氣液分離閃蒸撬折流板分離特性試驗(yàn)

麻宏強(qiáng),丁瑞祥,韓喜蓮,王 麗

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,南昌 330013;2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730050)

在天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域及油氣田地面工程中,管道內(nèi)的水合物很有可能產(chǎn)生段塞流,對(duì)下游壓縮機(jī)等設(shè)備造成巨大危害。因此,有必要對(duì)天然氣進(jìn)行氣液分離處理,減少對(duì)管道的堵塞及腐蝕。常規(guī)的慣性式氣液分離設(shè)備是天然氣站脫水工藝中常用的分離設(shè)備,折流板作為慣性式氣液分離設(shè)備中重要的分離元件,起到了聚結(jié)小尺寸液滴的作用,小液滴附著在折流板后形成直徑更大的液滴,當(dāng)自身重力大于表面張力時(shí),液滴順著折流板的排液結(jié)構(gòu)流出而達(dá)到氣液分離的效果。

目前,國(guó)內(nèi)、外對(duì)于折流板分離性能的試驗(yàn)研究主要是針對(duì)不同的折流板型式[1-3],如Monat等[4-5]利用激光干涉儀對(duì)不同型式的折流板分離性能進(jìn)行了比較分析;楊建東等[6]設(shè)計(jì)了一種蛇形折流板,分析了不同參數(shù)下分離效率的變化情況;朗方年等[7]試驗(yàn)研究了折流板葉片間距、葉片彎曲角、進(jìn)口風(fēng)速、液滴直徑等因素對(duì)分離性能的影響規(guī)律。在數(shù)值模擬方面,起初主要針對(duì)折流板內(nèi)部液滴運(yùn)動(dòng)軌跡、液滴沉積行為等[8-11]。其后,涌現(xiàn)出了大量關(guān)于折流板型式和結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)分離性能影響的研究,如,Wang等[12]模擬分析了液滴在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡、分離器出口液滴尺寸分布,葉片幾何形狀對(duì)分離效率和壓降的影響;Wang等[13]數(shù)值分析了不同結(jié)構(gòu)型式的折流板分離器內(nèi)的壓降特性、湍動(dòng)能、液膜厚度等參數(shù)變化。但目前對(duì)于折流板型式的研究主要以帶鉤的V型和折線型為主,并且氣液分離設(shè)備中其他元件對(duì)折流板分離性能綜合影響的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

本文搭建了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)折流板分離特性研究的試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),研究了入口處液氣比、折流板型式、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)型式、連通管狀態(tài)對(duì)分離性能的影響。基于極差分析法和方差分析法確定了影響分液側(cè)折流板的分離效率及流動(dòng)阻力特性的主要因素,并對(duì)各影響因素進(jìn)行了顯著性分析,最終確定了相應(yīng)運(yùn)行條件下的最優(yōu)組合形式。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及搭建

本文搭建了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)折流板分離特性研究的試驗(yàn)平臺(tái),其分液側(cè)主要由上部的分離腔、下部的集液筒、折流板、入口導(dǎo)流板、連通管等結(jié)構(gòu)組成。為了更好地觀察分離器內(nèi)流體流動(dòng)情況,在上部分離腔側(cè)筒壁設(shè)計(jì)了觀察口。分離腔與下部集液筒通過(guò)法蘭連接。為方便試驗(yàn)過(guò)程中更換折流板和導(dǎo)流板構(gòu)件,在分離腔中間也采用了法蘭連接。整個(gè)分液側(cè)氣液分離器如圖1所示。圖2為分液側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖,分離過(guò)程包括不同的分離段,首先是入口初級(jí)分離段,在分離腔流體入口處的導(dǎo)流板可以降低進(jìn)入的氣流流速,增加氣流在分離腔內(nèi)的停留時(shí)間;其次是二級(jí)沉降分離段,在分離腔內(nèi)的折流板可以借助重力沉降原理和慣性分離原理來(lái)保證氣液分離效果;最后是除霧段,在分離腔氣相出口處的捕霧器捕集被氣流攜帶的小直徑液滴;連通管可以排走分離腔內(nèi)流體,有效地避免液滴的二次夾帶。

圖1 分液側(cè)氣液分離器

圖2 分液側(cè)結(jié)構(gòu)示意

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同型式的折流板及導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)。其中,折流板型式有蜂窩型、折線型、梯形3種,導(dǎo)流板設(shè)計(jì)了不同角度、深度的樣式。圖3、4分別為折流板和導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)圖,導(dǎo)流板具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 折流板結(jié)構(gòu)型式

圖4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)裝置主要由空氣壓縮機(jī)、水泵、水箱、超聲波空氣霧化噴嘴、分液側(cè)分離器等組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。整個(gè)氣液分離試驗(yàn)方案具體為:首先,氣體經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)加壓,液體經(jīng)水泵加壓;入口氣液參數(shù)分別經(jīng)液體渦輪流量計(jì)、熱式氣體流量計(jì)計(jì)量,空氣通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。然后,兩者進(jìn)入超聲波空氣霧化噴嘴,經(jīng)霧化后的液體以霧狀小液滴的形式進(jìn)入分液側(cè)。最后,兩相混合物在氣液分離裝置內(nèi)完成了分離工作,通過(guò)分離筒上端的壓力表來(lái)精確記錄分離腔內(nèi)部壓力。試驗(yàn)選取空氣和水作為試驗(yàn)物料,試驗(yàn)過(guò)程中用到的主要設(shè)備參數(shù)如下:空氣壓縮機(jī),設(shè)備型號(hào)OTS-1500×2,額定排氣壓力0.7 MPa,公稱(chēng)排氣量280 L/min;循環(huán)泵,設(shè)備型號(hào)LRS25-6,最大流量65 L/min,最大揚(yáng)程6 m;超聲波霧化噴嘴,設(shè)備型號(hào)SV980-30,進(jìn)氣壓力0.3 MPa,進(jìn)水壓力0.5 MPa;渦輪流量計(jì),設(shè)備型號(hào)LW,工作壓力≤1.6 MPa,量程0.5～6.0 m3/h,精度等級(jí)0.5;熱式氣體流量計(jì),設(shè)備型號(hào)GLP-300,工作壓力≤4.0 MPa,量程0.5～290.0 m3/h,精度等級(jí)1.0;壓力表,設(shè)備型號(hào)MIK-Y190,氣體管路測(cè)量范圍0～0.6 MPa,精度等級(jí)1.0;壓力表,設(shè)備型號(hào)YE-100,量程0～1.0 kPa,精度等級(jí)2.5;電子秤,設(shè)備型號(hào)慧新,量程0～10 kg,分度值0.1 g。本試驗(yàn)的核心部件是超聲波霧化噴嘴,通過(guò)超聲波霧化噴嘴可以將氣、液兩相均勻地混合、霧化。圖6為霧化噴嘴,分別設(shè)有氣相和液相兩個(gè)入口,超聲波霧化噴嘴與分液側(cè)入口管相連接,使得霧化后的混合物經(jīng)噴霧出去直接進(jìn)入分離腔進(jìn)行下一步的分離工作。

圖5 試驗(yàn)裝置示意

圖6 霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2 試 驗(yàn)

本文探究了不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、折流板型式、連通管狀態(tài)、入口流體液氣比組合時(shí)的折流板分離效率和壓降的變化規(guī)律。

為減小不必要的誤差,在試驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)試驗(yàn)管道及試驗(yàn)裝置進(jìn)行潤(rùn)濕、清洗。試驗(yàn)流程如圖7所示,其具體步驟為:

圖7 試驗(yàn)流程

1)試驗(yàn)開(kāi)始前檢查裝置的各部位是否連接緊密(空氣壓縮機(jī)出口管路的氣密性以及水箱出液管的密封性),對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行調(diào)零。給水箱加水使整個(gè)液體管路充水、潤(rùn)濕5～10 min,檢查液體管路的密封性,然后將水排干凈后;

2)試驗(yàn)開(kāi)始后用秒表記錄試驗(yàn)時(shí)間,啟動(dòng)空氣壓縮機(jī),調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)后的壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)氣體流量至設(shè)定值;

3)啟動(dòng)水泵給液體管路通水,觀察渦輪流量計(jì)讀數(shù),使用管路的閥門(mén)細(xì)調(diào)液體流量至設(shè)定值;

4)待氣體管路壓力表、熱式氣體流量計(jì)及液體渦輪流量計(jì)數(shù)值波動(dòng)幅度很小時(shí)讀取折流板兩側(cè)壓力計(jì)讀數(shù)和液體管路流量值;

5)試驗(yàn)結(jié)束后,先后關(guān)閉水泵、空氣壓縮機(jī)。打開(kāi)集液筒的閥門(mén)讓液體從排液口閥門(mén)排出并收集排出液,當(dāng)無(wú)連續(xù)的液滴流出時(shí)可以認(rèn)為排液結(jié)束,進(jìn)行稱(chēng)量計(jì)算,從而獲得收集液質(zhì)量;

6)切斷電源,整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

3 分離性能評(píng)價(jià)及誤差分析

3.1 分離性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)4個(gè)部分組成。進(jìn)水系統(tǒng)是指從水箱到超聲波霧化噴嘴段;進(jìn)氣系統(tǒng)是指從壓縮機(jī)出口到分液側(cè)入口段;氣液分離系統(tǒng)主要是指分液側(cè)的分離腔部分;測(cè)量系統(tǒng)主要是指對(duì)氣相、液相管路流量、折流板前后壓降以及分離效率的計(jì)量。本文主要通過(guò)折流板的分離效率和壓降對(duì)其分離性能進(jìn)行評(píng)價(jià),其測(cè)量方法如下:

1)壓降的測(cè)量。折流板前、后的壓降是衡量氣液分離設(shè)備能耗大小的一個(gè)的重要指標(biāo),試驗(yàn)中在折流板前、后的分離腔上端安裝了數(shù)顯式兩相壓力表,用于精確的獲得折流板前后的壓力,從而可以求得氣流進(jìn)入折流板前后的壓降。

2)入口流量的測(cè)量。在氣相管路和液相管路分別設(shè)置了液體渦輪流量計(jì)和熱式氣體流量計(jì)用于計(jì)量?jī)蓚€(gè)管路的流量。分液側(cè)入口的氣液兩相混合物的流量通過(guò)質(zhì)量守恒原理即可以獲得。

3)收集液及分離效率的測(cè)量。電子臺(tái)秤主要用于測(cè)量收集液的質(zhì)量。試驗(yàn)分離效率通過(guò)稱(chēng)重法可以獲得,具體方法為:試驗(yàn)開(kāi)始后用計(jì)時(shí)器記錄試驗(yàn)時(shí)間,試驗(yàn)過(guò)程中記錄10組液體流量計(jì)的讀數(shù),取其平均值作為入口液體流量,Ve1。試驗(yàn)結(jié)束后用電子臺(tái)稱(chēng)計(jì)量5 min內(nèi)的收集液質(zhì)量,并記為M2。

每一組試驗(yàn)分別測(cè)量10組平行樣,當(dāng)10次測(cè)量的收集液質(zhì)量差不超過(guò)2%時(shí),其平均值即可作為收集液的量。因此,在試驗(yàn)過(guò)程中記錄下液體渦輪流量計(jì)的讀數(shù),取10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為流入的液體總質(zhì)量,記為M1。則分離效率計(jì)算式為

(1)

式中:M2為直接測(cè)量質(zhì)量,kg;M1為流入的液體總質(zhì)量,等于入口液體流量Ve1和其密度ρl的乘積,kg。

3.2 誤差分析

試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量氣相和液相管路的流量、氣流流經(jīng)折流板前、后壓降、排液口排出的液體質(zhì)量等參數(shù)。測(cè)量?jī)x表精度表征了測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值相符合的程度[14],合理地選擇儀表的量程,以及選擇準(zhǔn)確度較高的儀表都能有效地提高測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量。本試驗(yàn)選用的測(cè)量設(shè)備參數(shù)如下:渦輪流量計(jì),測(cè)量范圍0.5～5.0 m3/h,允許誤差0.03 m3/h;熱式氣體流量計(jì),測(cè)量范圍0.5～290.0 m3/h,允許誤差2.895 m3/h;壓力計(jì),測(cè)量范圍0～0.6 MPa,允許誤差0.006 MPa;壓力計(jì),測(cè)量范圍0～1.0 kPa,允許誤差0.025 kPa;電子秤,測(cè)量范圍1～10 kg,允許誤差0.1 g。

間接獲得的數(shù)值與直接測(cè)量的數(shù)值之間必然存在誤差的傳遞,因此有必要將這個(gè)誤差控制在合理的范圍內(nèi)[15]。根據(jù)所測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果以及表3中數(shù)據(jù),計(jì)算可得分離效率的最大相對(duì)誤差為4.17%,壓降的最大相對(duì)誤差為8.00%,兩者相對(duì)誤差都小于10.00%,說(shuō)明測(cè)量設(shè)備選擇合理。

4 討論與分析

為了確定不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、折流板型式、連通管狀態(tài)、入口流體液氣比等對(duì)分液側(cè)分離效果的影響,以折流板分離效率及壓降為試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。利用標(biāo)準(zhǔn)正交表設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案并進(jìn)行結(jié)果分析,找到影響分離性能的主要因素及最佳方案[16]。

4.1 極差分析

極差分析法又稱(chēng)直觀分析法,它具有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀、易懂等優(yōu)點(diǎn),是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法[17]。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)入口氣體流量為12 m3/h,入口液體流量為25、35、45、55 L/h,將二者結(jié)合通過(guò)液氣比水平來(lái)表征,選取了4個(gè)因素4個(gè)水平,見(jiàn)表2。利用正交表安排了試驗(yàn)組,共進(jìn)行了16組試驗(yàn),n=16。

表2 因素水平表

采用極差分析判斷上述各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的敏感性,以j表示各因素的水平,則Sj(j=1,2,3,4)為16個(gè)試驗(yàn)組中各因素對(duì)應(yīng)水平的試驗(yàn)標(biāo)之和;Kj為各因素水平所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的平均值;R為各因素的極差,計(jì)算式如下:

R=max{K1,K2,K3,K4}-min{K1,K2,K3,K4}

(2)

基于上述計(jì)算方法,極差分析結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)的設(shè)置及結(jié)果

由表4的分離效率極差分析結(jié)果可知,各因素的極差R的大小依次為A>C>B>D,意味著影響新型氣液分離閃蒸撬分液側(cè)氣液分離效果的最主要因素為折流板結(jié)構(gòu)型式,次要因素為液氣比,最次要的因素為導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)和連通管狀態(tài)。由表5的壓降極差分析結(jié)果可知,極差R的大小排序?yàn)镃>A>B>D,說(shuō)明相比其他因素,連通管狀態(tài)對(duì)壓降影響最小,液氣比對(duì)壓降影響最大,折流板結(jié)構(gòu)型式和導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)壓降影響適中。

表4 分離效率極差分析結(jié)果

表5 壓降極差分析結(jié)果

圖8為各因素水平與分離效率平均值的關(guān)系圖,可以看出,各因素的最優(yōu)水平組合為A3B3C2D1,即選用水平梯形折流板、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105、液氣比為2.917‰、連通管狀態(tài)關(guān)閉時(shí)的組合最優(yōu)。這是因?yàn)檎哿靼遄鳛榉蛛x腔內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)件,對(duì)分離效果起著至關(guān)重要的作用;在幾種折流板型式中,水平梯形折流板在分離過(guò)程中不會(huì)有分離死角,液滴與一定角度的葉片撞擊后,部分液滴很容易在葉片第1、2、3級(jí)葉片上形成很薄的一層液膜并順著壁面壁面滑落,而后從排液孔流出,此時(shí)液滴直徑較大不會(huì)被氣流攜帶從出口逃逸,因此水平梯形折流板分離效果較好。導(dǎo)流板在分離腔內(nèi)主要起到了緩沖作用,使得進(jìn)入的氣流速度很快降下來(lái)。導(dǎo)流板深度過(guò)大會(huì)使得緩沖作用降低,由于進(jìn)入的氣流夾帶了大量的液滴,導(dǎo)流板深度過(guò)小也會(huì)使得氣流速度急劇變化,不利于液滴的分離,因此相比其余結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板,參數(shù)為180/102/105的導(dǎo)流板作用更佳。

圖8 分離效率極差分析圖

由于任何氣液分離器處理液量的能力都是有限的,而在有限的液量處理范圍內(nèi)選擇合適的液氣比可以很好地提高氣液分離設(shè)備的處理效率;連通管主要起到了平衡分離腔內(nèi)壓力的作用。所以,結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果可知,在液氣比為2.917‰,連通管關(guān)閉時(shí)分離效果更好。

對(duì)于氣液分離設(shè)備而言,壓降指標(biāo)越小,說(shuō)明能耗越小。結(jié)合圖9可確定對(duì)于折流板前后壓降指標(biāo)而言,各因素的最優(yōu)水平組合為A4B3C4D1,即折流板為蜂窩型,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105,液氣比4.583‰,連通管關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的組合最優(yōu)。

圖9 壓降極差分析圖

4.2 方差分析

極差分析法直觀、計(jì)算量很小,但不能對(duì)誤差做出估計(jì),無(wú)法得知分析的精度。而方差分析彌補(bǔ)了極差分析法的不足[18]。

在方差分析法中,用F值來(lái)檢驗(yàn)各因素的顯著性影響,其計(jì)算式為

(3)

考察指標(biāo)分離效率及折流板壓降產(chǎn)生的總差異用SS表示,由折流板型式引起的分離效率及壓降的變化SSA表示,類(lèi)似的用SSB、SSC、SSD、SSE分別表示由導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)尺寸、液氣比、連通管狀態(tài)、試驗(yàn)誤差引起的分離效率及壓降的平方和。平方和值越大則說(shuō)明因素對(duì)考察指標(biāo)的影響越大。顯然,

SS=SSA+SSB+SSC+SSD+SSE

(4)

均方可用MSS表示,計(jì)算式為

MSS=SSj/dfj

(5)

式中,dfj為因素自由度。

表6為分離效率方差分析結(jié)果,由于D項(xiàng)(連通管)為其中均方最小值,為了提高分析精度,故將D項(xiàng)合并到誤差項(xiàng)中。查詢(xún)3種類(lèi)型即1%、5%、10%的F檢驗(yàn)臨界值表,查得F0.01(3,6)=9.78,F0.05(3,6)=4.76,F0.10(3,6)=3.29。當(dāng)F值大于F0.01時(shí),說(shuō)明該因素特別重要,記“**”;當(dāng)介于F0.01～F0.05之間時(shí),說(shuō)明該因素重要,記“*”;當(dāng)介于F0.05～F0.10時(shí),說(shuō)明該因素有一定的影響,記“(*)”;當(dāng)小于F0.10時(shí)可以認(rèn)為該因素幾乎沒(méi)有影響。從表8中可以看出,折流板型式的F值最大,且介于F0.01(3,6)和F0.05(3,6)之間,說(shuō)明折流板型式是影響分離效率的重要因素,其變化對(duì)分離效率影響顯著。此外,還可以看出分離效率各因素的方差大小依次為A>C>B,與上文的極差分析結(jié)果相同。

表6 分離效率方差分析結(jié)果

表7為壓降方差分析結(jié)果,同理,將D項(xiàng)(連通管)與誤差項(xiàng)合并,得到壓降各因素的方差大小依次為C>A>B,與上文的極差分析結(jié)果相同。A、B、C項(xiàng)對(duì)應(yīng)的F值皆小于F0.10的值,說(shuō)明A、B、C、D對(duì)壓降的影響都不顯著,整個(gè)分離腔內(nèi)壓力變化很小。

表7 壓降方差分析結(jié)果

5 結(jié) 論

1)對(duì)于分離效率指標(biāo)而言,當(dāng)折流板型式為水平梯形或蜂窩型,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105或120/102/105,液氣比為2.083‰～2.917‰,連通管狀態(tài)關(guān)閉時(shí),分離效率較高;折流板型式是影響分離效率的重要因素。

2)對(duì)于壓降指標(biāo)而言,當(dāng)折流板型式為蜂窩型或垂直梯形,導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)為180/102/105或120/102/105,液氣比為3.750‰～4.583‰,連通管關(guān)閉狀態(tài)時(shí),整個(gè)氣液分離過(guò)程中的壓降較小;上述4種因素對(duì)于壓降指標(biāo)均無(wú)顯著影響,說(shuō)明整個(gè)分離腔內(nèi)壓力變化較小。