多锥水力旋流器同时进行三相分离体系的数学模型(pdf 6页).pdf

年月国外石油机械 多锥水力旋流器同时进行三相分离 体系的数学模型 贺杰 译 大庆石油学院机械 系 摘要水力旋 流器分离设备在海洋石油工业中已证明是必 不可少 的工具 海 洋钻井 与生产中的严重 问题是 如何 同时减 少产 出水 中油与固体 的浓度 在 重新利用 或排放至公海前使其含 量达到环境允许的程度 为解决这一障碍 目前的研究工作已 将双锥和单锥水力旋 流器的设计与操作条件以流体动力学方式混合而成为混合式的 多锥 水力旋 流器 能完成液固液三相 同时分 离 该项研究中这 种混合式 的水力旋 流 器称为同时进行三相分离的体 系 以概念为基础的数学模型及其 流体动 力学已开发 主题词旋 流分 离器 三相 分 离 数学模型效率相对速度 引言 理论 上已进行了几种研究 即 固液水力旋流分离体系的计算机仿真和一些经验模型 以 及其它的一些涉及液 液水力旋流器 但对同时进行三相 分离 的多锥水力旋流器很少予以注 意 本文介绍的理论 推导出同时进行三相分离的油和 固体的效率及进一步对其修正 内部流 动涉 及到 在多锥水力 水 旋流器中油 和 固体 的相 对 油 日 固体 速度 水力旋 流器的概念 清除固体用缝隙 人口 使用多锥 水 力旋流 器 可实现 不同相的同时分离 本项 研究的多锥同时进行 三 相分离水力旋流器见图 采用多锥水力旋 流器的理由在于 相位状态控制机构 多锥段 横向流 图多锥水力旋流器 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 国外石油机械第卷第期 当外涡流 向下运动时 其 角动 量矩的损失 由多层次锥角的减少即 半径 的缩 小来补偿 从而 改善了分 离效率 固体的排 出是在其运 移至边 界层 后 在低压区经锥顶 处 的间隙由 横向流挟带 出 因此 通过改变工业水力旋流 器 的锥体尺寸和数目 以及锥体的几何 结构 可以改变流体的角动量矩 从 而改变其效率 多锥水 力旋流器是由液 液与固 水力旋流器混合混合式水力旋流器 叮 夕舔 叫 几 动 雕 水 了 人 一 伙 赫 浊 两相两相 三相 图水力旋流器混合而成的 液水力旋流器混合而成的见图 为了在水力旋流器中产生强 涡流能力 以便从水中分离 出油滴和 固体 混合液的入口速度 应是液液分离的最大入 口速度 油和 固体两者都必须处 于离心场状态下 以便油可以完全进入到 内涡流反向流中 沿轴线从水力旋流器溢流 口排 出固体进入外涡流 中并被推 向边界层 通过横 向孔隙和底流挟带出去 混合的三相分离器有双重作用 即当关闭环形固体出口时为两相分离方式 而处于打开状 态时为三相分离方式 三相分离水力旋流器数学模型的建立 该模型限定在三种不互溶组份或液体的混合物范围内 其密度可表示 为各组份密度的线 性组合 在模型中使用 了下述假定 分离过程是在稳定状态下发生的 三相分离水力旋流器 中不 发生分散 相颗粒的团聚或 破碎 分散相颗粒或液滴有假定的尺寸分布 全部流动为离心场流 动 没有短路 流 没有流 向溢流 横 向流和底流的直接流动 根据上述假定 总的物质平衡对总的流量可以写 出一个平衡方程式 和 二 分别 为进口 溢流 横 向流和底流的流量见图 同理 分散相的物质平衡方式可以写成 式 中 尤 和 分别为进料 溢流 横向流和底流中分散相 的体积百分率 对不同 尺寸范围内的分散颗粒 下述分量方程是有效 的 了 一 旦 乓竺之 凡丝 卑丝 旦互 竺业 工 项代表进料流中尺寸的分散相颗粒体积百分率 而 对是累积尺寸分布 同理 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 年 月多锥水力旋流器同时进行三相 分离体系的数学模型 守 口 人 和 分别代表在溢流 横向流 和底流中尺 寸下的分散相颗粒的体积百分率 累积尺寸分布是密度分布 一一 一 带 二匕 毛蕊 一 一 一 一一 丁 和在统计学上 由下式关 谓 联 相 旦 旦卫 据 馒 一 歹 一 对油分散相 横向流 砚 级效率 可定义为溢流中 尺寸的分散相颗粒的体积流量对 进料 中尺寸的分散相颗粒 的体积流量之比 图图解 中各分的分离 二 工 又八 叼 了 因此 级效率为 二 积分公式得出总效率 或油分散相的总回收率 一 二 了了 了 而 可表示为 对固体分散相 同理 固体的级效率 可定义为横向流中尺寸 二 的分散 相颗粒的体积流量与入口处 尺寸的分散相颗 粒的体积流量之比 弩 罕 因此 级效率为 二 二 积分公式得 出总效率 或重质分散相总回收率 一 丁了 二 了 二 艾 而 可表示为 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 国外石油机械第卷第期 中短路流的研究 与其它水力旋流器一样 三相分离水力旋流器的分离过程受到直接出现 在 出 口处 的短路 流的影响见 图 进料 的特性由 和表示 它分为三个流束 分别是溢流 横向流和 底流 顶壁边界层 流 的短路流 直接到溢流 保持为进料状态下 侧壁层流短路流 和 直 接流向横向流的底流 也保持为进料状态 这 些短路流假 定维持在相对低的离心场下而没有发 生分离 这些短路流以外的部分 一 一 一 进入外涡流中承受离心场的作用 这种流动的 一部分在接近底流口附近反向流动 其体积流量为 组份 颗粒尺寸分布 为 尸 二 在反向流动过程中 分散相颗粒假定仍然为液体所挟带 其它的颗粒 由于离心作用 由外涡 流集中到内涡流 这一过程是在它朝向溢流口运移 中沿整个反向流动的涡流长度上发生的 朝 向溢流口这一喷射状流动与顶 壁 短路流 汇合构成溢流流量 横向流在边界层中沉淀的固 体由可调节装置携带出 并假定这种流动主要是由离心力场推动这些固体 由外涡流到边界层 形成横向流 而底 流是来自外涡流的全部没有反向流动的液体与侧壁 流 合并形 成 物质平衡分析 在几个选定的控制区内进行内部流动分析 控制区选择在溢流 横 向流 底流和反向点处 即全部颗粒在流动中发生反向处 因此 物质平衡在每个控制区内按下述步骤完成 溢流控制区 在 内涡流附近区颗粒尺寸范 围的分散相物质平衡为 一 工 一 一一 了 式中仅 为油的离心级效率 溢流分量可假定为 一 一 一 一 二 了 横向流控制区 横向流的三个 主要部分是 离心场 一 颗粒从外涡流被推 向边界层并沉积到出口装置 短路流 侧壁短路流直接汇聚到横向流中 向底流汇聚的短路 流的阻断 颗粒在这里与 向底流移动的颗粒碰撞 使它们的动量 矩和方向改变 在外涡流附近区颗粒尺寸范围的分散相物质平衡为 八侧 一一五二下一 一八 一万二一一 入丈一一 一 认 一二 正万一 沈沈 试 式中 为固体的离心级效率 横向流的分量是由侧壁短路流和离心场形成的 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 年月多锥水力旋流器同时进行三相分离体系的数学模型 一 一 一 一 二 万 二 了 底流控制区 底流附近区颗粒尺寸范围的分散相物质平衡 八 叼 一二正了一八 一了二下 十人 叼 一 一下 丁一 沈孟 注 油和 固体的离心效率分别定义为 一丁歹 了 一 了 联立方程和并重新整理 了 二 一百二 一 一入 优 一 一 一 丁 一了 式 中 一 一 一叭 将方程代入方程并重新整理 八 以 一二正了一一八 一二获二一 十 气 沈沈 些姿丝 一 勒 旦 黑乓 毕 沈 工 一 二 只 一 一 丁了 一 一二 上述推导方程是在整个分散相颗粒尺寸范 围上积分 重新整理 对 得出下列表达式 一 一一 一 二 一 口 一 叹 也叼一叼 式中 宁叮 叮 口 方程是一个重要结果 将总的油分离效率 与总的固体分离效率 和 油的离心效 率 联 系在一起 重新整理公式 一 一 口 一 一 一一一 苏一不布一一一下刃一 夕乃 寸 乙 娜一碌 一 二 一 最终方程为 一 一 宁 乃 一 气一一一不石一下芍一一一下刃一一 乙 州卜 乙 护心 一 心 它可进一步表示为 一入丫 尸 式 中衍的界限为 镇衍 毛 并由下式给出 肠 尸 一 一 叮 一 凡是无量数 称为水力旋流器数 由的操作和几何变量决定 数可根据 油分离效率对固体分离效率 曲线 由实验确定 换言之 可 由方程中各参数确 定 的操作有双重性 通过打开或关闭固体装置可实现两相或三相分离 对于两相模式 方程 凡 值和油 的效率 增加 而其代价是固体的分离效率减少到接近零 同时在 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 国外石油机械第卷 第期 此情况 下效率的定义转变为底流的净化纯度 油和 固体的相对速度 水力旋流中 油 固体和水三相 的分离在径向方向上是通过粗颗 粒被推 向器壁边界 层 经横向间隙 由横向流挟带而 出 同时 细小油滴或颗粒移至轴线并溢流排出 重力和 紊流的作用在下述理论中认为没有什么显著作用 油和 固体的相对速度可由作用于颗粒或液滴上力的平衡来计算 由离心力与径向阻力 的 平衡得 一 髻 一 告 丫 式中 乃 固体分散相密度 丙 连续相水 的密度 连续 相 一 二 耐于 的切向速度 旋 流器半径 固体颗粒的体积一 竺菩三 流滴或 碑 一 一 一 一 一 一 一 夕 颗粒径向相对滑动速度 颗粒或液滴的当量半径 阻力 系数 可 由 下式给出 一粤 拼 一刀 当 亡 值确定为 对于相对滑动速度 可解方程得 镇 妻 内 产 丝 夕止二卫望 些 凡 重新整理方程 了 于 二 一 石下不气乃 一 切夕 下 产 式中 产 连续相的粘度 切向速度被定为 毛毛 时 罗 一了下丫 一 门厂 二 簇簇 时 一 粤 式中和为经验系数 对固液分离而言