浅析气液旋流分离器分离机理

1 研究背景及意义

旋流式分离器具有结构简单、成本低廉和分离效率高等优点，广泛应用于油气田生产过程中。在实际现场工作过程中可连续、高效地完成分离任务，因此受到各领域学者的重视。旋流器虽然结构很简单，但是内部流场比较复杂。相对于气-固、液-固两相流动，气-液两相流动由于液滴的不稳定性而更为复杂，计算的不确定因素也更多，也正是因为这种原因，使得气-液旋流分离的理论研究落后于旋风分离器和水力旋流器。在石油天然气开发中，旋流技术可以用于原油脱水、脱气、脱泥，产出水过程水除油，天然气除水等。

2 旋流器的结构

一般旋流分离器都是柱状或柱状加锥状。其基本结构由进口、溢流口、柱段（旋流腔）、锥段及底流口组成。流体由进口切向进入旋流器作旋转流动，在旋流腔内做急速旋转运动，由于介质间的密度不同，所受的离心力、向心浮力和流体曳力的大小不同，形成强烈的涡流，并分为底流和溢流两部分，底流为重质部分，溢流为轻质部分，两部分由底流口和溢流口排出。

3 气液旋流器的分离原理

旋流器是利用离心沉降原理将流场中多相进行分离的设备，旋流器工作时，多相液体以一定的速度由进料口切向进入圆筒内部，形成双层快速旋转流动，外层为向下旋流，内层向上旋流。气液混合物从旋流器切向入口进入后，混合物在旋流器内做旋流转动产生离心力及重力分离。密度较大的液体沿着管壁到底部旋流口流出，密度较轻的气体在旋涡的中央，形成一个倒圆锥形的涡流面，从顶部的溢流出口排出，从而达到气液的旋流分离。

3.1 旋流分离理论

一种是沉降分离理论，一种是平衡轨道理论，还有一种是边界层理论。

沉降分离理论，根据液滴由于离心力作用而沉降到旋风器面所需要的时间，与气流在气液两相分离区域所停留的时间相等来确定能完全分离的粒径为100 d，该理论实质是一种无混合模型。

平衡轨道理论，根据旋转流的作用，液滴在径向受到两种力，一种是使液滴向外的离心力，一种是使液滴向内的Stokes力，这两种力方向相反。平衡轨道可以看作是排气管下端有最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒，在圆筒上的各液滴，平衡随时都可能被破坏。

边界层分离理论，在旋风器任一截面上，液滴的浓度分布是均匀的，在近壁面处的边界层内是层流流动，只要液滴进入边界层就可看做分离。

3.2 旋流器单相流场研究

旋流器结构简单，但其内部流场复杂，充分认识旋流器内部流场的分布规律，对于认识旋流器的分离机理、提高旋流器的分离效率、更好了解旋流分离器的结构以及有效预测旋流分离器的性能，具有重大意义。由于对旋流分离器单相研究上较为成熟，可采用实验和CFD数值模拟相结合的方式。

研究旋流器的流动情况，在忽略液滴影响的基础上，只对旋流器单相—气相，进行数值模拟，对流场进行分析。以FLUENT软件为依托，利用GAMBIT软件建立旋流器的几何模型，进行网格划分生成mesh格式的网格，对其边界条件设置，然后把输出的网格输入到FLUENT中，应用RSM湍流完成对流体通过旋流器的模拟计算，通过对压力场，速度场，湍流场等进行模拟，研究其速度、压力、湍流场的分布规律。

3.3 液滴规律研究

在旋流器单相流场模拟结果的基础上，计算显示不同粒径的液滴的运动轨迹。运用三维单精度FLUENT求解器读入流场模拟结果，在模型中添加离散的液滴相，采用不同的时间不长和迭代次数，对液滴的运动轨迹进行模拟。在模拟过程中，通过改变液滴的粒径，观察不同粒径的液滴的轨迹和分离效果。

3.4 旋流器内流体运动

流体质点（Fluid Particle）：一物理点，可以忽略几何尺寸，具有一定物理量，速度、加速度、压力等。

旋流器内的流体的运动方式是复杂的三维旋转流动，流体的旋转运动简称涡流。流体从旋流器入口进入，形成的主要运动为“内旋流”和“外旋流”。外旋流携带粒径较大的流体进入滴流，粒径较小的流体由内旋流从溢流口排除。旋流器内流体运动分为三维流动，可由圆柱坐标系表示三个分速度：切向速度、轴向速度和径向速度。

切向速度，在旋流器流体流动中，占有重要地位，根据旋流器的工作原理，切向速度是产生离心力的根源，只有保证足够的离心力才能使旋流器正常工作。切向速度在数值上是大于其余两个方向的速度。切向速度在旋流器的大小分布如下：从旋流器边缘向中心不断增大，至空气柱边缘又重新下降。旋流器各个水平面截面上，切向速度趋于恒定。

轴向速度，旋流器内产生流体速度明显转向的原因就是轴向速度。轴向速度的分布没有径向速度分布规律，却直接影响着液滴的径向位置，同时，决定了流体在底流和溢流中的分配。轴向速度大小，取决于入口速度大小，分布依赖于旋流器内部结构，特别是溢流口和底流口的尺寸和相对比。零轴向速度的分布是轴向速度分布的一重要特性。内外旋流分界面的位置，对旋流器的边界液滴粒径有重要影响。

径向速度，与切向速度和轴向速度相比，径向速度的数值较小。从径向速度的分布来看，向内的径向速度在器壁处为最大值，随着半径的减小而降低。

3.5 两相流动模型在气液旋流分离器中的应用

建立能正确描述旋流分离器内部气-液两相强旋湍流流动状况的机理模型，为气液旋流分离技术提供可靠的工程设计理论计算公式，是当前气液旋流分离技术的工程应用迫切需要解决的问题。

流体拟颗粒模型：流体拟颗粒模型是基于拟颗粒的概念，将连续相和分散相都在单个颗粒的尺度上进行处理，将连续相考虑成离散的“颗粒”微团，微团直径介于连续相分子与拟流体的网格尺度之间，通过虚拟的模拟连续相“颗粒”与真实离散颗粒之间的碰撞等相互作用，再现两相流动中的一些典型现象。

目前，人们虽然还无法将拟颗粒模型直接用于计算气液旋流分离技术，但拟颗粒模型对其它种类的模型在气液旋流分离技术中的发展具有促进作用，广泛用于气-液旋流分离理论计算，具有远大的前景。

4 结语

旋流器内气液两相的分离过程是液滴离心沉降和碰撞聚结，破碎的复合过程。通过对气液旋流器的分析，得到气-液旋流分离器能够更高效的、更快速的完成天然气脱水过程，并且能够更好适应现场施工的需要。文章通过对气-液旋流分离器结构的认识来验证旋流器分离原理的正确性；对旋流器分离原理的研究发现密度大的液体从底部流出，密度小的从顶端流出；得出了三种旋流分离理论，分别为沉降分离理论，平衡轨道理论，边界层理论；对旋流器单相流场的研究得出其速度、压力、湍流场的分布规律；对液滴规律的研究来观察不同粒径液滴的轨迹和分离效果；对旋流器内流体运动的了解，得出外旋流携带粒径较大的流体进入滴流，粒径较小的流体由内旋流从溢流口排除；以及流体拟颗粒模型模型在气液旋流分离器中的应用；这对进一步优化气-液旋流装置的结构和性能具有重要的理论指导意义。