旋流分离器是一种高效离心分离设备，被广泛应用于石油化工、煤炭发电、工业除尘及环境保护等方面[1～3]。相比油田常用的沉降分离，具有体积小、处理时间短及分离效率高等优点[4～6]。在旋流器的研究和开发推广中，如何提高旋流器分离效率、降低能耗一直备受关注，对于固定结构的旋流器来说，减少底流分流比，有助于底流排出液的净化，但却会造成底流口排出液总量减少，综合效率降低，因此，为了使特定结构旋流器稳定高效的工作，选择一个合适的分流比至关重要。

笔者基于油田的实际情况，利用流体动力学软件Fluent，开展了分流比对旋流器速度特性、压力特性和固液两相分离性能的研究，了解分流比变化对旋流器内部流场、压力特性和分离特性的影响程度，并设计了旋流器试验样机，开展室内固液两相分离试验，模拟数据与试验数据吻合度较高，直接验证了模拟结果的准确性。同时在其内部增设小锥促进了旋流器进行二次分离，提高了旋流器整体分离效率。

1 计算模型

1.1 设计思路

常规旋流器(图1a)分离部分主要集中在旋流腔和圆锥段上半部分，圆锥段下半部分几乎不起任何分离作用，仅为底流出液的一个通道而已[7]，为了提高旋流器整体分离效率，在图1a的基础上增设类似V形内嵌小锥(图1b)，同时考虑当混合介质到达外锥段下半部分时一部分重质颗粒已经运移到旋流器边壁，没有必要进入内嵌小锥进行二次分离，因此在内嵌小锥上部设置排砂孔，使重质颗粒通过排砂孔进入锥间环空区间(图1c，把旋流器壁面和内嵌小锥的空间定义为锥间环空)，为防止重质颗粒在锥间环空内做螺旋运动，在锥间环空内焊接筋板，使螺旋运动变为竖直运动以减缓重质颗粒对旋流器壁面的磨损(图1d)。

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由图1可知，该内嵌小锥式固液旋流器的设计是以单锥旋流器为原型的，将外锥段设计成上下两部分，在外锥段的下半部分增设带有排砂孔的内嵌小锥，可以促进混合介质二次分离还能减缓旋流器外壁面的磨损；同时将内嵌小锥设计为可替换形式，定期将螺母拧开，检查内嵌小锥的磨蚀情况，当内嵌小锥磨损严重时，取出并更换新的内嵌小锥。另外，为防止进入锥间环空区间内的重质相在螺旋运动过程中对壁面产生磨损，同时也为了固定内嵌小锥，在内嵌小锥外壁焊有筋板，阻断了进入该区域的颗粒和流体的螺旋运动，减缓旋流器壁面磨损，延长旋流器使用寿命。

1.1 静脉输液风险环节及内容的初步拟定 在静脉输液风险相关文献研究基础上形成静脉输液风险环节及内容初步框架，经课题组及医院静脉输液专委会核心组成员综合分析、4次会议讨论形成。初稿有7项风险环节，作为1级指标，即查对、评估、穿刺技术、通路维护、输液观察及记录、无菌原则和职业防护;7项风险环节包含22项风险内容，作为2级指标;22项风险内容又细分为59个具体项目，作为3级指标。

  

图1 内嵌小锥结构固液分离旋流器设计思路1——溢流管； 2——入口； 3——圆柱段； 4——外锥段上部； 5——排砂孔； 6——内嵌小锥； 7——外锥段法兰； 8——内嵌小锥法兰； 9——螺栓； 10——锥间环空；11——外锥段下部； 12——底流口

1.2 模拟参数设置

从固相分离角度出发，研究中将质量效率E定义为底流中所含固相的质量Md与旋流器入口砂相总质量Mi的比，即：

入口采用速度入口(Velocity-Inlet)边界条件，设置固相颗粒的体积含量分别为8%；溢流口和底流口分别设置自由出流(Outflow)作为出口边界条件，壁面边界条件壁面不可渗漏、无滑移条件。

2 计算结果分析

2.1 内嵌小锥结构固液分离旋流器粒子轨迹图

通过粒子的运行轨迹可以更清晰地观察内嵌小锥式固液旋流器的分离过程，选取一个粒子的运动轨迹进行对比分析。图2为粒子运行轨迹图，其中图2a为粒子竖直下落运行轨迹图，当粒子运动到内嵌小锥位置时，通过排砂孔进入锥间环空，由于该空间被筋板阻隔，进入该空间的粒子无法继续做螺旋运动，而是竖直向下运动，运动速度降低，从而减轻了对旋流器壁面的磨蚀；图2b为二次分离向下运行粒子轨迹图，图2c为内嵌固液旋流器二次分离向上运行粒子轨迹图，由于内嵌小锥的设计，使部分混合介质做螺旋运动，重质颗粒从内嵌小锥下半部分排出，轻质颗粒向上做内螺旋运动，由溢流口排出，实现了二次分离，促进整体分离效率。

  

图2 旋流器粒子轨迹图

2.2 分流比优选

分流比F是一个重要的操作参数[8]，从固液分离净化角度考虑，减少底流分流比有助于底流排出液的净化，但会造成底流口排出液总量减少，综合效率降低，因此优选分流比十分重要，大多数的分离过程是既希望某种介质分离后十分纯净又要保证排出液的量不至于过少。在其他操作参数不变的情况下，针对分流比进行模拟优选，F分别为15%、20%、25%、30%、35%。

2.2.1 速度场影响分析

旋流器由于自身结构的特殊性，可使流体在它内部进行螺旋运动，以分离密度不同的混合流体，因此通过研究切向速度、轴向速度和径向速度以了解旋流器中流体的流动状态是很有必要的。在其他操作参数不变的情况下，通过分流比的改变研究同一截面S上的切向速度Vt、轴向速度Va和径向速度Vr，其中选取的截面S位于距旋流腔顶部100mm的位置。

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图3 旋流器S截面不同分流比下的3种速度

2.2.2 压力损失的影响分析

图3为旋流器S截面不同分流比下的3种速度，可以看出：切向速度、轴向速度和径向速度不完全呈中心对称分布，这与所选择的旋流器为单入口旋流器有关，而当旋流器分流比在[15%，35%]范围内变化时，切向速度和径向速度变化较小，轴向速度变化最大，通过观察轴向速度可以发现，液流的轴向速度在靠近旋流器边壁处朝向底流口方向，在中心位置附近液流朝向溢流口方向，这也说明了旋流器内部有一个组合涡结构，分别由内部存在螺旋向下运动的准自由涡和螺旋向上运动的中心涡流组合构成，也正是由于存在组合涡，才使得旋流器内互不相溶的两相利用密度差实现离心分离。总体来看，当底流分流比为15%时，3种速度值最大，当分流比为35%时，3种速度值最小。

在旋流器分离过程中，必然存在压力损失[8]。这很容易产生一个理解上的误区，认为旋流器压力损失越大，分离效果越好，而事实上，旋流器消耗的全部压力损失并非必要损失，压力损失过大反而不利于旋流器的推广应用[9]。因此需要研究同一操作参数下，底流分流比变化对旋流器压力的影响，以降低不必要的压力损失。

图4为不同分流比下旋流器壁面压力损失分布云图，可以看出：入口处压力损失较小，压力损失主要集中在旋流器的溢流口和底流口部位。比较5组不同底流分流比的压力损失分布云图可知，随着底流分流比的增加，溢流口压力损失逐渐减小，外锥段上部分压力损失基本不随分流比改变而改变，而底流口压力损失却在逐渐增加。

2.2.3 分离效率分析

  

图4 不同分流比下压力损失分布云图

同一流量下不同分流比对压降比的影响。

当流量不变时，压降比与底流分流比为线性拟合曲线，其拟合关系式为：

pr=0.0082F+0.4784

(1)

简化效率Ej为：

  

图5 同一流量下不同分流比对压降比的影响

压降比pr是旋流器压力特性的一个重要参数，为旋流器底流压力降与溢流压力降之比，它是压力降与压力联系的一个重要参数。确定合理的压降比对旋流器分离性能有重要的意义，而压降比的大小受旋流器分流比的影响较大[8]。图5为

This work was supported by a Hong Kong RGC-GRF Grant (Grant No. HKU 705812P), and National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374247, 11204231, 21373156).

其中，K仅为与入口含固相体积浓度Ci有关的常数，

在林业的发展过程当中，要想实现林业的可持续发展，则需要不断优化林业的经济结构，对其进行合理分配，具体表现在以下方面。其一，加强对短期林木的培育管理，实施速生林建设，以最短的时间内实现林业的经济价值，为林业经济效益的提升发挥其重要的作用。其二，基于科技发展的背景下，加大新品种的研发，实现资源的合理优化配置，淘汰低效率的产品，实现资源重组。其三，延伸林业产业链。根据当前森林资源面临的形式，建立以森林为依托的旅游发展产业，增加林业产品的附加值。合理调整林业产品不合理的结构，增加对其科技投入，提高林业产品的科技含量，实现林业经济效益的最大化。

内嵌小锥式固液旋流器主要用于固液两相分离，笔者采用Fluent 16.0软件进行数值模拟，模拟介质为水和砂，选用压力基准算法隐式求解器稳态求解，湍流计算模型选择(RSM)模型；考虑固液两相间的耦合作用，模拟计算模型采用Mixture模型，主相为水相，次相为砂相。压力-速度耦合采用Simple算法，离散格式选择Standard，壁面边界条件采用不可渗漏，无滑移条件。主相水的密度ρ1=998kg/m3，动力粘度μ1=1.003mPa·s；设置砂相为颗粒相(Granular)，密度ρ2=2000kg/m3，动力粘度μ2=0.172μPa·s，砂相粒径为0.1mm。

系统效应不同于个体效应。个体效应是指每一个具体标准都有其特定的功能，在标准实施中产生特定的效应。系统效应则是指由若干个具有内在联系的标准个体组成的标准系统具有的特定功能，在实施中产生的特定效应。但这种效应绝不是互不相干的个体效应的简单相加，而是从要素量的集合达到整体质的飞跃中产生的，是相关标准之间相互作用产生的相干效应，比各个标准效应的简单总和大得多。[2]

 

(2)

拟合度R2为0.999，说明当其他参数不变时，旋流器压降比随底流分流比的增加而增大。当底流分流比降低时，压降比下降，从而导致底流出口压力减少，不利于旋流器底流口固相的排出。

 

(3)

综合效率Ez为：

Ez=K(1-F)Ej

(4)

旋流器作为一种分离设备，分离性能是评价旋流器性能优劣的根本。总分离效率是从底流固相浓度增加时溢流液相浓度更加纯净这个角度来评价的，它包含3个主要的效率概念：质量效率E、简化效率Ej和综合效率Ez。其中质量效率和简化效率是从净化角度出发，而综合效率由简化效率、底流分流比和入口含固相浓度三者决定。

利用上述公式，得出旋流器3个主要效率随分流比的变化曲线(图6)，当分流比增大后，质量效率和简化效率逐渐增大，两条曲线变化趋势相似，数值也比较接近，相对来说综合效率随着分流比的增大呈现先增大后减小趋势，原因有两点，一是当底流分流比较大时，底流流量过高，导致旋流器内部流速增加，内部流场紊乱，部分底流口颗粒又随流场卷入旋流器中，使效率降低；二是随着分流比增加，流速也增大，离心力对颗粒物的作用增加，使大颗粒破碎成小颗粒，从而降低了分离效率。因此，在实际应用中，不能一味追求底流口含固相浓度的增加，也应该考虑综合效率的大小，即在底流口固相浓度足够大的指标前提下，应尽量降低旋流器分流比。

此外，目前大部分研究仅基于临床疗效对阿司匹林的获益进行评价，而缺乏对于经济性的考量。基于此，本研究结合临床疗效，从经济性的角度对阿司匹林是否适用于我国全人群CVD一级预防进行药物经济学评价，以期为相关临床实践提供参考。

本文中的锆石U-Pb年龄数据是在国家科技平台——北京离子探针中心(中国地质科学院地质研究所)的SHRIMP II仪器上获得的，详细分析流程和原理参见文献[7-10]。应用标准锆石TEM(年龄为417Ma)对元素间的分馏进行校正。应用另一标准锆石SL13年龄为572Ma、w(U)为238×10-6标定所测锆石的U、Th、Pb含量，普通铅根据实测208Pb校正。数据处理采用ISOPLOT程序[11]。单个数据点的误差均为1σ，所采用的206Pb/238U加权平均年龄具有95%的置信度。

  

图6 旋流器分离效率随分流比变化曲线

3 试验验证

图7为试验过程中旋流器连接的工艺流程。带有搅拌器的储罐中含有砂和水混合介质，通过搅拌器搅拌均匀，由泵通过旋流器入口进入内嵌小锥式固液旋流器内部，打开溢流排液阀、底流排液阀和泵前控制阀，开启流量计，在流量有效范围内进行性能试验。待参数稳定后，进行取样分析。在该过程中旋流器固相分离效率为底流口中流出的固相质量流率占入口总固相质量流率的百分比，试验过程中重点对入口和底流出口进行接样，通过对样液进行萃取、过滤、烘干及质量称量等方法进行固相含量的测定，并分别计算出入口和底流口的固相流率。

  

图7 试验过程中旋流器连接的工艺流程 1、6、14——流量计； 2、8、13——取样阀；3、5、15——压力计； 4——旋流分离器； 7——溢流循环阀； 9——溢流排液阀； 10——底流排液阀； 11——废液池； 12——底流循环阀； 16——变频器； 17——入口控制阀； 18——离心泵； 19——泵前控制阀； 20——搅拌箱

内嵌小锥式固液旋流器分离效率随分流比的变化如图8所示，可以看出随分流比的增加分离效率逐渐增加，这是由于固相底流口分流比增加，从该口流出的流体流量增加，旋流器内的流速越大，为流体提供更大的切向速度，从而使更多的固相从底流口排出，更利于分离且底流口固相质量分离效率模拟值与试验值相近，平均相对误差在3%以内，间接验证了模拟结果的可靠性。

  

图8 底流口分流比对效率的影响

4 结束语

内嵌小锥式固液旋流器通过自身结构改进，在外锥段下半部分增设内嵌小锥，改变了旋流器内部流场性能，促进了混合流体在外锥段下半部进行二次分离，提高了总分离效率。笔者借助内嵌小锥式固液旋流器研究了分流比与速度场、压力场和分离效率之间的关系，发现分流比主要改变的是轴向速度，对切向速度和径向速度的影响较小，当分流比增大时，轴向速度也随着增加；且随着分流比增大，溢流口压力损失逐渐减小，底流口压力损失逐渐增大，旋流器压降比随之增大；同时发现质量效率和简化效率变化趋势相似，都呈现增长趋势，而综合效率却随着分流比增加呈先增大后减小的变化规律。

参 考 文 献

[1] 赵立新，蒋明虎，孙德智.旋流分离技术研究进展[J].化工进展，2005，24(10)：1118～1123.

[2] 蒋明虎.旋流分离技术研究及其应用[J].大庆石油学院学报，2010，34(5)：101～109.

[3] 赵立新，宋民航，蒋明虎，等.轴流式旋流分离器研究进展[J].化工机械，2014，41(1)：20～25.

[4] 袁惠新，李双双，付双成，等.三相分离旋流器内流场及分离性能的研究[J].流体机械，2015，43(1)：28～32.

[5] 郑小涛，龚程，徐红波，等.油-水-气三相旋流器分离验证及气-液腔结构优化[J].武汉工程大学学报，2014，36(10)：37～41.

[6] 陈德海，罗雅君，焦臣玉，等.基于CFD的气液固三相分离旋流器结构优选[J].油气田地面工程，2013，32(10)：61～62.

[7] 赵立新，蒋明虎，孙德智.水力旋流器流场分析与测试[J].化工机械，2005，32(3)：139～142.

[8] 徐保蕊，蒋明虎，刘书孟，等.分流比对旋流器油水分离性能影响的模拟研究[J].化工机械，2015，42(3)：399～403.

[9] 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.