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。切向进口给混合物提供了一个涡旋运动,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从底部流出,气体径向向旋流器的中心流动并从顶部排气管离开分离器。海上采油代替传统的分离器,在改善分离性能的同时降低了成本。1995年,Kouba等将GLCC用于多相流量计量,经过GLCC分离后的气液两相分别用单相流量计计量,然后再合并,避免了多相流测量中的问题;GLCC在地面和海上油气分离、井下分离、便携式钻井设备、油气泵、多相流量计、天然气输送以及火炬气洗涤等具有巨大的潜在应用[1]。1995年,Kouba等研究了GLCC的进口倾斜角度、操作压力、筒体和进口结构对于气相出流中液体夹带的影响,分析了GLCC分离器操作范围和分离效率的机理。

1985年,Zikarev在靠近GLCC的底部开了一个矩形进口,理论分析和实验结果显示,这种结构操作时降低了液滴在气相出流中的夹带。

1.2螺旋片导流式气液分离器(Cyclone Gas-liquid Separator简写CS)

1996年,Franca等研制了螺旋片导流式气-液旋流分离器,直接在井口将气液进行分离,增加了采油回收率,分离后的气体和液体用不同的管道输送各相,使石油和气体分别经过各自的管道进入储油罐和储气罐,降低了多相流输送时易出现的断续流、堵塞和沉积等典型问题。螺旋片导流式气-液分离器是一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离装置,用于地面或井下天然气开采中的油气分离,石油开采中的油水分离,压缩空气的净化处理,航空宇宙中的氦气分离,还可用作水处理装置,其性能明显优于同类设备。尤其在海上、偏远地区油井及远距离油气输送方面具有较广泛的前景。目前国内外的井下油气分离基本都采用了螺旋式油气分离器。

1.3轴流导叶式气液旋流分离器

2005年,中国石油大学多相流实验室研制了轴流导叶式气液旋流分离器,与切向进口的GLCC和CS相比其采用轴向进料,旋转流由导向叶片产生,从而使旋转流保持稳定,并有助于维持层流特性,而且其显著特点是阻力损失较小。当采用轴向进料时,结构更加紧凑,适宜于井下狭长空间环境的安装操作。

1.4管道式气液旋流分离器

管道式气液旋流分离器,是用法兰将气液旋流分离器直接安装在石油或天然气的输送管道上,具有高效率、撬装化、可移动与小型化等优点。并且可以降低输送成本,降低了气液两相流输送时容易产生的断续流、管道堵塞、沉积等多相流输送的典型问题。

2 旋流分离器内气-液两相流场的测量研究

旋流分离器内是复杂的三维强旋湍流场,一般都是用大量的实验来寻找它的流动规律,并用来验证和补充理论研究的描述流动特性的数学模型。由于起步相对较晚,研究者对于气-液两相涡旋流动性能的研究,主要是参照旋风器和水力旋流器的涡旋流动的研究理论和方法。流场分布规律也多引用旋风器和水力旋流器的测定结果。这一领域最早的研究之一是Nissan 和Bres-san,1961年他们用2个切向入口将水注入管子,其切向动量与轴向动量之比为8,用探针对管内涡旋流场进行了测量,发现在管子核心区域有一个逆向流动区。1979年,Ito研究了切向进口产生的涡旋流动中涡旋衰减的情况,他用水作工质,切向动量与轴向动量之比为50,用多电级探针测量,发现其切向速度有2个区域:管中心的强制涡流区域和周围的自由涡流区域。1988年,Algifri等以空气为工质,用热敏探针对通过管道衰变的湍动涡流进行了测量研究,以径向导流的方法产生涡旋流动,发现在涡旋强度很大时,雷诺数对速度的影响也增强,他们建议除了管壁附近外,切向速度的分布应近似地看作Ran-kine涡,即准自由涡与强制涡的组合。对于气液旋流器内部三维流场的结构,由于测试手段限制,所以实测研究进展一直较慢。然而只有在清楚旋流分离器内连续相和液滴(气泡)的运动规律后,才能真正认识气液旋流分离器的分离机理,并为旋流分离器的工程设计和改善其分离性能提供理论基础。Erdal(2002)采用多普勒激光测速仪对GLCC内的重相气液两相旋流的流场进行了测量研究[4],他的测量显示对于单切向进口的旋流器,由于进口效应的影响,其流场是非轴对称的,中心强制涡流区绕旋流器中心线呈螺旋状。而双进口结构的流场比单进口结构呈现更好的对称性。

2007年,中国石油大学多相流实验室采用APV(Adaptive Phase/ Doppler Velocimeter)对轴流导叶式旋流分离器内轻相气-液两相流场进行了测定。所有测定结果都得到了相似的流场分布趋势,即旋流器内部切向速度呈准Rankine涡结构,且沿轴向衰减。轴向速度将流动区域分为向上的内旋流和向下的外旋流,当进口涡旋强度较高时,在中心会出现向下的流动区。湍流强度分布是涡旋核心湍流强度最大,外区趋于定值,而在边壁处升高。流场实验测定数据和CFD模拟研究都证实,由于核心强制涡的影响,旋流器的湍流脉动是各相异性的。虽然在旋流器内部流场结构的实验研究方面,人们进行了大量的工作,并取得了很大的进展,但由于流场内流体运动的复杂性,并受多相流动力学和实验流体力学发展的限制,目前还有许多现象无法解释。尤其是气-液旋流分离过程中,气泡和液滴在运动过程中的碰撞黏结、团聚破碎和扩散的机理及其与流动特性的相互关系还不清楚。

3气-液两相流动数学模型理论研究

气-液旋流分离系统的工程设计以及预测其性能依赖于试验数据和建立能够描述其流动物理现象的数学模型。对于单相流动的机理模型对应于场控制方程用公式表达,在连续力学上已经建立得很好,主要由质量守恒、动量守恒和能量守恒三大控制方程构成。而两相流的系统研究从上世纪40年代才开始,60年代以后,越来越多的学者开始对关于描述两相流运动规律的基本方程进行探讨,描述两相流动的数值模型也从简单到复杂。

1960年,Bankoff提出了采用平均变量的均相流动模型(Homogeneous Flow Model)计算气