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文档简介

1、VASPS,主要有三个分离阶段1.主要分离段在膨胀室中,入口喷嘴将动量传给气液混合物,并且将它们沿圆筒壁面切向方向喷出。这时候,就有一些气体从液体中分离出来了,但是企业混合物还是存在的。这种气液混合物开始在壁面上旋转,形成带有分散气泡的液膜。在较强离心力场的作用下,气泡开始沿着径向移动,并最终到达液膜表面。所以随着液膜的旋转,更多的气体被分离出来到达内部气流。上述描述的现象可能发生在正常的操作条件下,如图4A所示。图4B和4C顺序显示了由于较多的气液混合物流量而在膨胀室中产生的两个不正常的工作状态。当前者产生时,液膜会攀上壁面到达连接膨胀室和气体排出管线的孔口和插槽,因此会在排气管线上产生液体

2、携带。当后者发生时,由于液膜在两侧壁面之间架桥,膨胀室被溢满。为了保证足够的分离效果,这两种工作状态是必须避免的。当液膜在膨胀室中旋转时,产生的离心力场会在径向形成压差使液膜攀上壁面。如果液膜到达在膨胀室上部的孔口和插槽,气体出口管线就会出现液体携带。这种情况的出现是由于喷嘴的混合物的速度太高或者是膨胀室的高度没有合理的设计。图4C显示的溢满情况是由于液膜过厚堵塞了膨胀室内的环形空间的原因。这时运转会变得非常不稳定:压力上升并波动;液体在膨胀室中聚集并且间歇地流入环形通道。这种溢满现象的发生是因为液膜不能均匀地覆盖膨胀室的壁面,根本的原因是喷嘴的混合物流速过低或者瞬间的液体流量高于分离器的正常

3、处理能力。当喷嘴的排出速度过高时还会产生其他方面的问题:膨胀室里可能形成较小的液滴并且与气体一起流动形成雾状流。如果膨胀室的尺寸决定产生的上升速度很低的话,那么雾状流中的液滴将不会产生较高的液体携带。所以喷嘴和膨胀室的设计必须能够处理由入口管段间歇流和段塞流引起的气液流速瞬变的情况。这些运行上的限制状况,可以通过合理的设计避免。气液主要的分离发生在膨胀室内,实验数据表明,大约70%的气体在这一阶段被分离。更重要的是,这一分离段减轻了气液两相入口的流量波动,从而使分离器的运行更加平稳。2.第二分离段在分离器的第二段中,混合物做明渠流动沿着螺旋通道向下流。重力是主要的驱动力,同时有中等的离心力和壁

4、面剪切力,使液膜沿着壁面流动,形成液膜的表面和截面形状。流动的水动力发展发生在4-6个相等的螺距长度内。在液膜中分散着剩余气体形成的气泡。所以,这种两相流动可以被认为是一种有分散气泡的混合物做分层液膜流动。液膜的表面相对于主对称抽是倾斜的。自由气体在螺旋通道的上部流动,并最终通过通道内壁上部的孔流入气体流出管线。螺旋通道的螺距决定了最大的液体流速,并且在给定的操作条件和通道大小的情况下决定了液体携带量。图5给出了螺旋分离器中的一系列工作状况。图5A是正常工作状况;图5B和5C是不正常的工作状况,分别是螺旋通道的堵塞和螺旋通道出口处的液膜中含有分散的气泡。图5B中的堵塞最容易发生在膨胀室阶段的第

5、一段螺距上。当这种情况发生时,压力上升同时有两相混合物喷射出气体收集器(内层套管)。进入内层套管的液体可能堵住气体从而引起流动的不稳定,引发气液携带等。由于这些原因,在设计分离器尺寸的时候,上游入口管线的流型是一个主要的考虑因素。当瞬变流发生时,或者入口管线中含有严重段塞流,分离器的螺旋通道可能不能处理最大的瞬变流速。这就堵塞和溢满了膨胀室。在后面的设备改型中,为过渡液膜流动而在连续段上安装了一块连接装置:一种变螺距的双螺旋结构可以使膨胀室中的液体平滑地流入螺旋通道。通过这种方法可以扩大可应对的瞬变流量的上限。当气泡在螺旋通道的停留时间小于它们到达气液截面所需要的时间时,在螺旋通道的尾端液膜将

6、会含有分散气泡。离心力场和重力场将会决定气泡相对液膜的速度和轨道。所以螺旋通道尾部气泡的存在是液膜横截面的形状、液体流速、气液密度比、液体粘度、气泡大小形状、螺距的长度和数量的函数。最终得出,当设计分离器的第二分离段时必须:(1)完成流体从膨胀室到螺旋通道的平滑过渡流动;(2)合理的设计螺旋通道的尺寸以使截面含叶率小于一个临界值;(3)合理的设计螺旋通道的长度以使某一大小和形状的气泡在液膜离开螺旋通道的时候到达气液交界面;(4)合理的设计气体收集套管的直径以避免向上的气体流速拖带了液膜中液滴。为了计算这些参数,我们必须使用瞬时气液流速,而这种气液流速是与两相流型密切相关的。3 第三分离段分离的

7、第三段是由重力驱动的,发生在分离器的底部。分离任务包括将进入分离器下部水腔的液膜中含有的气泡和将液膜喷射入水腔夹带入得气泡分离出来。另外一个任务就是将液体倒入抽吸泵,所以说,水腔是阻止泵中含有气体的最后一道屏障。第三分离段的工作状况如图6所示。图6A显示的是正常的工作情况;图6B显示的是当气泡进入泵的抽吸管线时产生气体携带的工作情况。当设计分离器的第三段时,我们必须考虑可以减少气泡携带,消除旋流的因素,比如分离器主要分离阶段的流速、浓度、喷射形成的气泡的大小和形状、水腔中液位的高度等。数学模型的开发:1 主要分离段在三个分离段中,模拟膨胀室内的流动和分离过程的工作是最沉重的,这是因为在膨胀室中

8、有几个流动现象同时发生。测量和模拟了沿着膨胀室内壁流动的液膜的水动力学特性。这项工作的目标是开发一个数学模型能够预测由实验数据支持的平均液膜量。这个模型的基础是写成圆柱坐标形式的边界层方程的整体形式。流动被认为是轴对称的。实验的数据包括液膜在内壁上的厚度分布和相应的流向。能够测量沿着膨胀室圆周和对称轴的不同位置的变量的技术是工作在脉冲和回声模式的电导和超声探针。因为液体的质量流量是输入的数据,所以在测量点的轴向和切向的平均液膜速度是可以计算出来的。测量数据和数值模拟揭示了入口喷嘴和膨胀室的较好的几何外形和合适的操作条件。单独就膨胀室的形状而言,数值模拟显示圆柱体上形成的液膜要薄一些,实验测试也

9、证明了这一点。因为较薄的液膜可以促进相分离,并且圆柱体容易制造,所以模型2B是一个很好的选择。为了能够保证足够的分离性能,图4B和图4C显示的两个不正常的工作状况是不能出现的。当入口喷嘴的喷出速度过高时,发生液体攀爬现象。举例来说,当入口混合物拥有很大的气体流速的时候,喷嘴出口处的速度就非常高,同时可能出现液体雾化现象并形成雾状流。另一方面来说,较低的入口速度不能提供相分离所需要的离心力,同样的情况也发生在当膨胀室的半径过大的情况。较厚液膜的形成会减少相分离的效率;液膜的架桥会导致分离器的溢满。这个过程主要是由惯性力和重力控制的,因此当选择弗洛德数的范围是110时,也就确定了较合适的入口速度范

10、围。弗洛德数的特征直径是喷嘴的出口直径:,在这里是入口混合物的最大流速,是重力加速度。径向压力梯度产生的力和重力的平衡共同决定了液膜相对于喷嘴中心线的高度。惯性力和粘性力起到了次要的作用。液膜高度和混合物的入口速度的一个无因次关系由下面的方程给出:,式中,是喷嘴的排出截面积,是以喷嘴直径为特征尺寸的雷诺数,是气液体积比,。常数和指数是经验数值,它们是由图7中的实验数据计算出来的。实验中使用了四个不同的喷嘴,分别在两个不同的套筒中,进行了单相流和两相流的实验。()液膜厚度和旋转速度的模型结果是图8中的连续线;开口符号代表的是实验数据,。它们是模型2B膨胀室壁上流体液膜的厚度。喷嘴的出口段作为轴向

11、距离的起点。模型和测量结果显示随着液膜下降,液膜会变厚,切向速度减小,离心力场变弱。分析这些数据可以为固定膨胀室的长度设定一个标准。在喷嘴下面大约58倍的当量直径的地方,液膜的切向速度变得微不足道以至于可以认为液膜是自由下落的。在液体粘度较大的情况下,这种距离甚至会更短。粘度为40cP的液体在5倍的当量直径以后,就变成自由下落的液膜了。最终,还是与膨胀室有关,在液膜和内管之间的环形空间的气体速度必须是一个特定的值,以避免液滴或者液膜的拖带。给定气体流速,和环形空间的横断面面积,这个特殊的速度,应该满足:式中是标准条件(20,1bar)下计算得到的密度,而是分离环境中的气体密度。这些结论取得的前

12、提是分离器的混合物入口流速是一个常数。如果气液流型是瞬变流或者段塞流等流速有波动的一类流型,那么在计算中必须使用瞬变流速。更严重的情况是,瞬变流严重到不可避免地要产生段塞流。这就需要增加膨胀室喷嘴下面的长度以容纳足够的瞬时段塞。油田测试显示膨胀室的当量体积是5090倍的入口管直径时是可以使分离过程稳定的。这些数据是大约估计;使用可以提供瞬变流数据特征的模拟可以获得更准确的结果。2 第二分离段设计分离器第二段时,计算混合物作为明渠流动沿着螺旋通道下降是一个主要任务。螺旋通道的尺寸必须保证在正常的流速下不被堵塞;当混合物作为液膜向下流动时,气液界面的形状决定了相分离的过程。确定螺旋通道的尺寸包括确

13、定螺旋通道的内径和外径、倾斜度和螺距。当拥有了气液交界面的形状和几何尺寸时,设计一个标准来估计在分离器第二段中的相分离是有可能的。对液膜流动的水动力特性进行了实验和数值模拟。等人给出的数据库包括液膜交界面的位置、平均流速、摩擦系数、含液率和湿周等数据。这些实验数据是通过使用两种不同的螺旋结构、4种不同的流体的18次实验得到的。改变螺旋通道的曲率和角度、液体的密度和粘度,可以获得流动雷诺数(以平均气液流速和水力半径为基础)的范围是45100000,结果便形成了9个层流和9个湍流的测试。通过对CFD结果的分析获得了螺旋通道中液膜流动的详细信息。图9A是通过测量得到的交界面位置和CFD计算得到的对比

14、;图9B描述了纵向的速度分布。这两个结果都是在水液膜的流动雷诺数是22315,螺旋通道横截面在笛卡尔坐标系中得到的。当计算液膜流动的平均性质时,摩擦系数是一个主要的因素。实验数据和数值模拟同时显示在相同的当量直径下,螺旋通道的摩擦系数是直管的2.55倍。与螺旋流动相关的摩擦系数是非常复杂的,因为它是与几何和水力参数有关的。几何参数包括螺旋角、曲率、内外半径和螺距。水力参数包括含液率、湿周、平均速度、雷诺数和狄恩数,狄恩数是雷诺数乘以平均曲率的平方根乘以水力直径。详细的讨论请参考的文献。实验和数值模拟的数据给出了像图10这样的设计图,在图中我们假设流量是流体粘度和比例系数的函数(选用模型1的尺寸

15、作为参考,见图2)。所以图中最低的比例系数是1:1的直线是在模型1的螺旋通道中流通能力和流体粘度的关系。图10显示,在含液率是常数80%时,流量随着液体粘度的增加而降低。相反的,当液体粘度是一个常数时,流量随着比例系数的增加而增加。在图中举例说明,当分离器第二段的内径和外径分别是532mm和760mm时,流体粘度是4cP时,流量是10000m3/d,当流体粘度是15cP时,流量是2500m3/d。在计算了液膜沿着螺旋通道流下的水力学特性后,我们可以计算临界气泡到达界面从液体中分离所需要的时间或者是螺旋通道的长度。临界气泡是当混合物进入分离器第二段时靠近通道外侧最低端的角上的气泡。它是沿着在重力

16、场和离心力场的混合作用下形成的轨迹到达界面需要时间最长的气泡。如果临界气泡到达表面的时间大于液膜在分离器中的停留时间,那么在分离器第二段尾端流出的液体中就会含有分散气泡。液膜在分离器中的停留时间,也就是停留时间,是,式中是螺旋通道的长度,是流体平均速度。临界气泡被液膜中的液体取代而到达界面的时间决定于气泡的移动速度,这个速度取决于径向和轴向的气液替换。轴向的替换是由于重力场的原因,需要的时间是,其中,式中是气泡路径在竖直方向的投影,是气泡速度的垂直分量,由以下公式给出。式中是空隙率,是气泡的半径,是拖曳系数。公式与给出的在已知平均空隙率的情况下,球体气泡从混合物中的置换速度公式相似。相对于液膜

17、的临界气泡的径向置换速度是由离心力场决定的,需要时间是,其中是气泡路径的径向投影,是气泡速度的径向分量。与上面的方程类似,式中是螺旋通道的平均半径,是气泡半径。当,并且时,液膜在螺旋通道出口处是不含有分散气泡的。数学模型概括了多种气泡流流型(包括就像由定义的层流气泡流、扭曲粒子流和搅动-紊流气泡流)在不同的气液含量下的结果。图11给出了在以螺旋通道长度为参数的情况下临界气泡的直径和液体粘度的关系。必须指出的是这种关系只能应用在流动发生在与模型1相似的流道中的特殊情况中。更为重要的是它只对球形气泡是有效的,并且假设含液率是常数在通道长度内始终是80%。结论是非常简单的:临界气泡的粒径随着液体粘度的降低或者螺旋通道长度的增加而降低。假如液体的粘度是6cP,直径是250微米的临界球形气泡在通道中流动了1200mm就到达了交界面。如果粘度增加,像15cP或者70cP时,螺旋通道相应的长度就是2400mm或者12000mm。5.小比例模型测试为了评价小比例实验室大小分离器的性能,进行了一个延伸测试项目。测试的范围包括模型1、模型2A和模型2B的操作。测试的液体流量范围是0605m3/d,气体的流量范围是03600Nm3/d。形成两相混合物的液体粘度范围是121cP。值得指出的是,由于测量数据较多,本文献只讨论了一小部分决定分离性能的数据。图1

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