％之內(nèi)。參考文獻(xiàn)[1]鄭志柱，周勇和郭君等。海底管道油氣多相流運(yùn)輸?shù)姆蛛x技術(shù)[J]。實驗流體力學(xué)雜志，2005，19（1）：94-98（中國） 。[2] BELAIDI A. THEW MT 的石油和天然氣的影響上的內(nèi)容的可控性和分離以脫注油旋流[J]。橫貫的刊物，2003，81（3）： 305-314。[3]吳迎香，李清平和鄭志柱等人。海上石油和天然氣的多相流問題發(fā)展[J]。中國造船，2005，46（增刊）：314-321（中國） 。[4]，戈麥斯雷諾索 A. L. E.王 S. B.等。蛞蝓阻尼器的設(shè)計和性能[J]。 [能源科技，2008，130（4）：1-12。劉海飛，鄧曉輝和羅東紅等[5]單相壓降的實驗研究圓柱氣旋[J]。中國水電雜志動態(tài)，2010，25（6）：851-856（中國） 。[6] MOVAFAGHIAN S.，JAUA MARTURET J. A.MOHAN R. S.等人。幾何的影響，流體親氣 - 液的流體力學(xué)的 perties 和壓力圓柱旋風(fēng)分離器[J] 。國際柔RNAL 多相流，2000，26（6）：999-1018。[7]劉曉分鐘，檀潤華和劉銀妹。水電動態(tài)流變性能分析模型耦合流氣液圓柱氣旋分離器[J] 。石油學(xué)報，2005，26（5）：107-110114（中國） 。[8]埃斯科瓦爾 OM 改良的性能評價液 - 液（LLCC）圓柱旋流分離器[D]。美國塔爾薩，Oklakoma：大學(xué)碩士論文，塔爾薩，2005。[9] MATHIRAVEDU R. S.，王 S. B.磨憨 R.S.等人。性能和控制液 - 液cylindrical 旋風(fēng)分離器 [J]。 [能源資源科技，2010，132（1）：1-9。[10]馬 REYES 乙腦，帕切科和馬林 JC 等。數(shù)值模擬和實驗的多相流液 - 液圓柱氣旋分離 TOR [C]。歐洲流體工程的法律程序夏季會議， ASME。美國邁阿密，2006 年 1-7。[11]古普塔 A.，庫馬爾 R.三維湍流在氣缸中的漩流：實驗和計算蒸發(fā)散[J] 。國際熱和流體雜志流量，2007，28（2）：249-261。[12]劉海飛，徐鏡宇，吳應(yīng)祥等。油，水兩相流動的數(shù)值研究圓柱CYCLON [J]。水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2010，22（ 5 增刊）：832-837。[13] OROPEZA-巴斯克斯 C. AFANDOR E.和戈麥斯 L.等。在一個新的液 - 液的油水分離圓柱氣旋（LLCC）緊湊型分離器實驗和建模[J]。中國流體工程，2004 年，126（4）,553-564。[14]賈瓦內(nèi)赫 A. M.，H. TLILAN 和 AL-SHYYAB A.等人。強(qiáng)漩流在一個圓柱形的分離器[J]。礦產(chǎn)工程，2008，21（5）： 366-372。[15] HUSVEG T.，RAMBEAU O.和 T.等人 DRENGSTIG。除油水力旋流器的性能變量流速[J]。礦產(chǎn)工程，2007，20（4）： 368 - 379。