泡流型態(tài)模擬用氣液混合器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

戰(zhàn)永平，羅明良，付春麗，馬宇奔

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山東青島 266580；2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266520）

0 引言

油井開采中，沿井筒自下而上壓力逐漸降低，原油中溶解的天然氣不斷分離和膨脹，使井筒中的氣液混合物依次出現(xiàn)泡流、段塞流、環(huán)流、霧流等流型［1-2］。從實(shí)驗(yàn)室安全角度考慮，用空氣、水替代原油、天然氣模擬氣液混合物壓降作用產(chǎn)生的不同流型。由于空氣在水中的低溶解度（20 ℃，18.68 mL／L），無法模擬原油中溶解的天然氣不斷分離過程，只能空氣、水同時(shí)注入垂直井筒（Φ內(nèi)＝30 mm，H ＝6 m）模擬氣液兩相流動(dòng)。垂直井筒液柱壓力、有限流動(dòng)空間的限制，低氣量的空氣難以注入，大氣量空氣注入后易聚并，從而導(dǎo)致以小氣泡形式分散在液相中的泡流型態(tài)的模擬較為困難。為獲得較好的泡流模擬效果，需在垂直井筒底部加裝氣液混合器。目前常用的氣液混合器有渦輪式［3］、文丘里式［4］、塔式［5-7］等幾種類型，雖然這些混合器在應(yīng)用中均顯示出良好的氣液混合效果，但由于過大的安裝空間，以及混合方式對垂直井筒油氣流動(dòng)的干擾，并不適用。本文在理論分析空氣與水混合的基礎(chǔ)上，對比常用氣液混合器的結(jié)構(gòu)與混合方式，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，研制了一種可模擬穩(wěn)定泡流的新型氣液混合器，提升泡流模擬效果。

1 空氣與水的混合

混合是指不同物理和化學(xué)性質(zhì)的組分在未發(fā)生本質(zhì)變化情況下的細(xì)化和分布的過程，是一種趨向于混合物宏觀均勻性的一種操作［8-9］，其機(jī)理可歸納為對流、剪切、擴(kuò)散3 種機(jī)理［10-12］。

空氣和水的密度差異大，欲使注入到水中的空氣以小氣泡的形式分散在水中，僅僅依靠空氣間的剪切、擴(kuò)散以及空氣與水自身對流是很難實(shí)現(xiàn)的，只有借助一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化空氣與水之間的對流，使空氣快速被打散成小氣泡，并重新發(fā)生有序的或者無規(guī)則的排列，才有可能實(shí)現(xiàn)空氣氣泡在水中的均化過程，即實(shí)現(xiàn)混合。對流過程中形成的空氣氣泡越小，對流的越充分，氣泡分布就越均勻，混合效果就越好。

2 氣液混合器結(jié)構(gòu)對比

氣液混合器是氣液兩相流研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，常見的氣液混合器有渦輪混合器、文丘里混合器、填料塔、板式塔等［13］。

2.1 渦輪式混合器

渦輪混合器是將氣體從進(jìn)氣口注入，渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流將氣體拉向液體，攪動(dòng)起來，打散氣泡進(jìn)而達(dá)到混合的目的，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 渦輪式混合器結(jié)構(gòu)

2.2 文丘里式混合器

文丘里混合器是一種常用的氣液混合設(shè)備，又可分為直流式和旋流式混合器，兩者區(qū)別在于旋流式混合器內(nèi)加裝增強(qiáng)進(jìn)氣擾動(dòng)的旋流器。

直流式混合器結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，空氣通道被設(shè)計(jì)成縮放噴管形式，節(jié)流作用使喉管內(nèi)流速達(dá)到最大，形成壓力差，液體依靠壓力差的吸附作用被吸入實(shí)現(xiàn)混合。旋流式混合器結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，是由噴射器和旋流器組成，噴射器先霧化液體，旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流促進(jìn)油氣瞬間均勻混合。

圖2 文丘里式混合器結(jié)構(gòu)

2.3 塔式混合器

塔式混合器根據(jù)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為填料塔、板式塔，是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。

填料塔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示，將拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等實(shí)體填料或鞍型網(wǎng)、θ 網(wǎng)環(huán)、壓延孔環(huán)等網(wǎng)體填料裝入帶有支撐板的填料層，采用液上氣下異向連續(xù)通過填料之間的孔隙分散或切割液流和水流，實(shí)現(xiàn)氣液混合。

圖3 塔式混合器結(jié)構(gòu)示意圖

板式塔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（b）所示，將篩孔式、柵板式、波紋板式以及浮閥式等型式的塔板沿塔高按一定的間距設(shè)置若干層，液體自上而下逐板流動(dòng)，氣體自下而上依次穿過各塔板液體層，氣液通過梯級式交互作用實(shí)現(xiàn)混合。

2.4 對比分析

由表1 可知，渦輪式、文丘里式混合器都具有較好的氣液混合效果，但由于其需要較大工作空間或高氣體流速，且存在較強(qiáng)流動(dòng)干擾，不適用。塔式混合器工作空間大，也不太適用，但其孔眼結(jié)構(gòu)和逆向?qū)α鞯幕旌戏绞搅鲃?dòng)干擾較弱，可選用。

因此，本文以塔式混合器的結(jié)構(gòu)和混合方式為基礎(chǔ)，結(jié)合垂直井筒尺寸，設(shè)計(jì)一種新型氣液混合器，提升泡流模擬效果。

表1 混合器對比分析

3 氣液混合器設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考塔式混合器的多孔結(jié)構(gòu)以及逆向?qū)α鞯姆绞剑诖怪本渤叽缫约皞?cè)向注水、底部注空氣的原始四通結(jié)構(gòu)，通過延長注氣噴管的長度，增加噴管的孔眼數(shù)量，形成由四通與多孔噴管構(gòu)成的側(cè)向?qū)α魍墓芙Y(jié)構(gòu)，四通看作一段壁厚為25 mm、尺寸Φ內(nèi)＝30 mm×L1mm的圓管，多孔噴管是一段以四通中軸線為中心，壁厚為3 mm、尺寸Φ內(nèi)＝30 mm ×Lmmm的空心圓管，側(cè)面、頂面均布局孔眼，側(cè)面采用螺旋均勻布局多組對稱孔眼，如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖（mm）

3.2 多孔噴管參數(shù)設(shè)計(jì)

氣液混合面積和氣泡分散度是影響氣液混合效果的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。氣液混合面積指氣體與液體接觸面積，可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算；氣泡分散度是指氣泡在液體中分布狀態(tài)，可用氣泡比表面積來表示。假設(shè)氣泡連續(xù)、均勻，不考慮氣泡之間碰撞聚并，則氣泡比表面積

式中：αv為氣泡的比表面積，mm2／mm3；A 為氣泡總表面積，mm2；V為水的總體積，mm3。

根據(jù)圖4 所示結(jié)構(gòu)，同心管結(jié)構(gòu)下氣液混合面積

由式（1）可計(jì)算氣泡最大比表面：

式中：d1為孔眼直徑（mm）；Dm為內(nèi)腔直徑（mm）；L1為內(nèi)腔長度（mm）；Dg為多孔噴管外徑（mm）；n 為孔眼組數(shù)，整數(shù)；ΔL 為孔眼間距（mm），且ΔL ＝Lm／（n ＋1）；a為每組孔眼數(shù)，整數(shù)；Lm為孔眼分布長度，Lm≤L1（mm）。

由式（2）、（4）、（5），新式混合器的氣液混合效果與多孔噴管的每組孔數(shù)、組數(shù)、長度正相關(guān)，與孔眼間距反相關(guān)。孔眼直徑和間距越小，則每組孔數(shù)、組數(shù)就越大，孔眼數(shù)量就越多，但較密的孔眼布局也可能導(dǎo)致經(jīng)多孔噴管孔眼形成的氣泡再次聚并，反而降低氣液混合效果。因此需要優(yōu)選孔徑、間距、每組孔數(shù)。

（1）孔眼直徑d1、間距ΔL、每組孔數(shù)a 優(yōu)選。楊輝［14］指出噴嘴尺寸一定條件下，兩個(gè)噴嘴的距離達(dá)到一定間距后，生成氣泡間的渦流重疊面積逐漸增加，排斥作用逐漸增強(qiáng)，上升過程不會(huì)聚并。楊順生等［15］指出，當(dāng)上、下氣泡距離≥20 mm 時(shí)，在氣泡間相互排斥作用下，3 個(gè)直徑6 mm氣泡上升過程不發(fā)生聚并。

因此，結(jié)合他人的研究結(jié)論，研究多孔噴管不同孔徑、不同間距、每組均勻分布不同孔眼時(shí)，經(jīng)多孔噴管產(chǎn)生的氣泡上升聚并情況，優(yōu)選出最優(yōu)參數(shù)，具體方案如表2 所示。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

選擇多孔噴管最下面一組孔眼為研究對象，為了方便計(jì)算，將其三維結(jié)構(gòu)簡化為二維結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。利用ANSYS FLUENT二維流體體積（2D-VOF）法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，結(jié)果如圖6 所示。

圖5 VOF計(jì)算圖例

圖6 氣液混合效果計(jì)算結(jié)果

由圖6 可知，d1＝1 mm，ΔL ＝10 mm，a ＝6 時(shí)，經(jīng)多孔噴管生成的氣泡體積小，且上升過程中氣泡未發(fā)生聚并；d1＝2 mm，ΔL ＝10 mm，a ＝6 時(shí)，生成的氣泡體積稍大一點(diǎn)，氣泡生成的初始階段也不聚并，但上升過程出現(xiàn)氣泡聚并；d1＝1 mm，ΔL ＝8 mm，a ＝8 時(shí)，氣泡生成的初始階段即開始聚并，上升過程氣泡也聚并；d1＝2 mm，ΔL ＝8 mm，a ＝8 時(shí)，氣泡生成的初始階段即開始聚并，但上升過程氣泡不聚并，這是因?yàn)轶w積較大的氣泡間的排斥作用強(qiáng)于體積較小的氣泡。

因此，取d1＝1 mm，ΔL ＝10 mm，a ＝6 可獲得較好的氣液混合效果。

（2）頂面孔數(shù)優(yōu)化。多孔噴管頂面孔眼主要是用來降低多孔噴管噴側(cè)面孔眼中氣體壓力，以防產(chǎn)生氣體射流錐，同時(shí)也要注意氣泡聚并的問題。因此，孔眼間距也應(yīng)滿足ΔL≥10 mm。

如圖7 所示，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)頂面孔眼所在外接圓半徑r1＝6 mm時(shí)，ΔL ＝10.4 mm，滿足ΔL≥10 mm。因此，頂面孔數(shù)≤3，取3。

（3）側(cè)面孔眼分布長度Lm、組數(shù)n 優(yōu)化。由式（2）、（4），氣液混合面積、氣泡最大比表面均正比于Lm，因此，取Lm＝L1＝88 mm；又有ΔL≥10 mm，則

因此，取n ＝8。

3.3 設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果

多孔噴管，壁厚3 mm，尺寸為Φ內(nèi)15 mm × 88 mm，孔眼為Φ1 mm×3 mm，側(cè)向共分布8 組，每組孔數(shù)6 個(gè)，為進(jìn)一步降低孔眼聚并幾率，采取每組孔眼按同一偏轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)8°的方式螺旋布局，頂面均勻分布3 個(gè)孔眼，與Φ內(nèi)30 mm×115 mm，四通組配而成新型氣液混合器，如圖8 所示。

4 氣液兩相流型實(shí)驗(yàn)

新型氣液混合器接入垂直井筒底部，以空氣、水為流體介質(zhì)，利用高速攝像機(jī)測試不同氣體流量下垂直井筒內(nèi)（Φ內(nèi)＝30 mm）氣液兩相流流型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9 所示。

圖8 新型氣液混合器實(shí)物圖

圖9 氣液兩相流型（L／h）

由圖9 可見，當(dāng)氣體流量≤250 L／h 時(shí)，氣體經(jīng)同心管側(cè)向?qū)α魇交旌掀鲀?nèi)多孔噴管側(cè)面小孔的分散作用，在垂直井筒中呈現(xiàn)出較高的分散度；由于多孔噴管固定的幾何體積和過流截面積，隨著氣體流量增大，氣體被分散成小氣泡的直徑逐漸變大，但氣泡直徑相對于井筒直徑要小的多，未出現(xiàn)占據(jù)井筒斷面的大氣泡，且氣液兩相穩(wěn)定向上流動(dòng)，屬于泡流形態(tài)。當(dāng)氣體流量達(dá)到300 L／h時(shí)，經(jīng)多孔噴管分散的氣體在垂直井筒中的分散度較低，不能清晰地觀察到氣泡間的界面，而是大量氣泡聚并在一起，出現(xiàn)占據(jù)井筒斷面的一團(tuán)大氣泡（見圖（e）紅色方框內(nèi)氣泡），形成一段水一段氣的結(jié)構(gòu)，屬于段塞流。繼續(xù)增大氣體流量至800 L／h時(shí)，垂直井筒中的氣體的流動(dòng)方向不再是垂直向上，而是沿井筒中心波浪狀上升，出現(xiàn)小漩渦，屬于過渡流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型氣液混合器不僅可以在較寬的范圍獲得穩(wěn)定的泡流型態(tài)，而且不影響其他流動(dòng)型態(tài)的模擬，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)效果，方便學(xué)生直觀地觀察流型和理解氣液兩相流流動(dòng)規(guī)律。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可模擬泡流型態(tài)的新型氣液混合器，其結(jié)構(gòu)簡單、泡流模擬界限寬、穩(wěn)定性好、無氣體射流錐，且不影響段塞流等其他流型的模擬，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)效果。提供了一種氣泡最大比表面積＋二維流體體積（2D-VOF）組合計(jì)算氣液混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法是可行的、可靠的、可推廣應(yīng)用。