錐角旋流器分離性能試驗研究

錐角旋流器分離性能試驗研究

1導(dǎo)葉式旋流器由于固液旋流器的占地面積小，操作和維護(hù)方便，深受油田砂、沉積物去除的廣泛應(yīng)用。也可以從不同的地方分離細(xì)沉積物。中國石油大學(xué)(華東)多相流分離實驗室所研發(fā)的導(dǎo)葉式固液分離旋流器具有總壓降低、分離效率高、管匯配置方便等優(yōu)點,因此更適用于井下多相分離和海洋平臺上采出液的預(yù)處理。但就錐角等結(jié)構(gòu)對導(dǎo)葉式旋流器分離性能的影響尚未做過深入研究?；诖?在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)不變的情況下,對錐角為5°、7°和10°的導(dǎo)葉式固液分離旋流器的分離性能進(jìn)行試驗研究。2固-液水力旋流器+砂體試驗導(dǎo)葉式固-液分離旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了更加直觀地觀察其內(nèi)部流場中顆粒的運動現(xiàn)象,該旋流器以有機玻璃為原料,按與工業(yè)用旋流器1∶1的比例制成,錐段長度420mm、主直徑50mm、溢流口徑15mm。其中,導(dǎo)葉為造旋的核心部件,其安裝位置和結(jié)構(gòu)如圖2,3所示。導(dǎo)流葉片的成型原理是一根母線和一個圓柱面相交成一定角度,沿圓柱面的某種曲線移動而形成的曲面就是葉片的成型面。其設(shè)計參數(shù)主要包括:葉片數(shù)n、葉片出口角β(導(dǎo)流葉片出口處直線段與此處徑向截面的夾角)、流道寬度w(導(dǎo)流葉片在出口直線段處相鄰兩導(dǎo)葉片之間的距離)等。試驗過程中,料液經(jīng)攪拌器攪拌均勻后,由螺桿泵送入固-液水力旋流器內(nèi)進(jìn)行分離,分離后形成的溢流和底流分別由循環(huán)管路排回料罐,如此往復(fù),形成了一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。在固-液水力旋流器的入口、溢流口及底流口處都設(shè)有采樣支流,以方便測試和取樣。在管路上設(shè)有壓力傳感器和電磁流量計,用于測量入口處、溢流口處和底流處的壓力和流量。試驗流程如圖4所示。試驗中連續(xù)相介質(zhì)為清水,固相介質(zhì)為細(xì)砂。相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。由表1可知,試驗用砂的粒徑絕大部分在50μm以下。在此基礎(chǔ)上做如下定義,粒徑在0～20μm的顆粒為懸浮物,粒徑在20～30μm的顆粒為泥,粒徑在30μm以上的顆粒為砂。3固-液水力旋流器分離效果評價體系對于固-液水力旋流器的試驗研究,應(yīng)主要從結(jié)構(gòu)參數(shù)、操控參數(shù)以及料液的物料參數(shù)等3個方面進(jìn)行優(yōu)化,并以分離效率、壓降、粒徑分布、粒級效率4個指標(biāo)來建立評價固-液水力旋流器分離效果優(yōu)劣的體系。錐段是固-液水力旋流器內(nèi)部固液兩相發(fā)生分離的主要區(qū)域,因此,為了研究椎角對導(dǎo)葉式旋流器分離性能的影響,在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)保持不變得情況下,對5°、7°、10°3種錐角進(jìn)行探討。3.1油流器錐角的影響固-液水力旋流器的錐角與分離效率、壓降的關(guān)系曲線如圖5、6所示。由圖5可知,分離效率隨著流量的增加呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。在一定范圍內(nèi),流量一定時,分離效率隨錐角的增大呈先升高再下降的趨勢。這主要是因為隨著錐角的增大,液流切向速度增大,因此產(chǎn)生的離心力增大,顆粒更容易克服流體的曳力到達(dá)邊壁,促進(jìn)了固液兩相的分離。但錐角增大到一定程度后,切向速度過大,導(dǎo)致錐段渦流強度增加,返混嚴(yán)重,不利于分離過程的進(jìn)行;在底流口徑不變的情況下,隨著錐角的增加,錐段長度減小,這意味著停留時間變短,不利于固體顆粒的分離。從圖6可知,在一定范圍內(nèi),流量一定時,壓降隨錐角的增大而增加。這是因為錐角的增大會使自然旋流長變短,即準(zhǔn)強制渦消失的時間提前,長度變短,這意味著液流由外部準(zhǔn)自由渦進(jìn)入內(nèi)部準(zhǔn)強制渦的時間提前,且速度轉(zhuǎn)向突變的程度隨著錐角的增大而增加,耗能巨大;切向速度增加,導(dǎo)致流體內(nèi)部及邊界層與旋流器錐段內(nèi)壁的摩擦增加,耗能增加;切向速度增大到一定程度后,會使流場的湍流強度提高,消耗能量。以上原因都導(dǎo)致壓降隨錐角的增加而增大。3.2不同錐角下2020m砂分離為了考察旋流器對懸浮顆粒、泥和砂的分離能力,采用美國貝克曼庫爾特有限公司生產(chǎn)的CoulterLS230激光粒度分析儀對入口和溢流樣品中固體顆粒的粒徑分布進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖7所示。由圖可知,分離前后,固相顆粒的粒徑發(fā)生了顯著變化,溢流中殘存顆粒的粒徑、含量均明顯減少。分離前,固體顆粒體積分?jǐn)?shù)相似、固體顆粒粒徑大都分布在40～50μm之間,即砂的含量最高,泥和懸浮物的含量相對較少。分離后,溢流中固體顆粒含量大幅降低,且大都為0～20μm之間的懸浮物顆粒,20μm以上的泥砂顆粒的含量已經(jīng)相當(dāng)?shù)?分離效果明顯。從圖還可以得出:(1)錐角為5°和7°時,分離后峰值粒徑為5～7μm,所占體積分?jǐn)?shù)均在3.8%以下;錐角為10°時,溢流中的粒徑大都集中在6～8μm之間,體積分?jǐn)?shù)在3.8%～4.0%之間。(2)錐角為5°時,溢流中20μm顆粒的體積分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%,70～80μm的砂可被除盡;錐角為7°時,溢流中20μm顆粒的體積分?jǐn)?shù)在1.5%以下,60μm以上的砂可被除盡;錐角為10°時,溢流中20μm顆粒的體積分?jǐn)?shù)波動較大,總體在2.0%以上,30～50μm的泥砂顆粒即可被除盡。因此,在其它條件不變的情況下,5°錐角更有利于20μm以下懸浮物顆粒的分離,7°錐角適合分離20μm以上的泥砂顆粒,10°錐角對30μm以上的砂分離效果明顯。3.3旋流器的旋流特性與顆粒分離效率的關(guān)系為了研究3種錐角結(jié)構(gòu)對各粒徑固體顆粒的分離效率,在考察總分離效率、壓降和粒徑分布的基礎(chǔ)上,對旋流器的粒級效率進(jìn)行了計算。在不同流量的情況下,各粒徑的粒級效率如圖8所示。由圖8可知,在流量一定的情況下,5μm以上的顆粒粒級效率隨著顆粒粒徑的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。這主要是因為:(1)粒徑小的懸浮物顆粒所受的離心力很小,徑向沉降速度不足以抵消向內(nèi)的流體速度,即相對于流體的跟隨性較好,徑向速度方向與流體相同,結(jié)果使得這部分顆粒進(jìn)入溢流;(2)小粒徑顆粒在底流口附近的部分易隨外部準(zhǔn)自由渦進(jìn)入內(nèi)部準(zhǔn)強制渦;(3)湍流的徑向擴散作用使已經(jīng)進(jìn)入邊界層的小粒徑顆粒返混,再次進(jìn)入內(nèi)旋流;(4)由于湍流脈動,顆粒沉降又存在一定隨機性,尤其是粒徑接近分割粒度的顆粒。即對于靠近器壁的顆粒,即使粒度小于分割粒度,也更可能隨粗顆粒向下成為底流,而與之相反,對于溢流管附近的顆粒來說,即使粒徑較大,也可能進(jìn)入溢流。這4個原因都導(dǎo)致旋流器對5～10μm的顆粒的分離效果變差,分離效率低下。由于大顆粒所受的離心力足夠使其克服流體的曳力而沉降到壁面,因此旋流器對25μm以上的泥砂顆粒的分離效率較高,可達(dá)90%以上。值得注意的是,2μm以下的懸浮顆粒的粒級效率反而較高,這主要是因為:固體顆粒在沉降過程中,除受到來自流體介質(zhì)的靜態(tài)浮力與動態(tài)阻力之外,顆粒之間的機械碰撞對沉降過程也起著重要的作用。當(dāng)向外沉降的大顆粒碰到以較小速度沉降的小顆粒,作為碰撞過程中動量交換的結(jié)果,前者的沉降有所減緩,而后者則在大顆粒的攜帶下加速向外沉降;細(xì)微顆粒的團聚和聚結(jié)作用也是導(dǎo)致其分離效率較高的一個原因,而且團聚作用在低流量下較為明顯。除此之外,由圖8可知,在流量一定的情況下,隨著錐角的減小,旋流器對粒徑較小的懸浮物顆粒的分離效率呈上升的趨勢。當(dāng)流量為5m3/h時,錐角為5°的結(jié)構(gòu)對粒徑為10μm的懸浮顆粒的分離效率已經(jīng)到達(dá)70%,高于相同流量下錐角為7°和10°時旋流器對該粒徑微粒的分離效率。這主要是因為在一定范圍內(nèi),隨著旋流器錐角的減小,旋流器內(nèi)流場的湍流度降低,湍流徑向擴散作用微弱,不容易把已分離出來細(xì)微顆粒再返混入溢流;在底流口直徑不變的情況下,錐角減小意味著錐段長度增加,因此顆粒的停留時間變長。4砂體結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響(1)流量一定的情況下,在一定范圍內(nèi),旋流器的分離效率隨著錐角的增加呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢;壓降隨著錐角的增大而增加;7°錐角旋流器總分離效率最高、壓降較低;(2)在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)相同的情況下,5°