（机械工程专业论文）双蜗壳双筒体式气液旋流分离器的试验研究.pdf

。 1 。 。j j 一 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fd o u b l ev o l u t e d o u b l ec y c l o n e s e p a r a t o r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a oj i a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gz h e n b o c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 2j仆jt-067哪8 iiy 。f i ， ， 一 一 学位论文使用授权书 的 ， 油 士 j l o 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：别年厂月2 矿日 日期：加k 年j 、月叫日 摘要 分离器在油田产出液过滤、炼厂炼化过程、废水处理等领域有着不可替代的作用。 传统双蜗壳气液分离器在入口流量较大的情况下，分离器内下行流对柱段内壁摩擦较 大，液膜较厚，能量损失严重，效率降低。本文着重介绍改进双蜗壳式分离器进气腔； 在双蜗壳旋流分离器柱段开设一定数量和规律的直缝；柱段分别加装内径1 5 0 m m 、 1 7 0 m m 、1 9 0 r a m 套筒，使外筒与内筒间产生一个气体滞止区。气流中的液滴在离心力 的作用下向边壁运动，通过柱段直缝进入气流滞止区，到达灰斗。 通过对双蜗壳分离器柱段4 次开垂直缝、3 种套筒共1 2 个结构的试验对比我们发现， ( 1 ) 静压压降随流量的变化规律，开缝前后影响不大； ( 2 ) 阻力系数随开缝数量的递增，数值减小；随套筒内径的增大，数值变小； ( 3 ) 试验范围内( a i z 流量1 5 0 m 3 h 3 5 01 1 1 3 h ，入1 2 1 浓度近似2 0g m 3 ) ，柱段开一 缝，加装内径1 5 0 m m 套筒，也就是内筒与套筒缝隙为l o m m 的结构为最优结构。分离 效率有所提高，阻力系数变化不大。 ( 4 ) 在开缝结构下，缝隙底部与蜗壳锥底存在回流。随着流量的增加，缝隙数量的 增加，回流现象越明显，效率降低。 关键词：气液分离器双蜗壳式双简体试验研究开缝分离效率 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fd o u b l ev o l u t ed o u b l ec y c l o n e s e p a r a t o r z h a oj i a ( g c t0 8o fh u a b e io i l f i e l d ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gz h e n b o a b s t r a c t s e p a r a t o rt a k e st h em o s ti m p o r t a t i o ne f f e c ti no i l f i e l d ，r e f i n i n g ，w a s t et r e a t m e n tp l a n t s a n ds oo n w h e nt h ec o m m o nd o u b l ev o l u t ec y c l o n es e p a r a t o r ( d v c s ) h a sah i g hf l o w ，i t h a p p e nt h a tt h ef r i c t i o ni n c r e a s i n g ，t h ef l u i df i l mt h i c k e n i n g ，e x p e n d i t u r eo fe n e r g yi n c r e a s i n g a n de f f i c i e n c yr e d u c i n gi nt h ed e s c e n d i n g f l o w o f s a po ft h es e p a r a t o r t h i sp a p e ri n t r o d u c e s e x p e r i m e n ti n c l u d e si m p r o v i n ga i rs u c t i o ns y s t e m ( a s s ) ，m a k i n gt h es l o t so nt h ec o l u m n s e c t i o no fd v c s ，i n s t a l l i n g15 0 r a m ，17 0 r a ma n d19 0 m mi n n e rd i a m e t e r ss o c k e t s t h e r ei s f l o ws t a g n a t i o nb e t w e e nt h ec o l u m ns e c t i o na n ds l o t s s ot h ed r o p l e t si ng a ss e p a r a t ei nt h e c e n t d f u 耐f o r c ew i t ht h es l o t s a f t e rm a k i n gt h es l o t so nt h ec o l u m ns e c t i o no fd v c s ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w m a t ： ( 1 ) h y d r o s t a t i cp r e s s u r eh a sn o tc h a n g e db e t w e e nm a k i n gt h es l o t sa n dn os l o t s ( 2 ) t h er e s i s t a n c ee o e f f i c i e n tr e d u c e sw h e nt h es l o t s a m o u n ta n dt h es o c k e t s i n n e r d i a m e t e r si n c r e a s e ( 3 ) i nt h er a n g eo ft h i se x p e r i m e n t ( f l o wr a t e 15 0 m 3 h 35 0m 3 h ，c o n c e n t r a t i o n a p p r o x i m a t e2 0g m 3 ) ，t h i ss t r u c t u r ei st h eb e s tt h a tm a k i n go n es l o ta n di n s t a l l i n g15 0 m m s o c k e t ，i no t h e rw o r d s ，t h e r ea r e10 r a md i s t a n c eb e t w e e nt h ec o l u m ns e c t i o no fd v c sa n dt h e s o c k e t ( 4 ) t h e r e i sar e f l u xi nt h es t r u c t u r eo f m a k i n gt h es l o t s ，f r o mt h eb o t t o mo fs l o t st ot h e c o n i c a lb o t t o m w h e nt h ef l o wr a t eo rt h em o u n to fs l o t si n c r e a s e s t h er e f l u xi sc l e a rb u tt h e e f f i c i e n c yf a l l sd o w n k e y w o r d s ：g a s l i q u i ds e p a r a t i o n ，d o u b l ev o l u t e ，d o u b l ec y c l o n e ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , m a k i n gt h es l o t se f f i c i e n c y 1 亏矿 1 1 2 3 3 3 3 4 4 5 2 1 旋流器的分离原理及性能指标5 2 1 1 旋流气液分离器分离原理5 2 1 2 旋流气液分离器性能指标5 2 1 3 结构参数对分离性能的影响6 2 2 旋流分离器结构现状及应用7 2 3 旋流器内部气液两相流理论研究现状1 1 2 3 1 气液两相流模拟的研究进展1 1 2 3 2 旋流分离器流场的研究进展1 2 2 3 3 旋流器内部流场的计算流体动力学模拟1 3 2 3 4 液滴聚集的研究进展1 4 2 4 气体滞止区1 5 第三章试验装置及说明1 6 3 1 试验装置1 6 3 1 1 试验流程。1 6 3 1 2 进气室、套筒设计方案设计1 7 3 1 3 进气室、套筒结构尺寸。1 9 ， 矿 ：! ：! ：! ：! ：! ：! ：! ：； ：! ! ； ：! ! ； ：! ! ； ：1 6 ：1 6 ：1 6 ：1 6 ：1 7 第四章试验数据分析2 8 4 1 分离器未开缝时2 8 4 1 1 气相静压降的规律。2 8 4 1 2 浓度对分离效率影响。2 9 4 1 3 流量对分离效率影响3 0 4 1 4 未开缝小结3 1 4 2 柱段开一缝31 4 2 1 气相静压降的规律。3 2 4 2 2 加装内径1 9 0 r a m 套筒3 2 4 2 3 加装内径1 7 0 r a m 套筒3 5 4 2 4 加装内径1 5 0 r a m 套筒3 6 4 2 5 开一缝效率与未开缝比较3 8 4 2 6 开一缝小结。3 8 4 3 缝隙回流3 8 4 4 柱段开二缝3 9 4 5 柱段开三缝4 l - ， 4 6 柱段开对称四缝4 2 4 7 开二三四缝( 以下简称多缝) 小结4 3 4 8 阻力系数变化规律4 4 4 8 1 出口压降规律4 4 4 8 2 阻力系数规律。4 6 4 8 3 形成原因。4 7 4 8 4 试验最优结构。4 7 结论及后续工作展望。4 8 5 1 结论4 8 5 2 后续工作展望4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 3 致谢5 4 v _ 矿 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章前言 石油、天然气作为能源和化工原料，是国家命脉。涉及国家和民生的各个行业如： 化工、制造、军事以及人民日常生活的方方面面，对国家发展和实现人民小康富裕起着 重要作用。 油田产出液中，除了原油以外，往往会含有天然气、水、泥、砂等物，油田地面工 程主要是将这些物质分离。在石油开采初期，我国各油田采用回注水和驱油增压方式提 高油井产量。由于油比水的密度小，且基本不相互融和，因此注水以后增大井下压力， 利用抽油泵把井下的水和少量的原油抽到地面。同时为了保证井下压力平衡和液面高度 稳定，抽油的同时也要不停的向井下注水。随着注水量的增加地下油层破坏严重，产出 液含水量越来越大，部分油井含水率高达9 0 以上，成了名符其实的“水井”。因此对 采出液进行提纯分离是我国各油田面临的难题。产出液中伴生气的存在会使泵的工作性 能降低，影响流量的准确计量，可燃气体还会带来安全问题。气体越早分离，越有利于 节约生产成本。 而气井中开采出来的天然气通常带有一部分液体，如凝析油、凝析水、地层水等， 必须在井场和集气站把它们从天然气中分离出来，否则不利于天然气的存储和运输。体 积大密度小是天然气的特点，管道输送几乎成了唯一方式。从地层开采出的天然气含有 铁锈、砂质等固体颗粒，还含有水蒸气、硫化物和二氧化碳等杂质气体。固体颗粒伴随 着管道，磨损压缩机，管道和仪表，甚至造成管路和设备的破坏。在输送、传质等单元 操作过程中气体介质夹带液体( 特别是由于前续设备中或单元操作过程中形成的液雾) 难以有效分离，会严重影响了生产效率和产品质量，是化工生产的突出难题。 1 9 世纪8 0 年代，诞生了世界上第一个分离器一圆锥形旋流分离器，随后各种形式样 式的分离器接踵而生。通过对分离器外观结构、流场结构等的研究，总结出分离器的各 种运动规律，奠定了分离技术的理论基础。多数试验研究基于气固、液固、液液分离 器。专门针对气液分离的研究和理论基础相对较弱。 由此可知，气液分离的重要性越受到人们的关注和重视，对气一液分离技术和气一 液分离装置的研究具有非常重要的工程价值和意义。 第一章前言 1 2 课题研究的目的及意义 气一液分离器的性能各异，结构类型多样，其中，包括无分流式惯性分离器、双相 涡轮分离器、重力沉降分离器、平行蛇管分离器、离心力分离器、旋流分离器等。目前 所使用的气液分离器主要有水力旋流器结构和旋风分离器，但由于其体积相对庞大，结 构相对复杂，分离效果不稳定，从而影响到下游设备的效率和寿命。 旋流气液分离器是一种无运动构件的小型独特的分离设备，利用压降产生旋转流 体。由于气相和液相密度不同，在离心力和重力的作用下，密度小的气相从分离器中部 随上行流排出；密度大的液相液滴随下旋流甩到分离器边壁，流向底部收液腔，从而实 现气液两相的分离。旋流式气液分离器在初步的试用阶段反映效果明显好于其他结构， 是一种比较理想的设备，且还有结构紧凑，体积小，成本低，能量消耗少，效率高等优 点。 阻力系数和分离效率是评价分离器性能优劣的两个关键条件阻力系数越小，分离 能耗越低；分离效率越高，使用价值越大。单一强调其中任一个方面都是不可取的，必 须综合考虑。双蜗壳式旋流分离器相比导叶式旋流分离器的优点在于迸料口分布在分离 器两侧，流场均衡，没有导叶式分离器柱段的导叶结构，直接由进气口形成旋流，结构 更加简化，提高了分离设备的稳定性和使用寿命，阻力系数远低于导叶式旋流分离器， 在分离效率上( 尤其是大流量下的气液分离) 优于传统导叶式旋流分离器。 但是在入口流量较大的情况下，分离器内下行流对柱段内壁摩擦较大，液膜较厚， 能量损失严重。本已分离的液体在碰撞内壁后进入上行流反混夹带，影响气一液分离效 果，对于含液量浓度较大的混合物尤为突出。 因此有必要对双蜗壳旋流分离器柱段进行结构改进。本次课题拟在双蜗壳旋流分离 装置的柱段外加装套筒，形成柱段套筒的双筒结构，并在柱段( 内筒) 上开设一定数 量和规律的直缝，使外筒与内筒间产生一个气体滞止区。当含液气流进入旋流分离装置 后，气流中的液滴在离心力的作用下向边壁运动，通过柱段直缝进入气流滞止区。由于 液体进入滞止区后，该区域的扰动很小，液滴从收集空中返回内套的机会很小，而后在 外简内壁向下流动，到达收液腔，通过排液管被收集，提高了分离效率；由于开缝后气 液相对边壁的摩擦减小，减少了能量的损失，阻力系数也相应变小。通过本次试验， 为改进双蜗壳分离器柱段结构提供有力的试验支持。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本文着重介绍新型双蜗壳双筒体式旋流分离器柱段开不同数量直缝结构的气液性 能试验，采用负压进气，试验介质为空气和水。通过对比柱段开缝前后结构阻力系数的 变化，固定浓度、不同流量下系统分离效率的变化，分析双蜗壳旋风分离器柱段开直缝 对分离器性能的影响。 1 3 1 基准试验 ( 1 ) 测量分离器柱段未开缝的结构下，不同入口流量的芯管内动压、静压和排气 室出口压降，作出流量压降曲线。 ( 2 ) 通过每次试验读取的出口压降和入口流量，计算出未开缝结构下的系统阻力 系数，并求出平均值。 ( 3 ) 固定系统的入口流量，观察不同浓度下，分离效率的变化情况；进行高浓度 下不同流量下的分离效率变化，分别制图，分析入口浓度对分离效率的影响情况。 ( 4 ) 固定系统的入口浓度，观察不同流量( 本次试验取入口流量1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 、 3 5 0r n 3 h ) 下，分离效率的变化情况，作出流量效率曲线。 由于以下开缝试验均以流量效率曲线比较开直缝对分离器效率的影响，所以基准 结构下固定浓度不同流量的试验需要多次进行，力求数据准确。 1 3 2 开缝试验 制作内径1 5 0 r a m 、1 7 0 m m 、1 9 0 m m 套筒及配套法兰；在分离器柱段开不同数量的 直缝；比较不同套筒，多缝形式下的分离器阻力系数和分离效率变化规律。 ( 1 ) 柱段开一缝，安装1 9 0 m m 套筒的结构。重复基准试验步骤，作出流量压降 曲线，计算阻力系数，试验浓度对分离效率的影响，试验同浓度下不同流量的分离效率 变化。更换其他套筒，重复上述试验。 ( 2 ) 柱段开二三四条缝，分别试验同浓度下不同流量的分离效率的变化，计算各 种开缝结构下不同套筒的阻力系数。 1 3 3 对比分析 根据不同开缝结构下的试验数据，对比基准结构，作出压降、效率开缝前后的变化 情况，说明试验现象，分析形成原因。 3 第一章前言 1 3 4 阻力特性 收集各种开缝结构下不同套筒的阻力系数数据，对比基准结构，作出相应曲线，分 析原因。 1 3 5 总结改进 通过以上试验，总结出双蜗壳旋流分离器柱段开直缝结构对气液分离性能的影响。 找出试验范围内最优结构，说明现象，分析成因。对柱段结构的进一步改进提出可行性 方案。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章旋流气液分离器应用研究现状 1 9 世纪8 0 年代，诞生了世界上第一个分离器旋粉圆锥形旋流分离器，随后各种形 式样式的分离器接踵而生。通过对分离器外观结构、流场结构等的研究，总结出分离器 的各种运动规律，奠定了分离技术的理论基础。多数试验研究基于气固、液固、液 液分离器。专门针对气液分离的研究和理论基础相对较弱。近年来，气液旋流分离技 术已日益成为国内外竞相研究的热点技术【l 】。根据分离器的结构不同有管柱式、螺旋式、 旋流板式、轴流式、蜗壳式旋流分离器等【2 】。 2 1 旋流器的分离原理及性能指标 2 1 1 旋流气液分离器分离原理 旋流气液分离器是一种无运动构件的小型独特的分离设备，利用压降产生旋转流 体。由于气相和液相密度不同，在离心力和重力的作用下，密度小的气相从分离器中部 随上行流排出；密度大的液相液滴随下旋流甩到分离器边壁，流向底部收液腔，从而实 现气液两相的分副1 0 】。由于该种类型的分离器所需液体滞留时间较少，从而体积和重量 相对较小，结构紧凑。同时分离效率、分离质量较高，适合于单相组分要求高的场合， 工况适应性强【l l 】。 2 1 2 旋流气液分离器性能指标 检验旋流气液分离器性能参数的指标主要有：代表实际生产运行中气液处理量的 处理气量q n ，表示气液分离效果的总效率所，还有表示分离器能量消耗损失的出1 ：3 压 降。 ( 1 ) 处理气量q n 在实际生产运行中，分离器的气液处理能力直接关系到企业投入资金的规模。处理气 量大的分离器运行中利于管理，减少人员投入。所以处理气量是衡量旋流分离器优劣的 重要参数。由于装置在安装过程中不可避免的因素，因此出气口和进料口得气体流量一 般是不一样的。处理气体的流量是旋流分离器性能大小的重要指标，用体积流量来表示。 实际生产运行中的分离装置，因为漏气的原因，其入口和出口的气体流量一般不同。所 以，使用平均值来表示分离器的处理气量。如公式2 1 所示。 幽：毕 ( 2 - 1 ) 第二章 旋流气液分离器应用研究现状 式中： q n 处理气量，m 3 m ； q n i 分离器的入1 2 1 气量，m 3 h ： q n o 分离器的出口气量，i n 3 h 。 ( 2 ) 分离效率研 。 在分离器实际生产运行中，总分离效率是最常用的性能评价指标1 2 】。分离效率高表 示这种分离器的实用意义更大。进入分离器的物料m ，被分离了的物料m 2 已经系统中 损失掉的物料m 3 之间遵循质量守恒原理： m l = m 2 + m 3 总效率研可以简单用分离器分离的物料质量比上进入分离器的质量 e r - - 丝：1 丝：丝! ( 2 2 ) m 1m lm 2 + m 3 式中：m 一进入分离器的物料质量，k g h , m 2 一被分离的物料质量，k g h ； 尬一损失掉的物料质量，k g h 。 ( 3 ) 压力损失z l p 分离器的压力损失是气液相经过分离器后压力的损失，损失越小，说明分离器能 耗越小，越有利有节约成本，是分离器的重要能耗指标。旋流分离器的压力损失主要是 因为旋流分离器内物料旋转而产生的动能耗损和物料进入分离器入口时，横截面积突然 减小造成“1 2 1 。 装置理想的状态下，压力损失应该是最小的，压力损失比1 1 。，如公式2 3 所示。 1 1 , a p ：p i - p e ：1 丝( 2 - 3 ) 5 百司百 式中：p i - 表示进口压力，m p a ： p 。分别表示进出口压力，m p a 。 2 1 3 结构参数对分离性能的影响 在旋流分离器结构相同的情况下，影响分离器性能的因素有以下几点【1 3 舶】。 ( 1 ) 入口角度对流场结构的影响 入口角度是指混合物入口的绝对速度方向和旋流器横截面的夹角，主要影响着入口 速度的切向和轴向分量，从而影响到混合物在旋流器内部的停留时间与流场结构，直接 反映在分离效率上。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 处理量对分离性能的影响 处理量主要影响入口混合物的初始速度，从而影响分离性能。 ( 3 ) 溢流管直径对流场结构的影响 溢流管直径是影响旋流器性能的重要参数，选取溢流管直径需要考虑多方因素，直 接影响分离效率和压力损失变化，因此设计溢流管时，应尽量减少压力损失。相同处理 量下，溢流管直径与压力损失成正比。溢流管直径偏大也会造成流场的紊乱从而使得分 离效率下降。 ( 4 ) 底流管直径对分离性能的影响 影响旋流器分离性能的另一个重要参数是底流管直径。尤其是对分离效率和压 力损失的影响。 阻力系数和分离效率是评价分离器性能优劣的两个关键条件阻力系数越小，分离 能耗越低；分离效率越高，使用价值越大。单一强调其中任一个方面都是不可取的，必 须综合考虑。双蜗壳式旋流分离器相比导叶式旋流分离器的优点在于进料口分布在分离 器两侧，流场均衡，没有导叶式分离器柱段的导叶结构，直接由进气口形成旋流，结构 更加简化，提高了分离设备的稳定性和使用寿命，阻力系数远低于导叶式旋流分离器， 在分离效率及上( 尤其是大流量下的气液分离) 优于传统导叶式旋流分离器。 2 2 旋流分离器结构现状及应用 气一液分离器的性能各异，结构类型多样，其中，包括无分流式惯性分离器、双相 涡轮分离器、重力沉降分离器、平行蛇管分离器、离心力分离器、旋流分离器等。目前 所使用的气液分离器主要有水力旋流器结构和旋风分离器，但由于其体积相对庞大，结 构相对复杂，分离效果不稳定，从而影响到下游设备的效率和寿命。 1 9 7 9 年，w a t s o n 与d a v i e s 等人制造出倾斜向下进料的进料口，中间圆柱型分离腔， 出气管在上、排液管在下的柱管式气液旋流分离器【3 】。如图2 1 所示，在重力和离心力 作用下，切向进入分离器的气液两相产生了旋流，组分较轻的气体被上行流吸引到分 离室的中部，随上行流从气体出口排出；较重的液体由于离心力甩向筒壁，随下行流从 分离器下方液体出口流出。这种结构提高了传统分离器的分离效率而且成本低廉。 7 f i 9 2 。1h y d r o s t a t i cp r e s s u r e - f l o wr a t eo fg a s 1 9 8 5 年，z i k a r e v 改良了g l c c 的排液结构，在分离器柱段底部增加了一个长方形 孔。由理论分析可知这种结构可以减少排出气体中的液滴返混夹带现象。经过试验数据 佐证，有利的支持了理论分析。 1 9 9 5 年，k o u b a 使用g l c c 进行多相流的流量检测，气液两相流经g l c c 分离后 由单相流量计测量，再合并到一起，从而避免多相流测量过程中的很多问题。 并且k o u b a 对g l c c 的进料口倾斜角度、操作压力、筒体和进口结构做了大量研究试 验【4 】。分析上述因素对排出气体中夹带液体的影响，以及g l c c 的使用范围和分离效率 的影响【8 】。经过系统的试验分析，建立初步的g l c c 系统理论，奠定了地面、海上油气 分离、井下分离等条件下g l c c 的应用基础。 1 9 9 6 年，f r a n c a 等研制成功了螺旋片导流式气液旋流分离器，如图2 2 所示【5 】。流 体介质由设备的侧面切向进料，螺旋片导流式气液分离器内部，在固定的螺旋状叶片 作用下液体旋转，液滴被螺旋运动牵引下碰撞聚集，形成较大液滴。由于重力、离心力 作用，从气相成分中分离。经过研究，螺旋片分离器可以分离采出液流中8 0 左右的气 体，并且液体反混夹带很少。在分离气量小于6 0 的情况下，被分离出的气体中液体含 量几乎不存在，其分离效率明显高出同类设备【6 】。这种分离器还可以进行石油井下的油 水分离、空气压缩的提纯处理甚至应用到火箭燃料的氦气分离。还可用于污水处理， 在海上、偏远地区油井或远距离的油气输送都拥有广泛的实用前景。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 液檑出口管 相出口警 图2 - 2 螺旋片导流式气液旋流分离器 f i 9 2 - 2h y d r o s t a t i cp r e s s u r e - f l o wr a t eo fg a s 板式旋流气液分离器如图2 3 所示【7 1 。由图可知，上下分离口是圆锥型设计，中间 被柱形的分离室连接。这种结构分离的关键部位是在筒体中间位置放置的锥形旋流板。 气液相物料通过布置在锥形旋流板上的众多叶片，形成一定角度的旋流，在重力和离 心力作用下，甩到外侧边壁，汇集到溢流槽，实现气一液两相的分离。上述结构中，口 仰角、夕径向角和叶片的数量是旋流板分离器的3 个重要指标。该种设备相比传统分离 器，可分离液滴的直径明显变小，而且不堵塞旋流板，耗能较少；但是可以分离的液滴 直径范围较小，而且当入口流量较小时，分离器的分离效率下降比较明显。 图2 3 旋流板式气液分离器结构示意图 f i 9 2 - 3h y d r o s t a t i cp r e s s u r e - f l o wr a t eo fg a s 2 0 0 2 年，曹学文等国内学者在前人研究基础上，对管柱式分离器的模型建造提出了 新的方法。他们总结出了分离器进料入口、分离器内旋流、两相中气相以及液相流场的 模型，经过模型分析改进了管柱式分离器的部分结构参数和步骤【8 】。2 0 0 4 年周帼彦等人 使用达西公式，简化了压降的计算，应用流体力学计算出九种螺旋流场，通过数值模拟 比较螺旋在距离下不同数量对分离器结构和压降变化的影响，并应用到分离器的实际设 9 ! 第二章旋流气液分离器应用研究现状 计中【9 】。 2 0 0 5 年，中国石油大学( 华东) 多相流试验室设计研发出了轴流导叶式气液旋流 分离器，如图2 _ 4 所示。这种分离器采用气液物料的轴向进入。和切向进料产生旋流的 分离器相比，这种分离器的旋流由导叶产生，阻力系数明显减小，降低了能耗，；并且 分离器内部的流场比较稳定，提高了分离器的工作平稳性，减少了阻力损失。相比较传 统分离设备，轴流导叶式分离器的加工方便，更加适应石油、炼化企业的复杂工况下的 分离要求，同时成本低廉，工艺简单。 2 0 0 7 年他们又研制成功了内径1 0 0 m m 轴流式气液旋流分离器。通过对该种分离器 的大量试验研究和性能测试发现，当入口流量较大时，分离器内的流场中会出现短路回 流，本已经分离出来的液滴随上行流二次夹带从气相口流出。这样就降低了分离效率。 当对排气芯管和排气室进行一定改造后就能相对减弱这种对分离效率的影响。 图2 4 轴流导叶式气液旋流分离器 f i 9 2 - 4h y d r o s t a t i cp r e s s u r e - f l o wr a t eo fg a s 蜗壳式旋流分离器采用切向进料，针对传统蜗壳式旋流分离器存在的内部流场偏心 与轴不对称等问题，中国石油大学( 华东) 提出了新型双筒体蜗壳式旋流分离器。如图 2 5 所示。 1 0 f i 9 2 5h y d r o s t a t i cp r e s s u r e - f l o wr a t eo fg a s 1 排出口；2 进料口；3 柱段分离腔：4 锥段 双筒体蜗壳式旋流分离器的基本工作原理是利用气液两相的密度差在离心力场中 实现两相的分离。由于它结构紧凑，直径小，分离效率高，通常组合成多管后使用以满 足工艺的要求。虽然这种分离器的结构简单，但其内部却是复杂的三维、两相强旋流运 动。内径1 1 4 r a m 及5 0 r a m 系列的双蜗壳式旋风分离器已成功的应用在天然气输送管线 的净化分离器中，显示出这种分离技术在气一液固三相分离过程中的突出优势。目前， 为了适应不同工艺条件对分离设备的要求，尤其是高负荷下、低压降、低能耗的限制， 迫切需要开发新型双简体蜗壳式旋流分离器，而与此相关的基础研究文献及研究成果还 较少。 2 3 旋流器内部气液两相流理论研究现状 2 3 1 气一液两相流模拟的研究进展 气液两相的流动在各个行业中都是普遍存在的。由于气液两相的不同状态，伴随 流体的速度、粘度和压力等参数的变化，存在形式呈多样性【1 7 】。气液两相流的数值模 拟比单一流体运动要复杂，首先要建立合适的数学模型，包括运动轨迹方程、边界条件、 计算方法等。根据上述条件编写相应的数学模型，经过计算机模拟出相应结论。其次忽 略一定条件，简化运算量，并且要考虑扩散相运动规律。s o t o 1 8 】于1 9 7 5 年对气液两相 流模型进行修正，得出了一种新型的湍流模型。 第二章旋流气液分离器应用研究现状 两相流模型有多种样式。如果从刻划尺度和属性上，主要分为以下3 种： ( 1 ) 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 这种模型使用欧拉坐标，把颗粒相近似为拟流体。当今多数两相流研究普遍使用这 种模型【1 9 1 。 ( 2 ) 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 这种模型针对流体相使用欧拉坐标，对颗粒相使用拉格朗日坐标，认为气相是连续 相，颗粒相是离散的【2 0 。这种模型对每一个颗粒、气体以及颗粒和颗粒间的相互影响都 进行了比较详尽的分析【2 1 1 。由于这种模型能够跟踪大部分颗粒运动的轨迹，也称其为颗 粒轨道模型吲。由于碰撞几率决定了颗粒间的碰撞，m o i r ec a r l o 对这种模型进行了改 进，加入了碰撞几率。 ( 3 ) 流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i a le m o d e l ) 这种模型对流体和颗粒的运动规律使用拉格朗日坐标【2 3 】。目前广泛使用的连续介质 模型，在各自的区域内，气液两相分别质量守恒、动量守恒；在交界面上分别满足质量跳 跃条件、动量跳跃条件【2 4 】。在一般分析研究中，我们不必详细了解流体的运动情况，只 是宏观的概括他的运动轨迹，所以研究方向不同时，可以假设不同种类的气液平均运动 的模型。1 9 7 2 年著名的气液混合体运动方程被v a l lw i j i n g a a r d e n 2 5 】设计出来。在小气泡、 小空穴比的条件下，c a f i s l h 等人【2 6 】分析了各物理量的量级，通过求极限得出混合体的平 均方程。由于现场情况复杂，多种因素变化难以预测，试验模拟出的流体模型和传输边 界对比实际流体有着较大差距，因此数值模拟结果还不能应用到实际工程中。 2 3 2 旋流分离器流场的研究进展 气液旋流器内部的旋流流场比较复杂。一般由分析试验数据得出一定的流场规律， 提出理论，并在接下来的试验中验证原理的可信度进一步改良。 旋流分离器内部存在着复杂的三维强旋湍的流场【2 7 1 。一般通过大量试验来找出分离 器的流动规律，用试验来验证及补充原理，修改并完善流动特性的数学模型。 1 9 6 1 年，n i s s a n 和b r e s s a n 最早在分离器流场方面进行研究【2 8 】。试验通过向2 个切 向入口注水，使用探针测量管内涡旋流场，通过数据分析，发现分离器的中心位置存在 与上行流相反的逆向流动。 1 9 7 9 年，i t o 等人使用多电级探针测量，发现切向速度有两个区域，分别是管中心 的强制涡流区域及周围的自由涡流区域。1 9 8 8 年，a l 西衔等人得出雷诺数对于速度的影 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 响相应增强的结论【2 9 1 。 2 0 0 2 年，e r d a l 得出单切向进料口得分离器内部流场非对称的结论，中心强涡流呈 螺旋状分布；双进口结构的分离器流场对称性优于单口分离器。 通过上述研究表面，旋流器内流场分布的规律是相似的。在旋流器的内部，切向速 度准r a n k i n e 涡结构，沿轴向方向变小；轴向速度分成中心部分的上行流及边壁部分的 外旋流。入1 ：3 流量非常大的情况下中心部分会出现向下的旋流 3 0 】。湍流强度的分布规律 中心部分强度最大，外部接近定值，快接近边壁的区域湍流强度升高。因为核心强制涡 的影响，所以旋流器中湍流脉动的规律是各相异性的。经过流场试验测试，以及c f d 模拟验证都证实了上述理论。 2 3 3 旋流器内部流场的计算流体动力学模拟 近年来，随着人们对旋流器应用程度的重视，相关的c f d 研究也开始迅速发展。 因为理论的滞后，c f d 在现阶段只能作为真实流场试验和数值模拟的辅助手段，还要不 断改进。相比旋风分离器、水力旋流器，c f d 针对气液旋流分离技术的研究刚刚起步， 缺乏流场试验测量和现场运行数据的支持。 1 9 8 2 年，b o y s o n 等人率先使用c f d 方法，结合k - 模型和代数应力方程，建立了 湍动各相异性的代数应力模型( a l g e b r a i cs t r e s sm e t h o d ，a s m ) 。并创造性的对旋流器 进行了二维模拟。1 9 9 3 年d y a k o w s k i 和w i l l i a m s 使用修正k 模型，1 9 9 6 年g r i f f i t h s 【9 】 和b o y s a n 应用r n gk - 模型分别针对旋流器进行c f d 模拟试验【3 l 】。1 9 9 9 年m e i e r t l o 】 等人提出了k 模型和标准p r a n d t l 混合模型相结合的各相异性模型。使用有限体积法， ( f i n i t e v o l u m e m e t h o d ，f v m ) 通过把新模型和各相同性的k 模型互相比较后发现， 前人使用的各相同性的模型在模拟旋流器内部流动时是不准确的，各相异性模型得出的 结论和试验数据非常一致。1 9 9 9 年a j h o e k s t r a 等人使用激光多普勒测计( 简称l d v ) 测量旋流器内部流场试验，分别利用k 、r a n gk 一及雷诺应力模型( r e y n o l d s s t r e s s m o d e l ，r s m ) 进行c f d 模拟研究3 2 1 。经过c f d 数据与试验数据的对比提出了3 种预 测旋流器中强涡旋流动的湍流模型。c f d 预报和l d v 数据对比发现，使用涡旋黏度法 的湍流模型得出的结论与实际测量的漩涡不吻合。标准的k - 模型、r n gk e 模型预测 出的轴向、切向速度的分布规律与实际测量不吻合。只有雷诺应力输运模型r s t m 的预 测和试验数据得出的3 个涡旋量的测定数据一致性较高。同时由这种模型得出的正常湍 动应力比试验数据的要低，有必要进一步优化模型。2 0 0 2 年f m e r d a l ”】使用c f x 软件， 1 3 第二章旋流气液分离器应用研究现状 利用标准k - 和r s m 两种模型分别对g l c c 内部的重相气液旋流的流场进行数值模 拟。模拟结果和l d v 数据进行对比，得出在旋流器内最高的切向速度在分离器进口处， 随着轴向与径向减小的结论。轴向速度分为两个区域：中心附近向上的流动区域以及壁面 附近向下的流动区域，结论和l d v 试验检测的速度分布规律相近。经过比较发现，使 用标准k 模型模拟的切向速度结果比实际测量的数值要高，使用r s m 模型模拟的切 速度结果比实际测量的数值要低。l e g o m c z 【蚓使用颗粒轨迹模型，针对重相气液两相 旋流分离中颗粒运动的轨迹分布建立了数值模拟，预测出g l c c 系统中气泡的夹带和效 率情况。 随着计算机处理能力的发展和旋流理论的完善，c f d 技术将会建立起更加完备的数 学模型，为工程实际问题的解决提供有力的参考依据。 2 3 4 液滴聚集的研究进展 气液两相流系统下，液滴相互碰撞产生聚集效果，对系统内的流动产生一定影响。 当前对液滴聚集的研究刚刚开始，其主要研究方向集中在固体颗粒碰撞聚集的研究。由 目前的研究成果分析，颗粒团的流动是气液颗粒两相流的一个关键特征。1 9 7 8 年 y c r u s h a l m i 和c a l l k u r t 首次使用了颗粒团的概念【3