（化工过程机械专业论文）轴流式气液分离器试验研究.pdf

摘要 轴流式气液旋流分离器是一种新型的离心式气液分离装置，具有结构简单、价格低 廉、重量轻、高效、低成本等特点。本文在对轴流式气液旋流分离器最新研究进展进行 细致调研的基础上，在实验室内以水一空气为实验介质进行了模拟试验，其核心是改变 各参数进行气液分离试验，考察结构参数、操作参数对分离效率和压降的影响。根据实 验数据的处理结果，优化出最合理的溢流管结构形式。 关键词：轴流式旋流器，气液分离，分离性能，试验研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ee f f e c t o fv a n e g u i d e dc y c l o n ef o rg a s l i q u i ds e p a r a t i o n l i uw e i ( c h e m i c a lm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f j i ny o u h a ia n da s s o c i a t ep r o f w a n gz h e n b o a b s t r a c t t h ev a n e g u i d e dc y c l o n ef o rg a s l i q u i ds e p a r a t i o ni st h ed e v i c e 、析mm o s ta d v a n c e d s y s t e m i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h es i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，l i g h tw e i g h t ，h i g h e f f i c i e n c y , l o w - c o s tf e a t u r e s t h i sp a p e rb a s e do nt h ec a r e f u li n v e s t i g a t i o no nt h en e w e s t r e s e a r c hp r o g r e s so ft h ev a n e g u i d e dt y p eo fg a s l i q u i ds e p a r a t i o ns y s t e m ，a n ds t i m u l a n t e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti nt h el a b o r a t o r y , u s i n gw a t e r - a i ra saf l u i d a n dt h ec o r eo fw h i c h i st oc h a n g et h ep a r a m e t e r ，t od e t e r m i n et h ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r a n do p e r a t i o np a r a m e t e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e s u l t so ft h ed a t e sf r o mt h ee x p e r i m e n t ，i t d e v e l o p e dam o d e lt oc a l c u l a t et h el o s so fp r e s s u r ew i t ht h er a t eo ff l o wf o rt h ec y c l o n e k e yw o r d s ：c y c l o n e ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，g a s - l i q u i ds e p a r a t i o n v 彳口液滴的投影面积，m 2 ； c d 气体阻力系数； 扣液滴的直径，m ； 卜液滴粒径，m ； 朋l 加液质量，k g ： 肌广一加液质量，k g ； 砸广液滴质最，埏； 主要符号表 p _ 切向速度指数( o 5 - 0 9 ) ； 卸压降，p a ； ， 蟛g 气体流量，m 3 s ： 卜气液旋流分离器的直径，m ； ，溢流管直径，m ， ，试验时间，s ： 蜥气体进口速度，m s ； v 气液旋流分离器的有效分离体积，m 3 ； 1 一含液空气的切向速度，m s ； v f 入口气速，m s ； v q 一气流径向流速，l n s 7 k 液滴切相运动角度，r a d ： ，卜气体粘度，p a s ： p g 气体密度，k 咖3 ； 风液滴密度，k g m 3 ； 孝阻力系数。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题来源 近年来，随着我国部分油气田进入中、高含水期的开采阶段，气井积液现象频繁发 生，用于气一液两相分离的气液旋流分离技术也成为国内各有关单位研究的热门课题。 由于旋流器具有存留时间短、设备体积及占地面积小、易安装、操作灵活、运行稳定连 续、无易损件、维护方便、经济成本及运行费用低等优点，现已广泛应用于石油、化工、 食品、造纸等行业，但国内外众多学者相继提出的各种分离理论，多集中于用于气一固 分离的旋风分离器和用于液一固、液一液分离的水力旋流分离器，因此对气液旋流器的分 离理论进行实验研究是十分必要的【3 】【5 】。 1 2 研究目的意义 我国是一个能源稀缺的国家，人均能源资源量远低于世界平均水平。尽管今后的能 源开发将增加我国的能源储藏量，但煤、石油等到自然资源均属不可再生资源，且储量 有限。因此，未来我国的能源需求状况依然非常严峻。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国发现大型优质油气田的可能性逐渐减少，而早期投入开 发的油气田逐渐衰竭，能源需求日益增大，能源危机日益加剧，能源问题已经成为制约 我国经济持续发展的关键问题。尤其是我国部分气田已进入中、高含水期开采阶段，气 井积液现象频繁发生，如何重新焕发老油气田的生机，合力解决能源危机，已成为一个 重要课题摆上议事日程。 另外，炼油企业建设的加氢裂化和加氢精制装置，也需要气液分离器以去除循环氢 中的液滴以提高油品品质，保护设备；干气也需脱胺处理【9 】【13 1 。 因此加强气液旋流分离技术的理论研究，进而在满足经济性、工况条件和操作压力 等前提下，优化出能满足油气田和炼油企业对气液分离需要的高效气液分离装置，对保 持我国的能源结构均衡，能源结构的需求和经济持续增长，具有重要的实际意义和广泛 的应用前景。 1 3 研究内容， 本文主要开展以下几方面的工作： ( 1 ) 设计加工d n l 0 0 型气液旋流分离器模型，根据研究内容搭建实验装置； ( 2 ) 改变结构参数以及操作参数进行气液分离试验，考察结构参数、操作参数对分 l 第一章前言 离效率和压降的影响： ( 3 ) 分析处理试验数据，补做部分实验，优化出气一液旋流分离器的结构参数； ( 4 ) 建立d n l 0 0 型气液旋流分离器流量一压降计算模型和效率计算公式。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 水力旋流器概述 第二章气液旋流分离技术 水力旋流器是一种用途广泛的通用设备，它具有存留时间短、设备体积及占地面积 小、易安装、操作灵活、运行稳定连续、无易损件、维护方便、经济成本及运行费用低 等特点。近年来随着水力旋流器应用领域的不断扩展，人们对水力旋流器的兴趣越来越 浓。水力旋流器具有明显的跨学科、跨工程领域性质，它不仅大量应用于矿物工程领域， 而且在化工、石油、轻工、环保( 水处理及除尘) 、采矿、食品、医药、纺织与染料业、 生物工程及建材等众多领域也获得广泛的应用。它是依靠旋转产生离心力而使存在密度 差的非均相物系( 两相、三相) 得到分离的静设备。从2 0 世纪5 0 年代起，旋流分离器 的应用领域以及规模均得到了迅猛发展，同时不断地吸引着越来越多的学者和工程师们 致力于旋流分离理论与应用研究。到了2 0 世纪8 0 年代以后，致力于旋流分离器研究和 推广的科技工作者队伍在全球已经形成了相当大的规模。现代测试技术和计算与模拟技 术的飞速发展，大大推动了旋流分离器结构形式的多样化及其应用领域的不断拓展，旋 流分离器也逐步发展成为具有高技术含量的分离设备。可广泛用于气固分离、液固分离， 完成液体澄清、料浆浓缩、固体颗粒分级、分类与洗涤、液体除气与除渣、气体除液以 及非互溶液体的分离等【1 4 】。 2 2 理论模型的研列1 6 】【2 0 】 水力旋流器分离理论介绍了有关旋流器分离过程的数学模型或其赖以建立的物理 模型，归纳起来，主要有平衡轨道理论、停留时间理论、群集理论及两相湍流理论。这 些理论从不同的视角考察了水力旋流器内的固液分离过程。 2 2 1 平衡轨道理论 、 此理论以平衡半径为基础，最初由d r i e s s e n 和c r i n e r 提出。他们认为一定粒度的 颗粒在某一轨道上是由于在此轨道上，作用在该粒子上的离心力和曳力间处于平衡状态 造成的。不同粒度的颗粒具有不同的平衡轨道。其中，平衡轨道处于分离面以外的固相 第二章气液旋流分离技术 颗粒将进入底流被分离，而处于分离面以内的颗粒将随同溢流被排走。分离粒度西。是 其轨道与分离面相合的颗粒粒度。 依据平衡半径的概念，一定粒径的颗粒在旋流器内达到平衡半径轨道，这是它的径 向终端沉降速度u ，等于流体的径向速度诈。在离心力、及流体曳力的共同作用下，颗 粒的径向沉降速度为： 驴掣 ， 式中v 广流体的切向速度； 若流体的径向速度( 方向指向旋流器的轴线) 及切向速度分别如下式表示： v，一号(2-2) 2i ( 2 。3 ) 式中c l ，c 2 一常数：m ，广指数。 对于处在平衡位置上的颗粒，应有： “r+vr=0(2-4) 从而得到颗粒粒度6 与其平衡半径的关系： 铲厂( 1 + 2 n m ) ( 2 5 ) 指数l + 2 n m 总是大于零，因此可以得出回旋颗粒的粒度随回旋半径的增大而增大。 在小半径处回旋的小颗粒将被向上流动的流体带入溢流，在较大半径处回旋的较大颗粒 将随向下流体进入底流；在零速包络面处回旋的颗粒显然具有相等的机会进入溢流或底 流，其颗粒粒度即为分离粒度西o 。 根据平衡轨道理论预测水力旋流器的分离指标，除需知道流体切向与径向的速度分 布外，还需确定零速包络面( l z v v ) 的位置与形状。 ( 1 ) y o s k i o k a 和h o t t a 假定l z v v 为圆锥面，其锥项与旋流器底流口相重合，锥底位 于旋流器溢流管底部所在的截面上。他们还假定流体径向速度在整个l z v v 面上等于 某一常数，得到的分离粒度公式如下： s t k s o e u = o 1 5 4 ( d d o ) n 3 ( 2 6 ) 式中鼬是通过直径7 6 1 5 0 m m 的旋流器试验得到： 纠4 3 例一 协7 ， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) b r a d l e y 和p u l l i n g 提出l z v v 是柱锥联合体，但真正起作用的是锥形表面，锥 底位于旋流器锥体直径为0 7 d 处的断面上，锥底直径眈= o 4 3 d 。分离粒度的公式可写 成以下无因次形式： s t k 。o e u = 掣卜竹刮阿一 弘8 ， 欧拉数形式如下： e “= ( 虽) 4 鲁 ( 虽) 加一t q 母， 式中栅数； 卜流体切向速度损失系数。 平衡轨道理论，按不同学者总结的不同形式，共同存在以下缺点： ( 1 ) 没有考虑颗粒在旋流器内的停留时间。不是所有的颗粒都能在停留时间内到达 平衡轨道。 ( 2 ) 没有考虑湍流，湍流也会影响到颗粒的分离。若将湍流因素考虑在内，按平衡 轨道理论预测的分离粒度可能偏小。 ( 3 ) 理论假定在整个零速包络面上径向速度相同，并忽略了短路流的影响。 尽管它具有以上缺点，但许多不同形式的平衡轨道理论能够较准确的预测低浓度下 旋流器的性能，特别是在与公式推荐使用的旋流器相似的条件及相似的设计和尺寸情况 2 2 2 停留时间理论 该理论由r i e t e m a 首先提出，他认为粒子在短时间内获得平衡是不可能的，主要考 虑粒子能否在有效的停留时间内到达旋流器壁而被分离。粒径盔。是这样一种颗粒粒度， 如果把这种粒度的颗粒准确的从进料口中心注入，则它在有效停留时间内刚好能到达旋 流器锥顶器壁。 从数学表达式来看，颗粒的径向终端沉降速度和时间的积分应等于进料1 2 1 直径的一 半： r u d t = 石1 哆 ( 2 - l o ) 式中蜥为： 第一二章气液旋流分离技术 “，：a p 堕2 1 8 9 ， 停留时间同旋流器特性即速度相关，考虑流体的轴向速度： 出 v = 一 出 并假定器壁流体的运动和器壁轮廓一致，即： 如上 咖尺 r i e t e m a 综合以上等式以及径向压降的表达式： 却= p 滓西 得出了分离粒度的无因次表达式： j 三p 三卸3 6 ，：足 一= = ：一 弘p qt v | d i ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) r i e t e m a 定义了旋流器的特性参数c y 5 0 ，并改变7 6 m m 水力旋流器不同特性参数， 进行了一系列放大试验，得出了c y s o = 3 5 的最小值参数，至今仍被认为是推荐的标准 设计。等式( 2 1 6 ) 可以写成以下的无因次的形式： 。蚍n 砌：# c y s o d( 2 t 7 ) 一 3 6 三 r i e t e m a 的停留时间理论存在以下几点不足： ( 1 ) 没有考虑流体径向速度的变化。 ( 2 ) 将流体的轴向速度v 2 作为与半径r 无关的常数处理，显然不合适。 ( 3 ) 象平衡轨道理论一样，也没有考虑湍流脉动对颗粒运动的影响。 除了r i e t e m a 的停留时间理论外，其它学者也提出了一些理论模型： ( 1 ) h o l l a n d b a t t 提出了一个“整体模型”，其中考虑了流体平均径向速度( 即旋流器 处理量除以器壁面积) 的影响，并将旋流器内流体的延误时间( 即旋流器容积与处理量 之比) 作为停留时间，得到的分离粒度的表达式如下： s e t l = i 1 6 13 l n 2 互z + 耳卜+ ：z dddd ( 2 - 1 8 ) 生帕 l l 嵋一广 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 整体模型的重要贡献是考虑了干涉沉降的影响，重要缺陷是没有考虑溢流管直径对分离 粒度的影响。 ( 2 ) t r a w i n s k i 提出的停留时间理论直接使用s t o k e s 定律分析重力沉降，从水力旋流 器的有效分离区和平均加速度得到了分离粒度的如下表达式： 跳。砌= 吉两d 瓦d 9 ) t r a w i n s k i 还提出了关于压力降和流速的简单关系式： e u = 埘k 饼例 。， 8l i 口l 晓 、 7 这里的皿显然不依赖于雷诺数，这同试验结果相反。因此以上关系式过于简化。 从以上的论述中看出，停留时间理论是一种不同的方法和设想，对平衡轨道来说， 它最终的形式非常简单。 2 2 3 群集理论 群集理论由f a h l t r o m 首先提出，他认为，分离粒度主要是底流流量和进料粒度分布 的函数。由此得出底流口处的阻塞效应，即受阻排料作用能够在一定程度上概括对旋流 器性能的影响，分离粒度可以由底流的质量回收率来建立。 f a h l s t r o m 的群集理论在原则上是可行的，但他最初的理论是错误的。他把解析分离 粒度和等几率分离粒度的不同归结于群集效应的影响，而且差异的大小与颗粒的粒度有 关。这些不同，根据现在已知，应归结于粒级效率曲线的非理想形状，并且无论阻塞现 象发生于否，它都将存在，并且任何群集理论效应必须依赖于固体颗粒的阻塞程度，因 而只与颗粒的体积而不是重量有关。 对群集理论来说，在原理上是可行的。因为底流口对分离粒度的控制有非常重要的 影响，问题是如何从数量上描述。分离粒度与底流体积浓度、底流口绝对尺寸以及进料 口的粒度分布有关，此理论有待进一步发展。 2 2 4 两相湍流理论 对于旋流器中湍流对分离的影响自从d r i e s s e n 的早期工作时已被发现，一个方面是 它如何修正切向速度。r i e t e m a 对此问题作了详细的研究，在k e s a l l 所测切向速度的基 7 第二章气液旋流分离技术 ，& 包。以i _ 。5 6 7 6 砑! 三e 兰；三姜驷( 2 - 2 2 ) 和 2 2 0 叱例t p 2 3 ， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 能力的经验公式。 湍流理论本身并不能组成一个模型，但是它同其它理论相关联，是其中的一个重要 组成部分。 2 3 气液旋流器的类型及结构特点 气液旋流器的一般结构形式如图2 0 所示，旋流器中的基本运动形式包括：( 1 ) 外旋 流和内旋流；( 2 ) 短路流；( 3 ) 循环流；( 4 ) 零速包络面；( 5 ) 最大切线轨迹面；( 6 ) 空气柱。气 液旋流器就是依靠离心力来分离气相中的雾滴、液滴等液相的分离设备。其主要类型有 轴流式、柱状式、螺旋式、单锥常规式等。 图2 0 旋流器的一般结构 f i g 2 - 0 s t r u c t u r a ls k e t c ho f ac o n v e n t i o n a lh y d r o c y c l o n e 2 3 1 管柱式旋流气液分离器( g l o c ) 、 它由入1 3 区( 段) 、入口分流区、漩涡区、气泡区、液滴区、气相和液相出口配管等 部分组成( 图2 1 ) 。 由于气液相流速的不同，油、气两相或油、气、水多相流在入口处和喷嘴内可能呈 现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型k o u b a 的实验研究表明，采用向下 倾斜的入口管，保证入1 3 管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果、扩展管 9 第二章气液旋流分离技术 柱式旋流分离器的适用范围，最佳倾斜角为2 7 0 。实验证明采用垂直结构的管柱式旋流 分离器，气液分离效果差工作范围大约是倾斜向下的入口结构分离器的一半。入口管 向下倾斜，在重力作用下有利于形成分层流，实现气液两相的初步分离【l 】。 魏洪2 5 】对分离器内部入口下方段速度分布进行了数值模拟研究模拟显示了分离器 内部流动是很复杂的。它包括三个速度分量：切向速度、轴向速度以及径向速度。图2 2 为通过分离器中心并垂直于切向入口的平面上切向速度分布图( 入口下方段) 。入口处 切向速度迅速衰减，并在轴向方向上持续到分离器底部，但是，后来的切向速度衰减不 同于入口区那么强烈，耽= o 时近似位于旋涡中心，流动以旋涡中心近似呈对称分布， 并且非常接近于分离器中心。 管柱式旋流分离器，在欧美陆上及海上油气田开发中已有多个成功应用的实例。归 纳起来，主要有以下4 类： ( 1 ) 单相流量计计量用分离器，经过管柱式旋流分离器分离后的气液相由单相流量 计完成计量。 ( 2 ) 多相流流量计计量用分离器，对于高气油比工况，经过管柱式旋流分离器分出 大部分气相，分出气相由单相流量计计量，含气率大大减小的液相经由多相流量计完成 计量。 ( 3 ) 传统容器式分离器或液塞捕集器预分离装置，在原有容器式分离器或液塞捕集 器的前面串联管柱式旋流分离器，为原有分离装置提供初步分离的平稳来流，提高原有 图2 1g l c c 分离器结构 f i g 2 - 1 s t r u c t u r a ls k e t c ho f t h eg l c cs e p a r a t o r 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 分离装置的处理能力和分离效果，可作为现有容器式分离器的改造措施。 k ，m ) 图2 2 分离器入口下方垂直于切向入口的平面上切向速度分布图 f i g 2 。2 d i s t r i b u t i o n so f t a n g e n t i a lv e l o c i t i e sa tt h es u r f a c ev e r t i c a lt ot a n g e n t i a li n l e t u n d e rt h ei n l e to ft h es e p a r a t o r ( 4 ) 完全代替传统的分离器，节省占地、减少投资，对海洋油气田的开发具有重要 意义。 另外【2 6 1 ，海底应用g l c c 技术对石油工业最大的冲击可能就是在海底分离方面的应 用。b a k e rac 等人在“t h ev a s p ss u b s e as e p a r a t i o na n dp u m p i n g s y s t e m ( t r a n s ，i n s t o f c h e m i c a le n g i n e e r s ，1 9 9 2 年1 月) 一文中得出结论：井口分离及泵送是用于采出液长距离 输送的热效率最高的一种方法。在一项最新的研究中，p r a d o 等人认为此项技术也适用 于浅海及中深海应用。海底应用要求分离器的设计及性能具有高度的可靠性，要求设备 简单、小巧、强度高，且经济性好。g l c c 的优点使其在竞争力极大的众多技术当中表 现尤为出色。此外，g l c c 还可以采用双入口、并联或串联等型式，以此来适应不同范 围的气液处理量，并降低出口的气体带液率和液体带气率，提高g l c c 的分离效果 【9 】【1 0 】【1 1 】【1 2 】。 2 3 2 螺旋式旋流分离器 螺旋式旋流分离器见到的研究和应用较少，其中管道螺旋分离器无电源和液位控制 要求，直径一般为几英寸，大致与管径相同，可作为一个带法兰的短管安装在管线上， 可以任意角度安装，因此安装和维修费用都很低。多相流体进入此分离器，气液经一固 定的螺杆( 可使流体旋转) 分离开。旋转力使液相在外，气相在中心，部分气进入螺旋分 离器的核心，从而实现气液分离。大部分的分离气由回压控制，回压由气液出口阀门控 制。分离部分气有许多好处，如减少气对设备运行的影响等【3 0 】。另外，螺旋片导流式气 第二章气液旋流分离技术 液分离器是一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离装置，可用于地面或井下天然 气开采中的油气分离、石油开采中的油水分离、压缩空气的净化处理及航空宇宙中的 氦气分离等【3 l 】。周帼彦、凌祥、涂善东【2 7 1 用计算流体力学方法，分别对螺距和螺旋个数 各不相同的9 个螺旋结构流场进行数值模拟，通过分析螺旋结构参数对压力降的不同影 响，在达西公式的基础上拟合出压力降的简化计算公式，为工程设计提供了一种较准确 的设计方法。 a h = 九舞 协2 4 ， 其中，卜螺旋结构压力损失； 五q 一螺旋结构的阻力系数； 扩螺旋个数； 广_ 螺旋内半径； 尺一外半径； p 一流体的密度： 肛螺旋中径，d e = r 斗t ； 明一周向平均流速。 2 3 3 轴流式气液旋流分离器 轴流式气液旋流分离器的工作原理与其他旋流器的工作原理基本相同，也是利用离 心力来进行气液两相的分离( 见图2 3 ) 。气液两相流沿轴向进入分离器，在导向叶片 的作用下在分离器内作三维螺旋运动。由于气、液流的密度差异，密度较大的液滴在离 心力的作用下向外迁移至分离器外壁，在重力和气流的带动下向下运动，经圆锥体底部 的底流1 3 排出，而密度较小的气体则向内迁移，经上部溢流口排出。从而实现了气、液 两相的分离。与切向入1 3 式旋流器的不同之处是它的离心力是靠导向叶片产生的。 轴流式气液旋流分离器结构简单、过流面积大，相比传统的切入式旋流器的料液入 1 3 与旋流器轴线成垂直的二维布局，此结构中间流道的连接和管柱整体结构形式简单， 能够与常规坐封工艺和起下作业工艺吻合，显著降低了加工制造难度和加工成本及现场 操作技术难度，是用于井下气液分离的理想分离设备【2 6 1 。 1 2 ，中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 溢满篱 图2 3 导叶式气液旋流分离器结构示意 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv a r l e - g u i d e dc y c l o n ef o rg a s l i q u i ds e p a r a t i o n 2 4 影响旋流器性能的参数2 4 】【1 3 1 1 2 0 1 旋流分离器分离i - r 厶匕i ：j l 二指标主要是分离效率与压降。影响轴流式气液旋流分离器分离 性能的主要因素有结构参数、操作参数和物性参数。 2 4 1 结构参数 ( 1 ) 旋流器直径d 旋流器的直径d 通常是指其筒体的内径，它主要影响其生产能力和分离粒度，一 般说来，生产能力和分离粒度随其直径的增大而增大。 ( 2 ) 导叶叶片 叶片的主要参数：叶片型线、叶片出口角、叶片出1 ：3 直边长、叶片根径比等。其中 叶片型线对分离效率和压降基本无影响。 ( 3 ) 溢流口直径疡 一般情况下，函增大时生产能力会增大，但分离效率却会降低。 ( 4 ) 底流口直径磊 巩增大固然有减少溢流中粗粒级含量的好处，但当超出限度时亦会恶化其分离效 果，通常旋流器都是在底流口直径小于其溢流口直径的情况下工作的。 ( 5 ) 溢流管插入深度h o o 对分离效率有重大影响。插入过浅，则短路流量增大，分离时间缩短，分离效率 下降；插入深度过深，尽管可以延长分离时间和减少短路流，但会把分离好的粗粒级由 锥体导入溢流产物，致使溢流产物中粗粒级含量增大，分离效率下降。 ( 6 ) 锥角口 随着旋流器锥角增大，分离效率呈递减趋势，锥角增大，流体旋转角动量增加，分离 第二章气液旋流分离技术 能力提高；锥角增大，流体在旋流器内停留时间缩短，导致分离效率降低；同时切向速度 沿径向方向梯度增加，气流对液滴的破碎雾化作用增强也使得旋流器分离效率降低。 ( 7 ) 柱段高度日 当办。一定时，增长h 则有延长分离时间，提高分离效率的作用，但亦有降低产量增 加能耗的负作用。 2 4 2 操作参数 ( 1 ) 温度f 它影响物性参数，粘度、表面张力等。 ( 2 ) 流量q 流量即处理能力，它直接决定了内流场的强度，流量较小时，离心力较小不足以进 行分离；当流量增大时，不仅压降增大，而且可能使液滴破碎为较小尺寸液滴，使分离 效率下降。 ( 3 ) 进出口出的压力 它对很多性能参数以及操作参数都有影响。 ( 4 ) 含液浓度c i 其它条件不变时，分离器分离效率随入口含液浓度的增大而增大，达到最高点后，则 随入口含液浓度的进一步增大而降低。含液浓度对分离效率呈现上述规律的主要原因： 当含液浓度在一定范围内增大时，单位体积的液滴数量增加，液滴之间的碰撞、团聚作用 加强，形成大液滴的几率增加，有利于分离效率的提高：但当含液浓度继续增大超过一定 值后，分离器内存液量增加，器壁表面液膜层过厚，远离壁面侧液体附着力减小，在强旋 流气体的作用下容易被重新卷扬起来，雾沫夹带现象加剧，从而使得分离效率降低。 2 4 3 物性参数 物性操作参数主要包括液滴尺寸、气液密度差、粘度及表面张力。由于旋流器的分 离效率随液滴尺寸的增大而提高所以液滴尺寸是影响分离性能的主要参数，密度差的大 小决定一定操作条件下离心力场的强度大小，粘度及表面张力则影响流体的剪切力大小 及液滴破碎的难易程度。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 5 气液旋流分离器分离空间流场的理论分析口1 1 【2 2 1 2 8 1 2 9 1 2 5 1 内流场运动形式 气液分离旋流器分离过程的基本原理是离心沉降，利用流体的压力将一维流体运动 变为旋流运动，这也导致气液旋流器内部流动状态非常复杂，如图2 4 所示，常规在气 液旋流器内流体运动的基本形式大致可以分四种：外旋流、内旋流、短路流和循环流。 要的运动形式是外旋流与内旋流，其中内旋流从溢流口排出；外旋流从底流口排出。 如图2 4 所示的短路流沿叶片入口流向中心，再沿溢流管外壁向下运动，然后与内旋流 汇合进入溢流口排出。短路流与旋流器的结构有关，流体从旋流器边缘沿切向进入旋流 器后，大部分形成主体流动，即外旋流和内旋流，欲分离的介质在主体流动中得到分离； 而另一小部分靠近器壁的流体，由于流体在固体边界处存在速度边界层，流体中的介质 没有得到充分分离就直主接流入溢流或底流，这部分流体就是短路流。通过结构上的变 化可以减少短路流，如增加溢流管的插入长度可以限制短路流量；旋流器的入口形式如 渐开线进1 ：3 比切向进口对限制短路流更为有效；在旋流器内壁面做凹凸槽等可增加流体 的脉支动，破坏边界层的生长，从而限制短路流。 在图2 - 4 所示的旋流器的外旋流与内旋流交界面附近存在一个循环涡流区，也称 为循环流。循环流的存在主要与溢流管的通流能力有关，在外旋流向下流动至底流口附 近时，由于底流口排放能力有限而使流体部分的转为内旋流向上流动，形成循环流动。 若这部分液滴不进入溢流口而在循环流中再次得到分离的话，则循环流是有利于旋流器 ； 1 i | f l j ff 图2 - 4 气液分离旋流器中流体运动的基本形式 f i g 2 4 t h eb a s i cf l o wp a t t e r ni nt h ec y c l o n ef o rg a s l i q u i ds e p a r a t i o n 1 5 第二章气液旋流分离技术 的分离效率的。否则，会使分离效率下降。所谓的循环流并不是相同流体介质的往复运 动，循环流中的流体是不断更新的，旋流器中的流动是均时稳态，瞬时波动。 轴流导叶式旋流器由于导向叶片根部与溢流管外壁直接接触，靠近溢流管附近的流 体具有较高的轴向向下的速度分量，因此，相对切入式旋流器来说，短路流所占总流量 的份额较小，且旋流器对这部分流体在其进入内旋流之前仍具有一定的分离能力。 2 5 2 内外旋流分界面的半径r t 的确定 可以用通过排气管的压降来确定n 。流场测量结果表明，排气管中气流切向运动也 是准强制涡和准自由涡的组合。不过，在旋流中心附近，轴向速度极小，而在排气管边 壁附近的环形区域轴向速度很大，并且流量主要集中在这一环形区域，见图2 5 。 r m 图2 5 排气管内切向、轴向速度分布 f i g 2 5 d i s t r i b u t i o n so f t a n g e n t i a la n da x i a lv e l o c i t i e si nt h ee x h a u s tp i p e 在这里推荐用下述函数关系式来确定k ： t n = 了 - 1 5 1 8 + 0 7 9 8 l n 詈一o 瑚陆) 2 沼2 5 ， 2 5 3 理论分析所得到的结论 ( 1 ) 旋风分离器内气体的运动可看成是不可压缩粘性流体的轴对称定常运动问题。 运用湍流模式理论中的代数涡粘模式，并根据旋风分离器内流场测量结果，对旋风分离 器内的流场作适当的简化，可得到描述旋风分离器内流体运动的简化方程组。根据旋风 分离器内流场测量结果，通过假设轴向速度或径向速度的分布形式，可以求得简化方程 组的解。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 环形空间，切向速度分布可表示成自由涡和强制涡的组合形式：而分离空间内 的切向速度分布满足内旋流为准强制涡、外旋流为准自由涡的形式，并且定量分布规律 与测量结果符合较好。旋风分离器内的轴向速度和径向速度分布可以用多项式和指数函 数的组合形式来模拟。 ( 3 ) 新方法确定旋风分离器内速度分布时，需要确定两个关键的变量，即边壁切向 速度和内外旋流分界面位置。对前者，可利用b a r t h 提出的入口收缩系数确定；对后者， 推荐采用最小压降原理确定。由此得到的计算结果与测量结果吻合较好。 ( 4 ) 外旋流区，普朗特混合长度近似与半径呈正比关系，而柯莫葛罗夫尺度则与半 径的1 2 次幂呈正比关系。在内旋流区，普朗特混合长度大致与径向位置无关，而柯莫葛 罗夫尺度则与半径的3 4 次幂成反比。内、外旋流区的普朗特混合长度量级相当，大约在 几毫米；内旋流区柯莫葛罗夫尺度要小于外旋流的尺度，而且内旋流区柯莫葛罗夫尺度 在l o 岫的量级。这在一定程度上解释了小于1 0 1 t m 量级的颗粒进入内旋流后不易分离的 现象。 2 6 气液旋流器的应用与研究现状 油气田开发进入中后期以后，大量产出水给经济和环境带来诸多负面影响。加拿大 c - f e r ( t h ec e n t e rf o re n g i n n e r i n gr e a s e a r c hi n c ) 公司于1 9 9 1 年率先提出“井下气液分 离”的创意与设想，并开始对井下气液分离技术进行可行性研究，目的是通过减少采出 水量来检验降低气井举升费用和水处理费用的非常规方法。研究把水力旋流器与常规井 下采气系统相结合，实现采气、气液分离和采出水同时注入同井地层的设想。其后，陆 续有世界各地的公司、院校和研究单位近3 0 家参与进来，形成一个世界性的j i p 一联合 工业研究项目。他们通过对分离器系统的开发和试验进一步肯定了上述设想。现场试验 说明和验证了该分离系统的经济效益，研究和开发设计的同时还进行了经济上的可行性 模拟、再完井设计策略和气藏模拟，以便评估该项技术在不同气田的实施效果。 在国内目前研究较多的是柱状气液旋流分离器( g l c c ) ，柱状气液旋流器( g l c c ) 是带有倾斜切向入口和气体及液体出口的垂直管。切向液流由入口进入g l c c 后形成 的旋涡产生了作用于液体的离心力和浮力，其数值比重力要高出许多倍。重力、离心力 和浮力联合作用将气体和液体分离开。液体沿径向被推向外侧，并向下由液体出口排出； 而气体则运动到中心，并向上由气体出口排出。这一低成本、重量轻的小型g l c c 分 离器在替代常规容器式分离器方面具有很大的吸引力。 1 7 第二章气液旋流分离技术 对g l c c 进行准确性能预测的难度主要源于g l c c 内部复杂多变的流动形式。在 入口上方的流动形式包括气泡、段塞、搅动、雾状流和带状流。在入口下方的流动形式 由一个带有丝状气核的液体旋涡组成。在液面远低于入口时，液体以涡流的形式由入口 下落到旋涡当中。在g l c c 水力特性预测方面的困难阻碍了其应用范围的扩大。但即 使没有进行性能预测方面的尝试及试验，也已经见到了几项g l c c 成功应用的报导。 可靠的性能预测工具的发展将通过结构改进对g l c c 加以改善，并最终将决定着g l c c 技术在现有的及新的油田应用中发展的速度和程度。 将来研究工作的重点应当放在发展强度高的主动液面控制系统方面。由于小型分离 器的较短的存留时间及对控制阀反应要求的快速性，因此不能对常规大型容器式分离器 控制技术进行简单的扩展应用，必须使g l c c 能够处理断塞、搅动及从纯气流到纯液 流这样大范围的流量的变化。 而轴流式旋流器见到的研究较少，仅见石油大学成功设计出了可完全满足井下狭长 空间环境和工艺要求的d n 5 0 型的轴流式旋流分离器。与传统切入式旋流器相比轴流式 具有加工难度、加工成本及现场操作技术难度低的优势。目前，轴流式气液旋流器试验 研究的主要内容是导叶、流量、分离空间高度、溢流管结构形式以及入口含液浓度等参 数对旋流器分离性能的影响，以优化出高效低阻的结构参数。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 试验装置 第三章试验装置内容及参数测试方法 试验装置如图3 1 所示。整个装置由供风系统、进液雾化系统、分离系统和测量系 统四部分组成。本试验采用负压系统，供风系统采用风机，试验流量范围4 9 9 1 9 4 6 9 m 3 h ， 能满足要求；雾化系统由空气压缩机、空气过滤器、空气转子流量计、液体计量泵以及 内混式双流体喷嘴组成，压缩空气与计量泵提供的液体同时进入喷嘴，通过喷嘴液体被雾 化成液滴群，通过调节压缩空气的流量、压力和进入喷嘴的液体流量可以得到不同滴径 的液滴群，雾化的液滴直径采用文献【7 】中双流体雾化液滴直径的经验计算公式算得；分 离系统主要装置是轴流式气液旋流分离器，内径为l o o m m ，用有机玻璃制成。 图3 - 1 实验装置流程简图 f i g 3 1 e x p e r i m e n t a ls e t u pa n df l o wc h a r t 卜风机；2 一毕托管；3 一温度计；4 一气液分离器；5 一倒锥段：6 一水槽；7 一计量泵； 8 一雾化喷嘴；9 - 压力表；1 0 - 流量计：1 1 - 稳压罐；1 2 - 空气压缩机：1 3 - u 型管压差计；1 4 一溢流管； 1 5 一导叶 试验前，先将缓冲罐内压力打至0 2 m p 。试验时，在风机的抽吸作用下，气体进入 管路系统，与雾化液混合后进入分离器，形成高速旋转流，在离心力的作用下，密度值 大的液滴被甩到旋流器的边壁，从底流口流出，进入收液桶；而气体则从溢流管流出， 经引风机直接排空。 1 9 孵 基 第三章试验装置内容及参数测试方法 3 2 试验模型 气液旋流分离器主要是利用离心力来分离气流中的液滴。气液两相流沿轴向进入分 离器，在导向叶片的作用下在分离器内作三维螺旋运动。由于气、液两相存在密度差， 密度值较大的液滴在离心力的作用下向外迁移至分离器外壁，在重力和气流的带动下向 下运动，经圆锥体底部的底流口排出；而密度值较小的气体则向内迁移，经上部溢流管 排出。这样就实现了气、液两相的分离。模型如图3 2 。 溢流 门。 苦、底流 口 室 图3 2 导叶式气液旋流分离器结构简图 f i g 3 2 s t r u c t u r a ls k e t c ho f v a n e - g u i d e dc y c l o n ef o rg a s - l i q u i ds e p a r a t i o n 3 3 试验物料 本文以空气一水系统作为两相物料进行分离试验研究。 3 4 主要研究内容 本文主要试验研究内容如表3 1 所示，包括流量、分离空间高度、溢流口结构形式 以及入口含液浓度等对旋流器分离效率和压降的影响，其中主要考察溢流口结构形式对 旋流器性能的影响。 ( 1 ) 分离空间高度对分离性能的影响； ( 2 ) 旋流器锥角对分离性能的影响； 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 锥段下加喇叭口对分离性能的影响； ( 4 ) 入口含液浓度对分离性能影响； ( 5 ) 旋流器流量对分离性能的影响； ( 6 ) 溢流管结构形式对分离性能的影响。 表3 - 1 气液旋流分离试验参数 t a b l e3 - 1 h y d r o c y c l o n ep a r a m e t e r sf o re x p e r i m e n t s 内容参数 旋流器直径d ( m m )l o o 锥角 口( 。)1 5 3 0 锥段下加喇叭口夕( o ) o ，4 5 ，6 0 入口浓度 c i ( g m 3 ) - 1 6 0 流量 q ( m 3 h ) 4 5 1 0 5 分离空间高度h ( m m ) 15 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 溢流管结构见图3 3 溢流管1 8 3 5 主要测试参数及测试方法 3 5 1 流量测量 气体流量q 。( m 3 1 1 ) 用出气管处的毕托管测量压降计算得到。试验过程中底流1 2 泄气量为零，分离器进、出口气量相同。试验中，可以近似认为气体流量等于物料的进 口流量。 其中用到毕托管测量流量，以下介绍毕托管的测试技术原理。毕托管又称测速管， 是测量管路中流体的点速度的装置。 ( 1 ) 毕托管的结构 毕托管的结构如图3 4 所示。毕托管由两根弯成直角的同心套管组成，内管无孔， 外管靠近端点处沿着管壁的周围开有若干个测压小孔，两管之间的环隙端面是封闭的。 测量时，毕托管的管口要正对着管道中流体的流动方向。u 型管压差计的两端分别与毕 托管的内管与套管环隙连接。 ( 2 ) 毕托管的原理 设在毕托管前一小段距离的点处的流速为1 ，。，压力为p 。；如内管以充满流体，则 2 i 第三章试验装置内容及参数测试方法 后续流体到达点处被截住，速度降为零，即 ，：= 0 ，动能转化为静压能，使点处 的压力增至p z 。此时内管代表的是静压能p l l 和动能1 ，i ! 2 2 和，即为全压，由伯努利 方程推出，表示为： 堕：旦+ 至( 3 1 ) pp 2 渐扩口5 双层1 5 渐扩口8 打 丫 个 孔 溢流管内加反向叶片 图3 - 3 溢流管结构形式 f i g 3 - 3 s t r u c t u r a lf o r mo f o v e r f l o wv a n c 打 五 个 孔 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因外管壁询四周的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管代表的是流体的静压能 p 。l 。由以上分析可知，u 型管压差计读数反映出的是全压与静压能之差，即： 垒：堕一旦：堕( 3 2 ) 一= = 一 i z ， ppp 2 因此，可以由毕托管测压降得到流速，进而得到流量q g = 署奉d j 2 + ，。 3 5 2 入口含液浓度c i i 仇 m 1多锾甓畚亏 r ，岛 一_ i 内管一 ， l 卅 糌蟹 图3 - 4 毕托管结构 f i g 3 - 4 s t r u c t u r a ls k e t c ho fp i t o tt u b e 入l = l 含液浓度由下式计算求得： e ：旦 ( 3 3 ) f