一种高效圆筒式旋风管结构设计及计算方法

刘学虎， 谢腾腾， 孙冬来， 李海涛， 李吉萍

（上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518）

旋风分离器是一种高效、节能、造价低的分离设备［1］，具有体积小、占地面积少、处理过程连续、分离时间短、无需反冲洗和维护方便等优点，目前已被广泛应用于石油、 天然气等的工业处理过程中［2］。 在油、气、水三相分离中，旋风分离器应用较为普遍［3］，但分离效果差别较大。 文中结合中海油乐东22-1 平台高、 低压两相生产分离器改造项目，提出了一种分离器用高效圆筒式旋风管的结构设计及计算方法，并通过试验、实测等方法对此计算方法进行了验证。

1 实际工程项目简介

中海油乐东22-1 平台高压两相分离器尺寸2.2 m（ID）×6.4 m（T/T），设计参数为，气体处理量240 万m3/d、液体处理量43 m3/d，设计压力5 700 kPa （G）、 设 计 温 度84 ℃， 操 作 压 力1 670～5 070 kPa（G）、操作温度38 ℃，实际气体体积流量qV=147 448 m3/h（标准状态下）、液体体积流量qVs=4.12 m3/h。 分离器介质为天然气（含少量水、原油），压降要求小于50 kPa（G），液位设定：低低报警液位250 mm，低报警液位325 mm，正常液位800 mm，高报警液位1 175 mm，高高报警液位1 250 mm。 由于该项目处理量增加，原分离器分离效果欠佳，故设计了一种高效圆筒式旋风管对其进行改造。

2 高效圆筒式旋风管结构及特点

2.1 结构原理

通过比较各种旋风管的优缺点，设计了一种高效圆筒式旋风管。 为克服常规圆筒式旋风管的缺点，增加了内筒，设计成双层圆筒式，其结构简图见图1。

图1 高效圆筒式旋风管结构简图

工艺介质从入口进入， 通过分配管被均匀分配到每个旋风管，由切向进入旋风管产生旋流［4］，气体旋转向下经内筒向上排出。 液体和固体在外筒内壁旋转，向下排出，完成气液分离［5］。 高效圆筒式旋风管结构简单、压降小、造价低、分离精度高、稳定性强、操作弹性大且不容易产生返混，是一种分离效果良好的分离器内件。

2.2 技术特点

①为了方便形成旋流，采用切向进气，内筒与分配管相切，自然形成入口，流通性优良。 ②为了提高分离精度，增加了内筒，并在内筒上焊接了支撑，提高了稳定性。③消除了分离器内部产生的强制涡， 得到了稳定的回旋流， 中心部的空气柱消失，粒子分离效率得以提高，压力损失极大降低。④为了进气平稳和利于布置，采用对称布置方式，可方便进行多管并联，以适应不同的处理量要求。

3 高效圆筒式旋风管结构参数初步确定

3.1 造旋结构

单层圆筒形旋风管中心处存在着空气柱，这是由于分离器内部存在回旋流［6］，中心部压力低，空气从下向流排出口被吸进直通上部的喷流室而形成的。 因此，空气柱内存在上升流，与空气柱相接触的液体也存在上升流。 而在分离器侧壁附近却有下降流存在， 所以在分离器下向流排出口附近一个非常窄小的范围内， 同时存在着上升流和下降流［7］，形成紊流混合。紊流混合会使本该被分离出来的粒子， 随着上升流一起从上向流排出管排出，这是普通分离器分离效率低的主要原因。高效圆筒式旋风管的内筒恰好处在分离器中心部压力较低处，气体不能从分离器底部被吸入，完全消除了空气柱，使上升流减少，圆周方向回旋流速均匀，从而提高了分离效率。

旋风管入口结构尺寸决定气流入口速度［8］，在一定程度上，入口速度越大，分离效果越好。 对于高浓度的气固旋风分离器， 常见的入口速度一般在15～18 m/s。 而低浓度的旋风分离器中，入口速度可以增加到23～26 m/s。 当入口速度高于30 m/s 时，会增加旋风管的冲蚀磨损及固体颗粒的返混。但对于气液旋风分离器，由于液滴的表面张力作用，小液滴很容易聚结成大液滴，一旦液滴在离心力的作用下被甩向壁面， 就会与壁面的液膜聚结在一起， 然后在气流和重力作用下向下流动，不会出现返混和堵塞现象［9］。 同时，液滴对壁面的冲蚀作用非常微弱， 因此气液旋风分离器可以具有较大的入口速度。此外，入口速度的增大必然导致压降的增大。综合考虑这2 个因素，将入口速度限制在30～35 m/s，由此来确定旋风管入口结 构 尺 寸［10］。

旋风分离器入口流量是影响液滴迁移的重要因素，当入口流量增加到一定值后，旋风分离器边壁平均粒径随入口流量的增加而降低。 如果入口流量太小，迁移到中央的油滴容易返回边壁，旋风分离器边壁的平均粒径基本不随入口流量的变化而变化，旋风分离器的分离效果较差，入口速度与分离效率成非线性正比，因此直径越小，分离效果越好［11］。 旋风分离器的压力损失和入口速度成正比，因此直径不能太大，也不能太小。 一般将入口速度控制在30 m/s 左右为宜。

综合考虑该实际项目的流量及容器尺寸，分配管选用外径ϕ406 mm 的316L 无缝钢管， 外筒选用外径ϕ324 mm 的316L 无缝钢管， 这样流速可控制在合理范围内。316L 无缝钢管内表面比较光滑，有利于分离，而且316L 是常用材料，易于采购。

3.2 进气口

一般内、外层筒体间距在50 mm 左右，故内筒选用外径ϕ219 mm 的无缝钢管。 这样内筒与分配管相切，自然形成一个进气口。 进气口的长、宽应按其面积和内外筒间的流通面积相等来确定。

3.3 长度

3.3.1 内筒

内筒是旋风管的核心部分， 通过内筒可以控制内漩涡直径的大小， 并影响切割直径与压力损失。 内筒直径Dx需要结合旋风管直径D 来确定，Dx/D 较大，可保证足够的漩涡强度，同时不易出现液膜损失［12］。

内筒内插长度大约延伸到与入口管底部齐平的位置。 内插长度延长，会增加气流压降［13］，同时减少气液旋风分离器中的液膜损失， 一定程度上起到了抗液体蠕动的作用。 根据该项目的液位设定和压降，旋风管应浸入液体0.5 m 左右，内筒长度Hx一般为旋流长度的0.5 倍，且内筒到液面的高度应在0.8 m 左右。根据内筒到液面的距离，确定内筒长度Hx=520 mm。

3.3.2 旋风管

确定旋风管长度时，需在可靠性（旋转漩涡不应在器壁上终止）和分离性能之间进行权衡。若其它情况相同，通过增加旋风管长度，可提高分离性能并降低压降［14］。 但对于多管式分离器，单管长度的增加会增大整体设备尺寸， 增加制造和运输成本。 旋风管最优设计长度按下式计算：

式中，H 为旋风管长度，Hx为内筒长度，D 为旋风管直径，m；Ax为内筒面积，Ain为入口面积，m2。

综合考虑分离效果、设备成本，根据该项目实际工况，按式（1）确定旋风管长度H=1 710 mm。

3.4 旋风管数量

该项目的处理量为96 978 kg/h，一般单根旋风管处理能力在8 000 kg/h 左右。 根据旋风管入口大小和分配管尺寸，基于流通面积应相等、通过分配管保证各旋风管中的流量近似相等的原则，计算得出需12 根旋风管。

4 高效圆筒式旋风管结构设计及计算方法

根据旋风分离理论， 旋风分离的计算有多种模型。 经研究对比，发现MUSCHELKNAUTZ 计算方法和工况与中海油乐东22-1 平台分离器改造项目工况比较接近［15］。因此采用MUSCHELKNAUTZ 模型进行计算，并根据实际情况调整了部分参数，实用 性 更 强［16］。

4.1 分离性能

4.1.1 摩擦面积Ar

摩擦面积Ar计算公式为：

将 D=0.324 m、Dx=0.219 m、H=1.71 m、Hx=0.52 m 带入式（2），计算得出Ar=2.14 m2。

4.1.2 入口收缩系数Kin

入口收缩系数Kin计算公式为：

式中，Co为入口气流中液体质量与气体质量的比值；b 为旋风管入口宽度，m。

将b=0.026 m、D=0.324 m、Co=0.04 带 入 式（3）、式（4），计算得出Kin=0.839。

4.1.3 器壁表面切向速度vow

器壁表面切向速度vow计算公式为：

式中，vin为旋风管入口速度，m/s；a 为旋风管入口高度，Rin为旋风管入口半径，m。

将qV=147 448 m3/h、a=0.11 m、b=0.026 m、Rin=0.151 m、D=0.324 m、Kin=0.839 带 入 式（5）、式（6），计算得出vow=37.64 m/s。

4.1.4 器壁表面轴向速度vzw

器壁表面轴向速度vzw计算公式为：

式中，Rm为旋风管筒体与内筒之间的平均半径，m。

将qV=147 448 m3/h、D=0.324 m、Dx=0.219 m带 入 式 （7）、 式 （8）， 计 算 得 出Rm=0.133 m、vzw=3.26 m/s。

4.1.5 雷诺数ReR

雷诺数ReR计算公式为：

式 中，ρg为 气 体 密 度，kg/m3；μg为 气 体 的 绝 对 黏度，Pa·s。

将ρg=23.23 kg/m3、vzw=3.26 m/s、D=0.324 m、μg=1.5×10-5Pa·s、Rm=0.133 m、H=1.71 m 带 入式（9），计算得到ReR=67 157.49。

4.1.6 总摩擦因数f

总摩擦因数f 计算公式为：

式中，fair为气体摩阻因数， 由雷诺数与相对粗糙度查得fair=0.005 8。

将fair=0.005 8、Co=0.04 带 入 式（10），计 算得到f=0.006 8。

4.1.7 内漩涡旋转速度vocs

内漩涡旋转速度vocs计算公式为：

将vow=37.64 m/s、D=0.324 m、Dx=0.219 m、f=0.006 8、Ar=2.14 m2、qV=147 448 m3/h 带 入 式（11），计算得出vocs=15.45 m/s。

4.1.8 切割直径d50

切割直径d50计算公式为：

式 中，ρs为 液 滴 密 度，kg/m3；Hi为 旋 风 筒 出 料 口至内筒底部距离，m。

将μg=1.5×10-5Pa·s、qV=147 448 m3/h、ρs=1 006.06 kg/m3、ρg=23.23 kg/m3、vocs=15.45 m/s、Hi=1.19 m 带入式（12），计算得出d50=3.57μm。

4.1.9 分离效率

求得切割直径d50后， 可根据下式计算不同粒径颗粒的分离效率：

根据式（13）计算得出颗粒直径di为5μm、6μm、8μm 时 的 分 离 效 率 分 别 为 89.62% 、96.52%、99.43%。 可以看出，该旋风管分离性能优良，89.62%的5μm 以上固体颗粒和液滴可被去除，96.52%的6μm 以上固体颗粒和液滴可被去除，8μm 以上的固体颗粒和液滴基本上被除尽。

4.2 压降

旋风分离器的压降由进口处加速压降、 旋风管本体压降Δpb（由气液两相与器壁摩擦导致）以及旋转涡核和升气管中的压降Δpb共3 部分组成。 其中进口处加速压降可以通过设计合理的入口结构加以消除，对于本高效圆筒式旋风管，该项压降为0。

旋风管本体压降Δpb计算公式为：

将各参数数值带入式（14），可以计算得到Δpb=17 514.92 Pa。

旋转涡核和升气管中的压降Δpx计算公式如下：

式中，vx为升气管中的气体流速，m/s。

将 各 参 数 带 入 式（15）、式（16），计 算 得 到Δpx=5 418.95 Pa。

旋风管总压降Δp=Δpb+Δpx=22.933.87 Pa。实际测量内件压降为23 kPa，计算结果与工程实际测量数据较吻合， 说明文中计算方法满足工程设计需要。

5 高效圆筒式旋风管计算方法的试验验证

5.1 试验装置及方法

为了验证文中计算方法的准确性，采用如图2和图3 所示的高效圆筒式旋风管气液分离试验装置及气固分离试验装置进行相关数据测量。

图2 高效圆筒式旋风管气液分离试验装置

图3 高效圆筒式旋风管气固分离试验装置

在气液分离试验中， 采用压缩机和双流体喷嘴将水进行雾化后喷入分离器， 以模拟天然气中所含液滴的流动状态。 将积液腔收集的液体称重可以计算出分离器对液体的总分离效率， 在分离器出口用在线激光粒度分析仪对排气管内净化气流进行测试，分析其中夹带的液滴粒度，以评价分离性能。

气固分离试验采用中位粒径为9.425μm 的滑石粉模拟工况条件下天然气中的固相颗粒，入口质量浓度为1 g/m3， 采用气力输送的方式从分离器入口喷入。 通过计量在灰斗收集到的粉尘量可以计算出分离器的分离效率。 在分离器的出口用过滤器进行采样和粒度分析， 可以评价分离器对不同粒径颗粒的分离效率。

在旋风管进、处口侧各安装1 只压力表，用于测量进、出口侧压力，计算出的压差即为旋风管的压降。

5.2 试验数据及分析

采用激光粒度分析仪对高效圆筒式旋风管进、出口的粉尘粒径分布进行对比分析，见图4。由图4 可以看出， 旋风管进口粉尘粒径主要分布在0.4～58μm ，中位粒径为9.425μm；旋风管出口采样粉尘粒径主要分布在0.4～7μm ， 中位粒径为1.567μm。

图4 高效圆筒式旋风管进出口粉尘粒径分布

根据分离器进、 出口粉尘粒度分布和总效率计算出的高效圆筒式旋风管粒级分离效率曲线见图5。 由图5 可以明显看出， 进入旋风管的8μm颗粒的分离效率基本达到100%。

图5 高效圆筒式旋风管粒级分离效率曲线

高效圆筒式旋风管的阻力特性曲线见图6，可以看出，旋风管单管压降在3 kPa 以下。由于实际应用中均为多管组合应用，因此压降会增大。一般工程项目要求旋风管总压降控制在50 kPa 以下，根据前述计算结果和实测数据，高效圆筒式旋风管压降可控制在25 kPa 以下，满足工程实际应用要求。

图6 高效圆筒式旋风管阻力特性曲线

6 结语

针对中海油乐东22-1 平台高、低压生产分离器改造项目， 提出了一种高效圆筒式旋风管结构设计及计算方法。 设计的高效圆筒式旋风管结构简单、造价低、稳定性强、操作弹性大且不容易产生返混， 可将8μm 以上的液滴及8μm 以上的固体颗粒基本去除，分离效果显著提升，且压降小于25 kPa。

旋风管的计算原理基本类似， 但很多计算模型的计算结果与实际结果相差较大。 文中采用与实际工况接近的MUSCHELKNAUTZ 模型进行计算，并根据实际情况修正了计算参数， 经现场产液量的实际测量对比，二者数据吻合较好。经过试验验证， 高效圆筒式旋风管性能可满足工程实际使用要求。