【正文】 離器。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。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。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。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)。 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。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)。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。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。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。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。 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)。 旋流式氣液分離器有以上優(yōu)點(diǎn)，但也有如下缺點(diǎn) : ① 由于旋流器內(nèi)流體的流動(dòng)產(chǎn)生一定的剪切作用，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易將液滴 (油滴或水滴 ) 打碎乳化而惡化分離過(guò)程； ② 通用性較差。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(diǎn)，同時(shí)又能有效的避免它的缺點(diǎn)。 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(jī)械分離設(shè)備。分離腔主要有圓柱形、圓錐形、柱 錐形三種基本形式。就入口與分離腔的連接形式來(lái)分，入口又有切向入口和漸開(kāi)線入口兩種?？拷M(jìn)料端的為溢流口，遠(yuǎn)離進(jìn)料端的為底流口。這樣 就達(dá)到了分離的目的。本文設(shè)計(jì)的旋流分離器用于石油鉆井中鉆井液的氣液分離。 ,不添加水 ,連接后逐漸增壓至 0. 9 MPa ,并保持 10 min 左右 ,若運(yùn)轉(zhuǎn)正常 ,再檢驗(yàn)試驗(yàn)裝置是否漏氣。 、液混合 2 相流進(jìn)行分離試驗(yàn) ,測(cè)量并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù) ,如表 1 。 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(jiǎn)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(diǎn) ,已成為工業(yè)新型氣液分離技術(shù)的熱點(diǎn)。隨著現(xiàn)代流場(chǎng)測(cè)定技術(shù)、氣液兩相流體力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展 ,人們將逐步弄清氣液旋流場(chǎng)的流動(dòng)、碰撞、團(tuán) 11 聚和破碎機(jī)理 ,并能用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確模擬其流場(chǎng)分布。 經(jīng)過(guò)參考對(duì)比后本次設(shè)計(jì)決 定根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化完善設(shè)計(jì)，下圖是選取的參開(kāi)設(shè)計(jì)模型。 由于 氣液 旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實(shí)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。 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。氣液相經(jīng)入口槽進(jìn)入入口分流區(qū)實(shí)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(chǎng)。除壁面附近 ,該旋 12 流可看作剛體轉(zhuǎn)動(dòng) 分離器上部 ,氣相為連續(xù)相 ,液滴分散其中 ,稱液滴區(qū) 。連續(xù)相做渦旋運(yùn)動(dòng) ,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。 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(kāi)始的渦流區(qū)。 2 .液滴軌跡分析 經(jīng)過(guò)入口分流區(qū)初步分離后的旋轉(zhuǎn)氣流攜帶液滴進(jìn)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。到達(dá)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(dòng)分出 ,完成氣液分離。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(chǎng)。旋流強(qiáng)度 ? 定義為在某一高度截面上連續(xù)相切向動(dòng)量通量與總軸向動(dòng)量通量的比。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(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域 :近壁面處的自由渦旋區(qū)和中心強(qiáng)制渦旋區(qū)。將軸向流動(dòng)視為勻速運(yùn)動(dòng) ,軸向流速等于平均流速。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(lèi)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。 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。 對(duì)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(jì)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(jì)分析入口槽選用 方形 同時(shí)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(jì)分離器的結(jié)構(gòu)，最后確定為 雙 進(jìn)口。而不同分離器在設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)突然擴(kuò)大的容器中，流速降低后，在主流體轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，氣相中細(xì)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(xì)微的液滴被進(jìn)口高速氣流甩到器壁上，碰撞后失去動(dòng)能而與轉(zhuǎn)向氣體分離。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。按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(jì)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(jìn)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(jìn)行了由于密度不同的額分離動(dòng)作。經(jīng)過(guò)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(guò) 圓 整后 取 值D=70mm 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知： 16 入口結(jié)構(gòu)參數(shù) 分離追角度 尾管長(zhǎng)度（ mm） 溢流管直徑（ mm） 旋流腔長(zhǎng)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。 尾管長(zhǎng)度 =140 尾管直徑 = 小錐段長(zhǎng)度 =150mm 小錐段大直徑 = 旋流腔長(zhǎng)度 =80mm 溢流管直徑 =4mm 入口最小界面接尺寸 =2x3mm 分離能力計(jì)算 ① 徑向方向上 旋流中氣泡受力如圖 53 示，由受力可知， 相對(duì)運(yùn)動(dòng)微方程： srGGGLGGtwG wdmrwmrwmddm sr222 18? ??? ?? ??? (47) 式中： Gm 為氣泡質(zhì)量， srw 為相對(duì)滑移速度， d 為氣泡直徑， ?w 為半徑 r 處的旋流速度。則上式可寫(xiě)為：srGGGLtw wdrdd sr22 18)(? ?? ??? ???? (48) 解得： ])([18 2182 2 rcedwGGLtdGsr G ?? ???? ? ? ??? ? (c 為常數(shù) ) (49) 17 初始條件： 0?t 時(shí)， 0,0 ?? srwrr ? )(18 )( 218022 rerdw tdGLsr G ???? ? ????? (50) ?設(shè) ???? 18 )( 2dGL ?? 為時(shí)間常數(shù)， )( 21802 rerw tdsr G ?? ? ? ??? ，式中第一項(xiàng) 0? ，故srw 趨于終端沉降速度： rwsr 2???? 又trsr ddw ?? ，故 rddtr 2???? （ t=0 時(shí)， 0rr? ） 若不考慮旋轉(zhuǎn)時(shí)的能量損失，則00rw?? （ 0w 為切向入口速度） ? rwddrt 20??? ， 解得： twrr 20202 2??? 一般地，當(dāng) mmr ? 時(shí)，近似認(rèn)為氣泡已遷移到中心，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為最小駐留時(shí)間 202020220m i n 22 wrw rrt ?? ??? ① 一般氣泡從邊壁到中心的平均移動(dòng)速度 smw /1_ ? ，即smrwrt /1 0_0min ?? ② 分離器的處理量為 Q，則分離器內(nèi)液體占據(jù)的最小體積 VwrQtQV ????? 2020m inm in 2? ③ 式中 V為旋流器的容積。