cyclone gas-liquid separator氣液旋風(fēng)分離器深度分析

1、VASPS,主要有三個(gè)分離階段1.主要分離段在膨脹室中，入口噴嘴將動(dòng)量傳給氣液混合物，并且將它們沿圓筒壁面切向方向噴出。這時(shí)候，就有一些氣體從液體中分離出來了，但是企業(yè)混合物還是存在的。這種氣液混合物開始在壁面上旋轉(zhuǎn)，形成帶有分散氣泡的液膜。在較強(qiáng)離心力場的作用下，氣泡開始沿著徑向移動(dòng)，并最終到達(dá)液膜表面。所以隨著液膜的旋轉(zhuǎn)，更多的氣體被分離出來到達(dá)內(nèi)部氣流。上述描述的現(xiàn)象可能發(fā)生在正常的操作條件下，如圖4A所示。圖4B和4C順序顯示了由于較多的氣液混合物流量而在膨脹室中產(chǎn)生的兩個(gè)不正常的工作狀態(tài)。當(dāng)前者產(chǎn)生時(shí)，液膜會(huì)攀上壁面到達(dá)連接膨脹室和氣體排出管線的孔口和插槽，因此會(huì)在排氣管線上產(chǎn)生液體

2、攜帶。當(dāng)后者發(fā)生時(shí)，由于液膜在兩側(cè)壁面之間架橋，膨脹室被溢滿。為了保證足夠的分離效果，這兩種工作狀態(tài)是必須避免的。當(dāng)液膜在膨脹室中旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的離心力場會(huì)在徑向形成壓差使液膜攀上壁面。如果液膜到達(dá)在膨脹室上部的孔口和插槽，氣體出口管線就會(huì)出現(xiàn)液體攜帶。這種情況的出現(xiàn)是由于噴嘴的混合物的速度太高或者是膨脹室的高度沒有合理的設(shè)計(jì)。圖4C顯示的溢滿情況是由于液膜過厚堵塞了膨脹室內(nèi)的環(huán)形空間的原因。這時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)變得非常不穩(wěn)定：壓力上升并波動(dòng)；液體在膨脹室中聚集并且間歇地流入環(huán)形通道。這種溢滿現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)橐耗げ荒芫鶆虻馗采w膨脹室的壁面，根本的原因是噴嘴的混合物流速過低或者瞬間的液體流量高于分離器的正常

3、處理能力。當(dāng)噴嘴的排出速度過高時(shí)還會(huì)產(chǎn)生其他方面的問題：膨脹室里可能形成較小的液滴并且與氣體一起流動(dòng)形成霧狀流。如果膨脹室的尺寸決定產(chǎn)生的上升速度很低的話，那么霧狀流中的液滴將不會(huì)產(chǎn)生較高的液體攜帶。所以噴嘴和膨脹室的設(shè)計(jì)必須能夠處理由入口管段間歇流和段塞流引起的氣液流速瞬變的情況。這些運(yùn)行上的限制狀況，可以通過合理的設(shè)計(jì)避免。氣液主要的分離發(fā)生在膨脹室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，大約70%的氣體在這一階段被分離。更重要的是，這一分離段減輕了氣液兩相入口的流量波動(dòng)，從而使分離器的運(yùn)行更加平穩(wěn)。2.第二分離段在分離器的第二段中，混合物做明渠流動(dòng)沿著螺旋通道向下流。重力是主要的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)有中等的離心力和壁

4、面剪切力，使液膜沿著壁面流動(dòng)，形成液膜的表面和截面形狀。流動(dòng)的水動(dòng)力發(fā)展發(fā)生在4-6個(gè)相等的螺距長度內(nèi)。在液膜中分散著剩余氣體形成的氣泡。所以，這種兩相流動(dòng)可以被認(rèn)為是一種有分散氣泡的混合物做分層液膜流動(dòng)。液膜的表面相對于主對稱抽是傾斜的。自由氣體在螺旋通道的上部流動(dòng)，并最終通過通道內(nèi)壁上部的孔流入氣體流出管線。螺旋通道的螺距決定了最大的液體流速，并且在給定的操作條件和通道大小的情況下決定了液體攜帶量。圖5給出了螺旋分離器中的一系列工作狀況。圖5A是正常工作狀況；圖5B和5C是不正常的工作狀況，分別是螺旋通道的堵塞和螺旋通道出口處的液膜中含有分散的氣泡。圖5B中的堵塞最容易發(fā)生在膨脹室階段的第

5、一段螺距上。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，壓力上升同時(shí)有兩相混合物噴射出氣體收集器（內(nèi)層套管）。進(jìn)入內(nèi)層套管的液體可能堵住氣體從而引起流動(dòng)的不穩(wěn)定，引發(fā)氣液攜帶等。由于這些原因，在設(shè)計(jì)分離器尺寸的時(shí)候，上游入口管線的流型是一個(gè)主要的考慮因素。當(dāng)瞬變流發(fā)生時(shí)，或者入口管線中含有嚴(yán)重段塞流，分離器的螺旋通道可能不能處理最大的瞬變流速。這就堵塞和溢滿了膨脹室。在后面的設(shè)備改型中，為過渡液膜流動(dòng)而在連續(xù)段上安裝了一塊連接裝置：一種變螺距的雙螺旋結(jié)構(gòu)可以使膨脹室中的液體平滑地流入螺旋通道。通過這種方法可以擴(kuò)大可應(yīng)對的瞬變流量的上限。當(dāng)氣泡在螺旋通道的停留時(shí)間小于它們到達(dá)氣液截面所需要的時(shí)間時(shí)，在螺旋通道的尾端液膜將

6、會(huì)含有分散氣泡。離心力場和重力場將會(huì)決定氣泡相對液膜的速度和軌道。所以螺旋通道尾部氣泡的存在是液膜橫截面的形狀、液體流速、氣液密度比、液體粘度、氣泡大小形狀、螺距的長度和數(shù)量的函數(shù)。最終得出，當(dāng)設(shè)計(jì)分離器的第二分離段時(shí)必須：（1）完成流體從膨脹室到螺旋通道的平滑過渡流動(dòng)；（2）合理的設(shè)計(jì)螺旋通道的尺寸以使截面含葉率小于一個(gè)臨界值；（3）合理的設(shè)計(jì)螺旋通道的長度以使某一大小和形狀的氣泡在液膜離開螺旋通道的時(shí)候到達(dá)氣液交界面；（4）合理的設(shè)計(jì)氣體收集套管的直徑以避免向上的氣體流速拖帶了液膜中液滴。為了計(jì)算這些參數(shù)，我們必須使用瞬時(shí)氣液流速，而這種氣液流速是與兩相流型密切相關(guān)的。3 第三分離段分離的

7、第三段是由重力驅(qū)動(dòng)的，發(fā)生在分離器的底部。分離任務(wù)包括將進(jìn)入分離器下部水腔的液膜中含有的氣泡和將液膜噴射入水腔夾帶入得氣泡分離出來。另外一個(gè)任務(wù)就是將液體倒入抽吸泵，所以說，水腔是阻止泵中含有氣體的最后一道屏障。第三分離段的工作狀況如圖6所示。圖6A顯示的是正常的工作情況；圖6B顯示的是當(dāng)氣泡進(jìn)入泵的抽吸管線時(shí)產(chǎn)生氣體攜帶的工作情況。當(dāng)設(shè)計(jì)分離器的第三段時(shí)，我們必須考慮可以減少氣泡攜帶，消除旋流的因素，比如分離器主要分離階段的流速、濃度、噴射形成的氣泡的大小和形狀、水腔中液位的高度等。數(shù)學(xué)模型的開發(fā)：1 主要分離段在三個(gè)分離段中，模擬膨脹室內(nèi)的流動(dòng)和分離過程的工作是最沉重的，這是因?yàn)樵谂蛎浭抑?/p>

8、有幾個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生。測量和模擬了沿著膨脹室內(nèi)壁流動(dòng)的液膜的水動(dòng)力學(xué)特性。這項(xiàng)工作的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)數(shù)學(xué)模型能夠預(yù)測由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的平均液膜量。這個(gè)模型的基礎(chǔ)是寫成圓柱坐標(biāo)形式的邊界層方程的整體形式。流動(dòng)被認(rèn)為是軸對稱的。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)包括液膜在內(nèi)壁上的厚度分布和相應(yīng)的流向。能夠測量沿著膨脹室圓周和對稱軸的不同位置的變量的技術(shù)是工作在脈沖和回聲模式的電導(dǎo)和超聲探針。因?yàn)橐后w的質(zhì)量流量是輸入的數(shù)據(jù)，所以在測量點(diǎn)的軸向和切向的平均液膜速度是可以計(jì)算出來的。測量數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬揭示了入口噴嘴和膨脹室的較好的幾何外形和合適的操作條件。單獨(dú)就膨脹室的形狀而言，數(shù)值模擬顯示圓柱體上形成的液膜要薄一些，實(shí)驗(yàn)測試也

9、證明了這一點(diǎn)。因?yàn)檩^薄的液膜可以促進(jìn)相分離，并且圓柱體容易制造，所以模型2B是一個(gè)很好的選擇。為了能夠保證足夠的分離性能，圖4B和圖4C顯示的兩個(gè)不正常的工作狀況是不能出現(xiàn)的。當(dāng)入口噴嘴的噴出速度過高時(shí)，發(fā)生液體攀爬現(xiàn)象。舉例來說，當(dāng)入口混合物擁有很大的氣體流速的時(shí)候，噴嘴出口處的速度就非常高，同時(shí)可能出現(xiàn)液體霧化現(xiàn)象并形成霧狀流。另一方面來說，較低的入口速度不能提供相分離所需要的離心力，同樣的情況也發(fā)生在當(dāng)膨脹室的半徑過大的情況。較厚液膜的形成會(huì)減少相分離的效率；液膜的架橋會(huì)導(dǎo)致分離器的溢滿。這個(gè)過程主要是由慣性力和重力控制的，因此當(dāng)選擇弗洛德數(shù)的范圍是110時(shí)，也就確定了較合適的入口速度范

10、圍。弗洛德數(shù)的特征直徑是噴嘴的出口直徑：，在這里是入口混合物的最大流速，是重力加速度。徑向壓力梯度產(chǎn)生的力和重力的平衡共同決定了液膜相對于噴嘴中心線的高度。慣性力和粘性力起到了次要的作用。液膜高度和混合物的入口速度的一個(gè)無因次關(guān)系由下面的方程給出：，式中，是噴嘴的排出截面積，是以噴嘴直徑為特征尺寸的雷諾數(shù)，是氣液體積比，。常數(shù)和指數(shù)是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，它們是由圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。實(shí)驗(yàn)中使用了四個(gè)不同的噴嘴，分別在兩個(gè)不同的套筒中，進(jìn)行了單相流和兩相流的實(shí)驗(yàn)。（）液膜厚度和旋轉(zhuǎn)速度的模型結(jié)果是圖8中的連續(xù)線；開口符號(hào)代表的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，。它們是模型2B膨脹室壁上流體液膜的厚度。噴嘴的出口段作為軸向

11、距離的起點(diǎn)。模型和測量結(jié)果顯示隨著液膜下降，液膜會(huì)變厚，切向速度減小，離心力場變?nèi)酢７治鲞@些數(shù)據(jù)可以為固定膨脹室的長度設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在噴嘴下面大約58倍的當(dāng)量直徑的地方，液膜的切向速度變得微不足道以至于可以認(rèn)為液膜是自由下落的。在液體粘度較大的情況下，這種距離甚至?xí)獭Ｕ扯葹?0cP的液體在5倍的當(dāng)量直徑以后，就變成自由下落的液膜了。最終，還是與膨脹室有關(guān)，在液膜和內(nèi)管之間的環(huán)形空間的氣體速度必須是一個(gè)特定的值，以避免液滴或者液膜的拖帶。給定氣體流速，和環(huán)形空間的橫斷面面積，這個(gè)特殊的速度，應(yīng)該滿足：式中是標(biāo)準(zhǔn)條件（20，1bar）下計(jì)算得到的密度，而是分離環(huán)境中的氣體密度。這些結(jié)論取得的前

12、提是分離器的混合物入口流速是一個(gè)常數(shù)。如果氣液流型是瞬變流或者段塞流等流速有波動(dòng)的一類流型，那么在計(jì)算中必須使用瞬變流速。更嚴(yán)重的情況是，瞬變流嚴(yán)重到不可避免地要產(chǎn)生段塞流。這就需要增加膨脹室噴嘴下面的長度以容納足夠的瞬時(shí)段塞。油田測試顯示膨脹室的當(dāng)量體積是5090倍的入口管直徑時(shí)是可以使分離過程穩(wěn)定的。這些數(shù)據(jù)是大約估計(jì)；使用可以提供瞬變流數(shù)據(jù)特征的模擬可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。2 第二分離段設(shè)計(jì)分離器第二段時(shí)，計(jì)算混合物作為明渠流動(dòng)沿著螺旋通道下降是一個(gè)主要任務(wù)。螺旋通道的尺寸必須保證在正常的流速下不被堵塞；當(dāng)混合物作為液膜向下流動(dòng)時(shí)，氣液界面的形狀決定了相分離的過程。確定螺旋通道的尺寸包括確

13、定螺旋通道的內(nèi)徑和外徑、傾斜度和螺距。當(dāng)擁有了氣液交界面的形狀和幾何尺寸時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來估計(jì)在分離器第二段中的相分離是有可能的。對液膜流動(dòng)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。等人給出的數(shù)據(jù)庫包括液膜交界面的位置、平均流速、摩擦系數(shù)、含液率和濕周等數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過使用兩種不同的螺旋結(jié)構(gòu)、4種不同的流體的18次實(shí)驗(yàn)得到的。改變螺旋通道的曲率和角度、液體的密度和粘度，可以獲得流動(dòng)雷諾數(shù)（以平均氣液流速和水力半徑為基礎(chǔ)）的范圍是45100000，結(jié)果便形成了9個(gè)層流和9個(gè)湍流的測試。通過對CFD結(jié)果的分析獲得了螺旋通道中液膜流動(dòng)的詳細(xì)信息。圖9A是通過測量得到的交界面位置和CFD計(jì)算得到的對比

14、；圖9B描述了縱向的速度分布。這兩個(gè)結(jié)果都是在水液膜的流動(dòng)雷諾數(shù)是22315，螺旋通道橫截面在笛卡爾坐標(biāo)系中得到的。當(dāng)計(jì)算液膜流動(dòng)的平均性質(zhì)時(shí)，摩擦系數(shù)是一個(gè)主要的因素。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬同時(shí)顯示在相同的當(dāng)量直徑下，螺旋通道的摩擦系數(shù)是直管的2.55倍。與螺旋流動(dòng)相關(guān)的摩擦系數(shù)是非常復(fù)雜的，因?yàn)樗桥c幾何和水力參數(shù)有關(guān)的。幾何參數(shù)包括螺旋角、曲率、內(nèi)外半徑和螺距。水力參數(shù)包括含液率、濕周、平均速度、雷諾數(shù)和狄恩數(shù)，狄恩數(shù)是雷諾數(shù)乘以平均曲率的平方根乘以水力直徑。詳細(xì)的討論請參考的文獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)給出了像圖10這樣的設(shè)計(jì)圖，在圖中我們假設(shè)流量是流體粘度和比例系數(shù)的函數(shù)（選用模型1的尺寸

15、作為參考，見圖2）。所以圖中最低的比例系數(shù)是1:1的直線是在模型1的螺旋通道中流通能力和流體粘度的關(guān)系。圖10顯示,在含液率是常數(shù)80%時(shí)，流量隨著液體粘度的增加而降低。相反的，當(dāng)液體粘度是一個(gè)常數(shù)時(shí)，流量隨著比例系數(shù)的增加而增加。在圖中舉例說明，當(dāng)分離器第二段的內(nèi)徑和外徑分別是532mm和760mm時(shí)，流體粘度是4cP時(shí)，流量是10000m3/d，當(dāng)流體粘度是15cP時(shí)，流量是2500m3/d。在計(jì)算了液膜沿著螺旋通道流下的水力學(xué)特性后，我們可以計(jì)算臨界氣泡到達(dá)界面從液體中分離所需要的時(shí)間或者是螺旋通道的長度。臨界氣泡是當(dāng)混合物進(jìn)入分離器第二段時(shí)靠近通道外側(cè)最低端的角上的氣泡。它是沿著在重力

16、場和離心力場的混合作用下形成的軌跡到達(dá)界面需要時(shí)間最長的氣泡。如果臨界氣泡到達(dá)表面的時(shí)間大于液膜在分離器中的停留時(shí)間，那么在分離器第二段尾端流出的液體中就會(huì)含有分散氣泡。液膜在分離器中的停留時(shí)間，也就是停留時(shí)間，是，式中是螺旋通道的長度，是流體平均速度。臨界氣泡被液膜中的液體取代而到達(dá)界面的時(shí)間決定于氣泡的移動(dòng)速度，這個(gè)速度取決于徑向和軸向的氣液替換。軸向的替換是由于重力場的原因，需要的時(shí)間是，其中，式中是氣泡路徑在豎直方向的投影，是氣泡速度的垂直分量，由以下公式給出。式中是空隙率，是氣泡的半徑，是拖曳系數(shù)。公式與給出的在已知平均空隙率的情況下，球體氣泡從混合物中的置換速度公式相似。相對于液膜

17、的臨界氣泡的徑向置換速度是由離心力場決定的，需要時(shí)間是，其中是氣泡路徑的徑向投影，是氣泡速度的徑向分量。與上面的方程類似，式中是螺旋通道的平均半徑，是氣泡半徑。當(dāng)，并且時(shí)，液膜在螺旋通道出口處是不含有分散氣泡的。數(shù)學(xué)模型概括了多種氣泡流流型（包括就像由定義的層流氣泡流、扭曲粒子流和攪動(dòng)-紊流氣泡流）在不同的氣液含量下的結(jié)果。圖11給出了在以螺旋通道長度為參數(shù)的情況下臨界氣泡的直徑和液體粘度的關(guān)系。必須指出的是這種關(guān)系只能應(yīng)用在流動(dòng)發(fā)生在與模型1相似的流道中的特殊情況中。更為重要的是它只對球形氣泡是有效的，并且假設(shè)含液率是常數(shù)在通道長度內(nèi)始終是80%。結(jié)論是非常簡單的：臨界氣泡的粒徑隨著液體粘度的降低或者螺旋通道長度的增加而降低。假如液體的粘度是6cP，直徑是250微米的臨界球形氣泡在通道中流動(dòng)了1200mm就到達(dá)了交界面。如果粘度增加，像15cP或者70cP時(shí)，螺旋通道相應(yīng)的長度就是2400mm或者12000mm。5.小比例模型測試為了評價(jià)小比例實(shí)驗(yàn)室大小分離器的性能，進(jìn)行了一個(gè)延伸測試項(xiàng)目。測試的范圍包括模型1、模型2A和模型2B的操作。測試的液體流量范圍是0605m3/d，氣體的流量范圍是03600Nm3/d。形成兩相混合物的液體粘度范圍是121cP。值得指出的是，由于測量數(shù)據(jù)較多，本文獻(xiàn)只討論了一小部分決定分離性能的數(shù)據(jù)。圖1