譚依玲，袁紹軍，楊佳奇

（1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610225；2. 昊華氣體有限公司西南分公司，四川 成都 610225；3. 成都西柚子科技有限公司，四川 成都 610500）

隨著國(guó)家提出力爭(zhēng)在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，我國(guó)的能源供需結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。未來(lái)國(guó)內(nèi)的天然氣消費(fèi)將會(huì)迎來(lái)大規(guī)模的增長(zhǎng)，除增加進(jìn)口天然氣總量外，國(guó)內(nèi)的天然氣開(kāi)采量也會(huì)逐漸增加。開(kāi)采出的天然氣含有多種雜質(zhì)，需要對(duì)含雜質(zhì)天然氣進(jìn)行分離后方能應(yīng)用，天然氣化工領(lǐng)域常用的分離器主要為立式旋風(fēng)分離器和臥式分離器[1]。立式旋風(fēng)分離器主要處理密度差較大的相，如氣液、氣固和液固等，與沉降或者過(guò)濾分離對(duì)比，旋風(fēng)式分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、成本較低和可在高溫高壓下工作等優(yōu)點(diǎn)。臥式分離器相較于傳統(tǒng)分離器具有分離效率高、處理介質(zhì)復(fù)雜情況效果好的優(yōu)點(diǎn)。在石油天然氣化工領(lǐng)域，立式旋風(fēng)分離器及臥式分離器被廣泛應(yīng)用。

研究分離器的分離效率主要有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析研究?jī)煞N方法，實(shí)驗(yàn)研究主要以中試為基礎(chǔ)，確定尺寸后進(jìn)行終試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提取終試數(shù)據(jù)與中試數(shù)據(jù)對(duì)比；數(shù)值分析主要采用多相流模型和湍流模型相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。目前，研究分離器分離效率及流場(chǎng)分布的主要方法為數(shù)值分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正數(shù)值分析輸入?yún)?shù)，在修正模型的基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值分析模型去驗(yàn)證流場(chǎng)分布規(guī)律。2007 年，曹學(xué)文等[2]采用計(jì)算流體力學(xué)的技術(shù)研究了超聲旋流分離器內(nèi)的物性及流場(chǎng)特性，分析了超聲速旋流分離器內(nèi)部的溫度、壓力和速度等參數(shù)的變化規(guī)律，研究了凝析液滴在超聲速旋流分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和液滴停留時(shí)間；2007 年，李仁年等[3]采用FLUENT軟件對(duì)一旋風(fēng)式分離器內(nèi)部氣相流場(chǎng)和顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，采用多相流和拉格朗日方法相結(jié)合，湍流模型采用k-e RNG，最終得到了分離效率的影響因素；2008，張慢來(lái)等[4]運(yùn)用CFD技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型的離心式氣液分離器，對(duì)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了討論，并將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比；2010 年，吳小林等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式系統(tǒng)的評(píng)價(jià)了天然氣凈化用多管旋風(fēng)分離器的分離性能，研究了流速范圍在6~24 m/s，入口顆粒含量在30~2000 mg/m3內(nèi)多管旋風(fēng)分離器的分離效率和分級(jí)效率；2014 年，呂智等[6]針對(duì)旋風(fēng)分離器的適用性問(wèn)題，研究了不同工況條件下各個(gè)工作參數(shù)對(duì)分離器效率的影響，將固體粒徑和密度以及分離器的入口速度作為變量，采用k-e RNG模型，基于多相流模型和拉格朗日相結(jié)合的方式對(duì)旋風(fēng)式分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析討論，并引入正交試驗(yàn)的方式對(duì)各變量影響因素進(jìn)行了研究；2018 年，段振亞等[7]詳細(xì)介紹了天然氣超音速旋流分離技術(shù)，分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀和數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)天然氣超音速旋流分離技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題提出了展望；2021 年，李昊琦等[8]根據(jù)已有研究結(jié)果，對(duì)立式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，分析了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明旋風(fēng)分離器分離效率與分離筒直徑有較大的關(guān)系，35 mm為一個(gè)臨界點(diǎn)，低于35 mm時(shí)分離效率隨著分離筒直徑的增大而增加，高于該數(shù)值則不再適用。

本文通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)含油水砂礫天然氣的多相流分離器進(jìn)行分析研究，討論在給定處理量（混合物入口流速2.5 m/s）、給定組分比下（油體積分?jǐn)?shù)為9%、氣體積分?jǐn)?shù)為10%、水體積分?jǐn)?shù)為81%，砂礫含量為300 mg/m3），臥式分離器和立式旋風(fēng)分離器組合的工藝處理分離效率?？偨Y(jié)目前調(diào)研文獻(xiàn)內(nèi)容，大多為對(duì)單個(gè)分離器進(jìn)行分析研究，將臥式分離器和立式旋風(fēng)分離器耦合計(jì)算的較少，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化較少。基于上述兩點(diǎn)，本文擬采用數(shù)值分析的方法對(duì)立式旋風(fēng)分離器和臥式分離器耦合計(jì)算進(jìn)行分離效率及內(nèi)部流場(chǎng)研究，并在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化前后數(shù)據(jù)及分離效率進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)現(xiàn)立式臥式分離器的耦合計(jì)算，可以將單個(gè)設(shè)備的數(shù)值分析研究放大到一個(gè)簡(jiǎn)單工藝流程的數(shù)值分析研究，研究?jī)?nèi)部更加貼近工程實(shí)際。

1 模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 幾何模型及計(jì)算工況

計(jì)算對(duì)象為立式旋風(fēng)分離器和臥式分離器的組合裝置，主要討論兩種分離器組成工藝的分離效率，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，分離器的幾何模型及工藝流程示意圖如圖1 所示。

由圖1 可知，整個(gè)工藝由臥式分離器和立式旋風(fēng)分離器組成，在臥式分離器中主要實(shí)現(xiàn)天然氣、油與水、砂礫的分離，立式旋風(fēng)分離器中主要實(shí)現(xiàn)天然氣和油的分離，經(jīng)過(guò)該工藝實(shí)現(xiàn)油氣水砂礫多相分離。臥式分離器長(zhǎng)2500 mm，直徑300 mm，入口管徑40 mm，油相出口管徑30 mm，水相出口管徑20 mm，在臥式分離器中，油相出口部分設(shè)置有擋板，用于分離油氣兩相。立式旋風(fēng)分離器主筒直徑為75 mm，油出口管徑為20 mm，水出口管徑為20 mm，天然氣出口管徑為30 mm，立式旋風(fēng)分離器中直徑較大的為主筒，主筒長(zhǎng)度為378 mm，直徑較小的為副筒，副筒長(zhǎng)度為850 mm，整個(gè)工藝流程入口位于臥式分離器器油氣水砂礫入口。

圖1 分離器幾何模型及工藝流程Fig. 1 Geometric model and process flow of separators

主要討論含油水砂礫天然氣的分離效率，通過(guò)數(shù)值分析研究含油水砂礫天然氣在臥式分離器及立式旋風(fēng)分離器中的分離效率及內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，輸入?yún)?shù)如表1 所示。

表1 輸入?yún)?shù)Table 1 Input parameters

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS-ICEM對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，其中分別對(duì)立式旋風(fēng)分離器和臥式分離器進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，立式旋風(fēng)分離器劃分網(wǎng)格數(shù)分別為18 萬(wàn)、45 萬(wàn)、86 萬(wàn)、164 萬(wàn)和359 萬(wàn)，臥式分離器劃分網(wǎng)格數(shù)分別為23 萬(wàn)、65 萬(wàn)、135 萬(wàn)、306 萬(wàn)和895 萬(wàn)，所劃分網(wǎng)格最小網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3 以上，平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.7 左右，網(wǎng)格劃分方式為四面體網(wǎng)格填充，選取入口壓力作為判定網(wǎng)格是否收斂的標(biāo)準(zhǔn)，繪制曲線如圖2 所示。

由圖2 可知，隨著網(wǎng)格單元數(shù)的增加，入口壓力逐漸增大，對(duì)于立式旋風(fēng)分離器，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到164 萬(wàn)時(shí)入口壓力數(shù)值穩(wěn)定，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，入口壓力數(shù)值變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)；對(duì)于臥式分離器，網(wǎng)格數(shù)為306 萬(wàn)時(shí)壓力穩(wěn)定，在后續(xù)計(jì)算中選取該種尺度下的網(wǎng)格進(jìn)行分析討論。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性曲線Fig. 2 Grid independent curves

圖3為兩種分離器的網(wǎng)格分布規(guī)律，采用全域控制單元尺寸，局部加密的方式進(jìn)行處理。

圖3 臥式分離器(a)和立式旋風(fēng)分離器(b)的網(wǎng)格尺度分布模型Fig. 3 Grid distribution models of horizontal separator (a)and vertical cyclone separator (b)

1.3 控制方程

采用數(shù)值分析的方法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散求解分析，通過(guò)迭代逼近的方式對(duì)離散的偏微分控制方程進(jìn)行求解，方程的表述形式采用歐拉描述方法[9]。主要方程為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

式中，ρ—流體密度，kg/m3；t—時(shí)間，s相速度矢量，m/s；Sq—q相質(zhì)量源相；α—不同相的體積分?jǐn)?shù)，%；q和p分別代表兩相，m—兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)化，kg/s；mpq—相p轉(zhuǎn)化為相q的質(zhì)量，kg/s；mqp—相q轉(zhuǎn)化為相p的質(zhì)量，kg/s。

式(1)為q相的質(zhì)量守恒方程，p相的質(zhì)量守恒方程和q相質(zhì)量守恒方程類(lèi)似。

動(dòng)量守恒方程：

式中，F(xiàn)—各類(lèi)相間作用力（下標(biāo)為lift代表升力，wl代表壁面潤(rùn)滑力，vm代表虛擬質(zhì)量力，td代表湍流擴(kuò)散力），N；P—壓力當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，相間作用力系數(shù)應(yīng)力張量。

能量守恒方程：

式中，h—焓變；Sq—熱源；Qpq—p，q兩相之間的熱交換強(qiáng)度相速度矢量，m/s。

該分析中不涉及到熱量分析，因此不考慮傳熱，在整個(gè)分析中相間作用力較為重要。

1.4 模型驗(yàn)證

針對(duì)處理含固體顆粒雜質(zhì)天然氣應(yīng)用到的分離設(shè)備，選取某型號(hào)兩相分離器（氣-固），通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)該型號(hào)氣固分離器的分離效率進(jìn)行仿真，并將其結(jié)果與該種設(shè)備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選用模型的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]中，圖4 為數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選用的模型尺寸。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鏔ig. 4 Experiment model

采用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器進(jìn)行數(shù)值仿真，采用mixture多相流模型考慮氣固相、k-eRNG考慮湍動(dòng)能，通過(guò)phase interaction考慮相間的作用力，主要包括曳力、壓力梯度力、升力和Stokes力。分離器入口選用速度入口，設(shè)備處理量出口選用壓力出口，壁面無(wú)滑移，離散格式采用二階迎風(fēng)，迭代算法采用SIMPLE算法。以下對(duì)分離效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要對(duì)分離器壓降和分離效率與所選用數(shù)值分析模型進(jìn)行模型驗(yàn)證，其中分離效率在顆粒粒徑選擇為7 μm時(shí)，數(shù)值仿真結(jié)果為90.50%，與此對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為93.60%，壓降對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 模型驗(yàn)證對(duì)比Fig. 5 Model validation comparison

如計(jì)算結(jié)果所示，本文所選用的數(shù)值分析模型具有有效性，隨著速度的增大，通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差出現(xiàn)在速度為10 m/s時(shí)，此時(shí)數(shù)值分析計(jì)算得到壓降數(shù)據(jù)為412 Pa，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為399 Pa，最大誤差為3.26%。通過(guò)將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)能證明所選用數(shù)學(xué)物理模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)分離效率及內(nèi)部流場(chǎng)分布。

2 結(jié)果討論

在給定輸入?yún)?shù)條件下，采用給定數(shù)學(xué)物理模型對(duì)所劃分網(wǎng)格計(jì)算域進(jìn)行分析。

2.1 臥式分離器分析

臥式分離器入口進(jìn)入含油水砂礫的天然氣，由于重力和出口折板的作用，初步實(shí)現(xiàn)了天然氣、油與水砂礫分離的效果，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 臥式分離器內(nèi)部流線分布(a)和云圖分布(b)Fig. 6 Streamline distribution (a) and cloud distribution (b)inside horizontal separator

天然氣由上端出口被分離，由于油密度較小，因此在出口處天然氣攜帶部分油，通過(guò)統(tǒng)計(jì)出入口天然氣及油的質(zhì)量流量，計(jì)算得到，臥式分離器中有92.60%的天然氣被分離，86.70%的油被分離，砂礫沉積在臥式分離器底端，水則從左下角出口分離。從流線圖中可以看出混合物進(jìn)入臥式分離器后有較大的擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)臥式分離器中段后，流線逐漸趨于平穩(wěn)。實(shí)際工程中也證明，平穩(wěn)的流線更利于臥式分離器的分離效率提升。

2.2 立式旋風(fēng)分離器分析

通過(guò)UDF將臥式分離器中天然氣出口處的介質(zhì)作為旋風(fēng)分離器入口邊界條件，對(duì)立式旋風(fēng)分離器中的天然氣分離效率進(jìn)行了分析研究。以下主要從相云圖分布和流線等對(duì)立式旋風(fēng)分離器進(jìn)行分析討論。

通過(guò)計(jì)算對(duì)比入口天然氣的總質(zhì)量與監(jiān)測(cè)面旋風(fēng)分離器頂端的出口天然氣總質(zhì)量可以得到，該設(shè)計(jì)及工況條件下的立式旋風(fēng)分離器分離效率為96.30%。圖7 為旋風(fēng)式分離器內(nèi)部流場(chǎng)氣相云圖。

圖7 旋風(fēng)式分離器氣相云圖三維分布(a)和二維分布(b)Fig. 7 Three-dimensional distribution (a) and twodimensional distribution (b) of cyclone separator gas phase cloud image

從圖7 可以看出，在旋風(fēng)式分離器中油氣混合物從入口端進(jìn)入，由于離心力的作用，天然氣的密度較小，慣性小，在旋風(fēng)式分離器的中間位置出現(xiàn)氣柱，由于浮力作用，該氣柱從頂端出口上升逃逸，剩余油沿著立式旋風(fēng)分離器壁面螺旋下降并沉積在下端排除，實(shí)現(xiàn)分離效果，如圖7(b)所示，中間位置越靠近上端，氣柱體積分?jǐn)?shù)越大，在旋風(fēng)式分離器底部基本沒(méi)有，因此分離效率較好。

圖8為旋風(fēng)式分離器湍動(dòng)能分布規(guī)律。從圖8可以看出，在旋風(fēng)式分離器中軸附近上端位置湍動(dòng)能較大，主要是因?yàn)橛蜌馑旌衔飫傔M(jìn)入時(shí)離心力作用，造成湍動(dòng)能較大，下端由于脈動(dòng)較小，因此湍動(dòng)能較小。

圖8 旋風(fēng)式分離器截面(a)和剖面(b)湍動(dòng)能分布Fig. 8 Turbulent kinetic energy distribution in cross section(a) and vertical section (b) of cyclone separator

圖9為流線分布圖，從中可以看出內(nèi)部的流動(dòng)情況，油氣水的分離主要是因?yàn)樵摲N旋流在密度差的情況下形成分離。

圖9 旋風(fēng)式分離器天然氣流線速度三維分布(a)和流線ID三維分布(b)Fig. 9 Three-dimensional velocity distribution (a) and streamline ID 3D distribution (b) of natural gas

2.3 分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在文獻(xiàn)[11]基礎(chǔ)上，對(duì)臥式分離器內(nèi)部進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要方法為通過(guò)增加擋板、折流板的方式增大內(nèi)部油水混合物的流動(dòng)距離和停留時(shí)間，從而提高油水的分離效率，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 臥式分離器優(yōu)化位置Fig. 10 Optimized position of horizontal separator

如圖10 所示，在優(yōu)化后的臥式分離器中增加了5 處擋板或折流板、分別為a、b、c、d以及e。增加折流板或擋板后，天然氣的分離效率達(dá)到94.50%，油的分離效率達(dá)到92.10%。圖11 為臥式分離器優(yōu)化后內(nèi)部的流場(chǎng)分布。如圖11(a)所示，折流板的增加使油水混合物從入口端進(jìn)入后經(jīng)歷的路程增加，從而導(dǎo)致停留時(shí)間增加。如圖11(b)所示，折板處油的體積分?jǐn)?shù)較其余處大，結(jié)合流線認(rèn)為折流板有利于臥式分離器的天然氣油水的分離，增加分離效率。

圖11 臥式分離器優(yōu)化后內(nèi)部流場(chǎng)流線分布(a)和云圖分布(b)Fig. 11 Streamline distribution (a) and cloud distribution(b) of internal flow field of optimization horizontal separator

2.4 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

表2為分離器優(yōu)化前后天然氣油水等的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。從表2 可以看出，通過(guò)在臥式分離器中增加折板，延長(zhǎng)臥式分離器中氣油水的停留時(shí)間，可以有效提高分離器的分離效率。經(jīng)過(guò)出入口統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后的整個(gè)工藝流程中，天然氣的分離效率從89.33%提高到91.11%，油的分離效率從86.67%提高到92.10%。

表2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)分析Table 2 Data analysis before and after optimization

3 結(jié)論

針對(duì)天然氣行業(yè)中的分離設(shè)備，采用數(shù)值分析的方法對(duì)立式旋風(fēng)分離器、臥式分離器內(nèi)部流場(chǎng)及分離效率進(jìn)行了研究分析。在所選用數(shù)學(xué)物理模型有效性的基礎(chǔ)上，討論了含油水砂礫天然氣在分離器中的分離效率及內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律；基于計(jì)算結(jié)果并結(jié)合調(diào)研文獻(xiàn)，針對(duì)臥式分離器分離效率較低的情況，對(duì)臥式分離器內(nèi)部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)增加擋板、折流板的方式進(jìn)行了分析討論。得到了以下結(jié)論。

（1）采用mixture多相流模型、k-eRNG湍流模型的方式能有效的模擬含油水砂礫天然氣在分離器中的分離效率和流場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差為3.26%

（2）立式旋風(fēng)分離器中軸周?chē)膭?dòng)能較大，最大速度出現(xiàn)在頂端出口下部位置。由于天然氣密度較小和受到離心力的作用，天然氣會(huì)在分離器中軸上端部分形成錐狀氣柱，該氣柱的規(guī)模決定了分離效率的高低，氣柱越短，分離效率越高。在給定模型尺寸和工況參數(shù)情況下，立式旋風(fēng)分離器的分離效率較高，能達(dá)到95.00%以上。

（3）臥式分離器能較好的實(shí)現(xiàn)油氣水砂礫的第一階段分離，但含油部分的分離效率較低，主要是因?yàn)橛退嘣诜蛛x器內(nèi)的停留時(shí)間較短。通過(guò)在臥式分離器中增加折流板、擋板的方式，延長(zhǎng)了油水在分離器中的停留時(shí)間，從而提高了臥式分離器的效率。優(yōu)化后臥式分離器天然氣分離效率從92.60%提高到94.50%，油分離效率從86.70%提高到92.10%。整個(gè)工藝流程中，天然氣分離效率從89.33%提高到91.11%，油分離效率從86.67%提高到92.10%。