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　　摘要：根据气—液—固三相分离的物理模型，结合数值模拟分析，进一步开展了三相分离旋流器结构优选设计。通过改变倒锥长度比、倒锥大径、出液孔结构形式及排气口结构角度等研究其对旋流器脱气除砂效果的影响。研究结果表明，倒锥长度比、倒锥大径、出液孔结构形式及排气口结构角度等的变化对脱气除砂效果均有一定的影响。

　　关键词：旋流器;三相分离;结构优化设计;CFD方法;数值模拟

　　油田采出液中不仅含有原油，还含有大量的伴生气、水、砂、盐类和悬浮颗粒等[1-3] 。这些成分的存在会影响原油输送，增加集输成本，对输油管线和设备造成损害，还会给炼油厂和化工厂的生产带来困难。对油田采出液进行脱气和除砂等净化处理具有重要的意义[4-6] 。根据气—液—固三相分离的物理模型，结合数值模拟分析[7-8] ，进一步开展了三相分离旋流器结构优选设计。通过改变倒锥 (内锥)长度比、倒锥大径、出液孔结构形式及排气口结构角度等研究其对旋流器脱气除砂效果的影响。

　　1 倒锥长度比

　　倒锥结构长度比的加大对于气相的分离有一定程度的影响，适当增加倒锥结构长度将有助于中心气核的向上举升，使气相从排气口溢出的路径缩短，从而提高分离效率，如图 1 (b) 所示;但并非倒锥结构越长越好，如果倒锥结构过长，将会影响分离器的主分离区分离效果，导致气相的分离效率下降，如图1(c)所示。

　　图2所示为不同倒锥结构长度比情况下轴向截面上的固相体积分数分布云图。从图 2 中可以看出，虽然通过对倒锥结构长度比的优选，已经改善了气相的分离效果，但出液孔附近固相聚集较多的问题仍然没有得到有效解决。

　　2 倒锥大径

　　图3为不同倒锥大径时的轴向截面气相体积分数分布云图。

　　从图3中可以看出，随着大径的增加，锥体对气体的举升作用逐渐加大。当大径较小时，由于其对气体的举升作用不够，使得部分分离出来的气体从出水孔排出;当倒锥大径过大时，又会影响气相的分布及其从排气口的排出。所以，倒锥体结构的大径要选取适中。

　　3 出液孔结构形式

　　本方案中，在保证总的过流面积一定的前提下，通过改变出水孔布置方式，来考察出水孔布置方式对分离器内部流场的影响，进而确定最佳的布置方式，具体的布置方式如图4所示。

　　图5为三种不同布置方式下的轴向截面气相体积分数分布云图，从图5中可以看出，随着出液孔布置方式越来越均匀，相分离的效率略有提高;但是如果出液孔的个数过多，单个孔面积过小的话，就会增加过流损失，影响后续工艺的正常进行，所以出液孔的个数也不易过多。

　　4 排气口结构

　　图6所示为对三种角度的排气口结构进行模拟得到的气相体积分数分布情况。从图 6 中可以看出，当排气口角度为0和7°时，在溢流口周围的旋流 腔中气相体积分数很高，气体的贮存量甚至高于溢流管;角度为 14°时，气相绝大部分都集中于分离器轴心靠近溢流口处，排气情况最好。

　　5 结论

　　(1)倒锥结构占据了中心处气体的位置，可以减少分离后气体由底流排出的量，而且向下流动的气体与锥面接触后会反向向排气口流动，达到了举升气体的目的;但随着倒锥结构长度比的加大，也增加了分离出的气体由排气口排出的距离，影响气液分离效果。

　　(2)随着倒锥大径的增加，锥体对气体的举升作用逐渐加大。当大径较小时，由于其对气体的举升作用不够，使得部分分离出来的气体从出水孔排出;但当倒锥大径过大时，又会影响气相的分布及其从排气口的排出。因此，倒锥体结构的大径要选取适中。

　　(3)随着出液孔布置方式越来越均匀，相分离的效率略有提高;但是如果出液孔的个数过多，单个孔面积过小的话，就会增加过流损失，影响后续工艺，因此出液孔的个数也不易过多。

　　(4)排气口结构角度加大时，有利于分离后气体的排出，改善旋流器脱气效果。——论文作者：陈德海1 罗雅君2 焦臣玉3 梁文义3 赵立新1

　　参考文献

　　[1] 刘书孟.油田三次采油污水处理技术及回注问题研究[D].上海：上海交通大学，2007.

　　[2] 薛爽.石油污染沉积物特征及其对水源水质的影响[D].西安：西安建筑科技大学，2003.

　　[3] 薛涛.含油污泥无害化处理与资源回用技术研究[D].西安：长安大学，2003.

　　[4] 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.

　　[5] 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.

　　[6] Liu S，Zhao X, Dong X，et al. Experimental Research on Treatment of Produced Water from a Polymer-Flooding Process Using a Doublecone Air- Sparged Hydrocyclone [J].SPE Projects，Facilities and Construction，2007，2(3)：1-4.

　　[7] 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，2010，37(6)： 744-749.

　　[8] 张玉洁.气—液—固三相一体化旋流分离机理及实验研究[D].大庆：东北石油大学，2012.