轴流式气液旋流分离器分离性能试验研究

关键词: 旋流 分离器; 气液分离; 分离效率; 压降; 研究
中图分类号: T Q 0511 8
文献标志码: A
Experimental Study on Performance of Axia-l flow Hydrocyclone for Gas-liquid Separation
REN Xiang-jun, WANG Zhen- bo, JIN You-hai ( Electr ical and M echanical Eng ineering Colleg e, China Universit y
( a) 无喇叭口与加 45b喇叭口
( a) 体积流量
( b) 质量浓度( H = 200 m m) 图 3 柱段长度对压降影响曲线
2. 2 锥段加喇叭口对分离性能的影响 2. 2. 1 分离效率
分别进行了不加喇叭口、加 45b喇叭口和加 60b
( b) 加 45b喇叭口与加 60b喇叭口 图 5 锥段喇叭口对分离效率的影响对比
of P et ro leum, Dongy ing 257061, China)
Abstract: Operat ion par am et ers and st ruct ural par am et ers have big ef fect on t he separation per-
f orm ance of ax ia-l f low hy dro cyclone f or g as- liquid separat io n. T he influence o n t he separation eff -i ciency of hy drocyclone w as st udied o w ing t o t he f low rat e, liquid co ncent ration of inlet fluid and cy lindr ical lengt h, and a preliminary t heo ry analysis w as given. T he result s is v aluable for t he design and opt imizat ion of t he gas- liquid cyclone separ at or s of similar st y les.
Key words: cyclone; gas- liquid separat io n; separat ing eff iciency; pressure dr op; st udy
天然气作为一种洁净、高效、方便的优质燃料和 重要的化工原料, 其应用范围日益扩大。开采的井 口天然气需经脱水后才能进入管道输送, 以避免酸 性气体对管道设备的腐蚀并防止生成水合物堵塞管 道。目前天然气脱水大都采用甘醇吸收法, 但这种 工艺存在诸多缺点[ 1] 。利用离心力使气流中的液滴 得以分离的气液旋流分离器具有存留时间短、设备 体积小、占地面积小、运行稳定连续和维护方便等一 系列优点, 尤其适用于海上平台等空间有限的天然 气井, 但对其性能研究较少。因此, 笔者以 内径为 100 mm的轴流式气液旋流分离器为例, 研究了体积 流量、入口含液质量浓度、柱段长度以及锥段下加喇 叭口等对其分离效率和压降的影响。
这是因为, 分离空间高度是液滴能够分离出来 的必要条件之一, 具备一定的分离空间高度才能使 液滴有足够的时间移动到分离界面上。而短路流、 返混和循环流是影响气液旋流分离器分离效率的主 要流动形式[ 2] , 分离空间高度较小时, 短路流与循环 流流量相对较小, 效率高些, 但流场不够稳定, 存在 比较大的波动, 导致 H = 150 mm 时分离效率随体 积流量变化比较大。分离空间高度较大时, 流动空 间较足、短路流较弱、尾端流场较弱、返混较弱且更 多液滴有足够的时间向分离界面移动, 这使得分离 效率高些。而分离空间高度处于中间值时, 短路流、 返混及循环流的综合影响达到了极值, 导致此时分
压降 $p io 是气液旋流分离器的主要能耗指标, 也是 文中所指的压降。
( 4) 总效率 E T 由于文中旋流分离器底流泄气
量为 0, 进、出口气量相等, 故旋流分离器质 量效率 和修正效率( 澄清效率) 在数值上相同, 采用下式进
行测定计算:
ET = ( m2 / m1 ) @ 100%
( 3)
第 38 卷 第 3 期 2009 年 5 月 文章编号: 1000- 7466( 2009) 03- 0016- 05
石油化工设备 P ET RO- CH EM ICAL EQ U IPM EN T
V ol1 38 N o1 3 M研究
任相军, 王振波, 金有海
动损失与流速的平方成正比, 当体积流量大于一定 值后流动损失成为压降的主要损失, 基本不随分离 空间高度的变化而变化。
喇叭口 3 种结构形式对分离性能的影响, 锥段喇叭 口结构见图 4。锥段喇叭口对分离效率的影响对比 见图 5。
( a) 45b锥段喇叭口
( b) 60b锥段喇叭口
图 4 锥段喇叭口结构
第3期
任相军, 等: 轴流式气液旋流分离器分离性能试验研究
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2. 2. 2 压降
锥段无喇叭口与加不同角度喇叭口后的压降对 比见图 6。从图 6 可以明显看出, 随喇叭口 角度的 增大, 压降逐渐增大, 依次为 60b喇叭口、45b喇叭口、 无喇叭口。这可能主要是由于加喇叭口后对流场产 生了影响, 对内旋流起到了一些阻挡作用, 故而表现 为压降的增大。而随喇叭口角度的增大, 阻挡面积 也逐渐增大, 故角度越大压降越大, 但可以预测喇叭 口角度存在一个临界值, 超过此值后压降将不再随 角度的增大而增大。
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石油化工设备
2009 年 第 38 卷
离效率较低。
2. 1. 2 压降
同样取柱段长度 H 为 150、200、300、400 以及 600 mm进行试验。分离器的压降大致由 3 部分组 成: ¹ 分离器进口处、出口处及一些二次流的局部流 动损失。 º 气流与分离器壁面的摩擦损失。 » 分离 器内的 湍流 损 失及 旋 转动 能与 静 压 能的 转 化 损 失[ 3] 。柱段长度对压降的影响曲线见图 3。从图 3a 可以看出, 压降基本随分离空间高度的升高而变小, H = 600 mm 时压降最小。分离器内的湍流损失及 旋转动能与静压能的转化损失是压降的主要损失形 式, 因为柱段长度越长, 分离器内的湍流损失及旋转 动能与静压能的转化损失就越小。由图 3 还看到, 体积流量达到一定值后, 压降聚集到一个点上, 表明 当体积流量高于一定值( 文中为 95 m3/ h) 后, 压降 将不再随柱段长度的变化而变化。这主要是因为流
从图 2 可以看出, 柱段长度 150 mm 和 600 mm 时气液旋流分离器分离效率最高, 之后是 200 mm、 400 m m 和 300 mm , 即柱段长度较长或较短时分离 效率较好, 而柱段长度取中间值时分离效率反而不 高。H = 150 m m 时分 离效 率随体 积流 量变 化较 大, 而 H = 600 mm 时比较稳定, 故 H = 600 m m 是 理想的柱段长度。当 65 m 3 / h < qVg < 90 m3 / h 时, H = 150 mm 是气液旋流分离器分离效率最高的柱 段长度。
于叶片出口气速。用出气管处比托管测量压差计算
可得到体积流量。试验过程中底流口泄气量为 0,
故近似认为气体体积流量等于物料进口体积流量。
qVg = 3 600PD i 2 v i / 4
( 1)
其中
v i= 2$p / Q
式中, qVg 为气体体积流量, m3 / h ; D i 为安装比托管
处管内径, m ; vi 为比托管 管内流速, m/ s; $p 为比
式中, ET 为旋流分离器总效率; m2 为收液质量, g。
2 试验结果分析
2. 1 柱段长度对分离性能的影响 2. 1. 1 分离效率
分别取柱段长度 H 为 150、200、300、400 以及
( a) 体积流量( Qi= 40 g/ m3 )
( b) 质量浓度( qVg= 70. 58 m3/ h) 图 2 柱段长度对分离效率的影响曲线
1 试验装置及测试参数
1. 1 试验装置
试验装置见图 1。整个装置由供 风系统、进液 雾化系统、分离系统和测量系统组成。本试验采用 负压系统, 供风系统采用抽风机。雾化系统由空气 压缩机、空气过滤器、液体计量泵以及内混式双流体 喷嘴组成, 压缩空气与计量泵提供的液体同时进入 喷嘴, 液体被雾化成液滴群。分离系统主要装置是 轴流式气液旋流分离器, 用有机玻璃制成。以空气水作为两相物料进行分离试验研究。
( a) 无喇叭口与加 45b喇叭口
( b) 加 45b喇叭口与加 60b喇叭口 图 6 锥 段无喇叭口与加不同角度喇叭口后的压降对比
2. 3 入口含液质量浓度对分离性能的影响 2. 3. 1 分离效率
入口含液质量浓度对分离器分离效率的影响见 图 2b。对于定结构的轴流式气液旋流分离器, 分离 效率随着进料含液质量浓度的增加而迅速上升, 但 增大到一定程度( 60 g/ m3) 后分离效率上升趋缓甚 至基本不变。这主要是因为, 当含液质量浓度在一 定范围内增大时, 单位体积的液滴数量增加, 液滴间 的碰撞、团聚作用加强, 形成大液滴的几率增加, 利 于分离效率的提高。但当含液质量浓度增大到一定 值后, 分离器内存液量增加, 器壁表面液膜层过厚, 远离壁面侧液体附着力减小, 在强旋流气体的作用 下容易被重新卷扬起来, 雾沫夹带现象加剧, 从而使 得分离效率降低, 综合影响导致此时的分离效率变 化不大[ 4] 。
图 5a 显示加 45b喇叭口后, 分离器分离效率明 显提高。从图 5b 可以看出, 在入口含液质量浓度低 于 45 g / m3 时, 加 60b喇叭口比加 45b喇叭口分离效 率明显要高, 但超过此值后加 60b喇叭口分离效率 反而比加 45b喇叭口分离效率要低, 可见仅在一定 质量浓度( 45 g / m3) 之内加 60b喇叭口比加 45b喇叭 口的分离效率高, 并非随所加喇叭口角度的增大分 离效率逐渐提高, 而是存在一最佳临界角度值。这 主要是因为液滴的边壁效应减少了返混, 但其作用 又有一定的限定。