（机械工程专业论文）轴流式双筒体气液旋流分离器性能试验研究.pdf

p e r f o r m a n c et e s t i n gr e s e a r c ho f a x i a ld u a lc y l i n d e rg a s - l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h e n gf e n g s u p e r v i s o r ：p r o f w 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 t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：矽叫年厂月1 一日 ， 学位论文使用授权书 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、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：丝鲨 指导教师签名： 日 日 w 7 月 月 r r ， 年 年 7 期 期 日 日 p e r f o r m a n c et e s t i n gr e s e a r c ho f a x i a ld u a lc y l i n d e rg a s - l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o r c h e n gf e n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e n b o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mi n d u s t r y , c h e m i c a l ，b i o l o g j 【c a lt e c h n o l o g y , t h e g a s - l i q u i ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g yu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y b e c a u s eo ft h es i m p l ea n d c o m p a c ts t r u c t u r e o ft h eg a s l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o r , l i g h tw e i g h t ，l o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，e s p e c i a l l ys u i t a b l e t ou s ei n a d v a n t a g e so f f s h o r eo i l & g a se x p l o i t a t i o n c o n v e y i n g ，e t c t r a d i t i o n a lg u i d ev a n eg a s l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o ri nh a n d l i n gv o l u m e a n dg a sc o n t a i n i n gl i q u i dc o n c e n t r a t i o nh a ss o m el i m i t a t i o n s w h e ne n t r a n c ef l o wa n dc o n t a i n l i q u i dc o n c e n t r a t i o ni sb i g g e r , s e p a r a t i o nc o l u m ns e c t i o no fl i q u i dm e m b r a n e a t t a c h e do nt h e w a l lt h i c k n e s si n c r e a s e s ，r e t u r nt om i xi n c r e a s e ds m u g g l i n gp h e n o m e n o n t h r o u g ht h eo p e n f r a c t u r e sa n di n s e p a r a t o rc o l u m ns e c t i o np l u se x t e r n a lt u b e ，c o n s t i t u t e an e ws t r u c t u r e g a s - l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o r , n a m e l y a x i a ld u a l c y l i n d e rg a s - l i q u i dh y d r o c y c l o n e s e p a r a t o r c o l u m ns e c t i o na f t e ro p e ns e a m so nt h ew a l lo ft h ec o l u m ns e c t i o nt h i c k n e s so f l i q u i dm e m b r a n ea t t a c h e d e f f e c t i v e l yr e d u c er e t u r nm i xe n t r a i n m e n th a p p e n s i ng a s 1 i q u i dt o r o i d a ls w i r ls e p a r a tw a l lc y l i n d e rb o d yn e a rl i q u i dm e m b r a n el a y e r s e r i o u s l y , e n t r a i n m e n th i g hr e t u r n sm i xu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wt h i sp r o b l e ms e p a r a t i o n e f f i c i e n c yi ne x i s t i n gg a sa n dl i q u i dg u i d ev a n ev o r t e xs e p a r a t o rb a s i s ，t h r o u g ht h eo p e ni n c y l i n d e rs l e e v es e a ma n da d d i n go u t s i d et h en e ws t r u c t u r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c et e s t s b a s e do nt h es a m ec o n d i t i o no r i g i n a lb e n c h m a r ks t r u c t a r ea n dt h en e ws t r u c t u r eo ft h e s e p a r a t i o no fd i f f e r e n to p e nt h ep e r f o r m a n c et e s t ，t h es e a ms t r u c t u r es t r u c t u r ep a r a m e t e ra n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es e p a r a t o ri so p e ns e a ms t r u c t u r e o fo r i g i n a ls t r u c t u r ec a nr e d u c ee x i s t i n gr e t u r nm i xe n t r a i n m e n tp h e n o m e n o n ，s e p a r a t i o n e f f i c i e n c yi si n c r e a s e do b v i o u s l y e n t r a n c ef l o wa n dt h ea p p l i c a b l es c o p eo ft h ec o n t a i n i n g l i q u i dc o n c e n t r a t i o na n de x p a n d e d k e yw o r d s ：a x i a l ，d u a lc y l i n d e lg a s - l i q u i ds e p a r a t i o n ，p e r f o r m a n c es t u d y u 礓薯廿罗一 第4 章试验结果分析。2 6 4 1 基准实验结果与讨论。2 6 4 1 1 入口流量与分离效率的关系。2 6 4 1 2 含液浓度与分离效率的关系2 7 4 1 3 入口流量对出口压降的影响2 8 4 2 开缝实验结果与讨论。2 9 4 2 1 开缝后相同含液浓度入口流量与分离效率的关系。2 9 4 2 2 开缝后含液浓度与分离效率的关系。3 2 4 2 3 开缝对出口压降及阻力系数的影响3 3 4 2 4 开缝数量对分离效率的影响3 5 第5 章结论及进一步工作展望3 7 5 1 ! 占论：；7 5 2 进一步工作展望。3 7 5 2 1 操作参数方面3 7 5 2 2 结构参数方面3 8 参考文献4 0 攻读j r 程硕士学位期间取得的学术成果4 3 致谢 e b o l i 。，其中r 为【0 ，1 1 间 的随机数，e b o u n 为反弹效率，当此条件不满足时，液滴间碰撞后将发生反弹。b r a z i e rs m i t h 研究了聚合和瞬间聚合两种情况的临界值，当e e 。o 。l 时，液滴间碰撞后发生瞬间聚合， 式中e 和e 。l 是聚合效率及其临界值。 2 4 3 气液旋流器内液滴破碎及碰撞理论分析 气液旋流分离器内流场是三维强旋湍流场，不但液滴之间存在碰撞，液滴与容器壁 之间也存在剧烈碰撞，且液滴在强旋湍流场中受到气动力、剪应力及流体波动的影响导 致本身形态也不稳定。 流场中两液滴互相接近时，根据液滴间相对速度的不同，可能发生缓慢聚合、反弹、 聚合、聚合后反溅分离或拉伸分离、破碎。缓慢聚合要求两液滴相对速度较低，这种现 象在气液旋流器内难以发生。 在气液旋流分离器内，液滴的尺寸分布较宽，大粒径的液滴随流性较差，受到的离 心力较大，主要向容器壁移动，粒径小的液滴具有较好的随流性，在湍流场波动的影响 下，不同粒径的液滴均有碰撞的可能。在旋流场轴线附近，液滴的切向速度较小，碰撞 几率较低，且以反弹碰撞为主，此区间的液滴大部分将随气流上升进入排气管，降低分 离效率。沿着径向指向容器壁，液滴的切向速度不断增大，不同粒径的液滴碰撞几率增 第2 章气液分离技术应用研究现状 大，碰撞后产生聚合的可能性也变大，液滴粒径不断增大，直到到达容器壁。 在旋流场中，液滴受到的气动压力和流动剪切力是液滴破碎过程中的不稳定因素， 对液滴起着扭曲变形、分离的作用，促使了液滴的变形和破碎；液滴的表面张力和粘滞 力对液滴的破碎起着抑制作用，使液滴保持球形。气液旋流器内的液滴一般不会因为气 动力作用发生破碎。但在容器内壁附近，气相流场的湍流强度较强，速度梯度较高，液 滴粒径经过不断聚合后导致粒径变大，气液两相间相对速度也较大，在气相扰动和剪切 力共同影响下，容器壁附近的大液滴可能破碎而降低分离效率。 对于常温固体表面，液滴达到容器壁后，可能发生粘附、反弹、沉积和飞溅4 种结 果，在气液旋流分离器内很难产生粘附现象。液滴与容器壁的碰撞结果与碰撞速度有关。 当液滴与容器壁的碰撞动能不大时，液滴的表面能将变形的液滴回复球形并发生反弹。 当碰撞速度增大，液滴的表面能不能使液滴回复球形并离开器壁，液滴就沉积在器壁并 发生震动，最后形成液膜。碰撞速度继续增大到一定程度时，液滴碰撞后发生剧烈变形， 液滴中心向器壁移动，而边缘的液体离开器壁发生反弹，液滴的中心部分在器壁表面形 成液膜，边缘的液体摆脱表面张力束缚向外形成飞溅。 2 5 结构参数对气液旋流分离器性能的影响 影响气液旋流分离器的分离性能的因素有很多，从结构方面上来讲，主要有简体、 导叶、排气管和分离柱段等几个方面。 2 5 1 筒体结构对分离性能的影响1 5 】 轴流式气液旋流分离器简体结构一般采用管柱式和管锥式两种，在流速较低时，管 锥式的分离效率高于管柱式，流速较高时，管柱式的分离效率高于管锥式。管锥式的压 降损失要小于管柱式。 1 2 当气体流速较 和切向速度也随着 l z v v 呈管锥形状 管锥式旋流器的分 流动湍动强度增加 部分液滴不能及时 液膜曳走形成二次 第2 章气液分离技术心用研究现状 交 土 基 f f f隔j j 黼心 。瓤 i n 。，f - 淋、f if n ，t r m 。 i j 、圳 l 酶 j l 自 l p i 缝 浚 务 衔 i主 。_ _ _ _ 4翮 0 瓤 p 抓 f 、 7 饿1 7 良7 i l i l ， 墒 “l 建 。壤 ， f l i a j 镑 e 式ib l 错锥式 图2 9 旋流器内流场分布随流速的变化情况 f i g 2 - 9h y d r o c y c l o n ei n t e r n a l f l o wf i e l dw i t ht h ec h a n g eo f f l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 2 5 2 导叶角度对分离性能的影响1 6 j 导向叶片的几何尺寸是影响轴流式气液旋流分离器分离性能的重要因素。如果导叶 出口角度过大，则轴向速度增大，切向速度下降，分离的离心力相应减小，不利于分离。 如果导叶出口角太小，虽然切向速度够大能保证分离所需离心力，但轴向速度过小，涡 旋强度迅速衰减，液体分离空间不足，同时轴向速度过小会造成比较大的短路流，这些 都会使分离效率降低。当流速超过一定数值后，分离效率开始随流速增加呈下降趋势。 流速增大后，分离器内的湍流强度也大大增大，液滴的碰撞、破碎雾化加剧，分离越加 困难。附着在分离器内壁上的液膜，随着流速增加，表面出现湍流弥散，产生气雾夹带 现象，部分液滴会进入内旋流发生二次返混。随着进口流速增加，进口与气体出口间的 短路流也不断增强，这也使得分离效率降低。合适的导叶出口角既能保证旋流器内的主 流稳定，提供足够的离心力，保持层流状态，还可以大大减少短路流的产生。 不同的导叶结构存在不同的分离临界流量，此时旋流器的离效率最大。一般认为旋 流器的临界流量随导叶角度的增大而增大。但实验证明并不是大角度的导叶结构分离效 率就最高，金向红等人通过实验发现，3 0 。导叶结构的分离效率就低于2 5 。导叶结构。 导叶角度越小，压力降越大。导叶式旋流分离器的压降损失中，以流体旋转的动能 损失、进入排气管时截面忽然缩小的损失和进出导叶的损失最为主要。导叶的出口角越 小，导叶的出口截面积就越小，流体离开导叶时的流速越大，这会使流体离开导叶时的 1 4 中固石油人学( 华东) t 程烦i j 学位论义 局部阻力增大。 2 5 3 排气管结构对分离性能的影响【7 】【1 2 l 排气管的结构尺寸对旋流器分离的临界速度显著影响，改变排气管结构可以消弱短 路流的影响，提高分离效率。结构1 和结构2 是传统分离器常用的排气管出口结构，结 构3 和结构4 为改进的排气管出口结构。在低流速下随着叶片出口流速的增大，流体切 向速度增加，离心力变大，分离效果提高。当叶片出口气速达到一定数值后，分离效率 开始下降。这是由于随着流速增加，分离器内湍流强度也大大增加，在强湍流作用下， 。 液滴的碰撞、破碎雾化情况加剧，分离难度增加；同时器壁上的液体随流速增加出现湍 流弥散，产生气雾夹带，二次返混现象加重，进口与气体出口间的短路流也不断增强， 使得分离效率下降。 在一定气速下，结构4 的分离效率最高，结构2 的分离效率最差。结构3 和结构4 可以有效的阻碍和降低短路流的产生，同时由于结构4 的截面积逐渐减小，有一个向上 的倾斜角度，不利于液膜的形成和攀升，因此其分离效率最高。 i 泅 0 送 | ! | | | i t ： ( a ) 妻2 ；构1( b ) 结构2 ( c ) 结构3( d ) 结构4 图2 1 0 排气管出口结构 f i g 2 9 e x h a u s te x p o r ts t r u c t u r e 2 5 4 柱段长度对分离性能的影响1 8 】 柱段长度较长或较短时比取中间值的结构分离效率要高。柱段长度较长时，分离空 间高度较大，流动空间较足、短路流、尾端流场和返混较弱，液滴有足够的时间和空间 向分离界面移动，故分离效率高。柱段长度较短时，分离空间高度较小，短路路和循环 流流量相对较小，由于短路流、返混和循环流是影响气液旋流分离器分离性能的主要流 动形式，故效率也比较高，但流场不稳定，效率存在较大波动。当柱段长度取中间值时， 短路流、返混和循环流的影响达到最大，因此分离效率最低。 1 5 第3 章实验装置、内容及计算方法 3 1 试验原理 第3 章实验装置、内容及计算方法 气液两相流从进气室经螺旋到叶片进入分离室，在螺旋导叶的作用下，气液混合物 以较高的速度离开叶片出口做螺旋运动，形成旋转流，液体颗粒在旋流场内碰撞、凝聚、 汇集成大液滴，在离心力和重力的作用下，液体向管壁流动，并从下部液体出口流出， 气体进入内旋流并从顶部排气芯管离开分离器。由于分离柱段内筒开有直缝，内筒壁上 的液膜被气流从缝隙中吹出，液滴随气流进入内外筒间的气流滞止区，气流滞止区扰动 很小，随气流进入的液滴很难返回内筒，而会附着在外筒内壁上，最后沿外筒内壁流入 集液室。从而减小了分离柱段内筒壁上的液膜厚度，减少了返混现象的发生，提高了分 离效率。 3 2 实验装置 实验装置如图3 1 所示，整个系统由供风系统、进液雾化系统、分离系统和测量系 统构成。 本实验采用负压操作，在风机抽吸作用下，气体与雾化液混合进入轴流式双筒体气 液旋流分离器，在导叶的作用下形成高速旋转流，在离心力和重力作用下，气体中的液 滴通过碰撞、凝聚成大的液滴，被甩到分离器边壁，再从底流口流出进入分离器的灰斗， 气体从溢流口经排气管由风机直接排空。 轴流式双筒体气液旋流分离器与传统导叶式气液旋流分离器相比，其在分离柱段外 增加一夹套层，构成双简体结构，夕 筒和分离柱段( 内筒) 均插入集液室，内筒四周开 有缝隙供离心分离的液滴导流。内筒与外筒形成一个气体滞止区，分离的液滴通过收集 缝隙导向外筒，外筒将内筒分离的液滴及时收集，避免了气体的返混央带。本实验中内 筒壁上均匀开了4 个直缝，试验中先将缝隙封闭进行测量，作为基准数据，然后逐步开 缝，对比开缝数目多少对分离效率的影响。 。 1 6 中国杠油人学( o # 东) 丁程硕i ：学位论义 图3 1 气液旋流分离试验装置流程简图 f i g _ 3 - 1g a s l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t i o nt e s td e v i c ef l o wd i a g r a m 1 风机；2 闸板；3 避e 气管；4 毕托管；5 温度计6 u 型管压差计；7 出气室；8 进气室；9 导叶；1 0 内筒；1 1 外筒； 1 2 灰斗；1 3 收液口；1 4 溢流管；1 5 雾化喷嘴；1 6 计量泵；1 7 水槽；1 8 流量计；1 9 稳压罐：2 0 压缩机 图3 - 2 轴流式双筒体气液旋流分离器结构示意图 f i g - 2 a x i a ld u a lc y l i n d e rg a s - l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o rs t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g l a 多相流体入口l2 导叶；3 套筒上端盖；4 内筒；5 夕 筒；6 套筒下端盖；7 集液室；8 底流液相出口； 1 0 溢流气相出口；1 1 进气室 1 7 第3 审实验装置、内容及汁算方法 本实验设计时，针对分离器外筒结构和安装方法的不同，本文试验考虑两个方案： 1 ) 方案一 本方案3 种外筒结构相似，均具有上下法兰，以便与进气室和集液室进行固定，仅 外筒内径尺寸不同。每测完一种内径的外筒，均需将外筒从装置上拆下，安装较繁琐， 且需要检验气密性的地方较多，外筒的制作耗费材料也较多，制作成本偏高，但实验的 准确性较高。 外阿隧 图3 - 3 外筒结构简图 f i 9 0 3 - 3 s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h eo u t e rt u b e 2 ) 方案二 本方案3 种外筒结构不同，最大内径1 9 0 m m 的外筒做有上下法兰，用于固定，1 7 0 m m 和1 6 0 m m 内径外筒无上下法兰，实验时先使用1 9 0 r a m 外筒测量，待使用另两种外筒时， 将小内径外筒塞入1 9 0 m m 外筒中并固定，1 9 0 m m 外筒上部固定可不用拆卸，只需拆卸 集液室与外筒的联接即可，安装方便，且外筒制作简单，成本较低。由于大外筒中套有 小外筒，可能对分离器内的流场造成略微影响。 1 8 图3 - 4 外简装配结构简图 f i g 3 - 4a s s e m b l ys t r u c t u r ed i a g r a mo ft h eo u t e r t u b e 1 1 9 0 m m 外筒；2 1 7 0 m m 外筒；3 1 5 0 m m 外筒；4 内筒 本文实验选择方案二。由于本实验需要测量三种内径外筒、分别开4 条直缝，合计 1 2 种结构，需要测量的数据较多，结构变换频繁，采用第二种方案可以减少大量工作 量，同时可以保证对装置的气密性要求，节约了实验成本。考虑设备的承重要求，法兰 厚度至少应达到1 g r a m 以上。密封胶挚多次使用后密封效果会降低，故每次拆卸后都应 检查装置的气密性，及时更换胶挚，以免对实验造成影响。 3 3 主要测试参数及测试方法 3 3 1 静压、动压测量 采用毕托管测量，毕托管的测压点位于排气管道的中心，正对来流的方向。静压、 动压数值直接由毕托管上读出。 3 3 2 流量测量 气体流量q g 采用毕托管测量所得数据经公式计算得出。在本试验中认为底流 口泄气量为零，分离器进、出e l 气量相同。 1 9 第3 章实验裟置、内容及计算方法 图3 5 毕托管的测量原理图 f i g 3 5m e a s u r i n gp r i n c i p l ed i a g r a m o fp i t o m e t e r m e a s u r e m e n t 由毕托管可直接测出的压力为静压和全压。全压的测点也可称为驻点，在此处列伯 努利方程： 丛+ 堕。旦( 3 1 ) ， 2 9 ， 式中：p o 一静压，p a ； “o 一流体流速，m s ； p 全压，p a ； ，一流体重度，n m3 ； 啦力加速度，取9 8m s2 。 其中意u2 ；pp o ，等也称为动压，动压只：尸一昂 2 9 ， 2 9 。” 触专2 一墨r 一旦p gz g 体动压只和流速y 之间的关系 从而有 d 2 2 了 二 ( 3 2 ) 中困以油人学( 华东) t 程硕f ：学位论文 对于实际流体 从而毕托管测量流量的公式为： a ：互d 2 1 7 ；兰d 2 2 v 4 4 一i t g “2 ，v 7 2 p d 式中：k ，一毕托管常数，对于标准毕托管k ，毫1 ； p 一流体密度； q 一管道流量； 卜出口管道内径； 矿一管道截面平均气速； a 一流量系数。 又= p g n ( 动压) 由肌棚得，p 一盟m 辛p 一篇 。 尺丁 对于空气，m = 2 9 x 1 0 。k g m o l 因此：驴= k ；= k ，厕 对于标准毕托管：玮e l ；对于空气，r = 8 3 1 4 5 j m o l k ；代入上式得 哗历焉= 鼯 f 2 1 8 3 1 4 5 ( 2 7 3 1 5 + f ) h 昌 i 一 、( + 昂) 2 9 x 1 0 。 = 2 3 9 4 6 2 1 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 序 互p 户y l y 第3 帝实验装置、内容及计算方法 式中：只一动压，m m h 2 0 ， 尸r 大气压，m m h 2 0 ； b 一静压，m m h 2 0 。 出口流量： q o u t 1 4 万d 2 i = i 1 万d 2 a y 对于本分离器，管道出口( 毕托管所在的管道) 内径为7 0 m m ， 2 u 乃y ，因此 q o u i ；4 翔r d2 0 8 9 2 3 9 4 6 1 f ( 2 7 3 1 + 5 昂+ t ) p d 。3 6 0 0 = 1 6 7 3 8 d 2 3 6 。臀 - 2 9 5 2 5 8 垦写；萼罟监( m s m 、+ 昂 、7 小糌饥( m 3 h ) 式中：尸卜旋风管出口静压，m m h 2 0 ： 尸广_ 入口静压，m m h 2 0 。 截面平均气速： ( 3 6 ) 歹。 鱼 三刀d 2 3 6 0 0 4 。了j l m s ( 3 7 ) 二万x 0 0 1 x 3 6 0 0 4 t 0 0 3 5 3 6 8 q i 。 叶片出口流速决定着对液滴分离起主要作用的流体切向速度，故采用叶片处的出口 流速来表现分离效率随流速的变化，叶片出口流速y 。未裔万，式中彳，为导向叶片间流 门 体通道横截面积。 a j - - 署( d ：一d ? ) s i n 卢一三6 ( d 。一d ；) ( 3 - 8 ) 式中：d 。，d i 一叶片的外径和内径； 中困石油人学( 华东) t 程顾i j 学位论义 咒一叶片个数； 夕一导叶的出口导角； 6 一导叶厚度。 3 3 3 入口含液浓度g 入口含液浓度由下式计算求得： ，历1 o 2 苍 ( 3 9 ) 其中：_ ，1 1 一加液质量； f _ 试验时间。 3 3 4 压力降测量【1 0 1 压力降采用毕托管压差计进行测量。其中：溢流压降哦为分离器入口与溢流口( 气 体出口) 之间的静压差。底流压降哦为分离器入口与底流i z l 之间的静压差。一般而言， 溢流压降哦是气液旋流分离器的主要能耗参数。 3 3 5 阻力系数 分离器的阻力系数可由压力降与入口气速推得。分离器的压力降大小是评价其性能 的重要指标了。分离器压力降的大小不但影响动力消耗，而且也受工艺条件的限制。气 体通过分离器的压力降可表示成进e l 气体动能的某一倍数，即 卸= 亭譬 ( 3 - 1 0 ) 所以 亭；驾 ( 3 11 ) p 雌 式中： 卸一压力降，n m 2 ； 他一气体在分离器入口管中的流速，m s ； p 一气体密度，k g m ，； 亭一阻力系数，对同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器，亭为常数。 第3 章实验装置、内容及计算方法 3 3 6 总效率e t 旋流分离器的效率一般分为质量效率和修正效率( 澄清效率) 两种定义方式，本文 中由于底流泄气量为零，进出口气量相等，故在数值上两种方式计算结果相同。另外， 本实验不考虑蒸发量对测量的影响，本文实际采用下式进行测定计算： 日= 2x 1 0 0 ( 3 1 2 ) 帆 其中：m ，为收液桶所收集液体的质量。 3 4 实验内容 3 4 1 基准实验 以分离器柱段内筒不开直缝结构作为试验基准结构。基准实验分别测量了四种入口 流量下各四种含液浓度的分离效率情况，用以分析入口流量、含液浓度与分离效率的关 系，入口流量与出口压降的关系及分离效率与出口压降的关系。加液时间统一定为3 分 钟，每次停机收液时间控制在大致相同。每次实验均需测量毕托管动压、静压和出口压 降，加液质量和收液质量。通过毕托管静压和动压及当时实验温度，计算入口流量；通 过加液质量、加液时间和入口流量计算入口含液浓度；通过加液质量和收液质量计算分 离效率。选取相同入口浓度下的实验数据，分析不同入口流量下的分离效率变化；选取 相同入口流量下的实验数据，分析入口含液浓度与分离效率的关系。忽略入口含液浓度 的影响，研究入口流量和出口压降的关系。 3 4 2 内筒并缝对比实验 开缝数目从开1 条缝逐渐增加到4 条，同时改变外筒内径，外筒内径分别取 1 9 0 m m ，1 7 0 m m ，1 5 0 r a m 三种，共计1 2 种结构。每种结构重复基准实验的测量内容， 操作参数相同，用以对比不同结构下的分离效率、出口压降等数据的变化。不同结构实 验，调节风机改变入口流量时，力求每种流量大致相同。 3 4 3 试验步骤 1 ) 读取实验室当前温度； 2 ) 打开风机，向进气室内加液5 分钟，使装置内壁充分浸润，停机收取集液室内 液体； 3 ) 称量加液前喷壶质量，打开风机，读取毕托管静压、动压及出口压降； 中固钉油人学( 华东) - 下程顾j j 学位论义 4 ) 向进气室内加液并计时，在3 分钟内保持均匀加液； 5 ) 停止加液，关闭风机，待出1 3 压降回零后收取集液室内液体； 研称量加液后喷壶质量及收液质量； 7 ) 计算入口流量、含液浓度及分离效率； 8 ) 以相同的工况重复实验，对照前次所作实验数据，误差不超过1 时，两次所做 实验数据为可信数据，否则重新实验； 9 ) 改变结构( 开缝、更换外筒) ，重复上述步骤，得出不同结构所需数据。 3 4 4 注意事项 1 ) 为保证进液浓度，每次所用喷壶内装液质量应大致相同，加液时间严格控制在 3 分钟，根据所需入口含液浓度的不同采用不同的加液频率，相同的含液浓度， 加液频率应大致相同： 劲每次收液时，应关闭风机闸板，待毕托管所示出1 3 压降回零后再收取液体，收 液时间保持一致； 3 ) 每次开始实验前及改变分离器结构后，应对开机加液，对分离器内壁进行充分 浸润，减少实验误差： 4 ) 每组实验均需做对比实验，保证此工况所得数据的准确性； 5 ) 本实验为负压操作，需保证装置的气密性完好，每次改变结构后应检查装置的 气密性； 6 ) 天气对实验具有一定的影响，大风天气下即使不开风机，毕托管读数也无法回 零，应避免在此情况下实验； 第4 帝试验结果分析 第4 章试验结果分析 4 1 基准实验结果与讨论 4 1 1 入口流量与分离效率的关系 在基准实验所得数据中选取含液质量浓度c i = 2 0 9 m 3 左右，不同流量下分离效率情 况如下： 表4 1 不同入口流量下分离效率 t a b l e 4 - 1s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n ti n l e tf l o w 序号含液质量浓度( 咖3 )入口流量( m 3 h ) 分离效率( ) 12 1 2 06 7 9 28 6 1 1 22 1 1 19 5 8 68 0 1 9 32 0 7 91 0 7 0 67 7 0 5 42 0 0 21 5 7 7 96 5 1 9 9 0 8 5 ： 8 0 誉 婚7 5 较7 0 璧6 5 、 6 0 5 5 t j v 5 07 09 01 l o1 3 01 5 01 7 0 a r a 流量m 3 h 图4 - 1 相同含液浓度下分离效率随入口流量变化曲线 f i g 4 - 1s e p e r a t i o ne f f i c i e n c yc h a n g i n gw i t he n t r a n c ef l o wu n d e r t h es a m ec o n t a i n i n gl i q u i d c o n c e n t r a t i o n 从图4 - 1 的变化曲线可以看出，随着入口流量的不断变大，分离器的分离效率反而 降低。从实验过程中观察发现，流量增大时，排气管内产生的液膜随气流一起盘旋上升， 出气室内排气管口有大量液滴随气流排出，故所测分离效率降低。随着入口流量增大， 分离器内流速增大，容器壁内附着的液滴被再次吹起，随上行流进入排气管，发生返混 导致效率降低。同时随着流量的增大，分离器内的湍流强度加大，液滴受到的气动压力 和流动剪切力也相应变大，液滴破碎情况增多，分离相对变得困难。溢流管口附近的短 2 6 f 。一，浮多丢譬嗡0 一掺 蠢，i 盏函：一专“， 殴t 瓷翻一黼。一磁爨燃黪翳罄黟i 镪褊鞔囔氇缀j l 二。i j 。j ? 镪 躺鳃曩嘲姥豫雕臻蜀圈圈疆黼l 燃尘越_ 菇i 蹴。盏澎。如女一，蒯毋警孰卷蕴龇乩龇础_ 旌纽盔“。一；，一一曼磊 图4 2 大入口流量下出气室 f i g 4 - 2v e n t i n gr o o mi nt h ec o n d i t i o no fl a r g ee n t r a n c ef l o w 4 1 2 含液浓度与分离效率的关系 选取入口流量q g = 6 8m 3 l l 左右时的数据为代表进行分析，含液浓度与分离效率情 况如下： 表4 2 不同含液浓度下分离效率 t a b l e 4 - 2 s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi n d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sc o n t a i n i n gl i q u i d 序号 入口流量( m 3 h ) 含液浓度( g m 3 ) 效率( ) 16 7 9 2 1 7 6 78 1 8 7 2 6 8 1 7 2 1 0 28 6 1 1 36 7 8 12 4 4 48 7 9 5 4 6 8 1 7 4 4 7 68 9 4 7 56 8 1 31 8 7 8 89 6 0 8 2 7 第4 章试验结果分析 1 0 0 一 了a 一一 7 ， 9 0 8 5 术 糌8 0 较7 5 纂7 0 6 5 6 0 5 5 u u 1 06 0 1 1 01 6 02 1 0 含液浓度g m 3 图4 - 3 相同流量下分离效率随含液浓度变化曲线 f i g 4 - 3s e p e r a t i o ne f f i c i e n c yc h a n g i n gw i t hc o n t a i n i n gl i q u i dc o n c e n t r a t i o n u n d e rt h es a m ee n t r a n c ef l o w 由相同流量下分离效率随含液浓度变化曲线可知，分离效率随含液浓度的增加而增 加，增大到一定程度后分离效率增加的趋势变缓。这是由于随着含液浓度的增加，分离 器内液滴颗粒数量也增加，液滴颗粒之间的碰撞几率增大，更容易发生团聚，有利于分 离，同时低含液浓度时，蒸发掉的液体所占比例相对较大，也影响分离效率。含液浓度 增大到一定程度后，聚合的液滴发生破碎的数量也变多，通过返混和短路流进入排气管 中的液体也随之增加，故增长趋势变缓。 4 1 3 入口流量对出口压降的影响 对于一定结构的分离器，含液浓度不会对出口压降造成多大影响，可以忽略不计， 入口流量与出口压降情况如下： 表4 - 3 不同入口流量下出口压降 t a b l e 4 - 3 e x p o r tp r e s s u r ed r o pf l o wi nd i f f e r e n te n t r a n c ef l o w 入口流量( m 3 h ) 6 7 9 29 5 8 61 0 7 0 61 5 7 7 9 出口压降( p a ) 4 1 07 9 09 9 02 1 4 0 2 8 中国石油人学( 华东) t 程硕i ：学位论文 2 5 0 0 2 0 0 0 山1 5 0 0 数 幽 1 0 0 0 j | 5 0 0 o 5 07 09 01 1 0 1 3 01 5 01 7 0 入口流量m 3 h 图4 - 4 出口压降随入口流量变化曲线 f i g 4 - 4e x p o r tp r e s s u r ed r o pf l o wc h a n g i n gw i t ht h ee n t r a n c ef l o w 由图4 3 出口压降随入口流量变化曲线可知，出口压降随入口流量的增加而增加。 导叶式旋流分离器的压降损失中，以流体旋转的动能损失、进入排气管时截面忽然缩小 的损失和进出导叶的损失最为主要。由于流量增大后，进入分离器的气流流速也变大， 气流高速旋转所产生的动能损失增多，气流与分离器器壁摩擦造成的压力损失也变大， 因此出口压降变大，入口流量变化越大，出口压降改变越大。同时在大入口流量下，返 混现象也增多，随上行流进入排气管中的液体增多，分离效率降低。 通过对基准实验的研究可以发现，导叶式气液旋流分离器比较适合在较低入口流量 下工作，分离效率随入口流量的增加而降低，且入口流量增大会导致压降升高，耗能变 大。含液浓度增大后虽然分离效率增大，但随上行流进入出气室的液体也增长很快。 4 2 开缝实验结果与讨论 开缝实验每开1 个缝分别换3 种外筒进行实验，外筒夹套内径分别为1 9 0 m m ， 1 7 0 m m ，1 5 0 m m ，对照基准实验测量结果如下： 4 2 1 开缝后相同含液浓度入口流量与分离效率的关系 开一缝时，取含液浓度c i = 2 0 9 m 3 左右，3 种内径外筒结构所测分离效率如下： 第4 章试验结果分析 表4 _ 4 不同内径外筒入口流量与分离效率的关系 t a b l e 4 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n de n t r a n c ef l o wo nt h ed i f f e r e n t d i a m e t e ro u t e rt u b e 外筒内径( m m ) 含液浓度( g m 3 ) 入口流量( m 3 h )分离效率( ) 2 1 2 06 8 1 79 3 1 4 2 0 1 19 6 2 18 6 3 1 1 9 0 2 1 1 51 1 7 5 58 0 8 3 1 9 8 71 5 8 3 76 6 9 6 2 0 8 26 8 1 79 1 4 2 1 9 0 89 5 3 98 3 3 4 1 7 0 2 1 7 81 1 6 5 57 6 0 9 2 0 4 5 1 5 7 6 16 2 7 9 1 9 5 36 7 8 l8 7 8 6 2 0 3 29 6 2 18 1 5 3 1 5 0 1 9 7 91 1 7 5 57 1 4 4 2 1 0 31 5 7 6 05 6 4 5 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 入口流量m 3 h 图4 5