柱式氣液旋流分離器設計
柱式氣液旋流分離器設計,柱式氣液,旋流分離器,設計
柱式氣液旋流分離器結構設計
柱式氣液旋流分離器設計
【摘要】 平衡鉆井技術有利于防止鉆井液漏失、能及時發(fā)現(xiàn)和保護油氣層，并能提高機械鉆速等。但是由于欠平衡裝備價格昂貴，制約著這一技術的發(fā)展。鑒于這種現(xiàn)狀，自行設計了臺應用于欠平衡鉆井的管柱式氣液旋流分離器。管柱式氣液旋流分離器是一種帶有傾斜切向入口及氣體、液體出口的垂直管。它依靠旋流離心力實現(xiàn)氣、液兩相分離，與傳統(tǒng)的重力式分離器相比，具有結構緊湊、重量輕、投資節(jié)省成本等優(yōu)點，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)容積式分離器的新型分離裝置。在氣液兩相旋流分析的基礎上，建立了預測分離性能的機理模型，該模型包括了入口分離模型、旋渦模型、氣泡及液滴軌跡模型；依據(jù)機理模型，提出了管柱式旋流分離器工藝設計技術指標和工藝步驟.設計根據(jù)管柱式旋流分離器的機理模型以及設計工況，完成了管柱式旋流分離器的結構設計、強度分析、理論校核、焊接工藝設計以及分離器內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模擬，為工程設計和理論設計提供一定的理論依據(jù)。
【關鍵詞】欠平衡鉆井技術 旋流分離器 氣 液 兩相流動 分離 機理
模型 設計
Gas-liqulid Cylindrical Cyclone
Author: Wang maohui(School of Mechanical Engineering, Yangtze University)
Tutor: Feng Jin (School of Mechanical Engineering, Yangtze University)
【Abstract】The balanced well drilling technology is advantageous in preventing loss of circulation, can promptly discover and protect hydrocarbon zone ,also can enhance the penetration rate. But the expensive under balance equipment has restricted this technology’s sdevelopment. In view of the situation,I designed a gas-liqulid cylindrical cyclone independently for the balance under drilling .The GLCC is one kind has leans the bevelling to the entrance and the gas, the liquid exportation hangs the ascending pipe. It can realize the gas-lip fluid separation depends upon the cyclone centrifugal force. compared with the traditional gravity type separator, which has the compact structure, the lighter weight, the smaller investment and so on.It’s a new disengaging equipment which replace the traditional volume type separator. On the basis of the gas-liquid two-phase cyclone analyses , has established the forecast separation performance mechanism model, this model include the entrance separation model, the whirlpool model, the air bubble and the bubble path model; Based on the mechanism model, proposed the tube column type cyclone separator technological design technical specification and the craft step.The design basis tube column type cyclone separator mechanism model as well as the design operating mode, has completed the tube column type cyclone separator structural design, the intensity analysis, the theory examination, in the welding technological design as well as the numerical simulation of the gas-liquid two phase floe in the separator simulations, provide the certain theory basis for the engineering design and the theoretical design.
【Key words】:Under balanced drilling technology ，cyclone separator, Gas-Liquid two-phase flow, separation mechanism odel ，Design
目錄
柱式氣液旋流分離器設計 1
緒論 3
欠平衡鉆井技術的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 3
1、 設計背景 7
1.1 選擇氣液旋流分離器的意義 7
1.2 氣液旋流分離器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7
2、 方案論證 9
2.1 旋流式氣液分離方案的可行性 9
2.2 旋流式分離器的結構及工作原理 9
2.3 旋流式分離器的優(yōu)缺點 10
3、結構分析及設計 10
3.1 入口設計分析 10
3.1.1入口管分析 11
3.1.2入口噴嘴分析 11
3.1.3雙入口分析 12
3.2主體結構設計分析 12
3.2.1入口位置 12
3.2.2最佳外形比 12
3.2.3旋流體錐度 12
3.3 出口管設計分析 13
4、柱式氣液旋流分離器參數(shù)設計 13
4.1 計算分離器直徑 13
4.2分離器的高度計算 14
4.2.1確定上半部分的高度 14
4.2.2計算入口分流區(qū)的高度 14
4.2.3計算旋渦區(qū)的高度 14
4.2.4氣泡軸向距離計算 14
4.3分離能力計算 16
① 徑向方向上 16
② 豎直方向上 17
4.4液面高度的確定 17
4.4.1 氣室壓力p1的確定 17
4.4.2液面高度Z2的確定 19
4.5入口管的設計計算 20
4.6筒體強度設計 22
4.6.1 設計參數(shù) 22
4.6.2 筒體厚度設計 22
4.7法蘭的校核計算 23
4.7.1排氣管法蘭校核計算 23
4.7.2排液管管法蘭校核計算 26
5、氣液兩相流場的數(shù)值模擬 29
5.1 數(shù)值計算方法簡介 29
5.1.1 控制方程 30
5.1.2湍流模型 31
5.1.3多相流模型 32
5.1.4 數(shù)值計算方法 34
5.1.5 邊界條件的處理 35
5.2 計算前處理 35
參考文獻 36
1、緒論
1.1欠平衡鉆井技術的發(fā)展現(xiàn)狀和前景
欠平衡鉆井技術就是在鉆井過程中,利用自然條件和人工手段在可以控制的條件下使鉆井流體的循環(huán)液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力,以實現(xiàn)所謂的“邊噴邊鉆”,這種鉆井工藝技術叫欠平衡鉆井。
欠平衡鉆井技術最初是從美國得克薩斯州發(fā)展起來的.80年代以來,由于研制成功了旋轉防噴器及其它欠平衡鉆井配套設備,欠平衡鉆井技術得到了大規(guī)模推廣應用,在實施過程中,工藝和設備又不斷的完善和提高,目前已經(jīng)成為一項比較成熟的技術.在加拿大,由于與普通鉆井相比,欠平衡鉆井有多方面的優(yōu)越性,加上政府的鼓勵政策,因此欠平衡鉆井技術發(fā)展很快,1992年采用欠平衡鉆井技術完成30口井,1993年達到120口,1994年和1995年分別完成230口和330口.
我國開展欠平衡鉆井的研究起步較晚,但近年來隨著塔里木油田解放128井、輪古2井、輪古2-0井、輪古2-2井、輪古4井、輪古2-1C井,大港油田板深7、板深8等井采用欠平衡鉆井技術取得良好的開發(fā)效果和勘探突破,引起了人們對這項技術的極大興趣.、中原、勝利等油田也取得了一定的經(jīng)驗.目前很多油田都把欠平衡鉆井技術作為鉆井、開發(fā)技術的一個方向.正在積極從裝備和技術上做準備工作,爭取用欠平衡鉆井技術取得好的勘探和開發(fā)效果.另外一方面,國際鉆井招標也越來越多地要求采用欠平衡鉆井技術,也將促進我國欠平衡鉆井技術的發(fā)展.
在未來鉆井技術發(fā)展中,欠平衡鉆井技術將同水平井、分枝井、連續(xù)油管鉆井等技術一樣,成為一種趨勢.美國能源部和Maurer工程公司共同發(fā)展的一項調(diào)查表明，到2005年，美國國內(nèi)采用欠平衡鉆井技術完成的鉆井數(shù)量將占到總鉆井數(shù)量的30%，而且比較樂觀的預測則是37%。隨著信息、裝備的不斷完善和市場的不斷推動，我國欠平衡鉆井的數(shù)量也將穩(wěn)步攀升。
在鉆井過程中，實現(xiàn)對油氣層的充分暴露和保護，有利于發(fā)現(xiàn)油七層和增加油井產(chǎn)量，欠平衡鉆井所具有的一些優(yōu)勢較好地適應了這種需要。同時欠平衡鉆井與常規(guī)過平衡鉆井相比，其具有的優(yōu)點優(yōu)點有：（1）可以減輕或消除鉆井液對地層的危害；（2）良好的地層顯示，有利于達到勘探目的；（3）增加了防噴能力，降低了井噴失控的風險；（4）可以大幅度地提高鉆速；（5）可以降低井漏風險，節(jié)約鉆井成本；（6）可以減少壓差卡井風險；（7）可以鉆井過程中生產(chǎn)油氣；（8）可以對地層進行較為準確的評價。
在欠平衡鉆井過程出于安全的考慮和鉆井工藝的特殊要求，除了所用的地面常規(guī)地面裝備像氮或壓縮氣供應裝置、容積小且壓力大的注液泵、液-氣混合管匯、節(jié)流管匯、鉆屑或鉆井液取樣器、化學劑注射泵、采油分離系統(tǒng)和自動燃燒氣體系統(tǒng)等，還需要一些專業(yè)設備，主要有高壓旋轉分流器-防噴器系統(tǒng)、液流導向系統(tǒng)、地面分離系統(tǒng)、隔水管帽旋轉防噴系統(tǒng)、實用隔水管裝置、模擬軟件、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是國內(nèi)欠平衡鉆井裝備開發(fā)能力還很低,只有少數(shù)廠家可以生產(chǎn)專業(yè)裝備,常規(guī)和關鍵設備幾乎全部是依靠進口.
近幾年來,欠平衡鉆井技術在國內(nèi)得到了充分的推廣,并且取得了良好的效果和顯著的經(jīng)濟效益.然而,昂貴的欠平衡裝備是制約著這項技術的障礙,欠平衡裝備配套國產(chǎn)化是國內(nèi)眾多廠家關注的焦點.液氣分離器是欠平衡裝備配套中的一大關鍵設備,其作用是將井筒內(nèi)循環(huán)出來的氣體與液體分離,從而保持正常的鉆井工作。目前國內(nèi)僅有的幾臺欠平衡裝備中的液氣分離器大都是從美國進口的,價格極其昂貴。同時考慮到目前的石油工業(yè)主要依靠常規(guī)容器式分離器來處理井口油/氣/水采出液。但經(jīng)濟性和操作壓力條件不斷要求其尋找新型高效、低成本的小型分離器,特別是在海上油田。與容器式分離器相比,諸如柱狀氣\液旋流器(GLCC)等小型分離器具有結構簡單、價格低廉、重量輕等特點,基本不需任何維護,而且易于安裝及操作。針對這一現(xiàn)狀,本設計自行設計一臺適應欠平衡鉆井施工的管柱式液氣旋流分離器。
1.2 設計背景
1.2.1 選擇氣液旋流分離器的意義
石油石化工業(yè)中，為了滿足計量，加工儲存和長距離運輸?shù)男枰仨殞⑹桶匆后w和氣體分開，這個過程一般在分離器和塔中進行，因此氣液分離器是油田和煉油廠中使用最多，最重要的壓力容器設備之一。
隨著陸地及近海油氣資源逐漸減少甚至枯竭,為滿足日益增長的能源需求,世界發(fā)達國家將油氣資源開發(fā)重點投向了深海。平臺是海上采油的主要生產(chǎn)設施。海洋平臺上的主要工藝設備有油、氣、水處理和注水供水設備等,分離器即是海上油田的油、氣、水通常采用的處理設備之一。
從進口采油樹出來的原油和天然氣都是碳氫化合物的混合物。天然氣是由分子量較小的組分所組成，在常溫常壓下呈氣態(tài)；原油分子由分子量較大的組分所組成，在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)。在油田的高溫高壓條件下，天然氣溶解在原油中。當油氣混合物從地下沿井筒向上運動到達井口續(xù)而沿出油管，集油管流動時，隨著壓力的降低，溶解在液相中的氣體不斷洗出，并隨其組成，壓力和溫度條件形成了一定比例的油氣共存混合物。并且原有和天然氣混合物中還含有其他雜質。為了滿足產(chǎn)品計量，平臺處理，儲存，外輸和使用的要求，有必要進行處理，而通過油氣分離則是必要的一個步驟
綜上所述，油氣分離在石油工業(yè)中占據(jù)了很重要的地位，然后油氣分離技術仍然處于發(fā)展中，需不斷完善。
1.2.2 氣液旋流分離器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
氣液分離器的發(fā)展大體分為三個階段，早期出現(xiàn)并大量使用的是傳統(tǒng)的容器式分離器（立式或者臥式）與凝析液捕集器。
經(jīng)過幾十年發(fā)展，該技術已經(jīng)基本成型。當前研究重點放在研制高效的內(nèi)部填料以提高其分離效率。容器式分離器主要靠重力和氣液相密度差實現(xiàn)分離。效率較低且設備體積大，笨重，投資高。
新型分離器柱狀氣液旋流分離器。Gas—LiquidCylin—dricalCyclone，簡寫GLCC。與傳統(tǒng)的容積式分離器相比，他具有結構緊湊，能耗低，質量輕，應用方便等優(yōu)點。同時可明顯降低輕烴的殘留量。拄狀氣液旋流器(GLCC)是帶有傾斜切向入口和氣體及液體出口的垂直管，切向液流由入口進入GLCC后形成的旋渦產(chǎn)生了作用于液體的離心力和浮力，其數(shù)值比重力要高出許多倍。重力、離心力和浮力聯(lián)臺作用將氣體和液體分離開。液體沿徑向被推向外側，并向下由液體出口排出；而氣體則運動到中心，并向上由氣體出口排出。這一低成本、重量輕的小型GLCC分離器在替代常規(guī)容器式分離器方面具有很大的吸引力。
對GLCC與常規(guī)容器形立式和臥式分離器在尺寸方面的差別進行對比，油和氣的流量分別為100000bb|／d和70000Msef／d，表壓力為100psi。在這種情況下，需要的GLCC的內(nèi)徑及高度尺寸分別是5ft和20ft，相當于同等規(guī)模的常規(guī)立式分離器(9ft×35ft)的一半左右，相當于常規(guī)臥式分離器(19ft×75ft)的四分之一左右。
目前的石油工業(yè)主要依靠常規(guī)容器式分離器來處理井口油／氣／水采出液。但經(jīng)濟性和操作壓力條件不斷要求其尋找新型高鼓、 低成本的小型分離器， 特別是在海上油田。 然而， 在GLCC性能預測方面存在的不足限翩了其推廣應用范圍。目前 R＆D公司正在建立必要的性能預測工具，以便對GLCC分離器進行合理地設計和操作。
目前已制造出許多GLCC產(chǎn)品，
用于相對簡單的應用當中。對GICC的應用及要求迅速增多。幾家公司正在將 GLCC加入到他們的小型分離器生產(chǎn)線上。另外，現(xiàn)在已有采用GLCC和一個二級臥式分離器的商用多相計量系統(tǒng) 。日益增長的工業(yè)需求將促進其進一步商業(yè)化。
GLCC技術對石油工業(yè)最大的沖擊可能在海洋分離方面的應用。具有切向入口的立式分離器在油田中已經(jīng)相當普遍。
目前GLCC的技術主要在下面幾方面能夠有所改進：
1、入口設計（傾斜入口，入口噴嘴設計，雙入口設計等）
2、主題結構（入口位置，最佳外形比，旋流體錐度。）
3、液面控制
4、整體分離系統(tǒng)
5、輔助系統(tǒng)改進
2、 方案論證
2.1 旋流式氣液分離方案的可行性
目前分離器的種類繁多，分類方法也很多，主要按分離介質不同可分為固液分離器、氣液分離器和液液分離器，按分離原理可分為重力式分離器、管式分離器和旋流式分離器。目前對分離器的理論和實踐研究已比較深入，對內(nèi)部流動規(guī)律也了解很多。經(jīng)過不斷的研究，在常規(guī)式分離器的基礎上，又出現(xiàn)了很多適用于各種場合的新型分離器。
旋流分離器(簡稱旋流器) 的發(fā)明、應用已有約一個半世紀了。開始,只用于選礦過程中的固液分離和固固分離2分級,后來發(fā)展到固氣分離,液氣分離等。到20世紀80年代末,這種旋流分離器被用于石油工業(yè)中的產(chǎn)出水除油,取得了滿意的效果。雖然旋流分離技術在氣液分離方面的應用要晚得多,但已顯示出了其體積小、快速、高效、連續(xù)操作等方面的優(yōu)越性。
2.2 旋流式分離器的結構及工作原理
旋流分離器，是一種利用離心沉降原理將非均相混合物中具有不同密度的相分離的機械分離設備。旋流分離器的基本構造為一個分離腔、一到兩個入口和兩個出口。分離腔主要有圓柱形、圓錐形、柱-錐形三種基本形式。入口有單入口和多入口幾種，但在實踐中，一般只有單入口和雙入口兩種。就入口與分離腔的連接形式來分，入口又有切向入口和漸開線入口兩種。出口一般為兩個，而且多為軸向出口，分布在旋流分離器的兩端?？拷M料端的 圖2-1
為溢流口，遠離進料端的為底流口。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度從入口進入旋流分離器后,在離心力場的作用下,密度大的相被甩向四周,并順著壁面向下運動,作為底流排出；密度小的相向中間遷移，并向上運動，最后作為溢流排出，分離示意圖如圖1。這樣就達到了分離的目的。旋流分離技術可用于液液分離、氣液分離、固液分離、氣固分離等。本文設計的旋流分離器用于石油鉆井中鉆井液的氣液分離。
2.3 旋流式分離器的優(yōu)缺點
在石油化工中裝置中，有各種各樣的分離器，其中以立式重力氣液分離器最為常見，這種氣液分離器具有結構簡單、操作可靠等持點。立式重力式分離器的主體為一立式圓筒體，多相流一般從該筒體中段進入，頂部為氣流出口，底部為液體出口，其結構簡圖見圖2-2。
雖然旋流式氣液分離技術在石油化工方面的應用要晚得多，但與常規(guī)的重力式分離相比較，它具有很多優(yōu)點：
① 分離效率高，由于分離原理的不同使得旋流式分離器具有很高的分離效率；
② 成本低，占用空間較小、維護費用少、能耗低、不需要任何幫助分離的介質；
③ 安裝靈活方便，旋流器可以任何角度安裝；
④ 工作連續(xù)、可靠,操作維護方便,一旦設計、調(diào)試好,就可自動、穩(wěn)定地工作。
旋流式氣液分離器有以上優(yōu)點，但也有如下缺點:
① 由于旋流器內(nèi)流體的流動產(chǎn)生一定的剪切作用，如果參數(shù)設計不當，容易將液滴(油滴或水滴) 打碎乳化而惡化分離過程；
② 通用性較差。不同的分離要求、不同的處理物料的性質往往需要不同結構尺寸或操作條件的旋流器，因此旋流器往往不能互換使用。在欠平衡鉆井中，使用旋流式氣液分離器分離鉆井液中的氣體，能充分發(fā)揮該離器優(yōu)點，同時又能有效的避免它的缺點。因此，旋流式氣液分離用于分離鉆中的氣體具有廣闊前景。
3、結構分析及設計
3.1 入口設計分析
由于管柱式旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣液的高效分離,而入口結構決定了分離器的氣液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口結構和尺寸是影響管柱式旋流分離器實現(xiàn)氣液分離的關鍵因素。管柱式旋流分離器入口主要由入口管、噴嘴和入口槽3部分組成。
3.1.1入口管分析
氣液相流速的不同,油氣兩相或油氣水多相流在入口管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。實驗研究表明,采用向下傾斜的入口管,保證入口管流型呈現(xiàn)分層流將在很大程度上改善氣液分離效果,擴展管柱式旋流分離器的適用范圍。而傳統(tǒng)分離器采用的入口結構通常為垂直于筒體的結構(目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結構),采用垂直結構的管柱式旋流分離器實驗證明,與傾斜向下的入口結構相比,氣液分離效果明顯變差,工作范圍大約減小一半。入口管向下傾斜,在重力作用下有利于形成分層流,實現(xiàn)氣液兩相的初步分離,同時,向下的傾斜結構使經(jīng)過初步分離的液相在入口下方旋轉一圈后形成旋流場,避免了對氣相向分離器上方運動的阻塞。故入口管采用傾斜入口.
入口管傾角以-27°為宜,管長取1.0～1.5ｍ,入口管直徑的選取應保證流型為分層流,由Taitel和Dukler預測模型確定,分層流轉變?yōu)殚g歇流或環(huán)狀流的判別準則為: （3.1.1）
式中：
式中D為入口管直徑,Ａ是它的橫截面積,h是無量綱液位高。迭代求解準則方程,D和h作為迭代參量,直至準則方程左端小于1,din即為滿足分層流條件最小入口管直徑。
3.1.2入口噴嘴分析
噴嘴是入口段最后一個影響進入分離器氣液相流速分布和入口切向流速大小的因素。通過對3種不同入口開槽結構(矩形、同心圓形及新月形)的初步實驗發(fā)現(xiàn),同心圓形噴嘴(縮口管)結構的分離特性最差,而矩形結構噴嘴的分離效果最佳,新月形結構噴嘴的分離效果與矩形噴嘴接近,由于矩形槽結構加工困難,推薦采用新月形結構。
入口噴嘴面積的選取應保證入口液相流速在4.5-6ｍ/ｓ之間。液相流速過小將難以發(fā)揮旋流離心分離的作用,但液相流速過大將形成過高的漩渦區(qū),在筒體中過早出現(xiàn)氣相夾帶液滴和液相夾帶氣泡現(xiàn)象,影響分離效果。
3.1.3雙入口分析
雙傾斜入口將入口流預分為兩股流動：低入口的富液流和高入口的富氣流。雙入口的試驗表明中等大小的氣體流量（在入口處段塞流轉為分層流）下，氣體帶液率有明顯降低，當氣體流量較高時（在入口處為環(huán)空流），無多大變化。
3.2主體結構設計分析
3.2.1入口位置
對于沒有液位控制的GLCC,將入口段定位于靠近液面的上方是至關重要的。最新的許多試驗都表明,單入口GLCC的最佳液面大約在距離入口下方1～3L/d處。過低的液面,如距離入口處遠大于3L/d,會導致切向入口速度的過度衰減,影響GLCC的性能。如果液面高于入口,氣體會通過液體而溢出,造成更多液體的攜帶。
3.2.2最佳外形比
外形比是指GLCC的長徑比。GLCC的尺寸影響其性能及造價。對于一個給定的直徑,GLCC中入口上方的長度提供了液流擾動的容量,而入口下方的長度則決定了用于從液體中分離氣泡的存留時間。另外,離心力和浮力的大小與直徑成反比,切向速度衰減與長度成正比。由于這一現(xiàn)象的復雜性,最近才剛剛提出了一套決定最佳外形比的基本標準。
3.2.3旋流體錐度
針對反錐型、正錐型和圓柱型旋流體進行的研究表明,對于氣/液分離,圓柱型旋流體要稍優(yōu)于反錐型和正錐型結構。
3.3 出口管設計分析
氣液相出口管線的配置可根據(jù)氣液相流量、配置儀表的要求確定。建議氣相出口流速取3～30ｍ/ｓ,液相出口流速取1.2～12ｍ/ｓ。容器內(nèi)平衡液位應低于入口0 .3ｍ,分離氣液相的匯合點一般低于入口點0.3~0.5ｍ,以保持正的靜水壓頭。若分離器配置控制系統(tǒng),匯合點位置可以高于入口。
4、柱式氣液旋流分離器參數(shù)設計
4.1 計算分離器直徑
考慮分離器上部的氣相分離部分,分離器直徑的選取應避免氣相中夾帶液滴,以氣相折算速度表示,即氣相折算速度不能大于氣流中出現(xiàn)液滴時的臨界速度。氣相臨界速度是:
（4.1.1）
式中We是無因次Weber數(shù),它決定于液滴的尺寸,這里取值7。
對于分離器入口以下的液相分離部分,應充分發(fā)揮離心分離特性,避免液相中夾帶氣泡。研究表明,保持液相入口切向流速和液相流速的比為40時,旋流分離效果最佳。通常切向流速一般取6ｍ/ｓ,顯然臨界液相流速=0.15ｍ/ｓ。對于高氣油比的分離工況,分離器直徑： （4.1.2）
對于低氣油比的分離工況,分離器直徑： （4.1.3）
式中和分別是分離工況下氣體流量和液體流量。
根據(jù)入口噴嘴分析,取液相入口切向速度為:=6m/s
由上分析知當/=40時, 旋流分離效果最佳,故液相流速:=0.15m/s
已知:日處理液量:900 m3/d=0.0104m3/s, 日處理氣量:90m3/d=0.00104 m3/s,又知本設計工況是低氣油比工況,故由公式（30）得
分離器的直徑： =2(m)
經(jīng)圓整后取 d=300mm
4.2分離器的高度計算
4.2.1確定上半部分的高度
以入口為界分離器分為上下兩個部分。經(jīng)過旋流離心分離,部分液體可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式隨氣流向上運動產(chǎn)生氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。上半部分的高度應足夠高,甚至在極端流型—段塞流工況下能夠吸收液相流量的波動,避免氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。參考傳統(tǒng)立式分離器的沉降分離段的處理方法,結合現(xiàn)場應用經(jīng)驗,管柱式旋流分離器的上半部分高度一般取1～1.5ｍ,根據(jù)要求分離器的日處理量,設計半部分的高度為：h=1.00m.
4.2.2計算入口分流區(qū)的高度
因經(jīng)初步分離的液體在入口下方旋轉一周后才形成旋流，在這個過程中形成入口分流區(qū)。在入口分流區(qū)內(nèi)流體作螺旋運動，所需的時間t為：
t=
入口分流區(qū)高度為： h=
4.2.3計算旋渦區(qū)的高度
已知
得出旋渦區(qū)高度： =
=
4.2.4氣泡軸向距離計算
下部液相空間的高度選取,應保證液相在分離器內(nèi)有足夠的停留時間使氣泡得以分出進入上部氣相空間。根據(jù)實踐經(jīng)驗,當筒體直徑小于1英寸時,液相空間高度取1～1.5ｍ。對于大直徑的旋流分離器,根據(jù)建立的氣泡軌跡模型,求解氣泡(氣泡直徑取500μｍ)自器壁進入中心氣核實現(xiàn)分離在軸向上穿過的距離,顯然液相空間的高度應不小于。因為分離器的設計直徑是300 mm,故應根據(jù)建立的氣泡軌跡模型,求解下部液相空間的高度.
氣泡在GLCC內(nèi)穿過的整個軸向距離計算公式:
已知 ,
由公式（20）得氣泡軸向滑脫速度:
氣泡徑向速度分布: （4.2.1）
式中混合物的密度分布： （4.2.2）
液相切向速度分布： （4.2.3）
式中為切向入口速度,m和n是指數(shù),取0.9，是氣泡的直徑。
根據(jù)Turton和Levenspie建議阻力系數(shù)為 :
（4.2.4）
雷諾數(shù): （4.2.5）
因為與r之間存在嵌套關系，通過與r的關系式不能直接得出兩者之間的關系，所以采用試算法確定兩者間的關系?；舅悸肥牵菏紫仁窃谝粋€確定的r上給定一給徑向速度v1，計算出相應的 ,，Re(r),v2,然后比較，來確定對應點上氣泡的徑向速由方程組： （4.2.6）
（4.2.7）
即 （39）
（4.2.8）
把已知代入方程組得：
0.086625a+0.825b=0.284776 (4.2.9)
0.825a+10b=12.165652 (4.2.10)
解方程組得：a=15.24,b=.3.13 k=0.0007
(4.2.11)
氣泡在GLCC內(nèi)穿過的整個軸向距離:
GLCC各部分計算高度總結如下表：
液滴區(qū)（m ）
入口分流區(qū)(m)
旋渦區(qū)(m)
氣泡區(qū)(m)
總高(m)
1.00
0.12
0.46
1.51
3.09
4.3分離能力計算
① 徑向方向上
旋流中氣泡受力如圖5-3示，由受力可知，
圖5-3
相對運動微方程：
(4.3.11)
式中：為氣泡質量，為相對滑移速度，為氣泡直徑，為半徑r處的旋流速度。假設旋流為強迫旋渦，即。則上式可寫為： (48)
解得： (為常數(shù)) (4.3.12)
初始條件：時，
(4.3.13)
設為時間常數(shù)，，式中第一項，故趨于終端沉降速度：
又，故 （t=0時，）
若不考慮旋轉時的能量損失，則 （為切向入口速度）
， 解得：
一般地，當時，近似認為氣泡已遷移到中心，對應的時間為最小駐留時間 ①
一般氣泡從邊壁到中心的平均移動速度 ，即 ②
分離器的處理量為Q，則分離器內(nèi)液體占據(jù)的最小體積
③
式中V為旋流器的容積。
② 豎直方向上
計算在最小駐留時間內(nèi)混合體運動的距離時，可忽略氣泡與液體的相對滑移，認為氣泡隨液體一起在重力的作用下向下運動，可得在內(nèi)，氣泡下降的距離：
④
即旋流器的最小長度為。
設計參數(shù)：
由以上參數(shù)和式①②③④計算可得：
旋流器的半徑。當分離器的設計直徑時，相應地，
4.4液面高度的確定
4.4.1 氣室壓力p1的確定
在管中流動的氣體由于溫度和壓力沿管長變化,其流速和密度也會有顯著的變化.根據(jù)流體力學理論穩(wěn)態(tài)流動的能量方程有:
+ +d=0 (4.4.1)
通用氣體定律給出:
pV=RT或= (4.4.2)
設計參數(shù)所對應的壓力為p、溫度T、體積V,那么:
=
將上式帶入(2),得
pV=T
故管內(nèi)流速等于
= (4.4.3)
將式(3)和式(2)代入式(1),有
pdp – ()dp + ()Td=0
假設流動為等溫的,積分上式得:
p1. 2()ln()=p+() (4.4.4)
根據(jù)Weymouth提出的公式計算,即
= (4.4.5)
上列各式中:
---------------------------------液體密度
---------------------------------氣室內(nèi)絕對壓力
----------------------------------排氣管出口絕對壓力
----------------------------------排氣管內(nèi)徑
-----------------------------------排氣管長度
M--------------------------摩爾質量
m--------------------------氣體質量
R--------------------------氣體常數(shù)
T--------------------------華氏溫度
------------------------------------出氣管路沿程阻力系數(shù)
設排氣管的直徑DG=20mm,此時，則
=
已知日處理氣量為:90m/d=0.00104 m/s，，，M=29，，R=8.315代入（55）式得
計算得： p=1.132
4.4.2液面高度Z2的確定
為了保證液體正常從液體出口排出,必須提供一定的液柱高度Z1和氣室壓力p1,以補償輸送液體消耗的能,要求液柱高度Z1>0.選擇第一斷面為分離器內(nèi)液面,第二斷面為液體出口處,建立兩斷面的能量平衡關系如下:
+Z1+=+Z2+(1++) （4.4.6）
式中：
p-----2斷面壓力 Z1-----1斷面處液柱高度
Z2-----2斷面處液柱高度 -----1斷面處液體流速
-----2斷面處液體流速 D-----排液管內(nèi)徑
L-----排液管長度 -----出液管路沿程阻力系數(shù)
由（4-4-6）式變形得：Z1-Z2= +(1++) - （4.4.7）
（1） 當DL=40mm時，
R
代入（4.4.7）式得，顯然不滿足條件。
（2） 當DL=80mm時，
R
代入（4.4.7）式得，為了保證液體的順利排除必須保持一定的壓頭，同時排液管排出的液體相當于自由流，因此要盡可能的使Z1-Z2，故所取DL過大。
（3） 當DL=65時，
R
代入（4.4.7）式得 ，
（4） 當DL=50mm時，
R
代入（4.4.7）式得，由因實際的工況，如果選擇此方案要求的高度太高。
故綜上所述，當DL=65mm時比較合理的。
故取Z1=1 .9m,Z2=1.00m
4.5入口管的設計計算
1.入口管傾角取-27°,管長取1ｍ,入口直徑的選取是為了保證入口管內(nèi)呈現(xiàn)分層流,入口管直徑根據(jù)Taitel&Duker模型確定。
由分流層轉變?yōu)閿嗬m(xù)流或環(huán)狀流的判別式: （4.5.1）
式中：
式中D為入口管直徑，為管內(nèi)橫截面上液面離管底的高度，A為管內(nèi)氣相所占的橫截面積。D和作為迭代量，直至準則方程左端小于1，D即為滿足分層流條件最小入口直徑。
對判別式變形得: （4.5.2）
已知
代入上式得: （4.5.3）
可求得：D=40mm
1. 入口槽選型,根據(jù)分離器工藝設計分析入口槽選用新月形,同時入口噴嘴的截面積的確定保證入口液相流速為6 m/s.
2. 綜合考慮本設計分離器的結構，最后確定為單進口。
經(jīng)過設計的GLCC工藝尺寸參數(shù)如下表
分離工況
GLCC尺寸
入口管
GLCC回路
（m3/s）
（m3/s）
氣液比
工作壓力（ＭPa）
直徑
（mm）
上部高度（mm）
下部高度（mm）
直徑
（mm）
排液管直徑（mm ）
排氣管直徑（mm）
0.0104
0.00104
1:10
0.8
300
1000
2.3
40
65
20
4.6筒體強度設計
4.6.1 設計參數(shù)
設計壓力（MPa）
最大工作壓力
（MPa）
工作溫度
容器尺寸(mm)
工作介質
0.8
1.2
常溫
（立式）
有毒、易燃
4.6.2 筒體厚度設計
單層圓筒厚度計算公式：
式中 計算厚度，mm 設計直徑
焊接接頭系數(shù) 計算壓力，MPa
設計溫度下許用應力
由各項參數(shù)查閱表格可得出筒體材料采用16MnR（鍋爐壓力容器常用鋼材，熱軋或正火。屬低合金鋼，含Mn量較低。）
在設計溫度下16MnR.的許用應力，當厚度為6-16mm時，[]=170MPa,當厚度為16-36時，=163MPa
設計壓力：
假設計算厚度為6-16mm,許用應力[]=170MPa，則
=
設計厚度：
但是對低合金鋼制容器，規(guī)定不包括腐蝕余量的最小厚度不小于3mm,若加上2mm的腐蝕余量名義厚度至少取5mm.又根據(jù)鋼材的規(guī)格取名義厚度
4.7法蘭的校核計算
4.7.1排氣管法蘭校核計算
1.法蘭型式及密封面選擇
考慮到設計壓力較高，介質不允許泄漏，擬選用平焊法蘭，凸凹密封面。
法蘭材料：16Mn(鍛件)，
墊片材料：石棉橡膠板，s=3mm,y=11MPa,m=2.00
初擬法蘭的尺寸如下所示
D D=100 D=70 D=50
H=10 R=9
墊片尺寸：
墊片寬度：N=
墊片基本密封寬度：
墊片有效密封寬度：
故墊片的計算寬度：
2.螺栓的計算
螺栓選用的材料是35號鋼，
預緊時螺栓載荷：
操作時螺栓載荷：
擬采用螺栓4個 ，則
，
根據(jù)螺紋標準以及管道法蘭螺栓的最小直徑，取螺紋根徑，相當于M10的螺栓。
實際螺栓總面積：
螺栓平均間距：s=
根據(jù)文獻[28]查表5-10，對于M12-的螺栓，最小螺栓間距為
允許最大螺栓間距：
故，即所選螺柱直徑符合安裝和密封要求
3.法蘭強度計算
預緊時螺柱載荷：W=
M=.m
操作時
墊片載荷：、
壓力載荷：
介質靜壓軸向載荷：
作用在法蘭端面上的總力矩：
法蘭應力及度校核
法蘭形狀系數(shù)：
根據(jù)文獻[28]查表（5-28），（5-29），（5-30），（5-31）得：
f=1.00 F=0.852 V=0.348 T=1.00 U=1.9 Y=1.8 Z=1.32
于是
軸向應力：=0.053MPa
徑向應力：
周向應力：MPa
擬定法蘭尺寸及選材合適，可安全使用
因為管道法蘭的內(nèi)徑符合工稱直徑系列，應選用標準管道法蘭。根據(jù)參考文獻[24]管道法蘭標準選用公稱壓力為1.6MPa帶頸平焊法蘭，材料：16Mn,常溫下允許的工作壓力為1.6MPa.管道法蘭標記：管法蘭MFM1.6-22 SH3406-92.
4.7.2排液管管法蘭校核計算
考慮到設計壓力較高，介質不允許泄漏，擬選用平焊法蘭，凸凹密封面。
法蘭材料：16Mn(鍛件)，
墊片材料：石棉橡膠板，s=3mm,y=11MPa,m=2.00
初擬法蘭的尺寸如下所示
D D=150 D=150 D=80
H=10 R=17.5
墊片尺寸：
墊片寬度：N=
墊片基本密封寬度：
墊片有效密封寬度：
故墊片的計算寬度：
2.螺栓的計算
螺栓選用的材料是35號鋼，
預緊時螺栓載荷：
操作時螺栓載荷：
擬采用螺栓4個 ，則
，
根據(jù)螺紋標準以及管道法蘭螺栓的最小直徑，取螺紋根徑，相當于M16的螺栓。
實際螺栓總面積：
螺栓平均間距：s=
根據(jù)文獻[28]查表5-10，對于M16的螺栓，最小螺栓間距為
允許最大螺栓間距：
故，即所選螺柱直徑符合安裝和密封要求
3.管道法蘭強度計算
預緊時螺柱載荷：W=
M=. m
操作時
墊片載荷：、
壓力載荷：
介質靜壓軸向載荷：
作用在法蘭端面上的總力矩：
法蘭應力及度校核
法蘭形狀系數(shù)：
根據(jù)文獻[28]查表（5-28），（5-29），（5-30），（5-31）得：
f=1.00 F=0.84 V=0.32 T=1.32 U=2.5 Y=2.32 Z=1.40
于是
軸向應力：
徑向應力：
周向應力：MPa
擬定法蘭尺寸及選材合適，可安全使用
因為管道法蘭的內(nèi)徑符合工稱直徑系列，應選用標準管道法蘭。根據(jù)參考文獻[24]管道法蘭標準選用公稱壓力為1.6MPa帶頸平焊法蘭，材料：16Mn,常溫下允許的工作壓力為1.6MPa.管道法蘭標記：管法蘭MFM1.6-49.5 SH3406-92.
7.1筒體及筒體與封頭焊接結構設計
1.筒體與筒體以及筒體與封頭焊縫焊接接頭型式和尺寸選用UG24(HG20583-1998).
2.根據(jù)GB/T14957-947選用焊絲的牌號H10Mn;根據(jù)GB12470-70選用焊劑的牌號HJ431型號HJ401-H08A.
3.焊接采用埋弧焊,對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB3325-87中的Ⅱ級為合格.
7.2接管與筒體焊接結構設計
1. 筒體與接管的焊接接頭型式和尺寸選用G2 GB20583-1998,其示結構如圖2所示.
2. 根據(jù)GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J502，型號E5003。
3. 焊接采用手工電弧焊,對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB3325-87中的Ⅱ級為合格.
7.3帶頸平焊法蘭與接管焊接結構設計
1. 帶頸平焊法蘭與接管焊接接頭尺寸選用F6(JB4700~4703-92),其結構如圖4所示。
2.根據(jù)GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J507，型號E5015。
3.焊后對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB 3325-87中的Ⅱ級為合格.
5、氣液兩相流場的數(shù)值模擬
5.1 數(shù)值計算方法簡介
計算流體力學作為流體力學研究中的一門新興分支，正在工業(yè)和科研領域內(nèi)發(fā)揮越來越重要的作用。將CFD工具運用到分離機械的研究中，也成為工程技術人員改進設計、提高效率的有效手段，是CFD應用的前沿。一些成熟的算法，模型也以商業(yè)軟件的形式出現(xiàn)在工程及科研領域。相比研究單位自行開發(fā)的計算程序，商業(yè)計算軟件一般具有以下特點：
● 通用性廣。由于商業(yè)軟件面向的用戶對象廣泛，處理的實際問題多種多樣，因此其覆蓋的應用范圍要盡可能廣。
● 計算穩(wěn)定性好。多數(shù)軟件經(jīng)過不同研究領域內(nèi)的算例測試，對不同類型的問題具有較好的適應能力。
● 使用方便，商業(yè)軟件都提供了比較友好的用戶界面，方便用戶的使用。
一般商業(yè)軟件也存在一些明顯的不足，例如：算法相對陳舊，不能緊跟CFD研究領域內(nèi)的最新成果；與不同行業(yè)內(nèi)的實際要求存在一定的距離，難以將各研究單位已有的研究成果結合到商業(yè)軟件中。這在一定程度上限制了商業(yè)軟件在工程實際中的應用。
本文運用Fluent軟件對離心是分離器的內(nèi)流場進行分析計算，F(xiàn)luent公司是享譽世界的最大計算流體力學（CFD）軟件供應商，F(xiàn)luent軟件能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流、化學反應、多相流等復雜的餓流動現(xiàn)象。應用領域包括：航空航天、汽車設計、生物醫(yī)藥、化學處理、石油天然氣，發(fā)電系統(tǒng)、電子半導體、蝸輪設計、HVAC、玻璃加工等。FLUENT具有精度高，收斂快，穩(wěn)定性好等特點，同時可通過添加擁護自定義的函數(shù)（UDF）解決實際具體問題。
Gambit是前置處理器，能針對極其復雜的幾何外行生成三維四面體，六面體的非結構化網(wǎng)絡及混合網(wǎng)絡。該模塊還具有方便的網(wǎng)絡檢查功能，對網(wǎng)絡單元體積、扭曲率、長細比等影響收斂和穩(wěn)定的參數(shù)進行統(tǒng)計并生成報告。
5.1.1 控制方程
對于所有的流動問題，F(xiàn)LUENT需要求解質量和動量守恒方程。對于熱傳導或可壓縮流動，需要解能量守恒的附加方程。對于包括組分混合和反應的流動，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來解混合分數(shù)的守恒方程。當流動是湍流是，還要解附加的輸運方程。
FLUENT可以在慣性坐標系（無加速坐標系）和具有加速度的參考坐標系（旋轉坐標系）中建立流動模型。在旋轉坐標系中，通過建立一個與旋轉設備一起運動的相對坐標系來建摸，近似認為流體旋轉角速度為常數(shù)，旋轉邊界相對與參考系靜止。
在旋轉坐標系中，絕對速度v或相對速度v的關系如下：
其中 ─角速度向量（即旋轉坐標系的角速度）；
─旋轉坐標系中的位置向量
旋轉坐標系中的質量守恒方程（連續(xù)性方程）：
其中
源項上假如到連續(xù)性相的第二相質量（比方說由于液滴的蒸發(fā)，質量發(fā)生變化），源項也可以是自定義源項。
慣性坐標系中的動量方程：
其中p是靜壓，τ是應力張量，ρ和分別是中立體積力和外部體積力（如離散相相互作用的產(chǎn)生的升力）。包含了其它的模型相關源項，如多孔介質和自定義源項。
應力張量
其中：μ─分子粘性；
I─單位張量。
旋轉坐標系中的動量方程為：
由于在FLUENT中忽略了 項，因此不能用動量方程的相對速度表達式準確的計算隨時間變化的角速度。
5.1.2湍流模型
湍流是由大小不同尺度的旋渦組成，對時間和空間都是非線性的隨機運動。它最本質的特征是“湍動”，既隨機的脈動。湍流流場是無數(shù)不同尺寸渦旋相互摻混的流動場。湍流的出現(xiàn)影響著整個流場的速度、壓力、溫度和物質濃度的分布。
目前，關于紊流的數(shù)值計算可分為細觀模擬和統(tǒng)觀模擬。完全模擬、大渦流模擬屬于細觀模擬。完全模擬（Direct Numberical Simulation DNS）在湍流尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求解N ─S方程而不使用任何湍流模型。該方法必須采用很少的時間和空間步長。如文獻估算，長。如文獻估算，對一個渦旋進行數(shù)值計算，至少要設置十個節(jié)點，這樣對于一個小尺寸范圍內(nèi)的紊流運動要在1cm 的流場中布置10個節(jié)點。顯然，完全模擬在短期尚無法用于求解實際工程中的復雜湍流問題。大渦流模擬（Large Eddy Simulation LES）是在大渦尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求結N─S方程，由于計算量仍很大，只能模擬一些簡單流動，如彎道等，目前也不能直接用于工程。而基于求解雷諾時均方程的模擬，即統(tǒng)觀模擬，利用某些假設將雷諾時均方程中高階未知關聯(lián)項或者時均量來表達，從而使雷諾時均方程封閉。因此統(tǒng)觀模擬當前成為解決工程實際問題的有效手段。
所謂湍流模型理論就是以雷諾平均運動方程為基礎，依靠理論與經(jīng)驗引進一些模擬假設，建立一組描述湍流平均值的封閉方程組的計算方法。該模型的平均行為，應與實際的湍流統(tǒng)計平均行為基本一致。
1925年Prandtl提出的動量傳遞理論以及后來提出的自由剪切層模型、泰勒的渦量傳遞理論的馮-卡門的相似性理論等一系列半經(jīng)驗理論，其基本思想都是建立關于雷諾應力的模型假設，使雷諾平均
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