新型GLCC分离器的结构优化研究

油气开采过程中普遍存在的多相流动严重影响生产效率,通过分离器有效实现气液分离是一种理想处理方法。在经典GLCC分离器基础结构上优化形成新型分离器,并基于FLUENT软件,采用雷诺应力RSM模型和Mixture模型对其分离效率进行验证计算。研究表明:稳流器扰乱流场准自由涡发展而避免底溢流口已分离的液相再次卷入旋流区,增加了气柱凝聚力,提高了分离效率;渐缩式锥形腔体可强化离心力场,使得旋流器壁到涡心的压力逐渐递减,流相在器壁停留时间增大,促进介质分离的同时也一定程度上提高了压降;螺旋式入口使得流体介质在螺旋管内实现分离的同时,压降也随之增大,压力损失主要用来提高流体旋转动能从而增强分离性能。     

井下气液分离器中流体速度场的运动分析

井下气液分离器是采气工艺新技术－－井下气液分离与产出水直接回注技术的专用设备。目前,在国外研究采用气液旋流分离器和螺旋分离器作为井下气液分离系统的主体。介绍了井下气液分离的基本原理,重点分析了流体在旋流式气液分离器中速度场的变化,以及气相和上的流动状态。通过流体的运动模型,分别描述了流体的切向速度、轴向速度和径向速度的分布,认为气液在旋流分离器内流体的流动业一种特殊的三维椭圆形强旋转湍流动力,切向     

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管柱式旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。它依靠旋流离心力实现气、液分离，与传统容器式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省等优点，是替代传统容器式分离器的新型分离装置。在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括了入口分离模型、漩涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺设计步骤；计算示例显示分离机理模型是合理的，适于工程设计。     

柱状气液分离器入口结构数值模拟及试验研究

入口结构决定着进入柱状气液旋流分离器的气-液分布及初始切向入口速度大小。对4种入口结构形式的柱状气液旋流分离器(GLCC)的分离性能进行了数值模拟和试验研究,并将模拟结果与试验结果进行对比。模拟时考虑了入口结构形式、气体体积分数和压力降对GLCC分离性能的影响。分析结果表明,入口结构对GLCC内部气液分布具有决定性作用,具有明显压力梯度的入口结构有助于改善旋流腔内气液分布;渐缩截面型入口有助于GLCC内部形成0速度分界面,0速度分界面的形成有利于降低GLCC溢流口的气体含液量,减少短路流,提高GLCC的综合分离性能。     

轴流式气-液旋流分离器分离特性

针对内部设有中心体的轴流式气-液旋流分离器,根据液滴在分离器内部旋流场的受力情况,建立分离器分离效率模型。实验发现,当液滴直径大于10 μm时,通过理论模型求得的液滴粒级分离效率与实验值吻合较好;在一定气速范围内,减小导流叶片出口角、增加中心体直径以及减小排气管直径均能够提高分离效率,即对于一定结构的分离器,存在相应的临界气速能够使分离器的分离效率达到最大值,随气速继续增大,分离效率呈下降趋势。根据实验结果提出分离器在不同工况下的设计准则,当气速高于临界气速时,为保证分离器分离效率,维持较低压降,设计导叶出口角为45°,中心体直径与筒体直径比为0.5,排气管直径与筒体直径比为0.85,分离器长度与筒体直径比为3。当入口气速低于临界气速时,可根据理论模型对分离器结构参数进行调整。     

叶片式气液分离器的数值模拟研究

利用计算流体力学方法对叶片式气液分离器内的流场进行数值模拟研究,主要研究气相速度以及旋流叶片的倾角对气液分离器压降以及液滴脱除效果的影响。结果表明:气液分离器压降与气相进口速度的平方呈正比;大直径液滴在气液分离器内呈现“V”型分布,且气相速度以及旋流叶片角度对其影响显著,除雾效果高;小直径液滴在气液分离器内呈现较为均匀的分布,相较于气相速度,旋流叶片角度(15°)更能显著影响其脱除效率。     

基于CFD的离心式气-液分离器结构设计及仿真优化

运用CFD技术优化设计了一种新型离心式气一液分离器，以去除气侵钻井液中的小气泡。通过CFD模拟，研究分析了该分离器内湍流状态下的2相流动，以及分层、分离、旋流等复杂现象。模拟结果显示，由于分离器内的运动部件——转鼓旋转，钻井液形成强迫旋流，不同密度的气、液相在离心力作用下发生分离。试验测试结果表明，该分离器试验模型的分离性能显著、稳定，保证了钻井液性能尤其是密度的稳定，从而验证了CFD的有效性。在内流场分析的基础上，对分离器试验模型进行仿真优化，改进了入口方式和转鼓结构。结果表明，切向入口有利于改善来液的流动；分离器增加1个旁通管形成循环支路后，有利于降低背压，使排气管壁上的液滴流回到分离器。     

直流式旋流分离器的结构分析与优化

为研究中心体对直流式旋流分离器分离性能的影响,通过在分离器内部设置中心体,利用数值模拟的方法,对分离器内部旋流场、压力场、速度场及分离效率进行了分析。分析结果表明:增设中心体能够占据分离器内部分离死区,增强内部流场的稳定性,减少二次涡流的影响,尤其能够提高对微小液滴的分离效率;中心体直径的增大能够提高分离器的分离效率,当中心体直径与筒体直径比值大于0. 5时,液滴的分离效率显著提高,但也会造成较大的压降损失;通过研究不同气速下分离器分离效率与压降变化的规律,提出不同工况下中心体直径的取值范围,当入口气速高于10 m/s时,中心体直径与筒体直径比值取0. 5,当气速较低时,应结合现场工况对分离效率和压降的要求,增大中心体直径。所得结论可为直流式旋流分离器的优化设计及现场应用提供指导。     

两种油水旋流分离器的数值模拟对比分析

旋流分离器目前已作为一种高效节能的新设备进入含油污水处理的工业应用阶段。借助于计算流体动力学(CFD)的方法,得到了两种旋流分离器内切向速度分布、轴向速度分布,以及变流量下的压力曲线与效率曲线。结果表明:同向出流旋流分离器的倒锥在旋流腔和大锥段上部,对切向速度的影响不大,在大锥段的下半部分,从截面Ⅱ开始,双锥旋流分离器的切向速度迅速下降,而同向出流旋流分离器的倒锥结构使得切向速度维持在一个较高水平;在旋流腔和大锥段,双锥旋流分离器的轴向速度要大于同向出流旋流分离器的轴向速度,同向出流旋流分离器的倒锥结构没有使轴向速度增加,倒锥结构对切向速度影响更明显。同向出流旋流分离器的底流出口截面尺寸小,故其压力损耗大,同向出流旋流分离器的内置倒锥结构对旋流腔和锥段的压力损失影响较小。两种结构旋流器的简化效率曲线表明,双锥旋流分离器比同向出流旋流分离器更适应处理量相对较低的情况,其处理范围更广。     

螺旋入口构件对立式分离器分离性能影响的数值模拟

立式分离器的入口构件同时具有降低入口流体对内部流动的不利影响和促进入口流体初步分离的作用。设计了2种螺旋入口构件,应用FLUENT软件的欧拉多相流模型及k-ε湍流模型,分析了不同操作条件及结构形式下立式分离器内气-液两相流动的特点与分离特性。研究结果表明,加入螺旋入口构件的立式分离器可进一步分离粒径较小的油滴,可在入口流量大的工况下依旧保持较高的分离效率;单层、双层螺旋入口构件均可提高分离效率,两者效果差距不大,但单层螺旋结构更为简单和紧凑。