吴小林;熊至宜;姬忠礼
俄罗斯和叙利亚的关系
【摘 要】为了系统评价天然气净化用旋风分离器在含液量低时的气液分离性能,利用滤膜采样称重法和Welas在线测量法测量了旋风分离器在入口气速8～24 m·s-1、入口液体浓度0.1～2 g·m-3时的分离效率和粒径分布;对比了相同入口浓度下旋风分离器气液分离性能和气固分离性能的异同.实验结果表明,在入口气速为8～24 m·s-1、入口液体浓度为0.1～2 g·m-3时,旋风分离器的气液分离效率随着入口气速和入口液体浓度的增加而增大,而出口粒径分布范围变化很小;与气固分离相比,在相同的入口气速和入口浓度下,旋风分离器的气液分离效率要高2%～6%;另外,气液分离时出口液滴粒径不大于4 μm,而气固分离时出口有大于10 μm固体颗粒存在.【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2010(061)009
【总页数】7页(P2430-2436)
【关键词】旋风分离器;气液分离;分离效率;粒径分布
【作 者】吴小林;熊至宜;姬忠礼
【作者单位】中国石油大学化工学院,北京102249;中国石油大学机电工程学院,北京,102249;中国石油大学机电工程学院,北京,102249安徽警官学院学报
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ051.8+4
Abstract：In order to evaluate the gas-liquid separation performance of cyclone separator for purification of natural gas at low liquid concentration,membrane filtration method and optical particle counter Welas 2000 were applied to measure the overall collections and droplet size distributions,respectively,with inlet velocities of 8—24 m·s-1and liquid concentrations of 0.1—2 g·m-3and under atmospheric pressure and room temperature.Comparisons of separation performance have been done between gas-liquid and gas-solid separation under the same inlet velocity and liquid/solid concentration.The
results of experiments showed that the gas-liquid separation efficiencies increased with the increase of inlet velocity of 8—24 m·s-1and liquid concentration 0.1—2 g·m-3.The separation efficiencies of gas-liquid separation were 2%—6% higher than those of gas-solid separation under the same conditions.The droplets with the diameter size bigger than 4μm could be removed clearly,however,there were particles with the diameter bigger than 10μm existed in cyclone separator outlet.
Key words：cyclone separator;gas-liquid separation;separation efficiency;droplet size distribution
天然气气质对压缩机组、输气管线和阀门等设备的正常运行有重要影响。很多长输管线的上游气田具有凝析气田的特性,如作为西气东输气源的牙哈凝析气田和桑南凝析气田等。凝析气是多元组分的气体混合物,以饱和烃组分为主。一旦天然气中所含的重组分进入管道,随着温度和压力的变化,常伴随着凝析或反凝析现象。由于管道内气速较高,一般气体中所析出的液体很难在管道形成稳定的连续液相,主要以微小液滴的形式夹带在气相中。当天然气中存在凝析水和凝析油时,液滴和天然气中的氯离子以及湿气中的二氧化碳、硫化物等成分结
合会导致压缩机叶片产生腐蚀,严重影响叶片的使用寿命,威胁压缩机的使用安全[1]。另外,如果天然气中含有水滴和轻烃,会导致压缩机干气密封失效[2]和造成燃气系统调压器的堵塞[3]。
旋风分离器是天然气输气管线重要的净化设备,在分输站和压气站都利用多管旋风分离器除尘除液,因此旋风分离器除尘除液性能的好坏直接关系到后继设备的安全运行。目前国内外对旋风分离器性能的研究主要集中在气固分离性能的研究上,而对旋风分离器的气液分离性能研究则相对较少。Rosa等[4]对天然气分离高含液量的圆柱型旋风分离器的气液分离性能进行了测定,比较了液体黏性等参数对分离性能的影响。Movafahian等[5]研究了油田采出液中分离天然气用管柱式旋流分离器(gas-liquid cylindrical cyclone,GLCC)的流动特性,测定了液体的黏性和表面张力对旋风分离器气液分离性能的影响。Mohamed等[6]则测定了液体组成对GLCC分离性能的影响。Ng[7]利用实验和数值模拟方法系统研究了直流式旋风分离器的气液分离性能,但是在测量时液体的最低浓度为800 g·m-3;Jacobsson等[8-9]研究了液体浓度在100～900 g·m-3范围内变化时,直流式旋风分离器入口气体流量变化与分离性能的关系。
中国少年儿童队改名为中国少年先锋队
测量固体颗粒粒径分布的方法较多[10-13],但是液滴具有易变形和可挥发等特点,因此相对固体颗粒而言对于液滴的测量要复杂得多。旋风分离器的气液分离性能检测有两个关键问题：一是液滴的发生;二是液滴的检测。由于液滴具有挥发性,而且较易发生团聚现象,因此发生符合实验要求的液滴具有一定难度。目前,国内外学者多选用较难挥发的液体来进行气液性能测试,如癸二酸二辛酯[14-15]等液体;另外,一般利用滤膜采样称重法和在线检测法分别测量液滴的出口浓度和粒径分布[14]。
由上述可知,国内外对较低入口含液浓度时旋风分离器的气液分离性能研究还较少,本文针对天然气长输管道内经常出现轻烃和游离水析出的特点,探索出低含液量时旋风分离器气液分离性能的测定方法,初步研究入口气速和入口液体浓度对分离效率和出口粒径分布的影响。
1.1 材料中国农业发展集团总公司
实验以空气为介质,温度为室温,压力为大气压。为模拟天然气中的轻烃和游离水,实验用液体为癸二酸二辛脂 (DOS),20℃时密度为0.913 g· cm-3,黏度为20～30 mPa·s,是一种透明油状液体,挥发性较小。
1.2 实验装置与分析仪器
计算机光盘软件与应用
图1为常压下旋风分离器气液分离性能测量的实验装置示意图,装置由液滴雾化部分、测量部分和实验对象部分三个部分组成。实验采用离心式风机实现负压吸气操作,将雾化喷嘴产生的雾化液滴吸入装置,直径较大的液滴在旋风分离器内部被分离下来,另外一部分随着气体从排气管逃逸。
液滴雾化部分由空气压缩机、压缩空气缓冲罐、压缩空气过滤器、稳压阀、空气流量计、空气压力表、加液罐、液体流量计和雾化喷嘴等组成,雾化部分流程如图2所示。空气压缩机产生压缩空气,通过气体缓冲罐以保持压力稳定,然后经过空气过滤器除去压缩空气中的液滴和固体颗粒等杂质。清洁的压缩空气分为两路：一路为液体储罐提供压力;一路直接与雾化喷嘴相连。气体和液体的流量通过转子流量计进行控制。一定压力和流量的气体和液体在喷嘴处混合产生雾化液滴。通过调节进入喷嘴的压缩空气和液体的流量和压力可以得到不同粒径分布的液滴。
实验中主要测量参数有旋风分离器的入口气速、进出口液滴的浓度和粒径分布。旋风分离器的入口气速由皮托管来测量,进口液滴浓度由液滴雾化系统可以确定,但是旋风分离器的进口液滴的粒径分布难以测量,由于从雾化喷嘴出口到旋风分离器入口有一段距离,因此从雾化
喷嘴出来的液滴粒径分布与旋风分离器入口处的分布不一样。旋风分离器出口液滴浓度可采用两种方法进行测量,相互印证,从而提高测量精度。根据等动采样原理对旋风分离器出口气体进行采样,一种方法是被采样气体通过高精度玻璃纤维滤膜 (对0.3μm粒子的过滤效率大于99.97%),然后采用精度为0.1 mg天平称量滤膜增重,计算出旋风分离器的出口浓度;另一种方法是被采样气体通过光学粒子计数器Welas 2000,测量出旋风分离器出口气体中液滴的浓度和粒径分布。
德国Palas公司生产的Welas 2000气溶胶粒径谱仪用于测量旋风分离器进口颗粒的浓度及粒径分布,主要由控制器与颗粒测量传感器组成,采用光散射原理实现对气溶胶浓度与粒径分布的测量,欧洲各国广泛将其用于过滤介质与分离设备效率的检测。Welas 2000对所测量颗粒的光学特性较为敏感。使用中一般采用标准聚苯乙烯小球 (折射率为1.59)对Welas 2000进行标定,但当被测颗粒折射率与聚苯乙烯折射率相差较大时,直接测量的结果会产生较大误差,需要对测量结果进行修正。实验选用的实验液体DOS的折射率为1.45,与标定物质聚苯乙烯小球的折射率1.59差别较大。折射率不同时光散射强度与粒径的关系会发生改变,因此需要对Welas 2000的测量结果进行修正,具体修正方法见文献 [14,16]。
以轴向旋风分离器作为实验对象,共有8个导向叶片,其结构示意图如图3所示。轴向旋风分离器的导流叶片把轴向气流改变为旋转气流,当空气雾化喷嘴雾化的气液混合气以较高的速度进入轴向旋风分离器时,气流中的液体颗粒跟随气体做离心运动因碰到分离器的内壁而被分离。气体向下旋转运动形成外旋流,到锥体段后改变方向,形成内旋流旋转向上运动,被净化的空气经过轴向旋风分离器的芯管逃逸出旋风分离器。
为系统评价天然气净化用旋风分离器在含液量低时的气液分离效率,实验测量了入口气速在8～24 m·s-1和入口液体浓度在0.1～2 g·m-3时旋风分离器的气液分离效率和出口粒径的分布规律,并与气固分离性能进行对比。
2.1 旋风分离器气液分离效率
图4给出了利用滤膜采样称重法测量得到的旋风分离器气液分离效率随入口液体浓度变化的规律。由图中可以看出,当入口气速低到8 m·s-1时,轴向旋风分离器的气液分离效率随入口液体浓度的增大先增大后降低。这是因为当入口液体浓度不太高时,增加液体的浓度,可使液滴之间的碰撞和团聚作用更加频繁,大液滴就很容易被收集,所以当入口液体浓度在0.5～1 g·m-3范围内变化时,分离效率随入口液体浓度的增加而增加。而当入口液体浓度进一步增
加到2 g·m-3时,由于入口气速低,液滴有一部分聚集在导流叶片上,这部分液体黏附芯管外壁然后流入芯管内部,随着芯管内部向上的气流逃逸出旋风分离器。随着入口液体浓度的增大,从芯管内部逃逸的液体就会增加,出口浓度就会快速增大,因而旋风分离器的气液分离效率就减小。当入口气速在12～24 m·s-1时,旋风分离器的气液分离效率随入口液体浓度的增大而迅速增大,这和气固分离的规律相同。在一定入口气速下,入口液体浓度增加,出口浓度也增加,但是出口浓度的增加速度比入口浓度的增加慢,所以分离效率就随着入口浓度的增大而增加。这是因为入口液体浓度增大后,液滴之间的碰撞和团聚更加频繁,容易形成大液滴,并且加上液膜的作用,被甩向分离空间内壁上的液滴不会被重新夹带进气体相中,这样液滴就很容易被分离。
表1对比滤膜采样称重法和Welas在线测量法的测量结果,在表中可以看出,两种方法的测量结果规律是一致的,并且在数值上很接近,这说明两种方法都可以用来评价旋风分离器气液分离效率,另外两种方法的测量结果可以相互验证,进一步保证测量结果的准确性。
图5给出了在入口液体浓度一定的情况下,轴向旋风分离器气液分离效率随入口气速的变化。由图中可以看出,在入口液体浓度一定时,轴向旋风分离器的气液分离效率随入口气速的
增大而增大。这个规律和旋风分离器的气固分离规律一致,其原因也是一样的,即入口气速增大会使得液滴受到的离心力增加,从而使得液滴更容易被分离。不过在不同的入口气速范围内,分离效率增加的幅度不一样。当入口气速在8～16 m·s-1范围内变化时,气液分离效率随入口气速的增加迅速增大;而当入口气速在16～24 m·s-1范围内变化时,分离效率随入口气速的增加变化速度较为缓慢。2008tv
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