柱狀分離器結構改進及實驗研究

周云龍 倪志勇

(東北電力大學)

石油化工行業主要使用容積式氣液分離器處理油氣混合物。經過幾十年的應用，該分離技術已經先進且成熟。但是，容積式分離器體積龐大、沉重而且制造和運行費用昂貴。

隨著海上油氣田的開發和利用，人們需要結構更緊湊的設備以節省海上平臺的空間和投資。柱狀氣液分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone，GLCC)結構簡單，沒有復雜的結構和可動部件，其主體由豎直管和位于分離器中上部的下傾切向入口管組成，兩個出口管分別安裝在分離器的頂部和底部。切向入口為氣液混合物提供了旋流運動，離心力大幅提升了氣液的分離效果，氣相由上部的溢流口排出，液相匯集后經底流口流出[1]。

1 GLCC的分離過程

GLCC的分離過程如圖1所示。在重力的作用下，當氣液混合相進入分離器時由于膨脹實現了初步的分離，液相攜帶氣泡向分離器下部運動，氣相占據了分離器上部空間。入口氣液兩相流的波動被削弱，分離過程開始平穩。

圖1 分離過程示意圖

在分離器上部，液滴在離心力作用下被甩向分離器壁面，匯集成了液膜。由于液膜厚度與液滴粒徑相比很微小，氣相很難迫使其上升到頂部出口，液膜在重力的作用向下匯入漩渦中。然而，當氣相速度超過了分離器的臨界氣速時，液滴就會被氣流攜帶離開分離器，產生氣相帶液現象。即使在正常的運行條件下，仍然可觀察到入口上部出現一定量的環狀液膜。該環狀液膜一部分是由于氣液兩相流噴射到分離器壁面液相向上攀升產生的，另一部分由在離心場作用下運動到壁面的液滴構成[3]。分離器入口上方的液量和液膜厚度將隨著液相流速的提高而增加，該部分液膜被稱為上旋液膜。

當入口混合相速度過大時，漩渦就會上升到分離器入口上部。入口切向速度被削弱，甚至會影響到氣相的旋轉上升運動。進入分離器的氣相被迫穿過漩渦導致液體的飛濺，造成早期的氣相帶液。為了改善分離器的性能，采用下傾27°的入口切向管，下傾入口促使兩相流在入口中形成分層流達到預分離的目的，同時，液流被導向分離器下部，避免其阻礙氣相向分離器上部的上升運動[4]，這種入口結構明顯減少了氣相夾帶。

在分離器下部，當旋流強度足夠大時，氣液兩相流旋轉產生拋物線形的氣液分界面。分離器入口下部液膜順著分離器壁面螺旋運動到漩渦處，稱為下旋液膜。大粒徑的氣泡在浮力的作用下迅速運動到自由界面實現分離；小粒徑的氣泡隨液相向下運動的同時沿徑向被推向漩渦中心，氣泡聚集融合成氣核，這些氣泡本應上升到氣液分界面從液相中分離出來。然而，仍有部分氣泡因不能及時分離出來而隨液相排出分離器，造成液相帶氣。

2 結構改進

研究表明分離器下部的流動狀態是非常復雜的。導致液相帶氣的原因有3個[5]：小粒徑的氣泡徑向運動距離不足，不能移動到中心氣核而被液相攜帶離開分離器；氣核延伸到分離器底流出口處隨液相排出分離器；旋轉液流的不穩定性使得在底流出口處攪動氣核使之破碎。隨著旋流強度的增大，絕大部分氣泡均能運動到中心氣核。與此同時，氣核延伸到底流出口處，氣核攪動破碎加劇。為了減少液相帶氣，提高分離效率，在分離器底部增設穩流器。穩流器對氣相施加向上的托舉力，同時可以穩定液流，避免氣核在底流出口處破裂釋放出氣泡。此外，采用切向底流出口，維持流體在底流出口處的旋流運動，強化分離效果的同時減弱底流出口處的液相擾動而降低壓力損失[6]。分離器的改進結構和傳統結構示意圖如圖2所示。

圖2 分離器改進結構和傳統結構示意圖

3 實驗

實驗以常溫下的水-空氣混合物為實驗工質。水的密度為998.2kg/m3，動力粘度為1.009mPa·s；空氣密度為1.225kg/m3，動力粘度為0.183μPa·s。分離器直徑為50mm，高度為660mm，分離器全部采用有機玻璃制成。穩流器初始直徑D=12mm，高度H=60mm。

通過改變實驗操作參數，對比分析改進結構和傳統結構分離器的壓降和分離效率，為GLCC結構的改進和優化提供依據。

仔豬白痢主要發生于10～30日齡仔豬。發病率高，死亡率低，多發于寒冬、炎熱季節，氣候突變、陰雨潮濕、母豬飼料質量較差、母乳中含脂率過高等常常是本病的重要誘發因素。臨床上以排灰白色漿狀、糊狀腥臭味稀糞為特征。

3.1 實驗流程

柱狀氣液分離器實驗流程如圖3所示，氣相和液相分別由水泵和壓縮機輸出，過量的空氣和水分別放空或回收，經電磁流量計和轉子流量計計量后進入靜態混合器充分混合。氣液兩相流經壓力計量單元后進入分離器，在離心力的作用下，氣相沿徑向運動匯集到分離器中心，并向上隨內旋流由溢流出口排出，計量后直接放空；液相由底流口流出后進入流量壓力計量單元，液相流入儲水箱循環利用。

3.2 實驗研究

實驗根據氣液旋流器的分離目的和兩相流的基本參數，在氣相出口含液量不超過一定值的情況下，定義溢流出口氣體流量Qg-o與分離器入口氣體流量Qg-i的比值ET(ET=Qg-o/Qg-i)為分離效率。ET越大說明由底流出口處排出的氣相體積越小，分離效果越好。采用壓差計測量分離器入口和底流出口的壓降Δp，在處理的量相同的情況下，壓降Δp越小越好。

圖3 柱狀氣液分離器實驗流程

3.3 分離器改進結構和傳統結構實驗對比

3.3.1流量對壓降和分離效率的影響

圖4為壓降隨入口流量的變化曲線。由圖4可以看出，隨著分離器入口流量的增加壓力損失不斷增大，改進結構的分離器其壓降略大于傳統結構的壓降。原因是：一方面增設穩流器減小了液相的有效過流面積，阻力系數增大，增大了壓力損失；另一方面穩流器穩定了液相流動，采用切向底流出口結構削弱了底流出口處液相的擾動，降低了壓力損失，兩者共同作用使得改進后的分離器壓力損失略有增加。

圖4 壓降隨入口流量的變化

圖5為分離效率隨入口流量的變化曲線。從圖5中可以看出傳統和改進結構分離效率均隨流量的增大而提高，改進結構的分離器效率要高于傳統結構，隨著流量的增大，這種趨勢愈加明顯，改進結構的分離效率比傳統結構高2%左右。分析認為，穩流器對氣相的托舉作用有效的提高了氣泡與中心氣核匯集的幾率，防止氣核延伸到底流出口。底流出口處的液相流動穩定，避免了氣核在攪動破碎后釋放出氣泡而降低分離效率。切向底流出口保持液相在底流出口處的旋流而進一步強化了分離效果。

圖5 分離效率隨入口流量的變化

3.3.2穩流器不同直徑時的分離效果

采用改進結構時分離器的效率得到了提高，同時壓力損失基本不變。保持穩流器的高度不變，改變直徑，實驗研究穩流器直徑變化對分離效果的影響。采用直徑為12、18、24mm進行對比實驗，實驗結果如圖6、7所示。

圖6中顯示了穩流器不同直徑時壓降隨入口流量的變化。從圖6中可以看出改進結構的壓降均要高于傳統結構。在同一入口流量下，隨著穩流器直徑的增大，分離器壓降升高。直徑分別為12、18mm時，壓降與傳統結構相比相差不大，當直徑增大到24mm時，壓降大幅提升，高于傳統結構3kPa左右。這是由于當直徑過大時，穩流器與分離器壁面的間距縮小，過流面積大幅減小，液相流過二者的間隙后截面積突然擴大，導致射流損失增大，壓降變大。

圖7顯示了不同直徑時分離效率隨入口流量的變化。從圖7中可以看出，穩流器不同直徑時，分離效率隨液相流量的變化情況與前面的實驗結果是一致的，即分離效率隨著入口流量的增加而提高。改進結構的分離效率均高于傳統結構，隨著穩流器直徑增大，分離效率提高，當D=18mm時，分離效率較傳統結構提高了大約4%，分離器的整體分離效果最好。但當直徑增大到24mm時，分離效率較直徑為18mm時變化不大。分析認為，穩流器直徑過小時，托舉力不足無法阻擋氣核從底流出口排出，隨著直徑的增大，對氣核的頂升作用增強，分離效率提高，但當直徑繼續增大時，穩流器對氣核的托舉作用不再繼續提高，分離器效率基本不提高。

圖6 穩流器不同直徑時壓降的變化

圖7 穩流器不同直徑時分離效率的變化

3.3.3穩流器不同高度時的分離效果

穩流器直徑取18mm，改變穩流器高度。分析穩流器高度分別為60、80、100mm時，分離性能隨入口流量的變化。

圖8、9顯示了不同高度時壓降和分離效率隨入口流量的變化。從圖8可以看出，壓降隨流量增大而提高，改進結構3種不同高度時的壓降基本一致，變化不明顯。從圖9中可以看出，分離效率隨流量增加而提高，隨著穩流器高度的增大分離效率先增大而后減小，分離效率在H=80mm時達到了最大值96%。分析認為，隨著高度增大，穩流器對氣核的托舉作用增強，有效防止了氣核由底流出口排出，分離效率得到提高。但當高度過大時，穩流器伸入到分離器的有效分離段，擾亂了漩渦的旋流場，離心力減小，造成氣相不能充分聚集融合到中心氣核而隨液相直接排出分離器，導致分離效率降低。

圖8 穩流器不同高度時壓降的變化

圖9 穩流器不同高度時分離效率的變化

4 結論

4.1對于一定結構的分離器，分離器壓降隨著入口流量增大而提高。改進結構分離器的壓降與傳統結構相比基本不變。

4.2改進結構后的分離器分離效率要高于傳統結構，隨著入口流量增大，這種趨勢越來越明顯，改進結構后分離效率提高了2%左右。

4.3保持改進結構穩流器的高度不變，改變直徑。分離器效率隨直徑增大而提高，當D=18mm時，分離效率較傳統結構提高了大約4%。但當直徑達到24mm時分離效率基本不隨流量增大而升高，但壓降卻大幅度提高。

4.4穩流器直徑取18mm，改變高度。改進結構較傳統結構壓降變化微小，分離效率隨穩流器高度的增加先升高而后降低，當高度H=80mm時達到最大值96%。

[1] 金向紅，金有海，王建軍，等.氣-液旋流分離技術應用的研究進展[J].化工機械，2007，34(6)：351～355.

[2] 寇杰.柱狀氣液旋流分離器的研究現狀及應用前景[J].石油機械，2006，34(4)：71～73.

[3] Hreiz R，Lainé R，Wu J，et al.On the Effect of the Nozzle Design on the Performances of Gas-liquid Cylindrical Cyclone Separators[J].International Journal of Multiphase Flow，2014，58(1)：15～26.

[4] 曹學文，林宗虎，黃慶宣，等.新型管柱式旋流氣液分離器的設計與應用[J].油氣田地面工程，2001，20(6)： 41～43.

[5] 趙立新，蔣明虎.小型柱狀氣液旋流分離器的技術發展現狀[J].國外石油機械，1999，10(4)：46～53.

[6] Zhao L X，Jiang M H，Xu B R，et al.Development of a New Type High-efficient Inner-cone Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(12)：2129～2134.