实验研究和数值模拟对气液分离性能高的螺旋盘管分离器气体空隙率

文摘

工业删除过程的轻质烃和水湿天然气可以在实验室模拟与独立设计螺旋盘管气液分离器。实验和数值模拟相结合,分析了影响各种进口速度和气体空隙分数在气液分离效率和压降之间的螺旋盘管的进口和出口。结果表明,入口速度的4 m / s 18 m / s和气体空隙率88%到97%的气液混合物,初气液分离效率增加,然后随着入口速度降低。后来又有另一个增加的趋势。压降增加缓慢的梯度,然后与增加入口速度快。另一方面,气液分离效率随气体空隙率和显示一个下降趋势而与气体压降保持跌倒空隙率增加。最重要的最优操作参数螺旋盘管分离器的入口速度13 m / s和气体空隙率为93%,分离效率和压降95.2%和0.3 MPa,分别。

1。介绍

世界上快速增长的能源需求(1),海上油气资源和沙漠油气已经进入大规模开发阶段2- - - - - -4),可直接利用的天然气主要是湿天然气含有少量固体颗粒。湿天然气(气体空隙率大约从90年到99%)总是指这样的气体含有一定量的水或轻质烃在石油和天然气工业。为了满足过程要求的管道运输和测量精度,有必要开展湿天然气的气液分离。然而,由于网站的限制条件和工艺设备,一个好的气液分离器一般必须满足一些特点,包括体积小、分离效率高、处理能力高,易于维护。由于这些特点,作为一种新的分隔符,螺旋盘管气液分离器取得高兴趣两个研究和工业应用。

的螺旋盘管气液分离器是一种新型的分隔符,其中包含的功能离心分离和重力分离。如图1分离器的结构,包括气体收集室、分离室,和液体收集室从上到下。当湿气体的入口速度高,气液分离性能主要取决于大离心螺旋盘管的驱动力量。另一方面,湿气体速度变得很低时,重力分离扮演领导角色对气液分离性能弥补缺乏离心力不足。独立的分离性能设计的螺旋盘管气液分离器被实验和数值模拟研究。实验研究油气两相流在水平螺旋盘管直径不同,已经由郭et al。5]。一些研究工作阶段分布特征solid-gas-liquid三相流在螺旋管了6,7]。龚et al。8)进行了一些研究与多相流数值模拟模型和实验油和水分离。他们还建议最好的开放位置的墙上螺旋管在低流量入口。油水分离过程的螺旋盘管研究了李et al。9- - - - - -11]。本文的重点是入口速度的影响和气体空隙率对气液分离效率和压降之间的螺旋盘管的进口和出口。分离器的最佳条件进行了研究和分析。

2。实验设置

整个实验系统主要由雾化系统和分离系统(12,13)如图2。

雾化系统,提供高压空气压缩机和泵传输高压液体水。高压水雾化喷嘴后到液滴组,然后注入高压空气。强化混合后,气液混合物进入分离室的切向入口。通过调整阀、各种进口速度和气体空隙气液混合物可以获得的分数。

为核心的螺旋盘管气液分离器,分离系统在分离器的性能中扮演关键的角色。气液混合物送入螺旋盘管的入口。离心分离后的初始圈,空气迅速排入气体收集室沿洞内上行螺旋盘管和水分离收集到液体收集室。空气分离后,清空和循环使用水。

分离器的设计一个圆柱形垂直结构直径325毫米和分离器的总高度是1 500毫米包括气体收集室高度为300 mm,高度400毫米的分离室,和液体收集室高度为800毫米。进口和出口管直径的气体和液体都是25毫米(14]。气路是配有气体流量计和调压阀。液体电路是装有液体流量计和一个调压阀。分离器装有液体液位计。

3所示。实验方法

实验中被选为水和空气的混合物,其物理性质十分类似于湿天然气在室温下如低波动。因此混合可以用来近似模拟切除轻质烃的过程中,水,和其它液相成分的湿天然气。实验开始时,阀的气路在混合之前一直关闭,但分离器的进口阀,水的进气阀电路,气路的出口阀,和水的出口阀电路应该开放。泵开始建立一定程度的水的液体收集室。液体稳定后的电路系统达到稳定状态,空气压缩机开始然后气路阀门被打开了。通过调整调压阀前的气体流量计,可以获得适当的气流在气路。气液流量稳定后,分离效率可以计算如下: 在哪里液体流量计的阅读数量在入口的水电路,液体流动的阅读数米的出口液体收集室,然后呢运行时间。

4所示。结果和分析

在实验期间,房间温度和气压分别选为实验温度和压力。在后处理计算,水的密度和粘度是1000公斤/米³和Pa·s,分别在空气的1.237公斤/ m³和分别Pa·s。实验主要关心的分离效率和压降可以反映分离性能在不同入口速度和气体空隙分数。共有76个条件可以分为两部分:一部分是在进口5 m / s的速度,8 m / s, 10 m / s, 13米/秒,14米/秒,15米/秒,16米/秒,17米/秒,和18 m / s下气体空隙分数为90%,93%,95%,和97%的气体空隙分数下,另一个是88%,89%,90%,91%,92%,93%,94%,95%,96%,和97%的进口速度5 m / s, 10 m / s, 13 m / s, 18米/秒。

4.1。入口速度对分离性能的影响

图3代表入口速度对分离效率的影响在不同气体空隙分数。可以看出,在一个常数为气液混合气体空隙率,气液分离效率随进口速度范围内的5 - 18 m / s。13 m / s的入口速度和气体空隙率为93%,分离效率达到95.2%的峰值。随着入口速度进一步增加,分离效率下降然后再增加。这种现象是合理的,因为离心力增强入口速度的增加导致更好的气液分离效率。然而,随着入口速度的进一步增加,大量的水滴开始分手之前从气流分离由于上升的剪切力。同时保持时间缩短的混合螺旋盘管压降和能源消耗的增加。

图4显示入口速度对压降的影响进口和出口之间的螺旋盘管在不同气体空隙分数。可以看出,在一个常数为气液混合气体空隙率,压降随进气速度范围内的5 - 18 m / s。5 - 14米/秒范围内的压降上升缓慢,然后就迅速在14至18 m / s的范围,它显示了一个很好的方式二次压降的过渡行为。原因可以解释,入口速度的增加会导致更多的流动损失。但随着入口速度进一步提高,当地损失迅速增加导致更大的压降。

4.2。气体空隙率对分离性能的影响

图5气体空隙率的影响在不同入口速度下的分离效率。可以看出,在一个恒定的入口速度对气液混合物,气液分离效率先增加然后减少气体空隙率在88%至97%的范围。当气体空隙率在93% - 94%的范围,分离效率不同入口速度下达到峰值。这主要是因为更大的气体空隙率能促进液滴聚集在螺旋盘管的外面,形成一个连续的气体区域内,这提高了分离效果。然而,随着气体空隙率进一步提高,气相区将成为间歇性和流型变成雾状流(15]。流场变得不稳定和easy-disturbing因此连续气体吹水,使水滴或水雾悬浮在高速气体流。水滴是带走的排放空气通过漏洞导致分离效果不好。

图6表明,在一个常数入口速度,压降随气体空隙率在88%至97%的范围。这主要是因为,随着气体空隙率增加,气液混合物的粘度减小,墙剪切力较低导致的压降。

综合考虑采取上述结果以及分离效率和压降的螺旋盘管气液分离器,分离器理想操作条件的观点,这是事实,入口速度和气体空隙率13 m / s和93%,分别,这个条件分离效率达到95.2%,压降为0.3 MPa。

5。数值模拟

螺旋盘管分离器的气液分离性能与孔耦合影响多参数如入口速度、气体空隙率、气体和液体的物理性质,转弯半径,音高,管直径,螺旋转动,孔的大小(16]。仅是不切实际的实验研究和优化这些参数由于巨大的工作量,一个接一个,更因为这些参数对分离效应的耦合非线性单最优参数组合并不是真正的最优条件。因此,有必要使用实验研究和数值模拟的优势。通过与数值和实验结果比较分析,使用可靠的数值模型来研究气液分离螺旋盘绕分离器的性能更为系统和深入,在未来有一定的指导意义。

5.1。啮合和模型

分离器的3 d模型是由专业软件Ansys DM如图7。为了减少内部流场边界条件的影响,进口和出口的扩展。计算域被软件Ansys啮合网状和检查。由于螺旋盘管的几何形状的复杂性所使用的非结构化四面体和局部细化。检查整个网格的质量小于0.7而关闭为零代表了最佳网格质量在啮合代码中,这证明了网格很好。

采用Ansys流利的软件来模拟内部流场,假设流体稳定,粘性、不可压缩(17]。RNG- - - - - -湍流模型和欧拉多相流模型应用于关闭了方程的简单(18- - - - - -21)算法来解决。认为计算结束时计算剩余小于0.001。

速度入口与某些气体空隙率和流出被选为进口和出口边界条件假设进口速度分布在轴方向一致。19流出孔压力管设置的出口条件。动荡的条件在泵吸入口可以描述湍流动能和湍流耗散率如下: 在哪里气液混合物的流速,螺旋盘管的直径,动荡的长度范围,,。

壁边界条件,墙面上没有滑动条件执行和标准壁面函数应用于邻近地区。

螺旋管采用回转半径的基本尺寸150毫米,9圈,管直径25毫米和25毫米距。螺旋管的顶部底部入口和出口。一定程度上的进口和出口减少回流内部流场的干扰。从第五圈螺旋盘管开孔均匀分布在每90°大约每圈的直径3毫米和位置在螺旋管上部3°水平居中。每个两个洞的内部有四分之一的螺旋管圈的长度没有洞被认为是“调整部分,促进更好的分层流和稳流如图8。

网格独立性和灵敏度的模拟进行了研究。两个物理量如选择效率和压降的评价参数网格大小对最终解决方案的影响如表所示1。然后网3是用于下一个计算为了减少计算负荷,保证计算精度。当网格数量对分离性能的影响小于1%,网格是可用的。整个结构的网格数量达到417万。图9给出了啮合螺旋盘管分离器。

5.2。入口速度和气体空隙率的影响在螺旋管气液分离器的分离性能

入口速度对分离性能的影响一直在画人物10和11。可以看出,在一个常数气体空隙率,入口速度从5 m / s到13米/秒增加了分离效率和改善水流条件。在13 m / s下的分离效率达到峰值89.3%气体空隙率为93%。入口速度的进一步提高13 m / s 18 m / s,分离效率下降开始,然后再慢慢增加。同时5到14米/秒范围内的压降上升缓慢,然后就迅速在14至18 m / s的范围与实验相同的规律。

数据12和13执行气体空隙率对分离性能的影响。可以看出,在一个恒定的入口速度对气液混合物,气液分离效率随气体空隙率首先在90%到93%之间。在气体空隙率为93%,13 m / s的入口速度,分离效率达到89.3%的峰值。当气体空隙率从93%变化到97%,分离效率呈下降趋势。同时,压降也能减少患气体空隙率增加。

5.3。的流场在洞部分螺旋盘管气液分离器

图14显示了流场和轮廓的气体空隙率在5 ~ 9洞节螺旋盘管圈13 m / s的入口速度和气体空隙率为90%。上部和下部的行代表的第一个和最后一个部分孔,分别在每圈。每个部分的导向线投影组件各部分的空间流线。从气体空隙率的轮廓可以看出空气聚集在内部的螺旋盘管和外面的水集中在重力和离心力的联合行动。分离效果得到加强后每个螺旋盘管腿上。在前五圈分离效果基本达到极限,不会有明显改善。比较第一个和最后一个孔部分在每圈,很明显发现每个流出气流孔扰乱整个螺旋盘管的内部流场,削弱液体分层效果,导致更少的外流气体空隙率高气体和这种效应将累积最大每圈的最后一个洞流出。孔之间的间距可以被视为“调整段。“通过增加间距,分层流的混合与坏分离效果得到充分调整后恶化,恢复,并进一步提高分离效率(22]。

6。比较与实验数据和数值结果

为了验证所选模型的可靠性,入口速度的条件5 m / s, 10 m / s, 13米/秒,15米/秒,18 m / s选择进行比较。

6.1。分离效率的比较

实验和数值螺旋盘管分离器的分离效率与气体空隙率比较图15下几个入口速度点5 m / s, 10 m / s, 13米/秒,15米/秒,18米/秒。从图15它可以知道实验数据和数值结果有相同的规律性趋势,数值较低。这是因为模拟的边界条件设置与实际实验条件不同,如液滴直径0.1毫米,泡沫直径1毫米。然而在实际的实验中,两相粒子变形。更重要的是,气液流量实验期间可能不是非常准确。分离器的进口和出口配有阀门的入口速度影响气液两相混合的程度。同时,工艺参数也影响空气温度、湿度、和其他因素。上面这些都是导致差异的原因的分离效率。

6.2。压降的比较

螺旋盘管的实验和数值计算压降与气体空隙率比较图16下几个入口速度点5 m / s, 10 m / s, 13米/秒,15米/秒,18米/秒。从图16可以看出,实验数据和数值结果共享相同的趋势,和数值更高。这主要是因为模拟执行在一个理想状态,洞内的螺旋盘管和管的出口设置在同一压力条件虽然不是一样的实验。除了一定距离的分离器入口连接管道和喷嘴的实验导致了实验数据和数值结果之间的偏差。

经过大量的数据比较和验证,数值和实验结果之间的差异是在允许的范围内,因此螺旋盘管分离器的数值模型是可靠的,可以用于未来更多的条件研究。

7所示。结论

(1)以恒定的气体空隙率的气液混合物,气液分离效率随进口速度的5到13米/秒。的入口速度13 m / s,分离效率达到峰值。如果入口速度进一步提高,分离效率降低,增加了。同时,二次压降显示方式的行为与入口速度的范围5 - 18 m / s。(2)以恒定的入口速度的气液混合物,气液分离效率随气体空隙率在97%至88的范围。93气体空隙率为94%,分离效率达到峰值。和气体空隙率进一步提高,分离效率降低。与此同时,压降随进口速度增加而减小。(3)从比较分析之间的分离效率和压降的数值和实验结果可以看出,两个显示相同的规律性趋势和11%的平均偏差在允许的范围内,验证数值模型的可靠性。最重要的是,最优操作参数螺旋盘管分离器的入口速度13 m / s和气体空隙率为93%,分离效率和压降95.2%和0.3 MPa,分别。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了低碳能源项目的关键跨学科的科学基金会中国石油大学,北京(没有。KYJJ2012-04-11)。作者想表达他们的伟大的衷心感谢。

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