高含氣螺旋柱狀氣液分離器的分離規(guī)律研究

目前關(guān)于螺旋氣液分離器的研究大多側(cè)重于低含氣體積分?jǐn)?shù)條件下的分離性能，高含氣體積分?jǐn)?shù)下的分離性能研究相對(duì)較少。為此，對(duì)比了螺旋氣液分離器在低含氣和高含氣條件下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)變化規(guī)律，并對(duì)其在低含氣和高含氣條件下底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)、脫液效率、脫氣效率以及切向速度場(chǎng)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：入口含氣體積分?jǐn)?shù)在不斷上升過程中，當(dāng)達(dá)到50%時(shí)，氣相幾乎均勻分布在整個(gè)氣液分離器，氣液分離器當(dāng)中已經(jīng)沒有明顯的液相集中區(qū)域；當(dāng)達(dá)到70%時(shí)，底流含氣體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到了49.5%，底流出口攜氣嚴(yán)重，同時(shí)脫液效率由最初的96.9%下降到55.4%，脫氣效率由43.9%提高到80.8%。研究結(jié)果可為螺旋氣液分離器在高含氣條件下的模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

螺旋柱狀氣液分離器；高含氣；流體域模型；數(shù)值模擬；流場(chǎng)分布

中圖分類號(hào)：TE934

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.012

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“同井注采井筒關(guān)鍵湍流場(chǎng)域離散相運(yùn)聚機(jī)理及動(dòng)力學(xué)行為研究”（U21A20104）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“多場(chǎng)多相耦合強(qiáng)化分離機(jī)理及性能研究”（ZD2020E001）。

Separation Law of High Gas Content Spiral Cylindrical Gas-liquid Separator

Ji Hao" Zhao Lixin" Liu Lin

（School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University；Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multi-phase Media Treatment and Pollution Prevention）

At present，the research on spiral gas-liquid separator mostly focuses on the separation performance under low gas volume fraction conditions，and there is relatively little research on that under high gas volume fraction conditions.To solve this problem，the concentration field changes of the spiral gas-liquid separator under low and high gas content conditions were compared，and the gas volume fraction at apex，liquid removal efficiency，degassing efficiency and tangential velocity field of the spiral gas-liquid separator under low and high gas content conditions were analyzed.The research results show that during the continuous increase of the gas volume fraction at inlet，when it reaches 50%，the gas phase is almost uniformly distributed throughout the gas-liquid separator，and there is no obvious liquid phase concentration area in the gas-liquid separator.When the gas volume fraction at inlet reaches 70%，the maximum gas volume fraction in the bottom flow reaches 49.5%，and the apex carries gas severely；meanwhile，the liquid removal efficiency decreases from the initial 96.9% to 55.4%，and the degassing efficiency increases from 43.9% to 80.8%.The research results provide theoretical basis for the model structure optimization design of spiral gas-liquid separators under high gas content conditions.

spiral cylindrical gas-liquid separator；high gas content；fluid domain model；numerical simulation；flow field distribution

0" 引" 言

螺旋柱狀氣液分離器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣液分離器，具有處理流量大、能適應(yīng)不同的操作壓力和溫度、占地面積較小和制造維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域［2-4］。

季豪，等：高含氣螺旋柱狀氣液分離器的分離規(guī)律研究

諸多學(xué)者研究了不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對(duì)螺旋氣液分離器流場(chǎng)的影響。周幗彥等［5］研究了螺旋葉片的螺距對(duì)氣液分離效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺距增加時(shí)，氣液分離效率表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)；付靜［6］研究了處理量對(duì)氣井井下螺旋式氣液分離器分離效果的影響，結(jié)果表明，大處理量會(huì)導(dǎo)致分離器內(nèi)的流體轉(zhuǎn)速過快，使液滴承受更大的切應(yīng)力而破碎成更小的液滴，增加了分離難度；E.S.ROSA等［7］發(fā)明了一種氣液分離的螺旋葉片式氣液分離器，利用螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離心力，從而將氣液分離，解決了氣液分離過程中的阻塞問題；A.R.KHANCHI等［8］利用正交法確定了螺旋分離器的最佳洗滌條件，結(jié)果表明，稀土精礦的進(jìn)料量和進(jìn)料粒度比其他操作參數(shù)的影響更為顯著。

然而，在過去的研究中，大多數(shù)關(guān)于螺旋氣液分離器的研究側(cè)重于低含氣體積分?jǐn)?shù)條件下的分離性能，高含氣體積分?jǐn)?shù)下的分離性能研究相對(duì)較少，因此對(duì)于這一領(lǐng)域缺乏深入了解。為此，筆者研究了螺旋氣液分離器高含氣體積分?jǐn)?shù)下的分離性能影響規(guī)律。研究結(jié)果可為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供借鑒，為螺旋柱狀氣液分離器的應(yīng)用提供參考。

1" 工作原理

螺旋柱狀氣液分離器是利用螺旋流道產(chǎn)生的離心力來進(jìn)行氣液分離的一種工業(yè)設(shè)備［9-10］，其中氣液兩相混合物以一定初速度由軸向入口進(jìn)入氣液分離器內(nèi)部，氣液混合物經(jīng)螺旋流道強(qiáng)制導(dǎo)流后，直線流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐郧邢蛩俣葹橹鞯母咚傩D(zhuǎn)流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生離心力。氣液兩相由于密度相差較大，所受到的離心力也有很大的差別，由此促使氣液兩相流實(shí)現(xiàn)分離。其中密度大的液體在螺旋運(yùn)動(dòng)過程中先朝分離器的筒體內(nèi)壁方向運(yùn)動(dòng)，再向下運(yùn)動(dòng)，并由底流口排出；而氣相則在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)到筒體中心，再向上運(yùn)動(dòng)并由溢流口排出。如圖1所示。

2" 流體域模型建立

2.1" 流體域的構(gòu)建

利用SolidWorks開展流體域建模，螺旋柱狀氣液分離器的流體域結(jié)構(gòu)（見圖2）主要由外筒、螺旋流道、頂部入口、溢流出口和底部底流出口組成。過軸向端面作截面S1以方便對(duì)后續(xù)流場(chǎng)進(jìn)行分析。截面S1位于距離外筒底部50 mm處。主要尺寸參數(shù)分布如圖3所示。

其中主直徑（D）為75 mm，其他各參數(shù)以主直徑的倍數(shù)表示，即：總長(zhǎng)度（L）為7.70D，螺旋流道長(zhǎng)度（L1）為0.80D，入口段長(zhǎng)度（L2）為0.96D，溢流出口直徑（D1）為0.16D，底流出口直徑（D2）為D。

2.2" 網(wǎng)格劃分

使用ICEM CFD軟件對(duì)流體域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其流體域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.3" 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在開展Fluent模擬時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是至關(guān)重要的步驟之一。過多的網(wǎng)格單元會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間［11］，而過少的網(wǎng)格單元可能無法準(zhǔn)確捕捉流體流動(dòng)中的細(xì)節(jié)和特征。本次網(wǎng)格劃分將采用5個(gè)不同的網(wǎng)格水平，分別為165 238、351 687、513 282、725 496、956 329。底流含氣體積分?jǐn)?shù)能直接反映氣液分離器的氣液分離性能，因此以底流含氣體積分?jǐn)?shù)為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證如圖5所示。從圖5可見，水平3～5對(duì)應(yīng)的曲線圖顯示底流含氣體積分?jǐn)?shù)比較平穩(wěn)，最終決定在平衡數(shù)值模擬準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上，采用513 282網(wǎng)格劃分水平。

3" 數(shù)值模擬

3.1" 參數(shù)邊界和計(jì)算條件的設(shè)置

主要參數(shù)設(shè)置為：液相以水相作為連續(xù)相，密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 003 Pa·s；氣相以空氣相作為離散相，密度為1.225 kg/m3；動(dòng)力黏度為1.789 4×10-5 Pa·s。在數(shù)值模擬中不考慮氣泡的聚并和破碎，即對(duì)于一個(gè)特定工況而言，氣泡粒徑在數(shù)值模擬計(jì)算過程中保持不變，氣相粒徑為0.12 mm。

邊界條件設(shè)置為：入口采用速度入口（Velocity-inlet），底流出口和溢流出口均為自由流出口（outflow）；算法采用SIMPLE壓力-速度耦合算法，選用壓力基隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解；動(dòng)量方程及離散格式均采用QUICK，壓力離散采用PRESTO！；壁面無滑移，殘差精度控制在1×10-4。假定入口氣液兩相均勻混合，流體在流動(dòng)的過程當(dāng)中質(zhì)量守恒，不存在傳質(zhì)現(xiàn)象，且角動(dòng)量守恒和能量守恒。

計(jì)算條件設(shè)置為：入口速度為1.3 m/s，低含氣的入口含氣體積分?jǐn)?shù)為5%和10%，高含氣的入口含氣體積分?jǐn)?shù)為50%、60%和70%。

3.2" 含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)螺旋柱狀氣液分離器流場(chǎng)分

布影響規(guī)律

為了研究螺旋柱狀氣液分離器在入口進(jìn)液是否高含氣的條件下分離性能的差異性，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法對(duì)螺旋柱狀氣液分離器內(nèi)部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)、底流含氣體積分?jǐn)?shù)、脫氣效率、脫液效率和切向速度場(chǎng)等流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行分析，從而得出不同含氣條件對(duì)螺旋柱狀氣液分離器旋流分離過程的影響規(guī)律。

3.2.1" 不同分流比對(duì)脫氣效率的影響

圖6為在高含氣和低含氣條件下經(jīng)數(shù)值模擬得到的螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率隨分流比變化的情況。從圖6可得出，分流比對(duì)螺旋柱狀氣液分離器的分離性能有著極大的影響。研究不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣液分離器流場(chǎng)分布的影響，必須對(duì)分流比加以控制，否則研究結(jié)果的誤差將較大。

3.2.2" 標(biāo)準(zhǔn)化分流比

當(dāng)進(jìn)行不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)工況下的研究時(shí)，分流比的范圍差別較大，不便于進(jìn)行對(duì)比和分析。采用標(biāo)準(zhǔn)化分流比FS［12］替代較為常用的分流比F，一方面可保證不改變分流比與分離性能的規(guī)律，另一方面便于找出不同含氣體積分?jǐn)?shù)下的共性規(guī)律。

FS=FCi（1）

式中：F為分流比，無量綱；Ci為入口含氣體積分?jǐn)?shù)，%。

后續(xù)的研究當(dāng)中保持FS=1，便于分析對(duì)比研究不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣液分離器流場(chǎng)分布的影響。

3.3" 含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布的影響

3.3.1" 高低含氣體積分?jǐn)?shù)兩相體積分布

圖7為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器分離過程當(dāng)中兩相的分布情況。

圖7a中，在低含氣條件下，液相主要集中在氣液分離器的中下部和邊壁，上部氣相含量相對(duì)較少，溢流口及其附近區(qū)域的液相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于氣液分離器內(nèi)部的其他區(qū)域，液體大部分從底流口排出。此時(shí)的螺旋柱狀氣液分離器對(duì)液相的分離效果較好。圖7a中，在高含氣條件下，液相幾乎充滿了整個(gè)氣液分離器，當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，氣液分離器當(dāng)中已經(jīng)沒有明顯的液相集中區(qū)域，氣液分離器的下部和底部這些本該液相體積分?jǐn)?shù)占據(jù)大部分的區(qū)域，其液相體積分?jǐn)?shù)占比已經(jīng)小于50%，有的甚至小于30%。上述情況說明在高含氣條件下的螺旋柱狀氣液分離器對(duì)液相的分離效果較差。

圖7b中，在低含氣條件下，氣相主要集中在氣液分離器的中上部，邊壁和下部氣相的含量相對(duì)較少，說明了在低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內(nèi)部流場(chǎng)當(dāng)中的氣相分布情況理想。此時(shí)的螺旋柱狀氣液分離器對(duì)氣相的分離效果較好。圖7b中，在高含氣條件下，氣相幾乎均勻分布在整個(gè)氣液分離器，軸心處的氣相聚集程度相對(duì)于邊壁不明顯。底流出口本該是液相聚集的區(qū)域，此時(shí)氣相占比部分甚至已經(jīng)超過70%，大量的氣相由底流出口排出，由此說明在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內(nèi)部流場(chǎng)當(dāng)中的氣相分布情況不理想。

3.3.2" 高低含氣體積分?jǐn)?shù)S1截面氣相體積分布

圖8為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器分離過程當(dāng)中S1截面氣相體積分布情況。在低含氣條件下時(shí)，通過圖8可以看出，幾乎沒有氣體存在，液相占據(jù)了整個(gè)截面S1。在氣液分離器的邊壁等液相聚集區(qū)域，氣相的體積分?jǐn)?shù)為0，說明此時(shí)氣液分離器的分離效果非常好。同時(shí)可以看出，在高含氣條件下，當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，通過圖8可以看出，除了氣液分離器的邊壁處還保留液相聚集區(qū)，其余區(qū)域氣液兩相的占比幾乎相同；隨著入口含氣體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)大到60%，氣液分離器邊壁處的液相聚集區(qū)進(jìn)一步縮小，中心區(qū)域的氣相占比進(jìn)一步擴(kuò)大；入口含氣體積分?jǐn)?shù)到70%的時(shí)候，氣液分離器邊壁處的液相聚集區(qū)已經(jīng)消失，整體區(qū)域氣相的占比已經(jīng)和液相幾乎相同。因此，在高含氣條件下，螺旋柱狀氣液分離器對(duì)液相的分離效果較差。

3.4" 入口含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)?shù)琢鞒隹诘暮瑲怏w積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，底流出口的流體主要是液體，由此表明氣液分離器能夠有效地將氣體從液體中分離出來。圖9為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)變化情況，當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)比較低時(shí)（5%、10%），底流含氣體積分?jǐn)?shù)僅為0.036和0.064。當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上的高含氣狀態(tài)時(shí)，底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)快速上升，入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)49.5%，液相氣相的體積分?jǐn)?shù)幾乎各占一半。結(jié)果表明，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器的液相分離能力較差。

3.5" 入口含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效率的影響

根據(jù)以上分析結(jié)果，得到如螺旋柱狀氣液分離器分離效率隨著含氣量變化曲線圖，如圖10所示。從圖10可以觀察到，隨著入口含氣體積分?jǐn)?shù)的不斷上升，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，脫液效率高達(dá)96.9%，隨著入口含氣體積分?jǐn)?shù)增加到10%，脫液效率仍為94.6%，僅僅下降不到3個(gè)百分點(diǎn)。因此在入口含氣體積分?jǐn)?shù)較低的情況下，含氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)螺旋柱狀氣液分離器脫液效率的影響微乎其微。當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上的高含氣狀態(tài)時(shí)，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率大幅下降；當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，氣液分離器的脫液效率僅為55.4%。由此表明，在高含氣條件下，螺旋柱狀氣液分離器進(jìn)行液相分離較為困難。與此同時(shí)，螺旋柱狀氣液分離器的脫氣效率卻呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，脫氣效率由43.9%提高到80.8%。這表明螺旋柱狀氣液分離器在較高的入口含氣體積分?jǐn)?shù)條件下更容易獲得高的脫氣效率，即在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率更高。

3.6" 含氣量對(duì)切向速度場(chǎng)分布的影響

切向速度在氣液分離器的三維流場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，不但決定著待分離流體所受離心力的大小，同時(shí)還直接影響液相當(dāng)中液滴的旋轉(zhuǎn)、沉降和相互作用，以及液相與氣相界面的穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)氣液有效分離的關(guān)鍵因素。

圖11為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流出口附近S1截面切向速度分布對(duì)比圖。其中坐標(biāo)系縱坐標(biāo)方向是垂直向上的，而流體在旋流過程中方向向下，所以切向速度為負(fù)值。由圖11a可知，切向速度由外到內(nèi)逐漸減小，因?yàn)樵跉庖悍蛛x旋流器的外側(cè)，切向速度較大，這是因?yàn)樵跉庖悍蛛x器的外圍，流體受到更大的離心力的作用，從而使流體以較高的速度繞著氣液分離器旋轉(zhuǎn)，然而在氣液分離器的內(nèi)部，離心力的作用逐漸減小，這就導(dǎo)致了切向速度由截面的外部向內(nèi)部逐漸減小的現(xiàn)象。由圖11b可知，螺旋柱狀氣液分離器內(nèi)部切向速度呈“M”形的對(duì)稱分布，在氣液分離器邊壁處突然增大，越靠近軸心位置，速度越來越低，在軸心處達(dá)到最低值。整體來看，高含氣條件下的切向速度要低于低含氣條件下的切向速度，而切向速度是產(chǎn)生氣液分離所需離心力的必要條件。因此在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器的分離效果不好。

4" 結(jié)" 論

（1）通過對(duì)比低含氣和高含氣條件下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)變化規(guī)律得到，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布情況不理想，氣相幾乎均勻分布在整個(gè)氣液分離器，氣液分離器當(dāng)中已經(jīng)沒有明顯的液相集中區(qū)域。

（2）通過對(duì)低含氣和高含氣條件下底流出口含氣體積分?jǐn)?shù)的分析得到，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流含氣體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到了49.5%，液相氣相的體積分?jǐn)?shù)幾乎各占一半，螺旋柱狀氣液分離器高含氣條件下底流出口攜氣嚴(yán)重。

（3）通過對(duì)低含氣和高含氣條件下脫液效率和脫氣效率的分析可知：當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)由5%增加到70%時(shí)，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率大幅下降，脫液效率由96.9%下降到55.4%；當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%以上的高含氣狀態(tài)時(shí)，脫氣效率提高；入口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，脫氣效率達(dá)到80.8%。這表明螺旋柱狀氣液分離器在較高的入口含氣體積分?jǐn)?shù)條件下更容易獲得高的脫氣效率，即在高含氣的條件下螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率更高。

（4）通過對(duì)低含氣和高含氣條件下切向速度場(chǎng)的分析得到，在高含氣條件下的切向速度要低于低含氣條件下的切向速度，而切向速度是產(chǎn)生氣液分離所需離心力的必要條件，解釋了在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器脫液效果不好的原因。

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第一季豪，生于1998年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。地址：（163318）黑龍江大慶市。電話：（0459）6503853。email：1654164747@qq.com。

通信作者：趙立新，教授，博士生導(dǎo)師。email：lx_zhao @126.com。2024-06-04楊曉峰