旋流分离器用于天然气脱水的数值模拟研究.pdf

1 前言 天然气作为一种绿色洁净能 源 ，其 开 发 和 利用 越 来 越 受到 人 们的重视 ，天然气 的净化处理技 术 逐渐 成 为 国内外 竞 相 研究 的重 点和热点。在天然气输运一 【 程中， 水合物 的产生导致水合物阻 塞管 道 ，直接影响输气管线 的安全和 整个管路的正 常运行 ，天然气脱 水是 防止水合物产生的关键 。针 对 目前天然气脱水技术现状 ，提 出了一种新型天然气气液分离装 置一 气 一液旋 流分离器 。 旋流分离器是一种高效分离 装置 ， 具有结构简单 、 设备紧凑、 无 旋流分离器用于天然气 脱水的数值模拟研究 尹兆娟 ， z张新军 倪玲英z刘小成 韩月梅’ 1 ． 胜利工程设计咨询公 司山东东营2 5 7 0 2 6 2 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 山东 东营 2 5 7 0 6 1 【 摘要】随着天然气工业的发展 ，天然气的净化处理备受关注。旋流 分 离器作为一种新型的净化处理装置 ，其结构简单 、分离效率高、处 理 量 大、经济效 益好 ，成为 气 一液 两相分 离研 究的新课 题和新 热 点。 文 中用流体动 力学软件 F 1 u e n t 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 e p s i l o n 2 e q n方程 来模拟 气相旋流 流动 。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 。 【 关键词 】天然 气脱水旋流分 离流场模拟液滴迹线 运动部件、分离效率高和处理量大 等一 系列优 点 ，广 泛 的应 用 于 石 油、化工 、冶金 、造纸 、淀粉加工 以及废水处理等行业。过去 ，旋流 分离器的研究 ， 主要集中在液一 液 、 气 一固两相分离 ，其应用于天然气 净化处理，将会大幅度降低天然气 净化投资，提高经济效益⋯是旋流 分离技术用于气 一液两相分离 的一 个新 课题 和一 项新 技术 。 旋流分离器的结构 比较简单， 但是内部的流型比较复杂。受实 验条 件限制 ，单纯通 过实 验研究 ， 费用高且周期长。采用流体动力 学软件 F l u e n t 数值模拟方法研究， 不仅投资少，计算速度快，而且可 尹兆娟 1 9 8 2 一 女 ，中国石油大学 华东 石油工程油气井专业 研 究生 ，主要从事钻 井采油研究。现在 胜利设计咨询有 限公 司研究生工作站 实习。 。J 石 油 和 化 工 设 备 ， 。09．。。 以深入的揭示旋流器内部流场的 运动规律 ，可 以检测到试验检测 不到的 “ 点” ，有利于旋流器研发 过程 的进展『 2 1 。 2 数值模型 计算采用的物理模型[ ， 1 结构如 图 1 所示 ，入口边界设置为速度人 口， 速率为3 0 m ／ s ， 溢流V 1 和底流口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 都 设 置 为压 力 出 口。表 压 默 认 为 零 ，壁而假设为无滑移壁面边 界 ， 气体 与其相对速度为零 ，气相设为 不可压缩气体。 对 气 一液旋 流分离 器 ，在数 值 模 拟 过 程 中 ， 南于 气 液 比相 对 较 大 ，液 相非常 稀疏 ，因此 可以把 内 部气相 作为连 续相 ，液相 作 为离散 相 。离散相 的体积分 数一般小 于 1 0 ％，但其质量负荷可能远远大于 1 0 ％， 在边界设置过程 中， 模 拟离散 相的质量流率等于或大于连续相的 质量流 动 。 数值模拟采用混合 M I X T U R E 多相 流模 型及 k 一￡ 2 e q n中的 RN G湍流模型 ，在旋流分离器 中， 旋流 占优势 ，选择 S w i r l D o mi n a t e d F l o w模 型f 。 连 续 性方 程 要一 o 1 t a a 、 动量 方程 k 一方程 ￡一方程 2 3 at 鲁 ]毒 ] a ． a I I‘ 』a l c 圭 c ， - C 2 e P c 2 4 式 中 t 一 时 间 ， 一 速 度矢 量 ， j 一 坐标分 量 ， P一 密度 ， 一 分子粘性系数 ， P一 修正压 力 ， ， 一 湍 流粘性 系数 ， c 一经验常数， 、 一 湍流普朗特数 ， G一 平 均 速 度梯 度 引起 的湍 动 能产 生 项 其中， p G 等 ]毒 3流场模拟结果分析 3 ． 1 静压 力场模 拟结 果 气 一液旋流分离器 内部流场 分 内旋流 和外旋流两部分。外旋 流 ，垂直于轴的横截面静压分布 如图2 ，分布性状 比较规则 ，基本 呈现轴对称性 ，在入 口与溢流管 的交界空 间内存在偏差 ，但偏差 不大。静压由外向内递减，中心轴 线附近静压较低 ，在溢流管 内部 出现 负压 。 南图 2可以看 ，在 同 一 截 面 处 相 同 半 径 处 的静 压 力大 致 相 等 ，这 说 明轴 向压 力 变 化 不 大。内旋流静压 的分布在同一截 面 的 相 同 半径 处 也 相 同 ，呈 环 状 分布 ，相对 于外 旋流 ，内旋流 的静 压较 低 。 在 轴 截 面 上 ，静 压 力 的 分 布 如 图 3 所示 ，分布大致 呈现轴对 称 性 ，在外旋流 中 ，压力分布 的整 体 趋势是在两侧 比较 大，内测 比较 小 ，在 内旋 流部 分 ，有负压 出现 。 总压沿轴 向变化 比较小 ，由于强 制涡的出现 ，总压分布云图出现 一 定 的摆 动 。 3 ． 2流场 速度分 布研究 气 一液旋流器 内部 流场 速度 分 布如 图 4所 示 。 气流沿着 网柱 壁面作 圆周运 2 o 。 。 ． 。 。 。 石 油和 化工设苗』 广 。一 a 寺 p 害 、●， 一、 ，● ●， ●／ 生， 一 咝 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 广 场 动 ，切 向速度逐 渐减小 ，在溢流 口 内，存在明显的低压区。在网柱形 圆筒部分 ，气体流速比较稳定 ，涡 核在轴线 中心。在接近锥体附近， 出现 了明显 的不对称性 ，涡核也 出现了偏心现象。从轴向截面图， 还 可以看 出，旋流在锥体底部 ，卅 现 了摆尾现象。总体而言 ，切向速 度大部分都为正值 ，很 少存在二 次涡流 ，这有利于气 一液分离效率 的 提高 。 图 5 为气 一 液旋流在入 口处横 截面上速度矢量分布图 ，气体进 入旋流器后 ，沿壁面做旋转运动 ， 在内部形成双层旋流。外部，主要 向下旋流 ，靠近中心处为向上旋 流 ，从 图中可 以看 ，瞬时旋流方 向相反。总体趋势，速度矢量是对 称 的，在溢流管外部 南于湍流的 存在 ，流 向有 所摆 动 。 ， 2 f 石 油 和 化 工 设 备 。D9。。 3 ． 3液滴 迹线分布 在忽略旋流剪切应 力和强湍 流 应 力 ，不 考虑 液 滴 间 的相互 作 用 ，把液滴看做是 刚性小球 ，不考 虑液滴破碎和聚合的情况下 ，设 置直径为 0 ． 0 0 3的液滴 ，入 口速度 为 3 0 m ／ s ，其轨迹如 图 6 。 南图 6町以看 出 ，液滴被甩 向 壁面 ，沿壁 面下 滑至 分 离器 的底 部 ，大部分被分离 出来 ，小部分液 滴随着内部的上升气流螺旋上升， 进入排气管，还有部分液滴没有到 达底部就进入内旋流，通过旋转气 流上升，直接进人排气芯管。 4结论 1 进气 口处静压较大 ，由外 向内沿径 向递减，中心轴线附近静 压较低 ，甚至出现负压。 2气 一液旋流器 的切 向速度 是多相分 离的关 键 ，它的总体变化 趋势是南外向内先增大后减小，切 向速度方向与外螺旋方向具有一致 性；在溢流口速度变大 ，等值线变 化明显 ，验证 了涡流的存在。 3南模拟结果可知，气 一液 旋流器流场 由外旋流和内旋流形 成，证实了F L U E N T 提供的 C F D方 法进行气液旋流器流场数值模拟的 可行性。计算机硬件和数值模拟方 法的发展，可以从工程应用角度 ， 改进湍流模型，使数值研究的结果 精确的促进旋流器的优化。 气 一液旋流分离器数值模拟， 仍存在较大缺陷。模拟过程中，气 相被认为是理想的不可压缩气体 ； 液滴是刚性的球体 ，它的变形和破 碎并未考虑，但实际，液滴在高速 旋转剪切和强烈湍流应力作用下 ， 液滴破 碎和聚合是不 可避免 的 。所 以 ，对液滴破 碎和聚合 的研究 ，是 一 个亟待解决的问题。圈 ⋯ 郑华辉． 旋流分离器在石油化工中的应用[ J 】 ． 装备制造技术， 2 o o 8 1 2 【 2 】 金向红 ，金有海 ，王建军 ，王正方． 气 液旋流分离技术的研究【 J 】 ． 新技 术新工 艺 。2 0 0 7 8 ． [ 3 ] 韩占忠，王敬 ， 兰小平．F L UE N T流体工程仿真计算实例与应用【 M 】 _ j 匕 京理 工大学 出版社 ，2 0 0 4 6 ． 【 4 】 魏新利， 张海红， 王定标， 吴金星， 刘宏． 水利旋流器流场的数值模拟研究[ J ] 热科学与技术 ，2 0 0 5 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m