气液分离切流式回流型旋风管性能研究

摘要

煤层气是一种非常规天然气，以吸附状态储存于煤系地层中，煤层气一般采用油管排水，套管采气的方式进行开采，在开采过程中不可避免混入一部分液体杂质，这部分液体杂质在输送过程中会对后续管路和设备造成腐蚀和堵塞，所以必须予以除去。
　　本文在总结前人研究的基础上，针对煤层气地面开采生产实际需求开发高效气液旋流分离设备——切流式回流型旋风管。气液混合物进入该分离器经导向叶片产生高速旋转运动，由于气体和液体的密度不同，液滴受到的离心力大而向分离器壁面移动，最终到达壁面并进入排液结构，洁净气体从设置在分离器中心的排气管排出。本设备利用旋流器特有的流场特点，增设了回流管，将一部分进入排液部位的气体引回旋风中心低压区，进入主分离区继续参与分离过程，最终和主气流一起经排气管排出，完成气液分离过程。回流管一方面使排液腔内的气流流动起来，有利于排液过程的进行，另一方面回流消除了旋流中心低压造成的返流现象，能够提高分离器分离效率和抗流量波动能力。
　　本文利用Fluent软件，结合雷诺应力模型(RSM)和DPM离散相模型对旋流器内部流场以及颗粒的运动情况进行了模拟。通过改变旋风管的结构参数和操作参数来研究这些参数对设备性能的影响，为分离器的设计和优化提供指导。
　　本文加工了实验样机，设计了实验流程并且搭建了实验平台。实验通过调节结构参数和操作参数来测试旋风管在不同条件下的压降性能和分离性能，并与数值模拟结果进行对比，验证了本文开发的切流式回流型旋风管性能。
　　为了对比验证新型旋风管的性能，本文在前人研究成果的基础上设计了传统三维导叶式旋风管，并对其进行了数值模拟和实验对比研究。
　　经过数值模拟和实验得出，本文设计的新型旋风管在非常宽的流量范围内综合分离效率达到95％以上，能够有效去除5μm以上颗粒。回流管大大提高了设备的分离能力和抗流量波动能力，同时降低了设备压降;叶片高度越低，设备内部切向速度越高，分离效率越高，但抗流量波动能力会降低;本设备相对于传统三维导叶式旋风管，分离效率有较大提高;主分离段长度不宜过长，否则容易导致分离下来的液滴返混;环隙排液适用于流量长期低于设计流量的工况，而筒壁开侧缝排液适用于流量长期高于设计流量的工况，两种排液方式的旋风管均有较宽的流量范围。
　　综合数值模拟和实验结果，本文设计的新型切流式旋流分离器具有高效低阻，抗流量波动能力强的特点，基本满足煤层气气液分离的需求。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 课题背景及项目资助

1．2 典型气液分离设备对比

1．2．1 重力沉降器

1．2．2 惯性分离器

1．2．3 扩散分离器

1．2．4 各种气液分离器对比及选择

1．3 直流式旋流器分离理论

1．4 直流导叶式旋流器发展现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文研究目的与主要工作内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 主要工作内容

2 切流式回流型旋风管结构设计及工作原理

2．1 切流式回流型旋风管设计思想

2．2 切流式回流型旋风管结构设计

2．2．1 整机结构设计

2．2．2 旋流叶片的设计

2．2．3 排液结构的设计

2．2．4 回流结构的设计

2．3 切流式回流型旋风管流场理论分析

2．3．1 旋风管内速度分布理论推导

2．3．2 旋风管内主分离段压力分布理论推导

2．3．3 旋流器排气管内压力分布

2．4 本章小结

3 切流式回流型旋风管数值模拟

3．1 数学模型的选择

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型选取

3．1．3 离散相模型DPM

3．2 模型建立与网格划分

3．3 边界条件设定

3．4 切流式旋风管连续相流场分析

3．4．1 旋流管内部流场分布

3．4．2 旋流器压力场的理论计算值与CFD计算值对比

3．4．3 切流式旋流叶片与三维导叶式叶片性能对比

3．4．4 叶片高度的优化分析

3．4．5 排液方式对流场的影响

3．4．6 主分离高度的优化分析

3．4．7 回流管对设备性能的影响

3．4．8 设备的压降特性

3．5 旋风管离散相流动分析

3．5．1 颗粒运动方程

3．5．2 颗粒运动轨迹

3．5．3 旋流叶片的预分离作用及其对分离效率的影响

3．5．4 叶片高度对分离效率的影响

3．5．5 处理量对分离效率的影响

3．5．6 主分离高度对分离效率的影响

3．5．7 回流对分离效率的影响

3．5．8 排液方式对分离效率的影响

3．6 本章小结

4 实验平台搭建及实验研究

4．1 实验流程

4．2 实验装置系统

4．2．1 液滴雾化系统

4．2．2 粒度测量系统

4．2．3 状态测量系统

4．3 实验参数

4．3．1 操作参数

4．3．2 结构参数

4．4 实验方案

4．4．1 压降性能评价及实验方法

4．4．2 分离性能评价及实验方法

4．5 液滴雾化系统实验结果

4．6 实验结果分析

4．6．1 标准模型实验性能

4．6．2 叶片高度对设备性能的影响

4．6．3 叶片型式对设备性能的影响

4．6．4 回流管对设备性能的影响

4．6．5 主分离段高度对设备性能的影响

4．6．6 排液方式对设备性能的影响

4．6．7 挡液叶片对设备性能的影响

4．7 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢