臥式分離器固體顆粒分離性能試驗研究

許仁辭

廣州發展集團股份有限公司, 廣東 廣州 510000

0 前言

隨著開采進度推移,天然氣氣田出砂現象日益嚴重[1-3],在儲運過程中普遍存在出砂現象[4-5],嚴重威脅集輸管道和下游設備生產的正常運行,例如東方氣田[6],顆粒在聚結器大量沉積,誘發污水濾芯阻塞。臥式分離器[7]作為核心緩沖、氣液分離器設備的同時也具備分離固體顆粒的功能。天然氣分離設備隔板高度或液位[8-9]越高，氣體分離效果越低,液體分離效率越高。保持合理的液位高度對平衡氣體和液體分離效果十分關鍵。本文以現場分離設備模化后的實驗模型為對象,研究高氣液比(500/1)條件下液位、顆粒、液體流速等因素對分離效率的影響規律,為生產中設備固體顆粒分離和除砂提供參考。

1 試驗簡介

1.1 試驗系統

氣液固多相流體試驗流程見圖1,壓縮空氣氣源來自空壓機，通過緩沖罐,經過渦街流量計計量后進入混合器,同時固、液相通過小循環形成均勻穩定的混合流后,經電磁流量計進入混合器,氣液固三相混合后進入分離試驗段。在分離器入口和排液口處取樣測量進入和排除的固體顆粒粒徑、壓力等參數。試驗樣機以現場設備為模型進行模化,見圖2,其中模型長度L0= 1 100 m,內徑D0=365 mm，排氣管、排液管距基準面L′= 1 000 mm。

圖1 試驗流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental flow

圖2 分離器幾何結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of separator geometry

1.2 試驗條件與評價指標

試驗氣體介質為空氣,入口表觀流速為10 m/s;液體介質為清水,入口表觀流量為45～90 L/h;固體顆粒選用天然石英砂,密度為 2 605.46 kg/m3,體積濃度為0.2%,中位粒徑為63 μm。

實際中影響固體顆粒分離的機理較為復雜[10-11]且因素較多,包括流體的穩定性、顆粒濃度、沉降區幾何形狀等。本文對生產中常用的宏觀指標液體控制、入口液體流量和顆粒粒徑3個自變量因素進行研究,并采用分離效率和排液管中位粒徑進行分析。其中分離效率為分離器內沉積的顆粒質量和入口顆粒總質量的比值;排液管中位粒徑通過激光粒度儀測,記作無量綱長度α=L1/L′和高度β=H1/D0。

2 結果分析

2.1 單因素分析

2.1.1 液位對分離效率的影響

將液位無量綱高度β分別設置為1/8、1/4、3/8、1/2,不同液位條件下的分離效率見圖3。隨著β的增加,顆粒分離效率逐漸增大至90%,其中在入口液體流量45～60 L/h工況下,分離效率變化最為明顯,增幅約為15%。根據沉淀池理論[12-13],在高液位低流速條件下,液位升高后液體容量增加,沉淀池的表面負荷增大,提高了顆粒的去除率。而在入口來液流量不變的工況下,分離器內的液體有效停留時間增大,極大地抑制了入口處的慣性流和沉淀區的停滯區、異重流等。

圖3 不同液位條件下的分離效率圖Fig.3 Separation efficiency under different liquid level

隨著無量綱高度β逐漸增加,排液管中位粒徑隨液位增高逐漸增大到18 μm,見圖4。由于實驗介質屬于粉砂,粒徑基本小于100 μm,在沉降過程中[14-15]容易受到湍流或者局部湍流的影響呈現懸浮狀態。這類狀態的顆粒運動具有很強的不規則性。水體容量越大,溶液中單位空間顆粒濃度越小,顆粒的不規則運動越劇烈。可以看出液位升高后,排液口中位粒徑增加至18 μm。

圖4 不同液位條件下的排液管顆粒粒徑曲線圖Fig.4 Particle size of liquid discharge tube underdifferent liquid levels

2.1.2 入口液體流量對分離效率的影響

在入口液體流量45～90 L/h范圍內,分離效率逐漸降低至65%,見圖5。液流量增大后,液相分離區截面流通量增大,沉淀負載增大,不利于顆粒分離。此外,液相流速大時,顆粒隨液相進入分離器具備的水平方向速度大,有效沉降時間縮短。

圖5 不同液體流量條件下的分離效率曲線圖Fig.5 Separation efficiency under different liquid flow

在不同入口液體流量下,排液管中位粒徑分布基本穩定在6～18 μm,見圖6。從流體的性質分析,弗勞德數表征水流穩定性,即慣性力和重力的比值。弗勞德數越大,慣性力作用越強,水流越穩定。但是,提高水平流速的同時,也使得雷諾數增大,不利于分離。實際分離器中,水流斷面的流速分布不均勻,存在流速梯度。

2.1.3 顆粒粒徑對分離效率的影響

在液體流量45～90 L/h和無量綱高度β為0.25～0.5范圍內,取0～10、10～20、20～35、35～55、>65 μm五個粒段進行分離效率分析,見圖7。隨著顆粒粒徑的增大,分離效率均呈現出增大的趨勢,粒徑大于65 μm后,粒級分離效率超過95%。根據經典斯托克斯理論,顆粒粒徑越大,沉降速度越快,越容易被分離出來。

圖6 不同液體流量的排液管顆粒粒徑曲線圖Fig.6 Particle size of liquid discharge tube underdifferent liquid flow

a)Ql=90 L/h

b)Ql=45 L/h圖7 不同顆粒粒徑條件下的分離效率曲線圖Fig.7 Separation efficiency under different particle sizes

2.2 正交因素分析

通過單因素試驗,研究了液位、流量、粒徑三因素對分離性能的影響。正交試驗法[16-17]常被用來分析不同自變量對結果影響的顯著性。其中無量綱高度β分別為0.125、0.25、0.375、0.5;液流量分別為:45、60、75、90 L/h;顆粒中位粒徑分別為:10、20、35、55、65 μm,借助SPSS軟件[18]確定正交表格,研究不同水平條件下液位、入口液體流量、顆粒粒徑對分離的影響程度的大小,以便在設計和生產中采取有針對性方法控制,見表1。

表1 SPSS正交實驗表

Tab.1 SPSS orthogonal test

序號液位水平流量水平粒徑水平分離效率/(%)序號液位水平流量水平粒徑水平分離效率/(%)131268.921414232.51222254.361521375.38341176.371641383.16413122.031712485.05511594.201843253.32634597.941911485.36744480.072032152.53811252.502133354.55913586.462224126.271021597.182331483.061114359.662423483.101211125.792542595.851312368.97

方差分析法研究不同因子對分離性能的顯著程度,而極差分析則可以得到優選方案,主效應評價指標k1、k2、k3、k4、k5代表不同因子水平對分離效率影響的大小,極差R反映不同因子對分離效率影響的大小,R值越大對應該因子的影響越大,F值代表檢驗方法條件下F取值大小,用以判斷因子顯著性,見表2。采用極差法和方差法進行結果分析:顆粒粒徑、液位、入口液體流量的極差R值分別為35.33、11.58、10.29,對分離影響強度順序分別為:顆粒粒徑、液位、入口液體流量,最優水平分別為65 μm、0.5 D、45 L/h。在方差分析中,取顯著性水平γ=0.05并采用F檢驗法[19-20],顆粒粒徑、液位、入口液體流量的F值分別為3.38、3.91、24.65,因此在實驗范圍內,顆粒粒徑對分離效率的影響顯著,而液位、入口液體流量對分離效率的影響不顯著。

表2 正交實驗數據分析表

Tab.2 Data analysis of orthogonal test

k1k2k3k4k5RF較優水平因子主次自由度第三類平方和平均值平方液位76808488—123.38A 423990330入口液體流量85847675—103.91B 1331 146382顆粒粒徑62728291973524.65C 5149 6232 406

3 結論

單因素實驗表明,在高氣液比范圍內,當控制液位高度逐步增加至0.5 D,顆粒分離效率明顯改善;顆粒粒徑大于65 μm的顆粒分離效率較高,達到90%,受液位高度影響不明顯;出液管顆粒中位粒徑相對穩定分布在6～18 μm,因此在分離器下游固體顆粒防治時要重點針對該粒段的顆粒。正交實驗表明,對分離效率的影響大小依次為顆粒粒徑、液位和入口液體流量;在顯著性水平γ=0.05條件下,顆粒粒徑影響最為顯著,其他兩項不顯著。