数值模拟气相圆柱旋风分离器的结构优化

文摘

液气分离与油田的进一步发展,已经成为一个重要问题。圆柱形旋风分离器是受欢迎的在工业过程中由于优势,他们很简单,紧凑和廉价的生产。本文建立了三维湍流模型包括雷诺应力模型来描述分离器中的流场混合。通过数值模拟,分离效率是研究在不同参数情况下比如分离器长度、气相出口直径,入口的形状。它可以从仿真结果表明,分离效率随分离器长度的增加,和分离效率增加首先然后减少气相出口直径的增加以及液相出口。此外,矩形入口比圆形更合适的入口与分离效率从66.45%变化到79.04%。最后,提出了最优几何结构与分离效率的86.15%。

1。介绍

在过去的几十年里,传统的重力为分隔符,比如解决坦克,被广泛用于工业。因此,庞大而昂贵的,显示缓慢的分离。由于这些缺陷,近年来,该行业的发展和应用已经显示出浓厚的兴趣替代传统的分隔符。这样的选择之一是圆柱形旋风分离器(CCS)。不同的缓慢沉降粒子沉降槽内,旋风分离器显示快速分离和利用更少的空间。它只是一个气缸安装向下斜切向入口和两个出口提供了顶部和底部,分别。它运作在离心力的作用下,内部没有任何移动设备。液体混合物进入气旋和使漩涡运动;由于离心力,混合物的密度阶段获得径向相对运动和分离的混合物。CCS利用能量从创建旋转流体运动的流体压力梯度而不是使用电力和其他类型的能量,从而导致相对经济用电和灵活性。

CCS的各种潜在的应用,不同部分分离完全分离。广泛应用于工业过程的尘埃与气体分离流或产品复苏。潜在应用包括控制多相流动的气体/液体比,便携式测试计量,preseparation上游蛞蝓捕手(1]。如今,CCS在多相流计量循环中扮演着重要角色。在这方面,在CCS气相和液相分离。分离的每个阶段由单相流量计计量安装在CCS的网点,分别。计量后,气体和液体阶段重组米的下游两相流中恢复过来。尽管它的简单性,这种分离器的缺点是,混合压降和入口压力高而传统沉降室。

为了提高分离过程,首先,我们应该了解这种分离器的流体动力学,如涡度和环形回流区。Reydon和Gauvin2]研究的行为限制在锥形旋风涡流。Kouba et al。3空气系统给出了实验结果和入口倾角的影响,操作压力和身体和进口几何液体遗留现象为气液柱分隔符。戴维斯和沃森(4)进行的一项研究,表明规模、成本和性能优势的修改气旋在海上传统分离器的应用程序。戈麦斯et al。5)提出了一种机械模型来预测在CCS流体流动行为。四种典型的系统被设计用于实际工业应用,包括多相计量回路与单相和多相流米,preseparation,完全分离的配置。Arpandi et al。6)提出了新的实验数据和改进机制,预测CCS的流体流动行为,包括操作信封、平衡液面,涡形状,速度,和抢劫分布。Hreiz et al。7)的影响进行了实验研究进口喷嘴设计CCS的性能。关涡流理论迄今为止无法预测流场观测到的许多特性由于强耦合,非线性偏微分方程所涉及的质量和动量守恒的流体动力学。

随着强大的数字计算机的发展,这个问题可以通过计算流体动力学(CFD)来解决。它将细分解决方案域到大量的控制量,将偏微分方程通过整合这些控制卷成代数的等价物。Boysan et al。8]提出的第一个CCS的CFD模型,证明标准湍流模型不能用于模拟与漩涡流,因为它可能会导致过度的湍流粘度和不切实际的切向速度。霍克斯特拉et al。9)表明,雷诺应力模型(RSM)可以解决各向异性湍流问题,已广泛用于气旋在最近的研究和相应的数值模拟。王等人。10)提出了一个数值研究gas-powder-liquid流的水力旋流器与雷诺应力模型,验证了测量结果。近年来,所谓的相结合的方法离散单元法(DEM)和CFD (CFD-DEM)已经被开发和占颗粒流体和粒子与粒子之间的相互作用。CFD-DEM方法已经被证明是有效的建模各种颗粒流体流系统。楚et al。11)提出了一个数学模型来描述密集的中气旋的流动特性结合DEM与CFD的方法。民主党用于模型离散粒子的运动和使用CFD模型离散粒子的运动。

CFD提供了一个经济手段的理解复杂的流体动力学和它们是如何影响设计和操作条件的变化。各种CCS已经在先前的文献。克罗和普拉特12)开发了一个二维(2 d)模型来预测整个收集效率的增加与固体加载比例。Movafaghian et al。13]研究了实验和理论上CCS的流体流动行为。这次调查的参数包括三个不同的入口的几何图形,四种不同的液体粘度,三个系统压力和表面活性剂的影响。Erdal et al。14)提出了一个二维模型的单相和两相流在几个CCS配置。结果也与实验数据相比,包括切向速度概要文件和切向速度衰减,表现出良好的协议。事实上,如果忽略了入口,CCS可以视为对称和CFD模型可以简化为一个二维的情况。虽然这种方法可以大大减少计算时间,它不能被用来评估变化的入口设计或抵消涡发现者。随着计算机的发展,最近的CFD模型大多使用完整的三维形状在CCS探索流动特性。

如矿坑的和Simonin15)用拉格朗日方法在三维模型与三维数值网格应用修改湍流模型。比较预测流场的实验数据没有包含在这份出版物。此外,变异系数的返还particle-wall模型从弹性到完全非弹性碰撞行为显示只有轻微影响预测效率等级。Derksen [16)提出了一个预测流的高效旋风在Re = 280000数值调查。他用计算使用大涡模拟(LES)基于Smagorinsky模型,与实验数据吻合较好。de Souza和否决权17)使用次网格尺度Smagorinsky模型预测的行为终止水力旋流器。给出的数值结果流规则和约定的主要特征与实验数据相当不错。作者建议莱斯是一个有趣的替代经典的湍流模型应用水力旋流器内流体流动的数值解。

根据上述文献,大量的研究人员致力于探索CCS的流动特性和设计数值。然而,到目前为止,一些研究人员提出一个研究包括所有CCS的结构因素,如进口和出口的形状、高度、直径。在这项研究中,不同的效率由不同的因素研究,给出一个CCS设计的基础。

2。数学模型,达到气液圆柱旋风分离器

一个经典达到气液圆柱旋风分离器见图1研究了目前计算。气体和液体混合物流过斜入口部分,然后由于离心力,导致气体和液体分离形成。液体朝着墙,向下,而气体流向中心和退出上气相出口。

为方便计算,提出了一些假设如下:(1)分离器的流动状态是稳定的;(2)分散相(气相)是均匀分布在连续流体(液体);(3)气体和液体阶段不可压缩和混合物的性质,如粘度是常数;和(4)在旋风分离器被视为等温流动;也就是说,没有阶段之间的传热。流阶段涉及的守恒方程可以写在一个基于Reynolds-averaging模型的广义形式。并给出了方程如下: 在这是速度矢量,粘度,雷诺应力张量。

2.1。湍流模型

开发了数值方法来解决(1)。目前,标准模型,提高模型,采用代数应力模型和雷诺应力模型的旋风分离器湍流流场进行了数值模拟。在本文,旋风分离器中的流强烈旋转流,具有各向异性特性。为了获得雷诺应力的值计算,雷诺应力模型对其适应强烈的各向异性进行了流。雷诺应力模型可以描述复杂的湍流流动。给出了雷诺应力方程如下: 在这是生产压力项被忽略,pressure-strain相关性,扩散项,是湍流动能耗散率。他们提出,分别如下: 否则,湍流动能和耗散率分别给出了 因此,雷诺应力方程是封闭的,可以解决。

2.2。数值方法和边界条件

通过转移方程数值求解代数方程基于控制体积法。压力速度耦合算法简单和快速插值方案数值模拟中使用了。强烈的考虑回旋流旋风分离器,很快!计划采用离散化的压力。旋风分离器是基于原型的设计(18]。图2显示了几何配置和网状分布的旋风分离器,和所有的测试用例被一个健壮的模拟使用非结构化四面体网格生成的方法。

边界条件设置如下:入口边界条件被假定为速度进口条件和速度分别对水和甲烷气体。它是假定入口速度制服。墙的边界条件被认为是没有滑动。最后,气相出口被认为是压力出口条件以及液相出口,和压力设定在大气压力。

2.3。湍流模型的验证

验证了数值模拟的可行性,进行了对比测试。一个实验对进口体积流量对分离效率的影响表现在18]。在实验中,质量流量值被设置为11米³/ h, 11.5 m³/ h、12米³/小时,12.5米³/ h分别对应于20米/秒,21 m / s, 22 m / s, 23 m / s。仿真的几何模型是一样的分离器的实验。入口是矩形和大小分离器长度是840毫米,直径为100毫米,气相出口直径26毫米,和液相36毫米直径。分离效率被定义为气相出口气体含量的比值和入口气体含量,可以编写如下:

模拟和实验的比较如图3。它可以表明,有一个很好的实验数据和仿真数据之间的协议。因此,本文的模拟方法是适用的和灵活的。

3所示。结果与讨论

摘要分离器长度等参数的影响,液相出口的直径和气体出口,入口速度和分离效率被认为是。表中列出的参数的值1。

3.1。分离器长度对分离效率的影响

分离器长度有重要影响的气体和液体的分离。在这篇文章中,三个不同长度被认为是分隔符。图4显示三个值下的气体体积分数分布的长度。它可以表明,随着长度的增加,分离性能变坏,也可以推导出图5介绍了天然气体积分数的截面气相出口。分离性能的变化的原因可能与切向速度和静压分布。当长度值增加,达到气液混合物在旋风分离器停留更长时间,导致液体和气体混合。从图可以看出6时,切向速度减少长度值增加。长度是1600毫米时,切向速度几乎为零,这表明,液相和气不分开。一般来说,分离效率与切向速度成正比。另一方面,静态压差达到气液分离的另一个重要因素。压差供应圆周运动的向心力旋风分离器。当压差大,达到气液分离的趋势更加明显。图7显示了不同长度的静压分布。它表明,压差变化与长度的变化;因此,分离效果变得更糟的增加分离器长度。

3.2。气相出口直径的影响分离效率

气相出口直径是另一个重要参数。当液体和气体分离,气体形成气体列分隔符的中心。气相出口直径的大小取决于气体列。气体体积分数分布与三种不同气相出口直径图所示8。它可以表明,体积分数增加初然后减少当直径值大于特定值。这可以解释如下:当气相出口直径非常小,气体列不能完全从气相出口流出。当直径很大,大于气体列,气体列将液体从气相出口和流动。从图可以看出9,虽然平均切向速度是最大的的情况下= 13毫米,速度的差值并不严重。

3.3。液相出口直径的影响分离效率

液相出口直径也评估。图10显示了气体体积分数的截面气相出口与三个不同的液相出口直径。可以观察到开始的体积分数增加然后减少当直径值大于特定值。图中列出的切向速度11将这一现象的解释。的情况下= 18毫米,平均切向速度是最大的,导致最好的分离效果。我们可以看到从图10气体体积分数增加气体分离器中心接近时,这表明气体柱的存在。图11表明高切向速度发生在靠近壁面区域,而且衰减迅速向分离器中心。

3.4。入口形状对分离效率的影响

入口形状优化设计中扮演着重要角色的原因,它决定进入的气体和液体的分布和初始切向速度。在本文中,两个入口的形状是,也就是说,矩形和圆形。图12介绍了气体体积分数分布two-inlet气相出口的截面形状。体积分数的最大值为矩形入口高于0.6,但对于圆形入口约0.54。在图13矩形入口,最大切向速度是8 m / s,但是对于圆形入口约7米/秒。因此,分离效率更大的矩形入口比圆形的入口。对于矩形入口,来流在切线方向更容易进入旋风分离器,使切向速度不丢失。因此,矩形更适合旋风分离器。

通过以上模拟和分析,它可以显示分隔符的长度应该短,气相出口的直径和液相出口应该合适,和入口的形状应该是矩形。表列出了最优设计参数2。优化设计参数情况下数字4和分离效率是86.15%。

4所示。结论

本研究进行的模拟圆柱旋风分离器的流和液气分离不同的几何结构和尺寸。气体体积分数、切向速度和静压介绍和分析来评估达到气液分离。以下的结论可以从这次调查的结果:(1)分离器长度的情况下,分离效率随分离器长度的增加而减小。但是长度应该足够完整的液体和气体的分离。(2)首先分离效率增加,然后随气相出口直径的增加,以及液体出口直径。(3)入口的形状的矩形入口比圆形入口,更适合和分离效率从66.45%变化到79.04%。(4)旋风分离器的优化几何结构列出如下:对于矩形入口,长度和直径的比例是440/100,气相出口直径13毫米,液相出口直径18毫米。与此同时,分离效率是86.15%。

命名法

:	动态粘度,Pa·s
:	湍流动能
:	质量流率,公斤/ s
:	静压,爸爸
:	速度矢量,m / s
:	动态粘度,Pa·s
:	密度,公斤/米3
:	Pressure-strain相关性
:	湍流动能耗散率
:	分离效率。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. e . g . Arato n·d·巴恩斯,“免费在线涡流分离器用于气体/液体分离在小说两相泵系统中,”水力旋流器施普林格,页377 - 396年,阿姆斯特丹,荷兰,1992年。视图:谷歌学术搜索
2. r . f . Reydon和w·h·Gauvin承压涡流理论和实验研究,“加拿大化学工程杂志》上卷,59号1、5、1981页。视图:谷歌学术搜索
3. g . e . Kouba o . Shoham, s . Shirazi“气液圆柱旋风分离器的设计和性能”学报BHR集团第七届国际会议在多相流戛纳,页307 - 327年,法国,1995年6月。视图:谷歌学术搜索
4. e·戴维斯和p·沃森,“近海平台、小型分隔符”程序1新技术的探索和开采石油和天然气储量研讨会,卢森堡1979年4月,页75 - 85。视图:谷歌学术搜索
5. l·e·戈麦斯r·s·莫汉o . Shoham和g . e . Kouba”增强的机械模型和现场应用气体/液体圆柱旋风分离器的设计,“SPE杂志,5卷,不。2、190 - 198年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. Arpandi, a . r . Joshi o . Shoham和g . e . Kouba”在气液两相流的流体动力学圆柱形旋风分离器,”SPE杂志,1卷,不。4、427 - 436年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. c·r·Hreiz r·莱恩j . Wu Lemaitre, c . Gentric和d . Funfschilling”在喷嘴设计的影响气液圆柱旋风分离器的性能,”国际多相流杂志》上卷,58 15-26,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. f . Boysan、w·h·艾尔斯和j . Swithenbank”基本数学模型旋风设计方法”,交易机构的化学工程师,60卷,不。4、222 - 230年,1982页。视图:谷歌学术搜索
9. a·j·霍克斯特拉j。j Derksen, h·e·a·范正义与发展党,“实验和数值研究气体的湍流漩涡龙卷风,”化学工程科学,54卷,不。13 - 14日,第2065 - 2055页,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k . w . b . Wang楚,a . b . Yu”颗粒流体流动的数值研究水力旋流器”,工业化学与工程化学研究,46卷,不。13日,4695 - 4705年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k·w·楚a b, b . Wang和a·文斯“CFD-DEM造型多相流在浓密的中气旋,”粉技术,卷193,不。3、235 - 247年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. c·t·克罗和d·t·普拉特在旋风分离器流场的分析电脑&液体,卷2,不。3 - 4、249 - 260年,1974页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. s . Movafaghian j . a . Jaua-Marturet r·s·莫汉o . Shoham和g . e . Kouba“几何形状的影响,流体性质和流体动力学的气液圆柱旋风分离器的压力,”国际多相流杂志》上,26卷,不。6,999 - 1018年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. f . m . Erdal s a . Shirazi o . Shoham和g . e . Kouba“CFD模拟单相和两相流的气液圆柱旋风分离器,”SPE杂志,卷2,不。4、436 - 445年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. j.p.如矿坑的o . Simonin,“旋风分离器的数值方法,”第二届欧洲研讨会上分离气体的粒子纽伦堡,页121 - 136年,德国,1992年3月。视图:谷歌学术搜索
16. j . Derksen”LES-based stairmand旋风分离性能的预测,”学报第十届研讨会两相流预测,Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg哈雷,页217 - 226年,德国,2002年。视图:谷歌学术搜索
17. f . j . de Souza和a . s .否决权”,大涡模拟水力旋流器”2002年美国ASME共同美欧流体工程部门会议,页559 - 564,美国机械工程师学会,蒙特利尔,加拿大,2002年7月。视图:谷歌学术搜索
18. r·曹数值模拟和结构优化的柱状气液分离器(硕士论文)大庆石油学院,2009。

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