天然氣旋流除砂器大顆粒的帶出機(jī)理*

周加明 崔之健 趙旭 江寬 田洋陽

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院2中國石油西氣東輸管道（銷售）公司3中國石油西部管道蘭州輸氣分公司

天然氣旋流除砂器大顆粒的帶出機(jī)理*

周加明1崔之健1趙旭2江寬3田洋陽1

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院2中國石油西氣東輸管道（銷售）公司3中國石油西部管道蘭州輸氣分公司

從氣井出來的天然氣攜帶有很多的泥砂，砂礫粒徑范圍很寬，從幾微米到十幾毫米不等，這些大顆粒若不除去，會對儀表和設(shè)備帶來嚴(yán)重的損壞。在除砂器內(nèi)部大顆粒與排氣管底端的距離滿足Δl＞wpt2，氣固兩相會出現(xiàn)二次分離現(xiàn)象，位于排氣管底端的大顆粒就會被甩出。通過大顆粒帶出基本理論分析，證實了不僅大顆粒的撞壁回彈和錐部停留有回轉(zhuǎn)灰?guī)榇箢w粒帶出的主要原因，葉片的出口角和出口面積的大小也是其中重要的影響因素。在進(jìn)行大顆粒分離時，要采用公稱直徑、出口角和葉片出口面積較大的分離器，并采用較低的氣體流速。

天然氣；旋流除砂器；大顆粒帶出；內(nèi)旋流

從氣井出來的天然氣攜帶有很多的泥砂，砂礫粒徑范圍很寬，從幾微米到十幾毫米不等，這些大顆粒若不除去，會對儀表和設(shè)備帶來嚴(yán)重的損壞。所以有必要對大顆粒的帶出現(xiàn)象進(jìn)行分析和研究。

在傳統(tǒng)的除砂器中，許多研究人員將著眼點集中于除砂器的尺寸和進(jìn)氣速度。文獻(xiàn)[1-2]認(rèn)為，除砂器內(nèi)旋流中大顆粒被甩出是由于撞擊內(nèi)壁被反彈回的結(jié)果，建議采取的措施是加大旋流除砂器的直徑和降低進(jìn)氣速度。本文從兩個方面展開研究：大顆粒在除砂器內(nèi)旋流的運(yùn)動軌跡和大顆粒撞擊內(nèi)壁后反彈回被二次甩出的可能性。

1 大顆粒帶出理論

1.1 粒子的運(yùn)動軌跡

在帶有垂直葉片旋風(fēng)分離器中的粒子運(yùn)動軌跡的研究中建立的數(shù)學(xué)模型是以導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器為基礎(chǔ)。假設(shè)天然氣中砂礫的粒徑為dp，切向速度為up1，在離心力的作用下，呈向外運(yùn)動趨勢，砂礫在r位置時，在切線上的速度為在徑向上的速度為經(jīng)dt時間后，又分別變成為vpr+dv和upr+du，這時速度的方向也隨之變化了。按照數(shù)學(xué)物理方法，砂礫在切向上的加速度at和徑向上的加速度ar可以被求出。

假設(shè)在除砂器內(nèi)，在半徑為r處，氣相的徑向速度為vg，切向速度為ug，氣相與固相砂礫存在相對運(yùn)動，對砂礫具有拉拽作用，符合斯托克斯定理，運(yùn)動方程為

已知mp=，再代入（1）、（2），便可寫出

假設(shè)砂礫的粒徑較大，符合阿倫定理，則其運(yùn)動方程為

砂礫的徑向速度和加速度均很小。砂礫粒徑越大，撞擊到器壁上的角度就越大，在除砂器內(nèi)形成一個類似任意對接的多邊形運(yùn)動軌跡；粒徑越大，在切向上的速度越大，多邊形邊數(shù)越少，隨意大顆粒易被帶入內(nèi)旋流中，形成二次分離甩出。

1.2 內(nèi)外旋流大顆粒被帶出理論

假設(shè)粒徑為dp的砂礫由于撞擊作用被反彈回內(nèi)旋流軌跡中，在這個過程中，由于氣相運(yùn)動阻力使砂礫瞬時懸停在半徑r′處，在氣相氣流繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下，通過拖拽作用，砂礫開始旋轉(zhuǎn)起來，進(jìn)入內(nèi)旋流。在內(nèi)旋流中，砂礫的切向速度較大，徑向速度較小，以致可以忽略。若砂礫粒徑較大，符合阿倫定理，其相關(guān)計算如下

當(dāng)t=0時，砂礫初始速度upr=0，即可求出積分常數(shù)，代入可求出砂礫的切向速度。

在除砂器內(nèi)旋流中，砂礫以切向速度upr做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在離心力作用下，向外擴(kuò)張，軌跡上徑向速度為

在內(nèi)旋流中，r=0到r=r0區(qū)內(nèi)，氣體切向速度ug=rw，可求出大顆粒在內(nèi)旋流中從r′處被甩出到r0所需的時間t1。

砂礫到r0處后，開始進(jìn)入外旋流內(nèi)，將被繼續(xù)甩出，此時氣流切向速度變?yōu)橥淼贸龃箢w粒從r′處被甩出到r1處所需的總時間t2為

2 實驗結(jié)果及分析

實驗用石英砂的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其真密度為2 660 kg/m3。

表1 石英砂的粒徑范圍

實驗時，每組實驗加砂3次，每次加砂量為1 000 g左右，稱重灰斗收塵，計算出3次除砂效率的平均值，作為本組實驗的除砂效率值。

在實驗室里用不同出口角、不同出口面積和不同尺寸的葉片做實驗，改變氣體速度和砂塵顆粒大小，測量其分離效率。從實驗結(jié)果可以看出：

（1）分離器軸向進(jìn)氣速度提高，除砂效率隨之減小，故對粒徑大的砂礫應(yīng)適當(dāng)采用較低的氣速。

（2）葉片角度在一定范圍內(nèi)變大，砂礫的切向速度相對變小，回轉(zhuǎn)速度也變小，所以對大顆粒的除砂效率也會變大，因此對大顆粒宜用較大的葉片出口角。

（3）葉片出口面積增大，在同樣的進(jìn)氣量下，軸向進(jìn)氣速度會變小，除塵效率變大，所以對大顆粒適用較大的出口面積。

（4）分離器的公稱直徑變大，內(nèi)壁與排氣管底端的距離也將增大，錐形部分與直筒部分的交界面和排管底端的距離也將增大。距離的增加會延長大顆粒在內(nèi)旋流的時間，所以并不會立即被氣相帶出，故大顆粒的帶出量會減小，除砂效率變大。這說明在大顆粒工況下宜采用較大尺寸的分離器。

由以上分析可以看出，在用分離器進(jìn)行大顆粒的分離實驗時，葉片的出口角較其他3個因素對除砂效率的影響都大，因此在今后的大顆粒分離中要重點考慮該因素的影響。

3 結(jié)論

在內(nèi)旋流中，大顆粒與排氣管底端的距離Δl＞wpt2時，就被氣流二次甩出而重新被分離下來，而靠近排氣管底端的那些大粒就被帶出。通過大顆粒帶出的基本理論分析，證實了不僅大顆粒的撞壁回彈和錐部停留有回轉(zhuǎn)灰?guī)榇箢w粒帶出的主要原因，葉片的出口角和出口面積的大小也是其中重要的影響因素。在進(jìn)行大顆粒除砂時，要采用公稱直徑、出口角和葉片出口面積較大的分離器，并采用較低的氣體流速。

[1]馮叔初．油氣集輸與礦場加工[M]．北京：中國石油大學(xué)出版社，2006.

[2]C．J．Stairmand．The Design and Performance of Cyclone Separators[J]．Trans.Instn．Chem．Engrs．，1951，29（3）：356-383.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.014

基金論文：西安石油大學(xué)全日制碩士研究生創(chuàng)新基金資助（2012cx110101）。