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6 (收稿日期: 1996207229) (王编)
河南石油勘探局勘察设计研究院 (南阳 473132)
高级工程师 邓志安 助理工程师 袁 敏 摘要 对油水分离器中流场非水平流液滴所受曳力以及液滴的几种运动状态进行了
分析讨论, 并给出了有关的计算模型。
关键词 油水分离器 流场 液滴 曳力
Ana l y s i s of M ov i n g L iqu i d D rop s Subjec t to S pec if ic Force i n O il -W a ter Sep a r a tor
Sen i o r E n g i n ee r D eng Z h i a n
A ssistan t E n g i n ee r Y u a n M in
(H en an p e t r o leu m E x p lo ra t i o n B u reau Su rvey, D e s ign & R e s ea r ch ln st i tu te )
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te r sep a r a t o r a r e an a l yzed an d d i scu ssed , th e com p u t i n g m o d e l a r e g i ven in th is p a p e r .
传统的油水两相分离属于重力沉降分离
过 程, 液滴 ( 分散相) 的运动主要是自身的铅 垂 浮升、沉降和随液体 ( 连续相) 的水平流动 (称为牵移 运动)。 以上分析是基于低雷诺数 (一般地 R e ≤2) 层流下的理想状态。 而现场 实际应用的油水两相分离设备, 由于结构设 臵、来液状况和操作条件等原因, 使得液滴的 受力和运动情况与理想状态有一定的差距。 液滴的受力情况决定着液滴的运动轨迹 ( 称 为流线) , 在两相分离设备的沉降室前段, 由 于液体流动状况比较紊乱, 并非准水平流动,
因此流滴所受的力也并非在铅垂方向。 加之 在涡流流动状态下, 液滴将旋转且变速运动, 其受力较为复杂。假如采用常规的分析方法, 势必会出现较大的误差。 随着油气水分离技 术的发展, 在油水两相分离设备中, 为了提高 油水分离效率, 在设备内常常设臵强化聚结 元件。聚结元件的设臵提高了油水分离效率, 但同时也降低了液体的过流面积, 导致流体 存在一定的压力梯度, 使得流体中的液滴受 到附加的作用力。 在这些附加作用力出现的 局部区域, 液滴的运动并非是人们过去所认
第 26 卷 第 2 期 石 油 化 工 设 备 〃17〃
识的平稳状态流动。因此, 很有必要分析这些 因素对液滴运动的影响。
1 液滴受力分析
111 非水平流动状态下液滴受力分析 流体
力学中研究液滴运动时, 对雷诺数 小于 2 的层流流态, 把液滴的运动视为随液
和。假定液滴形状为球形, 匀沉浮速度为 V , 液滴所受的曳力与 V 和 U 的关系, F 在 x 、y 轴上的分量分别为:
F x = F co s Α
= C D A P Θ
(V x - U x )
|V - (3)
U | 2 F y = F s i n Α
= (4) Θ 2
F = C D 2
V A P
式中 Θ —— 流体密度, k g ƒm 3
A P —— 垂直于流体流动方向上的液
滴投影面积, m 2
C D —— 阻力系数
以上是一般情况下液滴所受流体曳力的 数学表达式。但有些情况下, 液滴并非完全随 流体流线运动。例如在三相分离器内部, 假设 液体原为水平方向流动或者要改变为水平方 向流动, 那么在分离器的沉降室前端和分离 器液体出口处, 设有折流板的局部区域, 液滴 所受的曳力将会发生变化, 液体流动方向也 就发生变化。如图 1, 设流体运动的速度矢量 为 V , 液滴运动的速度矢量为 U , 那么流体和 液滴之间存在有相对速度 V - U , 此时液滴 所受的力以矢量表示为:
C A
D P Θ
F x = (V x - U x ) ×
2
(V x - U + V y - x ) 2 ( )
2
(5)
U y C
D A P Θ (V y - U y ) × F y =
2
(V x - U x ) 2 + (V y - U y ) 2
(6)
由 F x , F y 即可求出 F 和曳力的矢量方向:
F x 2 + F y 2
(7) F =
F y V y - U y
(8)
co s Α
= F x = V x - U x
这即是一般状态下的液滴曳力的数学表 达式。对垂直流动的流体, 在沉降室内没有流 线 方 向 改 变 时, 液 滴 所 受 的 力 F x = 0, F y = C
D A P Θ (V y - U y ) 2 , 与通常情况下的公式相吻
2
合。
112 温度梯度使液滴受到附加热推动力
在三相分离设备中, 由于原油介质特性 和处理条件的影响, 有时需要在设备内设臵 加热装臵来对液体加热, 以提高操作温度, 降 低液体的粘度和密度, 达到对油气水有效分 离的目的。设臵比较合适的加热装臵, 可使温 度场较为均匀。但有时由于结构原因, 加热装
臵的设臵使得液体局部温度很高, 而其它流 场区域温度较低, 形成了较大的流场温度梯 度。 在以火筒式加热器为加热装臵的分离沉 降罐中就会出现较大的温度梯度。在图 2 中,
图 1 液滴和流体相对运动关系
F =
C D A P Θ
(V - U ) |V - U | (2)
2
〃18〃 石 油 化 工 设 备 1997 年
假设流场中有一热源 (加热装臵) 并产生了一 体阻力。也就是说, 在流场中造成了一定的压 力梯度, 从而对作用于液滴的力产生了影响。
如图 3 所示, 设流场中沿 x 轴向的压力
个沿 x 轴向的温度梯度9T
, 那么在靠近热源
9x 的区域内, 液滴 ∆1 获得的动能增大, 液滴之
梯度为 9
p , 那 么 对 于 流 场 中 直 径 为 D 的 液 9x 滴, 取其表面一微平面 A , 则由于压力梯度作 用于其上的附加力 d p 可表示为:
图 2 液滴受热运动简图
间的碰撞次数增多。而在远离热源的区域, 液 滴 ∆2 获得的动能较小, 液滴之间的碰撞次数 较少, 因此就会出现高温区指向低温区的附 加热推动力 F T 。F T 作用于液滴上, 导致液滴 自高温区向低温区的迁移运动。因此, 高温区 液滴与流场中液体之间产生 了 一 个 相 对 速 度, 影响了液体的正常运动。当液体直径大于 分子平均自由程时, 附加热推动力可表示为:
图 3 压力梯度对液滴作用力示意图
d p = D co s Α9p
Πd s i n Α d Α (10)
D 2 x 轴方向的附加力:
9x
2 2 9Π∆Λ ( 9
T k f ) (9)
F T = , N 3 d F p = d p c o s Α= 9p s i n Αco s 2 Αd Α
Π
D 2Θf T 2k f + k j 9x
(11)
4 9x
式中 k f , k j —— 液体和液滴的热导率
W ƒ
(m 〃K ) Λ —— 液体的动力粘度, P a 〃s 对液滴流面积积分, 即可得出压力梯度对液 滴附加作用力的表达式:
x Π ΠD 3
9p ∫
o
-
2
9x
s i n Αco s Αd Α= 4 o 9T
9x —— 温度梯度, K ƒ
m
3
ΠD 9p (12)
6 9x
由上式可看出, 在 9
T , F T
2 结语
①在油水分离设备中, 由于操作工况以 及设备结构的限定, 流体的流场并非理想状 态, 使得分散相液滴所受的曳力较为复杂。对 不同的流场状态, 只有采用特殊的分析方法, 才能使得油水分离设备的研究和设计更符合 实际情况。②在流场为非水平流动的状态下, 液 滴所受的曳力除与流体密 度、分 散 相 ( 液 滴) 几何形状和阻力系数有关外, 还与流体的 流动速度和液滴速度密切相关。 ③当流场中
9x
是 ∆ 的函数。也就是说, 粒径越大的液滴所获
得的附加热推动力越大。
113 压力梯度给液滴的附加作用力 随着三
相分离技术的发展, 许多高效的 强化分离元件相继应用在油 气 水 分 离 设 备 内, 使油气水分离的水平大大提高。常用的强 化分离元件有波纹板聚积件, 各种填料和陶 粒等。这些填料对油水聚积有较好的效果, 但
第26 卷第2 期石油化工设备〃19〃
存在热源时, 在热源附近将形成温度梯度, 使得液滴获得一个自高温区向低温区方向的附加热推动力, 导致液滴自高温区向低温区迁移, 影响了液滴的正常运动。在温度梯度一定的情况下, 液滴直径越大, 所获得的附加热推动力越大。因此在油水分离设备中应合理布臵加热源, 以尽量减少温度梯度对液滴运动的影响。④在具有压力梯度的流场中, 压力梯度给液滴一个附加作用力。该作用力与压力梯度和液滴体积成正比, 其方向与压力梯度方向一致。由于该力的作用, 使得液滴的运动发生变化。因此, 在进行设备结构的设计时，应尽量使得结构简单, 以利液滴分离。
参考文献
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Ξ
乙烯装置二级急冷废热锅炉的开发与应用化工部化工机械研究院(兰州730060) 高级工程师刘丰教授张松龙
摘要介绍了乙烯装臵二级急冷废热锅炉的结构设计、工艺特性、传热和强度试验研究、有限元分析计算、制造、检验及其应用。
关键词急冷锅炉传热强度有限元法
D eve l op m en t of Tow-S ta g e Quen c h W a s te Hea t Bo iler s i n
E thy l en e P l an ts an d Its A pp l i ca t i on
Sen i o r E n g i n ee r L iu F eng P ro f e s so r Z h a ng S on g long
(ch e m ica l M ach in e r y R e s ea r ch In st i tu te o f th e M in ist r y o f ch e m ica l In du st r y)
A bstra c t T h e st r uc t u re de s ign ,exp e r i m en ta l i n ve s t i ga t i o n o f tech n o lo g y ch a r ac t e r i st i c s, h e a t t r an sfe r an d st r en g t h , f i n ite e l em en t an a l y s is ca l cu la t i o n, p ro c e s sin g, ch e ck in g an d app lica t i o n re s u lt s o f tw o 2stage guen ch w a s te h e a t bo ile r s in e t h y l en e p lan t s a r e sy s tem a t i ca l ly p re s en ted.
急冷废热锅炉是乙烯装臵的关键设备之一, 它能否连续、安全和有效地运行, 直接影响乙烯装臵的正常生产和经济效益。在乙烯发展史上, 就曾出现过因急冷锅炉技术与裂解工艺技术不匹配而延迟了裂解技术推广应用的事例。所以近十年来, 随着裂解技术的发展, 急冷废热锅炉技术也有了较大的进展。国外在裂解技术方面领先的公司, 如鲁姆斯、斯通2韦勃斯特、林德、凯洛格、布朗及斯密特等公司, 都在
开发各自裂解技术的同时, 也开发了相配套的公司和斯密特公司合作开发的SL E 型急冷废热锅炉, 它能够在0101 s内将裂解气温度由850 ℃冷却至400 ℃左右, 而且乙烯损失少, 清焦周期可长达2 年以上〔1～3〕。我国化工部化工机械研究院(以下简称化机院) , 近年来在开发裂解技术的同时, 也开发出了较先进的二级急冷废热锅炉。先后使用于辽化、齐鲁、吉化及抚顺的裂解装臵国产C BL 炉和三菱油化倒梯台M 2T C F炉上。运转证明, 其主要技术指标已达到或超过90 年代国外的先进水平。1995 年获化学工业部科技进步二等奖。
Ξ 注: 本课题荣获化学工业部科技进步二等奖。
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