【正文】 ...................................... 8 中心旋流體 ........................................................................................ 17 上罩設(shè)計(jì) ............................................................................................ 22 中罩設(shè)計(jì) ............................................................................................. 17 底罩設(shè)計(jì) ............................................................................................ 22 蓄液箱體 ............................................................................................ 22 支架設(shè)計(jì) ............................................................................................ 22 標(biāo)準(zhǔn)件選取與應(yīng)用 .................................................................................... 12 結(jié)論 ......................................................................................................................... 46 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 47 致謝 ......................................................................................................................... 48 5 第一章 概述 氣液分離裝置的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀 旋流分離是一種高效的多相流體分離技術(shù) ,它是在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離的。人們對(duì)旋流器的研究由來(lái)以久 ,自從 1886年 Marse的第一臺(tái)旋粉圓錐形旋風(fēng)分離器問(wèn)世以來(lái) ,旋流分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙等行業(yè)。隨著旋流器應(yīng)用的日 益廣泛 ,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)、尺寸、流場(chǎng)特性進(jìn)行了大量的研究 ,并相繼提出了各種分離理論 ,但多集中于氣 固分離的旋風(fēng)分離器和用于液 固、液 液分離的水力旋流分離器。許多研究者已相繼提出各種各樣的分離理論 ,已經(jīng)有了比較完善的分離理論、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用實(shí)踐。 由于具有廣闊的使用前景和顯著的優(yōu)點(diǎn) ,人們對(duì)氣 液旋流分離技術(shù)也開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。但與氣 固、液 固分離不同 ,氣 液兩相流動(dòng)過(guò)程中顆粒 (液滴或氣泡 )的碰撞、團(tuán)聚和擴(kuò)散機(jī)理更加復(fù)雜 ,由于不確定的因素較多 ,計(jì)算復(fù)雜 ,同時(shí)受氣 液兩相流發(fā)展的限制 ,使 氣 液旋流分離的研究遠(yuǎn)滯后于旋風(fēng)分離器和水力旋流器。近年來(lái)氣 液旋流分離技術(shù)已日益成為國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)技術(shù)。目前 ,國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣 液旋流分離的研究主要可分為 4 類 ,即 :氣 液旋流分離技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)研究、旋流分離器內(nèi)部氣 液兩相三維強(qiáng)旋湍流流場(chǎng)測(cè)定的試驗(yàn)研究、建立能準(zhǔn)確反映氣 液兩相旋流分離機(jī) 理模型的理論研究以及氣 液兩相旋流流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (Computational Fluid Dynamic,簡(jiǎn)稱 CFD)模擬。 氣液分離裝置的種 類與研究 1 氣 液旋流分離技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究 由于受氣 液兩相流體力學(xué)發(fā)展的限制 ,對(duì)于氣 液旋流分離技術(shù) ,以前進(jìn)行的大部分工作都是基于應(yīng)用和試驗(yàn)研究。即根據(jù)不同的要求開發(fā)研制不同結(jié)構(gòu)的氣液旋流分離器 ,并對(duì)其分離特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和性能分析。其類型主要介紹如下。 液旋流分離器 (GasLiquid Cylindrical Cyclone 簡(jiǎn)寫 GLCC) 1979 年 ,Davies 和 Watson研制了管柱式氣 液旋流分離器 ,是由垂直的筒形容器 ,安裝了一個(gè)向下傾斜 27176。的切向進(jìn)口管 ,上部出氣管 ,下部排 液管。切向進(jìn)口給 6 混合物提供了一個(gè)渦旋運(yùn)動(dòng) ,氣 液兩相由于重力和離心力的綜合作用 ,液體被驅(qū)向筒壁并向下從底部流出 ,氣體徑向向旋流器的中心流動(dòng)并從頂部排氣管離開分離器。海上采油代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離器 ,在改善分離性能的同時(shí)降低了成本。 1995年 ,Kouba 等將 GLCC 用于多相流量計(jì)量 ,經(jīng)過(guò) GLCC 分離后的氣液兩相分別用單相流量計(jì)計(jì)量 ,然后再合并 ,避免了多相流測(cè)量中的問(wèn)題 。GLCC在地面和海上油氣分離、井下分離、便攜式鉆井設(shè)備、油氣泵、多相流量計(jì)、天然氣輸送以及火炬氣洗滌等具有巨大的潛在應(yīng)用 [1]。 1995 年 ,Kouba 等研究了 GLCC 的進(jìn)口傾斜角度、操作壓力、筒體和進(jìn)口結(jié)構(gòu)對(duì)于氣相出流中液體夾帶的影響 ,分析了 GLCC分離器操作范圍和分離效率的機(jī)理。 1985 年 ,Zikarev 在靠近 GLCC 的底部開了一個(gè)矩形進(jìn)口 ,理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 ,這種結(jié)構(gòu)操作時(shí)降低了液滴在氣相出流中的夾帶。 (Cyclone Gasliquid Separator 簡(jiǎn)寫 CS) 1996 年 ,Franca 等研制了螺旋片導(dǎo)流式氣 液旋流分離器 ,直接在井口將氣液進(jìn)行分離 ,增加了采油回收率 ,分離后的氣體和液體用不同的管道輸送各相 ,使石油和氣體分別經(jīng)過(guò)各自的管道進(jìn)入儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)氣罐 ,降低了多相流輸送時(shí)易出現(xiàn)的斷續(xù)流、堵塞和沉積等典型問(wèn)題。螺旋片導(dǎo)流式氣 液分離器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新型、高效、緊湊的氣液分離裝置 ,用于地面或井下天然氣開采中的油氣分離 ,石油開采中的油水分離 ,壓縮空氣的凈化處理 ,航空宇宙中的氦氣分離 ,還可用作水處理裝置 ,其性能明顯優(yōu)于同類設(shè)備。尤其在海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)油井及遠(yuǎn)距離油氣輸送方面具有較廣泛的前景。目前國(guó)內(nèi)外的井下油氣分離基本都采用了螺旋式油氣分離器。 2021年 ,中國(guó)石油大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室研制 了軸流導(dǎo)葉式氣液旋流分離器 ,與切向進(jìn)口的 GLCC 和 CS 相比其采用軸向進(jìn)料 ,旋轉(zhuǎn)流由導(dǎo)向葉片產(chǎn)生 ,從而使旋轉(zhuǎn)流保持穩(wěn)定 ,并有助于維持層流特性 ,而且其顯著特點(diǎn)是阻力損失較小。當(dāng)采用軸向進(jìn)料時(shí) ,結(jié)構(gòu)更加緊湊 ,適宜于井下狹長(zhǎng)空間環(huán)境的安裝操作。 管道式氣液旋流分離器 ,是用法蘭將氣液旋流分離器直接安裝在石油或天然氣的輸送管道上 ,具有高效率、撬裝化、可移動(dòng)與小型化等優(yōu)點(diǎn)。并且可以降低 7 輸送成本 ,降低了氣液兩相流輸送時(shí)容易產(chǎn)生的斷續(xù)流、管道堵塞、沉積等多相流輸送的典型問(wèn)題。 液 兩相流場(chǎng)的測(cè)量研究 旋流分離器內(nèi)是復(fù)雜的三維強(qiáng)旋湍流場(chǎng) ,一般都是用大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找它的流動(dòng)規(guī)律 ,并用來(lái)驗(yàn)證和補(bǔ)充理論研究的描述流動(dòng)特性的數(shù)學(xué)模型。由于起步相對(duì)較晚 ,研究者對(duì)于氣 液兩相渦旋流動(dòng)性能的研究 ,主要是參照旋風(fēng)器和水力旋流器的渦旋流動(dòng)的研究理論和方法。流場(chǎng)分布規(guī)律也多引用旋風(fēng)器和水力旋流器的測(cè)定結(jié)果。這一領(lǐng)域最早的研究之一是 Nissan 和 Bressan,1961 年他們用 2 個(gè)切向入口將水注入管子 ,其切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量之比為 8,用探針對(duì)管內(nèi)渦旋流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量 ,發(fā)現(xiàn)在管子核心區(qū)域有一個(gè)逆向流動(dòng)區(qū)。 1979 年 ,Ito 研究了切向進(jìn)口產(chǎn)生的渦旋流動(dòng)中渦旋衰減的情況 ,他用水作工質(zhì) ,切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量之比為 50,用多電級(jí)探針測(cè)量 ,發(fā)現(xiàn)其切向速度有 2 個(gè)區(qū)域 :管中心的強(qiáng)制渦流區(qū)域和周圍的自由渦流區(qū)域。 1988 年 ,Algifri 等以空氣為工質(zhì) ,用熱敏探針對(duì)通過(guò)管道衰變的湍動(dòng)渦流進(jìn)行了測(cè)量研究 ,以徑向?qū)Я鞯姆椒óa(chǎn)生渦旋流動(dòng) ,發(fā)現(xiàn)在渦旋強(qiáng)度很大時(shí) ,雷諾數(shù)對(duì)速度的影響也增強(qiáng) ,他們建議除了管壁附近外 ,切向速度的分布應(yīng)近似地看作 Rankine 渦 ,即準(zhǔn)自由渦與強(qiáng)制渦的組合。對(duì)于氣液旋流器內(nèi)部三維流場(chǎng)的結(jié)構(gòu) ,由于測(cè)試手段限制 ,所以實(shí) 測(cè)研究進(jìn)展一直較慢。然而只有在清楚旋流分離器內(nèi)連續(xù)相和液滴 (氣泡 )的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后 ,才能真正認(rèn)識(shí)氣液旋流分離器的分離機(jī)理 ,并為旋流分離器的工程設(shè)計(jì)和改善其分離性能提供理論基礎(chǔ)。 Erdal(2021)采用多普勒激光測(cè)速儀對(duì) GLCC 內(nèi)的重相氣液兩相旋流的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量研究 [4],他的測(cè)量顯示對(duì)于單切向進(jìn)口的旋流器 ,由于進(jìn)口效應(yīng)的影響 ,其流場(chǎng)是非軸對(duì)稱的 ,中心強(qiáng)制渦流區(qū)繞旋流器中心線呈螺旋狀。而雙進(jìn)口結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)比單進(jìn)口結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更好的對(duì)稱性。 2021 年 ,中國(guó)石油大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室采用 APV(Adaptive Phase/ Doppler Velocimeter)對(duì)軸流導(dǎo)葉式旋流分離器內(nèi)輕相氣 液兩相流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定。所有測(cè)定結(jié)果都得到了相似的流場(chǎng)分布趨勢(shì) ,即旋流器內(nèi)部切向速度呈準(zhǔn) Rankine 渦結(jié)構(gòu) ,且沿軸向衰減。軸向速度將流動(dòng)區(qū)域分為向上的內(nèi)旋流和向下的外旋流 ,當(dāng)進(jìn)口渦旋強(qiáng)度較高時(shí) ,在中心會(huì)出現(xiàn)向下的流動(dòng)區(qū)。湍流強(qiáng)度分布是渦旋核心湍流強(qiáng)度最大 ,外區(qū)趨于定值 ,而在邊壁處升高。流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)和 CFD 模擬研究都 8 證實(shí) ,由于核心強(qiáng)制渦的影響 ,旋流器的湍流脈動(dòng)是各相異性的。雖然在旋流器內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究方面 ,人們進(jìn)行了大量的工 作 ,并取得了很大的進(jìn)展 ,但由于流場(chǎng)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性 ,并受多相流動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展的限制 ,目前還有許多現(xiàn)象無(wú)法解釋。尤其是氣 液旋流分離過(guò)程中 ,氣泡和液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的碰撞黏結(jié)、團(tuán)聚破碎和擴(kuò)散的機(jī)理及其與流動(dòng)特性的相互關(guān)系還不清楚。 氣液分離裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析 在石油化工中裝置中，有各種各樣的分離器，其中以立式重力氣液分離器最為常見(jiàn)，這種氣液分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠等持點(diǎn)。立式重力式分離器的主體為一立式圓筒體，多相流一般從該筒體中段進(jìn)入，頂部為氣流出口，底部為液體出口 雖然旋流式氣液分離技術(shù)在 石油化工方面的應(yīng)用要晚得多，但與常規(guī)的重力式分離相比較，它具有很多優(yōu)點(diǎn)： ① 分離效率高，由于分離原理的不同使得旋流式分離器具有很高的分離效率； ② 成本低，占用空間較小、維護(hù)費(fèi)用少、能耗低、不需要任何幫助分離的介質(zhì)； ③ 安裝靈活方便，旋流器可以任何角度安裝； ④ 工 作 連 續(xù) 、 可 靠 , 操 作 維 護(hù) 方 便 , 一 旦 設(shè) 計(jì) 、 調(diào)