旋流分离器用于天然气脱水的数值模拟研究 - 副本

[1] 郑华辉.旋流分离器在石油化工中的应用[J].装备制造技术， 2008(12). [2] 金向红，金有海，王建军，王正方.气液旋流分离技术的研究[J].新技术新工 艺，2007(8). [3] 韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用[M].北京理 工大学出版社，2004(6). [4] 魏新利， 张海红， 王定标， 吴金星， 刘宏.水利旋流器流场的数值模拟研究[J]. 热科学与技术，2005(6).
3.3 液滴迹线分布 在 忽略 旋 流 剪切 应力 和 强 湍 流 应力 ， 不 考 虑 液 滴 间 的 相 互 作 用，把液滴看做是刚性小球，不考 虑 液 滴 破碎 和 聚 合 的 情况 下， 设 置直径为 0.003 的液滴，入口速度 为 30m/s，其轨迹如图 6。 由图 6 可以看出，液滴被甩向 壁 面 ， 沿壁 面 下 滑 至 分 离 器 的 底 部，大部分被分离出来，小部分液 滴随着内 部的上升 气流 螺旋 上升， 参考文献
3.1 静压力场模拟结果 气 - 液旋 流分 离器 内部 流场 （3） 分 内 旋 流 和 外 旋 流 两 部分 。 外 旋 流 ， 垂 直 于 轴 的 横 截 面 静 压分 布 如图 2 ，分布性状比较规则，基本 ∂ε 呈 现 轴对 称 性，在入 口与 溢 流管 ∂x i 的交界 空 间 内 存 在 偏差 ， 但 偏差 不大。静压由外向内递减，中心轴 线 附 近 静 压较 低 ， 在 溢 流 管 内 部 （4）
j
)

G — 平均 速 度 梯 度 引 起 的 湍 动 能 产生 项
µ 其中，
t
∂u i ∂u j (µ + µ t ) ∂ x + ∂x j i
= ρc
µ
k 2 ε ∂u i ∂x j
（2） k- 方程
∂ (ρ k ) ∂ (ρ u i k ) + ∂t ∂xi = ∂ ∂xi µ t ∂k 1 + (Pii + G ii ) − ρε µ + σ 2 k ∂xi
（1）进气口处静压较大，由外 向内沿径向递减，中心轴线附近静 压较 低 ，甚至 出现 负压 。 （2 ）气 - 液旋流器的切向速度 是多相分离的关键，它的总体变化 趋势是由外向内先增大后减小，切 向速度方向与外螺旋方向具有一致 性；在溢流口速度变大，等值线变 化明 显 ，验证 了 涡 流 的存 在 。 （3 ）由模拟结果可知，气 - 液 旋 流器流 场 由 外 旋 流 和内 旋 流 形 成，证实了 FLUENT 提供的 CFD 方 法进行气液旋流器流场数值模拟的 可行性。计算机硬件和数值模拟方 法 的发展， 可 以 从工 程应用 角 度， 改进湍流模型，使数值研究的结果 精确 的 促 进 旋流器 的 优 化。 气 - 液 旋 流 分 离 器 数 值模拟 ， 仍存在较大缺陷。模拟过程中，气 相被认 为是理想的不 可压缩 气体； 液滴是刚性的球体，它的变形和破 碎并未考虑，但实际，液滴在高速 旋 转 剪切 和 强 烈 湍 流 应力 作 用 下， 液滴破碎和聚合是不可避免的。所 以，对液滴破碎和聚合的研究，是 一个 亟 待 解 决 的 问 题。
∂u i ∂u j G = µt + ∂x ∂x i j
3
流场模拟结果分析
ε - 方程
∂ (ρε ∂t + C 1ε
) + ∂ (ρ u i ε ) =
∂xi
∂ ∂xi
µt µ + σ ε
2 1 (Pii + C 3 ε G ii ) − C 2 ε ρ ε 2 k
石油和化工设备
2009.08
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LUN WEN GUANG CHANG
都 设 置 为 压 力出 口。 表 压 默 认 为 零 ， 壁 面 假 设 为 无 滑 移 壁 面 边 界， 气体与其相对速度为零，气相设为 不可 压 缩 气体。 对气 - 液旋流分离器，在数值 模拟 过 程 中 ， 由 于气 液 比 相 对 较 大，液相非常稀疏，因此可以把内 部气相作为连续相 ，液相作为离散 相 。 离散 相 的 体 积 分 数一 般 小 于 10% ，但其质量 负荷可能 远远大于 10%， 在边界设置过程中， 模拟离散 相的质量流率等于 或大于连续相的 质 量 流 动。 数值模拟采用混合 （MIXTURE） 多相流模型及 k- ε （2 eqn）中的 RNG 湍流 模型 ，在旋 流分 离器 中， 旋流占优势，选择 Swirl Dominated Flow 模型[4]。 连续性方 程
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前言
图 1 机构图 以 深入 的 揭 示 旋 流器 内 部 流 场的 运动 规律 ，可以 检测 到试 验检 测 不到的“点 ” ，有利 于 旋 流器研 发 [2] 过程的进展 。
2
数值模型
计算采用的物理模型[3] 结构如 图 1 所示，入口边界设置为速度入 口，速率为 30m/s，溢流口和底流口
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运动部件、分离效率高和处理量大 等 一 系 列 优点 ， 广 泛 的 应用 于 石 天 然 气作 为一 种 绿 色 洁 净 能 油、化工、冶金、造纸、淀粉加工 源 ，其 开 发和 利用越来越 受 到 人 以及废水处理等行业。过去，旋流 们 的重 视 ， 天 然 气 的 净 化 处理 技 分离器的研究，主要集中在液 - 液、 术 逐渐 成为国内 外 竞 相 研究 的重 气 - 固两相分离，其应用于天然气 点和 热 点 。在天 然 气 输运 工 程 中， 净化处理，将会大幅度降低天然气 [ 1] 水合 物 的产生导致 水合 物 阻 塞管 净化投资，提高经济效益 是旋流 道 ，直 接影响 输 气 管 线的 安 全 和 分离技术用于气 - 液两相分离的一 整 个 管 路 的 正 常 运 行 ， 天 然 气脱 个新 课题 和一 项新 技术 。 旋流 分离 器 的结 构比较 简 单， 水 是 防 止 水合 物 产生的 关 键 。 针 对 目前 天 然 气脱水 技术现 状 ， 提 但 是内 部 的 流型 比 较 复 杂 。 受 实 出 了一 种 新 型 天 然 气气 液 分 离 装 验条件限 制，单纯 通 过 实验 研究 ， 费 用 高 且 周 期长 。 采 用 流体 动 力 置— 气 - 液旋 流分 离器 。 旋 流 分 离 器 是一 种 高 效 分 离 学软件 Fluent 数值模拟 方法研究 ， 装置， 具有结构简单、 设备紧凑、 无 不仅投资少，计算速度快，而且可 作者简介 尹兆娟（1982-） 女，中国石油大学（华东）石油工程油气井专业 研究生，主要从事钻井采油研究。现在胜利设计咨询有限公 司研究生工作站实习。
σk 、 σ τ —湍流普朗特数，
图 3 轴截面 出现负压。由图 2 可以看出，在同 一 截 面 处 相 同 半 径 处 的 静 压力 大 致 相 等 ， 这 说 明 轴向 压力 变化 不 大。内 旋 流 静 压 的 分 布 在 同一 截 面 的 相 同 半 径 处 也 相 同， 呈 环 状 分布，相对于外旋流，内旋流的静 压较 低 。 在 轴截 面 上， 静 压力 的 分 布 如图 3 所示，分布大致呈现轴对称 性，在外旋流中，压力分布的整体 趋势 是 在 两 侧 比 较 大，内 测比 较 小，在内 旋 流 部分 ，有负 压出现。 总 压 沿 轴向 变化 比 较 小 ， 由 于 强 制 涡 的 出现 ，总 压分 布 云 图 出现 一 定 的 摆 动。 3.2 流场速度分布研究 气 - 液 旋 流器 内 部 流 场 速 度 分布 如图 4 所示 。 气流 沿 着 圆柱壁 面 作 圆 周运
论 文 广 场
论文 广场
旋流分离器用于天然气 脱水的数值模拟研究
尹兆娟 1，2 张新军 1 倪玲英 2 刘小成 2 韩月梅 1 （1. 胜利工程设计咨询公司 山东 东营 257026） （2. 中国石油大学（华东）石油工程学院 山东 东营 257061）
要】 随着天然气工业的发展，天然气的净化处理备受关注。旋流 分离器作 为 一种 新型 的 净 化处理 装置 ，其结构简 单 、分离 效 率 高、处 理量 大 、经济 效 益好 ，成为气 - 液两相 分离 研 究 的新 课 题 和新 热点。 文中用流体动 力学软件 Fluent 对旋流分离器内部流场和液滴的 运动状 况进行了数值模拟研究，在模拟过程中，采用 k-epsilon （2eqn ）方程 来模拟 气相 旋流流动 。模拟结 果 表 明，旋流 分 离器 内部流 场 呈旋转分 布，分为 内、外两 个流 场，在不 同流动区域 ，气体 压力场、速度场分 布成 规则 变 化；液滴 的 运动 较为 复 杂 ，带有 随 机 性；总体 运动轨迹的 形状与 气相流 场的分 布趋 于 一致。 【关键词】 天然气脱水 旋流分离 流场模拟 液滴迹线 【摘
∂ρu i ∂ρ − = 0 ∂t ∂x i
I Z=575
II Z=620 图 2 横截面
III z=750
式中： t —时间，
u i —速度矢量， x i —坐标分量，
ρ —密度，
µ —分子粘性系数， P —修正压力， µ t —湍流粘性系数， c µ —经验常数，
（1）
动量 方 程
∂ρ u i ∂ (ρ u i u + ∂ xi ∂t = − ∂p ∂ + ∂ xi ∂x j
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论 文 广 场
进入排气管，还有部分液滴没有到 达底部就 管 。
4
结论
I X=0
II
Y=0
III Z=750
图 4 速度流场
图5
强度矢量图
图6
迹线图
动，切向速度逐渐减小，在溢流口 内，存在明显的低压区。在圆柱形 圆筒部分，气体流速比较稳定，涡 核在 轴线中心 。在接 近锥 体附 近， 出现 了 明 显 的 不 对 称 性 ， 涡 核 也 出现 了偏 心现 象。从轴向截 面图 ， 还可以看出，旋流在锥体底部，出 现了摆尾现象。总体而言，切向速 度大 部分 都 为 正 值 ， 很 少 存 在 二 次涡流，这有利于气 - 液分离效率 的 提 高。 图 5 为气 - 液旋流在入口处横 截 面 上 速 度 矢 量 分 布图 ， 气体 进 入旋 流器 后，沿壁 面做 旋转 运动， 在内部形成双层旋流。外部，主要 向下旋流，靠近中心处 为向上旋 流，从图中可以看出，瞬时旋流方 向相反。总体趋势，速度矢量是对 称 的， 在 溢 流 管 外 部 由 于 湍 流 的 存在 ，流向 有 所 摆 动。