高含氣螺旋柱狀氣液分離器的分離規律研究

目前關于螺旋氣液分離器的研究大多側重于低含氣體積分數條件下的分離性能，高含氣體積分數下的分離性能研究相對較少。為此，對比了螺旋氣液分離器在低含氣和高含氣條件下的質量分數場變化規律，并對其在低含氣和高含氣條件下底流出口含氣體積分數、脫液效率、脫氣效率以及切向速度場進行了分析。研究結果表明：入口含氣體積分數在不斷上升過程中，當達到50%時，氣相幾乎均勻分布在整個氣液分離器，氣液分離器當中已經沒有明顯的液相集中區域；當達到70%時，底流含氣體積分數最高達到了49.5%，底流出口攜氣嚴重，同時脫液效率由最初的96.9%下降到55.4%，脫氣效率由43.9%提高到80.8%。研究結果可為螺旋氣液分離器在高含氣條件下的模型結構優化設計提供理論依據。

螺旋柱狀氣液分離器；高含氣；流體域模型；數值模擬；流場分布

中圖分類號：TE934

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.012

基金項目：國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目“同井注采井筒關鍵湍流場域離散相運聚機理及動力學行為研究”（U21A20104）；黑龍江省自然科學基金重點項目“多場多相耦合強化分離機理及性能研究”（ZD2020E001）。

Separation Law of High Gas Content Spiral Cylindrical Gas-liquid Separator

Ji Hao" Zhao Lixin" Liu Lin

（School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University；Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multi-phase Media Treatment and Pollution Prevention）

At present，the research on spiral gas-liquid separator mostly focuses on the separation performance under low gas volume fraction conditions，and there is relatively little research on that under high gas volume fraction conditions.To solve this problem，the concentration field changes of the spiral gas-liquid separator under low and high gas content conditions were compared，and the gas volume fraction at apex，liquid removal efficiency，degassing efficiency and tangential velocity field of the spiral gas-liquid separator under low and high gas content conditions were analyzed.The research results show that during the continuous increase of the gas volume fraction at inlet，when it reaches 50%，the gas phase is almost uniformly distributed throughout the gas-liquid separator，and there is no obvious liquid phase concentration area in the gas-liquid separator.When the gas volume fraction at inlet reaches 70%，the maximum gas volume fraction in the bottom flow reaches 49.5%，and the apex carries gas severely；meanwhile，the liquid removal efficiency decreases from the initial 96.9% to 55.4%，and the degassing efficiency increases from 43.9% to 80.8%.The research results provide theoretical basis for the model structure optimization design of spiral gas-liquid separators under high gas content conditions.

spiral cylindrical gas-liquid separator；high gas content；fluid domain model；numerical simulation；flow field distribution

0" 引" 言

螺旋柱狀氣液分離器是一種結構簡單的氣液分離器，具有處理流量大、能適應不同的操作壓力和溫度、占地面積較小和制造維護費用低等優點［1］，被廣泛應用于石油化工等領域［2-4］。

季豪，等：高含氣螺旋柱狀氣液分離器的分離規律研究

諸多學者研究了不同的結構參數、操作參數對螺旋氣液分離器流場的影響。周幗彥等［5］研究了螺旋葉片的螺距對氣液分離效率的影響，研究發現，當螺距增加時，氣液分離效率表現出先上升后下降的趨勢；付靜［6］研究了處理量對氣井井下螺旋式氣液分離器分離效果的影響，結果表明，大處理量會導致分離器內的流體轉速過快，使液滴承受更大的切應力而破碎成更小的液滴，增加了分離難度；E.S.ROSA等［7］發明了一種氣液分離的螺旋葉片式氣液分離器，利用螺旋結構產生離心力，從而將氣液分離，解決了氣液分離過程中的阻塞問題；A.R.KHANCHI等［8］利用正交法確定了螺旋分離器的最佳洗滌條件，結果表明，稀土精礦的進料量和進料粒度比其他操作參數的影響更為顯著。

然而，在過去的研究中，大多數關于螺旋氣液分離器的研究側重于低含氣體積分數條件下的分離性能，高含氣體積分數下的分離性能研究相對較少，因此對于這一領域缺乏深入了解。為此，筆者研究了螺旋氣液分離器高含氣體積分數下的分離性能影響規律。研究結果可為實際工業應用提供借鑒，為螺旋柱狀氣液分離器的應用提供參考。

1" 工作原理

螺旋柱狀氣液分離器是利用螺旋流道產生的離心力來進行氣液分離的一種工業設備［9-10］，其中氣液兩相混合物以一定初速度由軸向入口進入氣液分離器內部，氣液混合物經螺旋流道強制導流后，直線流動轉變為以切向速度為主的高速旋轉流動，進而產生離心力。氣液兩相由于密度相差較大，所受到的離心力也有很大的差別，由此促使氣液兩相流實現分離。其中密度大的液體在螺旋運動過程中先朝分離器的筒體內壁方向運動，再向下運動，并由底流口排出；而氣相則在離心力的作用下運動到筒體中心，再向上運動并由溢流口排出。如圖1所示。

2" 流體域模型建立

2.1" 流體域的構建

利用SolidWorks開展流體域建模，螺旋柱狀氣液分離器的流體域結構（見圖2）主要由外筒、螺旋流道、頂部入口、溢流出口和底部底流出口組成。過軸向端面作截面S1以方便對后續流場進行分析。截面S1位于距離外筒底部50 mm處。主要尺寸參數分布如圖3所示。

其中主直徑（D）為75 mm，其他各參數以主直徑的倍數表示，即：總長度（L）為7.70D，螺旋流道長度（L1）為0.80D，入口段長度（L2）為0.96D，溢流出口直徑（D1）為0.16D，底流出口直徑（D2）為D。

2.2" 網格劃分

使用ICEM CFD軟件對流體域進行六面體結構網格劃分，其流體域結構網格劃分如圖4所示。

2.3" 網格無關性驗證

在開展Fluent模擬時，進行網格無關性驗證是至關重要的步驟之一。過多的網格單元會延長計算時間［11］，而過少的網格單元可能無法準確捕捉流體流動中的細節和特征。本次網格劃分將采用5個不同的網格水平，分別為165 238、351 687、513 282、725 496、956 329。底流含氣體積分數能直接反映氣液分離器的氣液分離性能，因此以底流含氣體積分數為檢驗標準。網格無關性驗證如圖5所示。從圖5可見，水平3～5對應的曲線圖顯示底流含氣體積分數比較平穩，最終決定在平衡數值模擬準確性和計算時間的基礎上，采用513 282網格劃分水平。

3" 數值模擬

3.1" 參數邊界和計算條件的設置

主要參數設置為：液相以水相作為連續相，密度為998.2 kg/m3，動力黏度為0.001 003 Pa·s；氣相以空氣相作為離散相，密度為1.225 kg/m3；動力黏度為1.789 4×10-5 Pa·s。在數值模擬中不考慮氣泡的聚并和破碎，即對于一個特定工況而言，氣泡粒徑在數值模擬計算過程中保持不變，氣相粒徑為0.12 mm。

邊界條件設置為：入口采用速度入口（Velocity-inlet），底流出口和溢流出口均為自由流出口（outflow）；算法采用SIMPLE壓力-速度耦合算法，選用壓力基隱式求解器進行穩態求解；動量方程及離散格式均采用QUICK，壓力離散采用PRESTO！；壁面無滑移，殘差精度控制在1×10-4。假定入口氣液兩相均勻混合，流體在流動的過程當中質量守恒，不存在傳質現象，且角動量守恒和能量守恒。

計算條件設置為：入口速度為1.3 m/s，低含氣的入口含氣體積分數為5%和10%，高含氣的入口含氣體積分數為50%、60%和70%。

3.2" 含氣體積分數對螺旋柱狀氣液分離器流場分

布影響規律

為了研究螺旋柱狀氣液分離器在入口進液是否高含氣的條件下分離性能的差異性，運用計算流體動力學（CFD）方法對螺旋柱狀氣液分離器內部的質量分數場、底流含氣體積分數、脫氣效率、脫液效率和切向速度場等流場參數進行分析，從而得出不同含氣條件對螺旋柱狀氣液分離器旋流分離過程的影響規律。

3.2.1" 不同分流比對脫氣效率的影響

圖6為在高含氣和低含氣條件下經數值模擬得到的螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率隨分流比變化的情況。從圖6可得出，分流比對螺旋柱狀氣液分離器的分離性能有著極大的影響。研究不同入口含氣體積分數對氣液分離器流場分布的影響，必須對分流比加以控制，否則研究結果的誤差將較大。

3.2.2" 標準化分流比

當進行不同入口含氣體積分數工況下的研究時，分流比的范圍差別較大，不便于進行對比和分析。采用標準化分流比FS［12］替代較為常用的分流比F，一方面可保證不改變分流比與分離性能的規律，另一方面便于找出不同含氣體積分數下的共性規律。

FS=FCi（1）

式中：F為分流比，無量綱；Ci為入口含氣體積分數，%。

后續的研究當中保持FS=1，便于分析對比研究不同入口含氣體積分數對氣液分離器流場分布的影響。

3.3" 含氣體積分數對質量分數場分布的影響

3.3.1" 高低含氣體積分數兩相體積分布

圖7為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器分離過程當中兩相的分布情況。

圖7a中，在低含氣條件下，液相主要集中在氣液分離器的中下部和邊壁，上部氣相含量相對較少，溢流口及其附近區域的液相體積分數遠低于氣液分離器內部的其他區域，液體大部分從底流口排出。此時的螺旋柱狀氣液分離器對液相的分離效果較好。圖7a中，在高含氣條件下，液相幾乎充滿了整個氣液分離器，當入口含氣體積分數達到70%時，氣液分離器當中已經沒有明顯的液相集中區域，氣液分離器的下部和底部這些本該液相體積分數占據大部分的區域，其液相體積分數占比已經小于50%，有的甚至小于30%。上述情況說明在高含氣條件下的螺旋柱狀氣液分離器對液相的分離效果較差。

圖7b中，在低含氣條件下，氣相主要集中在氣液分離器的中上部，邊壁和下部氣相的含量相對較少，說明了在低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內部流場當中的氣相分布情況理想。此時的螺旋柱狀氣液分離器對氣相的分離效果較好。圖7b中，在高含氣條件下，氣相幾乎均勻分布在整個氣液分離器，軸心處的氣相聚集程度相對于邊壁不明顯。底流出口本該是液相聚集的區域，此時氣相占比部分甚至已經超過70%，大量的氣相由底流出口排出，由此說明在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內部流場當中的氣相分布情況不理想。

3.3.2" 高低含氣體積分數S1截面氣相體積分布

圖8為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器分離過程當中S1截面氣相體積分布情況。在低含氣條件下時，通過圖8可以看出，幾乎沒有氣體存在，液相占據了整個截面S1。在氣液分離器的邊壁等液相聚集區域，氣相的體積分數為0，說明此時氣液分離器的分離效果非常好。同時可以看出，在高含氣條件下，當入口含氣體積分數達到50%時，通過圖8可以看出，除了氣液分離器的邊壁處還保留液相聚集區，其余區域氣液兩相的占比幾乎相同；隨著入口含氣體積分數擴大到60%，氣液分離器邊壁處的液相聚集區進一步縮小，中心區域的氣相占比進一步擴大；入口含氣體積分數到70%的時候，氣液分離器邊壁處的液相聚集區已經消失，整體區域氣相的占比已經和液相幾乎相同。因此，在高含氣條件下，螺旋柱狀氣液分離器對液相的分離效果較差。

3.4" 入口含氣體積分數對底流出口含氣體積分數的影響

當底流出口的含氣體積分數較低時，底流出口的流體主要是液體，由此表明氣液分離器能夠有效地將氣體從液體中分離出來。圖9為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流出口含氣體積分數變化情況，當入口含氣體積分數比較低時（5%、10%），底流含氣體積分數僅為0.036和0.064。當入口含氣體積分數達到50%以上的高含氣狀態時，底流出口含氣體積分數快速上升，入口含氣體積分數達到70%時，底流出口含氣體積分數高達49.5%，液相氣相的體積分數幾乎各占一半。結果表明，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器的液相分離能力較差。

3.5" 入口含氣體積分數對分離效率的影響

根據以上分析結果，得到如螺旋柱狀氣液分離器分離效率隨著含氣量變化曲線圖，如圖10所示。從圖10可以觀察到，隨著入口含氣體積分數的不斷上升，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率呈現出不斷下降的趨勢。當入口含氣體積分數為5%時，脫液效率高達96.9%，隨著入口含氣體積分數增加到10%，脫液效率仍為94.6%，僅僅下降不到3個百分點。因此在入口含氣體積分數較低的情況下，含氣體積分數對螺旋柱狀氣液分離器脫液效率的影響微乎其微。當入口含氣體積分數達到50%以上的高含氣狀態時，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率大幅下降；當入口含氣體積分數達到70%時，氣液分離器的脫液效率僅為55.4%。由此表明，在高含氣條件下，螺旋柱狀氣液分離器進行液相分離較為困難。與此同時，螺旋柱狀氣液分離器的脫氣效率卻呈現出不斷上升的趨勢，脫氣效率由43.9%提高到80.8%。這表明螺旋柱狀氣液分離器在較高的入口含氣體積分數條件下更容易獲得高的脫氣效率，即在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率更高。

3.6" 含氣量對切向速度場分布的影響

切向速度在氣液分離器的三維流場中占主導地位，不但決定著待分離流體所受離心力的大小，同時還直接影響液相當中液滴的旋轉、沉降和相互作用，以及液相與氣相界面的穩定性，是實現氣液有效分離的關鍵因素。

圖11為在高含氣和低含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流出口附近S1截面切向速度分布對比圖。其中坐標系縱坐標方向是垂直向上的，而流體在旋流過程中方向向下，所以切向速度為負值。由圖11a可知，切向速度由外到內逐漸減小，因為在氣液分離旋流器的外側，切向速度較大，這是因為在氣液分離器的外圍，流體受到更大的離心力的作用，從而使流體以較高的速度繞著氣液分離器旋轉，然而在氣液分離器的內部，離心力的作用逐漸減小，這就導致了切向速度由截面的外部向內部逐漸減小的現象。由圖11b可知，螺旋柱狀氣液分離器內部切向速度呈“M”形的對稱分布，在氣液分離器邊壁處突然增大，越靠近軸心位置，速度越來越低，在軸心處達到最低值。整體來看，高含氣條件下的切向速度要低于低含氣條件下的切向速度，而切向速度是產生氣液分離所需離心力的必要條件。因此在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器的分離效果不好。

4" 結" 論

（1）通過對比低含氣和高含氣條件下的質量分數場變化規律得到，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器內部流場分布情況不理想，氣相幾乎均勻分布在整個氣液分離器，氣液分離器當中已經沒有明顯的液相集中區域。

（2）通過對低含氣和高含氣條件下底流出口含氣體積分數的分析得到，在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器底流含氣體積分數最高達到了49.5%，液相氣相的體積分數幾乎各占一半，螺旋柱狀氣液分離器高含氣條件下底流出口攜氣嚴重。

（3）通過對低含氣和高含氣條件下脫液效率和脫氣效率的分析可知：當入口含氣體積分數由5%增加到70%時，螺旋柱狀氣液分離器的脫液效率大幅下降，脫液效率由96.9%下降到55.4%；當入口含氣體積分數達到50%以上的高含氣狀態時，脫氣效率提高；入口含氣體積分數達到70%時，脫氣效率達到80.8%。這表明螺旋柱狀氣液分離器在較高的入口含氣體積分數條件下更容易獲得高的脫氣效率，即在高含氣的條件下螺旋柱狀氣液分離器脫氣效率更高。

（4）通過對低含氣和高含氣條件下切向速度場的分析得到，在高含氣條件下的切向速度要低于低含氣條件下的切向速度，而切向速度是產生氣液分離所需離心力的必要條件，解釋了在高含氣條件下螺旋柱狀氣液分離器脫液效果不好的原因。

［1］" "LAN W J，WANG H X，LI Y Q，et al.Numerical and experimental investigation on a downhole gas-liquid separator for natural gas hydrate exploitation［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2022，208，Part D： 109743.

［2］" 高春陽．井下氣液分離旋流器結構與性能研究［D］．大慶：大慶石油學院，2008．

GAO C Y.Research on the structure and performance of downhole gas-water separation hydrocyclone［D］.Daqing： Daqing Petroleum Institute，2008.

［3］" 鄭春峰，楊萬有，李昂，等．一種新型井下三級高效氣液分離器分離特性實驗［J］．石油鉆采工藝，2020，42（6）：804-810．

ZHENG C F，YANG W Y，LI A，et al.Experimental on the separation behaviors of a new type of three-stage" efficient downhole gas-liquid separator［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2020，42（6）： 804-810.

［4］" 王旱祥，許傳寶，于長錄，等．天然氣水合物氣液分離方案設計與樣機試制［J］．石油機械，2022，50（7）：72-79．

WANG H X，XU C B，YU C L，et al.Gas-liquid separation scheme design and prototype manufacturing for natural gas hydrate［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（7）： 72-79.

［5］" 周幗彥，凌祥，涂善東．螺旋片導流式分離器分離性能的數值模擬與試驗研究［J］．化工學報，2004，55（11）：1821-1826．

ZHOU G Y，LING X，TU S D.Numerical simulation and experimental study on separating performance in spiral separator［J］.CIESC Journal，2004，55（11）： 1821-1826.

［6］" 付靜．氣井井下氣液分離回注技術研究［D］．東營：中國石油大學，2009．

FU J.Study on the technology of downhole gas-water separation and reinjection system［D］.Dongying： China University of Petroleum，2009.

［7］" ROSA E S，FRANCA F A，RIBEIRO G S.The cyclone gas–liquid separator： operation and mechanistic modeling［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2001，32（2/4）： 87-101.

［8］" KHANCHI A R，SEDIGHI H，ANSAR S，et al.Preconcentration of rare earth elements from Iranian monazite ore by spiral separator using multi-response optimization method［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2014，24（1）： 117-121.

［9］" BAORUI X，MINGHU J，LIXIN Z，et al.CFD simulation and PIV test of water flow characteristics in helix separator［J］.Acta Petrolei Sinica，2018，39（2）： 223-231.

［10］" XU B，ZHANG X，ZHAO L，et al.Structure design and preliminary experimental investigation on oil-water separation performance of a novel helix separator［J］.Separation Science and Technology，2021，56（15）： 2680-2691.

［11］" 胡坤，李振北．ANSYS ICEM CFD工程實例詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2014．

HU K，LI Z B.Deep explanation of ANSYS ICEM CFD engineering examples［M］.Beijing： POSTS amp; TELECOM PRESS，2014.

［12］" 王強強．管式旋流氣液分離器內部流動形態與分離機理研究［D］．北京：北京化工大學，2022．

WANG Q Q.Study on the flow behavior and separation mechanism of inline cyclone gas-liquid separator［D］.Beijing： Beijing University of Chemical Technology，2022.

第一季豪，生于1998年，現為在讀碩士研究生，研究方向為流體機械。地址：（163318）黑龍江大慶市。電話：（0459）6503853。email：1654164747@qq.com。

通信作者：趙立新，教授，博士生導師。email：lx_zhao @126.com。2024-06-04楊曉峰