麻宏強(qiáng),王 麗,厚彩琴,韓喜蓮,羅新梅,李紹勇
(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730050;2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌330013;3.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司,河南濮陽(yáng)457001;4.中原油田博士后科研工作站,河南濮陽(yáng) 457001)
在油氣地面工程中,橇裝化設(shè)備因具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、易整體遷移等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。氣液分離閃蒸撬是集重力式分離和閃蒸分離于一體的新型撬裝結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間限制,借助傳統(tǒng)的重力分離器設(shè)計(jì)方法對(duì)其分液側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),難以滿足實(shí)際工程要求[2]。
目前,對(duì)于氣液分離閃蒸撬分液側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分離特性的研究較少,現(xiàn)有研究主要集中在采用模擬[3]和實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)傳統(tǒng)氣液分離器分離特性的進(jìn)行研究。在數(shù)值模擬方面,Wang等[4]用數(shù)值模擬的方法研究了波紋板氣液分離器不同葉片類(lèi)型時(shí)的分離性能,并擬合了收集效率與斯托克斯數(shù)的函數(shù)關(guān)系。劉妍等[5]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)旋風(fēng)分離器,針對(duì)不同入口速度、濕度對(duì)分離器分離特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Zhang等[6]分別用歐拉法(EE)和拉格朗日-歐拉法(LE)法對(duì)除濕分離器(MS)分離性能進(jìn)行模擬,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。Zhang等[7]對(duì)一種由多通道轉(zhuǎn)鼓式分離器的不同入口氣流速度、轉(zhuǎn)速下的壓力和速度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬;并利用離散相模型分析了入口速度、轉(zhuǎn)速、通道形狀和尺寸對(duì)分離效率的影響。Zhang等[8]設(shè)計(jì)了一種新型的超重力旋風(fēng)分離器(HGRGS),利用CFD技術(shù)研究了分離過(guò)程中的流場(chǎng)和分離效率;發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器相比,HGRGS具有較低的軸向速度,可在停留時(shí)間內(nèi)捕獲液滴,且當(dāng)入口流速為10 m/s時(shí),HGRGS的最大壓降率為64.7%。在實(shí)驗(yàn)方面,羅小明等[9]對(duì)內(nèi)部設(shè)有中心體的軸流式旋流分離器分離性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了分離器在不同工況下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Wang等[10]實(shí)驗(yàn)研究了氣體含量、雷諾數(shù)和流動(dòng)調(diào)節(jié)元件等對(duì)適用于井下氣水分離系統(tǒng)的旋葉式氣液分離器分離性能的影響,發(fā)現(xiàn)此類(lèi)分離器更適用在低氣體含量時(shí)運(yùn)行。Hreiz等[11-12]均針對(duì)管柱式氣液旋流分離器內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行了可視化研究,提出了能夠提高分離效率的方案。由此可見(jiàn),現(xiàn)有研究大多針對(duì)依靠離心力分離的旋流式氣液分離器,而對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊多內(nèi)部構(gòu)件的氣液分離裝置的整體分離性能研究較少,這將為氣液分離閃蒸撬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。
作者依據(jù)實(shí)際工程參數(shù),建立了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)流場(chǎng)模擬模型;采用模擬方法,分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,分液側(cè)分離腔內(nèi)流場(chǎng)特性;探究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響規(guī)律,優(yōu)化確定了分液側(cè)內(nèi)部構(gòu)件參數(shù)范圍。
傳統(tǒng)重力式氣液分離器主要借助于氣、液兩相的密度差而實(shí)現(xiàn)的氣、液分離[13]。為保證氣、液兩相高效分離,氣液混合物在分離腔體內(nèi)需要有足夠的空間,從而增加氣液混合物在分離腔體內(nèi)的駐留時(shí)間[14],因此傳統(tǒng)的重力式氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸較大。作者提出的一種新型氣液分離裝置使重力式分離與閃蒸分離設(shè)備撬裝集成,其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少,結(jié)構(gòu)如圖1所示。該撬裝結(jié)構(gòu)的分液側(cè)和閃蒸側(cè)通過(guò)中間隔板隔開(kāi),且均由分離腔和集液筒兩個(gè)主要部分組成,可在集氣站正常運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排液;段塞流時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急排液能力;保障了站場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。
分液側(cè)分離腔內(nèi)部構(gòu)件主要包括了導(dǎo)流板、折流板、捕霧器、連通管等,如圖2所示。為使研究更符合實(shí)際應(yīng)用,采用工程中的尺寸建模。分液側(cè)腔體直徑為1000 mm,長(zhǎng)度為4 550 mm;集液筒直徑為330 mm,封頭為標(biāo)準(zhǔn)封頭,其中,捕霧器位于分離腔出口正下方的套筒內(nèi),厚100 mm,直徑為700 mm;折流板在距分離腔入口中心軸線550 mm處,深度為500 mm,厚度200 mm;導(dǎo)流板距分離腔入口中心軸線200 mm處;由于導(dǎo)流板是由豎直板和折板兩部分組成,整體呈折線形,其豎直板伸長(zhǎng)200 mm,與折板成45°角,因此所述導(dǎo)流板深度均指其豎直板的深度。右側(cè)連通管距中間隔板800 mm處,兩連通管相距1800 mm。
圖2 新型氣液分離閃蒸撬結(jié)構(gòu)及分液側(cè)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure of the gas-liquid separation unit and the new skid-mounted device with gas-liquid separation and flash distillation
氣流進(jìn)入分離腔后撞擊導(dǎo)流板,流向改變、流速降低、在分離腔內(nèi)的滯留時(shí)間增加,完成了初步分離。經(jīng)過(guò)整流板對(duì)流體的規(guī)整、減速,流體在整流板上聚集、脫落,完成了重力沉降區(qū)分離;最后流體在進(jìn)入絲網(wǎng)捕霧器后可將更小的液滴捕捉而實(shí)現(xiàn)最終分離。集液筒上電動(dòng)排污閥可在液位達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)打開(kāi),將分離出的污水排至閃蒸側(cè)并閃蒸出烴類(lèi)氣體(含H2S等酸性氣體組分),然后排污至地上污水罐,避免對(duì)環(huán)境造成污染。重點(diǎn)討論氣液分離閃蒸撬分液側(cè)氣液分離特性。
1.2.1計(jì)算模型及相關(guān)設(shè)置
由于流體速度較小,可假定分離腔內(nèi)流體為不可壓流,常物性進(jìn)行模擬。同時(shí),分液側(cè)分離腔體內(nèi)流體擾動(dòng)復(fù)雜,選擇合理的湍流模型十分重要[15]。由于標(biāo)準(zhǔn)k-?模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流,分子黏性的影響可以忽略,適用范圍廣,因此本文湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-? 模型,近壁面處理選擇尺度化壁面函數(shù)[16]。
歐拉多相流模型將不同的相處理成相互貫穿的連續(xù)介質(zhì),能夠?qū)γ恳幌喽冀?dòng)量方程和連續(xù)性方程,然后通過(guò)壓力和相間交換系數(shù)的藕合來(lái)計(jì)算求解[17]。由于天然氣含游離水,可認(rèn)為是相互貫穿的連續(xù)介質(zhì),因此選用歐拉多相流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。研究目的在于優(yōu)化內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)以提高分離效率,因此忽略分離腔體內(nèi)部流體物性的影響,選用水和空氣作為氣、液兩相介質(zhì)進(jìn)行模擬;其中氣相密度為1.2 kg/m3,動(dòng)力黏度為1.8×10-5kg/(m·s);液相密度為998.2 kg/m3,動(dòng)力黏度為1.0×10-3kg/(m·s)。
1.2.2網(wǎng)格劃分及邊界條件
采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[18],最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為5.6×104,圖2(b)所示為分液側(cè)網(wǎng)格示意圖。由于分離腔內(nèi)壓力損失較小,因此忽略氣體的壓縮性,流體流動(dòng)到分離腔出口時(shí)已處于充分發(fā)展階段,此時(shí)可選用質(zhì)量出口邊界條件,它假定除了壓力之外的所有流動(dòng)變量正法向梯度為零。捕霧器為多孔材料,采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬,其孔隙率為0.98,其慣性阻力系數(shù)為808.2,黏性阻力系數(shù)為1.46[19];分離腔固體壁面按無(wú)黏流動(dòng)的非滑移條件處理;分離腔入口設(shè)置為速度入口,流速為4 m/s,水力當(dāng)量直徑與入口管直徑相同(DN200),液相體積分?jǐn)?shù)為4%。
為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,將采用文獻(xiàn)[20]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。分別選取了3組實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行對(duì)比,表1是不同工況時(shí)分離效率的實(shí)驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比。由表1可以看出,隨著入口氣相流量的增大,液相含量保持不變時(shí),分離效率的模擬值均稍大于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值,但二者基本接近,進(jìn)一步表明模擬模型是可靠的。
表1 分離效率模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Tab.1 Numerical simulation results of separation efficiency compared with the experimental results
采用分離效率及分離腔內(nèi)流場(chǎng)特性來(lái)評(píng)價(jià)分液側(cè)分離效果。其中,分離腔內(nèi)的流場(chǎng)特性主要依據(jù)流場(chǎng)內(nèi)的流體流動(dòng)均勻性、漩渦和返混產(chǎn)生量的多少、氣液兩相分界面處的流體是否穩(wěn)定來(lái)評(píng)價(jià)。
分離效率η是指分離閃蒸撬分液側(cè)分離出來(lái)的液量與入口處進(jìn)入的液量之比,即:
式中,G1為進(jìn)入分液側(cè)腔體內(nèi)的液相體積分?jǐn)?shù),G2為分液側(cè)氣相出口處液相體積分?jǐn)?shù)。
圖3為不同時(shí)刻分液側(cè)內(nèi)液相相含率分布。由圖3可見(jiàn),隨著分離過(guò)程進(jìn)行,分離腔左側(cè)有大量液體聚集。當(dāng)分離時(shí)間超過(guò)9 s后,分離腔體左側(cè)積液加劇,連通管排液困難。這是由于在兩個(gè)連通管及集液筒內(nèi)部出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象所致。因此,及時(shí)排走集液筒液體,避免氣塞現(xiàn)象發(fā)生,是解決分離腔內(nèi)大量積液的關(guān)鍵。
圖3 不同時(shí)刻分液側(cè)內(nèi)液相相含率分布Fig.3 Interior liquid-phase holdup of the gas-liquid separation unit for different instant
圖4為不同時(shí)刻分液側(cè)內(nèi)部流線圖,氣液兩相流體在通過(guò)導(dǎo)流擋板后,流向發(fā)生改變。由3 s和6 s的流線圖可看出流體流入較少時(shí),在落入分離腔底部后產(chǎn)生飛濺,而后以較大速度在腔底向左側(cè)滑移,此時(shí)流體速度較大,較少部分流入集液筒;當(dāng)流動(dòng)超過(guò)9 s時(shí),液體開(kāi)始在分離腔內(nèi)積累,底部流體速度開(kāi)始減小,碰撞底部流體而產(chǎn)生旋渦,加劇了流體擾動(dòng)。因此連通管位置布置就顯得尤為重要。
圖4 不同時(shí)刻分液側(cè)內(nèi)部流線分布Fig.4 Interior str eamline of the gas-liquid separation unit for different instant
3.2.1連通管對(duì)分離特性影響
連通管是分離腔體內(nèi)積液排入到集液筒的關(guān)鍵部件,因此對(duì)分離性能起到關(guān)鍵影響。
圖5為分離腔內(nèi)不同連通管數(shù)量時(shí)分液測(cè)內(nèi)液相相含率分布。當(dāng)僅有一根連通管時(shí),分離腔內(nèi)有大量積液;當(dāng)連通管數(shù)量超過(guò)兩根以上,分離腔左側(cè)的連通管都能有效的起到排液作用,右側(cè)連通管起到排氣作用,分離腔內(nèi)排液及時(shí)。因此,建議氣液分離閃蒸撬分液側(cè)的分離腔體與集液筒之間連通管布置應(yīng)大于兩根。
圖5 不同連通管個(gè)數(shù)時(shí)分液側(cè)內(nèi)液相相含率分布Fig.5 Interior liquid-phase holdup of differ ent pipe numbers on the gas-liquid separation unit
圖6是兩根連通管不同布置方式時(shí)分液測(cè)內(nèi)液相相含率分布圖。當(dāng)連通管分別分布在分離腔兩側(cè)時(shí),左側(cè)連通管起到明顯的排液作用,右側(cè)連通管起到排氣作用,且在右側(cè)連通管積液較少,更有利于排氣;當(dāng)兩根連通管均布置在分離腔右側(cè)時(shí),左側(cè)連通管處于分離腔氣液兩相區(qū),在排除液體的同時(shí)會(huì)帶走大量氣體,從而不利于排液;當(dāng)兩根連通管均靠分離腔左側(cè)布置時(shí),左側(cè)連通管排液效果明顯,但是右側(cè)連通管處于分離腔氣液兩相區(qū),此時(shí)排氣作用受到影響。因此,為了保證分離腔內(nèi)排液順暢,連通管可左右兩側(cè)布置,保證至少一根連通管處于分離腔積液區(qū),一根連通管處于其氣相區(qū)。
圖6 不同連通管分布時(shí)分液側(cè)內(nèi)液相相含率分布Fig.6 Inter ior liquid-phase holdup of pipe locations on the gas-liquid separation unit
在對(duì)連通管的布置模擬后發(fā)現(xiàn)分離腔兩端布置效果最佳,基于上述結(jié)構(gòu),對(duì)連通管的管徑進(jìn)行了模擬,圖7為不同連通管管徑所對(duì)應(yīng)的分離效率模擬結(jié)果。
圖7 連通管直徑對(duì)分液側(cè)分離效率影響Fig.7 Effectsof pipe diameter on separation efficiency
由圖7可以看出,連通管管徑分別為DN100、DN200及DN300 mm時(shí),分液側(cè)分離效率均在92%以上,分離效率高,且整體效率波動(dòng)較小??傮w而言,當(dāng)滿足排液要求時(shí),連通管管徑對(duì)分液側(cè)分離效果的影響較小。
3.2.2捕霧器對(duì)分離特性影響
絲網(wǎng)捕霧器因具有體積小、質(zhì)量輕、除沫效率高等特性,在石油化工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)帶有霧沫的氣體以一定速度通過(guò)絲網(wǎng)時(shí),受到上升的慣性作用與絲網(wǎng)碰撞被捕集;在細(xì)絲表面擴(kuò)散、沉降,聚集成較大的液滴后沿著細(xì)絲流至兩根絲的交點(diǎn)處;由于細(xì)絲的可潤(rùn)濕性、毛細(xì)管作用、液體的表面張力使得液滴越來(lái)越大,直到液滴自身產(chǎn)生的重力超過(guò)氣體的上升力與液體表面張力的合力時(shí),液滴就從細(xì)絲上分離下落。結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 捕霧器結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of demister
圖9為不同捕霧器厚度條件下,分液側(cè)分離效率隨分離時(shí)間變化關(guān)系。由圖9可見(jiàn):捕霧器厚度在60~120 mm時(shí),分離效率隨分離時(shí)間波動(dòng)較小,整體分離效率高達(dá)98%;捕霧器厚度大于120 mm時(shí),分離效率隨分離時(shí)間波動(dòng)很大,分離效果不穩(wěn)定,最小分離效率在70%左右。因此,對(duì)于氣液分離閃蒸撬分液側(cè),氣相出口捕霧器厚度建議控制在60~120 mm范圍內(nèi)。
圖9 捕霧器厚度對(duì)分離效率影響Fig.9 Effects of demister thickness on separation efficiency
圖10為不同捕霧器直徑時(shí)分液側(cè)分離效率隨分離時(shí)間變化關(guān)系。由圖10可見(jiàn),隨著捕霧器直徑增大,分液側(cè)分離效率變化很小。因此,捕霧器直徑對(duì)分液側(cè)分離效率的影響較小。
圖10 捕霧器直徑對(duì)分離效率影響Fig.10 Effects of demister diameter on separation efficiency
3.2.3導(dǎo)流板對(duì)分離特性的影響
導(dǎo)流板作用是改變進(jìn)口氣流方向,保證氣液兩相流體在分離腔內(nèi)有足夠停滯時(shí)間,因此其對(duì)分液側(cè)分離性能影響明顯。
圖11為不同導(dǎo)流板角度時(shí),分液側(cè)的分離效率模擬結(jié)果。當(dāng)導(dǎo)流板角度在90°~135°范圍內(nèi),分液側(cè)分離效率達(dá)85%以上;當(dāng)導(dǎo)流板角度大于135°時(shí),分離效率出現(xiàn)明顯波動(dòng),且導(dǎo)流板角度越大,分離效果越差。
圖11 導(dǎo)流板角度對(duì)分液側(cè)分離效率影響Fig.11 Effects of deflector angle on separation efficiency
圖12為不同導(dǎo)流板角度時(shí)分液側(cè)的流場(chǎng)特性模擬結(jié)果。由圖12可知:當(dāng)導(dǎo)流板角度在90~135°范圍內(nèi)時(shí),導(dǎo)流板在分離腔體內(nèi)部的導(dǎo)流效果明顯,氣體混合物碰撞導(dǎo)流板后速度明顯減小,有利于排液;當(dāng)導(dǎo)流板角度超過(guò)135°時(shí),導(dǎo)流板導(dǎo)流效果變差,在分離腔左側(cè)積液區(qū)流速較大,從而導(dǎo)致分離效率降低。因此,建議氣液分離閃蒸撬分液側(cè)導(dǎo)流板角度控制在90~135°范圍內(nèi)。
圖12 不同導(dǎo)流板角度時(shí)分離腔體內(nèi)部流線Fig.12 Interior streamline of different deflector angle on the gas-liquid separation unite
圖13為導(dǎo)流板深度對(duì)分液側(cè)分離效率影響的模擬結(jié)果。
圖13 導(dǎo)流板深度對(duì)分離效率影響Fig.13 Effectsof deflector depth on separation efficiency
由圖13可見(jiàn):當(dāng)導(dǎo)流板深度小于243 mm時(shí),隨著分離過(guò)程進(jìn)行,分液側(cè)分離效率逐漸降低,將導(dǎo)致大量液滴通過(guò)氣相出口排出;導(dǎo)流板深度超過(guò)243 mm以后,分液側(cè)分離效率將在80%以上,波動(dòng)很小。
圖14為不同導(dǎo)流板深度時(shí),分液側(cè)腔體內(nèi)部流線分布。由圖14可見(jiàn):在導(dǎo)流板深度為105 mm時(shí),雖然導(dǎo)流板導(dǎo)流作用明顯,但由于導(dǎo)流板深度較小,流體在碰撞導(dǎo)流板后受重力影響段增加,流速增大,嚴(yán)重影響分液側(cè)分離效率;當(dāng)導(dǎo)流板深度超過(guò)243 mm時(shí),分液側(cè)腔體內(nèi)部積液區(qū)流場(chǎng)穩(wěn)定,流速較小,擾動(dòng)減小,有利于排液。因此,分液側(cè)導(dǎo)流板深度建議控制在385~647 mm。
圖14 不同導(dǎo)流板深度時(shí)時(shí)分離腔體內(nèi)部流線Fig.14 Interior streamline of different deflector depth on the gas-liquid separation unite
3.2.4折流板深度對(duì)分離特性影響
折流板也是氣液分離閃蒸撬分液側(cè)內(nèi)部主要結(jié)構(gòu),起到整流的作用。
圖15為不同折流板深度時(shí),分液側(cè)分離效率模擬結(jié)果??梢钥闯稣哿靼迳疃仍谳^大的范圍內(nèi)變化時(shí),分離效率整體趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)檎哿靼宓慕Y(jié)構(gòu)主要起到整流的作用,當(dāng)分離腔其他內(nèi)部構(gòu)件均達(dá)到最優(yōu)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí),折流板只是起到整流的作用,因此對(duì)整體分離效率影響不大,分離效率均在98%以上。
圖15 折流板深度對(duì)分離效率影響Fig.15 Effects of baffle plate depth on separation efficiency
建立了氣液分離閃蒸撬分液側(cè)模擬模型,分析了分液側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)其分離特性的影響規(guī)律,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。其結(jié)論如下:
1)連通管數(shù)量和分布位置對(duì)分液側(cè)分離性能影響較大;當(dāng)分離腔體與集液筒之間采用一根連通管連接時(shí),集液筒內(nèi)部將出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象。因此,建議分離腔體與集液筒之間采用兩根以上連通管連接,并分別布置在分離腔的積液區(qū)和氣相區(qū)。
2)捕霧器厚度60~120 mm時(shí),分液側(cè)分離效率高達(dá)98%;但厚度超過(guò)120 mm時(shí),分離效率隨分離時(shí)間波動(dòng)很大,分離效果不穩(wěn)定;捕霧器直徑對(duì)分液側(cè)分離效率影響較小。因此,建議捕霧器厚度控制在60~120 mm范圍內(nèi),捕霧器直徑不做要求。
3)導(dǎo)流板角度在90°~135°、深度在385~647 mm時(shí),分離腔體內(nèi)部積液區(qū)流速較小,流場(chǎng)擾動(dòng)較小,排液順暢,分離效率較高;但當(dāng)導(dǎo)流板角度超過(guò)135°、深度小于385 mm時(shí),分離腔體積液區(qū)流速較大,擾動(dòng)劇烈,從而造成分離效率降低。因此,建議導(dǎo)流板角度和深度分別控制在90°~135°和385~647 mm范圍內(nèi);折流板的結(jié)構(gòu)對(duì)整體分離效率影響較小。