柱狀氣液分離器液相帶氣特性分析

周云龍 倪志勇

(東北電力大學)

GLCC入口管切向安裝在豎直的圓形筒體上，筒體上部和下部配有氣相和液相出口管。氣液兩相流在下傾的入口管中由于重力作用實現了初步分離，進入分離器后在筒體內形成高速的漩渦，在強大的離心力場的作用下，迅速完成氣相和液相的分離[2]。兩相流旋轉產生了拋物線形的氣液分界面。液相被甩向分離器壁面，在分離器底部匯集后從底流口流出，氣相則沿徑向運動到分離器中心后從溢流口排出。在分離過程中，部分液滴由于被氣相攜帶向上運動通過溢流管，引起氣相帶液。另一方面，氣相同樣也能被液相夾帶流過底流口，造成液相帶氣[3]。

液相帶氣率和氣相帶液率是GLCC的兩個重要運行指標，無論是液相帶氣還是氣相帶液都將降低GLCC運行的效率和經濟性。因而深入分析和研究液體帶氣和氣體帶液，削弱二者對GLCC分離性能影響，對石油化工行業的發展有著重要的意義。在過去的研究中，人們側重于對GLCC氣相帶液的分析和預測，研究運行條件和結構改進對氣相帶液的影響。而筆者則著重研究液相帶氣，分析造成液相帶氣的主要原因。

1 氣相運動軌跡

氣相在剪切力的作用下破碎成氣泡分散在液相中。在漩渦區內，大粒徑氣泡很容易被捕獲分離，因而研究氣泡運動軌跡的起始位置是在渦流區。在漩渦的底部，氣泡由于受到離心力的作用而向分離器中心運動，同時液相的軸向運動給氣泡施加了向下的曳力[4]。如果氣泡沿徑向運動的距離足夠大，氣泡就會與中心氣核融合，隨著氣流向上運動由溢流口排出實現分離；若是氣泡未能運動到中心氣核，氣泡就會被液相攜帶出分離器而造成底流的氣相攜帶。

氣泡在離心力和曳力的綜合作用下沿圖1所示軌跡向分離器中心運動。氣泡沿徑向以速度vr(r)運動，忽略氣泡軸向浮力和滑脫作用，氣泡的軸向速度vz(r)=vz(液相的軸向運動速度)。在液相的停留時間Δt內，氣泡的徑向運動距離dr=vr(r) Δt，軸向運動距離dz=vzΔt。則氣泡軸向運動位移計算公式：

(1)

圖1 氣相運動軌跡

氣泡徑向上受到向心力Frc(離心力和浮力)、湍流作用力Frt和曳力Frd的作用[5]。根據受力平衡，氣泡徑向受力計算公式：

Frd=Frc±Frt

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Cd——阻力系數；

fl——液相摩擦系數；

Rb——氣泡半徑；

ρl、ρg——液相和氣相密度。

胸腰椎結核手術后路入路方式內固定無需與結核桿菌感染的脊椎直接接觸，能有效防止結核桿菌污染內固定物，而前路內固定可能會出現手術器械或內固定物被結核桿菌污染的情況，從而誘發異物反應，導致植骨溶解；但后路內固定的穩定性不如前路內固定，因此其易導致病變脊椎發生骨松動或植骨融合程度差等并發癥。在本研究中，不同手術入路對胸腰椎結核手術患者早期植骨融合的影響無顯著差異，這可能與樣本數量有關，仍需進行大樣本分析加以確認。

將式(3)～(5)代入式(2)中得到氣泡徑向速度為：

(6)

將式(6)代入式(1)中整理得到氣泡的運動軌跡：

(7)

式中r——氣泡徑向位置；

Rs——分離器半徑。

2 實驗

實驗中以常溫下的水-空氣混合物為實驗工質。水的密度998.2kg/m3，動力粘度為1.009mPa·s；空氣密度為1.225kg/m3，動力粘度為0.183μPa·s。分離器直徑50mm，長度660mm，分離器全部采用有機玻璃制成。

通過改變實驗操作參數，測量底流帶氣體積，分析液相帶氣的原因。為了研究分離器下部兩相流的運動機理，采用高速攝影儀拍攝兩相流的流動形態。

2.1實驗系統

整個實驗系統由水泵、空氣壓縮機、靜態混合器、電磁流量計、轉子流量計和氣體收集器組成。實驗流程如圖2所示，氣相和液相由水泵和壓縮機輸出，經電磁流量計和轉子流量計后進入靜態混合器充分混合。氣液兩相流從氣液分離器入口進入分離器，在離心力的作用下，氣相沿徑向運動匯集到分離器中心，并向上隨內旋流由溢流出口排出；液相由底流口流出后進入氣體收集器，夾帶的氣相被分離并計量，液相流入水槽進入下個循環。

圖2 氣液旋流分離實驗流程簡圖

2.2測量方案

采用氣體收集器測量底流液相帶氣體積Qg-d，用液相帶氣體積與入口兩相流中氣相的體積Qg-i的比值(P=Qg-d∕Qg-i)為分離器液相帶氣的判別標準。P值越大說明從底流口排出的氣相的體積越大，液相帶氣現象越嚴重。

3 實驗結果分析

圖3顯示了液相帶氣量隨分離器內液相速度的變化曲線。從圖3可以看出，在一定的氣相流速vsg下，分離器的液相帶氣量隨著液相流速提高而先升高而后降低。同時可以看出，在一定的液相流量下，氣相攜帶量隨著氣相流速的升高而變大。當液相速度小于0.15m/s時，液相帶氣量很小；當液相速度在0.15～0.25 m/s變化時，液相帶氣量均比較大；當液相速度超過0.25 m/s后，液相帶氣量又開始下降。

圖3 液相帶氣量隨液相速度變化曲線

分析認為當分離器內液相速度小于0.15m/s時，液相的入口切向速度很小，旋流的強度弱，離心力作用微小，氣相的離心分離效果差。然而這種情況下，液相的軸向速度同樣也很小，使得兩相流在分離器中有充足的駐留時間，氣相在重力沉降作用下得到分離。因此，在這個區域內，液相帶氣量很小。當液相速度逐漸從0.15m/s上升到0.25m/s時，旋流強度不斷增大，離心分離作用增強。但在這種條件下，漩流的強度還不足以產生穩定的中心氣核和強大的氣相逆流區。與此同時，液相的軸向速度較大，駐留時間短，分散的氣泡在液相的曳力的作用下流出分離器。在上述兩種因素的綜合作用下，導致在這個區域內液相帶氣嚴重。當液相速度大于0.25m/s時，入口切向速度進一步升高，促使旋流強度增強。在高強度的離心力場的作用下，氣泡運動到分離器中心匯合成穩定的中心氣核，形成了強大的氣相逆流區，氣相的分離效率得到了提高，液相帶氣量顯著減少。

圖4顯示了液相帶氣率隨液相流速的變化。在不同的氣相流速下，液相帶氣率隨著液相速度先增高而后減小。氣相速度為1.2m/s時液相帶氣率明顯高于另外兩種實驗條件，在液相速度從0.15m/s升高到0.25m/s的過程中，液相帶氣率達到了0.062%的最大值。

圖4 液相帶氣率隨液相速度變化曲線

4 氣液旋流的可視化研究

從圖5中可以看出中心氣核是由氣泡聚集融合而成，由于操作參數的不同，氣核的形態和強弱也處于不斷的變化當中，這些變化必定會影響分離器的液相帶氣。

圖5 氣液兩相旋流流型

穩定氣核：氣核波動幅度很小，穩定性好而且旋轉強度高，氣核一直延伸到分離器的底部。在此種流動狀態下，可以觀察到氣核與周圍液相分界面明顯，旋轉運動中沒有向周圍液相釋放出氣泡。然而，仍有少部分氣相隨液相排出分離器，這是由于氣核延伸到底流出口處，氣相由于液相出口的卷吸作用而被攜帶排出分離器。

扭曲氣核：氣核波動幅度較大，旋轉強度適中，氣核呈扭曲狀延伸到分離器底部。在此種形態下，氣核不夠穩定，隨著氣核的旋轉，氣核與周圍分散在液相中的氣泡融合的同時也分裂出氣泡釋放到液相中。這種情況下，液相中夾帶的氣相由兩部分組成，一部分是由于氣核向底流出口分裂釋放出氣泡；另一部分則是因為氣核延伸到底流口處導致部分氣相的損失。兩種原因綜合作用造成氣相夾帶量較穩定氣核狀態下要高。

微弱氣核：兩相流旋轉強度較小，氣核微弱而且波動幅度較大。這種流動狀態下，大量氣泡由氣核中釋放出來，與已經分散在周圍的液相中較大粒徑的氣泡相結合，氣核沒有延伸到分離器的底部，而是隨著旋流強度的衰減在分離器底部便消散了。在此種流動形態下，液相帶氣更為嚴重。一方面，在靠近分離器入口的上部液相區存在大量的分散的大粒徑氣泡，液相的氣相攜帶嚴重；另一方面，在分離器的底部液相區，觀察到小粒徑的氣泡。

無氣核：這種情況下沒有觀察到任何漩渦的自由液面，這是因為旋流強度很小，基本接近與零。因此，分離器中心沒有形成氣核。這種流動狀態下，僅觀察到有微量的氣相夾帶。雖然此種條件下離心力作用微小，但是液相中的氣相在重力沉降的作用下實現了分離。因而液相帶氣量微小。

通過對上述4種氣核形態的特性分析可以發現，氣核是引起液相帶氣的主要原因，氣核的穩定性決定了分離器下部氣液兩相流的流動狀態，對分離器液相帶氣有著顯著的影響。氣核的穩定性越高，捕集并融合的氣泡也就越多，液相帶氣量就越少；反之，則液相帶氣嚴重。雖然無氣核時液相帶氣也很少，但是單純依靠重力沉降作用會失去柱狀氣液分離器運行的高效性。

5 結論

5.1液相帶氣量隨液相速度升高先增加而后變少。在一定的液速下，氣相速度越大，帶氣量越多。液相帶氣量在液速0.15～0.25m/s這個區間內較大，在兩邊的區域內則較小。

5.2液相帶氣率隨液相速度增大先升高而后減小，在氣相速度為1.2m/s時達到最大值0.062%。

5.3分離器下部氣相的運動形態分為穩定氣核、扭曲氣核、微弱氣核以和無氣核4種，氣核是造成液相帶氣的主要原因，隨著氣核穩定性的降低，液相帶氣量逐漸升高，無氣核時由于重力沉降作用液相帶氣量較小。

[1] 元愛紅.管柱式旋流分離器[J].油氣田地面工程，2005，24(3)：62.

[2] 金向紅，金有海，王建軍，等.氣液旋流分離技術的研究[J].新技術新工藝，2007，(8)：85～88.

[3] 胡艷華，龍斌.小型柱式氣液旋流分離器在海洋平臺的應用前景分析[J].中國造船，2009，50(z)：509～512.

[4] Mantilla I，Shirazi S A，Shoham O.Flow Field Prediction and Bubble Trajectory Model in Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC) Separators[J].Transactions-american Society of Mechanical Engineers Journal of Energy Resources Technology，1999，121(1)：9～14.

[5] Marti S，Erdal F，Shoham O，et al.Analysis of Gas Carry-under in Gas-Liquid Cylindrical Cyclones[C].Presented at the Hydrocyclones.London：London & Bury Saint Edmunds，1996：399～421.