试油测试用新型气液两相分离器研究与安全性分析

论文摘要

针对传统试油测试用气液分离器效率低、处理量小、体积庞大等诸多不足，为了提高施工效率、降低成本，本文提出了一种新型气液两相分离器，采用实验研究与数值计算相结合的方法，对新型旋流分离器进行结构设计和参数的优化试验研究，结合数值模拟及计算分析等手段，研究新型旋流分离器内部流场的流动规律，探究气液旋流器开缝形式和开缝结构对分离器分离性能的影响，得到优化结构，并在新型气液旋流分离器腐蚀评价和磨损评价基础上进行选材，确定撬装结构设计及附件优选配套，最终应用于工业实验。实验研究结果表明，新型夹套式旋流器内筒分离空间内气流旋转强度减弱，湍动损耗减小，流体与壁面的摩擦损耗降低，与基准结构相比，压降小幅降低；中高流量条件下，部分气流进入夹套区域，内筒流体的湍动程度减小，液滴的破碎趋势降低；部分小粒径液滴跟随气流进入夹套区域得到二次分离，分离效率得到明显提升；实验范围内，入口含液浓度对气液旋流分离器的压降无显著影响，入口含液浓度较低时，开缝结构旋流分离器的分离效率较基准结构的增幅较大。数值研究结果表明，液滴在夹套式气液旋流分离器内存在多种运动轨迹，液滴不仅仅可以通过外旋流进入集液槽被捕捉，还可以被甩到外层分离器得到分离，液滴分离的概率增大。夹套式气液旋流分离器的粒级效率数值普遍大于单层气液旋流分离器，且并随液滴粒径的增大，两者之间的差值逐渐增大。液滴在旋流场中存在着破碎和聚并现象，细小液滴的聚并现象较为显著，破碎现象不明显。新型夹套式导流气液旋流分离器内大粒径液滴多分布于内筒分离空间，而细小颗粒多分布于夹套区域以及排气芯管内。通过CFD方法，对夹套式切流气液分离器和夹套式导流旋流器内两相流动状态进行了分析，并对开缝形式和结构进行了优化分析。CFD计算结果表明，与夹套式切流气液分离器相比，导流式分离器的分离效率显著提升，而分离能耗则相应提高，多用于处理量较低、处理要求较高的场合。由壁面切应力和压力分布结果可知，夹套式气液旋流分离器在常规导叶式旋流分离器基础上，通过开缝使得部分气流和细小液滴进入夹套空间，一定程度上降低了内筒分离空间内气流的旋转强度，降低了气液两相流对分离器器壁的冲蚀和磨损效应。夹套式导叶气液分离器入口区域、集气室、导向叶片区域以及分离器内筒筒壁处承压较大，而排气芯管内壁、套筒内壁以及集液室内壁处承压较小。经优化设计得到的新型气液旋流分离器撬装结构体积小于2.0m×3.0m×3.0m，重量小于2吨，与目前常规分离器相比，可节省成本30%以上。工业实验结果表明，分离器多管并联实际处理气量可达200000m3/d以上，分离效率达到97%~99%以上。上述研究成果为气液旋流分离设备结构设计及其相关工艺的优化提供理论基础和依据，并且对气液旋流分离技术的进一步推广应用以及技术改造起到一定的指导作用，最终产生巨大的经济与社会效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 前言
• 1.1 课题的研究目的与意义
• 1.2 论文的主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 试油测试工艺
• 2.1.1 水合物的生成
• 2.1.2 试井工艺流程
• 2.1.3 气液分离器
• 2.2 气液分离方法及原理
• 2.2.1 重力沉降分离
• 2.2.2 惯性分离
• 2.2.3 过滤分离
• 2.2.4 离心分离
• 2.3 气液旋流分离研究进展
• 2.3.1 实验研究进展
• 2.3.2 数值研究进展
• 2.4 小结
• 第三章 新型气液旋流分离器分离性能实验
• 3.1 夹套式气液旋流分离器结构
• 3.2 实验装置与方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 基准结构实验结果分析
• 3.3.1 导向叶片出口角对分离性能的影响
• 3.3.2 分离空间长度对分离性能的影响
• 3.3.3 入口含液浓度对分离性能的影响
• 3.4 开缝结构实验结果分析
• 3.4.1 开缝对分离器压降的影响
• 3.4.2 开缝对分离器分离效率的影响
• 3.4.3 开缝后含液浓度对分离性能的影响
• 3.5 小结
• 第四章 夹套式切流气液分离器优化分析
• 4.1 夹套式切流气液分离器模型及数值解法
• 4.1.1 几何建模
• 4.1.2 湍流模型
• 4.1.3 颗粒轨道模型
• 4.1.4 数值解法
• 4.1.5 边界条件
• 4.1.6 准确性验证
• 4.2 夹套式切流气液分离器分离特性分析
• 4.2.1 液滴运动轨迹
• 4.2.2 粒级效率
• 4.3 夹套式切流气液分离器整体流动特征
• 4.3.1 压力场
• 4.3.2 速度场
• 4.3.3 湍流场
• 4.4 开缝位置的优化分析
• 4.5 开缝宽度的优化分析
• 4.5.1 整体流动特征
• 4.5.2 横剖面流动特征
• 4.5.3 粒级效率
• 4.6 开缝个数的优化分析
• 4.6.1 整体流动特征
• 4.6.2 横剖面流动特征
• 4.6.3 粒级效率
• 4.7 开缝角度的优化分析
• 4.7.1 整体流动特征
• 4.7.2 横剖面流动特征
• 4.7.3 粒级效率
• 4.8 小结
• 第五章 夹套式导叶气液分离器优化分析
• 5.1 模型建立与网格划分
• 5.1.1 物理模型的建立
• 5.1.2 网格划分
• 5.2 边界条件设置
• 5.3 夹套开缝形式的优化分析
• 5.3.1 开缝数对分离性能的影响
• 5.3.2 开缝角度对分离性能的影响
• 5.3.3 开缝宽度对流场的影响
• 5.4 小结
• 第六章 新型气液分离器的分离机理分析
• 6.1 气液分离器内液滴的受力分析
• 6.1.1 重力与浮力
• 6.1.2 压力梯度力
• 6.1.3 虚拟质量力
• 6.1.4 Basset力
• 6.1.5 Magnus力
• 6.1.6 滑移-剪切升力
• 6.2 气液分离器内液滴的聚并和破碎
• 6.2.1 液滴的碰撞聚结
• 6.2.2 液滴的破碎
• 6.2.3 新型分离器内液滴的聚并与破碎
• 6.3 新型气液分离器的分离效率模型
• 6.3.1 停留时间的确定
• 6.3.2 液滴壁面趋近速度的确定
• 6.3.3 粒级效率模型的建立
• 6.3.4 粒级效率模型的验证
• 6.4 小结
• 第七章 新型气液分离器安全性分析及成套装备设计
• 7.1 新型气液旋流分离器腐蚀评价
• 7.1.1 化学腐蚀
• 7.1.2 应力腐蚀
• 7.1.3 防腐措施
• 7.2 新型气液旋流分离器磨损评价
• 7.2.1 新型气液分离器壁面切应力分布
• 7.2.2 防磨措施
• 7.3 气液旋流分离器选材及加工工艺
• 7.3.1 壳体选材
• 7.3.2 焊接工艺
• 7.3.3 检测工艺
• 7.4 新型气液旋流分离器承压部位分析
• 7.5 新型气液旋流分离器撬装结构设计
• 7.5.1 撬装结构设计
• 7.5.2 撬装承压结构设计
• 7.6 气液计量设备的优选配套
• 7.6.1 液位计的选取
• 7.6.2 流量计的选取
• 7.7 新型气液旋流分离器工业应用
• 7.8 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介