基于粒徑測(cè)量方法的水下氣液旋流分離器分離性能評(píng)價(jià)＊

王韜杰 何利民 陳建磊 胡 康

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 山東青島 266580； 2.中國(guó)石化撫順石油化工研究院 遼寧撫順 113001）

王韜杰，何利民，陳建磊，等.基于粒徑測(cè)量方法的水下氣液旋流分離器分離性能評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（6）：105-110.

近年來(lái)，隨著深海油氣田工程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，人們對(duì)深水水下氣液旋流分離器的要求越來(lái)越高［1-4］，尤其是對(duì)像天然氣-凝析液等高速霧狀流中的液滴進(jìn)行旋流分離。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣液旋流分離器的分離性能進(jìn)行了諸多研究，但由于缺乏先進(jìn)的測(cè)試手段，目前分離器分離性能的優(yōu)劣多以氣相含液率、液相含氣率和壓降損失等特征參數(shù)的高低為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判［5-6］。此外，部分學(xué)者借助數(shù)值計(jì)算等手段來(lái)模擬分離器內(nèi)部的氣相流場(chǎng)、速度-濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)［7-9］、渦核邊界以及零軸速包絡(luò)面［10-11］，并以此來(lái)評(píng)判分離性能的優(yōu)劣。但由于液滴在高速流場(chǎng)中的不穩(wěn)定性，無(wú)論是利用宏觀測(cè)試方法還是計(jì)算機(jī)模擬研究，都不能全面地判斷其性能的高低，而且數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果也并不讓人完全信服。筆者基于粒徑測(cè)量的分離器性能評(píng)價(jià)方法，利用水下氣液旋流分離器試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)激光粒度儀等設(shè)備在線測(cè)試液滴粒徑分布和特征粒徑的變化，并以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)推斷液滴在分離器中的破碎和聚并行為，進(jìn)而評(píng)判氣液旋流分離器的分離性能。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與操作參數(shù)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)為筆者所在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)發(fā)明的水下氣液旋流分離器分離性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由供風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)料霧化系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等4部分組成（圖1），主要用于進(jìn)行除霧旋流分離器性能測(cè)試試驗(yàn)，并完成分離器的流動(dòng)分離機(jī)理分析、性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該系統(tǒng)氣相介質(zhì)為壓縮空氣，液相試驗(yàn)介質(zhì)選擇低黏白油［12］而沒(méi)有選擇蒸餾水，這是因?yàn)閷?duì)于以液滴形式存在的情形，水滴比油滴有更大的比表面積、蒸發(fā)能力更強(qiáng)。液相和氣相通過(guò)內(nèi)混式雙流體噴嘴混合霧化進(jìn)入主管路，在主管路中充分混合后進(jìn)入氣液旋流分離器，分離后的液體回收重復(fù)使用，氣體直接排入大氣。

試驗(yàn)中利用在線激光粒度儀分別在分離器入口和出口（圖1中A-A′截面和B-B′截面）處對(duì)液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量，為使試驗(yàn)中粒徑測(cè)量更加準(zhǔn)確，分離器入口和出口含液體積分?jǐn)?shù)范圍取200～1 100 mg／L。白油的物性參數(shù)如下：20℃時(shí)密度為805 kg／m3，運(yùn)動(dòng)黏度為1.9 mm2／s，表面張力為26.2 m N／m。

圖1 水下氣液旋流分離器分離性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Separation performance test system of gas／liquid cyclone separator

1.2 操作參數(shù)

為研究和應(yīng)用方便，人們提出了多種液滴特征粒徑的定義方法［13］，其中工程上常用比表面積平均粒徑d32、體積平均粒徑d43和中值粒徑d50與其對(duì)應(yīng)偏差σ來(lái)描述液滴的粒徑變化，計(jì)算方法見(jiàn)式（1）～（3），試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中采用對(duì)數(shù)正態(tài)體積累積概率分布對(duì)液滴群粒徑進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

式（1）～（3）中：di為顆粒直徑，μm；d為平均直徑，μm；σ為粒徑標(biāo)準(zhǔn)差，μm。

試驗(yàn)中可改變的入口操作參數(shù)主要是入口液滴粒徑和入口氣速，這些參數(shù)改變時(shí)其他操作參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。為使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)中忽略了其他入口變量的影響。劉麗艷 等［14］發(fā)現(xiàn)，雙流體噴嘴的氣量和液量的比率Qg／Ql一定時(shí)，其液滴群的平均粒徑保持不變，因此試驗(yàn)時(shí)可通過(guò)改變雙流體噴嘴中的氣液流量比率來(lái)改變?nèi)肟谝旱瘟降拇笮?。水下分離器不同主管路氣速下入口液滴粒徑如圖2所示，可以看出，氣液量比率不變時(shí)3種不同入口氣速下制備的入口液滴群粒徑大小幾乎沒(méi)有變化。

水下氣液旋流分離器入口含液體積分?jǐn)?shù)可通過(guò)雙流體噴嘴的液量和主管路中的氣量比率變化來(lái)改變，而雙流體噴嘴霧化時(shí)所需的氣量與主管路總氣量相比則可以忽略不計(jì)，試驗(yàn)中可不考慮其對(duì)入口含液體積分?jǐn)?shù)的影響。表1為試驗(yàn)中相同含液體積分?jǐn)?shù)下的3種不同入口液滴粒徑。

圖2 水下氣液旋流分離器在不同主管路氣速下的入口液滴粒徑Fig.2 The size of inlet droplets under different velocity of gas in gas／liquid cyclone separator

表1 水下氣液旋流分離器在相同含液體積分?jǐn)?shù)下的3種不同入口液滴粒徑Table 1 The three different inlet droplets under same volume concentration of gas／liquid cyclone separator μm

2 評(píng)價(jià)方法

在線激光粒度儀測(cè)得的粒徑數(shù)據(jù)可采用概率密度函數(shù)來(lái)描述［14］。試驗(yàn)中對(duì)進(jìn)入氣液旋流分離器入口的液滴群進(jìn)行測(cè)試，分別通過(guò)正態(tài)曲線和對(duì)數(shù)正態(tài)曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明對(duì)數(shù)正態(tài)分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，液滴中徑附近擬合誤差最?。▓D3），因此試驗(yàn)采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、對(duì)比和分析。

圖3 水下氣液旋流分離器試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合Fig.3 The fit of experimental data of gas／liquid cyclone separator

圖4為試驗(yàn)測(cè)得的水下氣液旋流分離器雙流體噴嘴氣液比率不變、入口氣速為3 m／s時(shí)，分離器入口和出口液滴群粒徑的對(duì)數(shù)正態(tài)概率分布曲線和體積累積分布曲線。根據(jù)累積分布曲線找到累積概率密度達(dá)到0.5和0.999 9時(shí)的液滴粒徑d50、dmax，通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得到d32、d43、d50和dmax（表2）。由圖4可以看出，與入口相比，出口液滴群粒徑的對(duì)數(shù)正態(tài)概率分布曲線和體積累積概率分布曲線整體向左偏移，且粒徑越大，分布曲線的偏移量越大。由表2可知，氣液旋流分離器充分發(fā)揮了分離作用，其出口液滴中值粒徑和比表面積平均粒徑是入口的1／3，而出口體積平均粒徑和最大粒徑比入口小了更多。由此可見(jiàn)，采用粒徑測(cè)量方法來(lái)評(píng)價(jià)分離器的分離性能是可行的。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 入口氣速對(duì)分離性能的影響

圖5為水下氣液旋流分離器不同主管路入口氣速對(duì)出口液滴粒徑影響的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：入口液滴粒徑相同時(shí)，分離器出口液滴粒徑隨主管路入口氣速的增大而減小；入口氣速大于4 m／s后，分離器出口液滴粒徑變化很小，體積累積概率密度分布曲線幾乎重合；而出口含液體積分?jǐn)?shù)則隨入口氣速的增大而減小。

分析認(rèn)為，當(dāng)入口氣速較低時(shí)，在水下氣液旋流分離器內(nèi)部有限的停留時(shí)間內(nèi)，很大一部分小粒徑的液滴沒(méi)有在離心力的作用下運(yùn)移至分離器筒體壁面，而是隨著徑向氣流逃逸；隨著入口氣速增大，分離器內(nèi)旋流強(qiáng)度增強(qiáng)，旋流分離液滴的能力也增強(qiáng)，出口液滴粒徑會(huì)隨之減小；隨著入口氣速進(jìn)一步增大，旋流強(qiáng)度繼續(xù)增大，分離器徑向流速增加，旋流場(chǎng)的湍流脈動(dòng)也增加，液滴破碎造成二次攜帶的概率增大，這時(shí)單純?cè)黾臃蛛x器的入口氣速并不能使出口液滴群粒徑減小，這與以往通過(guò)測(cè)試分離器總分離效率時(shí)氣速對(duì)分離性能的影響結(jié)果基本相同。而當(dāng)分離器的出口液滴數(shù)量相同時(shí)，隨著入口氣速增大，分離器出口含液體積分?jǐn)?shù)減小。因此，分離器出口液滴粒徑和出口含液體積分?jǐn)?shù)是判斷分離器性能的重要參數(shù)。

圖5 水下氣液旋流分離器不同入口氣速對(duì)出口粒徑的影響Fig.5 The influence of different inlet gas velocity on outlet droplets'size of gas／liquid cyclone separator

3.2 入口液滴粒徑對(duì)分離性能的影響

圖6為水下氣液旋流分離器在相同入口氣速（4 m／s）下不同入口液滴粒徑對(duì)出口液滴粒徑影響的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：入口液滴粒徑的大小對(duì)出口液滴粒徑的影響并不明顯，體積累積概率分布曲線基本重合，d50、d32和d43也都基本相同；而分離器出口含液體積分?jǐn)?shù)卻隨入口液滴粒徑的增大而減小，即小粒徑的液滴總量在減小。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)分離器內(nèi)部的旋流分離，液滴群中較大粒徑的液滴容易分離，而較小粒徑的液滴依然會(huì)從分離器中逃逸。積平均粒徑d32和體積平均粒徑d43均可評(píng)價(jià)氣液旋流分離器的分離性能。

2）入口氣速會(huì)影響分離器出口液滴粒徑的大小和含液體積分?jǐn)?shù)，隨著入口氣速的增大，出口液滴粒徑逐漸減小至穩(wěn)定不變，出口含液體積分?jǐn)?shù)則線性減小。入口液滴粒徑對(duì)分離器出口液滴的粒徑大小影響不大，出口液滴粒徑相同時(shí)可通過(guò)對(duì)比出口含液體積分?jǐn)?shù)的高低判斷分離器分離性能的優(yōu)劣。

圖6 水下氣液旋流分離器不同入口粒徑對(duì)出口粒徑的影響Fig.6 The influence of different inlet droplets'size on outlet droplets'size of gas／liquid cyclone separator

然而，通過(guò)稱重法測(cè)試的分離器總分離效率隨入口液滴粒徑的增大而增大［15］，與本試驗(yàn)結(jié)果中出口液滴粒徑不隨入口液滴粒徑的增大而變化不符合。分析認(rèn)為，由于總分離效率是指從分離器收集的液體質(zhì)量與進(jìn)入分離器的液體總質(zhì)量之比，盡管出口液滴粒徑并未發(fā)生改變，但隨著入口液滴群粒徑的增大，大的液滴被旋流分離，進(jìn)而造成總分離效率增大的假象；而且，出口含液體積分?jǐn)?shù)的降低也說(shuō)明出口小液滴總量在減少，使得總分離效率增大。因此，出口液滴粒徑由決定分離器內(nèi)部旋流強(qiáng)度的入口氣速控制，在入口氣速（旋流強(qiáng)度）一定的情況下，分離器所能分離的出口液滴粒徑是一定的，與入口液滴群粒徑的大小無(wú)關(guān)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)測(cè)量分離器進(jìn)出口粒徑可對(duì)氣液旋流分離器的分離性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分離器進(jìn)出口液滴粒徑符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。液滴的中值粒徑d50、比表面

［1］ERDAL F M，SHIRAZI S A.Effect of inlet configuration on flow behavior in a cylindrical cyclone separator［C］／／ASME 2002 Engineering Technology Conference on Energy，2002：521-529.

［2］金向紅，金有海，王建軍，等.氣-液旋流分離技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展［J］.化工機(jī)械，2007，34（6）：351-355，357.Jin Xianghong，Jin Youhai，Wang Jianjun，et al.Research progress of the application of the gas-liquid cyclone separation technology［J］.Chemical Engineering ＆ Machinery，2007，34（6）：351-355，357.

［3］薄啟煒，張琪，林博，等.螺旋式井下油氣分離器設(shè)計(jì)與分析［J］.石油機(jī)械，2003，31（1）：8-10.Bo Qihui，Zhang Qi，Lin Bo，et al.The design and analysis of oil-gas spiral separator［J］.China Petroleum Machinery，2003，31（1）：8-10.

［4］靜玉曉.軸流導(dǎo)葉式旋流分離器的研制［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010.Jing Yuxiao.Development of axial flow vane-guide cyclone separator［D］.Qingdao：China University of Petroleum，2010.

［5］趙立新，宋民航，蔣明虎，等.柱狀氣液分離器長(zhǎng)徑比優(yōu)選及實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工機(jī)械，2013，40（1）：30-33，115.Zhao Lixin，Song Minhang，Jiang Minghu，et al.Cylindrical cyclone length-diameter ratio［J］.Chemical Engineering ＆Machinery，2013，40（1）：30-33，115.

［6］周云龍，倪志勇.柱狀分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工機(jī)械，2014，41（5）：557-561.Zhou Yunlong，Ni Zhiyong.Structure improvement and experimental study of cylindrical gas liquid cyclone［J］.Chemical Engineering ＆ Machinery，2014，41（5）：557-561.

［7］金向紅，金有海，王建軍，等.軸流式氣液旋流分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究［J］.高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，23（5）：748-755.Jin Xianghong，Jin Youhai，Wang Jianjun，et al.Numerical simulation of gas-phase flow field in an axial flow type gas-liquid cyclone separator［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2009，23（5）：748-755.

［8］劉道田.旋流器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的理論分析［J］.化工裝備技術(shù)，2010，30（6）：15-17，22.Liu Daotian.The gas-liquid flow theoretical analysis in separator［J］.Chemical Equipment Technology，2010，30（6）：15-17，22.

［9］陳建磊，何利民，羅小明，等.旋流分離器流場(chǎng)模擬研究方法優(yōu)化選擇［J］.過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2013，13（5）：721-727.Chen Jianlei，He Limin，Luo Xiaoming，et al.Optimal selection of numerical simulation methods for flow field in cyclone separator［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2013，13（5）：721-727.

［10］陳建磊，何利民，羅小明，等.柱狀旋流分離器零軸速面分布特性模擬分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2013，64（9）：3241-3249.Chen Jianlei，He Limin，Luo Xiaoming，et al.Simulation of zero axial velocity surface distribution in cylindrical cyclone separator［J］.CIESC Journal，2013，64（9）：3241-3249.

［11］陳建磊，何利民，羅小明，等.柱狀旋流分離器旋轉(zhuǎn)渦核邊界分布特性［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，37（4）：145-150.Chen Jianlei，He Limin，Luo Xiaoming，et al.Rotating vortex core boundary distribution behavior in cylindrical cyclone separator［J］.Journal of China University of Petroleum：Edition of Natural Science，2013，37（4）：145-150.

［12］金向紅，金有海，王建軍，等.氣液旋流器的分離性能［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，33（5）：124-129.Jin Xianghong，Jin Youhai，Wang Jianjun，et al.Separation performance of gas-liquid cyclone separator［J］.Journal of China University of Petroleum：Edition of Natural Science，2009，33（5）：124-129.

［13］ANGELI P，HEWITT G F.Drop size distributions in horizontal oil-water dispersed flows［J］.Chemical Engineering Science，2000，55（16）：3133-3143.

［14］劉麗艷，楊靜，孔慶森，等.空氣霧化噴嘴的液滴霧化性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2013，30（3）：60-65.Liu Liyan，Yang Jing，Kong Qingsen，et al.Experimental investigation on particle atomization performance of air atmizing nozzle［J］.Chemical Industry and Engineering，2013，30（3）：60-65.

［15］陳建磊.柱狀二次旋流氣液分離器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2013.Chen Jianlei.Numerieal simulation and experimental study of cylindrical twice cyclone gas-liquid separator［D］.Qingdao：China University of Petroleum，2013.