TP板气液分离性能模拟分析

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(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070；2.西安石油大学，陕西 西安 710065)

分离器是油气田开发生产过程中重要的工艺设备之一，按功能分为气液两相分离器和油-气-水三相分离器等[1]。对天然气处理而言，分离器的作用是从气流中分离掉液体、固体和其它杂质；对原油处理而言，分离器的作用是从油流中分离掉气体、固体及游离水；对水处理而言，分离器的作用则是从水流中分离掉气体、固体及游离油等杂质。随着采出原油中含水量的增加，目前使用的一般三相分离器的分离效果已很难达到预期的理想处理指标，故需采用新的分离器元件加强分离效果[2-6]。

文中采用计算流体动力学模拟FLUENT软件，对分离器中的新型气液分离元件——TP板组内的流动过程进行数值模拟，研究不同因素对其分离性能的影响[7-11]。

1 TP板气液分离性能模拟

1.1 TP板工作原理

TP板是一种折流板雾沫捕集器，主要用于气液分离。折流板雾沫捕集器是根据物理惯性原理进行分离，当夹带液滴或固体颗粒的气流以一定的速度通过特殊设计成型的折流板时，流体流动方向在折流板组成的弯曲通道中会不断发生急剧变化，液体和固体颗粒因惯性较大，易从主体气流中脱离，撞击折流板壁面而被捕集。气体则能顺利通过折流板通道排出。

TP板工作原理见图1。

图1 TP板工作原理图

雾沫捕集器的多折向结构增加了雾沫被捕集的机会，未被去除的雾沫在下一个转弯处经相同的作用而被捕集，如此反复，极大提高了分离效率。折流板的存在还增加了液滴相互碰撞的机会，液滴碰撞后会发生聚结、反弹、破碎。TP板的设计原则是使液滴碰撞后尽量发生聚结，减少反弹，而不发生破碎，因液滴破碎后粒径减小，故分离难度加大，且容易造成二次夹带。TP板结构排列具有周期性，各通道内流体存在相似的流动特征，因此建立单通道模型。由于重力方向与流动方向垂直，所以采用三维模型对其分离性能进行模拟。

1.2 分离效率评价指标

对TP板进行数值模拟的目的是衡量其分离效率，一般指宏观分离效率。宏观分离效率是对进入分离设备的全体分散相而言的，它不仅随分离设备的分离特性而变化，而且对同一设备还随分散相粒度分布的不同而不同。而实际介质中的分散相往往都是在一定范围内的某种统计分布，且不同介质的粒径分布形态相差很大，若以宏观分离效率来评价分离设备的性能优劣，可能会出现在某处或某种工况下分离效果好的设备应用到工况条件变化的场合后，分离性能大幅下降的现象[12-18]。而粒径分离效率是相对某一特定粒径的分散相而言，其与分散相的粒径分布无关，仅取决于分离设备对该粒径分散相的实际分离能力。

为得到粒径分离效率，选取粒径5 μm、10 μm、20 μm和40 μm进行模拟计算分析，得到分离元件对某一粒径的分离效率。同时，将各种粒径按照Rosin-Rammler分布进行模拟，得到某一平均粒径下的分离效率。

1.3 边界条件和网格划分

分离器筒体为圆筒，各通道高度不同，建模时取各TP板平均高度，为600 mm。TP板沿气流方向尺寸为200 mm，2块TP板的距离为10 mm。由于重力方向与流动方向垂直，无法采用二维模型，故采用三维模型对其分离性能进行模拟。

采用流体力学Gambit前处理软件建立的2块TP板组成的分离装置单通道模型及网格划分示意图见图2。

图2 TP板模型及网格划分

采用Fluent软件中的dpm模型，基于以上边界条件，对TP板的分离性能进行模拟。

2 TP板分离性能数值模拟结果及分析

2.1 液滴粒径10 μm时分离性能

基于重力沉降方法进行分离时，由Stokes公式可知，分离效率与液滴粒径的平方成正比，具体计算公式如下：

(1)

式中，η为分离效率；g为液滴浮升或者沉降速度，m/s；di为液滴粒径，μm；ρdisp为分散相密度，ρcont为连续相密度，kg/m3；AT为横截面积，m2；μcont为连续相动力黏度，Pa·s；qV为入口体积流量，m3/h。

当液滴粒径较小时，需要相当低的入口流速，即很长的停留时间方能实现分离。因此，依靠重力沉降进行分离时，流体入口流速通常很低。文中计算的流体最小入口速度为0.012 5 m/s，该数值与一般重力分离器内流体流速相当。不同入口流速下10 μm离散相液滴在TP板内某一时刻的液滴轨迹见图3。

当入口流速为0.012 5 m/s(图3a)时，由于流速非常低，液滴停留时间足够长，重力沉降效果明显，基本实现了完全分离。

图3 不同入口流速下TP板内某一时刻10 μm液滴轨迹

不同入口流速下距离底面200 mm高度横截面的离散相质量浓度云图见图4。

图4 不同入口流速下距底面200 mm高度截面上离散相质量浓度云图

分析图4可以发现，当入口流速为0.012 5 m/s时，TP板的曲折流道没有起到分离作用，离散相在横截面上基本均匀分布。后几级TP板处离散相质量浓度降低是由于离散相在前几级TP板上已因重力作用而沉降。离散相液滴在TP板流道内运动过程中，由于液滴发生碰撞，导致液滴表面破裂，小液滴聚结成了大液滴，加速了沉降。因此，与不考虑聚结过程相比，考虑聚结过程的TP板分离效率将会提高，也更加接近于工程实际。

从图3～图4可以看出，随着入口流速的增加，重力的作用越来越弱，很多液滴还未沉降便被气流带出。当入口流速小于0.8 m/s时，TP板流道突然改变方向所引起的惯性力作用不明显，入口流速处于0.1～0.8 m/s时分离效率很低。入口流速继续增大时，惯性力的作用逐渐增强，TP板边缘尤其是转角处离散相质量浓度较高。由于惯性作用，大多数液滴在第1级TP板处即被分离，该作用在入口流速2.4～3.2 m/s时尤为显著。而当入口流速进一步增大后，惯性力作用进一步增强，导致液滴发生破碎不易被除去，使分离效率再次降低。因此入口流速的增大应以保证液滴不发生破碎为宜。可以看出，存在一个最佳的TP板操作区间，将TP板的工艺参数设计在最佳操作区间内可提高其分离效率，同时提高处理量。

文中研究得到的TP板最佳分离速度在2.4～3.2 m/s。与重力沉降分离相比，采用惯性分离处理量可以提高约200倍。

为计算分离效率，提取出口含油量数值，通过与进口预设含油量的换算，得到其分离效率。通过对流场内部和出口进行采样，可以得到液滴聚结程度。虽然进口为单一粒径液滴，但在TP板流道内经过碰撞、聚结和破碎，得到的液滴不再是单一粒径[19]，而是服从一定的统计分布。

不同入口流速下液滴粒径为10 μm时TP板分离性能见表1。

表1 不同入口流速下液滴粒径10 μm时TP板分离性能

从表1可以看出，当入口流体的流速比较低(0.0125 m/s)时，液滴在通道内缓慢沉降，同时发生碰撞、聚结，到达出口之前基本完全沉降。随着入口流速的提高，很多液滴还未沉降便被气流带出TP板。当入口流速为0.1 m/s时，相对于重力沉降而言该速度过大，无法保证足够的停留时间，而相对惯性分离而言，该速度又过低，无法产生足够的惯性力，所以分离效率很低。当入口流速进一步增大超过1 m/s时，气液分离以惯性分离为主，较大液滴全部被捕捉，能够到达出口的是破碎后的小液滴，因此出口平均粒径减小。当入口流速大于3.2 m/s后，液滴破碎较多，易造成二次夹带。同时，入口流速过大也会使进、出口的压差急剧增加，增加分离过程中的动力损耗。

液滴粒径10 μm时TP板分离效率与入口流速关系曲线见图5。图5中分离效率曲线包含2个峰值，第1个峰值主要是重力沉降作用产生，而第2个峰值是惯性力作用而产生，使分离器在第2个峰值附近工作则可以极大提高处理量。合理设计分离速度，完全可使气体中携带的98%粒径大于10 μm的液滴被除去。

图5 液滴粒径10 μm时TP板分离效率与入口流速关系曲线

2.2 不同液滴粒径下分离效果

改变液滴粒径，TP板的分离效率也会随之发生改变。不同液滴粒径及入口流速下TP板的分离效率见表2和图6。

表2 不同液滴粒径及入口流速下TP板分离效率 %

从表2和图6可以看出，当液滴粒径比较小(5 μm、10 μm)时，液滴对气流的跟随性较好，分离效率曲线表现为2个峰值，第1个峰值主要由重力沉降作用产生，第2个峰值由惯性力作用产生。而液滴粒径较大(20 μm、40 μm)时，第2个峰值不明显，在所有流速下均表现出很高的分离效率。根据Stokes公式，液滴粒径较大时，液滴沉降所需时间大幅缩短，因此入口流速提高仍能保证其沉降时间。而当入口流速提高到不能保证沉降时间时，惯性力作用开始显现，表现为所有入口流速下分离效率均很高。假设产生足够惯性力的临界速度为vc，临界速度下流体流过TP板的时间为tc，使液滴沉降时间小于tc的粒径尺寸为临界尺寸，当液滴粒径大于临界尺寸时，其分离效率不再随入口流速的变化而变化，在所有入口流速下分离效率均很高。因此，对TP板进行设计优化时主要考虑粒径在临界尺寸以下液滴的分离效率。

图6 不同液滴粒径下TP板分离效率随入口流速变化曲线

2.3 不同入口流速及液滴粒径下分离效果

当分散相体积分数为5%时，选取具有代表性的入口流速0.012 5 m/s、0.025 m/s、0.4 m/s以及2.4 m/s，分析液滴粒径分别为5 μm、10 μm、20 μm和40 μm时对TP板分离性能的影响，得到的分离效率曲线见图7。

图7 不同入口流速下TP板分离效率随液滴粒径变化曲线

从图7可以看出，在相同入口流速条件下，TP板的分离效率随液滴粒径的增大而增大，并且二者之间非线性关系，可见粒径增大可以大幅提高分离效率。采用TP板结构，增加液滴碰撞机会，使小液滴聚结成大液滴，是提高分离效率的途径之一。

3 结语

采用Fluent软件，针对不同粒径、不同流速等工况，对用于气液分离的TP板分离元件的分离特性进行了数值模拟分析，得到了液滴粒径、流体入口流速等因素对TP板分离效率的影响规律。当液滴粒径较小时，相同粒径下TP板的分离效率随入口流速的变化会出现2个峰值，第1个峰值主要由重力沉降作用产生，第2个峰值由惯性力作用产生。当液滴粒径较大时，TP板分离效率几乎不随入口流速变化。相同入口流速下，TP板分离效率随粒径的增大而增大，并且成指数关系，粒径增大可以大幅提高分离效率。采用TP板结构，增加液滴碰撞机会，使小液滴聚结成大液滴，是提高分离器分离效率的途径之一。