天然氣水合物原位除砂分離器分離機(jī)理CFD分析

邱順佐，劉沁，楊燕，方興

（1.宜賓學(xué)院 國(guó)際應(yīng)用技術(shù)學(xué)部，四川宜賓 644000；2.宜賓學(xué)院 智能制造學(xué)部，四川宜賓 644000；3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500）

天然氣水合物是一種由天然氣分子和水分子形成的冰狀結(jié)晶化合物，已被公認(rèn)是一種高效、清潔、儲(chǔ)量巨大的替代能源[1-3]．水合物廣泛存在于海底淺層沉積物和永久凍土中，全球99%以上的水合物儲(chǔ)量位于海洋沉積物中[4]．近年來(lái)，包括加拿大、日本和中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家通過降壓、熱激、固體流化等多種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和試采生產(chǎn)，其中代表性的海洋水合物試采國(guó)家有日本和中國(guó)[5-6]．試采結(jié)果表明，上述各種試采方法在實(shí)施過程中都會(huì)造成嚴(yán)重的出砂．目前為了解決嚴(yán)重的出砂問題，主要采用傳統(tǒng)的防砂方法，如篩管、礫石充填等，但防砂效果并不理想．周守為等在固體流化開采方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的防砂方法[7]，即井下原位分離除砂，實(shí)時(shí)去除水合物混合漿液中的砂粒，將其返排回填至儲(chǔ)層采空腔中，并介紹了采砂和除砂的原理[8-10]．其中分離器作為該新方法實(shí)施的關(guān)鍵裝備，其性能決定該方法的實(shí)施效果．

水力旋流器和螺旋分離器因其成本低、效率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高，是一種主要的分離器，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、石油工業(yè)、選礦和化工等行業(yè)[11-14]．此外，現(xiàn)有的研究中已揭示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水力旋流器的分離機(jī)理，如切向入口和簡(jiǎn)單軸向?qū)~入口的分離器，以及常見領(lǐng)域的油水分離和氣液器分離機(jī)理[15-19]．本文提出的水合物原位除砂分離器擬在切向水力旋流器和螺旋分離器的基礎(chǔ)上提出一種新型結(jié)構(gòu)，基于計(jì)算流體模擬，開展水合物原位除砂分離器的流場(chǎng)特性和分離過程研究，包括不同處理量下的湍流強(qiáng)度、靜壓力、切向速度、軸向速度、徑向速度和離散相分布規(guī)律，進(jìn)一步提高水合物原位除砂分離器的分離性能，通過除砂和天然氣水合物回收來(lái)凈化天然氣水合物混合漿液，更好地服務(wù)于這一新的應(yīng)用領(lǐng)域．

1 材料和方法

1.1 幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格

水合物原位除砂分離器的幾何模型和已劃分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示．為更好地捕捉水合物和砂在水合物原位除砂分離器中的運(yùn)移行為，使用SOLIDWORKS 軟件構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)化的水合物分離器幾何結(jié)構(gòu)．與傳統(tǒng)的水力旋流器和螺旋分離器不同，該分離器主要分為螺旋入口和旋流主體兩部分．螺旋入口起預(yù)分離和產(chǎn)生旋流的作用，旋流主體起主要的分離作用．分離器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示．為了提高計(jì)算精度，在關(guān)鍵部分對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化．整個(gè)計(jì)算域由四面體和六面體網(wǎng)格組成．

表1 新型水合物分離器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型描述

1.2.1 多相流模型

由于水合物混合漿體的固相體積比濃度超過15%，因此使用Mixture 模型來(lái)模擬多相流特征．與Eulerian 模型和Lagrangian 模型相比，Mixture 模型是一種簡(jiǎn)化的多相模型，具有計(jì)算精度高和速度快的優(yōu)勢(shì)[20-22]．

連續(xù)方程如下[20-22]：

動(dòng)量方程如公式（2）所示[20-22]：

式中：udr為拉拽速度，g是重力加速度，-ρ是雷諾應(yīng)力項(xiàng)．ui、uj和ρ分別為混合相中第i相速度、j相速度和密度，可由公式（3）計(jì)算：

其中μk、αk、ρk、uk為各相粘度、體積分?jǐn)?shù)、密度、速度．

1.2.2 湍流模型

與RANS（Reynolds Average Navier-stokes）模型和LES（Large eddy）模型相比，雷諾應(yīng)力（RSM）模型在計(jì)算時(shí)間和精度方面都具有優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜流動(dòng)（如旋流）的行為也具有很大優(yōu)勢(shì)[23-24]．主要原因在于RSM 模型使用偏微分輸運(yùn)方程來(lái)計(jì)算湍流應(yīng)力張量的單個(gè)分量[25-26]．因此，本文采用了雷諾應(yīng)力模型．

RSM模型輸運(yùn)方程可以寫成[25,26]：

式中：DT,ij為湍流擴(kuò)散項(xiàng)，DL,ij為分子粘性擴(kuò)散項(xiàng)，Pij為剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)，Gij為浮力產(chǎn)生項(xiàng)，Φij為壓力應(yīng)變項(xiàng)，εij為粘性耗散項(xiàng)，F(xiàn)ij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)．

1.3 邊界條件和求解

基于海洋水合物固態(tài)流化開采技術(shù)，水合物混合漿體中只含有三相，分別為海水、水合物固體和砂．本研究中使用的介質(zhì)的物理參數(shù)如表2所示．

表2 分離介質(zhì)的物理參數(shù)

具體模擬參數(shù)設(shè)置為： 粒徑30 μm，砂體積分?jǐn)?shù)15%，水合物體積分?jǐn)?shù)10%，入口速度0.63 m/s（流量15 m3/h）．采用BT-9300LD 干濕激光粒度分析儀在測(cè)得的南海試采所得水合物沉積物粒徑分布，如圖2 所示．沉積物的粒徑集中在30 μm，大部分顆粒粒徑小于100 μm．因此，在本文中顆粒直徑選用30 μm．

圖2 干濕激光粒度儀與南海水合物沉積物顆粒粒徑分布

本文在Fluent 18.0 中使用三維模型、穩(wěn)態(tài)模式、雙精度隱式求解器．采用SIMPLE（半隱式壓力連接方程）算法求解，結(jié)合連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，推導(dǎo)出壓力方程．采用高階二次逆風(fēng)插值（QUICK）空間離散化方法．入口、出口和壁面邊界條件分別設(shè)置為速度入口、壓力出口和無(wú)滑移壁面邊界．

2 結(jié)果和討論

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性和模型驗(yàn)證

根據(jù)表3和圖3所示的網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量超過150 000后最大壓力和最大速度變化較小，故選擇約150 000 個(gè)單元的網(wǎng)格作為最終網(wǎng)格方案．通過將分流比數(shù)值結(jié)果與清水相實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4 所示．隨著入口速度的增加，分流比幾乎不變，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文所采用的數(shù)值模型的正確性．

表3 網(wǎng)格數(shù)量與最大速度及最大壓力的關(guān)系

圖3 最大速度和壓力與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系圖

圖4 分流比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.2 流場(chǎng)特性分析

水合物原位除砂分離器中多相流場(chǎng)的特性決定其分離性能，也是揭示分離機(jī)理的關(guān)鍵．為方便水合物除砂分離器中三維流程特征的展示，在本文中，通過呈現(xiàn)垂直平面的輪廓和垂直平面上不同位置（底流管、圓柱段、錐段和螺旋形入口）的湍流強(qiáng)度、靜壓力和速度分布規(guī)律來(lái)開展流程特性研究（具體如圖5 所示，Z=25 mm、350 mm、505 mm、550 mm）．

圖5 新型水合物分離器截面及軸向特定位置示意圖

2.2.1 湍流強(qiáng)度

以脈動(dòng)速度與平均速度之比表示的湍流強(qiáng)度是湍流最重要的特征參數(shù)之一，也是評(píng)價(jià)流體流動(dòng)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)．此外，顆粒在分離器中的分離過程是顆粒在徑向上的有序排列．理想條件下，在離心力、壓力梯度力和流體阻力的作用下，輕顆粒或細(xì)顆粒遷移到中心，如水合物顆粒，而重顆粒或大粒徑顆粒遷移到容器壁，如砂顆粒，最后分別回收．然而，由于流體中存在湍流，流體的速度有很強(qiáng)的波動(dòng)，這將導(dǎo)致顆粒無(wú)法有序排列或需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)有序排列．因此，湍流強(qiáng)度的大小總是與錯(cuò)位顆粒的數(shù)量和能量消耗有關(guān)，這最終會(huì)降低水合物原位除砂分離器的分離性能．

圖6 和7 顯示了湍流強(qiáng)度分布云圖和特定位置的徑向分布曲線．從圖6 中可以觀察到，湍流強(qiáng)度最高的區(qū)域出現(xiàn)在螺旋形入口，其次是底流管和溢流管出口，主要原因是螺旋入口將軸向速度轉(zhuǎn)化為切向和徑向速度，螺旋入口的螺旋導(dǎo)流板對(duì)流體有一定的阻擋作用，且螺旋入口處的截面積急劇減小．同樣，底流管和溢流管出口存在負(fù)壓，這會(huì)導(dǎo)致速度的巨大波動(dòng)．圖7 清楚地顯示了湍流強(qiáng)度在Z= 25 mm、350 mm、505 mm、550 mm 位置的徑向分布曲線圖．可以看出，沿著軸向方向，從螺旋入口到底流管出口，湍流強(qiáng)度先增加，然后減少．螺旋入口處的湍流強(qiáng)度最小，其次是錐體截面，在穩(wěn)流錐作用后的區(qū)域湍流強(qiáng)度明顯減小，這表明穩(wěn)流錐體起到一定的作用．在徑向方向上，湍流強(qiáng)度從壁向中心逐漸減小，主要原因是容器壁的粗糙度導(dǎo)致流體波動(dòng)．

圖6 湍流強(qiáng)度分布云圖

圖7 不同流量下湍流強(qiáng)度徑向分布曲線

從上述結(jié)果可以看出，砂和水合物在圓柱段和錐段的分離性能較好．因此，可以通過調(diào)整螺旋入口結(jié)構(gòu)來(lái)降低分離器中的湍流強(qiáng)度，如本研究中增加的穩(wěn)流錐．

2.2.2 靜壓力

靜壓力分布云圖和特定位置徑向分布曲線如圖8 和圖9 所示．從圖中可以看出，在徑向上，靜壓力的絕對(duì)值從中心到壁逐步增加，并且是關(guān)于中心的近似對(duì)稱分布．此外，砂和水合物顆粒在壓力梯度力的作用下向中心移動(dòng)．在軸向方向上，靜壓力從螺旋入口到底流管出口先增大后減小，并在入口處達(dá)到最大值，這表明砂和水合物顆粒在螺旋入口處具有更大的遷移力，主要原因是當(dāng)壓力能在出口附近轉(zhuǎn)化為動(dòng)能時(shí)，壓力損失增加．與陸地上傳統(tǒng)的水力旋流器不同，盡管出口有負(fù)壓區(qū)，但沒有空氣柱，這是由于出口處的液封．最重要的是，在圖9 中可以更清楚地看到，其中靜壓在Z= 25 mm、350 mm、505 mm、550 mm 的特定位置徑向分布曲線，呈“V”形，在徑向上也近似對(duì)稱．

圖8 靜壓力分布云圖

圖9 不同流量下靜壓力徑向分布曲線

如圖8和圖9所示，入口和出口之間的壓差小于0.3 MPa，這表明水合物原位分離器與傳統(tǒng)水力旋流器和螺旋分離器相比，能耗相對(duì)較低，具有一定的使用價(jià)值；同時(shí)也表明螺旋入口結(jié)構(gòu)起到產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流體和預(yù)分離的作用．

2.2.3 切向速度

砂和水合物顆粒向外壁的運(yùn)動(dòng)由離心力主導(dǎo)，離心力由切向速度決定．垂直平面上的切向速度分布云圖如圖10 所示．Z= 25 mm、350 mm、505 mm和550 mm 特定位的切向速度徑向分布曲線如圖11所示．從圖中可以看出，切向速度從中心到壁面先增大后減小，形狀類似“M”，且呈對(duì)稱分布．在軸向方向上，從入口到底流管出口，切向速度先增大后減小，在入口處幾乎為零，在螺旋形入口和錐形截面區(qū)域達(dá)到最大值，主要原因是通過螺旋入口結(jié)構(gòu)將軸向速度轉(zhuǎn)化為切向速度和徑向速度，切向速度在螺旋入口結(jié)構(gòu)出口處得到充分發(fā)展．研究表明，螺旋入口、圓柱段和錐形段在砂和水合物分離中起著關(guān)鍵作用，螺旋入口處的螺旋導(dǎo)流板具有良好的導(dǎo)流效果．從數(shù)值來(lái)看，切向速度遠(yuǎn)大于軸向速度和徑向速度，這表明切向速度是砂和水合物顆粒分離的主要?jiǎng)恿υ矗?/p>

圖10 切向速度分布云圖參照前面處理

圖11 不同流量下切向速度徑向分布曲線

2.2.4 軸向速度

軸向速度分布云圖和徑向分布曲線如圖12 和13 所示．與傳統(tǒng)水力旋流器相同，軸向速度可以通過沿徑向位置的零軸向速度矢量（LZVV）分為兩部分，即向上流動(dòng)和向下流動(dòng)，尤其是在錐形段，這樣能讓不同的顆粒進(jìn)去不同的區(qū)域來(lái)去除或回收．水合物顆粒理想地進(jìn)入上行流中進(jìn)行回收，砂粒進(jìn)入下行流中進(jìn)行去除．此外，在溢流管附近和下方存在循環(huán)流．循環(huán)流可以使未進(jìn)入分離區(qū)域的顆粒進(jìn)入分離區(qū)域．這有利于提高分離效率．因此，合適的結(jié)構(gòu)可以控制循環(huán)流，最終保持水合物分離器的良好性能．

圖12 軸向速度分布云圖

沿徑向和軸向的軸向速度分布可以在圖13 中清楚地顯示，圖13 中給出了Z= 25mm、350mm、505mm、550mm 特定位置的軸向速度的徑向分布曲線．軸向速度分布具有明顯的對(duì)稱性，但Z=25mm 的對(duì)稱性相對(duì)較差，這表明軸向速度受湍流強(qiáng)度的影響很大．另一方面，從該值來(lái)看，中心處的軸向速度大于壁處的軸向速率．為了保持軸向速度的穩(wěn)定性，建議選擇合適的結(jié)構(gòu)．

2.2.5 徑向速度

如圖14 和15，為徑向速度分布云圖和徑向分布曲線．在圖中，正值是徑向向外的，而負(fù)值是徑向向內(nèi)的．可以觀察到，徑向速度遠(yuǎn)小于切向速度和軸向速度，并且波動(dòng)頻繁，但也沿軸中心呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性．圖15 清楚地描述了這一點(diǎn)，展示了Z= 25 mm、350 mm、505 mm 和550 mm 位置的徑向速度分布曲線．與傳統(tǒng)的水力旋流器和螺旋分離器相比，徑向速度是不斷交替的；并且在水合物分離器中沿中心具有更好的對(duì)稱性．這意味著顆粒在水合物分離器中的徑向遷移速度是可變的，并且這種現(xiàn)象是三維的，可變的遷移速度有助于膠結(jié)顆粒的分離，徑向速度的變化會(huì)對(duì)顆粒的分離產(chǎn)生一定的影響，從而影響分離器的性能．此外，徑向速度的不穩(wěn)定性趨勢(shì)與圖6中的湍流分布云圖規(guī)律一致．

圖14 徑向速度分布云圖

圖15 不同流量下徑向速度徑向分布曲線

2.3 離散相分布

為充分揭示分離機(jī)理，特別是流動(dòng)特性與分離行為之間的關(guān)系，研究了天然氣水合物漿液中水合物與砂的分離過程，包括水合物和砂離散相體積分?jǐn)?shù)在水合物分離器中的分布．

2.3.1 水合物相分布

圖16 和圖17 分別展示水合物體積濃度分布云圖和曲線．從圖中可以看出，水合物體積濃度相沿軸心對(duì)稱分布，從入口到底流管出口逐漸減小．相反，水合物的體積濃度從入口到溢流管出口逐漸增加．在徑向方向上，水合物體積濃度從壁向中心逐漸增加．水合物體積濃度在螺旋形入口之前分布均勻，首先在螺旋形入口處開始向中心聚集，然后在圓柱段和圓錐段截面的中心附近逐漸增加，最后在底流管中最低，在溢流管中最大，主要原因在于水合物相密度小于連續(xù)相密度，并且在離心力、壓力梯度力和流體阻力的共同作用下，顆粒將逐漸向中心移動(dòng)，最后，它們進(jìn)入溢流管，并從溢流管出口被回收．水合物相顆粒在螺旋入口流道中開始向中心遷移，這表明螺旋入口結(jié)構(gòu)起到了預(yù)分離的作用，這與流場(chǎng)特性的分析結(jié)果一致．上述結(jié)果表明，水合物原位除砂分離器可以有效地從天然氣水合物的混合漿體中回收水合物．

圖16 水合物相體積濃度分布云圖

圖17 水合物相體積濃度徑向分布曲線

2.3.2 砂相分布

砂體積濃度分布云圖和曲線如圖18和19所示．由圖可知砂相沿軸心對(duì)稱分布，砂體積濃度從入口到底流管出口逐漸增加，而砂體積濃度則從入口到溢流管出口逐漸減少，最大值出現(xiàn)在底流管出口附近．在徑向，砂的體積濃度從壁向中心逐漸減小，其主要原因是砂相的密度大于連續(xù)相的密度，在離心力、壓力梯度力和流體阻力的共同作用下，顆粒逐漸遷移到壁面，最終進(jìn)入底流管，從底流管出口排出．砂相顆粒在螺旋入口中開始向壁面遷移，這表明螺旋入口結(jié)構(gòu)起到了預(yù)分離的作用，這與流場(chǎng)特征的分析結(jié)果一致．上述結(jié)果證明，水合物原位除砂分離器可以有效地去除天然氣水合物混合漿體中的砂相顆粒．

圖18 砂相體積濃度分布云圖

圖19 砂相體積濃度徑向分布曲線

在水合物原位除砂分離器中，離散相沿軸心對(duì)稱分布．在離心力、壓力梯度力和流體阻力的共同作用下，砂粒會(huì)逐漸向壁面遷移，而水合物顆粒會(huì)逐漸向中心遷移．上述現(xiàn)象在螺旋形入口開始出現(xiàn)，在圓柱段突出，在圓錐段最為明顯，最終水合物顆粒被回收，砂顆粒被去除．同時(shí)，顆粒的遷移也受到湍流強(qiáng)度的影響，從而導(dǎo)致位移發(fā)生改變．上述結(jié)果表明，螺旋入口結(jié)構(gòu)起到預(yù)分離的作用，圓柱段和圓錐段在水合物和砂顆粒分離中起到關(guān)鍵作用，可以通過改變操作或結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制流場(chǎng)特性，從而可以改善水合物分離器的分離性能．

3 結(jié)論

本文基于CFD 數(shù)值模擬對(duì)水合物原位除砂分離器分離機(jī)理研究，得出以下結(jié)論：

在水合物原位除砂分離器中，流場(chǎng)沿軸心對(duì)稱分布，如速度、湍流強(qiáng)度、靜壓力和離散相體積濃度．特別是徑向速度的對(duì)稱性不同于傳統(tǒng)的水力旋流器和螺旋分離器．湍流強(qiáng)度最高的區(qū)域位于螺旋入口，其次是底流管和溢流管，這表明穩(wěn)定流錐起到了一定的作用．進(jìn)出口壓差小于0.3MPa，表明水合物原位除砂分離器具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)．

在螺旋入口、圓柱段和圓錐段中，速度值相對(duì)較大，軸向速度將流場(chǎng)分為兩個(gè)方向不同的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)水合物顆粒回收和砂粒去除．對(duì)于離散相分布，所有相在進(jìn)入螺旋入口之前都是均勻分布的，進(jìn)入螺旋入口后，在徑向上，從壁面向中心方向，砂的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，水合物的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加．水合物相體積濃度在中心和溢流管處最大，砂相體積濃度在壁面和底流管處最大．

以上結(jié)果揭示了水合物分離器的分離機(jī)理，同時(shí)表明螺旋入口起到預(yù)分離的作用，圓柱段和圓錐段在水合物和砂顆粒分離中起到關(guān)鍵作用，也表明螺旋入口具有良好的導(dǎo)流效果．