旋流分离及其强化技术

　　本书结合对旋流分离技术的最新认识、国内外旋流器结构的创新设计、旋流器研究方法、主要的强化提效手段等内容，全景式介绍旋流分离技术的相关知识。主要内容包括：旋流分离技术概述、水力旋流器结构形式及分离原理、旋流器结构创新设计、旋流分离性能评价指标及影响因素、旋流分离技术研究方法、三相旋流分离技术与装备、微旋流器分离效能增强技术、旋流分离过程的聚结强化、旋流分离过程的颗粒重置强化、旋流分离过程的气携强化、旋流分离过程的颗粒耦合强化、旋流分离过程的电场耦合强化、旋流分离过程的磁场耦合强化、旋流分离过程的动态强化、旋流分离系统工艺提效。本书可为石油化工行业、市政环保产业、冶金工程等领域提升分离功效提供借鉴，也可为相关专业领域的技术人员，以及高校和研究院所的师生开展分离领域相关技术研究与工艺设计提供参考，还可作为研究生或本科生专业教材。

　　赵立新，1972年6月生，黑龙江安达市人，中共党员，博士，博士生导师，“龙江学者”特聘教授，黑龙江省首批“头雁”团队骨干成员。现任机械科学与工程学院副院长、黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室主任，黑龙江省流体机械及工程领军人才梯队后备带头人，中国化工学会（CIESC）过滤与分离专业委员会委员，中国颗粒学会颗粒制备与处理专业委员会委员，中国机械工程学会（CMES）环境保护与绿色制造技术分会委员，美国石油工程师协会（SPE）会员、中国化工学会（CIESC）专业会员，石油化工设备、油气田地面工程期刊编委，国家自然科学基金、中国博士后科学基金项目及黑龙江省科技奖励等通讯评审专家，Energy、SeparationandPurificationTechnology、SPEOilandGasFacilities、化工学报等30余期刊论文审稿人。 科研方面，主要从事以旋流分离和离心分离为特色的多相介质分离技术、流体机械及工程技术研究。作为负责人承担了国家“863计划”课题（专题负责）、留学回国人员科研启动基金项目、中国博士后科学基金（特别资助）项目、黑龙江省高校新世纪优秀人才培养计划项目、中华人民共和国石油天然气行业标准制订项目等30余项；作为主要技术骨干承担国家自然科学基金（面上）项目、高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（博导类）、黑龙江省科技攻关（重大）项目、黑龙江省杰出青年科学基金项目、黑龙江省自然科学基金（重点）项目等40余项。 2017年获中国化工学会全国非均相分离专业组30周年杰出贡献奖。

第一章旋流分离技术概述1
第一节水力旋流器的发展简史1
第二节旋流分离的技术特点3
一、旋流分离的优点3
二、旋流分离的缺点4
第三节旋流分离器的基本类型5
一、按分离介质分类5
二、按结构特点分类5
三、按离散相介质浓度分类7
四、按旋流器尺寸分类7
五、按安装方式分类7
六、按分离场域特性分类8
第四节旋流分离技术的研究现状及发展方向9
参考文献11
第二章水力旋流器结构形式及分离原理12
第一节固液分离水力旋流器12
一、主要结构12
二、分离原理13
第二节液液分离水力旋流器14
一、主要结构14
二、分离原理15
第三节气液分离水力旋流器15
一、主要结构15
二、分离原理16
第四节气固分离水力旋流器16
一、主要结构17
二、分离原理17
第五节固体筛分旋流器18
一、主要结构18
二、分离原理19
参考文献19
第三章旋流器结构创新设计21
第一节固液分离旋流器21
一、经典单锥结构21
二、附加辅助结构21
三、内锥结构21
四、防堵结构设计24
五、防磨结构设计24
六、固液旋流过滤器26
第二节液液分离旋流器27
一、传统双锥结构27
二、单锥结构27
三、柱状旋流器28
四、轴向进液旋流器29
五、入口可调式旋流器31
六、一体化串联旋流器31
第三节气液分离旋流器32
一、柱状气液旋流器（GLCC）32
二、旋流板和螺旋式气液分离器35
三、导叶式气液旋流分离器36
四、柱锥气液旋流分离器37
五、内锥式气液旋流分离器38
参考文献38
第四章旋流分离性能评价指标及影响因素42
第一节旋流分离基本概念42
一、处理量42
二、分流比42
第二节旋流分离效率及性能评价43
一、质量效率44
二、简化效率44
三、综合效率45
四、级效率46
五、压力降46
六、压降比46
第三节旋流分离性能影响因素47
第四节旋流分离性能强化路径48
一、延长分散相在旋流场内停留时间48
二、增大分散相直径48
三、减小分散相旋流半径49
四、增大分散相旋流切向速度49
五、优化旋流分离工艺系统49
参考文献50
第五章旋流分离技术研究方法51
第一节数值模拟方法51
一、湍流模型51
二、多相流模型57
三、基于欧拉欧拉方法的流场特性分析60
四、基于欧拉拉格朗日方法的离散相运动特性分析63
第二节水力旋流器的参数优选及优化方法68
一、基于响应曲面法的井下水力旋流器优化案例69
二、数值模拟参数设置及边界条件69
三、CCD试验设计及回归方程构建70
四、回归方程的方差分析72
五、模型求解及精度验证73
六、优化结果及验证74
第三节提升模拟分析效能的快速优化方法75
一、结构优化方法概述75
二、DUOM方法概述及原理78
三、两种方法优化结果对比分析82
四、优化时间需求对比分析84
第四节分离性能实验方法84
一、气液旋流分离性能实验84
二、固液旋流分离性能实验87
三、液液旋流分离性能实验91
第五节流场测试方法94
一、基于LDV的速度场测试94
二、基于PIV的速度场测试96
三、基于HSV的运动行为分析102
参考文献107
第六章三相旋流分离技术与装备111
第一节三相旋流器发展概况111
第二节结构设计及研究进展112
一、串联两相水力旋流器单体112
二、构建轴向相邻的两级旋流腔114
三、构建径向嵌套的两级旋流腔115
四、构建双溢流口同侧布置的独立旋流腔117
五、构建双底流口同侧布置的独立旋流腔118
六、耦合旋流分离及多种分离技术120
七、三相水力旋流器特征对比121
第三节发展趋势及展望122
一、三相旋流分离性能提升的制约因素122
二、三相旋流器发展趋势及展望122
参考文献123
第七章微旋流器分离效能增强技术128
第一节微旋流器国内外研究进展及应用128
第二节微旋流器分离效果评价及增强案例分析130
一、分离效果评价指标130
二、分离效能增强案例分析133
第三节微旋流器流场特性及效能增强机理145
一、流场特性145
二、效能增强机理147
第四节微旋流器结构参数设计及制造技术159
一、基于经典常规旋流器的结构优化159
二、新结构设计170
三、制造与材料172
第五节介质物性参数和操作参数对微旋流器分离性能的影响173
一、介质物性参数173
二、操作参数175
参考文献177
第八章旋流分离过程的聚结强化184
第一节聚结方法与装备184
一、水力聚结184
二、材料聚结185
三、静电聚结186
四、化学法聚结187
第二节旋流聚结技术188
一、旋流聚结机理188
二、旋流聚结装置及工作原理190
三、旋流聚结装置的性能分析191
第三节聚结强化旋流分离技术199
一、旋流分离的聚结强化199
二、聚结强化旋流分离装置201
三、聚结强化旋流分离的性能验证201
参考文献210
第九章旋流分离过程的颗粒重置强化214
第一节分散相重排序强化旋流分离原理及分散相排序器214
一、常规旋流器分离过程214
二、理论模型214
三、分散相重排序强化旋流分离原理215
四、分散相排序器类型216
第二节分散相重排序强化旋流分离研究进展217
一、分散相重排序强化液液分离217
二、分散相重排序强化固液分离221
三、分散相重排序强化气固分离222
第三节分散相重排序技术路线及研究展望223
一、分散相重排序技术路线223
二、分散相重排序研究展望224
参考文献224
第十章旋流分离过程的气携强化226
第一节强化原理226
一、离心力226
二、浮力227
三、径向运动阻力——斯托克斯阻力227
四、径向运动方程227
第二节试验研究228
一、试验样机228
二、试验物料228
三、空气压缩机入口注气试验229
四、空气压缩机旋流体单孔注气试验230
五、旋流腔微孔注气231
六、Nikuni气液混合泵注气试验232
七、气携式液液水力旋流器现场试验研究232
参考文献234
第十一章旋流分离过程的颗粒耦合强化236
第一节颗粒耦合旋流油水分离强化机理236
第二节颗粒油滴耦合分析237
一、耦合场中油滴受力分析237
二、耦合场中油滴运动速度分析239
三、油滴颗粒碰撞聚合行为241
第三节耦合场油滴/颗粒运动分析242
一、DEMCFD耦合仿真242
二、耦合场与单一离心场数值模拟结果对比245
三、颗粒密度对油滴颗粒耦合作用的影响248
第四节颗粒耦合旋流油水分离试验249
一、试验方法及试验工艺249
二、试验结果分析250
参考文献251
第十二章旋流分离过程的电场耦合强化252
第一节电场耦合旋流脱水技术研究现状252
一、耦合装置结构252
二、操作参数254
三、数值模型254
第二节耦合场液滴聚结特性255
一、液滴在耦合场中聚结机理255
二、液滴在耦合场中受力分析256
三、液滴聚结特性实验研究257
第三节电场旋流场耦合数值模拟研究260
一、电场旋流场耦合结构与原理260
二、耦合结构电场分析261
三、电场与旋流场耦合仿真方法263
四、数值模拟结果分析264
第四节电场耦合旋流分离实验研究268
一、实验方法及工艺268
二、单因素实验结果及分析269
三、正交实验分析273
参考文献274
第十三章旋流分离过程的磁场耦合强化277
第一节磁场强化多相介质分离技术研究现状277
一、磁选机及涡电流分选器277
二、气固磁流化床278
三、磁旋流器279
第二节不同结构类型磁场耦合旋流器281
一、磁芯旋流器281
二、同向出流磁旋流器281
第三节磁场旋流场耦合理论282
一、油滴在耦合场中受力分析282
二、磁场与流场耦合仿真285
第四节同向出流磁旋流器分离性能研究288
一、磁场发生装置设计及试验对比288
二、数值模拟设置291
三、试验工艺及流程292
四、结果分析292
参考文献295
第十四章旋流分离过程的动态强化300
第一节动态旋流强化技术发展历程及特点300
一、动态旋流强化技术发展历程300
二、动态旋流强化技术特点300
第二节机筒旋转式旋流强化301
一、机筒旋转式动态旋流器301
二、旋流分离性能测试302
第三节复合式旋流强化305
一、复合式动态旋流器305
二、复合式动态旋流分离性能测试306
第四节液流驱动式旋转强化308
一、溢流管自旋式旋流器308
二、旋流腔自旋式旋流器309
参考文献310
第十五章旋流分离系统工艺提效312
第一节旋流器多级串联312
一、两级串联工艺方案312
二、三级串联循环系统315
第二节旋流器一体化串联316
一、采油井下一体化串联316
二、两级出入口融合串联318
第三节低剪切阀318
一、Typhonix旋流阀门319
二、Cyclonebased阀门319
三、涡旋阀门320
四、低剪切节流阀门321
五、轴向内芯阀门322
第四节低剪切泵322
一、低剪切泵结构类型322
二、低剪切泵应用效果对比322
第五节其他系统工艺提效方式323
一、降低弯管处的紊流效果324
二、增强取样装置对液流取样的代表性324
三、促进快速准确的操作参数调节324
参考文献324