Numerical Simulation and Experimental Study on the Performance of Gas/liquid Spiral Separator

The gas/liquid spiral separator, a key component in the compressed air system, was used to remove liquid and oil from gas stream by centrifugal and gravitational forces. To optimize the design of the separator,the relationship between the performance and structural parameters of separators is studied. Computational fluid dynamics (CFD) method is employed to simulate the flow fields and calculate the pressure drop and separation efficiency of air-liquid spiral separators with different structural parameters. The RSM (Reynolds stress model)turbulence model is used to analyze the highly swirling flow fields while the stochastic trajectory model is used to simulate the traces of liquid droplets in the flow field. A simplified calculation formula of pressure drop in spiral structures is obtained by modifying Darcy's equation and verified by experiment.

级联式气液旋流分离器数值模拟

针对天然气除液净化问题提出一种新型级联式气液旋流分离器,分别采用雷诺应力模型(RSM)、欧拉液膜(EWF)模型和离散相模型(DPM)对分离器的内部流场、液膜分布和气液两相流动进行数值模拟,并研究部分结构参数对流场和分离性能的影响。结果表明:分离器的流场分布有利于气液两相分离,为使二级分离空间收集的液体顺利降下,进口速度不宜过快;一级排气芯管上半部长度为140 mm和开口高度为60 mm,对应的分离效率最佳,两者对压降的影响较小;减小降液缝隙宽度,分离效率和压降都会提高。

井下螺旋式气液分离器分离性能的数值模拟

为了实现井下气液高效分离、产出水回注和采气于一体,开展了新型井下螺旋式气液分离器的研究。应用计算流体力学方法(CFD)对螺旋式气液分离器的内部流场进行分析,并研究了螺旋圈数和螺距对螺旋式气液分离器性能的影响。该结果为井下螺旋式气液分离的进一步研究提供了参考依据。

高气液比工况的管柱式气液分离器分离性能研究

为了提高分离器结构紧凑性与分离稳定性,采用管柱式气液分离器进行高气液比工况下的气液分离操作。基于CFD数值模拟方法,运用雷诺应力模型对管柱式气液分离器内部流场进行模拟,运用离散相模型对液滴进行追踪,得到分离器内部的流场分布情况以及不同结构参数对分离器分离效率的影响。对具体工况下的管柱式气液分离器结构进行优化设计,为管柱式气液分离器在高气液比工况下的设计与应用提供参考。

结构参数对内联式脱液器分离性能的影响

内联式脱液器是一种基于离心力作用并利用气液两相之间密度差进行气液相间分离的紧凑、高效型气液分离设备,因其可以减小自重及节省空间,且可在平台及海底应用而受到越来越多的关注。建立了一组内联式脱液器的数值结构模型,采用计算流体力学(CFD)方法对其进行数值模拟研究。通过分析内联式脱液器内部的速度场及压力场分布情况,总结出影响内联式脱液器分离效率及压力损失的关键结构参数,包括叶片结构参数、分离腔长径比、气体出口管管径及深入长度、排液管管径等。同时,针对叶片结构参数(叶片数目及导向出口角)对内联式脱液器分离性能的影响,进行了数值模拟研究,推选出涡流发生器内最优的叶片结构参数(叶片数目为8,叶片出口角度为45°),从而可为后续内联式脱液器的结构优化、分离性能提升以及降低能耗提供一定的参考。

泥沙浓缩旋管清液排放口布置形式

为确定一种新型水力吹填用水沙分离装置——泥沙浓缩旋管关键部件清液排放口的布置形式,使用数值模拟与物理模型试验相结合的方法对初步拟定的几种清液排放口形式进行了研究,并综合考虑工程适用性与浓缩效率,选取垂直主管布置排放管的外排放口作为该装置清液排放口。结果表明,该排放口形式的泥沙浓缩旋管不但可以提高吹填造陆入场泥沙浓度,同时还会降低入场泥沙细颗粒含量,从而改善吹填泥沙的工程性质。

排气管插入长度对旋流分离器分离性能的影响

排气管的结构形式对旋流分离器的性能影响较大。采用数值模拟方法研究了扩散锥形排气管插入长度对旋流分离器分离性能的影响。利用Fluent中提供的RSM模型对旋流器内气相流场进行了数值计算,计算时只考虑连续相对颗粒产生的曵力作用。分析结果表明,增大排气管插入深度,分离器切向速度的最大值变小,压力损失减小;分离器分离效率随着第2项体积分数的增大而变大,当排气管插入深度在0.8a～1.0a时分离效率最大,当插入深度过大时导致环形空间变小,既增大了压降又促使短路流的形成;排气管最佳的插入深度为0.8a～1.0a。

含碰撞式分离元件塔结构优化及水力性能研究

大通量塔可以有效降低塔体直径,节约塔器制造成本,是塔器重要的发展方向。由于塔操作点一般位于雾沫夹带线以上,故提出一种结合高效气液分离方法的塔结构。利用CFD数值模拟方法,分析了新型碰撞式气液分离结构的原理,计算了结构参数对分离效果的影响并对其结构进行优化。基于CFD分析结果,搭建实验平台,研究新型塔水力学性能,结果表明:1)分离元件层数越多、横向间距越小、纵向间距越小,此碰撞分离元件的分离效率越好,但阻力降也越大;2)综合效率和压降以及空间利用率可知,元件层数为2,且横向间距与宽度比值为1.0,纵向间距与宽度比值为0.5时,整个碰撞分离元件的效果最佳;3)当气相流量为定值时,表明改变液相流量对塔板压降无显著作用,当液相流量为定值时,塔板各层压降与气体流量正相关;4)改变液体流量对漏液线及雾沫夹带线无明显影响,且操作范围较广。因此,与传统旋流塔相比,新型含碰撞式分离元件高速塔具有塔径小、处理量大、气液分离效率高及操作范围广等优点,能够大幅降低成本,提升空间利用率,应用前景广泛。

回流孔面积大小对自吸泵性能影响的研究

为了研究自吸泵回流孔面积对自吸泵性能的影响,以ZX80-65型外混式自吸泵为研究对象,设计5种不同回流孔面积方案,通过计算流体力学的分析方法对自吸泵内部流动进行数值模拟,对其回流孔两侧压差、回流孔回流量及外特性曲线进行分析。研究结果表明,回流孔的存在对泵正常工作时的流动特性影响较大。在自吸阶段,适当增大回流孔的面积,可增大蜗壳回流量,在不改变泵基本性能的前提下有助于提升泵的自吸性能。在大流量工况下,增大回流孔的面积导致泄漏量增加,从而增大了泵的容积损失,导致自吸泵效率下降。在额定工况下,回流孔面积越大,回流孔两侧压差越趋近于0,其泄漏损失越小。对于特定的自吸泵,存在一个最佳的回流孔开孔位置。

气体颗粒粒度对气液分离旋流器性能影响的数值模拟

针对一种用于气液两相分离的旋流器结构,采用Fluent软件,开展了分离气体颗粒粒径变化对旋流器压降、湍动能损失特性及脱气效果影响的数值模拟分析。研究结果表明,随着分离气体颗粒粒径增大,旋流器溢流出口的压降先减小后增大,旋流器溢流出口的湍动能损失增大,旋流器气相分离效率逐渐增大。

新型螺旋管气液分离器分离性能数值模拟

采用计算流体力学方法,选择双流体模型和RNGk-ε湍流模型对新型未开孔螺旋管气液分离性能进行数值模拟,分析螺距、管径等结构参数及液体黏度、入口速度、入口含气率等操作参数的分离效果.结果表明:在螺距为26.67和47.22mm,在入口速度为1～30m/s时,增加螺距或入口速度可以改善分离效果.当入口速度较大时,减小管径可以改善分离效果;反之,当入口速度较小时,增大管径可以改善分离效果.减小液体黏度,可以改善分离效果.这可为螺旋管的开孔方案、分离性能实验及工程应用提供指导.

油品脱水用碟式离心机的流场及分离性能

研究对象为油品脱水用碟式离心机,通过CFD模拟研究了碟式离心机碟片上螺旋型筋条对碟片间两相三维流动的影响规律。结果表明,同一径向位置上,相邻两碟片间液流的周向速度在平行于转轴的面内呈抛物线分布,接触碟片表面处流体跟随碟片旋转,远离碟片处流体的周向速度大于碟片的周向速度;螺旋型筋条能够有效地减小这种滞后性,而且能够有效地减小碟片间流动的湍流强度;不同碟片间的分散相体积分数分布不一,顶层和底层中的高,中间层内的低;同一碟片间,中性进料孔和定距筋条附近有水相浓集现象。螺旋型筋条能够有效地提高分散相分布的均匀性和分离效率,研究发现,螺旋型筋条的碟片结构能使碟式离心机实现航空煤油的高精度分离。

纯化天然气水合物螺旋分离器流场与性能分析

基于海洋天然气水合物固态流化开采方法的井下原位除砂提纯回填工艺,本文结合试采所得水合物浆体特征,设计用于解决设备磨损、储层坍塌等问题的井下除砂螺旋分离器,利用CFD数值模拟方法研究了入口速度和水合物体饱和度对井下除砂螺旋分离器流场和性能的影响,得到了随着入口速度增加,流场中流体的速度急剧增大,特别是切向速度、分离效率增加。当分离效率为70%以上,分离器内压降急剧增大,表明分离器内部的能量损耗不断增加;随着入口水合物体积分数的增加,螺旋分离器内流场变化微小,水合物分离效率降低,砂分离效率增加;分离效率为80%以上,压降逐渐降低。说明该分离器的最佳操作区为入口速度范围为3~5m/s,水合物入口体积分数15%以下。研究结果表明:本螺旋分离器具有极佳的除砂效果;切向速度是决定分离器分离性能的关键速度,处理量的增大有利于水合物的提纯;海底水合物储层中水合物饱和度变化对螺旋分离器分离效率具有一定的影响,但螺旋分离器对其具有一定的适应能力;揭示了水合物井下螺旋分离器除砂的分离机理,为其设计提供了一定的依据,为海洋水合物储层开采防砂提了一种新的技术及装备。

叶片式入口分离器气液流动及分离性能数值模拟

叶片式分离器是一种较新颖的气液两相流设备的入口分离及布气装置。为了给设计提供指导,本文采用离散相模型对其中的气液两相流动过程进行模拟,并通过分离效率测试对计算模型进行了验证;在此基础上研究了气速、液滴粒径、叶片倾角及流道入口宽度对分离性能的影响。结果表明:叶片式分离器具有良好的气液分离性能,对于粒径大于50μm的液滴分离效率能够达到85%以上,增大气速和液滴粒径有利于提高叶片式入口装置的分离效率;综合考虑分离效率和压降,叶片倾角宜设置为5~8°;在现有流道宽度设计建议的范围内,减小流道宽度可显著提高小液滴分离效率,但阻力也将增加。

直叶片离心喷雾气液反应器分离性能

为了解决目前单重态氧发生器存在的气体处理量小、气液反应面积小和气液分离不彻底的问题,设计了一种雾化技术与离心技术相结合的两级排液式直叶片离心喷雾气液反应器.首先采用CFD方法,对该反应器建立了计算模型,研究了反应器中连续相流场、离散相颗粒的运动特性,系统分析了粒径及转速对反应器分离性能的影响,获得了分离特性曲线.然后通过实验研究,分析了反应器在真实工况下的分离性能.综合研究表明,CFD模拟结果与实验结果比较吻合,CFD模型可用于该实验研究.反应器在5 mol/s的气体流量下对于粒径大于90μm的液滴在3000 r/min转速下分离效率100%,为单重态氧发生器的发展提供了参考.

柱状气液分离器分离效果的数值模拟分析

为了降低海管输送压力,减轻FPSO终端生产水处理负担,在采油平台新增一套油气水处理流程,流程中的气液分离器采用GLCC+立式分离器的设计。为探究处理量及液位控制等因素对其分离效果的影响,建立了新增系统中气液分离器的三维模型。借助ANSYS FLUENT的Mixture多相流模型对分离器内流场进行数值模拟,分析了在不同处理量工况下和液位控制对分离效率的影响。研究结果表明:将分离器液位控制在80~100 cm,可以保证在平台采取各种增产措施的处理量工况下,液相出口的含气体积分数在2%以下,避免对下游油水分离设备产生影响,同时,气相出口携液体积分数控制在5%左右,含油体积分数在0.5%以下;分离器气相出口气体的洁净度未达到气浮选装置气源气的要求。研究结果可为海上采油平台油气水处理设备的选型、设计及工作参数的优化提供参考。

螺旋导叶与分离器内壁间隙对分离器内流场及分离性能的影响

依据现有螺旋导叶和气液分离器结构的设计方法,建立筒径300 mm的轴流式螺旋导叶气液分离器模型,在直流和逆流两种排气方式下,对0、1、2、4、6 mm 5组导叶环隙宽度进行数值模拟,研究导叶环隙宽度对内流场的影响,并通过试验对比分析导叶环隙宽度对分离性能的影响。模拟结果表明:导叶环隙宽度增大,压降和切向速度逐渐降低,环隙流量占比逐渐增大;综合考虑压降和离心分离作用,1~2 mm是较适宜的环隙宽度。试验结果表明:相对于无环隙结构,1~2 mm的环隙宽度不但能减小导叶区域的流通阻力,降低设备压降,减小能耗,还有利于疏通贴壁液膜的下行流动,防止液膜汇聚在导叶尾端形成雾沫夹带,从而提高分离效率。