轴流式气液旋流分离器结构优化研究

【摘要】：近年来,随着海洋油气田的持续开发,采出气中水和凝析液含量逐渐增多,在海上平台空间受限的背景下,为满足气液分离要求,大力发展紧凑型气液分离器成为新的趋势。本文通过理论分析和数值模拟提出了一种轴流式气液旋流分离器的结构方案,并在此基础上加工分离器实验样机,通过实验对样机的分离性能进行了研究,建立了分离效率模型和压降模型,主要结论与研究内容如下:针对雾状来流,在分离器内部气液两相流动规律的基础上,分析了液滴在旋流场内的受力与运动情况,结合分离器结构对流体的作用机理,对分离器各构件进行了概念设计,建立了轴流式气液旋流分离器的几何模型,并明确了分离器的关键尺寸参数。结合旋流分离机理,采用RSM湍流模型和离散相模型对气液两相流动进行模拟,分析分离器结构参数对分离性能的影响。结果表明:在分离器内部设置中心体能够改善内部流场,对来流中微小液滴的分离作用显著。增加中心体直径D_i、增加导流叶片数目、减小导流叶片出口角β均能够增加气体的切向速度,提高分离效率,但也会导致分离器压降增加。排气管直径De对分离效率影响程度较低,为减小分离器压降,排气管直径De不宜过小。模拟发现分离器的分离效率随分离区长度L的增加趋向稳定,但对压降的影响程度较小。根据上述规律选取最佳分离器结构参数,并加工实验样机。通过实验研究分离器结构参数与操作参数对分离性能的影响。在实验条件下,当气速低于7m/s时,减小导叶出口角β、增加中心体直径D_i均能够增加分离器分离效率,存在相应的临界气速能够使一定结构分离器的分离效率达到最高,随气速继续增大,分离效率逐渐下降。在一定气速下,随入口含液率增加,分离器分离效率增加,当气速较大时,分离器效率呈下降趋势,实验表明使分离器分离效率达到最高的临界气速与入口含液浓度无关,主要受分离器结构影响。根据实验结果对轴流式气液旋流分离器内部携液现象进行分析,总结出分离区携液、集液腔携液以及排气管蠕动携液三种携液机理。通过分析气体与液膜两相作用,建立分离区和集液腔初始携液的判定准则,在排气管入口处设计“裙边”,防止排气管外壁蠕动液膜沿壁面逃逸。对于含有一定液滴分布的入口来流,通过分析液滴在分离器内部流场的运动规律,建立分离器粒级分离效率与整体分离效率的理论模型,确定能够完全分离的临界液滴粒径d_(p,c)。根据各部分压降组成,建立分离器整体压降模型,并通过实验进行验证。在分离器结构参数几何相似以及对其他影响参数无量纲化处理的基础上,建立分离器分离效率与压降的缩尺关系准则。