【文章內(nèi)容簡介】 試 好 , 就可自動、穩(wěn)定地工作。 旋流式氣液分離器有以上優(yōu)點，但也有如下缺點 : ① 由于旋流器內(nèi)流體的流動產(chǎn)生一定的剪切作用，如果參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，容易將液滴 (油滴或水滴 ) 打碎乳化而惡化分離過程； ② 通用性較差。不同的分離要求、不同的處理物料的性質(zhì)往往需要不同結(jié)構(gòu)尺寸或操作條件的旋流器，因此旋流器往往不能互換使用。在欠平衡鉆井中，使用旋流式氣液分離器分離鉆井液中的氣體，能充分 發(fā)揮該離器優(yōu)點，同時又能有效的避免它的缺點。因此，旋流式氣液分離用于分離鉆中的氣體具有廣闊前景。 研究任務(wù)目標(biāo)與研究方法 9 第 2 章 氣液分離器 工藝流程分析 氣液分離裝置主要結(jié)構(gòu)與工作原理 旋流分離器，是一種利用離心沉降原理將非均相混合物中具有不同密度的相分離的機械分離設(shè)備。旋流分離器的基本構(gòu)造為 一個分離腔、一到兩個入口和兩個出口。分離腔主要有圓柱形、圓錐形、柱 錐形三種基本形式。入口有單入口和多入口幾種，但在實踐中，一般只有單入口和雙入口兩種。就入口與分離腔的連接形式來分，入口又有切向入口和漸開線入口兩種。出口一般為兩個，而且多為軸向出口，分布在旋流分離器的兩端?？拷M料端的為溢流口，遠離進料端的為底流口。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度從入口進入旋流分離器后 ,在離心力場的作用下 ,密度大的相被甩向四周 ,并順著壁面向下運動 ,作為底流排出；密度小的相向中間遷移，并向上運動，最后作為溢流排出。這樣 就達到了分離的目的。旋流分離技術(shù)可用于液液分離、氣液分離、固液分離、氣固分離等。本文設(shè)計的旋流分離器用于石油鉆井中鉆井液的氣液分離。 實驗 的 主要步驟 10 ,并按照技術(shù)要求進行檢驗 并連接到試驗臺上。 ,不添加水 ,連接后逐漸增壓至 0. 9 MPa ,并保持 10 min 左右 ,若運轉(zhuǎn)正常 ,再檢驗試驗裝置是否漏氣。 ,通氣吹掃管道 ,清理管道內(nèi)部存留的雜質(zhì) ,約 3 h 。 、液混合 2 相流進行分離試驗 ,測量并記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù) ,如表 1 。試驗中含水量測量為相對質(zhì)量測量 ,即每單位質(zhì)量混合氣體中所含水分的質(zhì)量分數(shù)。 第 三 章 氣液分離設(shè)備主參數(shù)確定 氣液旋流分離技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)簡單、新型、高效、緊湊的氣液分離技術(shù) ,具有阻力小 ,耗能少 ,分離效率高等優(yōu)點 ,已成為工業(yè)新型氣液分離技術(shù)的熱點。正成為石油、天然氣開采工業(yè)井口、井下油氣 分離的重要設(shè)備 ,并被廣泛應(yīng)用于壓縮空氣中的油水分離、航空宇宙中的氦氣分離、生物發(fā)酵以及食品工業(yè)的尾氣處理、工業(yè)廢氣的凈化處理、化工生產(chǎn)以及環(huán)境工程中的氣液分離等工藝中 ,顯示了良好的工程應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代流場測定技術(shù)、氣液兩相流體力學(xué)、計算流體動力學(xué) (CFD)和計算機科學(xué)的發(fā)展 ,人們將逐步弄清氣液旋流場的流動、碰撞、團 11 聚和破碎機理 ,并能用計算機準(zhǔn)確模擬其流場分布。這將為不斷拓展氣液旋流分離技術(shù)的工程應(yīng)用 ,開發(fā)高效、低能耗的氣液旋流器產(chǎn)品 ,進一步規(guī)范優(yōu)化氣液旋流分離器結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。 經(jīng)過參考對比后本次設(shè)計決 定根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗進行總結(jié)和優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化完善設(shè)計，下圖是選取的參開設(shè)計模型。 入口結(jié)構(gòu) 1. 入口區(qū) 氣液分離 區(qū)間結(jié)構(gòu) 旋流氣液分離器由入口區(qū) (段 )、入口分流區(qū)、漩渦區(qū)、氣泡區(qū)、液滴區(qū)、氣相和液相出口配管等部分組成 。 由于 氣液 旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣液的高效分離 ,而入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的入口氣液相分布及氣液相切向入口速度的大小。因此入口結(jié)構(gòu)是影響旋流分離器分離特性的關(guān)鍵因素之一。 氣液相流速的不同 ,油 、氣兩相或油、氣、水多相流在入口管和噴嘴內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。 入口分流區(qū)即與入口槽連接的筒體部分 )。氣液相經(jīng)入口槽進入入口分流區(qū)實現(xiàn)氣液的初步分離 ,上部的氣相、下部的液相分別沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成旋流場。 經(jīng)初步分離的液相以切向速度沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成強制旋流。除壁面附近 ,該旋 12 流可看作剛體轉(zhuǎn)動 分離器上部 ,氣相為連續(xù)相 ,液滴分散其中 ,稱液滴區(qū) 。下部 ,液相為連續(xù)相 ,氣泡分散其中 ,稱氣泡區(qū)。連續(xù)相做渦旋運動 ,由于氣液相密度差 ,分散相粒子 (氣泡 或液滴 )與連續(xù)相間存在滑脫。研究分散相粒子的運動軌跡 ,可以分析分離特性。 1 .氣泡軌跡分析 在漩渦區(qū) ,較大直徑的氣泡容易被擄獲分出 ,因此氣泡軌跡的研究區(qū)域是從漩渦底部開始的渦流區(qū)。實現(xiàn)氣泡分離的必要條件是壁面處氣泡運動至中心氣核的時間應(yīng)少于氣泡隨連續(xù)相 — 液相流出分離器的時間。 2 .液滴軌跡分析 經(jīng)過入口分流區(qū)初步分離后的旋轉(zhuǎn)氣流攜帶液滴進入分離器上部的液滴區(qū) ,與氣泡區(qū)不同的是 ,由于分散粒子液滴的密度大于連續(xù)相氣相密度 ,液滴被甩向器壁。液滴能夠分出的必要條件是分離器中心處的液滴到達器壁的時間應(yīng)短于液滴隨 旋轉(zhuǎn)氣流流出分離器的時間。到達器壁的液滴 ,在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下 ,將在器壁上形成螺旋狀薄層液流沿器壁向下流動分出 ,完成氣液分離。 3 .連續(xù)相旋流特性 分離器內(nèi)連續(xù)相旋流場分布對氣液分離至關(guān)重要。連續(xù)相切向速度 ct? 、徑向速度 cr? 和軸向速度 cz? 構(gòu)成了旋流場。由于粘性耗散和壁面摩擦阻力的作用 ,切向速度沿軸向逐漸減小 ,采用旋流強度表征旋流場的衰減特性。旋流強度 ? 定義為在某一高度截面上連續(xù)相切向動量通量與總軸向動量通量的比。 徑向流速通常較切向流速和軸向流速低二個數(shù)量級 ,對氣液分離效率的影響非常小 ,因此忽略徑向速度。沿旋轉(zhuǎn)半徑方向上 ,切向速度的變化非常顯著 ,按照其不同變化規(guī)律 ,可以將旋流分成兩個旋轉(zhuǎn)區(qū)域 :近壁面處的自由渦旋區(qū)和中心強制渦旋區(qū)。忽略壁面附近的自由渦旋區(qū) ,將旋流場視為強制渦旋運動 ,切向流速近似呈線性分布 。將軸向流動視為勻速運動 ,軸向流速等于平均流速。 氣液相流速的不同 ,油氣兩相或油氣水多相流 在入口管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。分離器采用的入口結(jié)構(gòu)通常為垂直于筒體的結(jié)構(gòu) (目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結(jié)構(gòu) ),采用垂直結(jié)構(gòu)的管柱式旋流分離器 13 入口直徑的選取是為了保證入口管內(nèi)呈現(xiàn)分層流 ,入口管直徑根據(jù)Taitelamp。Duker 模型確定。 由分流層轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)流或環(huán)狀流的判別式 : 1)])(~~[(222 ?llgg dhdAAcUF （ 59） 式中： 2/1)(c os~glgsggdUF ?? ?? ?? Dhc l??12 2)12(1~~ ??? lll hhdAd gg AU ~/4~ ?? ])1~2(1)1~2()1~2([c ~ 212 ??????? ? lllgg hhhDAA Dhh ll?~ 式中 D 為入口管直徑， lh 為管內(nèi)橫截面上液面離管底的高度， Ag 為管內(nèi)氣相所 占的橫截面積。 D 和 lh 作為迭代量，直至準(zhǔn)則方程左端小于 1， D 即為滿 足分層流條件最小入口直徑。 對判別式變形得 : 1)~1()1~2(1c o s)( 4222 ?????llglgg hhDgU ???? ? （ 60） 已知 3/ mkgg ?? 33 / mkgl ??? smUg /6? kgNg /? .27?? 代入上式得 : 223)~1()1~2(llh hD ? ???? ? （ 61） 故計算求得最小直徑 : D=40mm 入口槽選型 ,根據(jù)分離器工藝設(shè)計分析入口槽選用 方形 同時入口噴嘴的截面積的確定保證入口液相流速 綜合考慮本設(shè)計分離器的結(jié)構(gòu)，最后確定為 雙 進口。 大小錐段 單純的氣液分離并不涉及溫度和壓力的關(guān)系，而是對高速氣流（相對概念）夾帶的液體進行攔截、吸收等從而實習(xí)分離，旋流擋板等在導(dǎo)流的同時，為液體的附著提供憑借，就好像空氣中的灰塵要有物體憑借才能停留下來一樣。而不同分離器在設(shè)計時，還優(yōu)化了分離性能，如改變溫度、壓力、流 速等 14 利用氣液比重不同，在一個突然擴大的容器中，流速降低后，在主流體轉(zhuǎn)向的過程中，氣相中細微的液滴下沉而與氣體分離，或利用旋風(fēng)分離器，氣相中細微的液滴被進口高速氣流甩到器壁上，碰撞后失去動能而與轉(zhuǎn)向氣體分離。 大小錐段在其中的作用主要是改變旋流器內(nèi)部的空間大小，利用密度差吸附周邊的液滴來進行導(dǎo)向和收集，并最終達到蓄液器，本次選擇的錐度可以根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)定為小錐度為 5，大錐度為 20 溢流口 溢流口是氣液混合空氣進入后在旋流清 理后，去除水分的氣體由于密度較輕，緩慢沿著內(nèi)部旋流內(nèi)腔臂側(cè)上升到頂部通過溢流孔流出。溢流孔的直徑為（ ） D，這里的取值溢流管內(nèi)孔孔徑為 4mm，外徑為 10mm，以保證合理的輸出速度。 15 底流管 底流管有稱為尾流管，內(nèi)孔孔徑的大小直接影響到清理后液體的流量，而管徑的大小影響到尾流管的壁厚大小對整體的強度有較大影響。按照經(jīng)驗設(shè)計，尾流管的直徑一般與旋流主體直徑的尺寸關(guān)系為（ 1530） D，本次設(shè)計我們選取的內(nèi)孔直徑為 ，外側(cè)外徑為 旋流腔 氣液旋流器的旋流腔體是混合空氣進入后主要的直接承載結(jié)構(gòu)，在這里混合氣體在高速的旋流作用下進行了由于密度不同的額分離動作。 腔體的直徑計算公式 kntv4π qlD? ， 經(jīng)過計算后 D 為 70mm 旋流單體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 與計算 已知日處理液量為： smhm /??? 日處理液量為： smhm /??? 分離器直徑的選取 避免氣相中夾帶液體，計算過程中以氣相這算速度來表示，這算的速度不能大于氣流中出現(xiàn)的液滴時的臨界速度。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，為了保持液相入口的切向流速knsv 和液相的流速 tv 其中 knsv ，得出分離器的直徑為： knt?? ???? ???? ??ππ qlD ， 經(jīng) 過 圓 整后 取 值D=70mm 根據(jù)經(jīng)驗公式可知： 16 入口結(jié)構(gòu)參數(shù) 分離追角度 尾管長度（ mm） 溢流管直徑（ mm） 旋流腔長度（ mm） 備注 當(dāng)量直徑 渦線方程 大錐角 小錐角 ?πDp ? 1922 （ 1530） D （ 0） D （ ） D D 為主直徑 合理的旋流器單體結(jié)構(gòu)參數(shù)為： 大錐角 α1=20176。，小錐角 α2=5176。 尾管長度 =140 尾管直徑 = 小錐段長度 =150mm 小錐段大直徑 = 旋流腔長度 =80mm 溢流管直徑 =4mm 入口最小界面接