高含硫天然氣分離器結構優化設計

王 孟 王樹濤 古小紅 汪沈陽 王詠梅

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司）

普光氣田集劇毒與強腐蝕性于一體， 帶來井控管理、 硫化氫防護及涉酸工程防腐蝕等一系列世界級難題。 為保證地面集輸系統的正常生產和安全運行， 提出采用氣液固三相旋流分離器進行分離， 從井口站場將氣井產出水和析出硫進行分離處理，實現分離器站場在線三相分離、不停產運行、 分離前/后天然氣的壓降對站場運行無影響，解決產出水和析出硫給集輸系統帶來腐蝕和硫沉積堵塞問題， 從而控制地層水和單質硫不進入或少進入集輸系統，提高外輸天然氣氣質，對減輕集輸系統設施的腐蝕和保證集輸管道的安全平穩運行具有重要意義［1］。

旋流分離是利用流體高速旋轉產生的離心力將密度不同的各相完成高效分離的一種技術。普光氣田天然氣流量大，含液、含硫濃度高，采用多管束取代大直徑單管的旋流入口裝置，可以大幅提高氣體負荷因子， 增加分離器處理能力，并改善分離效果；小直徑旋流管也會產生較高的離心力，具有消泡功能；氣相均布性好，增加液體處理能力，減小設備尺寸［2］。

筆者利用Fluent 對不同參數的分離器結構進行模擬，對比分離效率、壓降等參數選出最優結構。

1 單根旋流管尺寸優化

旋流分離器分離性能的提高主要是通過改變結構形式或調整結構尺寸來實現的。 隨著流場模擬和測試技術的提高，研究人員對旋流分離機理已經有了充分的認識，根據大量文獻記載的提高分離性能的不同方式， 主要是針對旋流管筒體、底流口、柱/錐段、溢流管及入口等結構展開研究［3］。

設計氣量采用600 000 m3/d，將氣量八等分，每根旋流管進氣量為75 000 m3/d，按此氣量進行旋流管初步設計，即采用Shepherd & Lapple 壓降模型和Mothes & Loffler 效率模型計算得到的結果：

壓降 69.42 kPa

筒體直徑 100 mm

分離效率 99.99%

柱段長度 150 mm

錐段長度 250 mm

溢流管直徑 50 mm

氣相入口寬度 20 mm

氣相入口高度 50 mm

底流口直徑 40 mm

采用Fluent 專用的前處理軟件ICEM 對旋流管進行網格離散化，首先將SolidWorks 建立的幾何模型（圖1）導入到ICEM 中，采用純四面體網格對幾何模型進行劃分（圖2）。

圖1 旋流管結構示意圖

圖2 旋流管網格劃分

1.1 筒體直徑

筒體直徑對旋流管的分離性能具有重要影響。 筒體直徑較小時，分離空間過小，分離腔內的流場產生強烈的湍動性能，使得流場不穩定，因而分離效率較低；筒體直徑過大時，分離空間過大，離心強度不足，造成分離效率下降。對比分析筒體直徑分別為80、90、100、150、200、250、300 mm 時的分離效率和壓降（圖3）。 根據圖3 所示結果，確定旋流管筒體直徑100 mm 為最優參數［4］。

圖3 不同筒體直徑旋流分離器分離效率與壓降

1.2 底流口直徑

底流口直徑是影響旋流管分離性能的重要因素之一。 底流口直徑減小時，底流氣體分流比減小，返混現象嚴重，造成分離效率降低；增大底流口直徑固然有利于提高分離性能，但超過限度亦會使其分離效果惡化、破壞其分離作用。 對比分析底流口直徑分別為40、60、70、80、90 mm 時的分離效率和壓降（圖4）。 根據圖4 所示結果，確定底流口直徑90mm 為最優參數。

圖4 不同底流口直徑旋流分離器分離效率與壓降

1.3 柱/錐段高度

柱/錐段作為旋流分離器的分離腔，其尺寸大小影響著旋流器內部流場的強弱，進而對分離性能產生影響。對比分析柱段高度為100、125、150、175、200 mm 和錐段高度為200、250、300 mm 的8組柱/錐段高度對分離效率和壓降的影響（圖5）。根據圖5 所示結果，確定柱段高度100mm、錐段高度300mm 為最優參數。

圖5 不同柱/錐段高度旋流分離器分離效率與壓降

1.4 溢流管尺寸

旋流分離器中溢流管作為凈化氣體的排出管，其設計因素主要包括溢流管插入深度、直徑和高度。 對比分析了5 組插入深度、10 組溢流管高度和4 組溢流管直徑的分離效率與壓降（圖6）。 根據圖6 所示結果，確定插入深度60 mm、溢流管高度250 mm、溢流管直徑55 mm為最優參數。

圖6 不同溢流管尺寸的旋流分離器分離效率與壓降

1.5 入口截面尺寸

對于矩形進口的旋流分離器，Kelsall 發現狹長型矩形入口能使分離性能得到明顯改善；Khairy Elasyed 等模擬了不同進口尺寸對旋流器內流場和分離性能的影響，發現增大矩形進口尺寸，旋流器中最大切向速度變小，且進口寬度的影響更顯著，因此，選取了入口截面尺寸分別為15 mm×66 mm、18 mm×56 mm、20 mm×50 mm、25 mm×40 mm、31 mm×32 mm，研究不同入口截面尺寸對分離效率和壓降的影響（圖7）。 根據圖7可確定入口截面尺寸20 mm×50 mm 為最優參數。

圖7 不同入口截面尺寸旋流分離器分離效率與壓降

2 旋流管布局形式設計

常見的多管旋流分離器入口形式主要包括迎風入口結構、多管束并聯入口結構和多管束旋流入口結構，如圖8 所示。

圖8 旋流分離器入口結構示意圖

2.1 迎風入口結構

迎風入口結構采用切向入口，旋流管由上下兩個隔板固定，8 根旋流管均為迎風入口，周向排布。 這種形式多用于氣體壓縮機出入口的氣液分離，如分餾塔冷凝冷卻器的氣相除霧、氣體除塵、油水及液固分離等場合。

對比研究旋流管處于設備不同直徑同心圓處時壓降和入口流量標準差，結果見表1。 根據表1結果，確定同心圓直徑為1 000 mm 時性能最優。

表1 旋流管不同位置時的分離性能

2.2 多管束并聯入口結構

多管束并聯入口結構采用8 根旋流管分兩排排布， 氣液固混合物經入口切向進入旋流管，實現入口分布。

對多管束并聯分配入口，分別設計旋流管間距分別為163、191、229 mm， 入口流量分布的模擬測試研究，由表2 可知，多管束并聯入口流體分配均勻性較好， 并且隨著旋流管間距變化時，分布情況差異不明顯。

表2 旋流管不同間距時的分離性能

2.3 多管束旋流入口結構

多管束旋流入口結構包括能夠通入流體的中心分流管和環繞分布的旋流管，旋流管入口與中心分流管的側壁出口相通，中心分流管的底部設有錐形分布器，進入到中心分流管的流體能夠切向進入到旋流管內［5］。

改變傾斜角度和入口直徑，設計了9 種不同多管束旋流入口結構，具體規格和相應的壓降列于表3。由表3 可知，采用8 號多管束旋流入口結構時，流體分布性能較好，入口流量標準差最小。

表3 不同多管束旋流入口結構的分離性能

3 三相分離器整體性能分析

3.1 三相分離器結構參數

根據前兩部分的優化結果，最終確定三相分離器單根旋流管尺寸如下：

筒體直徑 100 mm

底流口直徑 90 mm

柱段高度 100 mm

錐段高度 300 mm

溢流管插入深度 60 mm

溢流管長度 250 mm

溢流管直徑 55 mm

入口截面尺寸 20 mm×50 mm

確定旋流管布局形式為多管束旋流入口，傾斜角度27°，入口直徑25 mm。

3.2 三相分離器整體性能

分離器處理氣量變化范圍設為100 000～650 000 m3/d， 三相分離器的不同進氣工況見表4。

表4 不同進氣工況

工程中最常用的評價分離效能的指標是總分離效率，但對表征某個具體的旋流分離器是不全面的，因為旋流分離器的分離工作是針對某一固定的顆粒群而言， 并且在不同生產條件下，分離器處理的顆粒粒徑大小分布存在較大差異。 本項目中固液顆粒滿足Rossin-Rammler 分布，選取R-R 分布固/液相、8 μm 固/液相和10 μm 液相，研究不同進口氣速下的分離效率（圖9）。 從圖9中可以看出，隨著進口氣速的增大，分離效率先增大后有所減小，數值均保持在85%以上；并且隨著液滴粒徑由10 μm 減小到8 μm， 分離效率由90%下降到85%［6］。

圖9 不同進口氣速下三相分離器分離效率

壓降是評價旋流分離器性能的重要指標，壓降越大表明能量消耗越多。 不同進口氣速下三相分離器壓降如圖10 所示。 隨著進口氣速的增大，三相分離器的壓降呈指數級逐漸增大。 這是由于隨著進口氣速的增大， 旋流管內離心力增強，旋流強度增大，壓力損失增加。

圖10 不同進口氣速下三相分離器壓降

4 結論

4.1 通過對不同尺寸單根旋流管進行優化，得出筒體直徑100 mm，底流口直徑90 mm，柱段高度100mm，錐段高度300mm，溢流管插入深度60mm，溢流管長度250 mm，溢流管直徑55 mm，入口截面尺寸20 mm×50 mm 為旋流管最優結構參數。

4.2 通過對分離器不同入口形式進行性能分析，最終確定多管束旋流入口結構流體分布性能最好。

4.3 原料氣流量在100 000～650 000 m3/d 之間變化時， 三相分離器的壓降呈指數級逐漸增大，但分離器非氣相脫除率可達85%以上，整體性能優越，能夠滿足實際工程需要。