逆流式雙螺旋葉片氣液固多相旋流分離特性

王浩凱 劉新福 李清平 姚海元 劉春花 李明

針對(duì)海洋平臺(tái)空間的局限性和天然氣水合物開采特殊工況，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率較高、維護(hù)成本低的逆流式雙螺旋葉片氣液固多相旋流分離器，以期實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)天然氣、泥質(zhì)粉砂和海水多相混流的高效分離。綜合高含氣、高流量、小粒徑等因素耦合作用，建立氣液固多相分離湍流數(shù)學(xué)模型，采用SIMPLE壓力-速度耦合算法進(jìn)行求解，揭示螺距、螺旋葉片頭數(shù)和螺旋圈數(shù)等葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣液固多相旋流分離性能的影響規(guī)律；并依據(jù)氣液固多相旋流分離雙螺旋葉片的單因素優(yōu)化結(jié)果，量化分析入口流速、含氣體積分?jǐn)?shù)、泥質(zhì)粉砂粒徑等生產(chǎn)參數(shù)對(duì)氣液固多相旋流分離性能的影響程度。研究結(jié)果表明：當(dāng)螺旋葉片的螺距為70 mm、螺旋頭數(shù)為2且螺旋圈數(shù)為3時(shí)，逆流式雙螺旋葉片氣液固多相旋流分離性能最佳；增大入口流速可有效提高分離效率，入口流速達(dá)到3.0 m/s時(shí)，氣、固兩相分離效率分別提高至98.6%和83.2%；而含氣體積分?jǐn)?shù)由30%增至45%時(shí)，氣相分離效率由99.4%降至96.5%，且氣相出口含氣體積分?jǐn)?shù)由81.1%增至91.9%；泥質(zhì)粉砂的粒徑尺寸會(huì)影響分離效率，粒徑尺寸為70 um時(shí)，分離效率可達(dá)93.4%。所得結(jié)論可為適用于天然氣水合物開采的氣液固多相分離器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

天然氣水合物開采；多相旋流分離；螺旋逆流式；雙螺旋葉片；分離性能

Gas-Liquid-Solid Cyclone Separation Characteristics of

Reverse Flow Duplex Spiral Blade

Aiming at the spatial limitation of offshore platform and special working conditions of gas hydrate exploitation，a reverse flow duplex spiral blade gas-liquid-solid cyclone separator with compact structure，high separation efficiency and low maintenance cost was designed，in the hope of realizing efficient separation of mixed flow of natural gas，muddy silt and seawater on offshore platforms.After having comprehensively considered the coupling effect of factors such as high gas content，high flow rate and small particle size，a mathematical model for gas-liquid-solid separation turbulence was built，and the SIMPLE pressure-velocity coupling algorithm was used to carry out solution，revealing the influence of blade structure parameters such as pitch，number of spiral blade heads and spiral turn on the gas-liquid-solid cyclone separation performance；then，based on the single factor optimization results of the gas-liquid-solid cyclone separation duplex spiral blade，the influence of production parameters such as inlet flow rate，gas volume fraction and muddy silt size on the gas-liquid-solid cyclone separation performance was quantitatively analyzed.The research results show that when the pitch of the spiral blades is 70 mm，the number of spiral heads is 2 and the spiral turn is 3，the gas-liquid-solid cyclone separation performance of the reverse flow duplex spiral blade is the best；increasing the inlet flow rate can effectively improve the separation efficiency；when the inlet flow rate reaches 3.0 m/s，the gas and solid separation efficiency is increased to 98.6% and 83.2% respectively；when the gas volume fraction increases from 30% to 45%，the gas phase separation efficiency is decreased from 99.4% to 96.5%，and the gas volume fraction at gas phase outlet is increased from 81.1% to 91.9%；the particle size of muddy silt can affect the separation efficiency；when the particle size is 70 μm，the separation efficiency can reach 93.4%.The conclusions provide reference for the design and optimization of gas-liquid-solid separators suitable for gas hydrate exploitation.

gas hydrate exploitation；multiphase cyclone separation；spiral reverse flow；duplex spiral blade；separation performance

0 引 言

天然氣水合物的開發(fā)利用對(duì)于緩解全球能源供需緊張、促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義［1-3］。目前，水合物開采技術(shù)可分為原位分解開采和原位破碎開采2類。前者包括減壓法、熱激法、置換法［4］，后者主要為固態(tài)流化法［5］。在經(jīng)過(guò)分解工藝處理后，開采出的混合流體通常含有天然氣、海水、泥質(zhì)粉砂等多種成分。為獲取所需的天然氣能源，需要對(duì)天然氣混合流體進(jìn)行氣液固多相分離。

旋流分離器在石油、礦產(chǎn)、環(huán)境等工程中具有廣泛的應(yīng)用［6］。由于旋流分離器存在高強(qiáng)度離心力場(chǎng)，使其相較重力分離設(shè)備具有更高的分離效率。以往的多段重力沉降式三相分離器占地空間大、維護(hù)成本較高，為減少這種資源耗費(fèi)，諸多學(xué)者對(duì)三相旋流分離技術(shù)展開了研究。丁文剛等［7］針對(duì)6種不同結(jié)構(gòu)油水旋流器的分離性能進(jìn)行了研究；王旱祥等［8］設(shè)計(jì)了一種螺旋分離裝置用于實(shí)現(xiàn)天然氣水合物開采過(guò)程中的氣液分離；高奇峰等［9］探究了中心體對(duì)直流導(dǎo)葉式旋流分離器分離性能的影響；ZHAO L.X.等［10］通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)內(nèi)錐式旋流分離器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在分離氣相時(shí)比傳統(tǒng)的水力旋流器更具優(yōu)勢(shì)；張玉潔等［11］基于CFD定性分析了內(nèi)錐式水力旋流器的流場(chǎng)；H.T.EI-DESSOUKY等［12］在多錐水力旋流器的基礎(chǔ)上增設(shè)集砂裝置，設(shè)計(jì)出新一代液液固旋流分離器;鄭娟［13］將H.T.EI-DESSOUKY設(shè)計(jì)的集砂結(jié)構(gòu)串聯(lián)到管柱式氣液分離器底流口，從而有效地實(shí)現(xiàn)了氣液固多相分離；蔣明虎等［14］對(duì)三相旋流分離機(jī)理進(jìn)行研究后，設(shè)計(jì)出含有內(nèi)錐的新型氣液固旋流分離器；韓龍［15］在內(nèi)錐式旋流器的基礎(chǔ)上，通過(guò)給內(nèi)錐開孔，在一定程度上提升了分離效率；鐘秋月［16］設(shè)計(jì)了一種管柱式氣液固旋流分離器，其利用離心沉降實(shí)現(xiàn)三相分離；趙文君［17］結(jié)合螺旋流道、常規(guī)固液旋流分離技術(shù)設(shè)計(jì)出了新型的氣液固旋流分離器，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的優(yōu)化。

氣液固旋流分離器經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，其分離性能得到了改善，但仍然存在分離效率較低、維護(hù)成本較高等問(wèn)題?？紤]到海洋平臺(tái)在空間上的局限性，筆者基于軸流管式旋流分離設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率較高、處理量較大的逆流式雙螺旋葉片氣液固旋流分離器，并研究了不同因素對(duì)其分離性能的影響，以期為適用于天然氣水合物開采的氣液固多相分離器方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 逆流式雙螺旋氣液固旋流分離模型

1.1 幾何模型建立

逆流式氣液固旋流分離器主要由螺旋葉片、分離筒體、分砂筒、底流錐段等部件組成，如圖1所示。在螺旋葉片和內(nèi)錐的作用下，氣核成形于0軸向速度的包絡(luò)面之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高效分離氣相的目的。工作時(shí)，具有一定速度的氣液固混合流體以軸向方式流入旋流分離器內(nèi)部，通過(guò)螺旋葉片改變流體的流動(dòng)方向，將軸向運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蜻\(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的切向旋流場(chǎng)。在旋流離心力的作用下，密度較大的固（圖1中靠近筒壁小點(diǎn)）、液兩相運(yùn)動(dòng)至邊壁，固相由分砂筒分離，經(jīng)排砂口流出，液相從底流口流出；密度較小的氣相（圖1中氣泡）向軸心聚集形成氣核，最終從溢流口流出。

逆流式氣液固旋流分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 湍流模型

氣、液、固三相流運(yùn)移涉及復(fù)雜的流固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其中氣泡在多相流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程包含了熱力學(xué)效應(yīng)、氣泡聚并和破碎等多項(xiàng)耦合過(guò)程，具有很強(qiáng)的非線性和非定常性［18-19］。

各相異性假設(shè)的雷諾應(yīng)力模型（Reynolds Stress Model，RSM）［20］考慮了流線型彎曲、旋轉(zhuǎn)、渦流、張力等流體流動(dòng)的變化，對(duì)于復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程具有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，更適合于強(qiáng)旋流場(chǎng)合，其在多相分離領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此這里氣液固分離器的數(shù)值分析采用雷諾應(yīng)力模型，其控制方程如下：

RSM模型可較為精確地模擬旋流分離器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)均量和雷諾應(yīng)力，雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程為：

式中：Dij為湍流與黏性擴(kuò)散項(xiàng)，Pa/s；Pij為應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s；Gij為浮力產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s；Фij為壓力應(yīng)變項(xiàng)，Pa/s；εij為黏性耗散項(xiàng)，Pa/s；Fij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s;xk為坐標(biāo)分量，m；uk為瞬時(shí)速度分量，m/s。

其中：

式中：μt為湍動(dòng)黏度，Pas；δk為湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；p為流體靜壓力，Pa；δij為Kronecker-delta函數(shù)；ε為湍流耗散率，m2/s3。

1.3 邊界條件

模擬設(shè)置的分離介質(zhì)為氣液固三相，故采用歐拉多相流模型。其中認(rèn)為：氣相是甲烷氣體，密度為0.716 kg/m3，黏度為1.21×10-5 Pa·s，氣相體積分?jǐn)?shù)為40%；液相為海水，密度為1 025 kg/m3，黏度為17×10-5 Pa·s；固相為海底的粉質(zhì)泥砂，密度為2 600 kg/m3，粒徑為30 μm，固相體積分?jǐn)?shù)為1%。

設(shè)置氣液固混合流體入口為速度入口，流速為3 m/s （流量60 m3/h），溢流口、底流口和排砂口均為壓力出口，壁面邊界條件為無(wú)滑移邊界。

采用SIMPLE耦合算法對(duì)速度-壓力場(chǎng)進(jìn)行求解，湍流模型采用RSM模型，湍流強(qiáng)度為0.05，水力直徑為46 mm，殘差設(shè)置為0.01。

1.4 模型驗(yàn)證

六面體網(wǎng)格具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高等優(yōu)勢(shì)［21］，故以六面體網(wǎng)格作為網(wǎng)格模型的基本單元。采用Fluent-meshing模塊對(duì)分離器計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)狹窄和大曲率區(qū)域進(jìn)行局部加密，設(shè)置膨脹層。通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量的方式進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。針對(duì)氣液固旋流分離器流體域，將網(wǎng)格數(shù)量劃分為780 066、1 127 217及1 551 123，分別記作網(wǎng)格A～C，以切向速度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，3種網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3種網(wǎng)格水平下的速度模擬結(jié)果趨勢(shì)相同、一致性良好，且網(wǎng)格B和網(wǎng)格C下的速度變化幾乎為0，故選取網(wǎng)格B進(jìn)行模擬研究。

1.5 分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

模擬結(jié)果以旋流分離器的氣相出口含氣體積分?jǐn)?shù)、壓降以及氣、固兩相的分離效率作為分離性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分離效率的評(píng)判公式主要有簡(jiǎn)化效率、質(zhì)量效率和綜合效率［22］，為直觀地表達(dá)分離器的分離性能，以簡(jiǎn)化效率來(lái)實(shí)現(xiàn)分離性能的評(píng)估。

式中：Fg為溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)，%；Qgo-g為溢流口氣相體積流量，m3/s；Qgo為溢流口總體積流量，m3/s；Eg為氣相分離效率，%；mgo-g為溢流口氣相的質(zhì)量流量，kg/s；min-g為入口氣相的質(zhì)量流量，kg/s；Es固相分離效率，%；mso-s為排砂口固相的質(zhì)量流量，kg/s；min-s為入口固相的質(zhì)量流量，kg/s。

2 螺旋葉片結(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的影響

2.1 螺旋葉片頭數(shù)對(duì)分離性能的影響

理論上，螺旋頭數(shù)越多，則流道數(shù)量越多，混合流體的切向速度越大，越利于分離；但是螺旋流道的增加會(huì)導(dǎo)致氣泡破碎的概率增大，反而不利于氣體的分離。對(duì)螺旋頭數(shù)分別為1、2、3的3組分離器進(jìn)行模擬，得到了不同螺旋頭數(shù)下的氣、固兩相分離效率與壓降變化（見表2），溢流口的含氣體積分?jǐn)?shù)和氣相體積分布如圖3所示。由圖3和表2可知，雙螺旋頭數(shù)時(shí)的氣相體積分?jǐn)?shù)最高，分離效率最高，分離效果最好，而單螺旋頭數(shù)的分離效果較差。

2.2 螺旋葉片螺距對(duì)分離性能的影響

螺距直接影響著葉片起旋能力的高低和分離器能量損失的大小。為了在保證分離效率的同時(shí)盡可能地減小壓降，需確定出最優(yōu)螺距。選取50、60、70、80 mm共4組螺距，分析不同螺距下的分離性能。

圖4為不同螺距氣固兩相分離效率和壓降的變化曲線。由圖4可知，當(dāng)螺距由80 mm減至70 mm時(shí)，其對(duì)氣固兩相分離效率的提升效果最為顯著，分別提高了1.3%和21.5%。當(dāng)螺距由70 mm繼續(xù)減至50 mm時(shí)，分離效率變化較小，而壓降卻由164.2 MPa增至305.7 MPa，能量損失顯著增大。綜合考慮以上因素，當(dāng)螺距為70 mm時(shí)，分離性能最佳。

2.3 螺旋圈數(shù)對(duì)分離性能的影響

對(duì)螺旋圈數(shù)分別為2、3、4、5的4組分離器進(jìn)行模擬，得到不同螺旋圈數(shù)下的分離效率和壓降變化，如圖5所示。由圖5可知，螺旋圈數(shù)從2增加到5，氣相分離效率的變化微乎其微，而固相分離效率先增大后減??；當(dāng)螺旋圈數(shù)為3時(shí)，固相分離效率達(dá)到最大值，為83.2%。壓降隨著螺旋圈數(shù)的增大而增大。因此，確定分離器的最佳螺旋圈數(shù)為3。

3 不同生產(chǎn)工況對(duì)分離性能的影響

生產(chǎn)工況是影響旋流器分離性能的重要參數(shù)［23］，其主要包含入口流速v、氣相體積分?jǐn)?shù)以及粒徑尺寸等。為驗(yàn)證分離器在不同工況下的適用性，以壓降、溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)以及分離效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同生產(chǎn)工況下的分離器流場(chǎng)分布特性進(jìn)行模擬分析。

3.1 入口流速

為分析內(nèi)部流場(chǎng)速度變化，選取2.0、2.5、3.0和3.5 m/s共4種入口流速進(jìn)行分析。不同流速下，氣液固分離器螺旋段的切向速度變化如圖6所示。切向速度在氣液固多相分離過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，切向速度越大，離心力越大，具有密度差的氣液固三相分離效果越好。由圖6可知：不同徑向位置的切向速度呈對(duì)稱分布，隨著入口流速的升高，切向速度逐漸增大；入口流量為3.5 m/s時(shí)，螺旋段切向速度達(dá)到最大值13.95 m/s，使得固相獲得最大的離心力，有利于旋流分離效率的提高。

圖7為不同入口流速下的分離效率和壓降的變化曲線。隨著入口流速的提高，氣固兩相的分離效率均呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)流速由2.0 m/s增加到2.5 m/s，氣、固兩相的分離效率分別提高了5.5%和3.3%；當(dāng)流速高于2.5 m/s時(shí)，分離效率的增大趨勢(shì)減緩，其中3 m/s時(shí)的氣體分離效率為98.6%、固體分離效率為83.2%。入口流速對(duì)溢流口氣相體積分布的影響如圖8所示。由圖8可知，入口流速對(duì)溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)的影響較小，尤其當(dāng)流速超過(guò)2.5 m/s時(shí)，溢流口的氣相體積分?jǐn)?shù)幾乎不變。同時(shí)，壓降與流速成正比關(guān)系，因此分離效率提高的同時(shí)意味著壓降的增大，即能量損耗增大。綜合考慮以上因素，分離器的理想入口流速為2.5～3.0 m/s。

3.2 含氣體積分?jǐn)?shù)

為了研究旋流分離器對(duì)含氣體積分?jǐn)?shù)的適用情況，選取30%、35%、40%、45%共4組含氣體積分?jǐn)?shù)，對(duì)不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)下的內(nèi)部流場(chǎng)特征及分離性能進(jìn)行分析，得到不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)下氣相分離效率、溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)和壓降變化，結(jié)果如表3所示。圖9為不同入口含氣體積分?jǐn)?shù)下流場(chǎng)內(nèi)軸向截面氣相體積分布。

由圖9可知，隨著含氣體積分?jǐn)?shù)的增加，氣核逐漸延長(zhǎng)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%時(shí)，氣核延長(zhǎng)至底流口，這在一定程度上降低了氣體的分離效率，但入口含氣體積分?jǐn)?shù)的增大顯著提升了溢流口的含氣體積分?jǐn)?shù)，使液體攜帶量減少。同時(shí)壓降隨著入口含氣體積分?jǐn)?shù)的提高而越低。當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)為81.1%，壓降為190.4 kPa；當(dāng)入口含氣體積分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到91.9%，壓降為151 kPa。

3.3 泥質(zhì)粉砂粒徑

選取10、30、50和70 μm共4組粒徑的泥質(zhì)粉砂顆粒，探究不同粒徑泥質(zhì)粉砂粒對(duì)旋流分離器固相分離性能的影響。不同粒徑尺寸下流場(chǎng)內(nèi)軸向截面固相體積分布以及分離效率如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知，粒徑越大，砂受到的離心力越大，其向筒體內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，分離效率越高。當(dāng)粒徑由30 μm增大到50 μm時(shí)分離效率的提升最為顯著。粒徑為10 μm時(shí)的分率效率僅為78.5%，粒徑為70 μm時(shí)，分離效率可達(dá)93.4%，提高了約19%，因此分離器對(duì)粒徑尺寸為30 μm及以上的顆粒分離效果較好。

4 結(jié) 論

（1）在分離過(guò)程中，分離器內(nèi)部流場(chǎng)較為穩(wěn)定，相場(chǎng)分布均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)氣、水、砂的分離。雙螺旋的葉片結(jié)構(gòu)提高了分離器流場(chǎng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了氣相的分離，同時(shí)提高了氣相出口的含氣體積分?jǐn)?shù)。

（2）螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離性能的影響不可忽視。其中螺距的影響最為顯著，當(dāng)螺距由80 mm縮短至70 mm后，分離效率得到較大程度的提高，且壓降并沒(méi)有大幅增加。確定螺距為70 mm，螺旋頭數(shù)為2，螺旋圈數(shù)為3時(shí)，分離器的分離性能最佳。

（3）入口流速越大，氣、固兩相分離效率越高。入口流速由2.0 m/s增至2.5 m/s，氣相分離效率提高5.5%，固相分離效率提高3.3%；在3 m/s時(shí)，氣、固兩相分離效率分別為98.6%和83.2%。隨著含氣體積分?jǐn)?shù)的增大，氣相分離效率降低，而溢流口含氣體積分?jǐn)?shù)提高，分離器對(duì)35%～45%的含氣體積分?jǐn)?shù)適用性較好。當(dāng)砂顆粒粒徑尺寸大于30 μm時(shí)，分離性能較好，固相分離效率最高可達(dá)93.4%。

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