基于CFD的氣液固三相分離旋流器結構優選

發布時間：2022-01-04所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：根據氣液固三相分離的物理模型，結合數值模擬分析，進一步開展了三相分離旋流器結構優選設計。通過改變倒錐長度比、倒錐大徑、出液孔結構形式及排氣口結構角度等研究其對旋流器脫氣除砂效果的影響。研究結果表明，倒錐長度比、倒錐大徑、出液孔結構形式及排氣口

　　摘要：根據氣—液—固三相分離的物理模型，結合數值模擬分析，進一步開展了三相分離旋流器結構優選設計。通過改變倒錐長度比、倒錐大徑、出液孔結構形式及排氣口結構角度等研究其對旋流器脫氣除砂效果的影響。研究結果表明，倒錐長度比、倒錐大徑、出液孔結構形式及排氣口結構角度等的變化對脫氣除砂效果均有一定的影響。

　　關鍵詞：旋流器;三相分離;結構優化設計;CFD方法;數值模擬

　　油田采出液中不僅含有原油，還含有大量的伴生氣、水、砂、鹽類和懸浮顆粒等[1-3] 。這些成分的存在會影響原油輸送，增加集輸成本，對輸油管線和設備造成損害，還會給煉油廠和化工廠的生產帶來困難。對油田采出液進行脫氣和除砂等凈化處理具有重要的意義[4-6] 。根據氣—液—固三相分離的物理模型，結合數值模擬分析[7-8] ，進一步開展了三相分離旋流器結構優選設計。通過改變倒錐 (內錐)長度比、倒錐大徑、出液孔結構形式及排氣口結構角度等研究其對旋流器脫氣除砂效果的影響。

　　1 倒錐長度比

　　倒錐結構長度比的加大對于氣相的分離有一定程度的影響，適當增加倒錐結構長度將有助于中心氣核的向上舉升，使氣相從排氣口溢出的路徑縮短，從而提高分離效率，如圖 1 (b) 所示;但并非倒錐結構越長越好，如果倒錐結構過長，將會影響分離器的主分離區分離效果，導致氣相的分離效率下降，如圖1(c)所示。

　　圖2所示為不同倒錐結構長度比情況下軸向截面上的固相體積分數分布云圖。從圖 2 中可以看出，雖然通過對倒錐結構長度比的優選，已經改善了氣相的分離效果，但出液孔附近固相聚集較多的問題仍然沒有得到有效解決。

　　2 倒錐大徑

　　圖3為不同倒錐大徑時的軸向截面氣相體積分數分布云圖。

　　從圖3中可以看出，隨著大徑的增加，錐體對氣體的舉升作用逐漸加大。當大徑較小時，由于其對氣體的舉升作用不夠，使得部分分離出來的氣體從出水孔排出;當倒錐大徑過大時，又會影響氣相的分布及其從排氣口的排出。所以，倒錐體結構的大徑要選取適中。

　　3 出液孔結構形式

　　本方案中，在保證總的過流面積一定的前提下，通過改變出水孔布置方式，來考察出水孔布置方式對分離器內部流場的影響，進而確定最佳的布置方式，具體的布置方式如圖4所示。

　　圖5為三種不同布置方式下的軸向截面氣相體積分數分布云圖，從圖5中可以看出，隨著出液孔布置方式越來越均勻，相分離的效率略有提高;但是如果出液孔的個數過多，單個孔面積過小的話，就會增加過流損失，影響后續工藝的正常進行，所以出液孔的個數也不易過多。

　　4 排氣口結構

　　圖6所示為對三種角度的排氣口結構進行模擬得到的氣相體積分數分布情況。從圖 6 中可以看出，當排氣口角度為0和7°時，在溢流口周圍的旋流 腔中氣相體積分數很高，氣體的貯存量甚至高于溢流管;角度為 14°時，氣相絕大部分都集中于分離器軸心靠近溢流口處，排氣情況最好。

　　5 結論

　　(1)倒錐結構占據了中心處氣體的位置，可以減少分離后氣體由底流排出的量，而且向下流動的氣體與錐面接觸后會反向向排氣口流動，達到了舉升氣體的目的;但隨著倒錐結構長度比的加大，也增加了分離出的氣體由排氣口排出的距離，影響氣液分離效果。

　　(2)隨著倒錐大徑的增加，錐體對氣體的舉升作用逐漸加大。當大徑較小時，由于其對氣體的舉升作用不夠，使得部分分離出來的氣體從出水孔排出;但當倒錐大徑過大時，又會影響氣相的分布及其從排氣口的排出。因此，倒錐體結構的大徑要選取適中。

　　(3)隨著出液孔布置方式越來越均勻，相分離的效率略有提高;但是如果出液孔的個數過多，單個孔面積過小的話，就會增加過流損失，影響后續工藝，因此出液孔的個數也不易過多。

　　(4)排氣口結構角度加大時，有利于分離后氣體的排出，改善旋流器脫氣效果。——論文作者：陳德海1 羅雅君2 焦臣玉3 梁文義3 趙立新1

　　參考文獻

　　[1] 劉書孟.油田三次采油污水處理技術及回注問題研究[D].上海：上海交通大學，2007.

　　[2] 薛爽.石油污染沉積物特征及其對水源水質的影響[D].西安：西安建筑科技大學，2003.

　　[3] 薛濤.含油污泥無害化處理與資源回用技術研究[D].西安：長安大學，2003.

　　[4] 趙立新，李楓.離心分離技術[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2006.

　　[5] 蔣明虎，趙立新，李楓，等.旋流分離技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.

　　[6] Liu S，Zhao X, Dong X，et al. Experimental Research on Treatment of Produced Water from a Polymer-Flooding Process Using a Doublecone Air- Sparged Hydrocyclone [J].SPE Projects，Facilities and Construction，2007，2(3)：1-4.

　　[7] 張玉潔，蔣明虎，趙立新，等.基于CFD的三相分離旋流器流場分析與結構優化[J].化工機械，2010，37(6)： 744-749.

　　[8] 張玉潔.氣—液—固三相一體化旋流分離機理及實驗研究[D].大慶：東北石油大學，2012.