雙進口旋流器中氣液分離過程的數值研究

張澤偉

摘要：本文采用計算流體力學軟件Fluent 14.5對雙進口旋流器內氣液兩相流動進行數值模擬，得到旋流器內流場的氣相體積分布，計算脫氣分離效率。并通過改變操作參數和結構參數，進一步分析操作參數和結構參數對旋流器脫氣效率的影響。研究發現，雙進口旋流器適合在液多氣少的工況下進行脫氣;提高入口流量有利于提高旋流器分離效率。

關鍵詞：雙進口旋流器;氣液分離;數值

雙進口旋流器作為三相分離器的入口設備，主要作用就是分離氣體。其主要結構有進料管、分離筒體、錐體、溢流管等。分離原理：含氣液流從進料管進入旋流器，旋轉液流在筒體內沿內壁螺旋向下運動，密度大的液體被甩向內壁，并在重力作用下從底流口流出，同時旋轉液流使旋流器中部產生一個低壓區，氣體被抽到低壓區并形成一個螺旋向上的氣柱，再由溢流口排出。

該裝置結構緊湊，旋流強度大，分離效率高，很適合于海上油田的使用。但其內部是復雜的三維、兩相強旋流運動，至今人們仍未完全搞清楚氣液兩相的分離過程，在工程應用中其分離性能受結構參數、操作參數及其他諸多因素的影響，導致目前工程設計及操作運行都帶有濃厚的經驗性質。本課題通過氣液兩相流數值模擬的方法研究不同因素對氣液分離性能的影響規律，從而為海洋平臺油氣生產用氣液兩相旋流器的開發及分離機理的研究提供必要的參考依據。

兩相流沿切向進入旋流器后形成強旋流流場，其流動規律受流體力學基本方程控制。旋流器內的流動為湍流，流動規律較為復雜，目前描述其流動規律的數學模型還不成熟，現有的比較有影響力的湍流模型有：零方程模型、單方程模型、雙方程模型、代數應力模型、雷諾應力模型和其他多方程模型。k-ε模型為雙方程模型，求解相對容易，大量的湍流計算表明，該模型具有較好的計算穩定性、準確性和經濟性?；旌夏Ｐ涂捎糜诹鲃又泻邢嗟幕旌匣蚍蛛x，或者分散相的體積分數超過10%的情形，若分散相分布較廣，用混合模型的效果更好。本文計算模型采用RNG k-ε模型，多相流模型選擇混合模型。

本文模型以勝利油田坨一站三相分離器中的雙進口旋流器為基本模型，主要結構包括：矩形收縮入口、柱狀分離空間、排液錐、溢流管。利用Gambit中的繪圖功能，點、線、面的相互組合便可得到雙進口旋流器的物理模型。

1.初始條件設定

第一相為液相（水），密度993.95 kg/m3，粘度0.0007225Pa?s;第二相為氣相（空氣），密度3.4395 kg/m3;粘度0.00001885 Pa?s;

入口體積流量71.43m3/h，其中液相體積流量50m3/h，氣相21.43 m3/h;

進料氣體體積分數 0.3;

溢流比 30%;

操作壓力0.2MPa;

操作溫度35℃;

混合相的密度 696.78kg/m3;

混合相的運動粘度 0.000511395 Pa?s。

分離效率是分離結果的直接表征，可將其作為檢驗模擬結果可靠性的依據。分離效率可由式（4-1 ） 計算得到：

（4-1 ）

式中：、 分別為氣相的溢流、入口質量，、分別為氣相的溢流流量、入口流量，為氣相密度。

進一步計算可以得出分離效率達到了81.97%，分離效果較好，模擬較為成功。

2 入口流量對分離效果的影響

只改變入口液相流量，將其分別調整為10m3/h、30m3/h、80m3/h、100m3/h，其他條件不變。加上初始條件的50m3/h，共五組數據進行對比。

2.1速度分布

圖 1 為不同入口流量的軸向截面速度分布云圖?？梢钥闯鲈诓煌髁肯滦髌鲀炔慷夹纬闪诵?，速度場分布較為有序，且隨著入口流量的增大，截面速度整體增大，軸心處速度增大尤為明顯，說明旋流作用增強。旋流器內部流場的有序分布和強旋流作用是其高效分離的前提。

圖 1 至圖 3 為軸向速度、切向速度和徑向速度在0截面處的分布曲線。由圖 1 可以看出，隨著入口流量的增大，軸向速度會增大，且在軸心處增大明顯;由圖 2 可以看出，隨著入口流量的增大，切向速度也會增大，且在邊緣處增大明顯，而切向速度的梯度越大越有利于氣體的分離;由圖 3 可以看出，隨著入口流量的增大，徑向速度也會增大，而徑向速度的梯度越大越有利于分離出的氣體朝軸心處轉移。

2.2 壓力分布

圖 1 給出了不同入口流量的軸向截面的壓力分布云圖?？梢钥闯鲭S著入口流量的增大，旋流器的徑向壓力梯度逐漸變大，軸心處的低壓區也越來越低，有利于氣體從混合相中分離出來。從壓降分布曲線可知隨著流量的增大，壓降呈增大的趨勢，且增大的速度越來越快。壓降的增加會使旋流器耗能增大，所以入口速度不能過大。

2.3 分離效果

圖 1 為不同入口流量時雙進口旋流器的氣相濃度分布云圖。由圖可以看出，旋流器內部流場穩定，液體分布在旋流器外周，氣體分布在軸心處。且隨著入口流量的增大，旋流器外壁處液體含量不斷提高，軸心處分離出氣體的濃度也越來越高，并匯聚到溢流管向上排出，但是仍有小部分氣體從底流口的中心處排出。

從分離效率曲線圖可以看出隨著流量的增大，分離效率始終在提高，入口液相流量100m3/h時，分離效率達到了83.64%。但液相流量大于50m3/h后，流量的增大對分離效率的提高作用不是很顯著，考慮到旋流器的能耗等因素，我們可以得出這樣的結論：增大入口流量可

以提高分離效率，但入口流量不宜過大。

3結論

本文計算模型選擇RNG k-ε模型，多相流模型選擇混合模型（Mixture Model），以入口流量71.43m3/h、進料氣體體積分數0.3、出口溢流比30%、溢流管直徑40mm為基礎模型，研究其氣液分離效率。并通過分別改變流量，研究單一因素對分離效率的影響?？偨Y全文，有以下結論：

1.基礎模型的內部流場較為穩定，形成了強旋流，分離效果較好，分離效率達到了81.97%。

2.提高入口流量確實可以提高分離效率。但當入口液相流量大于50m3/h后，分離效率的改變已十分微小，當入口液相流量達到100m3/h時，分離效率為83.64%，僅比液相流量50m3/h時提高了2個百分點。相對于提高入口流量產生的高壓降，這點提高有些得不償失。

在數值模擬方面，計算流體動力學計算只能是在一定程度上對真實流場的一種近似，各種模型和計算都還需不斷地改進，為氣液分離提供可靠的工程設計理論計算公式。