离心式气液分离器主要结构参数分析_冯进

设计计算

离心式气液分离器主要结构参数分析

冯 进 丁凌云 张慢来 罗海兵

(长江大学机械工程学院)

摘要 在用于高密度、高粘度气侵钻井液的除气分离系统中,离心式气液分离器作为第二级分离器,其结构对分离性能有很大影响。为了提高离心式气液分离器的分离效率,需对其结构参数作进一步分析。按照正交试验方法,运用CFD商业软件对离心式气液分离器内流场进行了全三维数值模拟;分析了25个典型工况下每种模型内部气液两相流的运动情况和分布状况,得到了所有工况条件下分离器的分离效率;探讨了分离器主要结构参数对分离器分离效率的影响,提出了基于数值模拟基础上的理想分离器模型。

关键词 离心式气液分离器 气液两相流 流场 CFD 分离效率 数值模拟

引 言

离心式气液分离器是依据离心分离原理实现相间的分离,具有结构简单、能耗低、质量轻、应用方便等优点。理论和实验研究表明,改进离心式气液分离器的结构对提高其性能具有重要的作用。然而,由于分离器内部气液两相的运动非常复杂,对其流场的研究存在一定难度[1]。

随着科学技术的发展,CFD(Co m putational F l u i d Dyna m ics)技术不断完善,已越来越广泛地应用于流体力学各类问题的计算机模拟。现代CFD技术在很大程度上可替代耗资巨大的流体动力学实验,在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。笔者借助FLUENT CFD软件平台,按照正交试验法[2]进行规划,采用N-S方程(RANS)配合RNG - 湍流模型对离心式气液分离器流场进行了全三维数值模拟计算,探讨了分离器主要结构参数对分离器分离性能的影响关系。

试 验 规 划

影响离心分离器分离性能的结构参数较多,任意结构的改变,都会对分离器的效率产生影响,全面考察每一项结构变化细节对分离器分离性能的影响,不仅工作量大,耗费时间长,而且考察一些不太重要的因素也完全没有必要。在这里,主要考虑不同进口角度 、出口直径d、转鼓直径D1、液封高度h和漏斗锥度 等5个独立因素对除气效率的影响。

为了避免全面试验,提高效率,采取部分因子设计,进行25次正交模拟试验。5项结构参数都取为5个水平,采用无因次方法。表1为部分工况,分离器筒体内径D为400mm。

表1 部分正交试验方案

试验

序号

/( )d/mm D1/mm h/mm /( )效率1880204210500 7761

216100204290600 8930

32490204250650 8427

43290238290500 7258

540120204330550 9019 1 几何模型

几何模型以整个离心式气液分离器内流体流动区域及进液管和排液管为原型。笔者用于计算的原始几何模型总体高度H=1560mm;筒体内径D= 400mm;转鼓初始直径D z=340mm,逆时针旋转;入口管直径d i=100mm;入口管当量长度L i =170mm,排气管和排液管初始直径均为d g o=d lo =100mm。

2 计算域选取及网格划分

选取整个分离器内流体流动区域为计算域,由于计算区域形状比较复杂,采用四面体非结构化网格,在流场流动复杂的区域还对网格进行了加密处

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石 油 机 械

CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY

理。分离器的CFD 模型如图1所示,含107826个

网格单元,转鼓部分网格如图2

所示。3 计算模型和边界条件

工作介质为含有一定气量的钻井液,流量6 22

m 3/h ,换算成入口速度为0 22m /s ,钻井液密度为

1800kg /m 3,粘度0 05Pa s ,来液中气体体积分

数为7%,气泡直径0 8mm ,转鼓转速1500r/m in 。

离心式气液分离器内的气液两相流动属于气体

稀相流动,故将液体相看成连续相,而将气体看成

分散相,数值模拟采用混合模型。数值计算时运用

分离的隐式求解方法、RNG - 模型。同时,考虑

离心式气液分离器内流体的强旋流动,对压力的离

散采用PRESTO!(Pressure Staggering Opti o n)法[3],

对动量方程和能量方程采用二阶迎风差分格式进行

离散,速度与压力耦合采用SI M PLE 算法,连续性

方程的收敛准则为10-5。

笔者的计算需要涉及到壁面边界和进出口边

界。进口边界取混合液的入口速度,同时确定第二

相的体积分数。气体出口和液体出口设为压力出

口,表压为0。固体壁面定义为无滑移壁面,其中

转鼓设为旋转壁面。对于紊流,需要说明其性质。

假设流场全为湍流流场,速度入口的上游流动充分

发展,入口的湍流强度为5%,湍流粘性比为

10%。当残差下降到10-5以下,并且进、出口流

量误差小于5%时认为计算收敛。数值模拟结果与分析1 数值模拟结果评价通过数值模拟计算,检查其速度场和压力场分布情况,分别如图3、4所示。由图3、4可以发现,当夹带有气泡的液流沿进口流道进入离心式气液分离器时,在转鼓旋转的作用下,因极强的离心力而形成强旋流动[4]。在

下部出口处检查发现液流中含气量明显减少,提取其进出口混合液密度,得到该分离器此种操作工况

下的分离效率为77 6%,说明所采用的离心式气

液分离器模型是成功的,可以用于承担高密度高粘

度钻井液二级分离器的任务,同时鉴于分离器的分

离效率并不是很理想,所以对该类型分离器进行优化设计是很有必要的。

图3 液相分布图图4 压力分布图2 分离器主要结构参数对分离性能的影响对数值模拟结果做极差分析,如表2所示。表中m 1~m 5表示5项结构参数(与分离器直径之比)各自的5个水平。通过将各结构参数对分离效率的影响排序,可以确定各个独立因素对分离效率的影响程度。因素的极差越大,表明这个因素在

不同的水平下,相应的除气效率之间差异大,这个

因素对除气效率的影响也较大,是主要的。反之,

极差小,该因素影响小,是次要的。从表2中还可

以看出各因素的主次关系:转鼓直径>出口直径>

进口角度>液封高度>漏斗锥度。其中转鼓直径和

出口直径对分离器的除气效率影响较大,是主要因

素。进口角度和液封高度对分离效率的影响次之,

漏斗锥度对分离效率的影响最小。下面仅就转鼓直

径和出口直径对分离器的影响作进一步分析。 20 石 油 机 械2007年 第35卷 第2期