轴流导叶式气液旋流分离器的试验研究

1、轴流导叶式气液旋流分离器的试验研究金向红3金有海王振波(中国石油大学摘要轴流导叶式气液旋流分离器与其他离心式气液分离器比较,其特点是阻力损失小。经试验证明,在低含液浓度下该分离器对气液两相具有较高的分离效果,且采用合理的溢流管和筒体结构形式可以减少短路流和二次流夹带,提高其分离效率。关键词旋流器气液分离导向叶片分离效率压降损失中图分类号T Q05118+4文献标识码A文章编号025426094(2007022*轴流导叶式气液旋流分离器(axial guide vane cycl one gas2liquid separat or是一种新型离心式气液分离装置,入口混合物经过筒体和排气芯管间的螺旋

2、导叶进入分离室,螺旋导叶给混合物提供一个切向速度,离开导叶的混合物在离心力场和重力场的作用下,产生涡流运动,由于气液两相的密度差,在离心力和重力的作用下,液体向管壁流动,并从下部液体出口流出,气体进入内旋流并从顶部排气芯管离开分离器。由于物料与叶片的摩擦或能量消耗较小,从而使旋转流保持稳定,并有助于维持层流特性。因此,与其他离心式气液分离器相比,其突出特点是阻力损失较小1,2。笔者对内径为100mm轴流导叶式气液旋流分离器在低含液浓度下的性能进行试验研究,试验采用管柱式、管锥式两种筒体结构,分别采用3种排气溢流管结构形式,主要考察了排气溢流管结构对分离性能的影响,比较了管柱式和管锥式筒体结构对

3、分离性能的影响。1试验装置和物料试验流程如图1所示。整个试验系统由供风系统、进料雾化系统、分离系统和测量系统4部分组成。本试验采用负压系统,供风系统采用抽风机,其最大流量可达1000m3/h,能满足要求;雾化系统由空气压缩机、空气过滤器、空气转子流量计、液体计量泵以及内混式双流体喷嘴组成,压缩空气与计量泵提供的液体同时进入喷嘴,通过喷嘴液体被雾化成液滴群,通过调节压缩空气的流量、压力和进入喷嘴的液体流量可以得到不同滴径的液滴群,雾化的液滴直径采用文献3中双流体雾化液滴直径的经验计算公式算得;分离系统主要装置是轴流导叶式气液旋流分离器,内径为100mm,用有机玻璃制成;试验物料采用空气2水系统

4、。图1气液旋流分离试验装置流程简图1风机;2毕托管;3温度计;4气液旋流器;5收液斗;6水槽;7计量泵;8喷嘴;9压力表;10玻璃转子流量计;11稳压罐;12空气压缩机;13U形管2试验试验时,在风机抽吸作用下,气体进入管路系3金向红,男,1965年1月,在读博士研究生,副教授。山东省东营市,257061。统,与雾化液混合后进入分离器,形成高速旋转流,在离心力的作用下,密度值大的液滴被甩到旋流器的边壁,从底流口流出,进入集液槽;而气体则从溢流口流出,经风机直接排空。2.1筒体和溢流管结构本次试验采用了管柱式和管锥式两种筒体结构,如图2所示。试验了正锥、正锥加倒锥和无锥3种溢流口结构,如图3所示

5、。 a .管柱式筒体b .管锥式筒体图2轴流导叶式气液旋流分离器结构简图 a .正锥形b .正倒锥形c .无锥形图3溢流管结构示意图2.2流量测量气体流量Q g 用出口毕托管测量。试验过程中底流口泄气量为零,分离器进、出口气量相同,低含液浓度下,近似认为气体流量等于物料流量。叶片出口流速决定着对液滴分离起主要作用的流体切向速度的大小。叶片出口流速按下式计算:V =Q g3600A j式中A g 导向叶片间流体通道横截面积。导叶数量和结构参数一定时,显然叶片出口流速与流量成正比。2.3入口含液浓度C i入口含液浓度由下式计算求得:C i =m i t Q g式中m i 计量泵加液质量,g;t 加

6、液时间,h 。本实验含液浓度变化在80400g/m 3之间。2.4压力降测量压力降采用U 形管压差计进行测量。其中溢流压降p i o 为分离器入口与溢流口(气体出口之间压差。底流压降p iu 为分离器入口与底流口(集液槽之间压差。一般而言,溢流压降p io 是气液旋流分离器的主要能耗参数。2.5总效率E T旋流分离器的效率一般分为质量效率和修正效率(澄清效率两种定义方式,本文中由于底流泄气量为零,进出口气量相等,故在数值上两种方式计算结果相同。另外,本实验主要评定筒体和溢流口结构对分离性能的影响,不考虑蒸发率对分离效率的影响,所以本文实际采用下式进行测定计算:E T =m c m i×

7、;100%式中m c 底流口的液体出量,g 。3实验结果与讨论3.1一定含液浓度,不同出口流速下分离效率、溢流压降的变化图4显示含液浓度C i =320g/m 3不变,不同筒体结构、溢流管结构下,叶片出口流速对分离效率的影响。图5则是含液浓度C i =320g/m 3时,压降随叶片出口流速的变化关系。由图4可以看出,在流速较低时,随着流速的增大,分离效率升高,这是因为叶片出口流速增大,流体切向速度增大,分离器内离心力场增强,分离能力增大,分离效率随之提高。当叶片出口气速超过一定数值后(临界值V cr ,尽管有利于液 图4 叶片出口气速对分离效率的影响图5叶片出口气速对溢流压降影响滴分离的离心力

8、场继续增强,但分离器内湍流强度也大大增加,在气流的强湍流作用下,液滴破碎雾化加剧,分离难度增加;同时,沉积在器壁上的液体表面出现湍流弥散,产生气雾夹带现象,使得分离效率降低4。由试验结果可以知,对于直径为100mm 的气液旋流分离器,其叶片出口气速的临界值V cr 11m /s 。图5显示,含液浓度一定时,溢流压降随叶片出口气速的增大而增大,其影响规律与液固、液液分离器规律基本一致。同时从图4可以看出,当筒体结构一定时,正锥加倒锥(简称正倒锥形溢流管结构的分离效率最高,无锥形溢流管的分离效率其次,而正锥形溢流管的分离效率最低。这是因为正倒锥式结构溢流管,加倒锥后破坏了边界层的生长,有效地阻碍了

9、短路流的产生,从而提高了分离效率。而正锥形溢流管,更易于产生短路流,在排出气流中会产生较大的液体夹带,因而降低了分离效率。由图5可知,正锥形溢流管结构的溢流压降也最大,而无锥溢流管溢流压降最小。因此,气液旋流分离器不适宜用正锥形溢流管;采用无锥溢流管或正倒锥溢流管,应综合考虑分离效率、压降损失和制造成本。图4显示,当溢流管结构一定时,管柱形筒体旋流器分离效率要大于管锥形筒体。这可能是因为,管锥式筒体中,甩向锥形筒壁的液滴易产生破碎和弥散,破碎的液滴部分进入高速气流,从而产生二次液体夹带。而图5显示锥形筒体旋流器的溢流压降损失要小于圆柱形筒体,考虑到制造方便,气液旋流分离器宜采用管柱式筒体。3.

10、2出口流速一定,不同的含液浓度对分离效率、溢流压降的影响图6是叶片出口气速V =10.5m /s 不变,不同筒体结构、溢流管结构的旋流器分离效率随含液浓度的变化规律。图7是一定叶片出口气速下,溢流压降随含液浓度的变化情况 。图6 含液浓度对分离效率的影响图7含液浓度对溢流压降的影响图6显示,一定结构参数下的轴流导叶式气液旋流分离器的分离效率随着进料含液浓度的增加而上升,这与切向进料的管柱式气液旋流分离器(G LCC 4和旋流板式气液分离器3是一致的。图7显示,随着含液浓度增加,溢流压降略有增加,这说明低含液浓度下,含液浓度的变化对溢流压降损失几乎没有影响。当旋流器筒体结构一定时,改变溢流管结构

11、,图6显示,正倒锥形溢流管分离效率最高,无锥形溢流管次之,正锥形溢流管分离效率最低。图7显示,正锥式结构溢流管溢流压降损失最大,无锥式溢流管溢流压降损失最小,正锥加倒锥溢流压降损失介于二者之间,这与前面的结论一致。叶片出口流速一定时,比较含液浓度对管柱式和管锥式筒体结构旋流器分离性能的影响,从图6可以看出,管柱式旋流器的分离效率要高于管锥式;而图7可以看出管柱式旋流器的溢流压降损失要高于管锥式,这也和前面的结论一致。4结论4.1在低含液浓度下,轴流导叶式气液旋流分离器仍能达到很高的分离效率。随入口含液浓度的增大,分离器分离效率呈上升趋势;含液浓度变化对溢流压降影响不大。对于结构尺寸一定的轴流导

12、叶式气液旋流分离器,叶片出口气速存在一临界值(本文中V cr 11m /s ,在此条件下分离器的分离效率最高,而溢流压降则随气速增大而增加。4.2试验过程中发现,短路流和二次流夹带对于气液旋流分离器的分离效率影响较大,采用合理的溢流管结构形式可以减少短路流和二次流夹带,提高分离效率。试验中3种溢流管结构,正锥加倒锥形溢流管分离效率最高,而压降损失略高于无锥形溢流管;正锥形溢流管分离效率最低,压降损失最大。因此,轴流导叶式气液旋流分离器不宜用正锥形溢流管。4.3管柱式筒体的旋流器分离效率要大于管锥式,压减损失略高于管锥式,因此,轴流导叶式气液旋流分离器宜采用管柱式结构。参考文献滤与分离,2005

13、,15(1:1517与分离,2002,12(1:42453魏伟胜,杨彦文,鲍晓军等.气液分离器的模拟实验.石油化工,2003,32(9:7797824Kouba G E,Shoha m O,Shirazi S .Design and Perfor manceof Gas 2L iquid Cycl one Separat ors .Pr oceedings,BHRGr oup7th I nternati onal M eeting on M ulti phase Fl ow .1995.307327(收稿日期:2006207228,修回日期:2006211212An Exp e ri m en

14、 ta l S tudy o n the Axi a l F l o w Gu i de Vane Typ e Ga s 2L i qu i dC yc l o ne S ep a ra t o rsJ I N Xiangho ng,J I N Yo uha i,WAN G Zhenbo(China U niversity of Petroleum ,D ongying,257061,Shandong,China Ab s trac t I n co mparis on with other centrifugal gas 2liquid separat ors,the resistance

15、l oss of the axial fl ow guide vane type gas 2liquid cycl one separat orswas less .The experi m ents show that the separating efficiency of the ax 2ial fl ow guide vane type gas 2liquid cycl one separat ors f or gas and liquid phases is higher in a l ow liquid /gas ra 2ti o .The reas onable for m s of overfl ow p