一种新型的气液旋流分离器设计

旋流分离器

第8期

2009年8月

文章编号：1001-3997（2009）07-0035-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

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一种新型的气液旋流分离器设计

王红玲

许昌461000）（许昌学院电气信息工程学院，

Designofanewtypeofgas-liquidcycloneseparator

WANGHong-ling

(CollegeofElectricalandInformationEngineeringofXuchangUniversity，Xuchang461000，China)

【摘要】介绍了一种新型的气液分离器，分析了气液分离机理，并对分离器主要结构进行了设计

计算，并在Fluent工作环境中对气液两相流场进行了数值模拟，结果表明了该设计的正确性、科学性。

关键词：旋流分离器；分离机理；数值模拟

【Abstract】Anewtypeofgas-liquidlcycloneseparatorisintroduced，theworkingtheoryisanalysedandthemainstructureisdesignedandcounted，thenumericalsimulationofthegas-liquidtwophasefloeintheseparatorsimulationsisfinishedintheFluentworkingcondition.Thesimulationresultindicatesthedesigniscorrectandscientific.

Keywords：Cycloneseparator；Separatingtheory；Numericalsimulation

文献标识码：A

是将井筒内循环出来的气体与液体分离，从而保持正常的钻井工作。与容器式分离器相比，柱状气液旋流器（Gas-LiquidCylin－dricalCyclone，简写GLCC）具有结构简单、价格低廉、重量轻等特点，基本不需任何维护，而且易于安装及操作。针对这一情况，设计了一台适用欠平衡钻井施工的管柱式气液旋流分离器。

1气液分离机理

管柱式旋流气液分离器由入口区（段）、入口分流区、漩涡区、气泡区、液滴区、气相和液相出口配管等部分组成，如图1所示。

1.1入口区

由于管柱式旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分离，而入口结构决定了分离器的入口气液相分布及气液相切向入口速度的大小，因此入口结构是影响管柱式旋流分离器分离特性的关键因素之一。Kouba的实验研究表明，采用向下倾斜的入口管，保证入口管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果，扩展管柱式旋流分离器的适用范围，最佳倾斜角为（-27）°，这样在重力作用下有利于形成分层流，实现气液两相的初步分离。

＊来稿日期：2008-10-15

中图分类号：TH12

气液分离器是欠平衡装备配套中的比较关键的设备，其作用

1.2入口分流区

入口分流区即与入口槽连接的筒体部分，如图1所示。气液相经入口槽进入入口分流区实现气液的初步分离，上部的气相、下部的液相分别沿筒壁旋转形成旋流场。

1.3漩涡区

经初步分离的液相以切向速度沿筒壁旋转形成强制旋流。除壁面附近，该旋流可看作刚体转动。

1.4气泡区和液滴区

在分离器上部，气相为连续相，液滴分散其中，称液滴区；下连续相做涡旋运动时，由于气液相密度差，分散部则称为气泡区。

相粒子（气泡或液滴）与连续相间存在滑脱。研究分散相粒子的运动轨迹，可以分析分离特性。

1.4.1气泡轨迹分析

在漩涡区，较大直径的气泡容易被掳获分出，因此气泡轨迹的研究区域是从漩涡底部开始的涡流区。根据相关计算可知，实现气泡分离的必要条件是壁面处气泡运动至中心气核的时间应少于气泡随连续相—液相流出分离器的时间。

1.4.2液滴轨迹分析

图1GLCC结构图

经过入口分流区初步分离后的旋转气流携带液滴进入分离器上部的液滴区，与气泡区不同的是，由于分散粒子液滴的密度大于连续相气相密度，液滴被甩向器壁。液滴能够分出的必要条件是分离器中心处的液滴到达器壁的时间应短于液滴随旋转气流流出分离器的时间，到达器壁的液滴，在旋转气流的作用下，将在器壁上形成螺旋状薄层液流沿器壁向下流动分出，完成气液分离。

2分离器主要结构设计

已知日处理液量：900m3/d=0.0104m3/s，日处理气量：90m3/d=0.00104m3/s，另外，设计工况为低气油比工况。

旋流分离器

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王红玲：一种新型的气液旋流分离器设计

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第8期

2.1计算分离器直径

分离器直径的选取应避免气相中夹带液滴，以气相折算速度表示，即气相折算速度不能大于气流中出现液滴时的临界速度。算法确定υbz（r）=kemr，最后求得气泡在GLCC内穿过的整个轴向距离△zb=

υsl-υbzdr=

bz乙

0.15-0.0008dr=1.51m。

研究表明，保持液相入口切向流速υtls和液相流速υl的比为40时，旋流分离效果最佳。根据入口喷嘴分析，取液相入口切向速度0.5

为：υ，得出分离器的直径：d4ql

tls=6m/ssep=

=

4×0.0104

0.5

lcrit=

0.2972（m），经圆整后取dsep=300mm。

2.2分离器的高度计算

为避免气相夹带液滴，并参考传统立式分离器的沉降分离段的处理方法，确定该分离器上半部分高度为：h=1.00mm。

2.2.1入口分流区的高度

因经初步分离的液体在入口下方旋转一周后才形成旋流，在这个过程中形成入口分流区。在入口分流区内流体作螺旋运动，所需的时间t=4πr=2π×0.15＝πs，

入口分流区高度h=1gt2=tl1×9.81×（π2

＝0.12m。

2.2.2旋涡区的高度

已知ρl=1500kg/m3，ρg=1.185kg/m3，υtl=6m/s，得旋涡区高度Lυ

=z|r=R-z|r=0=

（ρl-ρ）g+3ρg

υtl2（1500-1.185）+3×1.1852g

×6

=0.46m。平衡液位示意图，如图2所示。

图2平衡液位示意图

2.2.3气泡轴向距离计算

下部液相空间的高度选取，应保证液相在分离器内有足够的停留时间使气泡得以分出进入上部气相空间。根据实践经验，当筒体直径小于1英寸时液相空间高度取（1～1.5）m。对于大直径的旋流分离器，根据建立的气泡轨迹模型，求解气泡（气泡直径取500μm）自器壁进入中心气核实现分离在轴向上穿过的距离△zb，显然液相空间的高度应不小于△zb。因为分离器的设计直径是300mm，故应根据建立的气泡轨迹模型，求解下部液相空间的高度△zb=

υsl-υbz（r）dr，结合气泡径向速度分布公式υbz（r）=

bz姨

，混合物的密度分布公式ρ（mr）=ρg+lρm

l-ρ）g·

r

n

S

，液相切向速度分布公式υ（tlr

）=υr

tlsS

，通过试

另外，通过分离能力计算，求得气泡最小驻留时间tmin=r02-r2≈r02=0.293s，旋流器的最小长度lmin=1g·tmin2=0.421m。002.3平衡计算及液封高度的确定

在分离器工作过程中，可能出现两种极端情况：（1）气量特别大，以至气体压力p1足以克服排液管线的能量的消耗，使气体以连续相从泥浆出口排出；（2）液量特别大，为了克服排液管线的能量消耗，液面上升，有可能出现液相从排气管线排出。为避免这两种情况的发生，在研究气液相在输送过程的能量平衡时，需要确定液封高度z2和气液混合物的进口高度。

2.3.1气室压力p1的确定

在管中流动的气体由于温度和压力沿管长变化，其流速和密度也会有显著的变化。dρ+ …… 此处隐藏：3025字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……