旋流分离器用于三相分离的研制和可行性实验

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摘 要：在同一装置内同时完成气液固三相分离的旋流器。介绍该旋流器的设计思路和可行性实验。此旋流器保留旋流器的特点：重量轻，结构紧凑，易操作等。

关键词：三相分离 旋流器 研制 可行性

1. 引言

水力旋流器是一种用途十分广泛的分离分级设备，可以用于澄清、浓缩、洗涤、除气与除砂、分级与分类、以及两种非互溶液体的分离等多种作业。在矿物加工、化工、石油、轻工、环保、采矿、食品、医药、纺织与染料业、冶金、机械、建材及煤炭等众多工业部门获得了广泛的应用；而且由于水力旋流器结构及型式的日趋多样化，其应用领域仍在不断拓展。近来已有水力旋流器应用到生物工程及电解业等领域中的报导。本文将主要总结水利旋流器应用于三相分离的现状，并给出一种用于三相分离的旋流器的研制和可行性实验的结论。

2. 三相分离的概念和研究现状

所谓三相同时分离，这里包括气―液―固三相同时分离、气―液―液三相同时分离以及液―液―固三相同时分离。

气―液―固三相同时分离的典型应用，如在油田要求将油中的气和砂同时分离出来。水力旋流器用于三相分离是可以实现的。这种实现三相同时分离的旋流器是在气液分离旋流器的基础上进行改进，这种改进主要是将与气体分离后的液体再与固体分开。迄今尚未有此种旋流器的报导，其设计和实验技术均有待于进一步发展。

气―液―液三相同时分离的典型应用仍是油田中使气和水同时从油里分离出来。这种分离的实现比气―液―固三相同时分离的难度要大一些，虽然迄今也未见有关研究报导，但水力旋流器具有完成该任务的潜在能力。

液―液―固三相同时分离是水力旋流器进行三相同时分离方式中唯一有文献报导的。典型应用如从含油污水中同时除去油和悬浮物。Bednarski和Listewnik提出的从含油污水中同时除去油和砂粒的旋流器是对水中脱油型水力旋流器结构的改进，即在旋流器的锥体壁上安置一个砂库用于收集砂粒。据报道该旋流器处理含少量油和砂粒的污水时，除油率可达80%以上，排砂率可达47%[1]。

3. 实验装置的设计思路及其结构

3.1 实验设计思路

本实验设计旋流器用于气液固三相分离。因旋流器主要是利用被分离组分的密度不同，利用离心分离的原理进行分离，气液固三相密度差大，符合此条件。设计思路就是把两个分别实现气液分离和液固分离的旋流器串联起来，并把实现不同分离功能的两个旋流器一体化，同时并不影响两个分离过程的进行。设计分为两个部分，即气液分离旋流器和液固分离旋流器的分别设计。

关于气液分离装置，特别指出，近年来，气液旋流分离技术是国内外科研研究的热门课题。当前油田气液分离通常采用沉降式分离器。沉降式分离器体积及占地面积大，重量重、投资及运行成本高。基于经济因素和操作因素的考虑，寻找更有效和更节俭的分离方式是势在必行的。新型的油气分离器气液柱状旋流分离器GLCC（Gas-Liquid Cylindrical Cyclone）应运而生，与传统的容积式分离器相比，它具有结构简单紧凑、能耗低、重量轻、应用方便等优点。本实验设计实现气液分离部分结构类似GLCC，液固分离部分采用典型的旋流器结构。

3.2 实验装置具体结构构成

本实验设计装置主要由气液混合物进口、旋流柱段、旋流锥段、砂库、液体出口、固体出口和气体出口组成。如图（2）所示。其中入口管采用不同于传统的入口垂直于柱体的结构，Kouba[2]的实验研究表明，采用向下倾斜的入口管，保证入口管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果、扩展管柱式旋流分离器的适用范围，最佳倾斜角为-27。入口管位于柱体的中间位置，入口管上部柱体是液体的缓冲段，只要此段柱体足够长，就可以保证气体出口的含液率最低；入口管下部柱体是气体的缓冲段，只要气体到达液体出口的时间大于气体到达中间气核的时间，就可以保证气体进入气核，进而从气体出口分离出去，从而保证液体出口管的含气率最低。本实验装置的分离原理就是利用有密度差的不同相在旋流场内受到不同的离心力而进行分离的，重力分离在此装置中也起作用。锥段是液固分离的典型结构，经过柱段预分离的液固混合物在锥段进行有效分离，较重的固体在边壁旋转进入砂库，较轻的液体从中间进入液体出口。此段也是柱段的有效延长，即此段也可发生气液分离，从而提高了气液分离性能。

4. 三相分离装置分离功能的可行性分析

三相分离过程为气液固混合液流沿切向入口进入装置，在柱段进行气体的全分离和液固混合物的预分离，然后分离出来的液固混合物进入锥体段内得到加速分离，与此同时在柱段未完全分离的气体也可以进行分离从气体出口分离出去。整个分离过程结束后气体由出气口排出，液体则由底流口排出，固体进入砂库。底部锥形结构既有是液固分离的主要空间，也可以延长气液分离的有效空间，又有利于分离后大量的液体与少量固体细粒混合物的顺畅排出。这种结构设计方案综合考虑了液体中携带气体和气体中携带液体以及固体分离出去的可能，从而使气液固有效分离的效果较佳。三相分离装置的设计是在水力旋流器基础上改进的，是行之有效的。

5. 气液旋流分离的可行性实验

在实验室对该气液固旋流分离装置进行了分离的可行性实验，实验在标准状况下进行。由于实验装置特意设计了入口下部柱段为可视的有机玻璃，控制气液混和物界面在入口以下，基本实现气体分离率95%以上。

液固分离实验是在气液分离实验状况良好的条件下，加入固体混合物。其目的主要是当应用于现场应用的时候，可以剔除较大的砂粒。而油砂的危害很大，列举如下：（1）经沉淀降低设备的处理能力，阻塞管道和工艺设备；（2） 含砂液流具有磨损和腐蚀设备能力；（3） 在加工工艺流程中，含砂会阻碍正常的热传导，出现局部过热，穿孔；（4） 当砂沉积在一些报警装置上，会使控制和操作失灵。因此，油田地面集输系统的除砂和清砂，已成为亟待解决的问题。实验设备加入固体混合物后粗略测量分离效率不小于已经有报道的50%。因为这个分离效率不是级效率，需要肯定的是针对直径较大的固体颗粒有绝对的分离效果，如果要进行细粒分级，可以对锥段和砂库进行改进设计。

6. 结论

（1） 三相分离旋流器是一种新型高效分离装置，其装置结构设计方案从理论上解决了三相同时分离的问题；

（2） 对三相分离旋流器设计结构方案进行了气液固分离的可行性分析；

（3） 通过实验室模拟实验，验证了三相分离旋流器用于气液固分离的可行性，典型实验数据表明，经过结构优化与参数优选后的水力旋流器用于气液分离是可行的。

参考文献

[1] 褚良银. 水力旋流器应用开发进展（二）.《过滤与分离》1998年第2期

[2] Kouba GE，Shoham O， Shirazi S. Design and Perfprmance of Gas-Liquid Cyclone Separators. Proceedings， BHR Group 7th International Meeting on Multiphase Flow， Cannes， France， June7-9，1995：307～327

[3] 林宗虎，气液两相流和沸腾传热，西安交通大学出版社，2003.4，5～7