劉學(xué)虎， 謝騰騰， 孫冬來(lái)， 李海濤， 李吉萍

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518）

旋風(fēng)分離器是一種高效、節(jié)能、造價(jià)低的分離設(shè)備［1］，具有體積小、占地面積少、處理過(guò)程連續(xù)、分離時(shí)間短、無(wú)需反沖洗和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于石油、 天然氣等的工業(yè)處理過(guò)程中［2］。 在油、氣、水三相分離中，旋風(fēng)分離器應(yīng)用較為普遍［3］，但分離效果差別較大。 文中結(jié)合中海油樂(lè)東22-1 平臺(tái)高、 低壓兩相生產(chǎn)分離器改造項(xiàng)目，提出了一種分離器用高效圓筒式旋風(fēng)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，并通過(guò)試驗(yàn)、實(shí)測(cè)等方法對(duì)此計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)際工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

中海油樂(lè)東22-1 平臺(tái)高壓兩相分離器尺寸2.2 m（ID）×6.4 m（T/T），設(shè)計(jì)參數(shù)為，氣體處理量240 萬(wàn)m3/d、液體處理量43 m3/d，設(shè)計(jì)壓力5 700 kPa （G）、 設(shè) 計(jì) 溫 度84 ℃， 操 作 壓 力1 670～5 070 kPa（G）、操作溫度38 ℃，實(shí)際氣體體積流量qV=147 448 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）、液體體積流量qVs=4.12 m3/h。 分離器介質(zhì)為天然氣（含少量水、原油），壓降要求小于50 kPa（G），液位設(shè)定：低低報(bào)警液位250 mm，低報(bào)警液位325 mm，正常液位800 mm，高報(bào)警液位1 175 mm，高高報(bào)警液位1 250 mm。 由于該項(xiàng)目處理量增加，原分離器分離效果欠佳，故設(shè)計(jì)了一種高效圓筒式旋風(fēng)管對(duì)其進(jìn)行改造。

2 高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

通過(guò)比較各種旋風(fēng)管的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高效圓筒式旋風(fēng)管。 為克服常規(guī)圓筒式旋風(fēng)管的缺點(diǎn)，增加了內(nèi)筒，設(shè)計(jì)成雙層圓筒式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

工藝介質(zhì)從入口進(jìn)入， 通過(guò)分配管被均勻分配到每個(gè)旋風(fēng)管，由切向進(jìn)入旋風(fēng)管產(chǎn)生旋流［4］，氣體旋轉(zhuǎn)向下經(jīng)內(nèi)筒向上排出。 液體和固體在外筒內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，向下排出，完成氣液分離［5］。 高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降小、造價(jià)低、分離精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作彈性大且不容易產(chǎn)生返混，是一種分離效果良好的分離器內(nèi)件。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

①為了方便形成旋流，采用切向進(jìn)氣，內(nèi)筒與分配管相切，自然形成入口，流通性優(yōu)良。 ②為了提高分離精度，增加了內(nèi)筒，并在內(nèi)筒上焊接了支撐，提高了穩(wěn)定性。③消除了分離器內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)制渦， 得到了穩(wěn)定的回旋流， 中心部的空氣柱消失，粒子分離效率得以提高，壓力損失極大降低。④為了進(jìn)氣平穩(wěn)和利于布置，采用對(duì)稱布置方式，可方便進(jìn)行多管并聯(lián)，以適應(yīng)不同的處理量要求。

3 高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)參數(shù)初步確定

3.1 造旋結(jié)構(gòu)

單層圓筒形旋風(fēng)管中心處存在著空氣柱，這是由于分離器內(nèi)部存在回旋流［6］，中心部壓力低，空氣從下向流排出口被吸進(jìn)直通上部的噴流室而形成的。 因此，空氣柱內(nèi)存在上升流，與空氣柱相接觸的液體也存在上升流。 而在分離器側(cè)壁附近卻有下降流存在， 所以在分離器下向流排出口附近一個(gè)非常窄小的范圍內(nèi)， 同時(shí)存在著上升流和下降流［7］，形成紊流混合。紊流混合會(huì)使本該被分離出來(lái)的粒子， 隨著上升流一起從上向流排出管排出，這是普通分離器分離效率低的主要原因。高效圓筒式旋風(fēng)管的內(nèi)筒恰好處在分離器中心部壓力較低處，氣體不能從分離器底部被吸入，完全消除了空氣柱，使上升流減少，圓周方向回旋流速均勻，從而提高了分離效率。

旋風(fēng)管入口結(jié)構(gòu)尺寸決定氣流入口速度［8］，在一定程度上，入口速度越大，分離效果越好。 對(duì)于高濃度的氣固旋風(fēng)分離器， 常見(jiàn)的入口速度一般在15～18 m/s。 而低濃度的旋風(fēng)分離器中，入口速度可以增加到23～26 m/s。 當(dāng)入口速度高于30 m/s 時(shí)，會(huì)增加旋風(fēng)管的沖蝕磨損及固體顆粒的返混。但對(duì)于氣液旋風(fēng)分離器，由于液滴的表面張力作用，小液滴很容易聚結(jié)成大液滴，一旦液滴在離心力的作用下被甩向壁面， 就會(huì)與壁面的液膜聚結(jié)在一起， 然后在氣流和重力作用下向下流動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)返混和堵塞現(xiàn)象［9］。 同時(shí)，液滴對(duì)壁面的沖蝕作用非常微弱， 因此氣液旋風(fēng)分離器可以具有較大的入口速度。此外，入口速度的增大必然導(dǎo)致壓降的增大。綜合考慮這2 個(gè)因素，將入口速度限制在30～35 m/s，由此來(lái)確定旋風(fēng)管入口結(jié) 構(gòu) 尺 寸［10］。

旋風(fēng)分離器入口流量是影響液滴遷移的重要因素，當(dāng)入口流量增加到一定值后，旋風(fēng)分離器邊壁平均粒徑隨入口流量的增加而降低。 如果入口流量太小，遷移到中央的油滴容易返回邊壁，旋風(fēng)分離器邊壁的平均粒徑基本不隨入口流量的變化而變化，旋風(fēng)分離器的分離效果較差，入口速度與分離效率成非線性正比，因此直徑越小，分離效果越好［11］。 旋風(fēng)分離器的壓力損失和入口速度成正比，因此直徑不能太大，也不能太小。 一般將入口速度控制在30 m/s 左右為宜。

綜合考慮該實(shí)際項(xiàng)目的流量及容器尺寸，分配管選用外徑?406 mm 的316L 無(wú)縫鋼管， 外筒選用外徑?324 mm 的316L 無(wú)縫鋼管， 這樣流速可控制在合理范圍內(nèi)。316L 無(wú)縫鋼管內(nèi)表面比較光滑，有利于分離，而且316L 是常用材料，易于采購(gòu)。

3.2 進(jìn)氣口

一般內(nèi)、外層筒體間距在50 mm 左右，故內(nèi)筒選用外徑?219 mm 的無(wú)縫鋼管。 這樣內(nèi)筒與分配管相切，自然形成一個(gè)進(jìn)氣口。 進(jìn)氣口的長(zhǎng)、寬應(yīng)按其面積和內(nèi)外筒間的流通面積相等來(lái)確定。

3.3 長(zhǎng)度

3.3.1 內(nèi)筒

內(nèi)筒是旋風(fēng)管的核心部分， 通過(guò)內(nèi)筒可以控制內(nèi)漩渦直徑的大小， 并影響切割直徑與壓力損失。 內(nèi)筒直徑Dx需要結(jié)合旋風(fēng)管直徑D 來(lái)確定，Dx/D 較大，可保證足夠的漩渦強(qiáng)度，同時(shí)不易出現(xiàn)液膜損失［12］。

內(nèi)筒內(nèi)插長(zhǎng)度大約延伸到與入口管底部齊平的位置。 內(nèi)插長(zhǎng)度延長(zhǎng)，會(huì)增加氣流壓降［13］，同時(shí)減少氣液旋風(fēng)分離器中的液膜損失， 一定程度上起到了抗液體蠕動(dòng)的作用。 根據(jù)該項(xiàng)目的液位設(shè)定和壓降，旋風(fēng)管應(yīng)浸入液體0.5 m 左右，內(nèi)筒長(zhǎng)度Hx一般為旋流長(zhǎng)度的0.5 倍，且內(nèi)筒到液面的高度應(yīng)在0.8 m 左右。根據(jù)內(nèi)筒到液面的距離，確定內(nèi)筒長(zhǎng)度Hx=520 mm。

3.3.2 旋風(fēng)管

確定旋風(fēng)管長(zhǎng)度時(shí)，需在可靠性（旋轉(zhuǎn)漩渦不應(yīng)在器壁上終止）和分離性能之間進(jìn)行權(quán)衡。若其它情況相同，通過(guò)增加旋風(fēng)管長(zhǎng)度，可提高分離性能并降低壓降［14］。 但對(duì)于多管式分離器，單管長(zhǎng)度的增加會(huì)增大整體設(shè)備尺寸， 增加制造和運(yùn)輸成本。 旋風(fēng)管最優(yōu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中，H 為旋風(fēng)管長(zhǎng)度，Hx為內(nèi)筒長(zhǎng)度，D 為旋風(fēng)管直徑，m；Ax為內(nèi)筒面積，Ain為入口面積，m2。

綜合考慮分離效果、設(shè)備成本，根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際工況，按式（1）確定旋風(fēng)管長(zhǎng)度H=1 710 mm。

3.4 旋風(fēng)管數(shù)量

該項(xiàng)目的處理量為96 978 kg/h，一般單根旋風(fēng)管處理能力在8 000 kg/h 左右。 根據(jù)旋風(fēng)管入口大小和分配管尺寸，基于流通面積應(yīng)相等、通過(guò)分配管保證各旋風(fēng)管中的流量近似相等的原則，計(jì)算得出需12 根旋風(fēng)管。

4 高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

根據(jù)旋風(fēng)分離理論， 旋風(fēng)分離的計(jì)算有多種模型。 經(jīng)研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MUSCHELKNAUTZ 計(jì)算方法和工況與中海油樂(lè)東22-1 平臺(tái)分離器改造項(xiàng)目工況比較接近［15］。因此采用MUSCHELKNAUTZ 模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整了部分參數(shù)，實(shí)用 性 更 強(qiáng)［16］。

4.1 分離性能

4.1.1 摩擦面積Ar

摩擦面積Ar計(jì)算公式為：

將 D=0.324 m、Dx=0.219 m、H=1.71 m、Hx=0.52 m 帶入式（2），計(jì)算得出Ar=2.14 m2。

4.1.2 入口收縮系數(shù)Kin

入口收縮系數(shù)Kin計(jì)算公式為：

式中，Co為入口氣流中液體質(zhì)量與氣體質(zhì)量的比值；b 為旋風(fēng)管入口寬度，m。

將b=0.026 m、D=0.324 m、Co=0.04 帶 入 式（3）、式（4），計(jì)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計(jì)算公式為：

式中，vin為旋風(fēng)管入口速度，m/s；a 為旋風(fēng)管入口高度，Rin為旋風(fēng)管入口半徑，m。

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

4.1.4 器壁表面軸向速度vzw

器壁表面軸向速度vzw計(jì)算公式為：

式中，Rm為旋風(fēng)管筒體與內(nèi)筒之間的平均半徑，m。

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

4.1.5 雷諾數(shù)ReR

雷諾數(shù)ReR計(jì)算公式為：

式 中，ρg為 氣 體 密 度，kg/m3；μg為 氣 體 的 絕 對(duì) 黏度，Pa·s。

將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 帶 入式（9），計(jì)算得到ReR=67 157.49。

4.1.6 總摩擦因數(shù)f

總摩擦因數(shù)f 計(jì)算公式為：

式中，fair為氣體摩阻因數(shù)， 由雷諾數(shù)與相對(duì)粗糙度查得fair=0.005 8。

將fair=0.005 8、Co=0.04 帶 入 式（10），計(jì) 算得到f=0.006 8。

4.1.7 內(nèi)漩渦旋轉(zhuǎn)速度vocs

內(nèi)漩渦旋轉(zhuǎn)速度vocs計(jì)算公式為：

將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 帶 入 式（11），計(jì)算得出vocs=15.45 m/s。

4.1.8 切割直徑d50

切割直徑d50計(jì)算公式為：

式 中，ρs為 液 滴 密 度，kg/m3；Hi為 旋 風(fēng) 筒 出 料 口至內(nèi)筒底部距離，m。

將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 帶入式（12），計(jì)算得出d50=3.57μm。

4.1.9 分離效率

求得切割直徑d50后， 可根據(jù)下式計(jì)算不同粒徑顆粒的分離效率：

根據(jù)式（13）計(jì)算得出顆粒直徑di為5μm、6μm、8μm 時(shí) 的 分 離 效 率 分 別 為 89.62% 、96.52%、99.43%。 可以看出，該旋風(fēng)管分離性能優(yōu)良，89.62%的5μm 以上固體顆粒和液滴可被去除，96.52%的6μm 以上固體顆粒和液滴可被去除，8μm 以上的固體顆粒和液滴基本上被除盡。

4.2 壓降

旋風(fēng)分離器的壓降由進(jìn)口處加速壓降、 旋風(fēng)管本體壓降Δpb（由氣液兩相與器壁摩擦導(dǎo)致）以及旋轉(zhuǎn)渦核和升氣管中的壓降Δpb共3 部分組成。 其中進(jìn)口處加速壓降可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的入口結(jié)構(gòu)加以消除，對(duì)于本高效圓筒式旋風(fēng)管，該項(xiàng)壓降為0。

旋風(fēng)管本體壓降Δpb計(jì)算公式為：

將各參數(shù)數(shù)值帶入式（14），可以計(jì)算得到Δpb=17 514.92 Pa。

旋轉(zhuǎn)渦核和升氣管中的壓降Δpx計(jì)算公式如下：

式中，vx為升氣管中的氣體流速，m/s。

將 各 參 數(shù) 帶 入 式（15）、式（16），計(jì) 算 得 到Δpx=5 418.95 Pa。

旋風(fēng)管總壓降Δp=Δpb+Δpx=22.933.87 Pa。實(shí)際測(cè)量?jī)?nèi)件壓降為23 kPa，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)較吻合， 說(shuō)明文中計(jì)算方法滿足工程設(shè)計(jì)需要。

5 高效圓筒式旋風(fēng)管計(jì)算方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)裝置及方法

為了驗(yàn)證文中計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，采用如圖2和圖3 所示的高效圓筒式旋風(fēng)管氣液分離試驗(yàn)裝置及氣固分離試驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量。

圖2 高效圓筒式旋風(fēng)管氣液分離試驗(yàn)裝置

圖3 高效圓筒式旋風(fēng)管氣固分離試驗(yàn)裝置

在氣液分離試驗(yàn)中， 采用壓縮機(jī)和雙流體噴嘴將水進(jìn)行霧化后噴入分離器， 以模擬天然氣中所含液滴的流動(dòng)狀態(tài)。 將積液腔收集的液體稱重可以計(jì)算出分離器對(duì)液體的總分離效率， 在分離器出口用在線激光粒度分析儀對(duì)排氣管內(nèi)凈化氣流進(jìn)行測(cè)試，分析其中夾帶的液滴粒度，以評(píng)價(jià)分離性能。

氣固分離試驗(yàn)采用中位粒徑為9.425μm 的滑石粉模擬工況條件下天然氣中的固相顆粒，入口質(zhì)量濃度為1 g/m3， 采用氣力輸送的方式從分離器入口噴入。 通過(guò)計(jì)量在灰斗收集到的粉塵量可以計(jì)算出分離器的分離效率。 在分離器的出口用過(guò)濾器進(jìn)行采樣和粒度分析， 可以評(píng)價(jià)分離器對(duì)不同粒徑顆粒的分離效率。

在旋風(fēng)管進(jìn)、處口側(cè)各安裝1 只壓力表，用于測(cè)量進(jìn)、出口側(cè)壓力，計(jì)算出的壓差即為旋風(fēng)管的壓降。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

采用激光粒度分析儀對(duì)高效圓筒式旋風(fēng)管進(jìn)、出口的粉塵粒徑分布進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖4。由圖4 可以看出， 旋風(fēng)管進(jìn)口粉塵粒徑主要分布在0.4～58μm ，中位粒徑為9.425μm；旋風(fēng)管出口采樣粉塵粒徑主要分布在0.4～7μm ， 中位粒徑為1.567μm。

圖4 高效圓筒式旋風(fēng)管進(jìn)出口粉塵粒徑分布

根據(jù)分離器進(jìn)、 出口粉塵粒度分布和總效率計(jì)算出的高效圓筒式旋風(fēng)管粒級(jí)分離效率曲線見(jiàn)圖5。 由圖5 可以明顯看出， 進(jìn)入旋風(fēng)管的8μm顆粒的分離效率基本達(dá)到100%。

圖5 高效圓筒式旋風(fēng)管粒級(jí)分離效率曲線

高效圓筒式旋風(fēng)管的阻力特性曲線見(jiàn)圖6，可以看出，旋風(fēng)管單管壓降在3 kPa 以下。由于實(shí)際應(yīng)用中均為多管組合應(yīng)用，因此壓降會(huì)增大。一般工程項(xiàng)目要求旋風(fēng)管總壓降控制在50 kPa 以下，根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，高效圓筒式旋風(fēng)管壓降可控制在25 kPa 以下，滿足工程實(shí)際應(yīng)用要求。

圖6 高效圓筒式旋風(fēng)管阻力特性曲線

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中海油樂(lè)東22-1 平臺(tái)高、低壓生產(chǎn)分離器改造項(xiàng)目， 提出了一種高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法。 設(shè)計(jì)的高效圓筒式旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作彈性大且不容易產(chǎn)生返混， 可將8μm 以上的液滴及8μm 以上的固體顆?；救コ?，分離效果顯著提升，且壓降小于25 kPa。

旋風(fēng)管的計(jì)算原理基本類似， 但很多計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大。 文中采用與實(shí)際工況接近的MUSCHELKNAUTZ 模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際情況修正了計(jì)算參數(shù)， 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)液量的實(shí)際測(cè)量對(duì)比，二者數(shù)據(jù)吻合較好。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證， 高效圓筒式旋風(fēng)管性能可滿足工程實(shí)際使用要求。