多旋臂气液旋流分离器压降特性试验

为强化气液离心分离过程,实现在大直径分离器内的气液旋流高效分离,设计构思了一套多旋臂气液旋流分离设备,为气液分离大型化设计提供了一种新思路。在纯气流条件及不同的旋流臂喷出气速下对该分离设备进出口静压差进行了测量,实验结果表明,旋流分离设备静压差在整个运行过程中较为稳定,有较强的可预测性,无量纲标准偏差维持在2%以内,总压降与旋流臂出口气速呈现出良好的平方关系。进一步将总压降分解为入口及旋臂摩擦损失、分离器空间内摩擦损失和出口管路摩擦损失三个部分进行详细测量,获得了各部分压降与旋流臂出口速度头的定量关联模型,发现分离器空间内摩擦阻力损失在总压降中占比最大。GLVS总压降主要受旋流臂出口气速影响,加入液相后对压降影响很小。该旋流分离设备的阻力系数与普通旋风分离器相当,根据四组不同结构尺寸的旋流头得到了阻力系数与旋流头关键设计参数的关联式,为进一步结构优化提供了参考。     

轴流式气液旋流分离器内气相流场的数值研究

应用RSM湍流模型对内径100mm的轴流导叶式气液旋流分离器内气相流场进行了数值研究,计算得到的气流时均速度分布和压力分布与实验测量结果基本吻合。根据分离器内气相流动分布的特点可知:(1)气流旋转强度与导向叶片出口角有关,出口角越大,切向速度越小;(2)排气管下口区域存在明显的短路流分布,容易卷吸夹带液滴进入排气管逃出,造成分离效率下降;(3)排气口和排液口附近的区域气流湍流脉动强度高,容易造成液滴破碎,直径减小,从而影响分离效率。以上研究结果为轴流导叶式气液旋流分离器的结构优化,进一步提高分离性能奠定了基础。     

气液旋流分离器气相体积分数和压力降数值模拟

气液旋流分离器工作时,两相混合物从入口管切向进入圆柱形筒体开始分离。所以当入口管和筒体的结构发生变化时,对整个旋流分离带来的影响是直接的。旋流分离之后的气相,是经过溢流管离开体系的,因此当溢流管的结构改变时,气相的最终分离也会受到影响。从溢流管的半径、插入深度、筒体的半径与高度四个方面出发进行数值模拟,每个影响因子设计了六组平行的仿真模拟实验。     

气液旋流分离器进口宽高比优化的数值模拟

利用FLUENT提供的RSM和DPM模型对不同入口高度和宽度的气液旋流分离器进行了数值模拟. 结果显示,当增大宽度或高度时切向速度与分离效率减小,但压降降低;当宽度大于环形空间的间隙时,部分进气流量直接作用于排气管上,影响内部流场;减小入口宽度或高度时引起的压降无明显差别,但减小宽度可提高分离效率而高度则相反. 入口高度(a)与分离器筒体直径(D)的比值a/D和宽度(b)与分离器筒体直径(D)的比值b/D约为0.2时,压降基本相同,但分离效率相差约3.6%. a/D约为0.38时,分离效率约为95.6%,压降约为340 Pa;而b/D约为0.25时效率为96.3%,压降约为320 Pa,入口宽度对分离器性能的影响比入口高度更显著.     

MVR系统中管柱式气液旋流分离器性能研究

机械式蒸汽再压缩技术中,蒸发器产生的蒸汽进入压缩机前需要进行气液分离,考虑到结构紧凑性与分离稳定性,本文提出采用管柱式气液旋流分离器进行此操作,对其进行了结构参数设计和Fluent数值计算。经过研究：发现溢流管和底流管尺寸对分离器性能影响较大,改变二者数值大小,当溢流管直径为50mm、底流管直径为40mm时,溢流管和底流管的气、液相体积分数可分别达到1,且满足文献中对于出口流速的要求;证明了分离器流场内外旋流与内旋流的运动规律,两者旋向相同,运动方向相反;相比较单入口,采用双入口的管柱式气液旋流分离器,内部流场参数分布高度对称,分离过程更加稳定;适当增加旋流器直径,可降低流体通过压降,缩短纯液相区与纯气相区间过渡区域,改善分离器性能。     

井下微型气液旋流分离器优化设计与性能分析

针对采油井筒内产出液含气对油田同井注采开发模式的不利影响,基于旋流分离原理提出一种井下微型气液旋流分离器结构。借助Plackett-Burman设计、最陡爬坡设计与响应曲面设计结合计算流体动力学方法,对井下微型气液旋流分离器结构参数进行显著分析及优化设计,构建了显著性结构参数与分离效率间的二次多项式数学关系。系统分析了入口进液量、分流比及气相体积分数对气液分离性能的影响规律。构建室内微型气液旋流分离性能测试系统,对数值模拟结果的准确性及优化结果的高效性进行了验证性试验。试验结果表明优化后的微型气液旋流分离器结构可使液相效率由优化前的84.10%提高到87.22%。获得了微型气液旋流分离器最佳溢流分流比为6%,最佳入口流量为13.77 L/h,最适用的气相体积分数为5.5%,最佳工况下气液平均分离效率为99.66%。为了指导分离器在不同含气量条件下的最佳运行参数调控,构建了气相体积分数及溢流分流比与分离效率间的数学关系模型,获得了不同气相体积分数条件下的最佳分流比。     

液-液旋流分离器内流场的数值模拟研究

用计算流体动力学(CFD)的数值方法,采用RSM模型对油水分离用液一液水力旋流器的流场进行了数值模拟。单相流场的模拟结果表明,旋流器内的流场结构是强旋转和非对称的三维结构,因而对旋流器的研究(无论是数值模拟还是实验测量)必须是基于三维的;旋流器上游区内流体紊流现象严重,两侧有循环流存在,这都对两相分离不利,应改进结构以改变这种流动形式;其模拟结果与他人实验结果吻合较好,说明该湍流模型和算法是可靠的。另外还对油一水两相流场进行了研究,初步揭示了液一液两相分离的现象,这都为进一步研究旋流器特性参数对分离效率的影响和旋流器的结构优化提供了参考。     

抽油机采油井筒内气液分离器数值模拟研究

提出一种将抽油机井气液分离器入口进液量转化为脉动入口速度的方法。采用计算流体动力学方法,基于欧拉模型（Eulerian Model）,针对抽油泵的工作特性和不同的含气体积分数对分离器内流场分布和分离性能影响开展数值模拟研究。数值模拟结果表明：当井下压力为8 MPa,入口含气体积分数在79.6%～90.0%范围内适当增加混合液的含气量可以提高气液分离器的分离效率。     

气-液旋流分离器流场数值模拟研究

为研究旋流分离器内部气体和液滴的运动情况和分离机理,用流体动力学软件Fluent对旋流分离器内部流场和液滴的运动状况进行了数值模拟研究,在模拟过程中,采用k-epsilon(2 eqn)方程来模拟气相旋流流动,采用Lagrange方法模拟液滴运动。模拟结果表明,旋流分离器内部流场呈旋转分布,分为内、外两个流场,在不同流动区域,气体压力场、速度场分布成规则变化;液滴的运动较为复杂,带有随机性;总体运动轨迹的形状与气相流场的分布趋于一致。     

气液分离器的结构设计与流场分析

设计了一种新结构气液旋流分离装置,并介绍了该装置的结构特点、尺寸参数和工作原理。基于计算流体动力学软件Fluent,采用雷诺应力模型,模拟仿真了新型气液旋流分离器的内部流场分布。同时分析了不同分流比变化对分离器内气相浓度分布、压力和速度的影响规律。气-液分离器分离效率达到80%,说明新型气-液旋流分离器的除气处理效果优越。     

新型多旋臂气液分离器入口旋流头的预分离特性研究

新型多旋臂气液分离器可实现大直径分离器内的气液旋流高效分离,其入口旋流头结构是分离器的重要组件之一。通过大型冷模实验,对入口旋流头结构的液滴群粒径分布进行非引出式在线测量,从压降和分离效率角度考察了旋流头的预分离性能。结果表明,在入口直管段,初始液滴粒径会在高速气流的作用下迅速进行重新分布,粒径分布呈类正态分布,Sauter平均粒径（SMD）为16.8 μm。在16.95 m/s的气速下,液滴群在H/D=2.47~8.48长度内的入口直管段中运动状态稳定,粒径分布未发生明显变化。在高气速的操作条件下,剪切效应和边壁效应共同作用使SMD略有增大。液滴群在流经旋流臂后,粒径分布发生显著变化,出现“双峰”特征,旋流臂对液滴的聚集效果明显。通过粒径分布分析,预测了旋流臂末端的液滴特征。发现旋流头的预分离性能优越,在压降占比仅3.2%~8.4%的情况下,分离效率占比可高达42.8%~62.5%。入口旋流头结构不仅可以为混合相创造强旋流的初始分离环境,还能借助自身结构特点实现对混合相的惯性预分离。     

布液板对重力式油水分离器流动与分离特性的影响

为提高重力式油水分离器的分离效率,从改善设备内流场的角度出发,对布液板进行了数值模拟,并研究分析了其孔径和开孔率对轴向速率相对标准偏差的影响,对无布液板、单布液板和双布液板3种结构情况进行了试验研究。结果表明：布液板的加入能有效地消除返混,提高流场分布均匀性。当开孔率20%~25%,孔径8 mm时稳流效果最好。单布液板相对于无布液板结构能显著提高分离效率,但当处理量增大时,其处理能力不稳定,而双布液板结构在处理量较大时仍保持较稳定的处理能力。     

Numerical investigation and improvement strategy of flow characteristics inside supersonic separator

In order to study the flow behavior and optimize separation performance, a three-dimensional numerical model of an improved supersonic separator was developed. The proposed model takes into account the compressible and strong swirling effect. Four widely-used turbulence models include Sparlart–Allmaras model, realizable k–ε model, shear-stress transport (SST) k–ω model, and Reynolds stress model (RSM) were validated and compared by the experimental date reported in the literature. The comparison results indicated that RSMs have great potential to predict the flow inside supersonic separator. Based on the established numerical model, the distribution of critical parameters such as temperature, pressure, and Mach number was obtained. The influence of the pressure loss ratio on the shockwave location occurred at the divergence section of the Laval nozzle was systematically studied. Analysis about the relationship between the pressure effect and shock wave location was carried out to explore the principal factors that limit the performance of the supersonic separator.     

催化裂化沉降器旋流快分系统内气相流场的数值模拟与分析

为进一步提高催化裂化沉降器旋流快分系统的分离效率,首先对系统内气相流场进行了研究和分析.采用CFX5软件和应力输运方程模型（DSM）对其气相流场进行了三维数值模拟.将计算结果与用五孔探针测试的流场实验结果对比发现,计算结果与实验结果吻合较好,证明了应力输运方程模型适合用于旋流快分系统内三维流场的数值模拟.模拟结果表明：旋流快分系统内的流场为三维湍流场,在旋流头喷出口附近区域存在多个纵向旋涡,存在短路流现象,这是导致分离效率不易提高的主要原因.旋流快分头的S值和倾斜角对气流切向速度都有一定的影响,应优化确定.加入汽提气后,对旋流快分系统内的流场影响不大,但对气体的快速引出有利.     

蜗壳式旋风分离器气相流场的非轴对称特性的模拟

采用Fluent软件提供的雷诺应力模型（RSM）对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,重点考察流场的非轴对称特性.模拟结果表明旋风分离器环形空间的流场呈现明显的非轴对称分布;筒体空间和锥体空间的流场也存在一定的非轴对称性.旋风分离器流场的非轴对称性是由于其入口结构不对称产生的,其主要特点是沿轴向气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合,旋转中心偏离几何中心的距离和方位在不同的轴向位置而不同,最大约为0.07R.由于气流旋转中心偏离旋风分离器的几何中心,使参考几何中心的径向速度分布呈现明显的非轴对称性,一部分向内,一部分向外.     

催化裂化沉降器新型高效旋流快分器内气固两相流动

用CFX软件对催化裂化沉降器新型旋流快分器的气相流场进行了三维模拟,湍流模型采用雷诺应力输运方程模型.计算结果与用五孔探针测试的气相流场实验结果吻合很好.采用离散轨道模型对该旋流快分器内颗粒的运动情况进行了计算,并由此估算了旋流快分器的分级效率和总分离效率.模拟结果表明：该新型旋流头可消除现有旋流头喷出口附近的短路流,更有利于提高旋流快分器的效率.两种结构形式的旋流快分器分离效率的计算对比说明：在旋流头处加入一个内构件,是很有价值的改进.     

Study on gas-liquid flow characteristics in stirred tank with dual-impeller based on CFD-PBM coupled model

Study on gas-liquid flow in stirred tank with two combinations of dual-impeller (six-bent-bladed turbine(6BT)+six-inclined-blade down-pumping turbine (6ITD),the six-bent-bladed turbine (6BT)+six-inclined-blade up-pumping turbine (6ITU)) was conducted using computational fluid dynamics (CFD) and popula-tion balance model (PBM) (CFD-PBM) coupled model.The local bubble size was captured by particle image velocimetry (PIV) measurement.The gas holdup,bubble size distribution and gas-liquid interfacial area were explored at different conditions through numerical simulation.The results showed that the 4 mm bubbles accounted for the largest proportion of 33％ at the gas flow rates Q =0.76 m3·h-1 and 22％ at Q =1.52 m3·h-1 for combined impeller of 6BT + 6ITU,while the bubbles of 4.7 mm and 5.5 mm were the largest proportion for 6BT + 6ITD combination,i.e.25％ at Q =0.76 m3·h-1 and 22％ at Q =1.52 m3·h-1,respectively,which indicated that 6BT + 6ITU could reduce bubble size effectively and promote gas dispersion.In addition,the gas holdup around impellers was increased obviously with the speed compared with gas flow rate.So it was concluded that 6ITU impeller could be more conductive to the bubble dispersion with more uniform bubble size,which embodied the advantages of 6BT + 6ITU combination in gas-liquid mixing.     

Characterization of the liquid film flow in a centrifugal separator

This work presents the characterization of the flow in a centrifugal separator. The study is focused on the behavior of the liquid phase in this kind of equipment, so that only single‐phase liquid flow at the inlet of the separator is considered. The parameters investigated are the film thickness, the flow velocity components, the flow streamlines angles and the liquid level height above the inlet. These quantities were assessed for different flow rates using numerical simulations and experimental measurements. Results show that an increase on the inlet flow rate causes an increase on the liquid film thickness and the liquid level height. Also, the centrifugal movement is intensified when the flow rate increases. The numerical results proved to describe the overall flow behavior satisfactorily when compared to the experiments. From the outcomes of this study, information can be extracted to understand the separation process in this type of separator. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 2213–2226, 2016     

旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析

作为固液分离器的基础研究,应用龙格-库塔法对进入旋转态液体中的固体粒子由运动开始到被分离完成的全过程进行了数值计算。动力学模型中除考虑了重力、浮力、流体粘性力外,还考虑了假想质量力、Basst力、Sffm an扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在实验装置中与数值计算参数相同的条件下进行了可视化实验研究。计算结果发现,在运动开始阶段,粒子的粒径越小,加速度越大,很快进入运动平衡状态,相反粒子粒径越大,加速度越小。运动的第2阶段,直径大的粒子仍在加速运动,因此不同直径的粒子运动之间存在一个运动加速度、速度及位移逆转现象。数值解析结果与可视化实验结果进行了比较,证明了数学模型与计算结果的正确性。