内锥式三相旋流分离器分离性能研究.pdf

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1、434化工机械2011年内锥式三相旋流分离器分离性能研究+蒋明虎”1韩龙1赵立新1(1．东北石油大学机械科学与工程学院；夏江峰2马波2徐磊’2．大庆油田有限责任公司第二采油厂)摘要采用Fluent软件对内锥式三相旋流分离器的内部流场进行模拟研究，分析了分离器的分离机理，在理论方面验证了使用该分离器对气液固三相进行分离的可行性。此外，通过室内实验研究明确了不同操作参数(包括入口流量、气液比和分流比)对分离效果的影响，并总结出了该结构尺寸分离器的最佳操作参数范围。关键词旋流分离器内锥式三相分离脱气除砂中图分类号TQ0

2、51．8+4文献标识码A文章编号0254_6094(2011)04m434m6油田采出液中通常含有大量的水、天然气及细砂等杂质⋯，尤其随着油田开采的不断深入，杂质含量也逐渐增多。这些杂质的存在不仅增大了采出液输送的难度，而且还会对地面集输设备造成极大的坝害”’”，不但增加了生产成本，还会造成安全隐患。因此，采出液的净化处理已经成为油田生产中必不可少的工艺作业。．目前，在脱气除砂的处理方面，通常还足使用两级分离的方法，即两种杂质分别进行分离：除砂方法主要有重力沉降、过滤分离及离心分离等形式H1；伴生气的分离则主要有

3、重力沉降、过滤分离、惯性分离以及离心分离等形式”1。利用这些方法进行两级分离时，尽管处理效果基本能够满足生产需要，但同时也伴随着流程复杂、处理时间长、占地面积大以及操作条件苛刻等不足之处。因此，寻找新型的处理设备以达到简化工艺流程、同步脱气除砂已经成为目前油气田地面工程技术攻关的一项重要课题。由于三棚分离技术具有很高的复杂性，目前这方面的研究还不足很多。东北石油大学赵立新等人研发出了内锥式气一液一固三棚旋流分离器，其结构设计优化，体积小、功能多，既能获得较·黑龙江省自然科学基金(重点)项目(zD201018)，黑

4、龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划项目(1155．NCFT一003)。t·蒋明虎，男，1962年7月生，教授，博士生导师。黑龙江省大庆市，163318。第38卷第4期化’【机械435分离器运行时．气一液一固三相混合物以较高的速度进入分离器中，受分离器结构影响形成涡流，并成螺旋形向下运动。由于液体产生涡流运动时，沿径向方向的压力分布不等，边界处较高，核心区域较低，促使不互溶混合相中密度最大的固相向边壁移动，最终由出砂口排出；密度最小的气相移向分离器的轴心位置．并在锥体形成的反向举升作用下向上运动，最终由分离器

5、顶部的溢流口排出；而液相密度居中，经排液孔进入内锥腔中，在后续液流的推动下沿底部底流口排出，从而完成分离的全过程。内锥式旋流分离器与常规水力旋流器的分离原理相同，只是把常规水力旋流器的外锥结构变成内锥，这样当向下高速旋转的小气泡遇到锥体的尖顶部位时会聚集并反向移动。而且将底流口设置在锥体内部，并增设了侧向出口，这样就能很好地解决三相排出问题，使三相分离成为可能。2模拟及结果分析为证实利用该分离器进行三相分离的可行性，揭示分离器内部流场分布情况，笔者利用流体动力学软件Fluent对结构优化的内锥式三相分离器内部流场

6、进行了模拟分析。计算中，模型网格采用四面体网格，计算网格数5万左右，残差精度控制在lO一。模拟材料简化为清水、甲烷和固态硅。湍流粘性模型选择雷诺应力模型，即Reyn·oldsstress；多相流模型选择混合物模型，即Mix_tu”；初始计算条件为：入口液流量2m3／h(固相含量0．12)，气液比为O．2，溢流分流比和底流分流比(即溢流流量和底流流量分别占人口总流量的百分比)取0．2和O．7。入口选择速度人口边界条件，出口边界类型设为Outnow类型，固壁边界则按无滑移边界条件处理。枣剖谨翌FH7i自孛割爱墨袭图2

7、所示为模拟得到的气一液一固三相的浓度分布云图，从左至右依次表示的是气相、液相和固相。从图2町以看到．混合相进入分离器内部后，气相集中在锥尖附近，并向溢流口处流动，仅有很少一部分通过集液孔进人内锥内腔从底流口排出。固相密度较大，集中在分离器底部靠近器壁处；而液相集于两者之问，由排液孔进入内锥腔．从而由底流口排出。从浓度分布来看，该结构不仅实现了三相之间的分离，而且效果较好。ln协：僻蠛睚图2气一液一固三相农度分布云图图3所示为截面：处(以溢流口为基准，向下为正方向，。=280mn·)的各相浓度分布曲线。从图3可以看

8、出，内锥腔内部仅有少量气体存在，且由于内锥腔的锥形结构，气体在轴心处的浓度较高，内锥外侧的气体含量几乎为零；液相主要集中在内锥腔里，在内锥外侧，液相由锥壁至器壁浓度逐渐降低；而固相在内锥腔内部浓度几乎为零，在锥体外侧，随着半径的增加，固相的浓度迅速增加，在器壁处到达最高。曲线的空白段是由腔壁的存在造成的．，李型崔罡毛h液料Ir-嗍¨图3气一液一固三相浓度分布曲线436化工