柱狀分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究

周云龍 倪志勇

(東北電力大學(xué))

石油化工行業(yè)主要使用容積式氣液分離器處理油氣混合物。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，該分離技術(shù)已經(jīng)先進(jìn)且成熟。但是，容積式分離器體積龐大、沉重而且制造和運(yùn)行費(fèi)用昂貴。

隨著海上油氣田的開發(fā)和利用，人們需要結(jié)構(gòu)更緊湊的設(shè)備以節(jié)省海上平臺(tái)的空間和投資。柱狀氣液分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone，GLCC)結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和可動(dòng)部件，其主體由豎直管和位于分離器中上部的下傾切向入口管組成，兩個(gè)出口管分別安裝在分離器的頂部和底部。切向入口為氣液混合物提供了旋流運(yùn)動(dòng)，離心力大幅提升了氣液的分離效果，氣相由上部的溢流口排出，液相匯集后經(jīng)底流口流出[1]。

1 GLCC的分離過程

GLCC的分離過程如圖1所示。在重力的作用下，當(dāng)氣液混合相進(jìn)入分離器時(shí)由于膨脹實(shí)現(xiàn)了初步的分離，液相攜帶氣泡向分離器下部運(yùn)動(dòng)，氣相占據(jù)了分離器上部空間。入口氣液兩相流的波動(dòng)被削弱，分離過程開始平穩(wěn)。

圖1 分離過程示意圖

在分離器上部，液滴在離心力作用下被甩向分離器壁面，匯集成了液膜。由于液膜厚度與液滴粒徑相比很微小，氣相很難迫使其上升到頂部出口，液膜在重力的作用向下匯入漩渦中。然而，當(dāng)氣相速度超過了分離器的臨界氣速時(shí)，液滴就會(huì)被氣流攜帶離開分離器，產(chǎn)生氣相帶液現(xiàn)象。即使在正常的運(yùn)行條件下，仍然可觀察到入口上部出現(xiàn)一定量的環(huán)狀液膜。該環(huán)狀液膜一部分是由于氣液兩相流噴射到分離器壁面液相向上攀升產(chǎn)生的，另一部分由在離心場作用下運(yùn)動(dòng)到壁面的液滴構(gòu)成[3]。分離器入口上方的液量和液膜厚度將隨著液相流速的提高而增加，該部分液膜被稱為上旋液膜。

當(dāng)入口混合相速度過大時(shí)，漩渦就會(huì)上升到分離器入口上部。入口切向速度被削弱，甚至?xí)绊懙綒庀嗟男D(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入分離器的氣相被迫穿過漩渦導(dǎo)致液體的飛濺，造成早期的氣相帶液。為了改善分離器的性能，采用下傾27°的入口切向管，下傾入口促使兩相流在入口中形成分層流達(dá)到預(yù)分離的目的，同時(shí)，液流被導(dǎo)向分離器下部，避免其阻礙氣相向分離器上部的上升運(yùn)動(dòng)[4]，這種入口結(jié)構(gòu)明顯減少了氣相夾帶。

在分離器下部，當(dāng)旋流強(qiáng)度足夠大時(shí)，氣液兩相流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拋物線形的氣液分界面。分離器入口下部液膜順著分離器壁面螺旋運(yùn)動(dòng)到漩渦處，稱為下旋液膜。大粒徑的氣泡在浮力的作用下迅速運(yùn)動(dòng)到自由界面實(shí)現(xiàn)分離；小粒徑的氣泡隨液相向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿徑向被推向漩渦中心，氣泡聚集融合成氣核，這些氣泡本應(yīng)上升到氣液分界面從液相中分離出來。然而，仍有部分氣泡因不能及時(shí)分離出來而隨液相排出分離器，造成液相帶氣。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

研究表明分離器下部的流動(dòng)狀態(tài)是非常復(fù)雜的。導(dǎo)致液相帶氣的原因有3個(gè)[5]：小粒徑的氣泡徑向運(yùn)動(dòng)距離不足，不能移動(dòng)到中心氣核而被液相攜帶離開分離器；氣核延伸到分離器底流出口處隨液相排出分離器；旋轉(zhuǎn)液流的不穩(wěn)定性使得在底流出口處攪動(dòng)氣核使之破碎。隨著旋流強(qiáng)度的增大，絕大部分氣泡均能運(yùn)動(dòng)到中心氣核。與此同時(shí)，氣核延伸到底流出口處，氣核攪動(dòng)破碎加劇。為了減少液相帶氣，提高分離效率，在分離器底部增設(shè)穩(wěn)流器。穩(wěn)流器對(duì)氣相施加向上的托舉力，同時(shí)可以穩(wěn)定液流，避免氣核在底流出口處破裂釋放出氣泡。此外，采用切向底流出口，維持流體在底流出口處的旋流運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化分離效果的同時(shí)減弱底流出口處的液相擾動(dòng)而降低壓力損失[6]。分離器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 分離器改進(jìn)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以常溫下的水-空氣混合物為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。水的密度為998.2kg/m3，動(dòng)力粘度為1.009mPa·s；空氣密度為1.225kg/m3，動(dòng)力粘度為0.183μPa·s。分離器直徑為50mm，高度為660mm，分離器全部采用有機(jī)玻璃制成。穩(wěn)流器初始直徑D=12mm，高度H=60mm。

通過改變實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)，對(duì)比分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分離器的壓降和分離效率，為GLCC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

仔豬白痢主要發(fā)生于10～30日齡仔豬。發(fā)病率高，死亡率低，多發(fā)于寒冬、炎熱季節(jié)，氣候突變、陰雨潮濕、母豬飼料質(zhì)量較差、母乳中含脂率過高等常常是本病的重要誘發(fā)因素。臨床上以排灰白色漿狀、糊狀腥臭味稀糞為特征。

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

柱狀氣液分離器實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，氣相和液相分別由水泵和壓縮機(jī)輸出，過量的空氣和水分別放空或回收，經(jīng)電磁流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入靜態(tài)混合器充分混合。氣液兩相流經(jīng)壓力計(jì)量單元后進(jìn)入分離器，在離心力的作用下，氣相沿徑向運(yùn)動(dòng)匯集到分離器中心，并向上隨內(nèi)旋流由溢流出口排出，計(jì)量后直接放空；液相由底流口流出后進(jìn)入流量壓力計(jì)量單元，液相流入儲(chǔ)水箱循環(huán)利用。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)根據(jù)氣液旋流器的分離目的和兩相流的基本參數(shù)，在氣相出口含液量不超過一定值的情況下，定義溢流出口氣體流量Qg-o與分離器入口氣體流量Qg-i的比值ET(ET=Qg-o/Qg-i)為分離效率。ET越大說明由底流出口處排出的氣相體積越小，分離效果越好。采用壓差計(jì)測量分離器入口和底流出口的壓降Δp，在處理的量相同的情況下，壓降Δp越小越好。

圖3 柱狀氣液分離器實(shí)驗(yàn)流程

3.3 分離器改進(jìn)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.3.1流量對(duì)壓降和分離效率的影響

圖4為壓降隨入口流量的變化曲線。由圖4可以看出，隨著分離器入口流量的增加壓力損失不斷增大，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分離器其壓降略大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壓降。原因是：一方面增設(shè)穩(wěn)流器減小了液相的有效過流面積，阻力系數(shù)增大，增大了壓力損失；另一方面穩(wěn)流器穩(wěn)定了液相流動(dòng)，采用切向底流出口結(jié)構(gòu)削弱了底流出口處液相的擾動(dòng)，降低了壓力損失，兩者共同作用使得改進(jìn)后的分離器壓力損失略有增加。

圖4 壓降隨入口流量的變化

圖5為分離效率隨入口流量的變化曲線。從圖5中可以看出傳統(tǒng)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)分離效率均隨流量的增大而提高，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分離器效率要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨著流量的增大，這種趨勢愈加明顯，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分離效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高2%左右。分析認(rèn)為，穩(wěn)流器對(duì)氣相的托舉作用有效的提高了氣泡與中心氣核匯集的幾率，防止氣核延伸到底流出口。底流出口處的液相流動(dòng)穩(wěn)定，避免了氣核在攪動(dòng)破碎后釋放出氣泡而降低分離效率。切向底流出口保持液相在底流出口處的旋流而進(jìn)一步強(qiáng)化了分離效果。

圖5 分離效率隨入口流量的變化

3.3.2穩(wěn)流器不同直徑時(shí)的分離效果

采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)時(shí)分離器的效率得到了提高，同時(shí)壓力損失基本不變。保持穩(wěn)流器的高度不變，改變直徑，實(shí)驗(yàn)研究穩(wěn)流器直徑變化對(duì)分離效果的影響。采用直徑為12、18、24mm進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6中顯示了穩(wěn)流器不同直徑時(shí)壓降隨入口流量的變化。從圖6中可以看出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的壓降均要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在同一入口流量下，隨著穩(wěn)流器直徑的增大，分離器壓降升高。直徑分別為12、18mm時(shí)，壓降與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比相差不大，當(dāng)直徑增大到24mm時(shí)，壓降大幅提升，高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)3kPa左右。這是由于當(dāng)直徑過大時(shí)，穩(wěn)流器與分離器壁面的間距縮小，過流面積大幅減小，液相流過二者的間隙后截面積突然擴(kuò)大，導(dǎo)致射流損失增大，壓降變大。

圖7顯示了不同直徑時(shí)分離效率隨入口流量的變化。從圖7中可以看出，穩(wěn)流器不同直徑時(shí)，分離效率隨液相流量的變化情況與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，即分離效率隨著入口流量的增加而提高。改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分離效率均高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨著穩(wěn)流器直徑增大，分離效率提高，當(dāng)D=18mm時(shí)，分離效率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了大約4%，分離器的整體分離效果最好。但當(dāng)直徑增大到24mm時(shí)，分離效率較直徑為18mm時(shí)變化不大。分析認(rèn)為，穩(wěn)流器直徑過小時(shí)，托舉力不足無法阻擋氣核從底流出口排出，隨著直徑的增大，對(duì)氣核的頂升作用增強(qiáng)，分離效率提高，但當(dāng)直徑繼續(xù)增大時(shí)，穩(wěn)流器對(duì)氣核的托舉作用不再繼續(xù)提高，分離器效率基本不提高。

圖6 穩(wěn)流器不同直徑時(shí)壓降的變化

圖7 穩(wěn)流器不同直徑時(shí)分離效率的變化

3.3.3穩(wěn)流器不同高度時(shí)的分離效果

穩(wěn)流器直徑取18mm，改變穩(wěn)流器高度。分析穩(wěn)流器高度分別為60、80、100mm時(shí)，分離性能隨入口流量的變化。

圖8、9顯示了不同高度時(shí)壓降和分離效率隨入口流量的變化。從圖8可以看出，壓降隨流量增大而提高，改進(jìn)結(jié)構(gòu)3種不同高度時(shí)的壓降基本一致，變化不明顯。從圖9中可以看出，分離效率隨流量增加而提高，隨著穩(wěn)流器高度的增大分離效率先增大而后減小，分離效率在H=80mm時(shí)達(dá)到了最大值96%。分析認(rèn)為，隨著高度增大，穩(wěn)流器對(duì)氣核的托舉作用增強(qiáng)，有效防止了氣核由底流出口排出，分離效率得到提高。但當(dāng)高度過大時(shí)，穩(wěn)流器伸入到分離器的有效分離段，擾亂了漩渦的旋流場，離心力減小，造成氣相不能充分聚集融合到中心氣核而隨液相直接排出分離器，導(dǎo)致分離效率降低。

圖8 穩(wěn)流器不同高度時(shí)壓降的變化

圖9 穩(wěn)流器不同高度時(shí)分離效率的變化

4 結(jié)論

4.1對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的分離器，分離器壓降隨著入口流量增大而提高。改進(jìn)結(jié)構(gòu)分離器的壓降與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比基本不變。

4.2改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的分離器分離效率要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨著入口流量增大，這種趨勢越來越明顯，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后分離效率提高了2%左右。

4.3保持改進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)流器的高度不變，改變直徑。分離器效率隨直徑增大而提高，當(dāng)D=18mm時(shí)，分離效率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了大約4%。但當(dāng)直徑達(dá)到24mm時(shí)分離效率基本不隨流量增大而升高，但壓降卻大幅度提高。

4.4穩(wěn)流器直徑取18mm，改變高度。改進(jìn)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)壓降變化微小，分離效率隨穩(wěn)流器高度的增加先升高而后降低，當(dāng)高度H=80mm時(shí)達(dá)到最大值96%。

[1] 金向紅，金有海，王建軍，等.氣-液旋流分離技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械，2007，34(6)：351～355.

[2] 寇杰.柱狀氣液旋流分離器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].石油機(jī)械，2006，34(4)：71～73.

[3] Hreiz R，Lainé R，Wu J，et al.On the Effect of the Nozzle Design on the Performances of Gas-liquid Cylindrical Cyclone Separators[J].International Journal of Multiphase Flow，2014，58(1)：15～26.

[4] 曹學(xué)文，林宗虎，黃慶宣，等.新型管柱式旋流氣液分離器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2001，20(6)： 41～43.

[5] 趙立新，蔣明虎.小型柱狀氣液旋流分離器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].國外石油機(jī)械，1999，10(4)：46～53.

[6] Zhao L X，Jiang M H，Xu B R，et al.Development of a New Type High-efficient Inner-cone Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(12)：2129～2134.