电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展周龙大1,2,赵立新1,2,徐保蕊1,2,张爽1,2,刘琳1,2(1 东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆 163318;2 黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室,黑龙江 大庆 163318)摘要:概述了国内外基于电场-旋流耦合场来强化非均多相分离的研究进展,并对相应强化分离方法进行分析与归纳。根据不同介质类别分别介绍了电场-旋流耦合强化液-液分离、气-固分离、气-液分离、固-液分离等多相介质分离技术、设备及工作
2、原理,例如:动态/静态静电旋流脱水装置、静电旋风除尘器/摩擦旋风分离器、静电旋风除雾器及电动旋液分离器。总结了电场类型与分布、耦合场与液滴、颗粒作用、耦合场数值模拟方法等,为研究电场-旋流耦合强化分离多相介质提供依据。针对特殊多相介质(如黏度大、密度差小及弱/无电导率等)分离性能较差的问题,本文提出应综合考虑耦合设备的结构尺寸、操作参数及安装条件,在提高分离效率的基础上,应加强电场-旋流耦合装置运行安全性的研究以扩大耦合强化多相介质分离的适用范围。关键词:电场-旋流耦合场;强化分离;多相介质;旋流装置;数值模拟;优化设计中图分类号:TE868 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(20
3、23)07-3443-14Advances in electrostatic-cyclonic coupling enhanced multiphase media separation researchZHOU Longda1,2,ZHAO Lixin1,2,XU Baorui1,2,ZHANG Shuang1,2,LIU Lin1,2(1 School of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2 Heilongjiang Key
4、 Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Treatment and Pollution Prevention,Daqing 163318,Heilongjiang,China)Abstract:The research progress of strengthening non-homogeneous multiphase separation based on electrostatic-cyclonic coupling field at home and abroad was outlined,and the corre
5、sponding strengthening separation methods were analyzed and summarized.The multi-phase media separation technologies,equipment and working principles such as electrostatic-cyclone coupling enhanced liquid-liquid separation,gas-solid separation,gas-liquid separation and solid-liquid separation were i
6、ntroduced according to different media categories,for example:dynamic/static electrostatic cyclone dewatering device,electrostatic cyclone dust collector/friction cyclone separators,electrostatic cyclone mist eliminator and electric cyclone liquid separators.The electric field type and distribution,
7、coupling field with droplet and particle action,as well as numerical simulation method of coupling field were summarized to provide a basis for the study of electrostatic-cyclone coupling to strengthen the separation 综述与专论DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1653收稿日期:2022-09-07;修改稿日期:2022-12-08。基金项目:黑
8、龙江省自然科学基金(重点)项目(ZD2020E001);东北石油大学“龙江学者”配套科研经费资助项目(lj201803)。第一作者:周龙大(1996),男,硕士研究生,研究方向为石油与化工机械。E-mail:ld_。通信作者:赵立新,教授,博士生导师,研究方向为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。E-mail:lx_。引用本文:周龙大,赵立新,徐保蕊,等.电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展J.化工进展,2023,42(7):3443-3456.Citation:ZHOU Longda,ZHAO Lixin,XU Baorui,et al.Advances in
9、 electrostatic-cyclonic coupling enhanced multiphase media separation researchJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3443-化工进展,2023,42(7)of multiphase media.In view of the poor separation performance of special multiphase media(such as large viscosity,small density difference and we
10、ak/no conductivity,etc.),this paper proposed that the structural dimensions,operating parameters and installation conditions of the coupling equipment should be considered comprehensively,and on the basis of improving the separation efficiency,the research on the operational safety of the electric f
11、ield-cyclone coupling device should be strengthened to expand the applicable scope for coupling to strengthen the multiphase media separation.Keywords:electrostatic-cyclonic coupling field;reinforced separation;multiphase media;cyclone device;numerical simulation;optimized design电场-旋流耦合强化非均多相介质分离是指外
12、加电场将分散相极化而使其受附加静电力,并在静电力和离心力作用下分散相粒径增大或运动状态改变而直接增强相分离、提高分离效率的技术。电场通过旋流装置部分结构(电极)产生并施加到旋流场中不需要额外电场发生装置,因其具有体积小、效率高、无二次污染等优点而广泛应用于石油化工1-3、环境工程4-6、食品行业7-8、颗粒分级9-10等多个领域。而根据电场-旋流耦合场应用领域不同又能概述为强化液-液分离(主要为油水乳状液)2、气-固分离(主要为亚微米颗粒与空气)5、气-液分离(主要为微雾滴与空气)6、固-液分离(主要为微颗粒与弱电导率液体)9等,与之对应典型分离设备为动态/静态静电旋流脱水装置、静电旋风除尘器
13、/摩擦旋风分离器、静电旋风除雾器及电动旋液分离器如图1所示。目前,电场-旋流耦合强化分离多相介质的研究方法主要包括数值模拟研究和实验研究,如图2所示:双场耦合强化固-液、固-固分离的数值模拟内容相对较少,应加强数值模拟条件及方法的研究,以更好地指导并优化实验研究。此外,针对多相介质分离效果不理想的情形(如黏度大、密度差小等),需要耦合其他物理场(如温度场11、重力场12等)提升分离效率,但整体结构变得复杂、成本增加、工作稳定性变差。为了优化电场-旋流耦合装置以提高气、液、固等多相介质分离性能,本文通过调研国内外关于电场-旋流耦合强化分离技术的研究,总结耦合强化多相介质分离方法,为电场-旋流耦合
14、强化多相介质分离的数值模拟和实验研究提供借鉴。1 电场-旋流耦合强化液-液分离液-液混合现象广泛存在于化工冶金2、润滑油净化3、采油13、废油回收14等行业,且易形成稳定性强、难分离的油水乳状液。为了保护自然环境和节约石油资源需对乳状液进行油水分离(破乳),与其他处理方法(过滤、吸附、加热、萃取、加破乳剂等)相比,电破乳通常能耗相对较低3,14且结合运行可靠、高效节能的旋流装置能获得较好的破乳脱水性能。电场-旋流耦合强化液-液分离是指利用外加电场促使液滴极化并在静电力作用下图1电场-旋流耦合强化多相介质分离类别图2电场-旋流耦合强化多相介质分离方法 34442023年7月周龙大等:电场-旋流耦
15、合强化多相介质分离研究进展聚结,且聚结后依靠离心惯性力分离具有一定密度差的两相,与之对应的典型分离设备主要是动态静电旋流脱水装置和静态静电旋流脱水装置。1.1 动态静电旋流脱水装置静电旋流脱水装置是一种依靠离心力与静电力实现液-液分离的设备,其分离原理是通过改变装置部分结构嵌入电极(产生电场促进液滴聚结),并大幅增加旋转运动速度和离心力差而强化两相分离。含有外部动力部件的动态静电旋流装置应用较早,如英国布拉德福德大学Bailes教授15在1985年完成静电聚结器的结构设计,并于1992年提出了旋转静电聚结器见图 3(a),其脱水效率能达到98%而重力沉降在24h后仅为94.6%,工作原理为:有
16、机溶液从筒1入口流入聚结器并在动力部件作用下转变为高速旋转流;分散相液滴在电场-旋流耦合场中加速聚结并螺旋向上从筒2出口流出,而连续相则从筒3出口流出19。Eow等20和毛宗强等16则对旋转静电聚结器进行优化并得到紧凑型离心电凝聚分离器见图3(b),其能处理更大流量的乳状液且便于安装在水处理管道上。Lesaint等17基于科研需求再次简化离心电凝聚分离器见图3(c),结果表明增加电场持续时间或场强都能显著改善脱水性能21。为了更好地适应实际生产需求,王永伟等18对动力部件进行改进并开发了新型旋转电聚结器见图3(d),结合脉冲电场破乳和离心沉降分离的优点短时间内就能完成破乳分离过程。1.2 静态
17、静电旋流脱水装置由于动力部件在脏污、空间狭小、拆装不便等场合中运行可靠性显著降低,使得动态静电旋流装置无法满足工业化发展需求22。如Nok等23基于同心圆柱电极得到单锥耦合旋流器见图4(a),相比新型旋转电聚结器其结构大为简化且便于安装;Kwon等24则依据旋转静电聚结器设计了静止式耦合装置见图4(b),其锥形结构为阳极、同心圆柱铜棒和外侧筒壁接地而形成两个高压电场区域能产生二次强化分离。而胡康等25借鉴单锥耦合旋流器的优良特性提出处理含水率高于30%乳状液的紧凑 形 柱 状 耦 合 旋 流 器 见 图 4(c),且 场 强 为356.44kV/m时分离效率达75%是单电场的2.75倍。为了进
18、一步提高破乳脱水效率,邱值等26研究发现变径结构对破乳性能有重要影响并设计了复合曲锥型耦合装置,相比于直面双锥型、双球面相切型和双椭圆相切型耦合装置其能耗更低且脱水率可达97%;Gong等27-28则优化复合曲锥型耦合装置的锥段结构并得到双锥耦合旋流器(溢流管为阳极、旋流腔为阴极)见图4(d),并针对耦合场中液滴复杂的运动碰撞行为利用群体平衡模型构建液滴聚结破碎过程27,且发现液滴在耦合场中会发生共振、共振频率与电场频率相关29-30。分散相在电场-旋流耦合场中的停留时间和速度幅值是强化分离的关键因素之一13,对于双锥耦合旋流器当入口流速为10m/s才具有较高分离效率但能耗很高26-28。为此
19、,高波31发现伸长双锥耦合旋流器的电极锥段和底流管内插入第二根电极见图4(e)能显著增加停留时间而改善破乳性能并提高脱水效率,但越靠近底流口阴、阳极(中心圆柱体为阳极,锥段为阴极)间距越小,且一旦电压或局部含水量过高容易引发电分散(形成细小微液滴造成二次乳化)则不利于油水分离32-33。基于此,本文作者依据Sulev34提出的螺旋电极装置见图5(a),图3动态静电旋流脱水装置结构示意图15-18 化工进展,2023,42(7)处理油水混合物设计了一种导流式耦合旋流器流体域模型见图5(b):螺旋流道结构(电极)既能加速流体而补充流场能量损失、极大增加液滴停留时间,又因极板间距较小能施加较低的工作
20、电压而降低整体能耗;数值模拟初步表明导流式耦合旋流器具有优异的分离性能但螺旋通道电极制造困难及电场干涉会影响脱水效率而需进一步优化研究。除了研究耦合装置的分离特性,蒲亚东等35-36还利用加电三维螺旋微通道装置耦合微旋流与电场处理油包水(water in oil,W/O)乳状液,研究了结构参数、电场强度、流速等对脱水性能的影响,如增加微通道的片数和角度、降低流速、增加电压幅值(增加乳液在静电力和微通道作用力共同作用下的停留时间)来大幅提升破乳率,并发现电场与微通道的双重耦合作用能强化乳液的破乳过程。综合分析学者们对电场-旋流耦合强化液-液分离的研究内容,可知:在耦合场中,当静电力和离心力的方向
21、一致时(水平面上由圆心指向外壁面,主要受电场频率及占空比的影响)乳液的分离性能最好(分散相受力最大、聚结性能更好)19;相比于他人,Gong等27设计的电场-旋流耦合分离装置综合性能最好且在实际工况中应用良好,而高波31和本文作者所设计的耦合装置(优化后)也具有很高的分离效率,但需通过相关实验进行检验;入口流速是双场耦合强化分离最重要的因素之一,如离心分离性能主要受运动速度的影响,而速度又极大影响液滴在电场中的停留时间(速度越大,离心力越大,旋流分离效果越好;但停留时间越短,电场对液滴的极化作用越弱)21;需要利用电压幅值(场强,也是影响分离性能的重要因素)适应液体流速以达到较高的分离效率(流
22、速较小时,选用较低的工作电压、减少能耗;流速较大时,选用较高的工作电压、增强液滴的极化作用)32,35;电场-旋流耦合场主要应用在处理W/O乳状液,且与单旋流场或单电场相比耦合场能大幅提高乳液破乳脱水性能25。1.3 电参数、操作及结构参数优化为了更好地发展和应用静电旋流装置,近年来国内外学者着重研究了结构、操作等参数对静态静电旋流脱水装置分离性能的影响。根据研究方向不同可分为电参数(电场类型、布置形式、电极结构与材料等)、操作参数(电压、频率、流量、含水率等)及结构参数(响应面法、单因素法等)优化图5新型耦合脱水装置34图4静态静电旋流脱水装置结构示意图23-25,27,31 3446202
23、3年7月周龙大等:电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展设计。如Lesaint17、Zhang37和Li38等研究发现电场波形、交流电场(alternating current electric field,ACE)强度、频率等会显著影响W/O乳液的脱水性能。其中:Lesaint等重点优化了电场波形发现方波好于正弦波和三角形波;Zhang等侧重寻找ACE最佳脱水频率认为分散相尺寸分布较大时具有较小的最佳频率;Li等则研究电压和频率对油水分离的影响并发现脱水效率随频率及电压的增加而增大,且电压为4.5kV、频率为2kHz时具有最佳脱水性能。而 Gadhave39和 Li40 等基于直流电场(di
24、rect current electric field,DCE)研究电压幅值对油水分离性能的影响,其中Gadhave等侧重于研究超低硫柴油中含水量的变化对脱水效率的影响,而Li等重点研究单个水滴在DCE中聚结与破碎,且两者的结论都是随电压幅值增加水滴运动聚结能力显著增强。尽管ACE、DCE在电脱水中应用较早、技术成熟,但同等条件下脉冲电场(pulsed electric field,PEF)破乳所消耗能量是ACE和DCE的1/29及 1/18 且不易发生电分散32,因而应用 PEF 强化液-液分离具有更大优势。如Peng等41-43综述了聚结形式、操作参数(电压、频率、流量等)及介质参数(黏度
25、、介电常数、表面张力等)对液滴在PEF中运动聚结的影响,认为乳液中主要存在偶极聚结和振荡聚结,并提出一种混沌脉冲群电场且该电场能促进液滴流动及产生非线性共振而提高破乳效率30;而叶学民等44则基于实验和模拟分析了液-液交界面张力变化对微液滴动力学行为的影响,发现应用高频PEF具有能耗低、效率高等显著优势。此外电场布置形式(产生均匀、非均匀电场)也能显著影响电聚结性能16,一定范围内非均匀系数越大破乳脱水速度越快33,而非/均匀性具体体现在电极形态上。最常见的电极结构有平行板型(均 匀 电 场)40,45-46和 同 轴 圆 柱 型(非 均 匀 电场)18,27,31,47,其他电极类型见表1。
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- 电场 耦合 强化 多相 介质 分离 研究进展
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