天然气旋流除砂器大颗粒的带出机理.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 4 ．O 1 试验研究 天然气旋流除砂器大颗粒的带出机理 周加明’ 崔之健 ’ 赵旭 江宽。 田洋阳 1西安石油大学石油工程学院2中国石油西气东输管道 销售公司 3中国石油西部管道兰州输气分公 司 摘要从气井出来的天然气携带有很多的泥砂，砂砾粒径范围很宽，从几微米到十几毫米 不等，这些大颗粒若不除去，会对仪表和设备带来严重的损坏。在除砂器内部大颗粒与排气管 底端 的距 离满足 A l ⋯ t，气固两相会 出现二次分 离现 象，位 于排气管底端的大颗粒就会被甩 出。通过大颗粒带出基本理论分析，证实了不仅大颗粒的撞壁回弹和锥部停留有回转灰带为大 颗粒带出的主要原因，叶片的出口角和出口面积的大小也是其中重要的影响因素。在进行大颗 粒分 离时，要采用公称直径、出口角和叶片 出I 2 面积较大的分离器，并采用较低的气体流速。 关键词天然气 ；旋流除砂器 ；大颗粒带出；内旋流 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 6 8 9 6 ． 2 0 1 4 ． 1 ． 0 1 4 从气井出来的天然气携带有很多的泥砂，砂砾 粒径范围很宽， 从几微米到十几毫米不等，这些大 颗粒若不 除去 ，会对仪表和设备带来严重的损坏 。 所以有必要对大颗粒的带出现象进行分析和研究。 在传统的除砂器中，许多研究人员将着眼点集 中于除砂器 的尺寸 和进气速度 。文献 【 卜2 】 认 为 ， 除砂器内旋流 中大颗粒被甩出是 由于撞击 内壁被反 弹回的结果，建议采取的措施是加大旋流除砂器的 直径和降低进气速度。本文从两个方面展开研究 大颗粒在除砂器内旋流的运动轨迹和大颗粒撞击 内 壁后反弹回被二次甩出的可能性 。 1 大颗粒带出理论 1 ． 1 粒子的运动轨迹 在带有垂直叶片旋风分离器 中的粒子运动轨迹 的研究 中建立的数学模型是以导叶式旋风分离器为 基 础。假设天然气 中砂砾的粒径为 d 切 向速度 为 ⋯ 在离心力的作用下 ，呈向外运动趋势，砂 砾在 r 位置时 ，在切线上的速度为 u r ，在径 向上的速度为 芈 。经d t 时间后，又分别变成 为 和 u 。 d ，这时速度的方向也随之变化 了。按照数学物理方法，砂砾在切向上的加速度 0 ， 和径 向上 的加速度 n 可以被求出。 d v p r -- I Lp r- 一 r 警 ‘ ㈩ 0 r l 蓄 J 。 r 2 鲁 r 2 假设在除砂器内，在半径为 r 处，气相的径向 速度为 ，切向速度为 ，气相与固相砂砾存在 相对运动，对砂砾具有拉拽作用，符合斯托克斯定 理 ，运动方程为 径向上 ， - -- 3 nv lx d ． 、 切 向 上 已 知 2 6 d 3 P g ，并设 A ‘ ，再代 人 1 、 2 ， 便可写出 径 向 一 r 警 一 A 誓 3 切 向 蔷 r 警 一 A 4 联立消去 ，便可写出描述粒子运动轨迹的 d 微分方程式 A 害 一 r [Lpr-- U g c 『 A 0 5 假设砂砾的粒径较大，符合阿伦定理，则其运 动方程为 d d r 2 K d d r - i 一 1．『K u 一 d c l o f 6、 基金论文 西安石 油大学 全 日制硕士研 究生创新基金资助 2 0 1 2 c x l 1 0 1 0 1 。 一 2 4一 油| _ E 田地面工程 h t t p ／ ／ w w w ． y q t d m g c ．c o rn 3 3 卷第 1 期 2 0 1 4 ． O 1 试验研究 式中 K 7 ．5 p ／z 。 砂砾的径向速度和加速度均很小。砂砾粒径越 大 ，撞击到器壁上的角度就越大 ，在除砂器 内形成 一 个类 似任意对接的多边形运动轨迹 ；粒径越 大 ， 在切 向上的速度越大 ，多边形边数越少 ，随意大颗 粒易被带入内旋流中，形成二次分离甩出。 1 ． 2 内外旋流大颗粒被带出理论 假设粒径为 d ，， 的砂砾由于撞击作用被反弹回 内旋流轨迹中 ，在这个过程中 ，由于气相运动阻力 使砂砾瞬时悬停在半径 r 处 ，在气相气流继续旋转 下，通过拖拽作用，砂砾开始旋转起来，进入内旋 流。在内旋流中，砂砾的切向速度较大 ，径向速度 较小，以致可以忽略。若砂砾粒径较大，符合阿伦 定理，其相关计算如下 dlA p r -- l g 7 当 t0时 ，砂砾初始速度 0，即可求 出 积分常数 C ，代人可求出砂砾的切向速度。 √ 一 厂 ] I卜 4 t ㈦ 在 除砂器 内旋流 中，砂砾 以切 向速度 M 做旋 转运动 ，在离心力作用下 ，向外扩张 ，轨迹上径 向 速度为 ， d Z r 一 r 毒 9 在内旋流中，r 0 到 r r n 区内，气体切向速 度 U r w，可求出大颗粒在内旋流中从 r 处被甩 出到 r n 所需的时间 t 。 。 1j ， 砂砾到 r n 处后 ，开始进入外旋流内，将被继 续甩出，此时气流切向速度变为 M 。同理得出 大颗粒从 r 处被甩出到 r 1 处所需的总时间t 为 ⋯ 2 实验结果及分析 实验用石英砂的相关数据如表1 所示 ，其真密 度为 2 6 6 0 k g ／ m 3 。 表 1 石英砂 的粒径范 围 筛 g／ 目 1 0 0 6 0 4 O 2 O 实测粒径范 围／ m 8 O一1 5 0 2 0 03 0 0 3 5 0～5 0 0 8 0 0一l 2 0 0 实验时 ，每组实验加砂3 次，每次加砂量为 1 0 0 0 g 左右，称重灰斗收尘，计算出3 次除砂效率 的平均值，作为本组实验的除砂效率值。 在实验室里用不同出口角、不同出口面积和不 同尺寸的叶片做实验，改变气体速度和砂尘颗粒大 小，测量其分离效率。从实验结果可以看出 1 分离器轴向进气速度提高，除砂效率随之 减小 ，故对粒径大的砂砾应适当采用较低 的气速。 2 叶片角度在一定范围内变大，砂砾的切向 速度相对变小 ，回转速度也变小 ，所以对大颗粒 的 除砂效率也会变大，因此对大颗粒宜用较大的叶片 出 口角。 3 叶片出 口面积增大 ，在同样 的进气量下 ， 轴向进气速度会变小，除尘效率变大， 所以对大颗 粒适用较大的出 口面积。 4 分离器的公称直径变大，内壁与排气管底 端的距离也将增大，锥形部分与直筒部分的交界面 和排管底端 的距离也将增大 。距离的增加会延长大 颗粒在内旋流的时间，所以并不会立即被气相带 出，故大颗粒的带出量会减小，除砂效率变大。这 说明在大颗粒工况下宜采用较大尺寸的分离器。 由以上分析可以看出 ，在用分离器进行大颗粒 的分离实验时，叶片的出口角较其他3 个因素对除 砂效率的影响都大，因此在今后的大颗粒分离中要 重点考虑该因素的影响。 3 结论 在 内旋 流中 ，大颗粒与排气管底端的距离 A l W t时 ，就被气流二次甩出而重新被分离下 来 ，而靠近排气管底端的那些大粒就被带出。通过 大颗粒带出的基本理论分析，证实了不仅大颗粒的 撞壁 回弹和锥部停 留有回转灰带为大颗粒带 出的主 要原因，叶片的出口角和出口面积的大小也是其中 重要的影响因素。在进行大颗粒除砂时，要采用公 称直径 、出口角和叶片出口面积较大的分离器 ，并 采用较低的气体流速。 参考文献 [ 1 ] 冯叔初．油气集输与矿场加工[ M ] ．北京中国石油大学出版 社 ，2 0 0 6 ． [ 2 ] C ．J ．S t a i r ma n d ． T h e D e s i g n a n d P e r f o r ma n c e o f C y c l o n e S e p a r a t o r s [ J ] ．T r a n s ． I n s t n ．C h e m．E n g r s ． ．1 9 5 1 ，2 9 3 3 5 6 3 8 3 ． 栏 目主持杨军 油气田地面工程 h b c p ／ ／ w w w．y q t d m g c ．c o rn 一2 5