TP板氣液分離性能模擬分析

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(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.西安石油大學，陜西 西安 710065)

分離器是油氣田開發生產過程中重要的工藝設備之一，按功能分為氣液兩相分離器和油-氣-水三相分離器等[1]。對天然氣處理而言，分離器的作用是從氣流中分離掉液體、固體和其它雜質；對原油處理而言，分離器的作用是從油流中分離掉氣體、固體及游離水；對水處理而言，分離器的作用則是從水流中分離掉氣體、固體及游離油等雜質。隨著采出原油中含水量的增加，目前使用的一般三相分離器的分離效果已很難達到預期的理想處理指標，故需采用新的分離器元件加強分離效果[2-6]。

文中采用計算流體動力學模擬FLUENT軟件，對分離器中的新型氣液分離元件——TP板組內的流動過程進行數值模擬，研究不同因素對其分離性能的影響[7-11]。

1 TP板氣液分離性能模擬

1.1 TP板工作原理

TP板是一種折流板霧沫捕集器，主要用于氣液分離。折流板霧沫捕集器是根據物理慣性原理進行分離，當夾帶液滴或固體顆粒的氣流以一定的速度通過特殊設計成型的折流板時，流體流動方向在折流板組成的彎曲通道中會不斷發生急劇變化，液體和固體顆粒因慣性較大，易從主體氣流中脫離，撞擊折流板壁面而被捕集。氣體則能順利通過折流板通道排出。

TP板工作原理見圖1。

圖1 TP板工作原理圖

霧沫捕集器的多折向結構增加了霧沫被捕集的機會，未被去除的霧沫在下一個轉彎處經相同的作用而被捕集，如此反復，極大提高了分離效率。折流板的存在還增加了液滴相互碰撞的機會，液滴碰撞后會發生聚結、反彈、破碎。TP板的設計原則是使液滴碰撞后盡量發生聚結，減少反彈，而不發生破碎，因液滴破碎后粒徑減小，故分離難度加大，且容易造成二次夾帶。TP板結構排列具有周期性，各通道內流體存在相似的流動特征，因此建立單通道模型。由于重力方向與流動方向垂直，所以采用三維模型對其分離性能進行模擬。

1.2 分離效率評價指標

對TP板進行數值模擬的目的是衡量其分離效率，一般指宏觀分離效率。宏觀分離效率是對進入分離設備的全體分散相而言的，它不僅隨分離設備的分離特性而變化，而且對同一設備還隨分散相粒度分布的不同而不同。而實際介質中的分散相往往都是在一定范圍內的某種統計分布，且不同介質的粒徑分布形態相差很大，若以宏觀分離效率來評價分離設備的性能優劣，可能會出現在某處或某種工況下分離效果好的設備應用到工況條件變化的場合后，分離性能大幅下降的現象[12-18]。而粒徑分離效率是相對某一特定粒徑的分散相而言，其與分散相的粒徑分布無關，僅取決于分離設備對該粒徑分散相的實際分離能力。

為得到粒徑分離效率，選取粒徑5 μm、10 μm、20 μm和40 μm進行模擬計算分析，得到分離元件對某一粒徑的分離效率。同時，將各種粒徑按照Rosin-Rammler分布進行模擬，得到某一平均粒徑下的分離效率。

1.3 邊界條件和網格劃分

分離器筒體為圓筒，各通道高度不同，建模時取各TP板平均高度，為600 mm。TP板沿氣流方向尺寸為200 mm，2塊TP板的距離為10 mm。由于重力方向與流動方向垂直，無法采用二維模型，故采用三維模型對其分離性能進行模擬。

采用流體力學Gambit前處理軟件建立的2塊TP板組成的分離裝置單通道模型及網格劃分示意圖見圖2。

圖2 TP板模型及網格劃分

采用Fluent軟件中的dpm模型，基于以上邊界條件，對TP板的分離性能進行模擬。

2 TP板分離性能數值模擬結果及分析

2.1 液滴粒徑10 μm時分離性能

基于重力沉降方法進行分離時，由Stokes公式可知，分離效率與液滴粒徑的平方成正比，具體計算公式如下：

(1)

式中，η為分離效率；g為液滴浮升或者沉降速度，m/s；di為液滴粒徑，μm；ρdisp為分散相密度，ρcont為連續相密度，kg/m3；AT為橫截面積，m2；μcont為連續相動力黏度，Pa·s；qV為入口體積流量，m3/h。

當液滴粒徑較小時，需要相當低的入口流速，即很長的停留時間方能實現分離。因此，依靠重力沉降進行分離時，流體入口流速通常很低。文中計算的流體最小入口速度為0.012 5 m/s，該數值與一般重力分離器內流體流速相當。不同入口流速下10 μm離散相液滴在TP板內某一時刻的液滴軌跡見圖3。

當入口流速為0.012 5 m/s(圖3a)時，由于流速非常低，液滴停留時間足夠長，重力沉降效果明顯，基本實現了完全分離。

圖3 不同入口流速下TP板內某一時刻10 μm液滴軌跡

不同入口流速下距離底面200 mm高度橫截面的離散相質量濃度云圖見圖4。

圖4 不同入口流速下距底面200 mm高度截面上離散相質量濃度云圖

分析圖4可以發現，當入口流速為0.012 5 m/s時，TP板的曲折流道沒有起到分離作用，離散相在橫截面上基本均勻分布。后幾級TP板處離散相質量濃度降低是由于離散相在前幾級TP板上已因重力作用而沉降。離散相液滴在TP板流道內運動過程中，由于液滴發生碰撞，導致液滴表面破裂，小液滴聚結成了大液滴，加速了沉降。因此，與不考慮聚結過程相比，考慮聚結過程的TP板分離效率將會提高，也更加接近于工程實際。

從圖3～圖4可以看出，隨著入口流速的增加，重力的作用越來越弱，很多液滴還未沉降便被氣流帶出。當入口流速小于0.8 m/s時，TP板流道突然改變方向所引起的慣性力作用不明顯，入口流速處于0.1～0.8 m/s時分離效率很低。入口流速繼續增大時，慣性力的作用逐漸增強，TP板邊緣尤其是轉角處離散相質量濃度較高。由于慣性作用，大多數液滴在第1級TP板處即被分離，該作用在入口流速2.4～3.2 m/s時尤為顯著。而當入口流速進一步增大后，慣性力作用進一步增強，導致液滴發生破碎不易被除去，使分離效率再次降低。因此入口流速的增大應以保證液滴不發生破碎為宜。可以看出，存在一個最佳的TP板操作區間，將TP板的工藝參數設計在最佳操作區間內可提高其分離效率，同時提高處理量。

文中研究得到的TP板最佳分離速度在2.4～3.2 m/s。與重力沉降分離相比，采用慣性分離處理量可以提高約200倍。

為計算分離效率，提取出口含油量數值，通過與進口預設含油量的換算，得到其分離效率。通過對流場內部和出口進行采樣，可以得到液滴聚結程度。雖然進口為單一粒徑液滴，但在TP板流道內經過碰撞、聚結和破碎，得到的液滴不再是單一粒徑[19]，而是服從一定的統計分布。

不同入口流速下液滴粒徑為10 μm時TP板分離性能見表1。

表1 不同入口流速下液滴粒徑10 μm時TP板分離性能

從表1可以看出，當入口流體的流速比較低(0.0125 m/s)時，液滴在通道內緩慢沉降，同時發生碰撞、聚結，到達出口之前基本完全沉降。隨著入口流速的提高，很多液滴還未沉降便被氣流帶出TP板。當入口流速為0.1 m/s時，相對于重力沉降而言該速度過大，無法保證足夠的停留時間，而相對慣性分離而言，該速度又過低，無法產生足夠的慣性力，所以分離效率很低。當入口流速進一步增大超過1 m/s時，氣液分離以慣性分離為主，較大液滴全部被捕捉，能夠到達出口的是破碎后的小液滴，因此出口平均粒徑減小。當入口流速大于3.2 m/s后，液滴破碎較多，易造成二次夾帶。同時，入口流速過大也會使進、出口的壓差急劇增加，增加分離過程中的動力損耗。

液滴粒徑10 μm時TP板分離效率與入口流速關系曲線見圖5。圖5中分離效率曲線包含2個峰值，第1個峰值主要是重力沉降作用產生，而第2個峰值是慣性力作用而產生，使分離器在第2個峰值附近工作則可以極大提高處理量。合理設計分離速度，完全可使氣體中攜帶的98%粒徑大于10 μm的液滴被除去。

圖5 液滴粒徑10 μm時TP板分離效率與入口流速關系曲線

2.2 不同液滴粒徑下分離效果

改變液滴粒徑，TP板的分離效率也會隨之發生改變。不同液滴粒徑及入口流速下TP板的分離效率見表2和圖6。

表2 不同液滴粒徑及入口流速下TP板分離效率 %

從表2和圖6可以看出，當液滴粒徑比較小(5 μm、10 μm)時，液滴對氣流的跟隨性較好，分離效率曲線表現為2個峰值，第1個峰值主要由重力沉降作用產生，第2個峰值由慣性力作用產生。而液滴粒徑較大(20 μm、40 μm)時，第2個峰值不明顯，在所有流速下均表現出很高的分離效率。根據Stokes公式，液滴粒徑較大時，液滴沉降所需時間大幅縮短，因此入口流速提高仍能保證其沉降時間。而當入口流速提高到不能保證沉降時間時，慣性力作用開始顯現，表現為所有入口流速下分離效率均很高。假設產生足夠慣性力的臨界速度為vc，臨界速度下流體流過TP板的時間為tc，使液滴沉降時間小于tc的粒徑尺寸為臨界尺寸，當液滴粒徑大于臨界尺寸時，其分離效率不再隨入口流速的變化而變化，在所有入口流速下分離效率均很高。因此，對TP板進行設計優化時主要考慮粒徑在臨界尺寸以下液滴的分離效率。

圖6 不同液滴粒徑下TP板分離效率隨入口流速變化曲線

2.3 不同入口流速及液滴粒徑下分離效果

當分散相體積分數為5%時，選取具有代表性的入口流速0.012 5 m/s、0.025 m/s、0.4 m/s以及2.4 m/s，分析液滴粒徑分別為5 μm、10 μm、20 μm和40 μm時對TP板分離性能的影響，得到的分離效率曲線見圖7。

圖7 不同入口流速下TP板分離效率隨液滴粒徑變化曲線

從圖7可以看出，在相同入口流速條件下，TP板的分離效率隨液滴粒徑的增大而增大，并且二者之間非線性關系，可見粒徑增大可以大幅提高分離效率。采用TP板結構，增加液滴碰撞機會，使小液滴聚結成大液滴，是提高分離效率的途徑之一。

3 結語

采用Fluent軟件，針對不同粒徑、不同流速等工況，對用于氣液分離的TP板分離元件的分離特性進行了數值模擬分析，得到了液滴粒徑、流體入口流速等因素對TP板分離效率的影響規律。當液滴粒徑較小時，相同粒徑下TP板的分離效率隨入口流速的變化會出現2個峰值，第1個峰值主要由重力沉降作用產生，第2個峰值由慣性力作用產生。當液滴粒徑較大時，TP板分離效率幾乎不隨入口流速變化。相同入口流速下，TP板分離效率隨粒徑的增大而增大，并且成指數關系，粒徑增大可以大幅提高分離效率。采用TP板結構，增加液滴碰撞機會，使小液滴聚結成大液滴，是提高分離器分離效率的途徑之一。