王韜杰 何利民 陳建磊 胡 康

（1.中國石油大學(xué)（華東） 山東青島 266580； 2.中國石化撫順石油化工研究院 遼寧撫順 113001）

王韜杰，何利民，陳建磊，等.基于粒徑測量方法的水下氣液旋流分離器分離性能評價［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：105-110.

近年來，隨著深海油氣田工程的開發(fā)和應(yīng)用，人們對深水水下氣液旋流分離器的要求越來越高［1-4］，尤其是對像天然氣-凝析液等高速霧狀流中的液滴進行旋流分離。國內(nèi)外學(xué)者對氣液旋流分離器的分離性能進行了諸多研究，但由于缺乏先進的測試手段，目前分離器分離性能的優(yōu)劣多以氣相含液率、液相含氣率和壓降損失等特征參數(shù)的高低為標(biāo)準(zhǔn)進行評判［5-6］。此外，部分學(xué)者借助數(shù)值計算等手段來模擬分離器內(nèi)部的氣相流場、速度-濃度場、壓力場［7-9］、渦核邊界以及零軸速包絡(luò)面［10-11］，并以此來評判分離性能的優(yōu)劣。但由于液滴在高速流場中的不穩(wěn)定性，無論是利用宏觀測試方法還是計算機模擬研究，都不能全面地判斷其性能的高低，而且數(shù)值模擬的計算結(jié)果也并不讓人完全信服。筆者基于粒徑測量的分離器性能評價方法，利用水下氣液旋流分離器試驗系統(tǒng)，通過激光粒度儀等設(shè)備在線測試液滴粒徑分布和特征粒徑的變化，并以此作為評價指標(biāo)推斷液滴在分離器中的破碎和聚并行為，進而評判氣液旋流分離器的分離性能。

1 試驗系統(tǒng)與操作參數(shù)

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)為筆者所在試驗室設(shè)計發(fā)明的水下氣液旋流分離器分離性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由供風(fēng)系統(tǒng)、進料霧化系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等4部分組成（圖1），主要用于進行除霧旋流分離器性能測試試驗，并完成分離器的流動分離機理分析、性能評價和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該系統(tǒng)氣相介質(zhì)為壓縮空氣，液相試驗介質(zhì)選擇低黏白油［12］而沒有選擇蒸餾水，這是因為對于以液滴形式存在的情形，水滴比油滴有更大的比表面積、蒸發(fā)能力更強。液相和氣相通過內(nèi)混式雙流體噴嘴混合霧化進入主管路，在主管路中充分混合后進入氣液旋流分離器，分離后的液體回收重復(fù)使用，氣體直接排入大氣。

試驗中利用在線激光粒度儀分別在分離器入口和出口（圖1中A-A′截面和B-B′截面）處對液滴粒徑進行測量，為使試驗中粒徑測量更加準(zhǔn)確，分離器入口和出口含液體積分?jǐn)?shù)范圍取200～1 100 mg／L。白油的物性參數(shù)如下：20℃時密度為805 kg／m3，運動黏度為1.9 mm2／s，表面張力為26.2 m N／m。

圖1 水下氣液旋流分離器分離性能測試試驗系統(tǒng)Fig.1 Separation performance test system of gas／liquid cyclone separator

1.2 操作參數(shù)

為研究和應(yīng)用方便，人們提出了多種液滴特征粒徑的定義方法［13］，其中工程上常用比表面積平均粒徑d32、體積平均粒徑d43和中值粒徑d50與其對應(yīng)偏差σ來描述液滴的粒徑變化，計算方法見式（1）～（3），試驗數(shù)據(jù)處理中采用對數(shù)正態(tài)體積累積概率分布對液滴群粒徑進行評價和分析。

式（1）～（3）中：di為顆粒直徑，μm；d為平均直徑，μm；σ為粒徑標(biāo)準(zhǔn)差，μm。

試驗中可改變的入口操作參數(shù)主要是入口液滴粒徑和入口氣速，這些參數(shù)改變時其他操作參數(shù)也會發(fā)生變化。為使試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗中忽略了其他入口變量的影響。劉麗艷 等［14］發(fā)現(xiàn)，雙流體噴嘴的氣量和液量的比率Qg／Ql一定時，其液滴群的平均粒徑保持不變，因此試驗時可通過改變雙流體噴嘴中的氣液流量比率來改變?nèi)肟谝旱瘟降拇笮?。水下分離器不同主管路氣速下入口液滴粒徑如圖2所示，可以看出，氣液量比率不變時3種不同入口氣速下制備的入口液滴群粒徑大小幾乎沒有變化。

水下氣液旋流分離器入口含液體積分?jǐn)?shù)可通過雙流體噴嘴的液量和主管路中的氣量比率變化來改變，而雙流體噴嘴霧化時所需的氣量與主管路總氣量相比則可以忽略不計，試驗中可不考慮其對入口含液體積分?jǐn)?shù)的影響。表1為試驗中相同含液體積分?jǐn)?shù)下的3種不同入口液滴粒徑。

圖2 水下氣液旋流分離器在不同主管路氣速下的入口液滴粒徑Fig.2 The size of inlet droplets under different velocity of gas in gas／liquid cyclone separator

表1 水下氣液旋流分離器在相同含液體積分?jǐn)?shù)下的3種不同入口液滴粒徑Table 1 The three different inlet droplets under same volume concentration of gas／liquid cyclone separator μm

2 評價方法

在線激光粒度儀測得的粒徑數(shù)據(jù)可采用概率密度函數(shù)來描述［14］。試驗中對進入氣液旋流分離器入口的液滴群進行測試，分別通過正態(tài)曲線和對數(shù)正態(tài)曲線進行擬合，結(jié)果表明對數(shù)正態(tài)分布與試驗結(jié)果吻合較好，液滴中徑附近擬合誤差最小（圖3），因此試驗采用對數(shù)正態(tài)分布對測試試驗數(shù)據(jù)進行擬合、對比和分析。

圖3 水下氣液旋流分離器試驗數(shù)據(jù)擬合Fig.3 The fit of experimental data of gas／liquid cyclone separator

圖4為試驗測得的水下氣液旋流分離器雙流體噴嘴氣液比率不變、入口氣速為3 m／s時，分離器入口和出口液滴群粒徑的對數(shù)正態(tài)概率分布曲線和體積累積分布曲線。根據(jù)累積分布曲線找到累積概率密度達到0.5和0.999 9時的液滴粒徑d50、dmax，通過式（1）和式（2）計算得到d32、d43、d50和dmax（表2）。由圖4可以看出，與入口相比，出口液滴群粒徑的對數(shù)正態(tài)概率分布曲線和體積累積概率分布曲線整體向左偏移，且粒徑越大，分布曲線的偏移量越大。由表2可知，氣液旋流分離器充分發(fā)揮了分離作用，其出口液滴中值粒徑和比表面積平均粒徑是入口的1／3，而出口體積平均粒徑和最大粒徑比入口小了更多。由此可見，采用粒徑測量方法來評價分離器的分離性能是可行的。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 入口氣速對分離性能的影響

圖5為水下氣液旋流分離器不同主管路入口氣速對出口液滴粒徑影響的試驗結(jié)果，可以看出：入口液滴粒徑相同時，分離器出口液滴粒徑隨主管路入口氣速的增大而減小；入口氣速大于4 m／s后，分離器出口液滴粒徑變化很小，體積累積概率密度分布曲線幾乎重合；而出口含液體積分?jǐn)?shù)則隨入口氣速的增大而減小。

分析認(rèn)為，當(dāng)入口氣速較低時，在水下氣液旋流分離器內(nèi)部有限的停留時間內(nèi)，很大一部分小粒徑的液滴沒有在離心力的作用下運移至分離器筒體壁面，而是隨著徑向氣流逃逸；隨著入口氣速增大，分離器內(nèi)旋流強度增強，旋流分離液滴的能力也增強，出口液滴粒徑會隨之減??；隨著入口氣速進一步增大，旋流強度繼續(xù)增大，分離器徑向流速增加，旋流場的湍流脈動也增加，液滴破碎造成二次攜帶的概率增大，這時單純增加分離器的入口氣速并不能使出口液滴群粒徑減小，這與以往通過測試分離器總分離效率時氣速對分離性能的影響結(jié)果基本相同。而當(dāng)分離器的出口液滴數(shù)量相同時，隨著入口氣速增大，分離器出口含液體積分?jǐn)?shù)減小。因此，分離器出口液滴粒徑和出口含液體積分?jǐn)?shù)是判斷分離器性能的重要參數(shù)。

圖5 水下氣液旋流分離器不同入口氣速對出口粒徑的影響Fig.5 The influence of different inlet gas velocity on outlet droplets'size of gas／liquid cyclone separator

3.2 入口液滴粒徑對分離性能的影響

圖6為水下氣液旋流分離器在相同入口氣速（4 m／s）下不同入口液滴粒徑對出口液滴粒徑影響的試驗結(jié)果，可以看出：入口液滴粒徑的大小對出口液滴粒徑的影響并不明顯，體積累積概率分布曲線基本重合，d50、d32和d43也都基本相同；而分離器出口含液體積分?jǐn)?shù)卻隨入口液滴粒徑的增大而減小，即小粒徑的液滴總量在減小。這說明，經(jīng)過分離器內(nèi)部的旋流分離，液滴群中較大粒徑的液滴容易分離，而較小粒徑的液滴依然會從分離器中逃逸。積平均粒徑d32和體積平均粒徑d43均可評價氣液旋流分離器的分離性能。

2）入口氣速會影響分離器出口液滴粒徑的大小和含液體積分?jǐn)?shù)，隨著入口氣速的增大，出口液滴粒徑逐漸減小至穩(wěn)定不變，出口含液體積分?jǐn)?shù)則線性減小。入口液滴粒徑對分離器出口液滴的粒徑大小影響不大，出口液滴粒徑相同時可通過對比出口含液體積分?jǐn)?shù)的高低判斷分離器分離性能的優(yōu)劣。

圖6 水下氣液旋流分離器不同入口粒徑對出口粒徑的影響Fig.6 The influence of different inlet droplets'size on outlet droplets'size of gas／liquid cyclone separator

然而，通過稱重法測試的分離器總分離效率隨入口液滴粒徑的增大而增大［15］，與本試驗結(jié)果中出口液滴粒徑不隨入口液滴粒徑的增大而變化不符合。分析認(rèn)為，由于總分離效率是指從分離器收集的液體質(zhì)量與進入分離器的液體總質(zhì)量之比，盡管出口液滴粒徑并未發(fā)生改變，但隨著入口液滴群粒徑的增大，大的液滴被旋流分離，進而造成總分離效率增大的假象；而且，出口含液體積分?jǐn)?shù)的降低也說明出口小液滴總量在減少，使得總分離效率增大。因此，出口液滴粒徑由決定分離器內(nèi)部旋流強度的入口氣速控制，在入口氣速（旋流強度）一定的情況下，分離器所能分離的出口液滴粒徑是一定的，與入口液滴群粒徑的大小無關(guān)。

4 結(jié)論

1）通過測量分離器進出口粒徑可對氣液旋流分離器的分離性能進行評價，分離器進出口液滴粒徑符合對數(shù)正態(tài)分布。液滴的中值粒徑d50、比表面

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