气液旋流器旋流式分离器设计

1摘 要本次毕业设计对分离器的各重要零部件的重要尺寸进行了详细的计算，并进行了强度分析，同时采用三维建模的方式对各个分零部件进行了设计。在总结前人的设计经验的同时提出了自己的设计理念改进了部分设计特点使我们设计的气液旋流器旋流式分离器更加趋于完善，可分离气泡小，分离的效率也较高，同时分离器所占用的空间体积相对较小，维修量小，工作稳定。旋流式分离器具有这些特点，气液旋流器的工作特点具有实用性和可靠性，并具有广阔的前景。关键词：旋流分离器；气液分离；优化；三维建模2AbstractAn important dimension of the graduation design of separator of all major components are calculated in detail, and analyzes the strength, at the same time, the various sub components are designed using three-dimensional modeling method. The gas-liquid cyclone cyclone separator in summarizing the previous experience in the design and proposes own design idea the design features improved enable us to design a more perfect, separation bubble is small, the separation efficiency is higher, at the same time separator space occupied by volume is relatively small, small amount of repair, stable work. The cycloneseparator has these characteristics, working characteristics of gas-liquid cyclone has practicability and reliability, it has broad prospect.Keywords: cyclone separator; separation; optimization; 3D modeling3目 录第 1 章 概 述 .11.1 气液分离装置的发展与现状 .11.2 气液分离装置的种类与研究 .31.3 气液分离装置优缺点分析 .51.4 研究任务目标与研究方法 .5第 2 章 气液分离器工艺流程分析 .62.1 气液分离装置主要结构与工作原理 .152.2 实验室工艺流程 .8第 3 章 气液分离设备主参数确定 .153.2 旋流单体结构形式及其参数优化 .153.2.1 入口结构 .173.2.2 大小锥段 .223.2.3 溢流口 .263.2.4 底流管 .173.2.5 旋流腔 .223.2.3 溢流口 .263.3 气液分离器集合参数计算 .153.4 分离能力的计算 .15第 4 章 气液旋流分离器性能影响因素分析 .314.1 入口设计分析 .394.1.1 入口喷嘴分析 .174.1.2 双入口分析 .224.2 入口位置 .174.2.1 最佳外形比 .224.2.2 旋流体锥度 .224.3 出口管分析 .224.4 溢流口直径分析 .2244.5 底流口直径分析 .224.6 锥角影响 .224.7 入液口直径影响 .224.8 溢流管插入深度影响 .22第 5 章 强度分析 .315.1 筒体校核计算 .225.2 封头校核 .225.3 法兰与螺栓校核 .22第 6 章 气液旋流分离器三维设计 .316.1 软件介绍 .66.2 气液旋流器三维建模 .86.3.1 中心旋流体 .176.3.2 上罩设计 .226.3.3 中罩设计 .176.3.4 底罩设计 .226.3.5 蓄液箱体 .226.3.6 支架设计 .226.3 标准件选取与应用 .12结论 .46参考文献 .47致谢 .485第一章 概述1.1 气液分离装置的历史与发展现状旋流分离是一种高效的多相流体分离技术,它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离的。人们对旋流器的研究由来以久,自从 1886 年 Marse 的第一台旋粉圆锥形旋风分离器问世以来,旋流分离技术已广泛应用于石油、化工、食品、造纸等行业。随着旋流器应用的日益广泛,国内外众多学者对旋流器的结构、尺寸、流场特性进行了大量的研究,并相继提出了各种分离理论,但多集中于气-固分离的旋风分离器和用于液-固、液-液分离的水力旋流分离器。许多研究者已相继提出各种各样的分离理论,已经有了比较完善的分离理论、设计方法和应用实践。由于具有广阔的使用前景和显著的优点,人们对气-液旋流分离技术也开展了大量的实验和理论研究。但与气-固、液-固分离不同,气-液两相流动过程中颗粒(液滴或气泡 )的碰撞、团聚和扩散机理更加复杂,由于不确定的因素较多,计算复杂,同时受气- 液两相流发展的限制,使气-液旋流分离的研究远滞后于旋风分离器和水力旋流器。近年来气-液旋流分离技术已日益成为国内外争相研究的热点技术。目前,国内外对于气-液旋流分离的研究主要可分为 4 类,即: 气-液旋流分离技术应用的试验研究、旋流分离器内部气-液两相三维强旋湍流流场测定的试验研究、建立能准确反映气-液两相旋流分离机理模型的理论研究以及气-液两相旋流流场计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,简称 CFD)模拟。1.2 气液分离装置的种类与研究1气-液旋流分离技术应用试验研究由于受气-液两相流体力学发展的限制,对于气-液旋流分离技术,以前进行的大部分工作都是基于应用和试验研究。即根据不同的要求开发研制不同结构的气-液旋流分离器,并对其分离特性进行试验测量和性能分析。其类型主要介绍如下。2.管柱式气-液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone 简写 GLCC)1979 年,Davies 和 Watson 研制了管柱式气-液旋流分离器,是由垂直的筒形6容器,安装了一个向下倾斜 27的切向进口管,上部出气管,下部排液管。切向进口给混合物提供了一个涡旋运动,气-液两相由于重力和离心力的综合作用,液体被驱向筒壁并向下从底部流出,气体径向向旋流器的中心流动并从顶部排气管离开分离器。海上采油代替传统的分离器,在改善分离性能的同时降低了成本。1995年,Kouba 等将 GLCC 用于多相流量计量,经过 GLCC 分离后的气液两相分别用单相流量计计量,然后再合并,避免了多相流测量中的问题;GLCC 在地面和海上油气分离、井下分离、便携式钻井设备、油气泵、多相流量计、天然气输送以及火炬气洗涤等具有巨大的潜在应用1。1995 年,Kouba 等研究了 GLCC 的进口倾斜角度、操作压力、筒体和进口结构对于气相出流中液体夹带的影响,分析了 GLCC 分离器操作范围和分离效率的机理。1985 年,Zikarev 在靠近 GLCC 的底部开了一个矩形进口 ,理论分析和实验结果显示,这种结构操作时降低了液滴在气相出流中的夹带。3.螺旋片导流式气液分离器 (Cyclone Gas-liquid Separator 简写 CS)1996 年,Franca 等研制了螺旋片导流式气 -液旋流分离器 ,直接在井口将气液进行分离,增加了采油回收率,分离后的气体和液体用不同的管道输送各相,使石油和气体分别经过各自的管道进入储油罐和储气罐,降低了多相流输送时易出现的断续流、堵塞和沉积等典型问题。螺旋片导流式气-液分离器是一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离装置,用于地面或井下天然气开采中的油气分离,石油开采中的油水分离,压缩空气的净化处理,航空宇宙中的氦气分离,还可用作水处理装置,其性能明显优于同类设备。尤其在海上、偏远地区油井及远距离油气输送方面具有较广泛的前景。目前国内外的井下油气分离基本都采用了螺旋式油气分离器。4.轴流导叶式气液旋流分离器2005 年,中国石油大学多相流实验室研制了轴流导叶式气液旋流分离器,与切向进口的 GLCC 和 CS 相比其采用轴向进料,旋转流由导向叶片产生,从而使旋转流保持稳定,并有助于维持层流特性,而且其显著特点是阻力损失较小。当采用轴向进料时,结构更加紧凑,适宜于井下狭长空间环境的安装操作。5.管道式气液旋流分离器管道式气液旋流分离器,是用法兰将气液旋流分离器直接安装在石油或天然7气的输送管道上,具有高效率、撬装化、可移动与小型化等优点。并且可以降低输送成本,降低了气液两相流输送时容易产生的断续流、管道堵塞、沉积等多相流输送的典型问题。6.旋流分离器内气-液两相流场的测量研究旋流分离器内是复杂的三维强旋湍流场,一般都是用大量的实验来寻找它的流动规律,并用来验证和补充理论研究的描述流动特性的数学模型。由于起步相对较晚,研究者对于气-液两相涡旋流动性能的研究,主要是参照旋风器和水力旋流器的涡旋流动的研究理论和方法。流场分布规律也多引用旋风器和水力旋流器的测定结果。这一领域最早的研究之一是 Nissan 和 Bres-san,1961 年他们用 2个切向入口将水注入管子,其切向动量与轴向动量之比为 8,用探针对管内涡旋流场进行了测量,发现在管子核心区域有一个逆向流动区。1979 年,Ito 研究了切向进口产生的涡旋流动中涡旋衰减的情况,他用水作工质,切向动量与轴向动量之比为 50,用多电级探针测量,发现其切向速度有 2 个区域: 管中心的强制涡流区域和周围的自由涡流区域。1988 年,Algifri 等以空气为工质,用热敏探针对通过管道衰变的湍动涡流进行了测量研究,以径向导流的方法产生涡旋流动,发现在涡旋强度很大时,雷诺数对速度的影响也增强,他们建议除了管壁附近外,切向速度的分布应近似地看作 Ran-kine 涡,即准自由涡与强制涡的组合。对于气液旋流器内部三维流场的结构,由于测试手段限制,所以实测研究进展一直较慢。然而只有在清楚旋流分离器内连续相和液滴(气泡)的运动规律后,才能真正认识气液旋流分离器的分离机理,并为旋流分离器的工程设计和改善其分离性能提供理论基础。Erdal(2002)采用多普勒激光测速仪对 GLCC 内的重相气液两相旋流的流场进行了测量研究4, 他的测量显示对于单切向进口的旋流器,由于进口效应的影响,其流场是非轴对称的,中心强制涡流区绕旋流器中心线呈螺旋状。而双进口结构的流场比单进口结构呈现更好的对称性。2007 年,中国石油大学多相流实验室采用 APV(Adaptive Phase/ Doppler Velocimeter)对轴流导叶式旋流分离器内轻相气-液两相流场进行了测定。所有测定结果都得到了相似的流场分布趋势,即旋流器内部切向速度呈准 Rankine 涡结构,且沿轴向衰减。轴向速度将流动区域分为向上的内旋流和向下的外旋流,当进口涡旋强度较高时,在中心会出现向下的流动区。湍流强度分布是涡旋核心湍流8强度最大,外区趋于定值,而在边壁处升高。流场实验测定数据和 CFD 模拟研究都证实,由于核心强制涡的影响,旋流器的湍流脉动是各相异性的。虽然在旋流器内部流场结构的实验研究方面,人们进行了大量的工作,并取得了很大的进展,但由于流场内流体运动的复杂性,并受多相流动力学和实验流体力学发展的限制,目前还有许多现象无法解释。尤其是气-液旋流分离过程中,气泡和液滴在运动过程中的碰撞黏结、团聚破碎和扩散的机理及其与流动特性的相互关系还不清楚。1.3 气液分离装置优缺点分析在石油化工中装置中，有各种各样的分离器，其中以立式重力气液分离器最为常见，这种气液分离器具有结构简单、操作可靠等持点。立式重力式分离器的主体为一立式圆筒体，多相流一般从该筒体中段进入，顶部为气流出口，底部为液体出口虽然旋流式气液分离技术在石油化工方面的应用要晚得多，但与常规的重力式分离相比较，它具有很多优点： 分离效率高，由于分离原理的不同使得旋流式分离器具有很高的分离效率； 成本低，占用空间较小、维护费用少、能耗低、不需要任何帮助分离的介质； 安装灵活方便，旋流器可以任何角度安装； 工作连续、可靠,操作维护方便,一旦设计、调试好, 就可自动、稳定地工作。旋流式气液分离器有以上优点，但也有如下缺点: 由于旋流器内流体的流动产生一定的剪切作用，如果参数设计不当，容易将液滴(油滴或水滴) 打碎乳化而恶化分离过程； 通用性较差。不同的分离要求、不同的处理物料的性质往往需要不同结构尺寸或操作条件的旋流器，因此旋流器往往不能互换使用。在欠平衡钻井中，使用旋流式气液分离器分离钻井液中的气体，能充分发挥该离器优点，同时又能有效的避免它的缺点。因此，旋流式气液分离用于分离钻中的气体具有广阔前景。1.4 研究任务目标与研究方法91.对气液旋流器进行结构进行创新设计2.对气液旋流器的主要参数进行设计计算3.通过三维的设计进行造型完善设计内容4.完成试验台设计与分离因素分析第 2 章 气液分离器工艺流程分析2.1 气液分离装置主要结构与工作原理旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。旋流分离器的基本构造为一个分离腔、一到两个入口和两个出口。分离腔主要有圆柱形、圆锥形、柱-锥形三种基本形式。入口有单入口和多入口几种，但在实践中，一般只有单入口和双入口两种。就入口与分离腔的连接形式来分，入口又有切向入口和渐开线入口两种。出口一般为两个，而且多为轴向出口，分布在旋流分离器的两端。靠近进料端的为溢流口，远离进料端的为底流口。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后,在离心力场的作用下,密度大的相被甩向四周,并顺着壁面向下运动,作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出。这样就达到了分离的目的。旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。本文设计的旋流分离器用于石油钻井中钻井液的气液分离。102.2 实验的主要步骤1.检查分离器零部件,并按照技术要求进行检验并连接到试验台上。2.进行气密性和安全检查,不添加水,连接后逐渐增压至0. 9 MPa ,并保持10 min 左右,若运转正常,再检验试验装置是否漏气。3.检查完毕后,通气吹扫管道,清理管道内部存留的杂质,约3 h 。4.通入气、液混合2 相流进行分离试验,测量并记录相关试验数据,如表1 。试验中含水量测量为相对质量测量,即每单位质量混合气体中所含水分的质量分数。5.去掉溢流口出口处的专用分离装置后测量的数据值6.测量并记录常规离心式分离器的测量数据第三章 气液分离设备主参数确定气液旋流分离技术作为一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离技术,具有阻力小,耗能少,分离效率高等优点,已成为工业新型气液分离技术的热点。正成为石油、天然气开采工业井口、井下油气分离的重要设备,并被广泛应用于压缩空气中的油水分离、航空宇宙中的氦气分离、生物发酵以及食品工业的尾气处理、工业废气的净化处理、化工生产以及环境工程中的气液分离等工艺中,显示了良好的工程应用前景。随着现代流场测定技术、气液两相流体力学、计11算流体动力学(CFD)和计算机科学的发展,人们将逐步弄清气液旋流场的流动、碰撞、团聚和破碎机理,并能用计算机准确模拟其流场分布。这将为不断拓展气液旋流分离技术的工程应用,开发高效、低能耗的气液旋流器产品,进一步规范优化气液旋流分离器结构提供理论基础。经过参考对比后本次设计决定根据以往设计经验进行总结和优化，通过结构优化完善设计，下图是选取的参开设计模型。3.2.1 入口结构1. 入口区气液分离区间结构旋流气液分离器由入口区(段)、入口分流区、漩涡区、气泡区、液滴区、气相和液相出口配管等部分组成。由于气液旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分离,而入口结构决定了分离器的入口气液相分布及气液相切向入口速度的大小。因此入口结构是影响旋流分离器分离特性的关键因素之一。气液相流速的不同,油、气两相或油、气、水多相流在入口管和喷嘴内可能呈现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型。2.入口分流区入口分流区即与入口槽连接的筒体部分)。气液相经入口槽进入入口分流区实现气液的初步分离,上部的气相、下部的液相分别沿筒壁旋转形成旋流场。3.漩涡区12经初步分离的液相以切向速度沿筒壁旋转形成强制旋流。除壁面附近,该旋流可看作刚体转动4.气泡区和液滴区分离器上部,气相为连续相,液滴分散其中,称液滴区;下部,液相为连续相,气泡分散其中,称气泡区。连续相做涡旋运动,由于气液相密度差,分散相粒子(气泡或液滴) 与连续相间存在滑脱。研究分散相粒子的运动轨迹,可以分析分离特性。1 .气泡轨迹分析在漩涡区,较大直径的气泡容易被掳获分出,因此气泡轨迹的研究区域是从漩涡底部开始的涡流区。实现气泡分离的必要条件是壁面处气泡运动至中心气核的时间应少于气泡随连续相液相流出分离器的时间。2 .液滴轨迹分析 经过入口分流区初步分离后的旋转气流携带液滴进入分离器上部的液滴区,与气泡区不同的是,由于分散粒子液滴的密度大于连续相气相密度,液滴被甩向器壁。液滴能够分出的必要条件是分离器中心处的液滴到达器壁的时间应短于液滴随旋转气流流出分离器的时间。到达器壁的液滴,在旋转气流的作用下,将在器壁上形成螺旋状薄层液流沿器壁向下流动分出,完成气液分离。3 .连续相旋流特性分离器内连续相旋流场分布对气液分离至关重要。连续相切向速度 、径ct向速度 和轴向速度 构成了旋流场。由于粘性耗散和壁面摩擦阻力的作用,crcz切向速度沿轴向逐渐减小,采用旋流强度表征旋流场的衰减特性。旋流强度 定义为在某一高度截面上连续相切向动量通量与总轴向动量通量的比。径向流速通常较切向流速和轴向流速低二个数量级,对气液分离效率的影响非常小,因此忽略径向速度。沿旋转半径方向上,切向速度的变化非常显著,按照其不同变化规律,可以将旋流分成两个旋转区域:近壁面处的自由涡旋区和中心强制涡旋区。忽略壁面附近的自由涡旋区,将旋流场视为强制涡旋运动,切向流速近似呈线性分布;将轴向流动视为匀速运动,轴向流速等于平均流速。 气液相流速的不同,油气两相或油气水多相流在入口管内可能呈现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型。分离器采用的入口结构通常为垂直于筒体的结构( 目前很多分离器采用的分气包亦为类似结构),采用垂直结构的管13柱式旋流分离器入口直径的选取是为了保证入口管内呈现分层流,入口管直径根据Taitel&Duker 模型确定。由分流层转变为断续流或环状流的判别式: （59）1)(2lgdhAcUF式中： 2/1)(cosglgdUFDl122)(1llhAggAU/4)12()()1(cos5.0/2 lllg hhD Dhll式中 D 为入口管直径， 为管内横截面上液面离管底的高度，A 为管内气l g相所占的横截面积。D 和 作为迭代量，直至准则方程左端小于 1，D 即为满lh足分层流条件最小入口直径。对判别式变形得: )1(2cos)(42lgl hDU（60）已知 3/185.mkg3/05.mklsUg/6N/.9代入上式得 : （61）.27223)1(.4llhD故计算求得最小直径: D=40mm入口槽选型,根据分离器工艺设计分析入口槽选用方形同时入口喷嘴的截面积的确定保证入口液相流速综合考虑本设计分离器的结构，最后确定为双进口。3.2.2 大小锥段单纯的气液分离并不涉及温度和压力的关系，而是对高速气流（相对概念）夹带的液体进行拦截、吸收等从而实习分离，旋流挡板等在导流的同时，为液14体的附着提供凭借，就好像空气中的灰尘要有物体凭借才能停留下来一样。而不同分离器在设计时，还优化了分离性能，如改变温度、压力、流速等 利用气液比重不同，在一个突然扩大的容器中，流速降低后，在主流体转向的过程中，气相中细微的液滴下沉而与气体分离，或利用旋风分离器，气相中细微的液滴被进口高速气流甩到器壁上，碰撞后失去动能而与转向气体分离。大小锥段在其中的作用主要是改变旋流器内部的空间大小，利用密度差吸附周边的液滴来进行导向和收集，并最终达到蓄液器，本次选择的锥度可以根据经验初步设定为小锥度为 5，大锥度为 203.2.3 溢流口溢流口是气液混合空气进入后在旋流清理后，去除水分的气体由于密度较轻，缓慢沿着内部旋流内腔臂侧上升到顶部通过溢流孔流出。溢流孔的直径为（8.5-20 ）D，这里的取值溢流管内孔孔径为 4mm，外径为 10mm，以保证合理的输出速度。153.2.4 底流管底流管有称为尾流管，内孔孔径的大小直接影响到清理后液体的流量，而管径的大小影响到尾流管的壁厚大小对整体的强度有较大影响。按照经验设计，尾流管的直径一般与旋流主体直径的尺寸关系为（15-30）D，本次设计我们选取的内孔直径为 12.5，外侧外径为 16.53.2.5 旋流腔气液旋流器的旋流腔体是混合空气进入后主要的直接承载结构，在这里混合气体在高速的旋流作用下进行了由于密度不同的额分离动作。腔体的直径计算公式 ，经过计算后 D 为 70mm5.0kntv4 qlD3.3 旋流单体结构参数优化与计算已知日处理液量为： smh/1054./233日处理液量为： m83分离器直径的选取避免气相中夹带液体，计算过程中以气相这算速度来表示，这算的速度不能大于气流中出现的液滴时的临界速度。经过研究发现，为了保持液相入口的切向流速 和液相的流速knsvtv其中 ，得出分离器的直径为：s，经过圆整后取值0671.5.143015.04v4 3.035.0knt qlDD=70mm根据经验公式可知：16入口结构参数 分离追角度当量直径涡线方程大锥角 小锥角尾管长度（mm）溢流管直径（mm）旋流腔长度（mm）备注0.5D Dp5.019-22 1.5-5 （15-30）D（8.5-20）D（1.8-3）DD 为主直径合理的旋流器单体结构参数为：大锥角 1=20，小锥角 2=5尾管长度=140尾管直径=12.5mm小锥段长度=150mm小锥段大直径=25.6mm旋流腔长度=80mm溢流管直径=4mm入口最小界面接尺寸=2x3mm3.4 分离能力计算 径向方向上旋流中气泡受力如图 5-3 示，由受力可知， 相对运动微方程：(47) srGGLGtw wdmrrmdsr 22218式中： 为气泡质量， 为相对滑移速度， 为气泡直径， 为半径 r 处的srww旋流速度。假设旋流为强迫旋涡，即 。则上式可写为：r(48)srGGLtwdrdsr 2218)(解得： ( 为常数) (49)(1821822ceGLtsr c17初始条件： 时，0t 0,0srw(50)(18)(21802edwtdGLsr G设 为时间常数， ，式中第一项 ，)(2L )(21802rerwtdsrG 0故 趋于终端沉降速度：sr sr2又 ，故 （t=0 时， ）trsrdwtr20r若不考虑旋转时的能量损失，则 （ 为切向入口速度）0rw0， 解得：rwdrt20t2020一般地，当 时，近似认为气泡已迁移到中心，对应的时间为最小驻留m1.时间 2020int一般气泡从边壁到中心的平均移动速度 ，即 smw/1_smrwt/10_in分离器的处理量为 Q，则分离器内液体占据的最小体积VwrtV20minin式中 V 为旋流器的容积。 竖直方向上计算在最小驻留时间 内混合体运动的距离时，可忽略气泡与液体的相对滑移，mint认为气泡随液体一起在重力的作用下向下运动，可得在 内，气泡下降的距离：mint2minmin1tgl即旋流器的最小长度为 。minl设计参数： sdQ/014./933183/150mkgL )25(/18.3CmkgGsPa.d40sw60016.5.18)()(18)( 242 GL由以上参数和式 计算可得：旋流器的半径 。当分离器的设计直径 时，相应地mr05.mD3.，0.293smintl421in第四章 气液旋流器结构影响分析4.1 入口设计分析由于旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分离,而入口结构决定了分离器的气液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口结构和尺寸是影响管柱式旋流分离器实现气液分离的关键因素。4.1.1 入口喷嘴分析喷嘴是入口段最后一个影响进入分离器气液相流速分布和入口切向流速大小的因素。通过对 3 种不同入口开槽结构(矩形、同心圆形及新月形)的初步实验发现,同心圆形喷嘴(缩口管)结构的分离特性最差,而矩形结构喷嘴的分离效果最佳,新月形结构喷嘴的分离效果与矩形喷嘴接近,，本次设计我们选择的是矩形结构入口。一般情况下入口喷嘴面积的选取应保证入口液相流速在 4.5-6/ 之间。液相流速过小将难以发挥旋流离心分离的作用,但液相流速过大将形成过高的漩涡区,在筒体中过早出现气相夹带液滴和液相夹带气泡现象,影响分离效果。4.1.2 双入口分析 双入口将入口流预分为两股流动：双入口的试验表明中等大小的气体流量（在入口处段塞流转为分层流）下，气体带液率有明显降低，当气体流量较高时（在入口处为环空流） ，无多大变化。4.2 入口位置19许多试验都表明最佳液面大约在距离入口下方 13L/d 处。过低的液面,如距离入口处远大于 3L/d,会导致切向入口速度的过度衰减,影响性能。如果液面高于入口,气体会通过液体而溢出,造成更多液体的携带。4.2.1 最佳外形比外形比是指长径比。尺寸影响其性能及造价。对于一个给定的直径入口上方的长度提供了液流扰动的容量,而入口下方的长度则决定了用于从液体中分离气泡的存留时间。另外,离心力和浮力的大小与直径成反比,切向速度衰减与长度成正比。由于这一现象的复杂性,最近才刚刚提出了一套决定最佳外形比的基本标准。4.2.2 旋流体锥度针对反锥型、正锥型和圆柱型旋流体进行的研究表明,对于气/液分离,圆柱型旋流体要稍优于反锥型和正锥型结构。4.3 出口管设计分析气液相出口管线的配置可根据气液相流量、配置仪表的要求确定。建议气相出口流速取 330/,液相出口流速取 1.212 / 。容器内平衡液位应低于入口 0 .3,分离气液相的汇合点一般低于入口点 0.30.5,以保持正的静水压头。若分离器配置控制系统,汇合点位置可以高于入口。4.4 溢流口直径增大溢流口的直径的情况下下可有效的扩大我们所要的分离锥面，同时增加了分离的密度，这样产量就会增加，但是这样的情况下杂质也会同时增加的。4.5 底流口直径缩小底流口的直径与溢流口的效果是一样的，都是可以增加分离锥面的，扩大分离的密度，不过从流体力学的角度来分析，这样的情况下会造成底流口的堵塞和挤压等。4.6 锥角的影响增加锥角的情况下可以让悬浮的液体浓度作用加大，分离的密度由此也会增加，由于悬浮的液体密度是不均匀的，所以对分选的效果是有影响的。一般情况下锥角的尺寸在 15-30之间4.7 入料口的直径影响20如果入料口太小，那么入料的速度就会受到影响，在大压力的作用下，容易发生堵塞问题，但是相反的情况，入料的口子过大时，旋流器的压力就会被分散开，这样进入的线速度自然相应的会减小。4.8 溢流管插入深度影响溢流管插入深度也是重要的影响因素，深度太小时，分离的密度就降低，分离得到气体就越纯，质量好一些，但是插入过大时，质量就差一些。第五章 强度设计5.1 筒体设计1. 设计参数如下表：设计压力（MPa）最大工作压力（MPa）工作温度 容器尺寸(mm)工作介质0.8 1.2 常温 （立式）70有毒、易燃2.筒体厚度计算首先根据单层圆筒厚度计算公式： CTIcPDp2（62）式中 计算厚度，mm 设计直径i焊接接头系数 计算压力，MPacp设计温度下许用应力t由设计参数，筒体的材料是：16MnR. 根据文献26查表 D1 知，在设计温度下 16MnR.的许用应力，当厚度为 1-8mm 时， =170MPa,因为容器所盛介质t易燃，所以压力容器所有的焊缝采用全焊透结构，根据文献26查表 4-3 知 0.1设计压力： 32.1.cp假设计算厚度为 1-8mm,许用应力 =170MPa，则t21=CTIcPDp2 m27.03.1702.设计厚度： cd.对于 16Mn 钢板偏差 因而可以取名义厚度,1 ,2n应力判别式： teictDp2)(（63）式中 计算压力，MPa 设计直径cp iD设计温度下许用应力 -有效厚度te已知 则代入上32.1c mDi0mcne4260.1式得 MPaPapeict 0.1792.6)7(.)( 故满足强度要求5.2 封头设计封头采用标准椭圆形封头.材料:16MnR,当厚度为 18mm 时, Pat1701. 椭圆形状系数 : 262ihDk（64）式中: -椭圆长轴iD-直边短轴ih而对于标准椭圆形封头 ,故 =2ihD261ihDk6122. 计算椭圆的厚度 : 2cticpDk5.0（65）式中： k-椭圆形状系数pc-设计压力Di- -圆筒直径22-设计温度下的许用应力t-焊接接头系数假设计算壁厚为 18mm,则 =170MPa,t于是有 cticpDk5.02 m17.32.50.172显然壁厚在假设范围内,则设计壁厚 cd .对于 16MnR,钢板负偏差 ,故取名义厚度 .但对于低合金钢制压力1cn容器规定不包括腐蚀余量的最小壁厚不小于 3mm,加上 2mm 的腐蚀余量,名义厚度至少应取 4mm.又由钢材标准规格,名义厚度应取为 4mm.3.强度校核根据应力强度判别式 : 1tIcteDp2（66）式中: pc-设计压力- -圆筒直径ID- 有效壁厚e-设计温度下的许用应力t把已知条件代入得: MPaPaeDp tIct 17021.42703.12 故强度满足要求5.3 法兰与螺栓校核1.法兰型式及密封面选择考虑到设计压力较高，介质不允许泄漏，拟选用平焊法兰，凸凹密封面。法兰材料：16Mn(锻件)， MPatff150垫片材料：石棉橡胶板，s=3mm,y=11MPa,m=2.0023初拟法兰的尺寸如下所示D D=120 82i垫片尺寸： 39012sd垫片宽度： N= 5 的 要 求符 合 表根 据 文 献 3528,105m垫片基本密封宽度： Nb.70垫片有效密封宽度： 4.6.8.0 故垫片的计算宽度： mDG152.12.螺栓的计算螺栓选用的材料是 Q235 号钢， MPatb7预紧时螺栓载荷： NybWG3691.4921 2.1736mAbm操作时螺栓载荷： NpDbcGcG 3.4582.1469)32.1(2.649)2(22 22 5.371.48mWATBm2M225.37mA取拟采用螺栓 4 个 ，则24，mnAdm4.325.740 根据螺纹标准以及管道法兰螺栓的最小直径，取螺纹根径 ，相当md862.50于 M6 的螺栓。实际螺栓总面积： 222 89.1746.54dnAb 螺栓平均间距： s= mD9.70根据文献28 查表 5-10，对于 M6 的螺栓，最小螺栓间距为 ms32in允许最大螺栓间距： dsB 56).