天然氣旋流除砂器大顆粒的帶出機理*

周加明 崔之健 趙旭 江寬 田洋陽

1西安石油大學石油工程學院2中國石油西氣東輸管道（銷售）公司3中國石油西部管道蘭州輸氣分公司

天然氣旋流除砂器大顆粒的帶出機理*

周加明1崔之健1趙旭2江寬3田洋陽1

1西安石油大學石油工程學院2中國石油西氣東輸管道（銷售）公司3中國石油西部管道蘭州輸氣分公司

從氣井出來的天然氣攜帶有很多的泥砂，砂礫粒徑范圍很寬，從幾微米到十幾毫米不等，這些大顆粒若不除去，會對儀表和設備帶來嚴重的損壞。在除砂器內部大顆粒與排氣管底端的距離滿足Δl＞wpt2，氣固兩相會出現二次分離現象，位于排氣管底端的大顆粒就會被甩出。通過大顆粒帶出基本理論分析，證實了不僅大顆粒的撞壁回彈和錐部停留有回轉灰帶為大顆粒帶出的主要原因，葉片的出口角和出口面積的大小也是其中重要的影響因素。在進行大顆粒分離時，要采用公稱直徑、出口角和葉片出口面積較大的分離器，并采用較低的氣體流速。

天然氣；旋流除砂器；大顆粒帶出；內旋流

從氣井出來的天然氣攜帶有很多的泥砂，砂礫粒徑范圍很寬，從幾微米到十幾毫米不等，這些大顆粒若不除去，會對儀表和設備帶來嚴重的損壞。所以有必要對大顆粒的帶出現象進行分析和研究。

在傳統的除砂器中，許多研究人員將著眼點集中于除砂器的尺寸和進氣速度。文獻[1-2]認為，除砂器內旋流中大顆粒被甩出是由于撞擊內壁被反彈回的結果，建議采取的措施是加大旋流除砂器的直徑和降低進氣速度。本文從兩個方面展開研究：大顆粒在除砂器內旋流的運動軌跡和大顆粒撞擊內壁后反彈回被二次甩出的可能性。

1 大顆粒帶出理論

1.1 粒子的運動軌跡

在帶有垂直葉片旋風分離器中的粒子運動軌跡的研究中建立的數學模型是以導葉式旋風分離器為基礎。假設天然氣中砂礫的粒徑為dp，切向速度為up1，在離心力的作用下，呈向外運動趨勢，砂礫在r位置時，在切線上的速度為在徑向上的速度為經dt時間后，又分別變成為vpr+dv和upr+du，這時速度的方向也隨之變化了。按照數學物理方法，砂礫在切向上的加速度at和徑向上的加速度ar可以被求出。

假設在除砂器內，在半徑為r處，氣相的徑向速度為vg，切向速度為ug，氣相與固相砂礫存在相對運動，對砂礫具有拉拽作用，符合斯托克斯定理，運動方程為

已知mp=，再代入（1）、（2），便可寫出

假設砂礫的粒徑較大，符合阿倫定理，則其運動方程為

砂礫的徑向速度和加速度均很小。砂礫粒徑越大，撞擊到器壁上的角度就越大，在除砂器內形成一個類似任意對接的多邊形運動軌跡；粒徑越大，在切向上的速度越大，多邊形邊數越少，隨意大顆粒易被帶入內旋流中，形成二次分離甩出。

1.2 內外旋流大顆粒被帶出理論

假設粒徑為dp的砂礫由于撞擊作用被反彈回內旋流軌跡中，在這個過程中，由于氣相運動阻力使砂礫瞬時懸停在半徑r′處，在氣相氣流繼續旋轉下，通過拖拽作用，砂礫開始旋轉起來，進入內旋流。在內旋流中，砂礫的切向速度較大，徑向速度較小，以致可以忽略。若砂礫粒徑較大，符合阿倫定理，其相關計算如下

當t=0時，砂礫初始速度upr=0，即可求出積分常數，代入可求出砂礫的切向速度。

在除砂器內旋流中，砂礫以切向速度upr做旋轉運動，在離心力作用下，向外擴張，軌跡上徑向速度為

在內旋流中，r=0到r=r0區內，氣體切向速度ug=rw，可求出大顆粒在內旋流中從r′處被甩出到r0所需的時間t1。

砂礫到r0處后，開始進入外旋流內，將被繼續甩出，此時氣流切向速度變為同理得出大顆粒從r′處被甩出到r1處所需的總時間t2為

2 實驗結果及分析

實驗用石英砂的相關數據如表1所示，其真密度為2 660 kg/m3。

表1 石英砂的粒徑范圍

實驗時，每組實驗加砂3次，每次加砂量為1 000 g左右，稱重灰斗收塵，計算出3次除砂效率的平均值，作為本組實驗的除砂效率值。

在實驗室里用不同出口角、不同出口面積和不同尺寸的葉片做實驗，改變氣體速度和砂塵顆粒大小，測量其分離效率。從實驗結果可以看出：

（1）分離器軸向進氣速度提高，除砂效率隨之減小，故對粒徑大的砂礫應適當采用較低的氣速。

（2）葉片角度在一定范圍內變大，砂礫的切向速度相對變小，回轉速度也變小，所以對大顆粒的除砂效率也會變大，因此對大顆粒宜用較大的葉片出口角。

（3）葉片出口面積增大，在同樣的進氣量下，軸向進氣速度會變小，除塵效率變大，所以對大顆粒適用較大的出口面積。

（4）分離器的公稱直徑變大，內壁與排氣管底端的距離也將增大，錐形部分與直筒部分的交界面和排管底端的距離也將增大。距離的增加會延長大顆粒在內旋流的時間，所以并不會立即被氣相帶出，故大顆粒的帶出量會減小，除砂效率變大。這說明在大顆粒工況下宜采用較大尺寸的分離器。

由以上分析可以看出，在用分離器進行大顆粒的分離實驗時，葉片的出口角較其他3個因素對除砂效率的影響都大，因此在今后的大顆粒分離中要重點考慮該因素的影響。

3 結論

在內旋流中，大顆粒與排氣管底端的距離Δl＞wpt2時，就被氣流二次甩出而重新被分離下來，而靠近排氣管底端的那些大粒就被帶出。通過大顆粒帶出的基本理論分析，證實了不僅大顆粒的撞壁回彈和錐部停留有回轉灰帶為大顆粒帶出的主要原因，葉片的出口角和出口面積的大小也是其中重要的影響因素。在進行大顆粒除砂時，要采用公稱直徑、出口角和葉片出口面積較大的分離器，并采用較低的氣體流速。

[1]馮叔初．油氣集輸與礦場加工[M]．北京：中國石油大學出版社，2006.

[2]C．J．Stairmand．The Design and Performance of Cyclone Separators[J]．Trans.Instn．Chem．Engrs．，1951，29（3）：356-383.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.014

基金論文：西安石油大學全日制碩士研究生創新基金資助（2012cx110101）。