鄂广杏，张 明，程文学，陈玉霞, 曲正新

（1. 西南石油大学， 四川 成都 610000； 2. 中国石油技术开发公司， 北京 100028； 3. 中国寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飞信息技术有限责任公司, 北京 100007; 5. 中国石油天然气勘探开发公司，北京100034）

混相旋流分离技术应用研究

鄂广杏1，张 明2，程文学3，陈玉霞4, 曲正新5

（1. 西南石油大学， 四川 成都 610000； 2. 中国石油技术开发公司， 北京 100028； 3. 中国寰球工程公司，北京 100012; 4. 北京中油瑞飞信息技术有限责任公司, 北京 100007; 5. 中国石油天然气勘探开发公司，北京100034）

概述了旋流分离技术在我国的应用现状，分析了旋流分离技术的工作原理和工作特性，研究了此项技术在气—液、气—固、固—液、液—液等混相分离的进展，明确了旋流分离技术推广应用的关键环节及问题，阐述了在石油、化工、环保等多行业的推广前景。

旋流分离；混相；气—液；固—液

目前随我国环保法律法规的逐步健全，以及人们对环保意识的不断增强，工业污水、废气、污泥等的高效处理受到政府、企业的不断关注。在企业生产中，多处涉及混合介质的处理分离，如在油田，从油井采出的原油需经除气、脱水及除油等多道分离工序。旋流分离技术作为一项新兴高效混相分离技术，正在被广泛地应用于各行各业，其中包括石油、化工及环保等行业，具有较为广泛的应用前景[1,2]。

1 旋流分离技术特点

1.1 工作原理

旋流分离技术的实现设备为旋流分离器（简称旋流器），其依据离心沉降的原理，将非均相混合物中密度不同的相进行分离。旋流分离器的基本机构为分离腔、入口和出口，如图1所示。分离腔有圆锥形、圆柱形及柱—锥形三种形式。入口分为单入口和多入口，依据入口与分离腔的连接形式，入口又可分为切向入口和渐近线入口。出口一般设置两个，且多为轴向出口，设置在旋流器的两端。靠近进料段的是溢流口，远离进料端的为底流口。

图1 旋流分离器工作原理Fig.1 The working principle of hydrocyclone separation

1.2 优势及不足

旋流分离技术是一种高效节能的分离技术，具有如下优势：结构简单；安装便捷，可多角度安装；工作稳定、连续，操作维护方便；效率高；成本低，投资少、占地小、维护费用少；生产及条件的范围较宽，具有良好的适应性。旋流分离技术也存在一定不足：对工艺参数的设计要求较为严格，否则严重影响分离效果；具有单一性，依据不同条件设计的旋流分离器，不能被安装到其他处处理不同介质、不同参数的物料。

2 混相旋流分离应用领域

旋流分离技术可进行气—液、气—固、固—液、液—液等多相分离，在石油、石化行业中多采用旋流分离技术代替庞大、低效、复杂的重力分离工艺，提高系统的能量利用率、节约运行成本、减小固定投资。

2.1 气—液旋流分离技术

气—液分离使被分离介质在离心力、浮力和重力的多重作用下，液体流向器壁并以螺旋线形式向下运动，气体则流向中心并从顶部逸出。采用气—液旋流分离技术的分离器具有多种形式，不同的形式有不同的应用方向：管柱式在地面及海上的油气分离、井下分离、天然气输送及火炬尾气的洗涤方面应用较广；螺旋片导流式多被应用于天然气与石油开采中的油气分离、压缩空气中的净化处理、水处理装置等；轴流导叶式以进料稳定、阻力损失小的特点，适宜安装操作于井下狭长空间环境；管道式则直接被安装在石油或天然气的输送管道上，可消除气液两相流输送时易产生堵塞、断流等问题[3]。

2.2 液—液旋流分离技术

液—液旋流分离技术在水处理、医药、石化等众多行业得到应用。因其与固液或气固旋流分离相比，具有相间密度小的特点，实现分离需较强的离心力场与较长的停留时间，众多学者为弄清分离机理，提高分离效率开展大量研究，取得了丰厚成果。Hsien与Rajamani[4]运用涡流函数法表征的湍流输运方程，在引入湍流粘度概念后，得到了流速分布和级效率曲线。Pericleous[5]等采用PHOENICS程序对旋流管中的单相流场进行了模拟。李玉星[6]等采用RNG K-E模型对旋流管内流动进行了模拟，得到了湍动能的分布情况。

2.3 固—液旋流分离技术

固—液旋流分离技术在化工、液压油分离装置、环保治理等方面有较为广泛的应用，其作用原理为，在液固混相进入分离器主体后，固体微粒同液流一起旋转，由于固体微粒与液流密度不同，旋动的不同密度的流体在螺旋寻动的过程中按照不同的轨道作螺旋运动，密度大于液体的固体微粒被离心力抛向壁面从下端溢出，密度小于液体的则随液体旋流上升，从顶端排放口溢出。在旋动流场中会出现双层流场，即外层下旋、内层上旋。宛西原[7]等在旋流分离器中设计了导流板，通过数值模拟得到流场的压力、速度、粒子轨迹等分布情况，有效的提高了分离效率。

2.4 气—固旋流分离技术

气—固旋流分离技术被广泛的应用于旋风除尘工艺上，常用的旋风除尘器一般由筒体、锥体、进气管、排气管和出尘管等部件组成。工作原理为含尘气体由切向进口进入后，气流变为圆周运动，密度较大的尘粒甩向器壁从而失去径向惯性，沿器壁向下运动落入排灰管，气流在锥体下端反转向上，形成内旋气流由排气管排出。魏国强[8]对旋风分离器进行了改进，如图2所示，有效地提高了回收效率。

图2 旋风除尘器示意图Fig.2 The schematic of cyclone

2.5 固—固旋流分离技术

固—固旋流分离技术较多的被应用在颗粒筛分旋流器上，此设备广泛的应用于采矿、采煤等工业领域。旋流分离为一种概率分离过程，在对固—固分离时，颗粒的分级过程存在一定的概率性，分级的精度提高较难。刘铁航[9]针对分离精度较难提出了一种新型的旋流分离器，为旋流筛分器，并指出旋流筛的离心沉降分级和筛分复合分级的过程，分析表明带筛网的旋流器具有较高的分离精度。

2.6 气—液—固旋流分离技术

旋流分离技术还被应用于气—液—固三相分离上，可一次性实现气、水、砂的分离，从而解决我国众多老油田随开采年限增加含砂、含气增多造成除砂、除气难的问题。郑娟[10]提出了一种新型三相旋流分离器，将分离过程分为气液分离和液固分离两部分，并分析了不同设计参数对分离效果的影响。张玉洁[11]等采用数值模拟对三相旋流分离器进行了流场分析和结构优化，结果表明分离器溢流管的伸入长度、倒锥结构高度、入口截面面积及出液孔高度等设计参数的变化对脱气除砂效果影响较大。

3 旋流分离关键技术及问题

旋流分离在众多行业具有广泛应用，但其分离效率受到很多因素制约，如被分散介质的性质、旋流分离器的设计参数、旋流分离器的工作条件等，对此国内外众多学者采用实验测试与数值模拟等方法对旋流分离器进行改造，以提高其特定环境下的运行效率。王长忠[12]针对目前天然气脱水不净的问题提出了一种新型旋流天然气脱水装置，增加了动旋流伞、静旋流伞等装置，经现场试验取得较好的脱水效果。曹学文[13]针对传统低温分离工艺的困难，提出了超声速旋流天然气分离工艺，设计了超声速翼，能实现良好的超声速分离效果。Raoufi A[14]等为防止分离出现的“二次流”和“选路流”现象，提出在分离器下方出气管安装倒流片，或提出将出气管下方封闭，在其壁面上开一定数量的孔，可有效的提高分离效率。

4 旋流分离应用前景

旋流分离优点明显，具有较大的推广、适用空间，应用前景明朗。针对我国的缺水现状，污水处理、回收从而减小耗水量是政府、企业必须考虑的问题。旋流分离技术的高效分离效果，可为企业的污水回收、再利用带来帮助。在石油行业，国内的许多大油田随开采年限的增加，原油含水率不断升高，从而产生了大量的油田污水。为了降低开采成本，有必要在井底对油水混合物进行预分离，从而可使部分产出水直接注入注水层。加拿大和美国已经完成多套井下油水分离装置的安装，而我国仍处于研发的起步阶段。在国内推广以旋流分离技术为基础的井下油水分离技术具有重大意义。

［1］蒋明虎,赵立新,李枫,等.旋流分离技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.

［2］赵立新,李枫.离心分离技术[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2006.［3］张劲松,赵勇,冯叔初.气—液旋流分离技术综述[J].过滤与分离,2002, 12(1):42-45.

［4］Kopetz H, Verissimo P. Real Time and Dependability Concepts[M]. New York: Addison-Wesley, 1993.

［5］WuT. A Real-World Analysis of Kerberos Password Security [A]. I n Proceedings of the 1999 NetWork and Distributed ystemSecurity Symposium[C]. San Diego California:NDSS , 1999:97-111.

［6］李玉星,冯叔初,李安星,等.水力旋流器及压力分布特性的数值模拟[J].流体机械,2002,30(10):15-19.

［7］宛西原,漆磊,汪霞.新型固—液旋流分离过程的建模与仿真研究[J].水科学与工程技术,2013(5):51-53.

［8］魏国强,沙豪,赵岩,等.旋风除尘在海洋石油输灰系统中的应用[J].广东化工,2011(11):110-110.

［9］刘铁航,袁惠新.旋流式筛分过程初探[J].粉末冶金工业,2006(2):27-30.

［10］郑娟.用于气—水—砂三相分离的水力旋流器的实验研究[D]. 大连:大连理工大学,2005.

［11］张玉洁,蒋明虎,赵立新,等.基于 CFD的三相分离旋流器流场分析与结构优化[J].化工机械,2010(6):744-749.

［12］王长忠.新型旋流式天然气脱水装置[J].通用机械,2013(3):34-35.

［13］曹学文,陈丽,杜永军等.超声速旋流天然气分离器的旋流特性数值模拟[J].中国石油大学学报(自然科学版),2007(6):79-81.

［14］Raoufi A, Shams M, Farzaneh M, et al. Numerical simulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder[J]. Chemical E ngineering and Processing, 2008, 47(1):128-137.

Research on Miscible Hydrocyclone Separation Technology

E Gang-xing1，ZHANG Ming2，CHENG Wen-xue3，CHEN Yu-xia4,QU Zheng-xin5

（1. Southwest University of Petroleum, Sichuan Chengdu 610000, China；2. China Petroleum Technology Development Corporation, Beijing 100028，China; 3. China Huanqiu Contracting & Engineering Corporation, Beijing 100012，China; 4. CNPC Beijing Richfit Information Technology Co.,Ltd., Beijing 100007，China; 5. China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation, Beijing 100034，China）

Application of the hydrocyclone separation technology in China was summarized. The working principle and characteristics of the hydrocyclone separation technology were analyzed. The progress of this technology in miscible separation of gas-liquid, gas-solid, solid-liquid, liquid-liquid was studied. The key aspects and issues about application of the hydrocyclone separation were discussed. And its promotion prospects in petroleum, chemical, environmental protection and other industries were elaborated.

Hydrocyclone separation; Miscible; Gas-liquid; Solid-liquid

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0580-03

2014-10-23

鄂广杏（1990-），女，辽宁丹东人，在读硕士，2013年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：油气田地面集输。E-mail：eguangxing28@162.com。