斜板式气液分离器的内流场CFD模拟

斜板式气液分离器的内流场CFD模拟姜华;阮长悦【摘要】基于计算流体动力学(CFD),应用ANSYS-CFX软件，采用RNGk-g模型,对卧式分离器和斜板式气液分离器内部流场进行数值模拟计算，得到了两种分离器内部流场速度矢量分布规律和气体浓度分布规律，发现斜板式气液分离器比卧式分离器分离效率有很大提高.同时分析比较了流场模拟结果，发现分离器的上筒尾部、出气管、连通管，集液筒这四处存在涡流.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷)，期】2011(014)008【总页数】4页(P5-8)【关键词】斜板式气液分离器;卧式分离器;气液分离;数值模拟;流场分析;气液两相流【作者】姜华;阮长说【作者单位】西南石油大学机电工程学院，四川成都610500;浙江省天然气南方管网筹建处，浙江杭州310007【正文语种】中文重力式气液分离器［1］是高密度、高粘度钻井液除气分离系统的第一级分离设备。主要目的是分离厘米级气泡，实现对气体的分离。重力式分离器的性能指标包括处理量、除气效率、分离的最小气泡直径。在设计分离器时，应力求气体出口处的气体携液量尽量少，在液体出口处附近的液体携气量也应较少。1斜板式气液分离器简介斜板式气液分离器［2］是一种新型、高效的分离装置（已获国家实用新型专利，专利号200820063802.7），具有结构简单、设备紧凑、无运动部件、分离效率高和处理量大等许多特点。斜板式气液分离器与普通重力分离器相比，优点为：（1） 斜板的加入使分离器内形成了若干流体通道，缩短了液滴的沉降距离，增加了聚结面积，使分离效率得到提高；（2） 液滴和层膜运动方向、速度均不同，增加了二者间的相互作用，有利于液滴的聚结；（3） 斜板上的层膜处于连续运动状态，表面不断更新，活性物质不能在界面上聚结，可大大降低液滴聚结的影响。气液两相流进入分离器后，受重力影响，分离器的上筒被气体占据，下筒被液体占据。其分离主要通过以下方式：①气、液混合物冲击挡板，造成雾化和气泡破碎，实现大宗气体的分离，液体初次沉降；②通过斜板分层室，将气、液混合物流展开成比较薄的液膜，使气泡从液相中出来，实现气体的进一步分离；③气、液混合物进入液室后，有一定的驻留时间，期间仍有一部分气体被分离出来；④气、液混合物遇到出气管内的丝网补雾器，雾沫随气体进入捕雾区被末端捕雾拦截，从而达到更深度脱水。末端捕雾的主要原理是惯性碰撞。其中，拦截也起了重要作用。图2为斜板式气液分离器的三维模型图，斜板式分离器内部工艺流程：进气-冲击水洗一气液分配（分离固体颗粒）一斜板层内重力沉降一末端捕雾一出气（外输）。2网格划分及边界条件2.1网格划分采用贴体坐标复杂空间的四、六面体混合网格，分区域生成非结构化网格；使网格分布与计算域的几何形状相一致，可较好地捕捉边界特征，从而更好地给出边界信息。考虑到气相出口管有一定的丝网捕雾器的结构和网格划分的可行性，将气相出口管丝网补雾器从分离器所形成的体中减掉，从而减少计算网格数量，提高网格质量和计算速度，如图3所示。2.2边界条件(1)入口边界条件：气液两相流体均匀混合，在入口处垂直入口截面流入。给定入口压力和操作温度，6.4Mpa;操作温度：2UC;(2)进行模拟计算的气体(天然气)处理量：4x104m3/d;液体处理量：20m3/d，气液比为：2000。已知入口截面积：S=0.04712m2，推出当前气液处理量下入口速度V进=9.83m/s。图1卧式气液分离器三维模型图图2斜板式气液分离器三维模型图图3三维模型网络划分图下筒出水口设为封闭状态，出气口压力为6.3Mpa。固壁边界条件：固壁边界按无滑移边界条件处理。3模拟结果与分析由图4气相流体速度矢量图可以看出，气液混合两相流体以较高的速度遇到挡板后，发生冲击碰撞，在挡板与挡板上部空间形成一个三角区域，该区域发生轻微涡流，使气液混合两相流体从气液入口进入后大部分从挡板上方以较高的速度通过挡板区，在这个过程中气体中的大部分液体在与挡板的碰撞中，直径稍大的液滴沉降到下方的集液筒，直径稍小的液滴以液雾的形式分散在气相中进入到气液分层室区域。在分离器前端处，由于液相流体挟带一部分气相，经过挡板的预分离作用进入到集液筒，气相流体来不及逸出，在集液筒上部的气相欲通过连通管进入到上筒，就在分离器的上筒与下筒的连通管处发生涡流，还可看到在整个斜板式气液分离器发生涡流的位置，集中在分离器的尾部、出气管、连通管，集液筒这四处。由图4卧式气液分离器气相流体速度矢量图，可以看出气相流体中的大部分液相流体以较高的速度由分离器上筒上壁部分进入到分层室，通过分层室的吸附汇流功能，液滴较容易地从气体连续相中沉降出来，最后气相流体从气液出口排出。在这个过程中，其中的液相流体集中在分离器上筒的底部，通过与集液筒的连通管进入到集液筒中，由于挡板的作用，不但可以防止气相在窜入液相和激起液相飞溅返回气相，还可以保持控制液面稳定，增加了筒内液体停留的时间，使得游离气相有更多的时间从液相中逸出。图4气相流体速度矢量分布云图图5气相流体气体浓度分布云图由图5斜板式气液分离器的几何模型气相流体气体浓度分布云图，可以看到气相流体中的大部分液相流体以较高的速度由挡板与上筒的空间进入到斜板分层室，通过斜板分层室的吸附汇流功能，一些在液相中来不及逸出的气相被液相挟带沉降后回流到连通管，进入到集液筒中，还有一部分气相流体在与入口处挡板碰撞后被液相挟带，直接通过连通管进入到集液筒中。从图5卧式气液分离器的气相浓度体积分布图可以看出在气液分离过程中，由于入口挡板的预分离作用，密度较小的气相流体大部分从上筒上部分区域进入到整流器，然后通过气液出口排出，其中密度较大的液相沉落方向与气相相反，集中在上筒底部，有足够的停留时间，通过连通管进入到集液筒。4结论在对卧式分离器和斜板式分离器分别进行流场仿真对比分析后，可以得出：卧式分离器在气液出口端面的气体含量为84.69%，分离在气液出口端面的气体含量为95.26%，斜板式气液分离器的分离效果比卧式分离器有大幅的提升，同时在对斜板式气液分离器内部流场的速度矢量分布规律和气体浓度分布规律分析中，还发现分离器的上筒尾部、出气管、连通管，集液筒这四个地方存在涡流，为以后的优化设计提供了可靠依据。♦参考文献杨勤.重力式气液分离器的内流场CFD模拟[J].机械研究与应用，2007,20:72~74.王惠明.斜板式气液重力分离技术研究[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2009,31(4):154~158.SpezialeCG&ThangamS.AnalysisofanRNGBasedTurbulenceModelforSeparatedFlows[M].InternationalJour