气液旋流器的分离性能
旋流式液气分离器的设计
毕业论文(设计)题目名称：旋流式液气分离器的设计题目类型：毕业设计学生姓名：狄磊院(系)：机械工程学院专业班级：装备10901班指导教师：张琴辅导教师：时间：至目录毕业论文（设计）任务书 (Ⅰ)开题报告 (Ⅱ)指导教师审查意见 (Ⅲ)评阅教师评语 (Ⅳ)答辩会议记录 (Ⅴ)中文摘要 (Ⅵ)外文摘要 (Ⅶ)1 绪论 (7)选择旋流式液气分离器的意义 (7)国内外现状和进展趋势 (7)国外现状和进展趋势 (7)国内现状和进展趋势 (9)2 方案论证 (9)旋流式液气分离方案的可行性 (9)旋流式分离器的结构及工作原理 (10)3 分离器的整体设计 (11)旋流器的直径和长度的计算 (11)分离器结构设计 (13)分离器整体结构设计 (13)脱气结构 (15)钻井液入口的尺寸 (15)旋流器的结构设计 (15)外筒体的设计 (17)接口管设计 (18)外部结构 (21)4、要紧零部件的设计及校核计算 (22)筒体和封头的壁厚计算 (22)外容器筒体、封头壁厚计算 (22)旋流器筒体封头壁厚计算 (24)人孔 (25)人孔选择 (25)人孔补强 (26)支座 (26)分离器的总质量 (26)支座的选用及安装要求 (28)5 分离器的安装 (28)焊接 (28)安装顺序 (29)6 壳体的有限元分析 (32)7 总结 (35)参考文献 (37)致谢 (39)附录一 (40)附录二 (43)旋流式液气分离器的设计学生：狄磊，长江大学机械工程学院指导教师：张琴，长江大学机械工程学院【摘要】旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。
在具有密度差的混合物以必然的方式及速度从入口进入旋流分离器后，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向周围，并顺着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出。
如此就达到了分离的目的。
旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。
直径对旋流器的影响有哪些？
直径对旋流器的影响有哪些？旋流器是一种能够将流体以旋转的方式进行分离的装置，广泛应用于化学工程、制药、食品加工、污水处理等领域。
而旋流器中的直径大小对其分离性能会产生直接的影响。
直径对旋流器分离性能的影响1.分离效率直径是旋流器的一个重要设计参数，可以影响其分离效率。
在一定范围内，直径越大，所能处理的流量就越大，但研究表明，随着直径的增大，旋流器的分离效率也会下降，一般最佳直径为管径的1/4至1/2。
这是因为当直径过大时，旋流器中的旋转速度不均匀，液相中心区域停滞时间过长，易导致液相和固相再次混合，影响分离效率。
2.压降直径还会直接决定旋流器的压降，压降是流体通过旋流器时产生的阻力。
直径越大，所产生的压降就越小；相反，直径越小，压降就越大。
因此，在旋流器设计中需要权衡分离效率和压降的关系，选择合适的直径。
3.分子扩散分子扩散是指分子在热运动中因浓度差而发生的自发漂移。
在旋流器中，分子扩散常常会发生，其中涔涔困难的是液相和气相的分子扩散。
当旋流器的直径大于一定范围时，分子扩散现象就会变得非常明显，导致液相和气相无法快速分离。
直径对旋流器的设计要素1.基本尺寸旋流器的设计要素必须考虑到其基本尺寸，主要包括旋流器的直径、长度、入口和出口的位置、本体的形状等。
2.入口与出口角度入口与出口角度是旋流器设计中另一个重要因素。
在最佳的设计中，其出口和入口之间应该保持一个很小的角度，通常约为15度。
此角度够大，保证了更好的旋转作用并且更稳定的设计。
3.支撑方式在焊接旋流器时，必须要考虑到其的支撑方式。
支撑方式将影响旋流器的稳定性、使用寿命和可能发生的振动等问题。
直径为何对旋流器设计如此重要？直径是旋流器设计中的一个重要参数，其对分离效率、压降、分子扩散等影响关系密切。
合理选择旋流器的直径可以有效地提高其分离性能和使用寿命，减少能耗和维护成本。
总体来说，选择合适的直径是旋流器设计中的一个重要因素。
设计者需要综合考虑设计要素和分离效率等因素，选择旋流器的直径，并采取其他措施进一步提高其分离效率和稳定性。
含稳流器组合气液分离器分离性能试验研究
１ ． ２ 试 验 系统
试 验 系统如 图 ２所示 。整 个试 验 系统 由空气
缩机 、 高压储 气 罐 、 进气管道 、 水箱 、 高压水泵 、 进 液 管道 、 气液 混合 室 、 分离器试验段 、 测量仪表 、பைடு நூலகம்Ｐ Ｄ Ｐ Ａ
该气 液分 离 器包 括 分 离 器 壳体 ， 以及 在 分 离 器
壳体 卜设 置 的 天 然气 入 １ 、 天 然 气 出 口和 排 液 Ｌ ｊ ，
图 １ 分 离 器 结 构 图
分离 器 壳体 内部 为 ＿ 卜 部 的气 相 区和 下 部 的液 相 区 ； 在 天然 气入 口处设 置有 旋 流 器 ， 分 离 器 中部 设 置 有 稳 流器 ， 天然 气 出 ｒ ］ 处 设 置 有 折 流 板 。其 结 构 如 图 １ 所 永 。该 分 离 器 的 作 原 理 是 ： 人［ Ｉ 天 然 气 首先
稳流器 文献标志码
气液分 离 Ａ
试验研 究
中 图法 分类 号
气液 分 离 技 术 在 电 力 、 化工 、 动 力 和 核 能 等 领 域 广 泛应 用 。气 液 分 离 设 备 的 性 能 对 天 然 气 的 品 质和 系统 的安 全 经济 性 极 其 重要 ¨ 。因此 在 天 然
第１ ３卷
第２ ９期
２ ０ １ ３年 １ ０月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ． ２ ９ ０ｅ ｔ ．２ ０１ ３
ｌ ６ ７ ｌ ～１ ８ １ ５ ｆ ２ ０ １ ３ ） ２ ９ — ８ ７ ４ ８ — ０ ３
操作参数对双蜗壳式旋流分离器气液分离性能的影响
进 口结构 简单 ，利 用蜗壳进 口产生旋 转气 流 ，造旋 方式 能
耗低 ｊ ，而被应用于天然气净化工 艺中。但从现 场 的应 用 反馈 发现 ，此种旋 风管的分 离效率 较低 ，尤其 是气 液分离 性能较差 ，未能达到工程应 用 的要 求 ，故本 文通过 改变 入
ｌ压缩 机 ；２压 力表 ；３ 缓 冲罐 ；４ 阻尼 器 ；５ 计量采 ；６ 水槽 ； 一 － － 一 一 － ７ 灰 斗８ 空气 雾化 喷 嘴；９ 旋风 管 ；１一 一 一 － ０ 排气 室 ； ｌ一Ｕ型管压 差计 １ １一 ２ 闸板 ；１一 托管 １一 ３毕 ４ 风机
的机会较小 ，因此旋风管分离效率较低 ；第 ，小液滴受短
路流 的影响较大 ，更易未经分离而被气流直接带出排气管形
所测得 的喷雾 的入 口浓度对 分离效 率 的影 响 曲线 。由 曲线 可 以看 出，分离器 的分 离效率普 遍较 低 ，而且 随着人 口浓 度升高 ，分离效率波动 较大 ，这说 明在试 验所 用粒度 范 围
喷嘴的参数 ，产生不 同粒度分布的液滴 ，对分离器进行分离 性能研究 ，所测得 的分 离效 率 曲线如 图 ４所示 。由曲线可
知，粒度的变化对旋风管的分离效率有重要影响 。当入 口喷 雾液滴 的中位粒径从 １． ２ ｎ升高到 ３ ． ８ ｎ ９ ０／ ａ ７２ ／ ，旋风管的分 ａ
离效率升高 了接 近 ０ ２ ，这说 明旋 风管 对小粒 径液滴 的分 ．０ 离效果较差 ，由三方面 的原因造成 ：第一 ，小粒径液滴的切 割粒径较小 ，旋风管对其分离效果较差 ；第二 ，试验用的液 滴浓度较低 ，为 ７ ２ｇ・ 。 ．５ ｍ－ ，旋风管分 离空 间内的液滴 数 目较少 ，小液滴 的团聚作用较弱 ，且被大液滴夹带而被分离 图 ６ 不 同粒度 液滴 的分 离效 率 （ ＝０ ｈ ｍｍ）
气液旋流器离心式分离器设计
气液旋流器离心式分离器设计介绍本文档旨在设计一种气液旋流器离心式分离器。
该分离器可用于将气体和液体分离，并具有高效率和可靠性。
设计原理气液旋流器离心式分离器基于离心力和旋流效应来实现气体和液体的分离。
当气体和液体混合进入分离器时，它们会在旋流器中形成旋转流动。
由于离心力的作用，液体会向外运动，被收集在分离器的外部。
而气体则沿着分离器的中心轴进一步向上排出。
设计要素1. 旋流器尺寸旋流器的尺寸是设计中的关键要素。
尺寸过小可能会导致分离效率降低，而尺寸过大则增加了设备的造价和能耗。
根据实际需求和操作参数，确定合适的旋流器尺寸。
2. 进出口形状和位置进出口的形状和位置会影响气体和液体在旋流器中的流动。
合理设计进出口形状和位置，可以提高分离效率和减少能耗。
需要根据具体情况选择最佳的进出口设计。
3. 分离器材料分离器的材料应具有良好的耐腐蚀性和耐压性能，以确保长期稳定运行并避免材料损坏。
根据分离介质的特性选择合适的材料，例如不锈钢、聚合物等。
4. 出口管道设计出口管道的设计对于分离效果和气体排放起着重要作用。
必须确保出口管道与旋流器的连接处无泄漏，并能够有效排出气体。
设计步骤1. 确定分离器的工作条件和需求。
2. 根据工作条件和需求，选择合适的旋流器尺寸和材料。
3. 设计进出口形状和位置，确保流动性和分离效果。
4. 设计出口管道，确保无泄漏和顺畅排出气体。
5. 检查设计是否符合安全和环保要求。
6. 制作设计图纸和说明文档，并提交给相关部门进行评审。
结论气液旋流器离心式分离器是一种高效率和可靠性的气液分离设备。
通过合理的设计和选择适当的工艺参数，可以实现高效的气液分离和能源节约。
在设计过程中，需要考虑旋流器尺寸、进出口形状、分离器材料和出口管道等要素。
最终的设计应符合安全和环保要求，并通过评审批准后开始制造。
气液旋流分离技术应用研究进展
2021年第49卷第1期—102 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERYV油气田开发工程A气液旋流分离技术应用研究进展”蔡禄1孙治谦1朱丽云1王旱祥2王振波1(1.中国石油大学(华东)新能源学院2.中国石油大学(华东)机电工程学院)蔡禄，孙治谦，朱丽云，等.气液旋流分离技术应用研究进展.石油机械，2021, 49 (1)： 102-109.摘要：气液旋流分离设备具有分离效率高、体积小及工作稳定等优点，在油田开发、天然气 开采、油气输送和压缩空气净化处理等领域得到了广泛应用。
油田开发中，常用的气驱技术能够提高采出率，但油井气液比会增大，油气分离技术要求日趋严苛。
对气液旋流分离设备的分离原理及国内外研究现状进行了简要介绍，阐述了分离性能的优化方法，分析了理论研究的不足。
研 究结果发现：气液旋流分离设备的分离性能受其结构参数、操作参数以及流体物性参数等因素的影响。
国内外学者为提高分离效率采取了改进外部结构和内部流场的措施，为进一步提升工业生 产效率提供了可能。
随着气液旋流分离技术应用领域的不断拓宽，旋流器及内部流场的定量数值研究对工程应用具有重要意义。
研究内容可为气液旋流分离器的设计与应用提供指导。
关键词：气液两相流；分离；旋流器；优化；研究进展中图分类号：TE934 文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 01. 015Application and Research Progress of Gas-LiquidCyclone Separation TechnologyCai Lu 1 Sun Zhiqian 1 Zhu Liyun 1 Wang Hanxiang 2 Wang Zhenbo 1(1. School of N ew Energy , China University of P etroleum (Huadong) ； 2. School of M echanical and Electrical Engineering, ChinaUniversity of Petroleum ^Huadong) )Abstract : Thanks to the remarkable advantages of high separation efficiency , small size and stable operation ,gas-liquid cyclone separation equipment has been widely used in oilfield development , natural gas exploitation , oil and gas transportation , compressed air purification and other fields. In the field of oilfield development , the com monly used gas flooding technology can improve the recovery rate , but the gas/liquid ratio of oil well will increase , so the requirements on oil and gas separation technologies are increasingly strict. In this paper, the separation prin ciple of gas-liquid cyclone separation equipment and the research status at home and abroad are briefly introduced. In addition , the methods for optimizing the separation performance are described and the shortages in theoretical studies are analyzed. The results show that the separation performance of gas-liquid cyclone separation equipment is affected by its structure parameters , operation parameters and fluid physical parameters. In order to improve the separation efficiency , domestic and foreign scholars have taken effective measures to improve the external structureand internal flow field, which provides many possibilities for the improvement of industrial production efficiency. With the development of the application field of gas-liquid cyclone separation , the quantitative numerical study oncyclone and its internal flow field is of increasingly important guiding significance to engineering application. Theresearch results can provide the guidance for the design of gas-liquid cyclone separator.Keywords : gas-liquid two-phase flow; separation ； cyclone ; optimization ； research progress*基金项目：中石油重大科技项目“天然气水合物开采气液分离技术及配套装置研究”(ZD2019-184-004)。
气携式水力旋流器分离性能试验
器 的分离效率均可达到 ９ 以上 ， ５ 是较 为理想 的注气形式．
关 键 词： 注气 ； 水处理 ；油一气复合体 ｝旋流分离 ； 气携
文献标识码 ： Ａ 中围 分 类 号 ： ９ ２ ２ ＴＥ ９ ．
．
文章 螭 号 ：０ ０—１９ （０ ６ ０ 一０ ５ １０ ８ Ｉ２ ０ ） Ｉ ０ ３—０ ４
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大
庆
石
油
学
院
学
报
第３ ０卷
Ｖｏ ．３ １ Ｏ
第１ 期
Ｎｏ １ ．
２０ ０ ６年 ２月
Ｆ ｂ ２ ０ ｅ． ０６
Ｊ ＯｕＲＮＡＩ ＯＦ Ｄ ＡＱＩ Ｇ Ｅ ＲＯＬ ＵＭ ＮＳ Ｔ Ｎ Ｐ Ｔ Ｅ Ｉ ＴＩ ＵＴＥ
机 的不 同位置上 开 ４个 注气孔 ， 径 为 ｌｍｍ， 孔 分别 位于 旋 流器 的大 锥段 （ １
气体密 度在 油 一气 一水三相 中最 小 ， 在注气 条件 下 ， 当气 体进 入 水 力旋 流 器 后 ， 有 一部 分 进 入 旋流 会
器 的核 心处 ， 最终 由溢 流 口排 出． 在此 过程 中 ， 如果 气 泡粒径 适 当 ， 将会 携带 油滴 ， 成油 一气 复合 体 ， 而 形 从 加速 油滴 的运 移 过程 ， 同时 也将 粒径微 小 、 以分 离 的油滴 带 入 核心 处 ， 现气 浮 选 和 旋 流分 离 的协 同效 难 实
油一气复合体 ， 在离心力的作用下， 泡将携带油滴运移至核心处 ， 气 完成气 浮选和旋流分 离的协 同效应 ， 从而实 现油水高 效分离． 试验结果表明 ： 采用注气方法可改善水力旋流器的分离效果， 但空气压缩机单 点注气破坏 流场的稳定 ， 旋流器分
内锥式三相旋流分离器分离性能研究
图 ５ 压 力损 失 分 布 曲 线
为油 田生产 中必不可 少的工 艺作业 。 目前 ， 在脱 气除砂 的处理 方面 ， 通常还 是使用 两级分离 的方法 ， 即两 种杂质 分别进 行分离 ： 除砂
流 口呈倒锥 形 与简 体连 接 ， 端有 一 切 向 的侧 向 下 出砂 口， 简 体 内部 有 一锥 形 空心 体 （ 作 内锥 在 称 或倒 锥 ） 锥体 内的空 腔称 为 内锥 腔 ， ， 腔壁 上 均匀 排布 若干排 液孔 ， 内锥 腔下 端连接 底流管 。
摘 要 采 用 Ｆ ｕ ｎ 软 件 对 内锥 式 三相 旋流 分 离 器的 内部 流 场 进 行 模 拟 研 究 ， 析 了分 离器 的 分 离机 ｌｅ ｔ 分
理 ， 理 论 方 面 验 证 了使 用该 分 离 器对 气液 固三相 进 行 分 离的 可行 性 。此 外 ， 过 室 内 实验 研 究 明确 了 在 通 不 同操 作参 数 （ 包括 入 口流 量 、 气液 比 和 分 流 比 ） 分 离 效 果 的 影 响 ， 总 结 出 了 该 结 构 尺 寸 分 离 器 的 对 并
最佳 操 作 参 数 范 围。
关键 词
旋 流 分 离器 内锥 式 三 相 分 离 脱 气
ＴＱ ５ ． ４ ０ １８ 文 献 标 识 码 Ａ
除砂
文章编号 ０ ５ —０ ４（ ０ ） ４ ｏ ３ －６ ２ ４６ ９ ２ １ Ｏ －４ ４ ｏ １
中 圈分 类 号
油 田采出液 中通 常含 有 大量 的水 、 天然 气 及 细砂 等杂 质 … ， 其 随着 油 田开 采 的 不 断 深人 ， 尤 杂质 含量也 逐渐增 多 。这 些杂质 的存在 不仅增 大
单点注气液-液旋流器分离效率的实验研究
实验 内容及分析
１ ．实验条 件
实验是在改造后的旋流分离技术研究专用实验 台上完成的。实验台主要包括 ３部分 ：一是增压系 统 ，包括增压泵、空气压缩机 、注油泵等 ；二是计
图 １ 注 气与 未注气的对 比数据
量系统 ， 包括各种压力及流量计量仪表 ；三是测试
系统 ，用于对旋流器样机进行各种测试。此外 ，还 包括原水箱、高压软管等附属设施 。实验选用的空 气压缩机的最大排气量为 ３６Ｌ ｍｎ ． ／ ｉ，最高压力为
３ 流体 注气 实验 ．旋
旋流器单孔注气样机照片见图 ２ 。
１２Ｍ ａ ． Ｐ 。实验中调定其稳压值为 ０ ８Ｍ ａ ． Ｐ 。
样机采用透明有机玻璃材料制成。根据相似理 论设计 了样机 ，主直径为 ２ ｍ，设计处理能力为 ４ｍ ３８— ． ’ｈ ． ４ ２ｍ ／ 。旋流 腔 长度 为 ４ １ ，大 锥 角 ８ １１ １１ １
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石
油
机
械
Ｃ ＩＡＰ Ｔ Ｏ Ｅ ＭＭ Ｃ ＩＥ Ｙ ＨＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ａ ＨＮ Ｒ
●试 验研 究
２０ ０６年
第３ ４卷
第 ８期
单 点 注气 液一 液旋 流 器 分 离 效 率 的实 验研 究
赵立新 蒋 明虎２ 刘 书孟。
ｐ ——密度 ，其 中下标 ０代表油相 ， 代表
水相 。
技术也得到了长足的发展 ，然而对原水含油质量浓 度的适应范围偏小 （０～ ５ ｇＬ ，处理效率也 ４ １０ｍ ／ ）
当气体进入旋流器 内部之后 ，部分气泡直接迅 速运移到旋流器中心 ，而其它气泡则与旋流器 内部 的一些油滴结合成油－ 气复合体。油－ 气复合体与水 间的密度差势必比油滴在捕获前与水间的密度差要 大，因而推动油滴 向旋流器 中心运移。另一方面 ， 形成油－ 气复合体后 ，相当于使 油滴粒径 ｄ 变大 ， 。
异形排气口结构对轴流式气液旋流分离器性能的影响
ｄ＝ ０ ６
（ ） 渐扩 口 １ ａ
（ ） 渐扩 口 ２ ｂ
（ ） 渐扩 口３ 双层 ０ ５ ｃ （ ．）
（ ） 渐扩 口４ ｄ
（ ） 渐扩 口 ５ 双层 １５ （） 渐扩 口 ６ （ ） 渐扩 Ｖ ７ 双层 １５ 溢流管 内加反 向叶片） （ ） 渐扩 口 ８ ｅ （ ．） ｆ ｇ Ｉ（ ．， ｈ
２０ 年第 ３ 卷第 １ ０８ ６ ０期
文章编号 ： １０ －０ ２ （０ ８ —Ｏ ｏ —０ ０５－ ３ ９ ２ ０ ｌ ０ ５ ３ － ＪＯ
流 体 机 械
５
异形任相 军 。 金有海
（ 中国石油大学 ， 山东东营 摘 ２７ ６ ） ５０ １
锥角 （ ） 。 锥段下加喇叭 口 （ ） 。
入 口浓度 Ｃ （／ ｉｇｍ ） 流量 Ｑ ｍ ／ ） （ ｈ 柱段长度 Ｈ ｍ （ ｍ）
ｌ ５ ６ ｏ
１ ０～１０ ３ ４ ５～１５ ０ ６０ ０
条件下对效率和压 降的影响， 找出其 中较优 的结 构。
溢 流 口结 构形式 如 图 ２所示 。
要： 旋流器溢流芯管的排气 口结构对短路流和分离性能具有较 大影响 ， 试验考察 了八种不 同异形排气 口结 构对轴
流式气液旋流分离器的性能影 响 ， 了其中最优排气 口结构 ， 找出 并进行 了初步 的理论分析 。 关键词 ： 排气 口结构 ； 旋流分离器 ； 气液分离 ； 分离效率 ； 降 压
２ 实 验装置 及 内容
２ １ 实验 装 置 ．
试验装 置如 图 １ 所示 。整个 装置 由供风 系 统、 进液雾化系统 、 分离系统和测量系统 ４部分组 成。试验采用负压系统 ， 供风系统采用抽风机 ， 试
收稿 日期 ： ２ｏ —ｏ —ｏ ０８ ４ ７
导叶式气液旋流分离器试验研究
２０ 年第 ３ 卷第 ３ ０６ ４ 期
流体机来自械 ７ 导叶式气液旋 流分 离器试验研究
王振波， 金有海
（ 中国石 油大学 （ 华东） 山东东营 ２ ７６ ） ， ５０ １ 摘 要 ： 根据气井井下工况特点设计 了一种直径为 ５ｍ ０ ｍ的新 型导叶式气液旋 流分离器 ， 并进 行了模拟 分离试验 。试
气液旋流分离器是井下气液分离系统的关键 设备 ， 其主要是利用离心力来分离气流 中的液滴 （ 见图 １ 。气液两相流沿轴 向进入 分离器 ， 导 ） 在 向叶片的作用下在分离器内作三维螺旋运动。由 于气 、 液流的密度差异 ， 密度较大的液滴在离心力 的作用下向外迁移至分离器外壁 ， 在重力 和气流 的带动下 向下运动 ， 经圆锥体底部的底流口排 出； 而密度较小的气体 则向内迁移 ， 经上部溢 流 口排 出。从而实现了气 、 液两相的分离。
溢流管
透率降低 ；３可能造成水封 闭气， （） 降低最终采收 率。
井下空间环境呈狭长结构 ， 对分离装置的空 间结构布局具有很大限制， 要求分离装置整体上 大致呈直线形结构。而传统的切入式旋流器 的料 液人 口与旋流器轴线成垂直 的二维布局， 旁通管
的存在使得井下坐封技术难度加大， 加工制造 、 起 下作业工艺十分困难…。针对这一问题 ， 本文设
ｗ ｓ ａ ｉ ｒ ｇ ． ｈ ｆｃ ａｏ ｔ ｕｅ ａｇ ｇｉ ｎ ｄａｇｅ ｆ ｏｅ ａ ｅ ｓ ｕｅ ｖｌ ｉ ｆ Ｌ ｅ ａｅ ｄｌ — ａ ｒｅ ｔ ｏ ｈ Ｔｅｅｅｔｔ ｔｆｈ ｏｔｔｎｌ ｏｕ ｄ ｖ ｅａ ｌ ｏＣｎ ， ｓ ｌａ ｔｔ ｅ ｃ ｙ ｌ ｎｓ ｑ ｃ ｒｄｈ ｕ ｓ ｈ ｅ ｌ ｅ ｆ ｅ ａ ｎ ｎ ｗ ｌ ｏ ｌ ｏ ｔ ｏ ｇｉ ｖ ｄ ｎ ａ ｉ
旋流分离理论在气-液分离器设计中的应用
措施 ， 从 而 为 气液 、 气 固分 离器设 计提 供 了 重要 的理 论 基 础 ， 使 二 相 流 分 离 器的 效 率 得 到 提 高 。 关键词 ： 旋 流 分 离原 理 ； 性能； 结 构 设 计
（ ３ ） 操作 弹性 较 大 ， 性 能 稳定 ， 不受温度、 浓 度 的 限制 。
在这三种情况下流体 中运动中才能形成旋流。 １ ． ２ 旋 流分 离原 理
口进入分离器 时 ， 由直线运动转化为圆周运动 ， 旋转 的气流绝大部分沿器壁 自筒体呈螺旋形 向下朝锥体
旋流分离的原理为 ：气流 以一定 的速度 由进气 ２ 影 响气 一液分 离器 性能指标 的因素
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ， ２ ０ １ ３
旋流分 离理 论在气 一液分 离器设计 中的应 用
宋 杰
（ 新航集团设计一所 ， 河南 新乡 ４ ５ ３ ０ ４ ９ ）
称为半 自由旋流区 Ⅱ， 其切 向速度分布规律为 ： ｒ ＝常数 （ ２ ） 其 中， ｎ为速度分布指数（ 一般取 ０ ． ５ ０ ． ９ ｇ ／ ｍ ３ ；
为流速 ， ｍ ／ ｓ 。
径向速度是影 响分离器性 能的重要 因素 。约在 ｒ ｏ 为溢流管半径 ， ｍ 。 旋流器有效高度 中点径向速度 ， 为零的点称为分界 ２ ． ２ 分 离效 率 分析 点， 在分界点上部径 向速度方向指 向筒壁 ， 形成外 向 产 品的分离效率 与介质在旋 流器 内的速度分布 流 ；在分界点 以下速度方 向指向旋流器中心形成 内 及压力分布密切相关 。 旋流。在 内旋流作用下使要分离的介质 由外 向内推 ２ ． ２ ． １ 流场 中气 流 的速度 分 布 阻止分离物的沉降 ， 所 以， 径 向速度越 由于旋流器 内流体 的运动是一种复杂的三元空 至漩 涡中心 ， 分离器的分离能力越差 。 间的螺旋运动 ，其 内部任一点 的速度可分为切向速 大 ，
油-水-气三相旋流器分离验证及气-液腔结构优化
油-水-气三相旋流器分离验证及气-液腔结构优化郑小涛;龚程;徐红波;喻九阳;林纬;徐成【摘要】采用Fluent软件数值模拟了新型油-水-气三相旋流器的分离性能，并以分离效率为目标函数对气-液分离腔主要尺寸进行了优化设计。
结果表明，该型油-水-气三相旋流器在油滴与气泡直径为50μm时具有最优的分离效率，且其气泡迁移效率较油滴迁移效率高．当气泡直径为50μm时，气-液分离效率达到99％以上；当气泡直径小于40μm时，气-液分离效率随直径的减小显著下降；当气泡直径小于10μm时，气-液分离效率趋近于零．经对比分析建立了溢流口直径与分流比的线性关系式，且得到优选后气-液分离腔最优主要结构尺寸：分离腔长度203mm，分离腔直径60mm，溢流口插入长度20mm．%The Fluent was adopted to simulate the separation performance of the new oil-water-gas cy-clone ,and the separation efficiency was regarded as a objective function to optimally design the main si-zes of the gas-liquid separation chamber .The results show that the separation performance of the oil-gas-water cyclone is best when the diameters of oil droplets and bubbles are 50um ,and the migration efficiency of bubbles is better than that of oil droplets .The gas-liquid separation efficiency is over 99%when the bubble size is 50um ;the gas-liquid separation efficiency decreases obviously with the bubble diameters reducing w hen the bubble size is less than40um ;the gas-liquid separation efficiency approa-ches to zero when the bubble size is less than 10um .Through the comparative analysis ,the linear rela-tion betw een the diameter of overflow and the split ratio w as established ,and the optimum sizes of the main structure of the gas-liquidseparation chamber are 203mm of length ,60mm of diameter and 20mm of insert length .【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】5页(P37-41)【关键词】油水气分离;数值模拟;优化设计【作者】郑小涛;龚程;徐红波;喻九阳;林纬;徐成【作者单位】化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广东广州510470;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205;化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室武汉工程大学，湖北武汉430205【正文语种】中文【中图分类】TE991.20 引言油-水-气三相旋流分离与水力旋流分离器的原理相同，都是利用高速旋转流体产生的离心力使存在密度差互不相容的两相产生分离.油-水-气三相旋流分离技术主要涉及到气-液旋流分离技术和液-液旋流分离技术.常用的气-液旋流分离器主要有管柱式气-液分离旋流器[1]、旋流板式气-液分离旋流器[2]、轴流式气-液分离旋流器[3]、内锥式气-液旋流分离器[4]以及螺旋片导流式气-液分离旋流器[5].液-液旋流分离技术前人已经有较深入的研究，笔者依据气-液旋流分离理论和液-液旋流分离的理论，将两种分离技术相结合，设计出一种油-水-气三相旋流分离器[6].采用CFD技术，能够对新型油水旋流分离器进行分离验证及优化设计.1 建立模型图1为油-水-气三相旋流分离器的模型图，其设计的基本原理在于油-水-气三相混合液体由油-水-气三相旋流分离器入口以一定的速度切向进入气-液分离腔，混合流体在旋流腔内部做高速旋流运动，旋流运动所产生的离心力使比油和水密度小得多的气体聚集在气-液分离器腔内部的锥体壁面处，由于径向压力的挤压和锥角向上的推力，使得气体向气相出口溢出，完成气-液分离过程.完成气-液分离的油水混合物，由于气-液分离腔的底部的截面积变小，仍保持较高的速度由螺旋导管进入液-液旋流分离腔，其分离原理和文献[7]研究的油-水分离原理相同.图1 油-水-气三相旋流分离器模型图Fig.1 The model of oil-water-gas three phase cyclone图2为将油-水-气三相旋流分离器气-液分离腔与液-液分离腔的拆分图，其中液-液旋流分离腔采用双锥液-液旋流分离器，其初始计算尺寸如表1所示.图2 气-液分离腔与液-液分离腔计算模型图Fig.2 The model of gas-liquid separation chamber and liquid-liquid separation chamber表1 油-水-气三相旋流分离初始尺寸表Table 1 The parameters of oil-water-gas three phase cyclone符号尺寸符号尺寸Lg/mm230Lc/mm40Dg/mm60D/mm40Dgo/mm30α/(mm)20Li/mm10β/(m m)4DtiDs/mm10DiDu/mm5Di/mm7Lci/mm102 油-水-气三相分离验证油-水-气三相物理性质如表2所示，为验证三相旋流分离器分离的可行性，油相和气相均采用适中粒径50 μm.表2 油-水-气三相物理性质Table 2 The properties of oil water and gas项目密度/(kg·m⁃3)粘度/cP粒径/μm体积比/%入口速度/(m·s⁃1)油8503．3250510水998．21．003-7510气0．66970．***********采用数值模拟方法，将模型导入Fluent软件中，设置相关边界条件[8]和介质物理性质，验证此油-水-气三相旋流分离器气-液分离的可行性.液-液分离腔的入口初始条件为气-液分离腔出口条件，其速度和含油浓度与气-液分离器出口相一致.图3 油-水-气三相体积分数分布云图Fig.3 The volume fraction contour of oil water and gas图3为三相介质的体积分数分布云图，由图3可知水相进入气-液分离腔后沿着壁面向下聚集，气-液分离腔中圆筒壁面附近和底部的水相浓度为90%以上，证明90%以上的水-油混合液经底流口排除；油相的体积分数分布云图与水相一致，几乎全部由液相底流口排除，油滴进入液-液分离腔后，与水进行油水两相分离，分离过程与普通油水旋流分离器相一致.而气相的分布与油相和水相相反，气体进入气-液分离腔后向中心聚集，其中气相溢流口浓度最高，并沿着锥角向上聚集.油-水-气三相的体积分布说明了气-液旋流腔中的气液分离成功，其中油和水由底流口排除，而气体由溢流口排除，实现了气-液分离，同时也验证了新型油-水-气三相旋流分离器的可行性.图4为入口速度为10 m/s时的气-液旋流分离的气体迁移效率图，也就是不同粒径气泡的分离效率.由图4可知气-液分离相对液-液分离来说更为简单.当气泡粒径为50 μm时，分离效率就能够达到99%以上，当气泡粒径小于40 μm时，分离效率开始下降，小于30 μm时急剧下降，当气泡粒径小于10 μm时，分离效率几乎为零.气体的迁移效率不仅能够反映出旋流分离器对气体的分离能力，而且能够对数值模拟研究和实验研究气泡粒径的选择有一定的指导意义.图4 气体迁移效率分布图Fig.4 The migration efficiency of gas注：gas3 气-液分离腔优化设计油-水-气三相旋流分离器涉及气-液分离和液-液分离两个过程，而液-液旋流分离器众多学者已经对其进行了充分的研究与优化设计[7].本文将采用CFD技术对新型油-水-气三相旋流分离器中的气-液分离腔进行优化设计，以达到提高分离性能的目的.图5为不同气-液旋流腔长度下气-液分离的迁移效率对比图，由图5可知，旋流腔长度对气泡的分离效率有一定的影响，其中特别在粒径区间为20～40 μm之间.在此区间，随着旋流腔长度的增加，分离效率逐渐增大，当Lg=203 mm时分离效率最高，这是由于随着旋流腔长度的增加，气泡停留时间增加，气相在中心聚集的浓度增加，因此分离效率也提高；当旋流腔长度进一步增大时，分离效率降低，当Lg=230 mm分离效率最低，这是由于旋流器长度的增加，切向速度减小，并且较长的旋流器会导致大量的循环涡流存在，影响气泡的分离，降低分离效率.图5 不同气-液旋流分离腔长度下迁移效率对比图Fig.5 The migration efficiency of different gas-liquid cyclone separation chamber lengths注：图6为不同气-液旋流腔长度下的压降对比图，由图6可知底流口压力降随着旋流腔长度增加而增加，这是由于当旋流腔长度增大后，流体在气-液旋流腔的停留时间增加，导致底流口排除的流体能量损失过多，压力降增大，而溢流口的压力降随着气-液旋流腔的长度增加而减小，并且减小的梯度与溢流口增加的梯度相接近.综合分离效率和压降分析，气-液旋流腔长度Lg选择为203 mm.图6 不同气-液旋流分离腔长度下压降对比图Fig.6 The pressure drop of different gas-liquid cyclone separation chamber lengths注：图7为不同气-液旋流分离腔直径下的气相迁移效率对比图，由图7可知,Dg对分离效率有一定的影响，其中Dg为60 mm时分离效率最高，并随着分离腔直径的增大而降低.在气泡粒径为25 μm至40 μm区间，分离腔直径每增大10 mm，分离效率评价下降10%左右.因此直径较小的气-液旋流分离腔有助于小粒径的气泡分离.图7 不同气-液旋流分离腔直径下迁移效率对比图Fig.7 The migration efficiency of different gas-liquid cyclone separation chamber diameters注：图8为不同气-液旋流分离器直径下压降对比图，由图8可知随着分离腔直径的增大，底流口和溢流口的压力降都降低.由于当旋流腔直径增大后，流体切向速度减小，造成湍动能耗散率减小，从而导致分离效率降低和压力降降低.综合分析，将选择气-液旋流分离腔直径Dg为60 mm.图8 不同气-液旋流分离腔直径下压降对比图Fig.8 The pressure drop of different gas-liquid cyclone separation chamber diameters注：图9为溢流口直径和分流比关系，其中Fo为溢流口分流比.由图9可知，分流比与溢流口直径呈线性关系，最小分流比为16%，最大为25%.分流比的确定对入口含气浓度和分离效率有着重要的影响.本文中初始条件入口含气体积分数为20%，因此选择分流比为20%的溢流口直径30 mm.图9 溢流口直径与分流比关系Fig.9 The relationship between the overflow diameter and the split ratio图10为不同溢流口插入长度Lci下的迁移效率对比图，由于Lci对分离效率的影响很小，在大尺度气泡粒径下分离效率影响不明显，因此选择粒径为18～28 μm 区间进行分析.由对比图可知，当Lci为20 mm时分离效率最高，Lci为30 mm 时分离效率最低.图10 不同溢流口插入长度下迁移效率对比图Fig.10 The migration efficiency of different overflow insert depths注：4 结语设计了新型的油-水-气三相旋流分离器，并进行了可行性验证和优化设计，得到以下结论：a. 通过数值模拟计算方法，证明了油-水-气三相旋流分离器分离的可行性，并且得到了其气体的迁移效率.当气泡粒径为50 μm时，分离效率就能够达到99%以上，当气泡粒径小于40 μm时，分离效率开始下降，并当气泡粒径小于10 μm时，分离效率几乎为零.b. 对气-液分离腔的相关关键尺寸进行优选设计，得到其最佳气液旋流腔长度为203 mm，最佳气-液旋流分离腔直径为60 mm，最佳溢流口插入长度为20 mm；并且得到了溢流口直径与分流比之间的关系式 .致谢本文研究工作得到了湖北省自然科学基金项目(2012FFB04707)、武汉工程大学研究生教育创新基金项目(CX2013080)和武汉工程大学科学研究基金项目资助，在此一并表示衷心感谢.参考文献:[1] 曹学文,林宗虎,黄庆宣,等．新型管柱式气液旋流分离器[J]．天然气工业,2002，22 (2)：71-75.CAO Xue-wen, LIN Zong-hu, HUANG Qing-xuan, et al. 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导叶角度对轴流式气液旋流器分离性能的影响
成 。空气压 缩机 提供 的压 缩空 气与 液体计 量 泵提供 的液体 同时 进入 内混 式双 流体 喷嘴 ，液体 在压 缩空 气 作用 下通 过喷 嘴实 现雾 化 。
试 验 压 缩 空 气 压 力 控 制 在 ０ ２ ａ ． １ＭＰ ，压 缩 空
气 流量 为 ５Ｉ ／ 。试 验 前 采 用 激 光 烟 雾 粒 度 分 析 Ｉ ｈ Ｔ
备并 产生 强烈 的旋 流 ，气液 两 相 由于重 力和 离心 力 的综合 作用 ，液 体 被 驱 向筒 壁 并 向下 进入 集 液 室 ， 气体 沿径 向 向旋 流器 的 中心流 动形成 反转 气 流从顶 部排气 管排 出。其 突 出优点 是 分离效 率 较高 ，但 由 于流体 高度 湍流并 处 于不稳 定状 态 ，导致 较大 的压 力损失 。 而轴 流 式 气 液 旋 流 器 多 相 流轴 向进 入 导 叶 ，旋 转流 由导 向 叶片产生 ，由于多 相流 与导 向叶 片 的摩擦 能量 消 耗 较 小 ，从 而 使 主气 流 保 持 稳 定 ，
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石 油
机
械
２０ ０ ８年
第３ ６卷
第 ２期
Ｃ ＮＡ ＨＩ ＰＥＴ ＲＯＬ ＥＵＭ ＭＡＣ ＩＮＥＲＹ ＩＩ
．试 验 研 究 ．
导 叶 角 度 对 轴 流 式 气 液 旋 流 器 分 离 性 能 的 影 响
金 向红 金 有 海 王振 波 王建 军
一
定 时 ，轴 流 式旋流 器 的压力 降 随着导 叶角度 的增 大 而 降低 。研 究还 发现 旋 流器 分 离 的临界 速 度
受 气体含 液 浓度 影 响不大 ，主 要 受旋 流器 结 构尺 寸 的影 响 ，对 于 一定 的导 叶角 度 ，分 离器 的压 力 降 随着流速 的增 加呈 抛物 线上 升 ，与局 部压 降公 式 吻合 。 关键 词 轴流 式气液旋 流 器 导 叶 出 口角度 分 离 效率 压 降损 失
气液旋流器旋流式分离器设计
气液旋流器旋流式分离器设计气液旋流器（Cyclone Separator）是一种常用的分离设备，适用于气体与液体或固体的分离。
它利用气体流体在旋转中的离心力，将气体中的液体或固体从气体中分离出来。
气液旋流器旋流式分离器设计的目的是提高分离效率和设备性能。
下面将详细介绍气液旋流器昂旋流式分离器的设计要点和设计原理。
1.几何形状：旋流器通常采用圆柱形状，顶部有一个圆锥形状的缓冲区。
这样设计可以提供旋转气流的平滑过渡，减少液体或固体的旋转速度。
2.尺寸：旋流器的尺寸是根据处理流量和所需的分离效率来确定的。
一般来说，较大的旋流器具有较高的分离效率，但也会增加设备的体积和成本。
3.进口和出口：旋流器的进口和出口尺寸和形状对于分离效率至关重要。
进口应该设计为旋转气流的平滑流入，出口应该设计为旋转气流的平滑流出，以避免液体或固体携带入气体中。
4.材料选择：旋流器的材料应该选用耐腐蚀性能好的材料，以适应处理流体的化学性质。
常见的材料有不锈钢、碳钢和聚合物等。
1.旋流效应：气液旋流器中的气体流体在旋转中会产生离心力，使得液体或固体被迅速分离出来。
离心力使得较重的物质靠近旋流器的外壁，而较轻的物质则靠近旋流器的中心。
2.颗粒沉降：在旋流器中，重的颗粒由于离心力的作用会沿着旋流器的壁面下降，并最终被固定在旋流器的底部。
而轻的颗粒则会顺着气流带到旋流器的顶部，再由出口排除。
3.液体回流：在旋流器的底部，设计了一个缓冲区，使得分离的液体可以回流到旋流器的底部，并进一步沉淀下来。
这样可以避免液体随着气流流出旋流器，提高分离效率。
总之，气液旋流器旋流式分离器的设计要点包括几何形状、尺寸、进口和出口设计以及材料选择。
其设计原理是利用旋转气流产生的离心力实现气体与液体或固体的分离。
通过合理的设计和选择适当的操作条件，可以提高气液旋流器旋流式分离器的分离效率和设备性能。
旋流曝气器技术参数
旋流曝气器技术参数旋流曝气器是一种常用于废水、污水处理的气液分离设备，其主要工作原理是将液体通过旋流器受到剧烈的涡流作用，使其中的气体分离出来后被曝气器进行进一步处理。
以下是旋流曝气器的技术参数详解。
1. 设备尺寸旋流曝气器的大小和尺寸直接影响其处理能力和效率，通常根据处理规模和流量选择相应的设备尺寸。
比如，一台小型的旋流曝气器通常具有直径在10~20cm之间，而大型的设备则可能达到1.5m或更大。
2. 曝气量曝气量是旋流曝气器的重要技术参数之一，它决定了设备对废水进行氧化处理的能力。
曝气量的大小可以通过调整设备内的曝气器数量、气体压力、曝气孔的大小等方面进行控制，一般来说，曝气量越大，处理能力越强。
3. 流量处理能力流量处理能力是旋流曝气器重要的性能指标，它描述设备在一定时间内可以处理的水量大小。
流量处理能力受到多种因素影响，如进水水质、曝气量和设备尺寸等。
通常，流量处理能力可以通过设计和实验测试进行验证和确认。
4. 进水COD进水COD（化学需氧量）是衡量废水水质的一个重要参数，它直接影响着旋流曝气器的处理效果。
通常，进水COD较高时，曝气器需要增加曝气量和周期，同时也需要加强回流调节，以保证处理效应达标。
5. 水温和PH值水温和PH值也会影响旋流曝气器的处理效果，它们对水体生物活性和生物代谢的影响相对较大。
因此，在设计和运作过程中，需要考虑进水水温和PH值的变化规律，以调节设备的操作参数和曝气量进行优化处理。
总之，旋流曝气器是废水和污水处理中常用的重要设备之一，其技术参数涉及设备尺寸、曝气量、流量处理能力、进水COD、水温和PH值等多个方面，需要在设计、安装和运作过程中仔细考量和优化，以保证运行效率和处理效果。
液-固(气)旋流器分离性能分析及环保工程应用
Ⅲ
。
Ｈ 量
图 １ 旋 流器切向速度分布
Ｆ ｇ １ Ｔ ｎ ｅ ｔ ｌｖ ｌｃｔ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｉ ． ａ ｇ ｎｉ ｅｏ ｉ ｄ ｓ ｕ ｉ ａ ｙ ｉ ｒ ｏ
ｌ 液 一固（ ） 流器 的流场显示 气 旋
．
模 型试 验 选 用 ＋ ０ ｍ 旋 流 分 离 器 的 模 型 ， ５０ｍ
基金项 目：广东省 自然科学基金资助项 目 （ ８３ ３ ；广东 省环保科 技研究 开发项 目 （ ９０４ ） 粤环 １９ ９ ９—１ ） ３
作者简介 ：张作萍 （９ ０年生） １７ ，男 ，高级 工程师 ；通讯联 系人 ：陈海 ；Ｅｍａ ：ｃｅｈｉ ａ ．ｙｕ ｅｕ ｃ － ｉ ｈ ｎａ＠ｍ ｉ ｓｓ． ｄ ．ｎ ｌ ｌ
图 ２ 截 面 Ａ—Ａ切 向速度流线示意 图
Ｆ ｇ ２ Ｔ ｎ ｅ ｔａ ｅｏ ｉ ｆ —Ａ ｅ ｔ ｎ ｉ ． ａ ｇ ｎ ｉｌｖ ｌｃｔ ｏ ｙ Ａ ｓ ｃｉ ｏ
图 １， ） 模型沿高度方 向分成四个截面：Ｉ Ｉ Ⅱ Ⅱ —， 一 ，
收 稿 日期 ：２０ ０ ７—１ 一 １ １ Ｏ
的颗粒 直径 和分 离效率。通过实验方法揭示液 一固 （ ）旋 流器流体运 动的规律 ，最 后给 出废气治 理工程 的实 气
例 ，并讨论 其在 环境 保护领域 中的应用前景 。
关 键词 ：液 一固 （ 气）旋流；分离器 ； 速度；流线 ； 压力 ； 分离粒径
中 图分类 号 ：Ｔ １ 文 献标 识码 ：Ａ Ｈ２ 文章编 号 ： ５９６７ ２０ ）０ － ４－ ０２－ ９（０８ ３ ０ １ ６ ５ ０ ０
Ⅲ 一Ⅲ Ａ—Ａ，前三个截 面 在不 同 的方 位如 ［。 、 及 ０ ］ ［０ ］ ［８。 、 ［７ 。 ９。 、 １０ ］ ２０ ］和 不 同的径 深上测得 其 切
直流多管式旋流分离器的分离性能实验研究
实验 过程 中 阻力 特 性 由 ｕ形 管 压 差 计 对 分
弯头式 气 液 分 离 器 有 一 定 的 惯 性 预 分 离 作
分离能 力 的直流 多管式 旋流 分离 器 。
１ 直 流 多 管 式 旋 流 分 离 器 的 结 构 设 计
笔者 提 出的直 流多管式 旋 流分Байду номын сангаас 器 是在 直流
式旋 流器 为主要 分 离 技 术 的基 础 上 ， 合 其 他 的 结
辅助 分离 技术 ， 以达 到预期 目的 的设 备 。 １ １ 旋流 分离 部分 ． 主要 的旋 流分 离部 分 由 ６根直 流式 单管 均 布 并联 放置 在 直径 为 ６ ０ ｍ 的分离 器 内 ， 单 管 结 ０ｒ ａ 其 构 是在文 献 调研 和实验 室前 期研 究 的基础 上完 成 的， 内径 １０ ０ ｍｍ， ８个 导 叶 叶片 ， 口角 ３ 。 宽 度 出 ０，
相 ， 些 液 相 大 多 是 以 微 小 液 滴 的形 式 存 在 的 。 这 另外凝 析气 田中的凝 析气 是 以饱 和 烃组分 为 主 的
气体混 合 物 ， 旦天 然气 中所 含 的重 组分 进 入管 一 道， 随着温 度 和压力 的变化 ， 常伴 随着凝 析或 反凝 析现象 。 由于 管道 内气 速 较 高 ， 般 气 体 中所 析 一 出 的液体 很难 在管 道 内形 成 稳 定 的 连续 液 相 ， 同 样 主要 以微小 液滴 的形式 夹 带在气 相 中 。这 些 液
究 内 容 为 不 同 压 力 对 分 离 器 的 性 能 影 响 ， 实 验 且
过程 中含 液浓 度 一 般 都很 高 ， ２ ０～１０ ０ ／ 在 ０ ０ ｇｍ 左 右 。笔者 旨在 开 发 一 种 能 耗 低 、 率 相 对 效 较 高 ， 对不 同 含液 量 尤 其是 较 低 含 液 量 有 较 好 且
气液旋流分离技术的研究
气液旋流分离技术的研究引言：旋流分离是一种高效的多相流体分离技术,它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离的。
人们对旋流器的研究由来以久,自从1886年Marse的第一台旋粉圆锥形旋风分离器问世以来,旋流分离技术已广泛应用于石油、化工、食品、造纸等行业。
随着旋流器应用的日益广泛,国内外众多学者对旋流器的结构、尺寸、流场特性进行了大量的研究,并相继提出了各种分离理论,但多集中于气-固分离的旋风分离器和用于液-固、液-液分离的水力旋流分离器。
许多研究者已相继提出各种各样的分离理论,已经有了比较完善的分离理论、设计方法和应用实践。
由于具有广阔的使用前景和显著的优点,人们对气-液旋流分离技术也开展了大量的实验和理论研究。
但与气-固、液-固分离不同,气-液两相流动过程中颗粒(液滴或气泡)的碰撞、团聚和扩散机理更加复杂,由于不确定的因素较多,计算复杂,同时受气-液两相流发展的限制,使气-液旋流分离的研究远滞后于旋风分离器和水力旋流器。
近年来气-液旋流分离技术已日益成为国内外争相研究的热点技术。
目前,国内外对于气-液旋流分离的研究主要可分为4类,即:气-液旋流分离技术应用的试验研究、旋流分离器内部气-液两相三维强旋湍流流场测定的试验研究、建立能准确反映气-液两相旋流分离机理模型的理论研究以及气-液两相旋流流场计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,简称CFD)模拟。
1气-液旋流分离技术应用试验研究由于受气-液两相流体力学发展的限制,对于气-液旋流分离技术,以前进行的大部分工作都是基于应用和试验研究。
即根据不同的要求开发研制不同结构的气-液旋流分离器,并对其分离特性进行试验测量和性能分析。
其类型主要介绍如下。
1.1管柱式气-液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone简写GLCC)1979年,Davies和Watson研制了管柱式气-液旋流分离器,是由垂直的筒形容器,安装了一个向下倾斜27°的切向进口管,上部出气管,下部排液管。
柱式气液旋流分离器设计
柱式气液旋流分离器结构设计柱式气液旋流分离器设计【摘要】平衡钻井技术有利于防止钻井液漏失、能及时发现和保护油气层，并能提高机械钻速等。
但是由于欠平衡装备价格昂贵，制约着这一技术的发展。
鉴于这种现状，自行设计了台应用于欠平衡钻井的管柱式气液旋流分离器。
管柱式气液旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。
它依靠旋流离心力实现气、液两相分离，与传统的重力式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省成本等优点，是代替传统容积式分离器的新型分离装置。
在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括了入口分离模型、旋涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺步骤.设计根据管柱式旋流分离器的机理模型以及设计工况，完成了管柱式旋流分离器的结构设计、强度分析、理论校核、焊接工艺设计以及分离器内气液两相流的数值模拟，为工程设计和理论设计提供一定的理论依据。
【关键词】欠平衡钻井技术旋流分离器气液两相流动分离机理模型设计Gas-liqulid Cylindrical CycloneAuthor: Wang maohui(School of Mechanical Engineering, Yangtze University) Tutor: Feng Jin (School of Mechanical Engineering, Yangtze University)【Abstract】The balanced well drilling technology is advantageous in preventing loss of circulation, can promptly discover and protect hydrocarbon zone ,also can enhance the penetration rate. But the expensive under balance equipment has restricted this technology’s s development. In view of the situation,I designed a gas-liqulid cylindrical cyclone independently for the balance under drilling .The GLCC is one kind has leans the bevelling to the entrance and the gas, the liquid exportation hangs the ascending pipe. It can realize the gas-lip fluid separation depends upon the cyclone centrifugal force. compared with the traditional gravity type separator, which has the compact structure, the lighter weight, the smaller investment and so on.It’s a new disengaging equipment which replace the traditional volume type separator. On the basis of the gas-liquid two-phase cyclone analyses , has established the forecast separation performance mechanism model, this model include the entrance separation model, the whirlpool model, the air bubble and the bubble path model; Based on the mechanism model, proposed the tube column type cyclone separator technological design technical specification and the craft step.The design basis tube column type cyclone separator mechanism model as well as the design operating mode, has completed the tube column type cyclone separator structural design, the intensity analysis, the theory examination, in the welding technological design as well as the numerical simulation of the gas-liquid two phase floe in the separator simulations, provide the certain theory basis for the engineering design and the theoretical design.【Key words】:Under balanced drilling technology ，cyclone separator, Gas-Liquid two-phase flow, separation mechanism odel ，Design柱式气液旋流分离器结构设计目录柱式气液旋流分离器设计 (1)绪论 (2)欠平衡钻井技术的发展现状和前景 (5)1、设计背景 (6)1.1 选择气液旋流分离器的意义 (6)1.2 气液旋流分离器的国内外研究现状 (7)2、方案论证 (8)2.1 旋流式气液分离方案的可行性 (8)2.2 旋流式分离器的结构及工作原理 (9)2.3 旋流式分离器的优缺点 (9)3、结构分析及设计 (10)3.1 入口设计分析 (10)3.1.1入口管分析 (10)3.1.2入口喷嘴分析.............................................................. 错误！未定义书签。
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收稿日期:2008-12-08基金项目:国家/8630高技术研究发展计划项目(2006AA06Z224)作者简介:金向红(1965-),男(汉族),河南驻马店人,副教授,博士,研究方向为多相流分离技术。
文章编号:1673-5005(2009)05-0124-06气液旋流器的分离性能金向红1,2,金有海1,王建军1,孙治谦1,陈新华1(1.中国石油大学多相流实验室,山东东营257061;2.安徽理工大学化工系,安徽淮南232001)摘要:旋流器内气液两相的分离过程是液滴离心沉降和碰撞聚结、破碎的复合过程。
对液滴的聚结、破碎机制进行分析,试验验证液相物性、流场强度对液滴聚结、破碎以及旋流器分离性能的影响。
结果表明:液相黏度对涡流场中液滴的破碎影响很大,黏度增大分离效率上升;湍流强度是导致旋流场液滴破碎的主动力,当流量达到一定值时,高湍流强度导致液滴破碎,分离效率随流量上升开始急剧下降;液滴聚结、破碎过程对分离器压力降影响不大。
关键词:气液旋流分离器;分离效率;液滴;团聚;破碎中图分类号:TQ 05118;TE 969 文献标识码:ASeparation perfor m ance of gas -liqui d cycl one separatorJI N X iang -hong 1,2,JI N You -ha i 1,WANG Jian -j u n 1,S UN Zh-i qian 1,C HEN X i n -hua1(1.Institute of M u ltiphase F low in China Universit y of P etro leu m,D ongy ing 257061,China ;2.D e p ar t m ent of Che m ical Eng i neering ,A nhui U ni ver sity of Science and T echno logy,H uainan 232001,Ch i na)Abstrac t :T he separa ti on o f gas -li qu i d t w o -phase flo w i n t he cyc l one separator is a co m pound process of centr ifuga l sepa ra -ti on ,coa l escence and breakup of drop l e ts .The m echan i s m of drop l e ts coa l escence and breakup w ere discussed .The effects o f liqu i d v iscosity and t urbulence i n tensity on drop lets coa lescence ,breakup and separation perfor m ance we re proved by ex -per i m ents .The experi m enta l results s how t hat the li qu i d v iscosity has much eff ec t on drop l e ts breakup in vortex field ,and the separation effic i ency i ncreases w ith t he li quid v i sco sity i ncreasi ng .T he turbulence i ntensity is the m ai n f o rce w hich breaks up the drop l e ts .W hen the fl ow rate i s up to so m e extent ,the high t urbulence i ntensity breaks up t he droplets ,then t he sepa ra -ti on effic i ency w ill decrease sha rply .W h ile the coa l escence and breakup of droplets has little effect on pressure f a ll i n cy -clone separator .K ey word s :gas -li qui d cyc l one sepa rato r ;separa ti on efficiency ;li qui d drop l ets ;coa lescence ;breakup传统上,旋流器内气液两相的分离过程只是从离心沉降来理解,但研究者在试验研究和工程应用中发现,气液旋流分离器内流场是三维强旋湍流,在流场内分散液滴因气液两相的密度差而受到比较大的离心力,产生离心沉降,同时在湍流场内液滴之间又会产生剧烈的碰撞、团聚、破碎和扩散,两相的分离过程是旋流场中液滴离心沉降和碰撞聚结、破碎的复合过程。
其分离性能不仅受液滴的离心沉降影响,还受湍流场中液滴间碰撞、团聚、破碎以及液相扩散的影响。
试验表明,对于稀相气液两相流,液滴间的碰撞、团聚、破碎不仅与气液两相时均流场有关,还与流场湍动强度、含液浓度以及分散液相的密度、黏度、表面张力等物性密切相关[1-2],但受试验条件限制,目前对液滴聚结、破碎的机制认识还不透彻,单从试验和理论上还很难得出准确的解释[3-7]。
笔者通过试验考察稀相状态时液相黏度对气液旋流器分离性能的影响,并对三维强旋湍流中分散液滴的碰撞、团聚和破碎机制进行分析。
1 液滴在旋流场的聚结与破碎111 液滴在旋流场的碰撞聚结旋流器内部是三维强旋湍流场,其切向速度分2009年 第33卷 中国石油大学学报(自然科学版) V o.l 33 N o .5 第5期 Journa l o f China U n i versity of Pe tro leum O ct .2009布近似地看作由内部的准强制涡和外围的准自由涡组成的兰金涡,在准强制涡和准自由涡的交界面上切向速度最大。
轴向速度分布外围速度向下,内圈速度向上,即逆向内旋流,在两反向轴向速度的交界面存在一个0轴向速度,即存在一个零轴向速度包络面LZ VV。
旋流器内的径向速度相对较小[8-11]。
旋流过程中由于气液两相的密度差,液滴在离心力及重力作用下向筒壁迁移并向下沉降,即离心沉降。
由于旋流器中液滴粒径不同而使得它们的离心沉降速度也不同,同时在准自由涡区,流体在径向上具有一定的角速度梯度,这样邻近径向位置的颗粒就有了碰撞的机会。
两颗液滴碰撞以后有两种可能,一是碰撞以后聚合,二是碰撞后两颗液滴分开。
当小液滴碰撞时,如果促使液滴聚结的力超过液滴与气相间的界面张力,则两颗液滴将发生聚结,否则就会分开[12-13],即液滴聚结的条件是E F>P d p R.(1)式中,d p为液滴直径;R为界面张力;E F为促使液滴聚结的各类力的合力。
旋流场中作用在液滴上的力有离心力、曳力、重力、M agnus力、Sa ff m an力、压力梯度力、虚假质量力和Basset力等,其中促使液滴径向聚结的主要因素是液滴在旋流场所受的离心力,即F p t=16P d3p(Q p-Q g)v2p tr.(2)式中,Q p和Q g分别为液相、气相密度;v pt为液滴切向速度;r为液滴位于旋流场的半径。
处于准自由涡的液滴,有一个自转角速度,由此造成垂直于液滴与流体相对速度方向的径向升力,称作M agnu s力,表达式为F p M=16P d3p Q p$v Ep- %.(3)式中,$v为气液间的相对速度;E p为液滴旋转角速度;%为流体涡量的一半。
同时考虑流场对液滴的径向曳力F pS=3P d p L g v pt.(4)式中,L g为气相黏度。
忽略其他力的影响,可以得出液滴聚结的条件为F p t+F p M-F pS>P d p R.(5)由式(5)可以看出:液滴切向速度越大,促使液滴聚结的力也越大;气液两相密度差越大促使液滴聚结的力也越大;界面张力越小则液滴碰撞聚结的可能性越大。
因此,旋流器内液滴的聚结应主要发生在切向速度较大的准自由涡区,并且随着小液滴聚结成大液滴,液滴受到的离心力增加,进一步促进液滴的聚结,同时液滴的聚结也利于分离。
由此可以看出,旋流器内液滴粒径的分布,在径向上由内向外越来越大。
进入旋流器外围的大液滴大部分会到达筒壁,在筒壁上聚结形成液膜,并在重力作用下进入集液槽;少部分大液滴则会在近壁处流体强湍流度的作用下产生破碎,一部分到达筒壁,而部分破碎的小液滴有可能被再次带入内旋流。
112液滴在旋流场的破碎在气液旋流分离器中,气液两相间存在着速度差,这个速度差使高速气流绕过低速运动的液滴,这样在液滴的前后驻点就形成了压力差,这个压力差会使液滴发生变形,中心变薄、拉长甚至破裂。
在高速湍气流中,液滴表面在气流湍动能作用下发生持续的压力脉动,液滴持续振荡,导致变形后液滴的进一步破碎。
研究发现,液滴的破碎主要与无量纲韦伯数W e 和昂色格数Oh有关。
W e数是气动力和表面张力在液滴表面产生的无因次压强比,前者压缩液滴表面使其变形破碎,后者反抗变形使其保持球状。
其计算公式为W e=Q g$v2d p/R.(6) Oh数表示黏性力与表面张力之比,即Oh=L l/Q l R d p.(7)数值计算和试验结果都证明:W e数越大,液滴所受气动力与表面张力的内聚力之比越大,气流中的液滴越不稳定,越易于变形破碎;Oh数越大,液滴越稳定,越不易变形破碎。
根据W e数和Oh数的定义可以看出,大液滴更易于变形破碎,气液两相间的速度差越大液滴越易破碎,而液相黏度越大,液滴越不易破碎,液相的黏性起到阻止液滴破碎的作用,这是因为液滴的黏性能够耗散周围的扰动能量。
对于气液旋流分离器,气液两相间的速度差并不大,其W e数也不大,因此时均速度差所形成的气动力并不是液滴破碎的主要动力,它一般是使液滴变形而不是破碎,而大的湍动能对变形液滴表面的剧烈扰动才是液滴破碎的主要动力。
因此,当流场湍动强度不高时,液滴的破碎并不明显,增大流场湍动强度,会增加大液滴破碎的几率。
同时,在低W e 数条件下,液体的黏度对液滴的破碎有很大的影响,液滴黏度越大,抗湍流扰动的能力也越强,液滴也越#125#第33卷第5期金向红,等:气液旋流器的分离性能不易破碎。
对旋流器内气相三维湍流场结构的LDV测定结果表明[1,8-10],分离空间内切向湍流强度和轴向湍流强度具有类似的分布形态,并有同一数量级。