（油氣儲運(yùn)工程專業(yè)論文）新型管柱式氣液旋流分離器研究.pdf

s t u d y o ft h en e w g a s l i q u i d c y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o r s a b s t r a c t s e p a r a t i o no f o i la n dg a si st h ec r u c i a lt e c h n i c so fo i l & g a sg a t h e r i n g t r a n s f e r r i n g ，c u r r e n tt h ev e s s e l - t y p es e p a r a 靶r i st h e p r i m a r ye q u i p m e n t t h a t s e p a r a t ea n dm e a s u r et h eg a sa n do i l t h ev e s s e l t y p es e p a r a t o ri s l a r g e ，h e a v y ，a n de x p e n s i v e t o p u r c h a s e r e c e n t l y , t h e g a sl i q u i d c y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o ri so n ec o m p a c ta n d e f f i c i e n ta l t e r n a t i v eo f t h e v e s s e l - t y p es e p a r a t o r b a s e do nt h er e l a t ee x p e r i m e n t sa n dt h e o r ya n a l y s e sp u b l i s h e d ，t h e m e c h a n i s t i cm o d e l sw h i c hd e s c r i b et h eg a sl i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n e s e p a r a t o r sa r es e tu p t h e s em o d e l sc o m p r i s et h ei n l e tn o z z l em o d e ，t h e b u b b l e t r a j e c t o r ym o d e l ，t h ed r o p l e tt r a j e c t o r ym o d e la n d t h ee q u i l i b r i u m l i q u i dl e v e lm o d e l t h ed e s i g no ft h eg a s l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o r s f o r e x p e r i m e n t a n dm e a s u r ew i t h o u tc o n t r o l s y s t e m i sb a s e do nt h e m e c h a n i s t i cm o t s ，t h eh o r z o a t a la n dd e c l i n i n gi n l e tp i p eh a sb e e n d e s i g n e d t h es a m et i m e i 玨o r d e rt o r e s o l v et h ed i f f i c u l t q u e s t i o no f a c c u r a t em e a s u r e ，t h eb u b b l ea n dd r o p l e t c a u g h ta n dg a t h e r e de q u i r ) m e m s h a v eb e e nd e s i g n e da tt h eg a sa n dl i q u i dl e g ，w h i c ha r eu s e dt om e a s u r e g a sc a r r y u n d e ri nt h el i q u i ds t r e a ma n dl i q u i dc m x y o v e ri nt h eg a s s t r e a mo f t h e s e p a r a t o r t h el t l e a s u r ee f f e c ti sb e t t e rb ye x p e r i m e n t 。 t h eg a s l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n e s e p a r a t o r o f d e s i g n w a s e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yi n s e r t i n gi ti n t ot h em u l t i p h a s et e s tl o o p o ft h eu n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 。t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s e p a r a t i n go fg a sa n dw a t e rw a sv e r ys u c c e s s f u l ，t h em a xv a l u eo fg a s c a r r y u n d e ri nt h el i q u i ds t r e a md i d n te x c e e d0 0 0 1 3m 3 m 3 ( 1 i q u i d ) f a r l o w e rt h ec r i t e r i ao fo ，0 2 m 3 m 3 ( 1 i q u i d ) ；t h em a xv a l u e o fl i q u i d c a r r y - o v e rd i d n te x c e e do 0 1c m m 3 ( g a s ) ，f a rl o w e rt h ec r i t e r i ao fo 0 5 c m j m 3 逸a s ) t h es e p a r a t i n go fg a sa n d o i lw a sn o ti d e a jy e tm e e tc r i t e r i a a tt h ee x p e r i m e n t a l r e g i o n t h em a x v a l u eo f g a sc a r r y - u n d e ri nt h el i q u i d s t r e a md i d n te x c e e d0 0 0 1 4i n m 3 ( 1 i q u i d ) a n dt h em a xv a l u eo f l i q u i d c a r r y - o v e rd i d n te x c e e d0 0 5c m 3 m 3 ( g a s ) t h es t r o n g l y s w i r l i n gt u r b u l e n tf l o wi n t h e g a sl i q u i dc y l i n d r i c a l c y c l o n es e p a r a t o rw a ss i m u l a t e dw i t h 攮eh e l po fc f ds o f t w a r e t h e v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，v o l u m ef r a c t i o no fp e rp h a s ea n ds e p a r a t i n ge f f e c t o fd i f f e r e n tp h a s ei nt h es e p a r a t o rw a so b t a i n e d t h e p r i m a r yc o m p u t i n r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es i m u l a t i n gr e s u l t sc o n s i s t e n t l ya g r e e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a l d a t a b a s e do nt h e t h e o r ya n a l y s e s ，e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o na n dc f d s i m u l a t i o n ，ac o m p l e t e ds e to ft e c h n i c a l d e s i g nm e t h o du s e di nt h e e n g i n e e r i n go ft h eg a sl i q u i dc y l i n d r i c a lc y e l o n es e p a r a t o rh a sb e e 玨 f i r s t l ys u m m a r i z e d 。 k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a l ，c y c l o n e ，g a sl i q u i ds e p a r a t o r , e x p e r i m e n t c f ds i m u l a t i o n 獨(dú)創(chuàng)性聲鞠 本人聲明所照交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 佟及取餐鰓騷究娥聚。盡我疑皴，除了文中特翳熱毆褥浚霸致滏 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表濺撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得石油大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 熬搴孝瓣。與我一鄹工俘豹弱惑對零臻突瘊強(qiáng)懿廷楚貢麩均鑫在詮 文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：童愛耋e ；年6 是6 基 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 車入完全了瓣石涵大學(xué)旁芙傈餐、傻黧學(xué)褪論文翡麓迤，舔： 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件及電子版，允許論文被焱閱和借 閱；舉校可以公布論文的全部戲部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印 或葵德復(fù)麓手段縑存論文。 ( 保密論文猩解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 學(xué)嫩簽名： 導(dǎo)師簽名； 靠灰重 生叢 口s 年f 月，目 。緙g 月名日 石油大學(xué)( 華東) 聯(lián)士論文 第 搴裁富 農(nóng)石油工業(yè)中，為了滿足油井產(chǎn)品計量、初加工、儲存和長距離 轅送豹露要，必繯穩(wěn)五洼按液傣秘氣轉(zhuǎn)分舞，殘為逶露久裁菠說弱爨 油和天然氣，這就是氣液分離。氣液分離通常在分離器中進(jìn)行，這是 油田用的最多、最煎要的設(shè)備之一。 縱觀氣液分離器的發(fā)展過程( 見圖l 1 ) ，大體分為三個階段， 最早躐瑗莠大量鑊懲茲是常援鴦器式( 立式秘聚式) 分囊囂與容器式凝 孛廳液瀵榘器。經(jīng)過凡十年的發(fā)糕，該頊技術(shù)融基本戒熬，當(dāng)前研究的 重點戇研制高效的內(nèi) 部填料以提高其分離 效率。容器式分離器僅 僅依囂氣液褶密袋差 實現(xiàn)爨力分離，需鼴較 長的停留時間，因此容 器式分離器傣大、笨 重、投資高。特羽楚對 于海上油氣田的開發(fā)， 容器戲分離器更擻示 了難以夷騷款缺點。雋 噬 時間 熙 一1 分離技術(shù)發(fā)展的“s 睦線 了提離經(jīng)濟(jì)往，淄辯繩贏設(shè)備麴分離效率，產(chǎn)生了許多爨蠹 約分離設(shè) 計方案，研制出了殿小型化、更輕便的氣液分離裝置，如氣體旋流器、 水力旋流器以及指狀凝析液捕緊器等，這些技術(shù)正在高速發(fā)展中。近 幾年來，出現(xiàn)了委熱緊湊、離效黢簧柱式氣液旋浚分離器( g a s l i q u i d c y l i n d r i c a lc y c l o n e 籬寫g l c c ) 。這徉靜分離器雖然2 0 綴紀(jì)9 0 年代 才剛剛開始出現(xiàn)，佩由于其體積小、分離效率高等諸多優(yōu)點而呈現(xiàn)出 強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。 蟄柱式氣液旋濾分離器是新逅提出的糖分離裝置豫，宅是帶鴦 穰瓣臻淘入口釋氣俸及滾藩毽麓靜垂壹簧( 楚圖1 - 2 ) 。溉沒有可移 動部件，也無需內(nèi)部裝置。氣液混合物由切向入口進(jìn)入旋流分離器后 形成的旋流產(chǎn)生了比重力高出許多倍的離心力，由于氣液相密度不 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 刖蟊 闋，所受離心力差鄹鑷大，重力、離心力秘浮 力聯(lián)合作用將氣體和液體分離。液體沿徑向被 推向外側(cè)，并向下由液體出口排出；而氣體則 運(yùn)動到中一心，并向上豳氣體出口攆如。這一成 本低、薰爨輕靜耨登分離器在替健健統(tǒng)容器式 分離器方面具有很大的吸引力。在油和氣的流 量分別為1 6 0 0 0 m 1 d 和1 9 8 0 m m d ，分離壓力 為6 8 0 k p a 靛分離工況下，若分別采髑管柱式旋 滾分離囂、傳統(tǒng)容器形立式和鷺式分離器，模 擬計算表明管柱式旋流分離器結(jié)構(gòu)尺寸為1 5 m x 6 m ，相當(dāng)于同等規(guī)模的傳統(tǒng)立式分離器( 2 7 m 一詩 i ：歲 黼1 - 2g l c c 分離 器結(jié)構(gòu)圖 1 0 ，5 m ) 的半左右，榴當(dāng)于傳統(tǒng)臥式分離器( 5 。8 m 2 9 m ) 的嬲分之一 左右那。 管柱式氣液旋流分離器是新型商效分離裝鼴，在歐美陸上及海上 油氣田開發(fā)中已有多個成功應(yīng)用的實例1 4 1 。歸納起來，主要稍以下四 類： ( 1 ) 攀穗流量詩計憊羯分離 器( 見圖l 一3 ) ，經(jīng)管柱式氣液 旋流分離器分離后的氣液相由單 相流量計寵成計量。 ( 2 ) 多耱滾滾量詩詩量震努 離器，對予高氣油比工況，經(jīng)過 管柱式氣液旋流分離器分出大部 分氣相，分出氣相由肇相流量計 詩量，含氣率大大藏小豹滾穰經(jīng) 由多耜流爨計完成計爨。 銎1 3 謗羹蠲g l c c 分離器 ( 3 ) 傳統(tǒng)容器式分離器或液塞捕集器預(yù)分離凝置，在原肖容器式 分離器或滾塞捕集器的前面串 聯(lián)管桂式氣渡氣滾旋浚分褰 器，為原有分離裝置撼供初步 分離的平穩(wěn)來流，提離原有分 離裝置的處理能力和分離效 果?？奢牉楝F(xiàn)毒容器式分離器 的改造搭旒。 f 書尸 t 廈償蘭享焉吣 、圍”警7l 組、一薩三二鏟_ 量 一 閏i 一4 預(yù)勢辮用g l c c 分離器 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 前言 ( 4 ) 完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離器，節(jié)省占地、減少投資，對海洋油氣 田的開發(fā)具有重要意義。 管柱式氣液旋流分離器雖然已有多個成功應(yīng)用的實例，但是，由 于其結(jié)構(gòu)緊湊，它較傳統(tǒng)的分離器對來流流型變化更為敏感。在間歇 流中，液體界面難以控制。在氣液分離器中存在氣體中攜帶液體1 的現(xiàn)象和液體中攜帶氣體1 的現(xiàn)象。因此，需要對其進(jìn)行全面的研究。 管柱式氣液旋流分離器從一出現(xiàn)就表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性和使用 價值。在國外，為了適應(yīng)這一領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的需要，t u l s a 大學(xué)成立 了分離技術(shù)工程組( t u s t p ) 來專門研究g l c c 分離器。目前已經(jīng)取得 了一定的進(jìn)展。 在理論研究方面，建立了平衡液位、旋渦形狀及位置、氣體中液 體攜帶率、液體中氣體攜帶率、氣泡軌跡分析、統(tǒng)一微粒軌跡模型等 機(jī)理模型i f7 - 1 4 1 對分離器內(nèi)部流場進(jìn)行分析研究。 由于將機(jī)理模型與真實數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證并非總是可以實現(xiàn)的，在理 論研究的同時，又采用c f d 模擬對機(jī)理模型進(jìn)行修正與改進(jìn)。g l c c 分 離器的c f d 模擬可以大體分為兩類：帶有粒子運(yùn)動的單相流動和兩相 流動。 兩相流動c f d 模擬的應(yīng)用最為廣泛的最簡化的模擬方式是采用 帶有運(yùn)動粒子( 氣泡) 的單相流動形式進(jìn)行研究，采用這種方式既不 會彼此影響也不會影響流動的狀態(tài)。事實上，這是將粒子運(yùn)動附加于 單相流場的簡化解決辦法。另外，在切向速度沿軸向衰減方面( 衰減 5 7 l d ) c f d 模擬也對機(jī)理模型進(jìn)行了驗證。在er d a l ，f 等 1 9 9 7 年的文章5 1 中也對軸向反向流動區(qū)域的存在進(jìn)行了預(yù)測，在此 區(qū)域內(nèi)，靠近器壁處液流向下流動，在核心處則向上。氣泡收集半徑 r e a p 定義為徑向上的某一位置，在此位置處軸向速度分量為零，即剛 好流動方向由向下轉(zhuǎn)為向上。運(yùn)動到收集半徑區(qū)域內(nèi)的氣泡被分離 出，并向上運(yùn)動到g l c c 的上半部分。在er d a l ，f 等1 9 9 8 年又對 進(jìn)入分離器下部的氣泡的軌跡進(jìn)行了模擬，指出氣泡在g l c c 分離器 下部運(yùn)動的三種情況。 真正的兩相流c f d 模擬仍處于不成熟階段。這樣的模擬應(yīng)當(dāng)能夠 對分散相對連續(xù)相流動的影響及兩相之間的界面進(jìn)行預(yù)測，給出速度 場分布及氣體空隙比分布的詳細(xì)信息。該模擬還可給出氣體與液體 ( 旋渦) 之間的自由界面，且與試驗數(shù)據(jù)能較好地吻合。 管柱式氣液旋流分離器用于陸上已開發(fā)油氣田，在已有油氣分離 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文日舀 器前串聯(lián)它，可增加原有分離器的處理能力和效益；對于新開發(fā)油氣 田，可用于計量分離和完全分離：對于灘海油氣田的開發(fā)，更具意義， 不僅可節(jié)約平臺面積，設(shè)備投資也大大減少。可以預(yù)計，管柱式氣液 旋流分離器的開發(fā)應(yīng)用將對陸地、灘海油氣田的開發(fā)和改造具有重要 意義，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益潛力。 在我國還沒有管柱式氣液旋流分離器方面的研究報道。由于缺乏 對其分離性能的深入認(rèn)識，限制了它的推廣應(yīng)用。研究器內(nèi)氣液流動 特性、建立氣液分離模型是實現(xiàn)管柱式氣液旋流分離器設(shè)計和安全運(yùn) 行的關(guān)鍵。本課題就是基于這一情況提出的，主要目的是對管柱式氣 液旋流分離器的分離模型進(jìn)行創(chuàng)新性研究，對器內(nèi)流場進(jìn)行實驗研究 和數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出管柱式氣液旋流分離器的工藝設(shè)計 方法，設(shè)計出適于工程應(yīng)用的高效氣液分離裝置。 本文采用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法。對管柱 式氣液旋流分離器的分離機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的理論和實驗研究，同時應(yīng)用 k e 模型和雙流體模型對分離器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實驗結(jié) 果對比分析，選出合適的計算模型，以便用此模型進(jìn)行多結(jié)構(gòu)、多參 數(shù)的計算，分析影響分離效率的因素，優(yōu)化分離器的結(jié)構(gòu)。在實驗研 究、理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上建立起管柱式氣液旋流分離器的工 藝設(shè)計方法，使其適用于工程設(shè)計。 4 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 機(jī)理模型 第2 章機(jī)理模型 國外雖已有管柱式氣液旋流分離器成功應(yīng)用的報道，但由于缺乏 對其分離性能的深入認(rèn)識，限制了它的推廣應(yīng)用。研究器內(nèi)氣、液流 動特性，建立氣、液分離模型是實現(xiàn)氣液旋流分離器設(shè)計和安全運(yùn)行 的關(guān)鍵。本章研究的重點就是在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析管 柱式氣液旋流分離器的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)，建立描述管柱式氣 液旋流分離器的機(jī)理模型。 2 1 新型管柱式氣液旋流分離器的分離機(jī)理模型 如圖2 1 所示，管柱式氣液旋流分離器由入口區(qū)( 段) 、入口分 流區(qū)、旋渦區(qū)、氣泡區(qū)、液滴區(qū)、氣相和液相出口配管等部分組成。 2 1 ，1 入口區(qū) 由于管柱式氣液旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣 液的高效分離，而入口結(jié) 構(gòu)決定了分離器的入口 氣、液相分布及氣、液相 入口 切向入口速度的大小。因 此入口結(jié)構(gòu)是影響管柱式 氣液旋流分離器分離特性 的關(guān)鍵因素之一。如圖2 - 2 ，管柱式氣液旋流分離 器入口區(qū)主要由入口管、 噴嘴和入口槽三部分組 成。 ( 1 ) 入口管分析 圖2 1g l c c 分離器結(jié)構(gòu)圖 氣液相流速的不同，油氣兩相或油氣水多相流在入1 2 1 管和噴嘴內(nèi) 可能呈現(xiàn)分層流、斷塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。k o u b a 石漓大學(xué)( 牮東) 碩士論文 梳理模墅 的實驗研究表明1 ，采用向下傾斜的入口管，保證入口管流型呈現(xiàn)分 層流將在綴大程度上改善氣液分離效果、擴(kuò)袋管柱式氣滾旋流分離器 翻挺強(qiáng) 健挺瑤 匹多世 圈2 - - 2 入1 3 區(qū)( 段) 結(jié)構(gòu)圖圖2 - - 3 入1 3 區(qū)( 段) 層流結(jié)構(gòu)圖 的適用越圍，而傳統(tǒng)分離器采用的入口結(jié)構(gòu)邋囂為垂直于簡體的結(jié)構(gòu) ( 囂耱綴多分離器袋麓靜分氣憊瘩麓類經(jīng)結(jié)穩(wěn)) ，實驗誕鞘采矮垂壹 結(jié)構(gòu)酌管柱式氣液旋流分離器，氣液分離效果藏，工作范潮大約是傾 斜向下的入口結(jié)構(gòu)分離器的一半。入口管向下傾斜，在重力作用下有 利于形成分層流，實現(xiàn)氣液兩相的初步分離。同時，向下的傾斜結(jié)構(gòu) 鑊經(jīng)過裙步分褰戇滾耀在入蜀下方旋轉(zhuǎn)一鏨蠢影減縫浚場，避免了對 氣相向分離器上方遴動的阻塞。 入陰管傾角以一2 7 。為宜，管長取1 0 1 5 米，入口管廒徑的選 取應(yīng)保誕流型為分層流，由t a i t e l & d u k l e r 預(yù)測模型確定”，分層 漉轉(zhuǎn)交為闋歌渡或弼默滾戇判裂湊劐秀： ，2 陡警 邕t c z 一， 式孛： c 2 = 1 - 囂 f ：絲 、a g c o s e 差= 麗 6 穆- 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 擎 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文機(jī)理模型 呼弘： ( 2 5 ) j = a d 2( 2 6 ) a g = 0 2 5 p 1 ) 一m 舊麗 c z 吲 式中d 為入口管直徑，a 是它的橫截面積，j ；：是無量綱液位高。 迭代求解方程( 2 - 1 ) ，d 和忍作為迭代參量，直至方程( 2 - 1 ) 左端小 于l ，d 即為滿足分層流條件最小入口管直徑。 ( 2 ) 入口噴嘴分析 噴嘴是入口段最后一個影響進(jìn)入分離器氣液相流速分布和入口 切向流速大小的因素。氣液通過截面漸縮的噴嘴，流速增加，有利于 提高分離效果。通過對三種不同入口開槽結(jié)構(gòu)( 矩形、同心圓形及新 月形) 的初步實驗發(fā)現(xiàn)n 1 ，同心圓形噴嘴( 縮口管) 結(jié)構(gòu)的分離特性 最差，而矩形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果最佳，新月形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果 與矩形噴嘴接近，由于矩形槽結(jié)構(gòu)加工困難，推薦采用新月形結(jié)構(gòu)。 入口噴嘴面積的選取應(yīng)保證入口液相流速在4 0 6 0 米秒之間1 。 液相流速過小將難以發(fā)揮旋流離心分離的作用，但液相流速過大將形 成過高的旋渦區(qū)，在簡體中過早出現(xiàn)氣相夾帶液滴和液相夾帶氣泡現(xiàn) 象，影響分離效果。 為了方便分析，將新月形入口槽近似以矩形表示( 如圖2 3 ) ， 則入口槽截面積1 4 1 ： s 槽2 釜- 三 ( 厶 繇士論文瓶理模型 對于液相， 魯+ 粵+ g ( 1 s i n 0 + 。h 。a 毋) = 丟+ 孚+ g 麗h 2 ( 2 - - 9 ) v 。、：衛(wèi) “甄島： 同理，對氣相流動忽略重力影晌 5 贏 整瑾方穰( 2 - 9 ) ( 2 一1 2 ) ，勞遷愿差 產(chǎn)b 褥： d 碥+ 6 碹+ c 碹+ d 磕一e 島2 十廠= 0 式中群：羔 c o s o 6 = 疊2 且2g ( s i n 口+ 且c o s 0 1 ) 一縋c o sl 島j。l ( 2 一l o ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 一1 5 ) 州w s 婦拶+ 參) 厶+ 舞巹) 組( 2 - - 1 6 ) 露= 吉浯一霹一剖一警泓急) 置+ 磊q p 玢 。：里簟 鼷 ，：絲 。2 嚷 8 ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) 略丁 + 島一& i i 嵋了 + b 一& 石油大學(xué)( 華末) 碩士論文祝理模型 用牛頓迭代泌對方程( 2 - 1 3 ) 求數(shù)值解忽：。由于管內(nèi)層流工況類 議予秘渠滾動，翔疆渠滾韻三次方程多壤式秘舞 # 秘鑣，戳加快方 程( 2 - 1 3 ) 的收斂速度。日= 忍，整理方程( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 得三次多 項式方程： q 酸+ 魚壤+ q = 0 ( 2 - - 2 0 ) 式中皿。墮 驢f 蔞z + g s n 口+ 盎c o s u j z 嚷 嚷= 方 由啊2 數(shù)值解，容易求出入口槽處氣液相流速v 。：、。垂直于分 離囂簿體軸線的切向速度分量形成了旋流場，氣液相切肉流速： 轤彘c o s 目( 2 - - 2 1 ， 2 孓衰司湖孝( 2 - - 2 2 ) 2 + 1 。2 入口分流區(qū) 入口分流區(qū)部與入口槽連接的簡體部分( 如圖2 - - i ) ，顯然入口 分流區(qū)高。= 勺乞s 毋。氣液相經(jīng)入口槽進(jìn)入入口分流區(qū)實現(xiàn)氣液的 耱步分離，主聱熬氣穩(wěn)、下部豹滾耀分愛澮籬建旋轉(zhuǎn)形城旋漉殤。 9 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文機(jī)理模型 2 1 3 旋渦區(qū) 實驗測試和數(shù)值模擬研究表明1 ，經(jīng)初步分離的氣液相以入1 2 切 向速度沿筒壁旋轉(zhuǎn)形 成強(qiáng)制旋流，除壁面附 近，切向流速近似呈線 性分布。該旋流可看作 剛體轉(zhuǎn)動，如圖2 4 所示，微元控制體以恒 定角速度= 。么旋( 一一魯譬 轉(zhuǎn)。流動是軸對稱的、 各分速度沿z 軸變化 + 生a r 立2j y k r + 魯 出d 一 圖2 4 旋轉(zhuǎn)控制體的受力分析 不大，因此假設(shè)微元控制體在軸向、切向上沒有加速度，徑向加速度 日，= 一。2 r ，應(yīng)用歐拉方程式得徑向和軸向運(yùn)動微分方程： f 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 式中 以為含氣泡液相混合物密度，r 為簡體半徑，r = 破么。 控制體壓力微分方程： 印= 等咖+ 老出 把方程( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 代入( 2 - 2 5 ) ， 得： t p g o ) 2 r2 + 絲4 r ：懈一c2 2 o 。 整理上式即可得到旋渦方程： ( 2 2 5 ) 并沿等壓旋渦表面積分( 伽= o ) ( 2 2 6 ) r一月 ，jl1 p 一 + 一舊一k = b 一 1 舭 七 = i l 至甜 印一丹 石油大學(xué)( 華糸) 碩士論文 枧理模型 z = n 。了0 9 2 7 , 2 + c ( 2 2 7 ) 驢翻+ 捌2 1 曠z s ， 秘臻疑渦方糕積分可褥入潮分流區(qū)下；b - 滾捐惑俸積，瘟霜液葙體 積守憾： 詹 x r 2 上。= j 2 兜z r d r ( 2 - - 2 9 ) 0 式中l(wèi) 。指平衡液位高度( 見圖2 - 1 ) 。 把方程( 2 2 7 代入( 2 2 9 ) ，積分得到常數(shù)c ， 心一警b 一剴 姨麓滿方程( 2 3 0 ) 求矮旋渦癱度三。： 旋渦形狀方程如下： f 2 3 0 ) 小叱壙鞏壙( 鏘1 豆2 9 c 。吲， 2 1 4 旋流場特性 ( 1 ) 燕漉場強(qiáng)波 分離器內(nèi)連續(xù)相旋流場分布對氣、液分離至關(guān)重要。漣續(xù)相切向 速度v 。、徑向速度v 。和軸向速度v 。構(gòu)成了旋流場1 。由于考占性耗散 窩壁甏摩擦疆力鶼攆灞，韜囊遮發(fā)沿轆淘逐漸減奪，采翔漩滾強(qiáng)凌表 征旋流場的衰減特性。旋流強(qiáng)度q 定義為在菜一高度截面上連續(xù)相切 向動爨通量與總軸向動量通量的比。 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 機(jī)理模型 q ：2 x p j c ；r 面e ( r ) j v j ：_ ( r ) r d r 巧d ，“v 式中 v 。是軸向平均流速，下標(biāo)c 表示連續(xù)相。 旋流強(qiáng)度沿軸向變化的關(guān)系式為 ( 2 3 2 ) 踮s ( 老) 0 9 3 e x p m m ( 老) 0 弋7 】( 2 - - 3 3 ) 式中動量通量之比： 一m i ：墼 ( 2 3 4 ) m qm ：；p a ： 式中：棚。是連續(xù)相( 氣相或液相) 入口質(zhì)量流量， m 。是器內(nèi)對應(yīng)連續(xù)相( 氣相或液相) 的質(zhì)量流量。 爿。指分離器橫截面積， 彳，指對應(yīng)連續(xù)相入口實際流通面積。 ( 2 ) 旋流場流速分布 根據(jù)實驗與數(shù)值模擬研究“1 9 1 徑向流速通常較切向流速和軸 向流速低二個數(shù)量級，對氣、液分離效率影響非常小。因此忽略徑向 速度。沿旋轉(zhuǎn)半徑方向上，切向速度的變化非常顯著，按照其不同變 化規(guī)律，可以將旋流分成兩個旋轉(zhuǎn)區(qū)域：近壁面處的自由渦旋區(qū)和中 心強(qiáng)制渦旋區(qū)。忽略壁面附近的自由渦旋區(qū)，將旋流場視為強(qiáng)制渦旋 運(yùn)動，切向流速近似呈線性分布；將軸向流動視為勻速運(yùn)動，軸向流 速等于平均流速。對于工程應(yīng)用，以上的假設(shè)是趨于保守的。下標(biāo)c 表示連續(xù)相，p 表示分散粒子( 氣泡或液滴) 。切向速度分布： 嘣歸v 以) ( 2 - - 3 5 ) 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 機(jī)理模型 將韜自速凄表達(dá)式代入藤滾強(qiáng)震定義式褥： 蚰：! 塵堅! 絲：三。2 塑：三。盟( 2 3 6 ) 肚衛(wèi)1 r 2 了“可蕁2 j “菁幢1 裰?jǐn)f定義q 是分燕囂截囂位霎l ( z ) 懿函數(shù)，硫定了蓉猿瑟靜旋 流強(qiáng)度，即可求得壁麗處( 忽略爨面附近的自由渦旋區(qū)) 的最大切向 速度。 ( z ) = 妄x v 。镕q ( 2 - - 3 7 ) 2 1 5 泡區(qū)和液滴區(qū) 分藤器上都，氣耱為連續(xù)程，滾滾分散蒸審，稱滾滾蘸；下幫， 液相為遵續(xù)相，氣泡分散其中，稱氣泡區(qū)。遺續(xù)相做渦旋邀動，由于 氣液相密度差，分散相粒子( 氣泡戚液滴) 與迄續(xù)相間存程滑脫。研 究分散棚粒子的運(yùn)動軌跡，可以分李廳分離特性。 ( 1 ) 氣逮轆邃勢耩 在旋渦區(qū)，較大贏徑的氣泡容易被擄獲分嫩，因此氣泡軌跡的研 究區(qū)域魁從旋渦底部開始的渦流隧。假設(shè)液相渦流區(qū)小氣泡均勻分 毒，氣濾靛徑起濤脫速度為，轆淘潺魏速度海，忽酶連續(xù)據(jù) 液相的檄向速度，軸向速度即液榻折算速度為v 。，這樣，氣泡的徑向 絕對速壤為v 。，= 一v 。，轆囊( 離下) 靛絕對速寢必= v 。一) ，顯 然實現(xiàn)氣泡分離的辮簧條件是壁麗處氣泡運(yùn)動至中心氣核的時間應(yīng) 少于氣泡隨連續(xù)相一液相流如分離器的時間。 ( 2 ) 波滾孰跡分析 經(jīng)i 霪入疊分滾囂鐨多分離囂貔旋轉(zhuǎn)氣流揍露滾滾進(jìn)入分離器土 部的液滴區(qū)，與氣泡隧不同的是，出于分散粒子液滴的密度大于連續(xù) 相氣相密度，液滴被甩向器壁。假設(shè)徑向液滴滑脫速度為v 。，軸向滑 袋速凄為v 。t 忽略氣耱的徑離流遮，氣轄敬輟囪速度郅褥黲速度為 石；杰大學(xué)( 華東) 碩士論文祝理模蘩 v 。，這樣，液滴徑向絕對速度為v 。= v 一，軸向( 向上) 的絕對速度 為v 。= 一v 。+ v 曲( ，) ，液滴能夠分出的必要條彳牟是分離器中，昏處的液滴 到達(dá)器髓的時間應(yīng)少于液滴隨旋轉(zhuǎn)氣流流出分離器的時間。到達(dá)器壁 的液漓，在旋轉(zhuǎn)氣漉的作用下，將在器壁上形成螺旋狀薄鼷液漉沿器 壁蠢下滾動分遺，龕疲氣滾分離。 ( 3 ) 氣泡、液滴軌跡模型 假設(shè)： ( 1 ) 氣泡或液滴分散粒子為球形，在運(yùn)動中不變形； ( 2 ) 粒子霾及粒子與器壁鬻沒宥耱互 箏鞠力； ( 3 ) 氣泡或液滴的運(yùn)動為定常流動： ( 4 ) 作用在氣泡或液滴上的各種力的合力為零，分散粒子做勻 速運(yùn)動； ( 5 ) 分離系統(tǒng)每努要浚有熬交換，援為等溫系統(tǒng)；沒有旋渦麓 落現(xiàn)象。 徑向上，分散敉子受離心力和阻力作用，根據(jù)受力平鋼，氣泡徑 向滑脫速度： = 蘭( 塑予) 型r 立c d i 高 ( ：喇) j 脅” p ) 同理，液滴徑向潺脫速度： 式中 或、d 。為氣汰移滾消謄鎂； f 2 3 9 ) v ( ，) 、v f ( ，) 為氣液連續(xù)相切向速度，由方程( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 確定； e m 、e d ：為氣泡釋渡滴隧力系數(shù)。 阻力系數(shù)采用文獻(xiàn)乜們提出的關(guān)系式求解： 去或一孚警 4 孫 艫 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文 機(jī)理模型 式中： = 薔”【擊+ ( 1 + 3 3 1 5 r e 5 壙) = 若( 1 + 0 1 5 妒) r e d ：p g v a 一( r ) d a 以 ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) 軸向上氣泡受重力和阻力的作用，但由于連續(xù)相為油相，粘度大， 滑脫速度小，其流態(tài)一般總處于層流區(qū)，因而s t o k e s 公式適于求解氣 泡的滑脫速度： = 磐( 2 - - 4 2 ， 同樣，液滴在軸向上受重力和阻力作用，根據(jù)受力平衡，液滴軸 向滑脫速度： 嘣小蕓3 譬p ) g 生c d 2 去 c z 堋， p v 出t r ) 氣泡或液滴所受阻力與氣泡或液滴的合成速度有關(guān)，其滑脫速度 分別為： v 。( ，) = 屹( r ) + v 未( ，) ( 2 - - 4 4 ) v 。( ，) = 屬而i 麗 根據(jù)上面的氣泡和液滴軌跡分析， 徑向和軸向的位移( 見圖2 5 ) ， d r = v a t ( ，) a t 出= v 。p ) f 消去出，南。高棚齙斷v 。，( ，)v 靠( r ) 。 液滴軌跡控制方程，積分得氣泡或液 滴的軸向位移， ( 2 4 5 ) f 時間間隔中，氣泡或液滴在 g l c c 下面部分g l c c 上面部分 r r 廣r 液滴 z 2 - 5 氣泡和液滴軌跡示意圖 學(xué) i i 6 er 石滴大學(xué)( 華東) 碩士論文 祝理模型 嶺學(xué) 腎皆 ( 2 4 6 ) 根據(jù)氣泡或液滾實現(xiàn)分離的必要性，& $ 絨瓴即為氣泡或液滴區(qū) 的最小高度。 2 ，2 瓣毽管柱式氣液旋流分離器的滾位控蠲 根據(jù)管柱式氣液旋流分離器用途的不同，氣體出口管和液體出口 管可以匯合也可以分離配置，這黧重點考察髑予詩量豹分囊王援( 冤 鶩2 1 ) 。分離器肉液位的控鍘焉分離特性彰釃綴大。正鬻工況下，分 離簡體內(nèi)的液位應(yīng)保持在入口以下，以避免氣體流經(jīng)下部液相區(qū)出現(xiàn) 氣相夾帶液滴現(xiàn)象。同時，該液能還應(yīng)足夠高，以避免液棚夾帶氣泡 和液柏感日管氣泡櫥淡影響計量糖度。壕據(jù)鷹力乎餐，忽雅氣液租凌 麓稿互攆蹋，氣穗耬液穩(wěn)出口管靜匿差分弱為1 2 | i 峨= & 9 4 f f - 一中g(shù) ( 2 4 7 ) 獬= 島魈一卜等譬) ( 2 - - 4 8 ) 式中彤。和中，是氣相和液相出口戇路蛇摩擦阻力損失，包括摩阻損失 幫管 孛弱幫損失囂都分， 卟譬陲警+ 喜k 0 卟譬( 喜警+ 扣 。 1 6 石油大學(xué)( 華東) 硬士論文視理模型 三。= 墮篙精型 曉_ 卵 l 丁巧j 1 7 石油大攀( 華東) 碩士論文 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實驗方案 第3 耄實驗?zāi)ｅ髟O(shè)計與實驗方案 3 。 特定管路流型劃分計算 3 1 1 計算步驟 以絞戇浚型分爨霆罄是鞋實羚鼴察秀基皴懿，薤袋乏壤論蘞據(jù)， 帶有一定的主觀牲，又無統(tǒng)一酌縱橫坐標(biāo)，并且沒有全面堍考慮氣液 物性、管徑、管路傾角對流型轉(zhuǎn)變的影響，把這些流型圖成用于其它 管路的可靠性也值得陌疑。于是，t a i t e l & d u k l e r 1 從流裂轉(zhuǎn)變的 捉瑾入攀導(dǎo)塞了淀燮轉(zhuǎn)交夔數(shù)學(xué)援型，躉數(shù)學(xué)攥鍪霹壹接袋褥囂趣管 路豹流黧。但是，y a i t e l & d u k l e r 作出的以x 、f 為級橫坐標(biāo)的流型 圖和以氣、液相折算速度為縱橫嫩標(biāo)的流型圖只是針對某一具體的管 路的，即水一一空氣為介質(zhì)、2 5 。c 、接近大氣臌、2 5 毫米管徑的情況。 它薺不邋臺實驗室煞特定警路。麓照，這裁爨溪鬟弱t a i t e l & d u k l e r 的思想方法，鋅對實驗室工況和現(xiàn)有設(shè)備，璧新計算分層濂與其它流 型的轉(zhuǎn)變情況，畫出此情況下兩相管路流型分界圖，以便珂以很方便 地看出分層流的范圍。 實駿室壤囂戈答鼴下續(xù)2 7 。， o 3 m p a ，漓的精度為o 0 4 4 2 3 p a - s ， 算步驟如下： 空氣、潼溪鞠滾，3 0 。c ，縫懟壓力 密度8 6 1 。6 k g m 3 。指定管徑，計 1 內(nèi)t a i t e l & d u k l e r 預(yù)測模型，分層流轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇流或環(huán)狀流 豹判別撩建先： 式中： 霹= h , d c ；1 - 魚 d ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 粥一 鯉 一| 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實驗方寨 f ： 絲 d g c o s o 魯= 麗 喀。篪 j = d 2 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 4 9 = 0 2 5 p l m 凇一，孵瓣 淫s ， 假設(shè)一f 值( 很小，比如1 0 - 4 ) ，代入式( f - 1 ) 并令其為1 ，可 迭代詩算式瑟。 2 ，由式( f 一4 ) 可以算出腳。 3 壺代入下式可得y 毽， y ：業(yè)! 二壘星! 墊璧 魚d 降廠絲2l 咚j 4 將y 、五代入下式可得并值。 ( 3 9 ) 并腳”剮蹦晦夸耕毒瑚洛 式中：互姐：s i 療- c 0 s - i 嘛一) + 一- 肛畫可1 ( 3 - 墨= 硝一c o s 。一1 ) ( 3 1 2 ) 膈 石滴大學(xué)( 華東) 碩士論文實驗?zāi)＼痹O(shè)計與實驗方案 長= c o s “( 2 j ；： 囂j ：扛蕊習(xí) 蔬= a i a x a ! = 4 n = 4 夏i | i i a g = d g d = 蠊g 辱g + 謄1 5 游x 、穩(wěn) 弋入下式可得。 c t f d r 卯j x ：! ! 些 ! 魯n 華 ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 一1 8 ) 在求蓋2 、y 時t 對于層浚：0 = q = 6 4 ，拜= 塒* 1 ； 對于紊流：c f = q = o 1 8 4 ，”= 卅= 0 2 ) 6 。由下面的公式可以算出鐐小時的液體流量和標(biāo)況下每小時的 氣體浚量。 g f = 9 0 0 z m 2 腳“( 3 - 1 9 ) = 3 6 0 0 x 了3x 萬2 7 西3 n d 一2 0 a x = 2 4 3 2 6 7 蒯2 ( 3 - 2 0 ) 這樣就得到相威的石、f 、掰。、g ，、q 。的值。由小到大給 窶一系列豹f 篷，鬟復(fù)主覆步驟l 6 ，羲褥薊一系藏靜x 、f 、掰。、 甜一、q 卜q 。值，利用這些值就可以得到本實驗嶷情況下的以、f 為 、l_， 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實驗方案 綴禳坐稼鮑流壅分器辮，以國。、。為級橫坐標(biāo)的流型分器圖和以g ，、 釓為縱橫坐標(biāo)的流型分界圖。 令黟等于零，熏鬣上述步驟，藏霹敬褥到本實驗室l 毒滋下承平警 的三種流型分界圖。 3 。2 幽計算得到的置種滾型分界黼 下磷給出由計算褥到的管徑分別為8 l 毫米、6 3 毫米和5 1 毫米的 三種流型分界圖，由圖可以看出，在其它參數(shù)糊同的情況下，分層流 載范圍譙下頰管中比程水平管中驟大得多。 2 l 石油丈攀( 華東) 硬涂文實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實驗方案 一、管徑8 1 毫米的三種流型分界圖： x 鞋x f 衰拳斡下壤2 緩營藏流黧靜界圈( 警蠹徑副# 鞋x - f 表示戇承警薄黠漣型勢毋鼙漕蠹檉8 l 弧 以折算遮艘襄示的下順2 7 度營路流型付界圈 1不滿足分層流的要求，下面不再計算。 ( 2 ) 液體流量在4 m 3 h ，氣體流量1 8 0 n m 3 h 時的計算結(jié)果： x = i 7 7 7 8 7 7 0yy = 1 4 6 5 3 4 3 0 0 0五= o 2 3 0 9 2 3 8 正= 0 9 3 9 1 0 4 0 滾蔣滾量在4 m 3 h ，氣囂滾爨1 9 0 n m 3 h 瓣戇計算結(jié)巢： = 1 8 5 7 6 8 5 0y = 1 4 6 5 3 4 3 0 0 0 i = o 2 3 6 6 3 2 7 兵2 0 。9 8 3 1 5 1 l l入嗣管愨兩穗流處于分層濺 a s l o t 2 0 0 0 0 9 3 5 1 7 3 7 0 l h 2 0 0 5 9 6 9 3 8 e g v = 0 0 1 5 6 6 6 1 6 強(qiáng) 2 2 。0 6 8 9 3 5 0 7 9 l 。7 6 4 7 15 3 0 v “2 0 - 3 7 4 2 6 2 0 v 镕。6 2 6 3 8 1 3 0 毪2 。4 0 6 8 2 0 0 0 k 2 。3 0 。1 1 4 0 5 0 0 ”f f2 3 6 2 4 7 9 2 0 ”* 2 2 6 8 3 1 8 1 0 0 d 2 0 - 0 7 5 4 3 1 4 1d 。t 2 0 。0 9 9 5 1 3 6 9 取d ；。2 0 + 1 0 0 0 m 進(jìn)行氣泡區(qū)高的計算： 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實驗方案 用文獻(xiàn)統(tǒng)一微粒軌跡模型算得：毛= 0 5 9 6 3 9 7 5 用本文氣泡軌跡模型算得： z b = 1 0 2 2 5 6 5 0 出口管：d g = 0 0 4 2 礬= 0 0 6 3 ( 4 ) 液體流量在4 2 m 3 h ，氣體流量1 8 0 n m 3 h 時的計算結(jié)果 x = 1 9 5 0 3 1 6 0 y = 1 6 1 5 1 2 2 0 0 0五= o 2 3 6 7 9 0 5 六= o 8 8 3 5 0 6 1 1入口管內(nèi)兩相流處于分層流 爿m 2 0 0 0 0 9 3 5 1 7 3 7 厶2 0 0 5 9 6 9 3 8 7 既。= 0 0 1 5 6 6 6 1 6 v i i = 2 0 6 6 9 8 2 0 ”刖2 7 2 4 6 1 8 3 0 v “2 0 t3 7 4 2 6 2 0 v 。9 2 5 9 3 4 1 3 9 0 ”f 22 4 0 2 6 8 1 1 0 。9 22 2 8 6 5 9 3 8 0 0 ”“：3 5 8 7 9 1 5 0 d s 2 0 0 7 3 4 1 9 5 5 7 * 2 2 5 5 3 5 7 0 0 0 d “2 0 0 9 9 5 1 3 6 9 取d ；。2 0 1 0 0 0 m 進(jìn)行氣泡區(qū)高的計算 用文獻(xiàn)統(tǒng)一微粒軌跡模型算得：氣= o 6 1 9 0 5 9 2 用本文氣泡軌跡模型算得： = 1 0 5 6 2 6 0 0 出口管：d 9 2 0 0 3 9 0 0 0 0 正= o 0 6 3 0 0 0 0 0 3 ) 入口管直徑取$ 1 m m ： 當(dāng)入口管直徑取5 1 m m ，液量取4 o m 3 h 時，要想滿足分層流 石油大學(xué)( 華東) 碩士論文實驗?zāi)Ｊ茉O(shè)計與實驗方案 經(jīng)計算氣量最大只能取到8 5 m 3 1 1 ，氣油比太小，