刘秀林, 陈建义, 张宏斌, 等丨水力旋流器并联公共液斗对压降的影响研究

文摘 2024-07-17 18:17 北京

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水力旋流器并联公共液斗对压降的影响研究

刘秀林 ^1,² 陈建义 ¹ 张宏斌 ²高申煣 ²

1. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院, 北京 102249
2. 齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224078

摘要为降低并联水力旋流器组压降，设计了一种并联水力旋流器公共液斗。实验测量了常规并联旋流器组和带液斗的并联旋流器组的压降，并利用Fluent软件分析了并联分离器的流场。结果表明，带液斗的并联旋流器组的压降均低于常规组，平均减少了1.9%，当入口流速增大至5.0 m/s后，压降减小幅度最大达3.36%。带液斗的并联旋流器组的分离效率均高于常规组，平均增加了0.94个百分点，当入口流速增大至5.0 m/s后，分离效率增加幅度最大达1.34个百分点。与常规并联相比，带液斗的并联旋流器组内空气柱消失，导致湍动能耗散减小且切向速度变化更为平缓。液斗内并行涡流会受到其他旋涡约束，旋涡系中心比单个旋涡中心摆动幅度要小，稳定性更强。公共液斗能够有效降低并联旋流器分离压降，本工作可为并联水力旋流器的设计和应用提供指导。

关键词水力旋流器并联；公共液斗；压降；空气柱；自稳定性

1 前言

水力旋流分离技术广泛应用于石油炼制、化工、煤分离、天然气净化、纺织等行业^[1,2]。当混合液流量较大时，常将多台小直径的分离器并联工作^[3,4]。并联情况下，整体分离压降相较于旋流元件单独工作时有所增大^[5,6]。研究者对这个问题提出了多种解释，例如文献[7,8]认为并联中旋流元件流量分配存在差异；文献[9,10]认为并联会使旋流稳定性降低，导致旋流器内空气柱对分离性能的影响幅度更大。

研究者对并联旋流器的流场和分离压降开展了研究，如对于并联排布方式的研究^[11,12]、单体结构对于并联整体压降影响的研究^[13,14]、并联情况下操作条件对于压降的特殊影响^[15,16]等，但以上研究均未给出解决并联压降增大问题的方法，缺少从利用并联特有的流动性质的角度，解决并联压降增大问题的相关研究。

水力旋流器并联流动的基本特点在于并联公共结构内流体流动的特殊性，以及公共结构对于旋流元件内流体流动的影响。文献[17,18]研究表明，并联旋风分离器中气流涡系并行，多个旋涡之间会有相互约束作用，能够促进整个旋流场的稳定。文献[19,20]研究表明，带有底流水封的水力旋流器能够减弱空气柱，部分条件下分离压降得以降低。将以上方法结合，可设计一种水力旋流器并联公共结构，利用该结构增强旋流稳定性并消除空气柱，以降低分离压降。

本工作设计了一种水力旋流器周圈并联公共液斗，实验对比了并联分离器分离压降的变化；模拟分析了公共液斗对于分离空间、轴向速度以及旋流稳定性的影响。本研究通过公共液斗实现了并联旋流器分离压降的降低，揭示了旋流器并联的特殊流动现象，可为水力旋流器并联的设计和应用提供指导。

2 实验与模拟

2.1　分离元件与并联方案

实验采用常用的FX50型水力旋流器为旋流元件，结构型式如图1所示，尺寸参数见表1。

图1 单体基准FX50型水力旋流器结构示意图Fig.1 Structure diagram of single referenced FX50 hydrocyclone

表1 FX50水力旋流器尺寸参数Table 1 Size parameters of FX50 hydrocyclone

根据前人研究^[21,22]，设计的液斗直径应大于并联区，但不宜过大，若旋流器直径为D，外缘超出0.7D~0.75D，长度2.1D~2.25D，底流口直径应为旋流元件的底流口直径的约1.5倍。设计并联底流公共液斗具体结构和尺寸如图2和表2所示。

图2 并联底流公共液斗结构示意图Fig.2 Structural diagrams of parallel underflow common liquid hopper

表2 公共液斗尺寸参数Table 2 Size parameters of common liquid hopper

按中心对称排列方式，设计了由4个分离元件构成的周圈并联旋流器组，并联方式的排布见图3。为简洁起见，以下两种设计被称为A组和B组。A组的底流管/溢流管与大气相通。在B组中，公共液斗安装在水力旋流器组的底流口下方，公共液斗的底流口与大气相通。

图3 水力旋流器设计示意图Fig.3 Schematic diagrams of hydrocyclone design

2.2　实验系统与方法

实验装置如图4所示。料浆槽2内装有混合液，通过三相异步电动机6带动的搅拌器1搅拌均匀。由离心衬胶泵5提供流动压力，沿吸入管3流向水力旋流器组11。分离后的净化液体从溢流管进入溢流槽8，含砂泥浆从底流管进入底流槽7，并重新汇聚至料浆槽2，实现循环操作。

图4 实验系统示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental system

1. Agitator 2. Slurry tank 3. Suction pipe 4. Main valve 5. Centrifugal pump 6. Motor 7. Underflow tank 8. Overflow tank 9. Electromagnetic flowmeter 10. Pressure gauge 11. Parallel hydrocyclones group

实验液体为水，加料质量浓度为3wt%；粉料选用400目(37.4 μm)的石英砂，颗粒密度为2650 kg/m³，粒度服从对数正态概率分布，如图5所示，中位粒径为37.5 μm。

图5 粉料的粒度分布Fig.5 Particle size distribution of powder

入口流速为2.6, 3.4, 4.2和5.0 m/s时，测量四组数据。流速由LDG电磁流量计测量，精度为1×10^-3 m³/h；使用YN60BF型压力表测量压力，精度为1×10^-3 MPa；通过电子秤对质量进行称重，精度为0.1 g。

压降测量方法：在管路中距离入口固定距离处安装YN60BF压力表，即可测得安装处表压。流体在管路中可认为是水平均匀直管中的稳定流动，已知管路的直径、流体流速与管路阻力系数，可计算得出压力表安装处到入口的流动损失，两者的差即为入口压力。而溢流口压力已知(溢流出口连通大气)，则入口表压值即为水力旋流器的溢流压降值。分离效率测量方法：分别从底流和溢流口定时取样以测量和计算流速。然后，将样品干燥并称重固体颗粒质量以计算质量流速。

2.3　数值模拟

数值分析的目的是进一步从流动角度分析不同并联方式影响分离性能的机理。并联旋流器计算区域网格划分如图6所示。4台分离元件均以竖直的公共进管为进料面，流体经公共进料管后再分配至各分离元件。在几何突变处或边壁区域，网格加密。

图6 数值模拟的几何模型示意图Fig.6 Schematic diagrams of geometric model of numerical simulation

对网格无关性进行验证。对于无液斗结构，采用节点数为197 402, 220 526, 240 526, 278 288, 309 633, 385 288和462 986的网格进行模拟，考察入口流速为5.0 m/s时，旋流元件圆柱段与锥段交界面上轴向速度的最大值，如图7所示。由图可知，节点数达到309 633后，计算结果基本不变。考虑计算精度和时间经济性，采用节点数为309 633的网格进行无液斗结构计算。

图7 网格无关性验证Fig.7 Grid independence verification

对于带液斗结构，采用节点数为327 547, 356 866, 396 866, 430 418, 488 915, 560 418和630 306的网格进行模拟。由图7可知，节点数达到488 915后，计算结果基本不变。考虑计算精度和时间经济性，采用节点数为488 915的网格进行带液斗结构的计算。

水力旋流器的分离过程是涉及气液固三相混合的复杂流动过程，现有的CFD模型对于气液固三相计算精度不足。本工作对于分离效率的分析基于实验结果，且颗粒浓度较低，因此主要进行气液两相数值模拟，以研究并联后的流场特性。运用欧拉-欧拉方法模拟气液两相旋流场及气液分布形态，湍流模型采用雷诺应力模型，多相流模型采用欧拉-欧拉模型，模拟条件采用Second order离散化、Presto压力插值、SIMPLE算法压力-速度耦合。出口假设为充分发展的流动，壁面用无滑移条件及标准壁面函数处理。

对模拟设置准确性进行验证。图8为并联有/无液斗结构下不同入口速度下分流比的模拟值与实验值的对比。由图可知，实验值与模拟值最大偏差不超过1.8%，平均偏差为1.2%，采用RSM (Reynolds Stress Model)模型计算的结果与实验结果基本吻合，能够正确地模拟水力旋流器的内部流场。

图8 模拟设置准确性验证Fig.8 Authenticity verification of simulation settings

3 结果与讨论

3.1　实验结果分析

压降是评价旋流器内部能耗情况的重要指标。通常用压力损失反映流体从入口进入水力旋流器再从水力旋流器出口流出整个过程的能量损失^[23]。压力损失越小说明整个分离过程的能耗越低，能量利用率越高。将水力旋流器的进口位置压力记为p_i (MPa)，溢流口出口位置压力记为p_o (MPa)，则水力旋流器的溢流压降Δp_io (MPa)为：

(1)

公共液斗对于并联旋流器组压降的影响如表3所示。加装公共液斗后，压降平均降幅达1.9%。当入口流速为2.6 m/s时，压降基本不变；当入口流速为3.4 m/s时，压降减少了1×10^-3 MPa，减少约1.82%；当入口流速增大至5.0 m/s后，压降减小了4×10^-3 MPa，降低幅度达3.36%。说明公共液斗结构能够在保持高处理量的前提下降低压降。

表3 两种水力旋流器并联压降对比Table 3 Comparison of pressure drops of two types of hydrocyclones

并联旋流器加装公共液斗也会对分离效率产生影响。定义水力旋流器底流管流出的固相颗粒质量流量与进料口固相颗粒质量流量之比为分离效率η：

(2)

式中，m_u为底流管流出的固相颗粒质量流量(kg/s)，m_i为进料口固相颗粒质量流量(kg/s)。

实验测量不同入口流速下的四组分离效率。对比相同流量下并联旋流器组与加装公共液斗后的分离效率，如表4所示。由表可知，加装公共液斗后，并联分离效率有所提高，最高效率达到84.21%，相较于无液斗情况提升了1.34个百分点；实验条件下加装公共液斗可使并联分离效率平均提升0.94个百分点。表明公共液斗结构能够在保持高效率的情况下降低压降，减少能耗，能够整体提升分离性能。

表4 两种水力旋流器分离效率对比Table 4 Comparison of separation efficiency of two types of hydrocyclones

针对上述现象，可认为加装公共液斗后，公共空间内流场并行流动可能存在相互影响，会影响到整个系统的流场，进而影响分离性能。

根据庞学诗^[24]的研究，水力旋流器中的液体处于组合涡运动状态，其中半自由涡与强制涡的分界面上，流体切向速度最大，而半自由涡的压降在此界面上最大，这个压降反映了水力旋流分离器工作过程中的能量消耗，再考虑射流阻力的影响，得出压降的理论分析公式：

(3)

式中，v_t为最大切向速度(m/s)，D_i为入口当量直径(m)，D_c为旋流器当量直径(m)，γ为混合流体密度(kg/m³)，n为旋流指数(与湍动能和旋流稳定性相关，湍动能耗散越少，旋流稳定性越强，n越小)，g为重力加速度(m/s²)，R_o为溢流管半径(m)，R_a为空气柱当量半径(m)。

由式(3)可以看出，有无公共液斗，对于并联压降的区别主要在于切向速度的分布情况、空气柱状态、湍动能耗散以及旋流稳定性的情况，且这些参数之间也存在相互关联。下面将通过模拟分析公共液斗对于空气柱和旋流稳定性等因素的影响，综合解释性能变化的原因。

3.2　空气柱影响分析

对于水力旋流器内空气柱的作用，现行的观点是空气柱不参与分离过程，但却消耗能量。有无公共液斗，对于并联压降的区别主要在于空气柱的状态。由图9可知，A组水力旋流器中的空气相都在旋流器中心位置形成了贯通的空气柱，空气柱直径在溢流管和底流口附近较大，而在旋流器柱段和锥段直径较细。而B组水力旋流器中，仅在溢流口附近有明显的空气相，在旋流器柱段和锥段只有极稀薄且不连续的空气相，即安装公共液斗后，空气柱几乎消失，空气柱当量半径也相应减小。根据式(3)，R_a减少，整体压降减小。

图9 两种水力旋流器空气柱对比Fig.9 Comparison of air core of two types of hydrocyclones

空气柱消失的原因为公共液斗形成了底流液封，如图10所示。空气柱形成的主要原因是旋流器出口部流体高速切向运动形成中心负压区，使空气被吸入旋流器内部。公共液斗的流体由于空间扩大，流体速度降低，无法形成负压区域，空气无法从底流管进入B组水力旋流器，实现底流自液封，消除了空气柱。根据Liu等^[25]的研究，空气柱的状态直接影响切向速度的分布及湍动能耗散情况，而这两者也会对压降的大小产生影响。

图10 公共液斗内空气相分布Fig.10 Air phase distributions at common liquid hopper

3.3　湍动能耗散分析

对于湍动能耗散情况，以2.6和5.0 m/s两种入口速度为例，由图11可知，A组水力旋流器内湍动能耗散率较高的区域分布在旋流器中心以及溢流管区域，这也正是空气柱存在的部位；B组水力旋流器湍动能耗散率较高的区域基本上集中在溢流出口处，且最大值远小于A组水力旋流器(流速2.6 m/s时仅为A组水力旋流器的5.2%，流速5.0 m/s时仅为A组水力旋流器的18.3%)。这也验证了空气柱对于压降的影响，消除空气柱可减少气液两相交界面上的能量损耗，有助于降低压降。旋流器底流部分气液两相交界面消失后，湍动能分布对称性增强，这也与整体的旋流稳定性增强有关。加装公共液斗后湍动能耗散明显减小，根据式(3)可知，旋流指数n与湍动能相关，湍动能耗散减少则n减小，压降也随之减少。

图11 两种水力旋流器内湍动能耗散率对比

Fig.11 Comparison of turbulent energy dissipation rate of two types of hydrocyclones

3.4　切向速度分析

设旋流器底流出口处为z=0基准面，选取z=100和170 mm两个横截面，四个水力旋流器元件平均切向速度如图12所示。由图可知，切向速度随入口流速增大而增大。在z=100 mm截面，当入口流速为2.6和3.4 m/s时，A组水力旋流器的最大切向速度大于B组水力旋流器，当入口流速为4.2和5.0 m/s时，两者的最大切向速度基本相同；在z=170 mm截面，4种入口流速下，A组水力旋流器的最大切向速度与B组水力旋流器基本相同。4种入口流速下，B组水力旋流器切向速度沿径向的变化在准强制涡区域相较于A组水力旋流器更平缓。这是因为公共液斗消除了空气柱，准自由涡的区域扩大，使得切向速度的变化也更平缓，流体之间的剪切作用力也会降低^[26]，摩擦损失会减小，从而导致压降减少。

图12 不同入口流速下水力旋流器内切向速度分布Fig.12 Tangential velocity distributions in hydrocyclones with different inlet velocities

3.5　旋流稳定性分析

公共液斗会影响旋流的稳定性，而旋流稳定性会影响湍流强度的对称分布，从而对压降产生影响^[27]。通过比较每个旋流器的最低静压点与几何中心之间的相对距离，可以定量地反映旋流器中旋流的稳定性。定义旋流稳定性指数S_v^[28]：

(4)

式中，d_PVC为进动涡核中心(即最低静压点)与旋流器几何中心之间的径向距离(mm)，R_local为旋流器横截面半径(mm)。

从空间和时间两个方面研究了公共液斗对S_v的影响。首先，从空间的角度研究了S_v的变化。设旋流器底流出口位置高度为z=0，在z=10~200 mm时，公共液斗对四个水力旋流器元件平均S_v的影响如图13所示。

图13 不同z轴位置时两种水力旋流器S_v的对比Fig.13 Comparison of S_v of two types of hydrocyclones at different z-axis positions

从时间的角度研究了S_v的变化。将数值计算中时间步长设置为1×10^-3 s，根据底流出口处的切向速度估计，进动涡核摆动约1.0×10^-2 s。设旋流器底流出口位置高度为z=0，不同时刻公共液斗对位置z=50和100 mm的平均S_v的影响如图14所示。

图14 不同时刻两种水力旋流器S_v的对比Fig.14 Comparison of S_v of two types of hydrocyclones at different times

由图13和14可知，不论从空间还是从时间上看，带液斗水力旋流器的旋流稳定性指数较无液斗均有降低趋势，旋流稳定性增强，有利于减少并联的整体压降。

分析这种现象产生的原因，本工作认为流体在公共液斗中单向旋转，这些漩涡可以简化为点涡流，而4个并行的漩涡可以看作一个点涡系统。在靠近底流出口处，公共液斗中的流体运动即可等效为多个点涡运动并行。

具有相同旋转方向且相等强度的中心对称点涡系统在二维流场中运动，该流场被标记为点涡1~4 (见图15)。点涡的坐标标记为z_j(x_j, y_j)。设涡漩强度为W_j，根据Viswanathan等^[29]的研究，整个系统的复位势F为：

(5)

图15 点涡系统Fig.15 Point vortex system

对于无黏性且不可压缩流体，系统属于Hamilton系统。4个点处于正多边形构型，根据Hamilton方程^[30]解的平移不变性和旋转不变性，在确定系统的坐标z_i和涡漩强度W_j后，可得出两个常数量质心矩G [式(6)]和惯性矩M [式(7)]：

(6)

(7)

在公共液斗中，四个相同旋流器产生的漩涡强度相等，即W₁=W₂=W₃=W₄为常数W。则式(6)和(7)用分量的形式表示为：

(8)

(9)

对于并行旋流，若其中一个漩涡产生不稳定扰动，而其他漩涡位置不变时，系统可以简化为点涡2 (也可以是其他点涡)在Y轴正方向上产生Δy的位移。在位移发生之前，点涡2和点涡4须满足式(8)和(9)，因此可以导出式(10)和(11)：

(10)

(11)

在位移发生之后，y₂沿Y轴正向移动。根据式(10)，y₄应沿Y轴在负方向上移动。为了满足式(11)，若y₂²变大，则y₄²应减小，即y₄又须沿Y轴向0点移动。为同时满足以上两条，须Δy→0，意味着点涡2与4向无位移趋势运动。为了同时保持质量矩和惯性矩的守恒，当并行漩涡系统中的任意一个点涡发生微小位移时，它会在整个系统的约束作用下尽量保证位置不变，这意味整个系统呈现出一种特有的“自稳定”。

当四个相同的水力旋流器元件并联工作时，在公共液斗中形成涡流系统，每个涡流都会受到其他涡流的约束。因此，系统中旋涡中心的S_v小于单个旋涡的S_v，稳定性更强。公共液斗中涡流系统的自稳定性反过来又增强了每个水力旋流器元件中旋流的稳定性。根据式(3)可知，旋流指数n与旋流稳定性相关，旋流稳定性增强则n减小，压降也随之减少。

4 结论

为了减少并联水力旋流器的分离压降，设计了一种底流公共液斗。通过实验，得到了公共液斗对并联水力旋流器性能的影响，利用Fluent软件对并联水力旋流器内的流场进行了数值模拟，得到如下结论：

(1) 加装公共液斗后，压降平均降幅达到了1.9%。当入口流速为2.6 m/s时，两种水力旋流器压降基本一致，当入口流速继续增大后，加装公共液斗的水力旋流器压降小于无液斗状态，当入口流速为3.4 m/s时，压降减少了1×10^-3 MPa，减少1.82%；当入口流速增大到5.0 m/s后，压降减小了4×10^-3 MPa，降低幅度达到了3.36%。带液斗的并联旋流器组的分离效率有所提高，平均增加了0.94个百分点，当入口流速增大至5.0 m/s后，分离效率增加幅度最大达1.34个百分点。

(2) 模拟分析了压降变化的原因。带有公共液斗的并联旋流器，基本消除了空气柱，导致湍动能耗散减小以及切向速度变化更为平缓。

(3) 分析了公共液斗对于旋流稳定性的影响。当4台完全相同的旋流元件并联工作时，加装公共液斗可使液斗内形成旋涡系，其中每个旋涡还会受到其他旋涡约束，导致旋涡系中心比单个旋涡中心摆动幅度小，稳定性更强。公共液斗中旋涡系固有的自稳定性反过来也增强了各旋流元件中旋流的稳定性。压降的降低为以上因素综合作用的结果。

略

Study on effect of common liquid hopper of parallel hydrocyclones on pressure drop

Xiulin LIU ^1,² Jianyi CHEN ¹ Hongbin ZHANG ²Shenrou GAO ²

1. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2. College of Mechanical Engineering, Qiqihar University, Qiqihar, Heilongjiang 161006, China

Abstract: To reduce the pressure drop of the parallel hydrocyclones, a new type of common liquid hopper for the circumferential type was designed. The pressure drop and separation efficiency of four conventional parallel hydrocyclones with and without the common liquid hopper were measured experimentally. The flow field inside the parallel hydrocyclones was numerically simulated using Fluent software, and the influence of common liquid hopper on the air core, tangential velocity, and swirl stability were analyzed. The results showed that the pressure drop of the parallel hydrocyclones group with common liquid hopper was lower than that of the conventional group, while the separation efficiency remained unchanged. The average pressure drop reduced by 1.9%, and the maximum pressure drop reduced by 3.36% when the inlet velocity reached 5.0 m/s. Compared with conventional parallel connection, a common liquid hopper could form a bottom flow liquid seal, causing the disappearance of air core in the parallel hydrocyclones group, resulting in a reduction in turbulent energy dissipation. And at high flow velocity, the area of quasi forced vortices expanded, making the gradient of tangential velocity change smoother and the maximum tangential velocity remained unchanged. So these phenomena helped to reduce energy consumption. A parallel vortex flow system could be formed inside a common liquid hopper. In this system, each flow vortex was constrained by other vortices. The oscillation amplitude of the vortex core in the system was smaller than that of a single vortex, so its stability was stronger. This self stability of the vortex flow system in the common liquid hopper also enhanced the stability of the swirling flow in each hydrocyclone, which helped to reduce pressure drop. Therefore, the common liquid hopper could reduce the pressure drop of parallel hydrocyclones while maintaining separation efficiency, providing guidance for the design and application of circumferential parallel hydrocyclones.

Keywords: parallel hydrocyclones；common liquid hopper；pressure drop；air core；self-stability

引用本文：刘秀林, 陈建义, 张宏斌, 等. 水力旋流器并联公共液斗对压降的影响研究. 过程工程学报, 2024, 24(6): 705-715. (Liu X L, Chen J Y, Zhang H B, et al. Study on effect of common liquid hopper of parallel hydrocyclones on pressure drop (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 705-715, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.224078.)

作者简介：刘秀林，博士研究生，动力工程及工程热物理专业，E-mail: 18810987535@163.com

作者简介：陈建义，教授，研究方向为多相流分离，E-mail: jychen@cup.edu.cn

基金信息：黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目(编号：135509209)

中图分类号： TQ051.8

文章编号：1009-606X(2024)06-0705-11

文献标识码： A

收稿日期：2024-03-04

修回日期：2024-04-29

出版日期：2024-06-28

网刊发布日期：2024-06-26

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MzM2MjgyOQ==&mid=2247531208&idx=1&sn=b850b5484e1f009b3acbdca5f5c61660

过程工程学报

《过程工程学报》(月刊)创刊于1976年，由中国科学院过程工程研究所主办、科学出版社出版。《过程工程学报》以过程工程科学为学科基础，重点刊登材料、化工、生物、能源、冶金、石油、食品、医药、资源及环境保护等领域中涉及过程工程的原创论文。

刘秀林, 陈建义, 张宏斌, 等丨水力旋流器并联公共液斗对压降的影响研究

1 前 言

2 实验与模拟

2.1 分离元件与并联方案

2.2 实验系统与方法

2.3 数值模拟

3 结果与讨论

3.1 实验结果分析

3.2 空气柱影响分析

3.3 湍动能耗散分析

3.4 切向速度分析

3.5 旋流稳定性分析

4 结 论