催化裂化沉降器旋流快分系统分离性能的实验研究与数值模拟

 在FCC沉降器的实验装置上,研究了不同入口处颗粒浓度下旋流快分系统（VQS）分离性能,着重分析入口颗粒浓度对VQS系统内分离效率与压降的影响规律。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,VQS系统的分离效率随之增加,而压降随之减小。采用Fluent软件对VQS系统内气、固两相流进行了数值模拟,并由此估算了不同入口颗粒浓度下VQS系统的压降、颗粒分级分离效率以及总分离效率,计算结果与实验结果吻合情况较好。入口颗粒浓度越高,气相被颗粒相消耗的能量越多,切向速度衰减越明显,从而导致系统压降的降低。同时,入口颗粒浓度的增加导致单位体积内颗粒质量流率增加,重力沉降作用增大,故上行流轴向速度减小,下行流轴向速度增加,有利于颗粒下行分离。此外,颗粒相的存在可有效抑制湍流,降低系统内的湍流强度,这有利于改善颗粒返混,提高系统对中细颗粒的捕集能力,从而提高系统的分离效率。     

轴流导叶式旋风分离器含蜡天然气气液分离特性模拟

利用Fluent软件对轴流导叶式旋风分离器天然气脱蜡进行模拟,得到分离器内部的静压、切向速度、轴向速度分布云图及分布曲线。在介质为空气和水情况下,对比了不同进气速度和液滴粒径下分离效率和压降的模拟结果及实验结果,吻合度较高,验证了两相模拟的准确性。研究了液滴粒径、进气速度、蜡滴质量浓度和导叶片数量对分离效率的影响。结果表明,在同一进气速度下,液滴粒径越大,分离效率越高;随着进气速度的增加,天然气中蜡滴的分离效率逐渐增大;当蜡滴质量浓度小于172.4 g/m~3时,分离效率随着质量浓度的增大而增大,但是随着质量浓度的继续增大,分离效率基本不变甚至减小;随着导叶片数量的增加,蜡滴分离效率降低,二次湍流强度变弱,压降减小。     

斜切双进口旋风分离器流场及分离效率的数值模拟

提出一种斜切双进口旋风分离器,并用RSM模型对该分离器的三维流场和分离效率进行数值模拟。结果表明：斜切双进口型式旋风分离器很好地改善了单进口直切式旋风分离器流场的不对称性,减小了内部的局部涡流;随着倾斜角度的增加,其切向速度、轴向速度均呈现先增加后降低的趋势,在倾斜角度为12○ 时轴向速度达到峰值,倾斜角度为10○ 时切向速度达到峰值,压降也呈现先增加后降低的规律,但最大值也远远小于单进口型式,径向速度变化不明显;斜切式双进口旋风分离器可以有效提高旋风分离器的分离效率,其最佳倾斜角度为10○。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

井下涡流工具有效作用距离研究

井下涡流工具在国内气井上的使用效果不佳,原因在于对于涡流工具的使用条件缺乏较明确的认识、选井不合适以及工具结构参数有待进一步优化。为此,对井下涡流工具的有效作用距离进行了研究。通过涡流工具数值模拟分析,发现切向速度和轴向速度的变化不是影响涡流工具有效作用距离的关键因素;利用压降模型计算未安装和安装涡流工具时井筒内压降,发现涡流工具可有效降低气液两相在井筒内的压力损失;利用携液模型计算实际流速和临界流速,发现涡流工具使临界流速降低了13.5%~16.1%,揭示了涡流工具排水采气的本质在于切向速度和轴向速度的变化引起液相流动形态的改变,使分散液滴流变成了环状流。结合现场使用涡流工具的6口生产井数据进行临界流速计算,结果表明涡流工具可使临界流速最多降低40%。当一口未使用涡流工具井的实际流速为临界流速的0.6~1.0倍时,使用涡流工具可以有效排液,其有效作用距离超过1 100 m。研究结果对于提高井下涡流工具的现场使用效果具有一定的参考意义。     

井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究

在复杂结构井钻井过程中常有岩屑成床现象发生,容易造成一系列井下复杂问题,严重影响施工效率。目前一种螺旋式工具已被用于解决井眼清洁问题,应用效果较好。针对这种工具的基本结构,通过研究岩屑颗粒在螺旋式工具叶片上的运动,建立数学模型,得出这种工具螺旋角在不同井斜角条件下对岩屑颗粒通过该工具后的轴向、切向速度影响关系。研究结果表明:该螺旋式工具对岩屑颗粒运移有明显的加速作用,利于清除岩屑床;螺旋角作为清除岩屑床螺旋式工具的可控参数对工具性能产生重要影响;随着螺旋角增大,经过螺旋工具作用的岩屑颗粒切向速度逐渐增大,轴向速度逐渐减小,调整螺旋角可以使岩屑颗粒产生所需的速度以提高工具清屑效率。     

压力对旋风分离器内颗粒浓度分布影响的模拟

 为了分析压力变化对旋风分离器内颗粒浓度分布的影响,利用Fluent6.1软件, 气相流场采用修正的雷诺应力模型, 颗粒相运动采用颗粒随机轨道模型, 对0.1~6.5Mpa压力下旋风分离器内气、固两相流流场进行了模拟。结果表明,在入口浓度一定条件下,随着压力的升高,器壁颗粒浓度渐呈螺旋状灰带分布,旋风分离器内旋流区域的颗粒浓度减小,旋风分离器分离能力增强。压力增加一方面使气体切向速度增加,颗粒所受离心力增加;另一方面,气体的湍流强度增大,颗粒的扩散作用增强。当压力超过3.0 MPa后,压力增加对切向速度影响不大,而颗粒扩散增加,旋风分离器内旋流区域颗粒浓度增加,对颗粒分离不利。旋风分离器的径向颗粒浓度分布可以用指数函数描述,其中颗粒的径向速度、颗粒的扩散系数和边壁的颗粒浓度是影响颗粒浓度分布的主要因素。旋风分离器粒级效率随压力的增加而增大,当压力超过3.0 MPa后,压力增加对粒级效率影响不大。     

同向出流气液分离器流场分析及结构参数优选

为解决常见的气液分离器气相出口含液量大和管汇连接复杂等问题,提出了一种新型同向出流式气液旋流分离装置。该装置能有效降低气相出口的液相含量,主要针对其不同结构参数开展了数值模拟及试验研究,并完成了结构参数的优选。研究结果表明:影响气相运移速度及分离性能的最佳内锥角度为2°,最佳进气孔角度为30°,最佳脱气效率模拟值为96%;随着内锥角度的增大,气相溢流管内的轴向速度呈先上升后下降的规律,内锥角度为2°时,轴向速度最大达到0.58 m/s;随着进气孔角度的增大,气相溢流管内的轴向速度基本呈上升规律,进气孔角度为30°,轴向速度最大达到0.60 m/s;优化后的气液分离器结构适用于含气体积分数区间为15%~30%,最佳分离效率为92.6%。研究结果可为同向出流气液分离器的工程应用提供理论指导。     

气-液旋流分离器内气相时均流场的试验研究

采用多普勒激光测速仪对轴流式气-液旋流分离器内气相时均流场进行了测量研究,考察了导叶导角和流量变化对时均流场的影响。测量结果表明,在分离空间,切向速度分布呈现典型的Rankin涡结构,切向速度沿轴向衰减不明显,轴向速度由外围的下行流与内部的上行流构成,轴向速度随轴向向下而衰减。最大切向速度面与轴向LZVV面呈现与筒体相似的管锥形。对环形空间和集液槽内时均流场的结构进行了分析。环形空间与集液槽内切向速度分布趋势与分离空间内相似,集液槽内旋流强度远低于分离空间,最大轴向速度位置靠近轴心处。     

锥度对天然气净化用旋风分离器流场影响

基于计算流体力学,采用RNGk-e湍流模型和离散相模型,研究了锥度在163~175°的天然气净化用旋风分离器的压力场、速度场分布以及分离效率。结果发现,升气管入口附近的部分区域速度和压力变化最大;锥度对筒体及小锥体区域几乎没有影响,而对升气管和大锥体的影响很大,但是并不改变流场的整体分布规律。随着锥度的增加,压降呈递减趋势。气体总速度与切向速度的变化趋势相同,均随锥度的增大而减小。在最小粒径为5μm时,不同锥度下旋风分离器的分离效率均为100%,但是在顶板附近有不同程度的颗粒堆积现象。锥度为163°和166°时,颗粒返混现象很严重,极易造成旋风分离器的顶板腐蚀穿孔,因此不适于工程实际。在剩余的3种结构中,速度变化相差小,从压降和体积方面考虑,172°的锥角结构最优,可较大程度减少材料耗损,节约制造成本。     

高温高压旋风分离器的结构及性能

为了提高旋风分离器在高温高压条件下的承压耐温能力,根据工业应用成熟的PV型高效旋风分离器的结构,提出一种长圆切向入口、两端封头的压力容器式旋风筒体旋风分离器(简称容器式旋风分离器)。流场模拟分析表明,在相同入口气速下,容器式旋风分离器外旋流区的切向速度明显高于PV型旋风分离器,且器壁附近向下的轴向速度也略高于后者,中心涡核区轴向速度低于后者。用中位粒径为9.8 μm的滑石粉进行加尘冷模实验表明,相同气速下,容器式旋风分离器的分离效率较PV型旋风分离器的高约2%;相同压降下,前者的分离效率明显高于后者。容器式旋风分离器结构简单,结构强度和分离性能优良,可供高温、高压工况的分离操作使用。     

新型井下轴流式入口旋流器分析及优选

在国内陆地油田井下油水分离同井注采技术应用中,常规井下旋流器由于径向尺寸较大而经常受到限制,影响分离效率。为此,研发了2种新型井下轴流式入口旋流器,在降低旋流器径向尺寸的基础上,提高旋流器的分离性能。在明确新型轴流式旋流器结构特点、分离机理后,通过数值模拟分析,利用油相体积分布云图阐明不同结构旋流器内油相分布特点,指出循环流对旋流器分离性能的影响。研究速度矢量变化特点,掌握轴流式入口结构的作用及流体分布规律,利用压力降曲线,明确能耗、压力损失的关系。模拟分析结果表明,导流叶片轴流式旋流器切向速度差值为1.2 m/s、轴向速度差值1.5 m/s,溢流压力仅为0.02 MPa,分离效率高、能耗低,为特高含水区块的经济性开发提供技术支持。     

直切双入口旋风分离器流场及分离效率的数值模拟

 采用RSM模型对直切式单、双进口型旋风分离器三维流场和分离效率进行数值模拟。结果表明,双进口型旋风分离器改善了单进口型式流场的不对称性,减小了流场内部的涡流,径向速度和总压也明显降低;在相同处理量下,当双进口型式的进口气速比较低时,并不能提高分离效率,只有当进口气速高于15.6 m/s后,其效率才明显高于单进口型式的旋风分离器。     

入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析

旋风分离器的入口气流颗粒浓度对旋风分离器的压力降有重要影响。在入口气流颗粒质量浓度5~550 g/m3范围内,对蜗壳式旋风分离器的压力降进行了实验分析。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,旋风分离器的压力降逐渐降低,尤其是开始阶段,降幅明显。除旋风分离器的入口部分压力损失外,旋风分离器的压力降主要由气、固两相流与器壁之间的摩擦损失和气、固两相流的旋转损失两部分构成,前者与入口气流速度有关,后者与旋转速度有关。随着入口颗粒浓度的增加,摩擦损失部分增加,但旋风分离器内的气、固两相流的旋转速度降低,旋转损失部分降低,综合结果是旋风分离器的总压力降降低。旋风分离器的压力降变化也使管路系统压力分布发生变化,导致入口流量发生变化,加入颗粒后通过旋风分离器的流量相对纯气相时的流量明显增加。最后,给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的计算方法。计算中考虑了加入颗粒后对切向速度的衰减作用,适用于高入口颗粒浓度的工况。     

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。     

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。     

基于旋流和引射循环技术的湿气气液分离方法研究

天然气除湿对于天然气的安全输送和精确计量具有重要的意义。针对传统的湿气气液分离装置存在分离效率低、受流型影响大等问题,提出了一种基于旋流和引射循环技术的湿气气液分离装置和方法。通过室内实验的方法,对不同工况下的气液分离效率及压降特性等进行了研究。研究结果表明:①当表观气速为4.2~28.5 m/s、液相体积分数小于3%时,设计的气液分离装置的气液分离效率基本可维持在96%以上,压降最大为167 kPa;②随着气量的增大,气液分离装置的分离效率降低,压降增大;③湿气的液量对分离效率和压降的影响较小。上述研究结果可为工业生产中湿气的气液分离提供一种新的思路,具有重要的工程意义。      

不同结构循环旋风分离器流场的数值分析

采用CFD软件——Fluent6．2中的雷诺应力湍流模型,对具有不同几何结构的循环旋风分离器气相流场进行数值模拟,以考察循环旋风分离器的几何结构对其流场的影响。模拟结果表明,循环管可以减小不利于气、液相分离的轴向速度并降低压降,防液罩可以在不增加压力损失的情况下增强气、液相分离的主要动力——切向速度,循环旋风分离器存在一个最佳入口直径。