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選題背景
第一章 選題背景
1.1題目來源
本課題來源于生產(chǎn)實踐
1.2 研究目的與意義
由于井眼環(huán)空的循環(huán)液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力，不可避免地使地層流體（主要是氣體）侵入井眼環(huán)空，并隨鉆井液一起上返，在地層氣體從井底向井口迀移過程中，由于液柱壓力的連續(xù)降低，溶解氣析出，因此氣侵后的鉆井液中的小氣泡特別多，對于切力和粘度較高的鉆井液，在不采取除氣措施情況下，氣泡可能無法浮到表面而破裂，或需要較長的駐留時間才能分離。鉆井液液氣分離器是氣侵鉆井液次級脫氣的專用設(shè)備，主要用于清除氣侵鉆井液中直徑大約在φ3～φ25mm的大氣泡。這些大氣泡是指大部分充滿井眼環(huán)空某段的鉆井液中的膨脹性氣體，若不除掉，容易引起井涌，甚至噴出鉆盤表面。因此對于這樣一種很有發(fā)展前景的泥漿氣液分離器的研究有非常重要的意義。
1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
氣液分離技術(shù)是從氣流中分離出霧滴或液滴的技術(shù)，該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各個工程等工藝過程,用于分離清除有害物質(zhì) 或高效回收有用物質(zhì)。氣液分離技術(shù)的機理有重力沉降、慣性 碰撞、離心分離、靜電吸引、擴散等,依據(jù)這些機理已經(jīng)研制出許多實用的氣液分離器。
第 51 頁 （共 51 頁）
1.3.1重力沉降分離
氣液重力沉降分離是利用氣液兩相的密度差實現(xiàn)兩相的重力分離,即液滴所受重力大于其氣體的浮力時，液滴將從氣相 中沉降出來,被分離。它結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、操作彈性大，需要較長的停留時間,分離器體積大,笨重，投資高，分離效果差，只能分離較大液滴,其分離液滴的極限值通常為l00um,主要用于地面天然氣開采集輸。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該項技術(shù)已基本成熟。當(dāng)前研究的重點是研制高效的內(nèi)部填料以提高其分離效率。此類分離器的設(shè)計關(guān)鍵在于確定液滴的沉降速度，然后確定分離器的直徑。
1.3.2過濾分離
通過過濾介質(zhì)將氣體中的液滴分離出來的分離方法即為過濾分離。其核心部件是濾芯,以金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維較佳。氣體流過絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，大于絲網(wǎng)孔徑的液滴將攔截而分離出來。若液滴直接揸擊絲網(wǎng),它們也將被攔截。直接攔截可以收集 一定數(shù)置比其孔徑小的顆粒,除液滴直接撞擊絲網(wǎng)外。過濾型氣液分離器具有高效、可有效分離0.1?10um范圍小粒子等優(yōu)點，當(dāng)氣速增大時,氣體中液滴夾帶量增加;甚至，使填料起 不到分離作用,無法進行正常生產(chǎn);另外,金屬絲網(wǎng)存在清洗困 難的問題。故其運行成本較高,現(xiàn)主要用于合成氨原料氣凈化 除油、天然氣凈化及回收凝析油以及柴油加氫尾處理等場合。
1.3.3慣性分離
氣液慣性分離是運用氣流急速轉(zhuǎn)向或沖向檔板后再急速 轉(zhuǎn)向,使液滴運動軌跡與氣流不同而達到分離。此類分離器主 要指波紋(折)板式除霧(沫)器，它結(jié)構(gòu)簡單、處理量大,氣速度 一般在15?25 m/s,但阻力偏大,且在氣體出口處有較大吸力 造成二次夾帶，對于粒徑小于25 i?ni的液滴分離效果較差，不適于一些要求較高的場合。其除液元件是一組金屬波紋板，其性能指標(biāo)主要有:液滴去除率、壓降和最大允許氣流量(不發(fā)生再夾帶時),還要考慮是否易發(fā)生污垢堵塞。液滴去除的物理機 理是慣性碰撞,液滴去除率主要受液滴自身慣性的影響。通常用于：（1)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，設(shè)在煙氣出口處,保證脫硫塔出 口處的氣流不夾帶液滴；（2)塔設(shè)備中，去除離開精餾、吸收、解 吸等塔設(shè)備的氣相中的液滴，保證控制排放、溶劑回收、精制產(chǎn)品和保護設(shè)備?，F(xiàn)在波紋板除霧器的分離理論和數(shù)學(xué)模型已經(jīng) 基本成熟,對其研究集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及操作參數(shù)方面來提高脫 液效率。國內(nèi)有學(xué)者對除霧器葉片形式作了比較,發(fā)現(xiàn)弧形葉 片與折板形葉片的除霧效率相近,弧形除霧器的壓降明顯小于折板形，故弧形葉片除霧器的綜合性能比折板式除霧器要好。
1.3.4離心分離
氣液離心分離主要指是氣液旋流分離，是利用離心力來分 離氣流中的液滴,因離心力能達到重力數(shù)十倍甚至更多,故它比重力分離具有更高的效率。其主要結(jié)構(gòu)類型有：
（1) 管柱式旋流氣液分離器 (GLCChGLCC在1995年首次用于多相流量計環(huán)， 經(jīng)過GLCC分離后的氣液兩相分別用單相流量計計量，然后再合并,避免了多相流測量中的問題;GLCC在地面和海上油氣分離、井下分離、便攜式試井設(shè)備、油氣泵、多相流量計、天然氣輸 送以及火炬氣洗滌等具有巨大的潛在應(yīng)用。
（2) 螺旋片導(dǎo)流式氣液分離器(CS)。 1996年國外專家成功研制了螺旋片導(dǎo)流式氣 液旋流分離器,直接在井口將氣液進行分離,増加了采油回收率,分離后的氣體和液體用不同的管道輸送各相，降低了多相 流輸送時易出現(xiàn)的斷續(xù)流、堵塞和沉積等典型問題。
（3) 軸流式氣液旋流分離器。 軸流式氣液旋流分離器與切向入口式旋流器的相比其離心力是靠導(dǎo)向葉片產(chǎn)生的，使旋轉(zhuǎn)流保持穩(wěn)定,并有助于維持層流特性,且阻力損失較小。此分離器結(jié)構(gòu)簡單、過流面積大,中間流道的連接和管柱整體結(jié)構(gòu)形式簡單,能夠與常規(guī)坐封工藝和起下作業(yè)工藝吻合,顯著降低了加工制造難度 和加工成本及現(xiàn)場操作技術(shù)難度,適宜于井下狹長空間環(huán)境的安裝操作，是用于井下氣液分離的理想分離設(shè)備。
本設(shè)計由于對泥漿液（粘度較大）進行處理且要除去的氣泡（>0.8mm）直徑較大,用傳統(tǒng)的重力式氣液分離器效果比較差，所以我們使用離心式氣液分離器進行次級分離，較之一般分離器處理效率要高，效果要好。
第二章 離心式分離器
2.1簡介
離心式氣液分離器（Centrifugal gas-liquid separator）是一種新型分離裝置(見圖2-1)。離心式分離器的基本構(gòu)造由：電機，軸，入口管，氣體出口管，導(dǎo)液管，循環(huán)支路，轉(zhuǎn)鼓，排液管組成。氣液混合物由切向入口進入離心式分離器后形成的旋流產(chǎn)生了比重力高出許多倍的離心力,由于氣液相密度不同,所受離心力差別很大,重力、離心力和浮力聯(lián)合作用將氣體和液體分離。液體沿徑向被推向外側(cè),并向下由液體出口排出;而氣體則運動到中心,并向上由氣體出口排出。這一成本低、重量輕的新型分離器在替代傳統(tǒng)容器式分離器方面具有很大的吸引力。在油和氣的流量分別為6400ｍ3/ｄ和583.2ｍ3/ｄ,分離壓力為680ｋＰａ的分離工況下,若分別采用離心式氣液分離器、傳統(tǒng)容器型立式和臥式分離器,模擬計算表明離心式氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸為1.5m×6ｍ,相當(dāng)于同等規(guī)模的傳統(tǒng)立式分離器(2.7ｍ×10.5ｍ)的一半左右,相當(dāng)于傳統(tǒng)臥式分離器(5.8ｍ×29ｍ)的四分之一左右。
離心式分離器
圖2-1離心式氣液分離器結(jié)構(gòu)圖
2.2離心式分離器的結(jié)構(gòu)及原理
離心式分離器(見圖2-1)的分離原理，分離器頂部電動機帶動轉(zhuǎn)軸及軸上的轉(zhuǎn)股一起旋 轉(zhuǎn)，鉆井液從上方的入口管流入，并沿著漏斗型導(dǎo)液管落到轉(zhuǎn)股的工作面上，在弧形葉片的作用下，混合液體形成一強旋流，同時被甩向四周，產(chǎn)生的離心力場使密度較大的液相沿徑向向外運動，與桶壁碰撞后 沿著內(nèi)壁落到分離器的底部，然后從排液管排出。
離心式分離器的基本構(gòu)造為：電機，軸，入口管，氣體出口管，導(dǎo)液管，循環(huán)支路，轉(zhuǎn)鼓，排液管組成。
2.3離心式分離器的優(yōu)缺點
1.分離效率高，由于分離原理采用被動離心分離，使得具有較高的分離效率。
2.成本低，占用空間較小，維護費用少，耗能低，不需要任何幫助分離的質(zhì)。
3.安裝了靈活方便，分離器可在一定的角度安裝。
4.工作連續(xù)可靠，操作維護方便，一旦設(shè)計好，調(diào)理好就可以連續(xù)工作。
5.重量輕，應(yīng)用方便。2.4氣液分離模擬實驗臺架設(shè)計
圖4-1 氣液分離模擬實驗臺架
氣液分離實驗臺架如圖所示。首先在1號和2號兩攪拌罐內(nèi)按試驗方案要求配置泥漿，達到充分混合后，取樣測量，記錄泥漿物性參數(shù)。然后開動離心泵，從1號攪
拌罐內(nèi)抽取泥漿，經(jīng)泵增壓后泥漿流經(jīng)液體流量計→氣液混合器→重力式分離器→離心式分離器→2號攪拌罐→1號攪拌罐，構(gòu)成循環(huán)流動。空氣經(jīng)氣泵增壓后通過氣體流量計和氣液混合器的氣體分布頭與泥漿混合，在流經(jīng)氣液混合器的過程中，氣
液兩相充分均勻混合，形成氣液兩相流。氣液兩相流首先進入重力式分離器，進行一級分離，液相從下出口排出，氣相從上出口進入排氣管。來自重力式分離器的液相進入離心分離器，對泥漿中的殘余氣體進行深度分離，液相經(jīng)排液口流入2號攪拌罐，經(jīng)氣相排氣口進入排氣管。分離氣量由氣體流量計2計量，然后放空。進入重力式分離器的液量由液體流量計計量，注入氣量由氣體流量計1計量。通過調(diào)節(jié)控制閥1的開度，調(diào)節(jié)液體流量。
2.5氣液分離機理
管柱式旋流氣液分離器由入口區(qū)(段)、入口分流區(qū)、漩渦區(qū)、氣泡區(qū)、液滴區(qū)、氣相和液相出口配管等部分組成。
2.5.1入口區(qū)
由于離心式氣液分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣液的高效分離,而入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的入口氣液相分布及氣液相切向入口速度的大小。因此入口結(jié)構(gòu)是影響離心式氣液分離器分離特性的關(guān)鍵因素之一。
氣液相流速的不同,油、氣兩相或油、氣、水多相流在入口管和噴嘴內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。Kouba的實驗研究表明,采用向下傾斜的入口管,保證入口管流型呈現(xiàn)分層流將在很大程度上改善氣液分離效果、擴展管柱式旋流分離器的適用范圍,最佳傾斜角為-27°。而傳統(tǒng)分離器采用的入口結(jié)構(gòu)通常為垂直于筒體的結(jié)構(gòu)(目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結(jié)構(gòu)),實驗證明采用垂直結(jié)構(gòu)的管柱式旋流分離器,氣液分離效果差,工作范圍大約是傾斜向下的入口結(jié)構(gòu)分離器的一半。入口管向下傾斜,在重力作用下有利于形成分層流,實現(xiàn)氣液兩相的初步分離。
2.5.2入口分流
入口分流區(qū)即與入口槽連接的筒體部分，氣液相經(jīng)入口槽進入入口分流區(qū)實現(xiàn)氣液的初步分離,上部的氣相、下部的液相分別沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成旋流場。
2.5.3漩渦區(qū)
經(jīng)初步分離的液相以切向速度沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成強制旋流。除壁面附近,該旋流可看作剛體轉(zhuǎn)動,如圖2-2所示,微元控制體以恒定角速度旋轉(zhuǎn)。流動是軸對稱的、各分速度沿ｚ軸變化不大,因此假設(shè)微元控制體在軸向、切向上沒有加速度,徑向加速度,應(yīng)用歐拉方程式得徑向和軸向運動微分方程:
圖2-2 旋流控制體受力分析
（1）
（2）
式中:為含氣泡液相混合物密度;R為筒體半徑, R=d/2。
控制體壓力微分方程: (3)
把方程(1)、(2)代入方程(3),并沿等壓漩渦表面積分()得:
(4)
整理上式即可得到漩渦方程: (5)
(6)
利用漩渦方程積分可得入口分流區(qū)下方液相總體積,應(yīng)用液相體積守恒:
(7)
式中:指平衡液位高度(見圖3-2)。
把方程(5)代入方程(7),積分得到常數(shù)Ｃ,漩渦形狀方程如下:
Z= (8)
從漩渦方程(8)求解漩渦高度:
= (9)
2.5.4氣泡區(qū)和液滴區(qū)
分離器上部,氣相為連續(xù)相,液滴分散其中,稱液滴區(qū);下部,液相為連續(xù)相,氣泡分散其中,稱氣泡區(qū)。連續(xù)相做渦旋運動,由于氣液相密度差,分散相粒子(氣泡或液滴)與連續(xù)相間存在滑脫。研究分散相粒子的運動軌跡,可以分析分離特性。
1 .氣泡軌跡分析
在漩渦區(qū),較大直徑的氣泡容易被擄獲分出,因此氣泡軌跡的研究區(qū)域是從漩渦底部開始的渦流區(qū)。假設(shè)液相渦流區(qū)小氣泡均勻分布,氣泡的徑向滑脫速度為,軸向滑脫速度為,忽略連續(xù)相-液相的徑向速度,軸向速度即液相折算速度,這樣,氣泡的徑向絕對速度為 =-,軸向(向下)的絕對速度為,顯然,實現(xiàn)氣泡分離的必要條件是壁面處氣泡運動至中心氣核的時間應(yīng)少于氣泡隨連續(xù)相—液相流出分離器的時間。
2 .液滴軌跡分析
經(jīng)過入口分流區(qū)初步分離后的旋轉(zhuǎn)氣流攜帶液滴進入分離器上部的液滴區(qū),與氣泡區(qū)不同的是,由于分散粒子液滴的密度大于連續(xù)相氣相密度,液滴被甩向器壁。假設(shè)徑向液滴滑脫速度為,軸向滑脫速度為,忽略氣相的徑向流速,氣相的軸向速度即折算速度為,這樣,液滴徑向絕對速度為,軸向(向上)的絕對速度為,液滴能夠分出的必要條件是分離器中心處的液滴到達器壁的時間應(yīng)短于液滴隨旋轉(zhuǎn)氣流流出分離器的時間。到達器壁的液滴,在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下,將在器壁上形成螺旋狀薄層液流沿器壁向下流動分出,完成氣液分離。
3 .連續(xù)相旋流特性
分離器內(nèi)連續(xù)相旋流場分布對氣液分離至關(guān)重要。連續(xù)相切向速度、徑向速度和軸向速度構(gòu)成了旋流場。由于粘性耗散和壁面摩擦阻力的作用,切向速度沿軸向逐漸減小,采用旋流強度表征旋流場的衰減特性。旋流強度定義為在某一高度截面上連續(xù)相切向動量通量與總軸向動量通量的比。
(10)
式中:是軸向平均流速,下標(biāo)c表示連續(xù)相。
旋流強度沿軸向變化的經(jīng)驗關(guān)系式:
(11 )
式中動量通量之比: (12)
式中:是連續(xù)相(氣相或液相)入口質(zhì)量流量;是器內(nèi)對應(yīng)連續(xù)相(氣相或液相)的質(zhì)量流量;指分離器橫截面積;指對應(yīng)連續(xù)相入口實際流通面積。
根據(jù)實驗與數(shù)值模擬研究,徑向流速通常較切向流速和軸向流速低二個數(shù)量級,對氣液分離效率的影響非常小,因此忽略徑向速度。沿旋轉(zhuǎn)半徑方向上,切向速度的變化非常顯著,按照其不同變化規(guī)律,可以將旋流分成兩個旋轉(zhuǎn)區(qū)域:近壁面處的自由渦旋區(qū)和中心強制渦旋區(qū)。忽略壁面附近的自由渦旋區(qū),將旋流場視為強制渦旋運動,切向流速近似呈線性分布;將軸向流動視為勻速運動,軸向流速等于平均流速。對于工程應(yīng)用,以上的假設(shè)是趨于保守的。切向速度分布:
(13)
將切向速度表達式代入旋流強度定義式得:
(14)
根據(jù)定義Ω是分離器截面位置(ｚ)的函數(shù),確定了某截面的旋流強度,即可求得壁面處(忽略壁面附近的自由渦旋區(qū))的最大切向速度。
(15)
2.5.5氣泡、液滴軌跡模型
假設(shè):①氣泡或液滴分散粒子為球形,在運動中不變形;②粒子間及粒子與器壁間沒有相互作用力;③氣泡或液滴的運動為定常流動;④作用在氣泡或液滴上的各種力的合力為零,分散粒子做勻速運動;⑤分離系統(tǒng)與外界沒有熱交換,視為等溫系統(tǒng);沒有漩渦脫落現(xiàn)象。
徑向上,分散粒子受離心力和阻力作用,根據(jù)受力平衡,氣泡徑向滑脫速度:
(16)
同理,液滴徑向滑脫速度:
(17)
式中:、為氣泡和液滴直徑;、為氣液連續(xù)相切向速度;、為氣泡和液滴阻力系數(shù)。
阻力系數(shù)采用文獻提出的關(guān)系式求解:
(18)
(19)
式中:,
軸向上氣泡受重力和阻力的作用,但由于連續(xù)相為油相,柔占度大,滑脫速度小,其流態(tài)一般總處于層流區(qū),因Stokes公式適于求解氣泡的滑脫速度:
(20)
同樣,液滴在軸向上受重力和阻力作用,根據(jù)受力平衡,液滴軸向滑脫速度:
(21)
氣泡或液滴所受阻力與氣泡或液滴的合成速度有關(guān),其滑脫速度分別為:
(23)
(24)
根據(jù)上面的氣泡和液滴軌跡分析,ｔ時間間隔中,氣泡或液滴在徑向和軸的
位移
消去,,即為氣泡和液滴軌跡控制方程,積分得氣泡或液滴的軸向位移,
（25）
（26）
根據(jù)氣泡或液滴實現(xiàn)分離的必要性,Δ或Δ即為氣泡或液滴區(qū)的最小高度。
第三章 分離器工藝設(shè)計
3.1 計算分離器直徑
考慮分離器上部的氣相分離部分,分離器直徑的選取應(yīng)避免氣相中夾帶液滴,以氣
分離器工藝設(shè)計
相折算速度表示,即氣相折算速度不能大于氣流中出現(xiàn)液滴時的臨界速度。氣相臨界速度是:
（28）
式中We是無因次Weber數(shù),它決定于液滴的尺寸,這里取值7。
對于分離器入口以下的液相分離部分,應(yīng)充分發(fā)揮離心分離特性,避免液相中夾帶氣泡。研究表明,保持液相入口切向流速和液相流速的比為40時,旋流分離效果最佳。通常切向流速一般取6ｍ/ｓ,顯然臨界液相流速=0.15ｍ/ｓ。對于高氣油比
分離器工藝設(shè)計
的分離工況,分離器直徑： （29）
對于低氣油比的分離工況,分離器直徑： （30）
式中和分別是分離工況下氣體流量和液體流量。
根據(jù)入口噴嘴分析,取液相入口切向速度為:=6m/s
由上分析知當(dāng)/=40時, 旋流分離效果最佳,故液相流速:=0.15m/s
已知:日處理液量:6480m3/d=0.0756m3/s, 日處理氣量:583.2m3/d=0.0068 m3/s,又知本設(shè)計工況是低氣油比工況,故由公式（30）得
分離器的直徑： =(m)
經(jīng)圓整后取 d=800mm
3.2分離器的高度計算
3.2.1確定上半部分的高度
以入口為界分離器分為上下兩個部分。經(jīng)過旋流離心分離,部分液體可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式隨氣流向上運動產(chǎn)生氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。上半部分的高度應(yīng)足夠高,甚至在極端流型—段塞流工況下能夠吸收液相流量的波動,避免氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。參考傳統(tǒng)立式分離器的沉降分離段的處理方法,結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗,管柱式旋流分離器的上半部分高度一般取1～1.5ｍ,根據(jù)要求分離器的日處理量,設(shè)計半部分的高度為：h=1.0m。
3.2.2計算入口分流區(qū)的高度
因經(jīng)初步分離的液體在入口下方旋轉(zhuǎn)一周后才形成旋流，在這個過程中形成入口分流區(qū)。在入口分流區(qū)內(nèi)流體作螺旋運動，所需的時間t為：
t=
入口分流區(qū)高度為： h=
3.2.3計算旋渦區(qū)的高度
已知
由公式（9）得 旋渦區(qū)高度： =
=
3.2.4氣泡軸向距離計算
下部液相空間的高度選取,應(yīng)保證液相在分離器內(nèi)有足夠的停留時間使氣泡得以分出進入上部氣相空間。根據(jù)實踐經(jīng)驗,當(dāng)筒體直徑小于1英寸時,液相空間高度取1～1.5ｍ。對于大直徑的離心式分離器,根據(jù)建立的氣泡軌跡模型,求解氣泡(氣泡直徑取800μｍ)自器壁進入中心氣核實現(xiàn)分離在軸向上穿過的距離,顯然液相空間的高度應(yīng)不小于。因為分離器的設(shè)計直徑是800 mm,故應(yīng)根據(jù)建立的氣泡軌跡模型,求解下部液相空間的高度.
氣泡在穿過的整個軸向距離計算公式:
已知 ,
由公式（20）得氣泡軸向滑脫速度:
氣泡徑向速度分布: （30）
式中混合物的密度分布： （31）
液相切向速度分布： （32）
式中為切向入口速度,m和n是指數(shù),取0.9，是氣泡的直徑。
根據(jù)Turton和Levenspie建議阻力系數(shù)為 :
（33）
雷諾數(shù): （34）
因為與r之間存在嵌套關(guān)系，通過與r的關(guān)系式不能直接得出兩者之間的關(guān)系，所以采用試算法確定兩者間的關(guān)系?；舅悸肥牵菏紫仁窃谝粋€確定的r上給定一給徑向速度v1，計算出相應(yīng)的 ,，Re(r),v2,然后比較，來確定對應(yīng)點上氣泡的徑向速度。
分離器各部分計算高度總結(jié)如下表：
液滴區(qū)（m ）
入口分流區(qū)(m)
旋渦區(qū)(m)
氣泡區(qū)(m)
總高(m)
1.0
0.12
0.78
1.1
3.0
3.3分離能力計算
① 徑向方向上
旋流中氣泡受力如圖3-1示，由受力可知，
圖3-1
相對運動微方程：
(47)
式中：為氣泡質(zhì)量，為相對滑移速度，為氣泡直徑，為半徑r處的旋流速度。假設(shè)旋流為強迫旋渦，即。則上式可寫為： (48)
解得： (為常數(shù)) (49)
初始條件：時，
(50)
設(shè)為時間常數(shù)，，式中第一項，故趨于終端沉降速度：
又，故 （t=0時，）
若不考慮旋轉(zhuǎn)時的能量損失，則 （為切向入口速度）
， 解得：
一般地，當(dāng)時，近似認為氣泡已遷移到中心，對應(yīng)的時間為最小駐留時間 ①
一般氣泡從邊壁到中心的平均移動速度 ，即 ②
分離器的處理量為Q，則分離器內(nèi)液體占據(jù)的最小體積
③
式中V為旋流器的容積。
② 豎直方向上
計算在最小駐留時間內(nèi)混合體運動的距離時，可忽略氣泡與液體的相對滑移，認為氣泡隨液體一起在重力的作用下向下運動，可得在內(nèi)，氣泡下降的距離：
④
即旋流器的最小長度為。
設(shè)計參數(shù)：
由以上參數(shù)和式①②③④計算可得：
旋流器的半徑。當(dāng)分離器的設(shè)計直徑時，相應(yīng)地，
3.4分離器葉輪計算
根據(jù)已知的數(shù)據(jù)： 流量Q=270
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速： n=1500r/min , H=50m
1. 比轉(zhuǎn)速
所以 =80
2. 葉輪進口直徑的初步計算
取葉輪進口斷面當(dāng)量直徑系數(shù)=4.0（考慮氣蝕）。
則 ， 取=150mm。
3. 葉片進口直徑的初步計算
葉輪的比轉(zhuǎn)速 =80，比較小。
若=0.9，則
。
4. 葉片出口直徑的初步計算
mm.
根據(jù)常用葉輪參數(shù)取 =400mm 。
5. 葉片數(shù)確定
葉片一般根據(jù)比轉(zhuǎn)速來選取，參考《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》可以查的：
=80，一般葉片數(shù)Z=6 。
葉輪主要的幾何參數(shù)如下：
參數(shù)名稱
取值（mm）
葉輪進口直徑
150
葉片進口直徑
135
葉片出口直徑
400
葉片數(shù)Z
6
3.5平衡計算及液封高度的確定
圖3-2 平衡液位示意圖
氣液分離器如圖5-3所示，來自井口的氣液混合物進入分離器后產(chǎn)生旋流，在離心力的作用下實現(xiàn)分離，氣體占據(jù)液滴區(qū)并經(jīng)排氣管從氣體出口排出，而液體占據(jù)氣泡區(qū)并經(jīng)液體管從泥漿出口排出。在分離器工作的過程中，可能出現(xiàn)兩種極端情況：（1）氣量特別大，以至氣體壓力p1足以克服排液管線的能量的消耗，使氣體以連續(xù)相從泥漿出口排出；（2）液量特別大，為了克服排液管線的能量消耗，液面上升，有可能出現(xiàn)液相從排氣管線排出。在設(shè)計設(shè)計氣液分離器時，根據(jù)設(shè)計參數(shù)的要求，要求避免這兩種情況的發(fā)生。這就需要研究氣液相在輸送過程的能量平衡，要求正確的確定液封高度z2和氣液混合物的進口高度。
3.5.1氣室壓力p1的確定
在管中流動的氣體由于溫度和壓力沿管長變化,其流速和密度也會有顯著的變化.根據(jù)流體力學(xué)理論穩(wěn)態(tài)流動的能量方程有:
+ +d=0 (51)
通用氣體定律給出:
pV=RT或= (52)
設(shè)計參數(shù)所對應(yīng)的壓力為p、溫度T、體積V,那么:
=
將上式帶入(2),得
pV=T
故管內(nèi)流速等于
= (53)
將式(3)和式(2)代入式(1),有
pdp – ()dp + ()Td=0
假設(shè)流動為等溫的,積分上式得:
p1- 2()ln()=p+() (54)
根據(jù)Weymouth提出的公式計算,即
= (55)
上列各式中:
---------------------------------泥漿密度
---------------------------------氣室內(nèi)絕對壓力
----------------------------------排氣管出口絕對壓力
----------------------------------排氣管內(nèi)徑
-----------------------------------排氣管長度
M--------------------------摩爾質(zhì)量
m--------------------------氣體質(zhì)量
R--------------------------氣體常數(shù)
T--------------------------華氏溫度
------------------------------------出氣管路沿程阻力系數(shù)
設(shè)排氣管的直徑DG=126mm,此時，則
=
已知日處理氣量為:583.2m/d=0.006804 m/s，,，M=29，,R=8.315代入（55）式得
（56）
3.5.2液封高度Z2的確定
為了保證泥漿正常從泥漿出口排出,必須提供一定的液柱高度Z1和氣室壓力p1,以補償輸送泥漿消耗的能,要求液柱高度Z1>0.選擇第一斷面為分離器內(nèi)液面,第二斷面為泥漿出口處,建立兩斷面的能量平衡關(guān)系如下:
+Z1+=+Z2+(1++) （57）
式中：
p-----2斷面壓力 Z1-----1斷面處液柱高度
Z2-----2斷面處液柱高度 -----1斷面處泥漿流速
-----2斷面處泥漿流速 D-----排液管內(nèi)徑
L-----排液管長度 -----出液管路沿程阻力系數(shù)
由（57）式變形得：Z1-Z2= +(1++) - （58）
當(dāng)DL=218mm時，
R
代入（58）式得，
故綜上所述，當(dāng)DL=218mm時比較合理的。
故取Z1=1 .2m,Z2=0.60m.
3.6入口管的設(shè)計
1.入口管傾角取0°,管長取1ｍ,入口直徑的選取是為了保證入口管內(nèi)呈現(xiàn)分層流,入口管直徑根據(jù)Taitel&Duker模型確定。
由分流層轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)流或環(huán)狀流的判別式: （59）
式中：
式中D為入口管直徑，為管內(nèi)橫截面上液面離管底的高度，A為管內(nèi)氣相所占的橫截面積。D和作為迭代量，直至準(zhǔn)則方程左端小于1，D即為滿足分層流條件最小入口直徑。
對判別式變形得: （60）
已知
, =0.9,代入上式得: （61）
故計算求得最小直徑: D=218mm
1. 入口槽選型,根據(jù)分離器工藝設(shè)計分析入口槽選用新月形,同時入口噴嘴的截面積的確定保證入口液相流速為6 m/s.
2. 綜合考慮本設(shè)計分離器的結(jié)構(gòu)，最后確定為單進口。
本設(shè)計中GLCC工藝尺寸綜合參數(shù)如下表：
分離工況
GLCC尺寸
入口管
GLCC回路
（m3/s）
（m3/s）
氣液比
工作壓力（ＭPa）
直徑
（mm）
上部高度（mm）
下部高度（mm）
直徑
（mm）
排液管直徑（mm ）
排氣管直徑（mm）
強度設(shè)計
0.0756
0.006804
1:9
0.8
800
1000
2600
218
218
126
第四章 強度設(shè)計
4.1筒體設(shè)計
1. 設(shè)計參數(shù)如下表：
設(shè)計壓力（MPa）
最大工作壓力
（MPa）
工作溫度
容器尺寸(mm)
工作介質(zhì)
1
1.5
常溫
有毒、易燃
2. 筒體厚度計算
首先根據(jù)單層圓筒厚度計算公式： （62）
式中 計算厚度，mm 設(shè)計直徑
焊接接頭系數(shù) 計算壓力，MPa
強度設(shè)計
設(shè)計溫度下許用應(yīng)力
由設(shè)計參數(shù)，筒體的材料是：16MnR. 根據(jù)文獻[26]查表D1知，在設(shè)計溫度下16MnR.的許用應(yīng)力，當(dāng)厚度為6-16mm時，[]=170MPa,當(dāng)厚度為16-36時，=163MPa
因為容器所盛介質(zhì)易燃，所以壓力容器所有的焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻[26]查表4-3知
設(shè)計壓力：
假設(shè)計算厚度為6-16mm,許用應(yīng)力[]=170MPa，則
=
設(shè)計厚度：
對于16Mn鋼板偏差因而可以取名義厚度但是對低合金鋼制容器，規(guī)定不包括腐蝕余量的最小厚度不小于3mm,若加上2mm的腐蝕余量名義厚度至少取5mm.又根據(jù)鋼材的規(guī)格取名義厚度
應(yīng)力判別式： （63）
式中 計算壓力，MPa 設(shè)計直徑
設(shè)計溫度下許用應(yīng)力 --------有效厚度
已知 則代入上式得
故滿足強度要求, 圓筒厚度取 。
4.2封頭設(shè)計
封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭.材料:16MnR,當(dāng)厚度為6~16mm時, ,當(dāng)厚度為16~36mm時,
1. 橢圓形狀系數(shù): （64）
式中:------------------------------------橢圓長軸
------------------------------------直邊短軸
而對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,故=
2. 計算橢圓的厚度: （65）
式中 k----------------------------------橢圓形狀系數(shù)
pc---------------------------------設(shè)計壓力
Di---------------------------------------------- ---圓筒直徑
------------------------------設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力
--------------------------------焊接接頭系數(shù)
假設(shè)計算壁厚為6~16mm,則=170MPa,
于是有
顯然壁厚在假設(shè)范圍內(nèi),則設(shè)計壁厚
對于16MnR,鋼板負偏差,故取名義厚度.但對于低合金鋼制壓力容器規(guī)定不包括腐蝕余量的最小壁厚不小于3mm,加上2mm的腐蝕余量,名義厚度至少應(yīng)取5mm.又由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格,名義厚度應(yīng)取為 6mm.
3.強度校核
根據(jù)應(yīng)力強度判別式: （66）
式中: pc---------------------------------設(shè)計壓力
---------------------------------------------- ---圓筒直徑
------------------------------ 有效壁厚
------------------------------設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力
把已知條件代入得:
故強度滿足要求。
4.計算橢圓封頭的最大許用工作應(yīng)力:
式中: ------------------------------設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力
--------------------------------焊接接頭系數(shù),對封頭要求100%的全焊縫=1.00
------------------------------有效壁厚
Di---------------------------------------------- ---圓筒直徑
k----------------------------------橢圓形狀系數(shù)
代入已知量得:
=
故封頭滿足最大工作壓力的要求
4.3法蘭的校核計算
4.3.1排氣管法蘭校核計算
1.法蘭型式及密封面選擇
考慮到設(shè)計壓力較高，介質(zhì)不允許泄漏，擬選用平焊法蘭，凸凹密封面。
法蘭材料：16Mn(鍛件)，
墊片材料：石棉橡膠板，s=3mm,y=11MPa,m=2.00
初擬法蘭的尺寸如下所示
D D=100 D=70 D=50
H=10 R=9
墊片尺寸：
墊片寬度：N=
墊片基本密封寬度：
墊片有效密封寬度：
故墊片的計算寬度：
2.螺栓的計算
螺栓選用的材料是35號鋼，
預(yù)緊時螺栓載荷：
操作時螺栓載荷：
擬采用螺栓4個 ，則
，
根據(jù)螺紋標(biāo)準(zhǔn)以及管道法蘭螺栓的最小直徑，取螺紋根徑，相當(dāng)于M10的螺栓。
實際螺栓總面積：
螺栓平均間距：s=
根據(jù)文獻[28]查表5-10，對于M12-的螺栓，最小螺栓間距為
允許最大螺栓間距：
故，即所選螺柱直徑符合安裝和密封要求
3.法蘭強度計算
預(yù)緊時螺柱載荷：W=
M=.m
操作時
墊片載荷：、
壓力載荷：
介質(zhì)靜壓軸向載荷：
作用在法蘭端面上的總力矩：
法蘭應(yīng)力及度校核
法蘭形狀系數(shù)：
根據(jù)文獻[28]查表（5-28），（5-29），（5-30），（5-31）得：
f=1.00 F=0.852 V=0.348 T=1.00 U=1.9 Y=1.8 Z=1.32
于是
軸向應(yīng)力：=0.053MPa
徑向應(yīng)力：
周向應(yīng)力：MPa
擬定法蘭尺寸及選材合適，可安全使用
因為管道法蘭的內(nèi)徑符合工稱直徑系列，應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)管道法蘭。根據(jù)參考文獻[24]管道法蘭標(biāo)準(zhǔn)選用公稱壓力為1.6MPa帶頸平焊法蘭，材料：16Mn,常溫下允許的工作壓力為1.6MPa.管道法蘭標(biāo)記：管法蘭MFM1.6-22 SH3406-92.
4.3.2排液管管法蘭校核計算
考慮到設(shè)計壓力較高，介質(zhì)不允許泄漏，擬選用平焊法蘭，凸凹密封面。
法蘭材料：16Mn(鍛件)，
墊片材料：石棉橡膠板，s=3mm,y=11MPa,m=2.00
初擬法蘭的尺寸如下所示
D D=150 D=150 D=80
H=10 R=17.5
墊片尺寸：
墊片寬度：N=
墊片基本密封寬度：
墊片有效密封寬度：
故墊片的計算寬度：
2.螺栓的計算
螺栓選用的材料是35號鋼，
預(yù)緊時螺栓載荷：
操作時螺栓載荷：
擬采用螺栓4個 ，則
，
根據(jù)螺紋標(biāo)準(zhǔn)以及管道法蘭螺栓的最小直徑，取螺紋根徑，相當(dāng)于M16的螺栓。
實際螺栓總面積：
螺栓平均間距：s=
根據(jù)文獻[28]查表5-10，對于M16的螺栓，最小螺栓間距為
允許最大螺栓間距：
故，即所選螺柱直徑符合安裝和密封要求
3.管道法蘭強度計算
預(yù)緊時螺柱載荷：W=
M=. m
操作時
墊片載荷：、
壓力載荷：
介質(zhì)靜壓軸向載荷：
作用在法蘭端面上的總力矩：
法蘭應(yīng)力及度校核
法蘭形狀系數(shù)：
根據(jù)文獻[28]查表（5-28），（5-29），（5-30），（5-31）得：
f=1.00 F=0.84 V=0.32 T=1.32 U=2.5 Y=2.32 Z=1.40
于是
軸向應(yīng)力：
徑向應(yīng)力：
周向應(yīng)力：MPa
擬定法蘭尺寸及選材合適，可安全使用
因為管道法蘭的內(nèi)徑符合工稱直徑系列，應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)管道法蘭。根據(jù)參考文獻[24]管道法蘭標(biāo)準(zhǔn)選用公稱壓力為1.6MPa帶頸平焊法蘭，材料：16Mn,常溫下允許的工作壓力為1.6MPa.管道法蘭標(biāo)記：管法蘭MFM1.6-49.5 SH3406-92.
4.4計算設(shè)備重量載荷
（1）設(shè)備操作重量： （67）
----------------------容器殼體和支座的重量
----------------------容器內(nèi)部構(gòu)件的重量
----------------------容器保溫材料的重量
----------------------平臺、扶梯的重量
-----------------------操作時容器內(nèi)物料的重量
-----------------------人孔、接管、法蘭等附件的重量
=243.02+0+0+111+243.7+73.06=670.78kgf
(2)計算分離器各段載荷，所取截面如圖1所示
圖6-1
各段載荷計算如下表所示
各段載荷
0-1
1-2
2-3
（kgf）
69.6
379.8
221.38
4.5計算各種載荷引起的軸向力
設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力: （68）
操作或者非操作時重力引起的軸向應(yīng)力: （69）
彎矩引起的軸向引力: （75）
式中： -------------------設(shè)計壓力
-------------------分離器直徑
-------------------分離器各段壁厚
-----------------任意計算截面處以上筒體承受的操作或非操作時的重量載荷，kgf
----------------計算截面處最大彎矩kgf.m
中較大者
各種載荷引起的軸向引力如下表:
設(shè)計壓力引起的軸向力
操作重量引起的軸向力
最大彎矩引起的軸向力
4.6校核筒體的強度
最大組合軸向拉力，出現(xiàn)正常操作的情況下：
（70）
強度條件： （71）
-------------焊接系數(shù)
由以上分析知筒體最大組合軸向拉力，發(fā)生在正常操作時的1-1截面
170×1.00=170MPa
故筒體的強度滿足要求
4.7校核筒體的穩(wěn)定性
最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停車情況下：
（72）
穩(wěn)定條件：中的較小值 （73）
（1） 計算B值。
MPa
故截面2-2滿足穩(wěn)定性要求
故截面1-1滿足穩(wěn)定性要求
MPa
故截面0-0滿足穩(wěn)定性要求
綜上所述,分離器滿足穩(wěn)定性要求
第五章 焊接工藝設(shè)計
5.1筒體及筒體與封頭焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.筒體與筒體以及筒體與封頭焊縫焊接接頭型式和尺寸選UG24(HG20583-1998)。
2.根據(jù)GB/T14957-947選用焊絲的牌號H10Mn;根據(jù)GB12470-70選用焊劑的牌號HJ431型號HJ401-H08A.
3.焊接采用埋弧焊,對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB3325-87中的Ⅱ級為合格.
5.2接管與筒體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.筒體與接管的焊接接頭型式和尺寸選用G2 GB20583-1998,其示結(jié)構(gòu)如圖2所示.
2.根據(jù)GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J502，型號E5003。
3.焊接采用手工電弧焊,對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB3325-87中的Ⅱ級為合格.
5.3帶頸平焊法蘭與接管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.帶頸平焊法蘭與接管焊接接頭尺寸選用F6(JB4700~4703-92),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.根據(jù)GB/T518-95《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號J507，型號E5015。
3.焊后對焊縫進行100%的射線探傷檢測,要求符合GB 3325-87中的Ⅱ級為合格.
第6章 離心式氣液分離器的內(nèi)流場模擬
6.1 建模
圖6-1. 模型1 圖6-2. 模型2
6.2 劃分網(wǎng)格
主要應(yīng)用四面體單元對模型進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，進出口管用六面體單元。
圖6-3. 計算模型1
圖6-4. 計算模型2
6.3 邊界條件
混合液體的入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，壓力參考點在氣體出口面上，參考壓力為1個大氣壓，出口的相對壓力為0。
6.4 多相設(shè)置
氣液混合物的基本相為連續(xù)相的水，第二相為氣體，氣泡直徑為0.0008m。
6.5 求解方法
在FLUENT中，通用的多相流模型包括：VOF模型、混合模型和歐拉模型,其中混
合模型和歐拉模型應(yīng)用于有相混合或相分離的流動中。雖然歐拉模型的求解結(jié)果優(yōu)于混合模型，但計算穩(wěn)定性差，在這里，應(yīng)用混合模型進行數(shù)值計算。為了考慮強旋流影響，紊流模型采用修正的K-ε模型。
6.6 分離器內(nèi)流場模擬結(jié)果
按最大的泥漿處理量6480方/天要求，計算模型的入口速度。泥漿的入口流量為75.6L/s，含氣量9%，粘度0.05。以下為不同轉(zhuǎn)速下的模擬結(jié)果。
1)計算模型1的模擬結(jié)果
按不同的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=500r/min和1000r/min對分離器內(nèi)部進行流場分析。模擬結(jié)果如下：
圖6-5. 轉(zhuǎn)速為500r/min時的轉(zhuǎn)鼓速度分布
圖6-6. 分離器內(nèi)部流線
圖6-7. 轉(zhuǎn)速為500r/min時的壓力場分布
當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時，氣相分布如圖9所示。從出液口排出的泥漿含氣量為4.7%，分離出的小氣泡在氣體出口處附近占總氣體的80%，其余的氣泡彌散在分離器內(nèi)部。泥漿進入進液腔時，由于速度、壓力梯度的變化，小部分氣泡從泥漿逸出，聚集在進液腔頂部，見圖9。
圖6-7. 氣相分布
當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時，氣相分布如圖10所示。在出氣口附近，分離出的氣體占總氣體的82%，從液體出口排出的泥漿含氣量為4.5%。
離心式氣液分離器內(nèi)流場模擬
圖6-8. 氣相分布
圖6-9. 垂直于旋轉(zhuǎn)軸的各水平截面上的氣體分布
圖6-10. 對稱面上的氣相分布
2)計算模型2的模擬結(jié)果
圖6-11. 轉(zhuǎn)速為1500r/min時的速度向量分布
圖6-12. 轉(zhuǎn)速為1500r/min時的壓力場分布
當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時，分離出的小氣泡在氣體出口附近占總氣體的80%，排出的泥漿含氣量為3.33%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時，分離出的小氣泡在氣體出口附近占總氣體的84%，從切向出口排出的泥漿含氣量為8.1%。
圖6-13. 轉(zhuǎn)速為1000r/min時的氣相分布 圖6-14. 轉(zhuǎn)速為1500r/min時的氣相分布
對比圖17和18，隨著轉(zhuǎn)速的增加，液位下降，從切向出口排出的含氣量上升。
圖6-15. 1000r/min時的水平面上的氣相分布 圖6-16. 1500r/min時的水平面上的氣相分布
圖6-17. 1000r/min時的對稱面上的氣相分布 圖6-18. 1500r/min時的對稱面上的氣相分布
通過對離心式氣液分離器內(nèi)流場的模擬，可以分析出當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速在1500r/min時，氣泡在氣體出口排出量、泥漿在排液口排出量都非常高，效率非常高，所以轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速定作1500r/min是適合的。
結(jié)論
結(jié)論
本文對用于鉆井中泥漿處理的離心式分離器進行了設(shè)計；并對分離器的各重要零部件進行了設(shè)計、強度計算以及流場分析。該離心式式分離器可分離大氣泡，效率較高，分離器體積相對較小，維修量小，工作穩(wěn)定。離心式分離器具有這些特點，使得該分離器在鉆井過程中用于泥漿的處理具有實用性和可靠性，并具有廣闊的前景。
參考文獻
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