柱状气液分离器液相带气特性分析

周云龙 倪志勇

(东北电力大学)

GLCC入口管切向安装在竖直的圆形筒体上，筒体上部和下部配有气相和液相出口管。气液两相流在下倾的入口管中由于重力作用实现了初步分离，进入分离器后在筒体内形成高速的漩涡，在强大的离心力场的作用下，迅速完成气相和液相的分离[2]。两相流旋转产生了抛物线形的气液分界面。液相被甩向分离器壁面，在分离器底部汇集后从底流口流出，气相则沿径向运动到分离器中心后从溢流口排出。在分离过程中，部分液滴由于被气相携带向上运动通过溢流管，引起气相带液。另一方面，气相同样也能被液相夹带流过底流口，造成液相带气[3]。

液相带气率和气相带液率是GLCC的两个重要运行指标，无论是液相带气还是气相带液都将降低GLCC运行的效率和经济性。因而深入分析和研究液体带气和气体带液，削弱二者对GLCC分离性能影响，对石油化工行业的发展有着重要的意义。在过去的研究中，人们侧重于对GLCC气相带液的分析和预测，研究运行条件和结构改进对气相带液的影响。而笔者则着重研究液相带气，分析造成液相带气的主要原因。

1 气相运动轨迹

气相在剪切力的作用下破碎成气泡分散在液相中。在漩涡区内，大粒径气泡很容易被捕获分离，因而研究气泡运动轨迹的起始位置是在涡流区。在漩涡的底部，气泡由于受到离心力的作用而向分离器中心运动，同时液相的轴向运动给气泡施加了向下的曳力[4]。如果气泡沿径向运动的距离足够大，气泡就会与中心气核融合，随着气流向上运动由溢流口排出实现分离；若是气泡未能运动到中心气核，气泡就会被液相携带出分离器而造成底流的气相携带。

气泡在离心力和曳力的综合作用下沿图1所示轨迹向分离器中心运动。气泡沿径向以速度vr(r)运动，忽略气泡轴向浮力和滑脱作用，气泡的轴向速度vz(r)=vz(液相的轴向运动速度)。在液相的停留时间Δt内，气泡的径向运动距离dr=vr(r) Δt，轴向运动距离dz=vzΔt。则气泡轴向运动位移计算公式：

(1)

图1 气相运动轨迹

气泡径向上受到向心力Frc(离心力和浮力)、湍流作用力Frt和曳力Frd的作用[5]。根据受力平衡，气泡径向受力计算公式：

Frd=Frc±Frt

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Cd——阻力系数；

fl——液相摩擦系数；

Rb——气泡半径；

ρl、ρg——液相和气相密度。

胸腰椎结核手术后路入路方式内固定无需与结核杆菌感染的脊椎直接接触，能有效防止结核杆菌污染内固定物，而前路内固定可能会出现手术器械或内固定物被结核杆菌污染的情况，从而诱发异物反应，导致植骨溶解；但后路内固定的稳定性不如前路内固定，因此其易导致病变脊椎发生骨松动或植骨融合程度差等并发症。在本研究中，不同手术入路对胸腰椎结核手术患者早期植骨融合的影响无显著差异，这可能与样本数量有关，仍需进行大样本分析加以确认。

将式(3)～(5)代入式(2)中得到气泡径向速度为：

(6)

将式(6)代入式(1)中整理得到气泡的运动轨迹：

(7)

式中r——气泡径向位置；

Rs——分离器半径。

2 实验

实验中以常温下的水-空气混合物为实验工质。水的密度998.2kg/m3，动力粘度为1.009mPa·s；空气密度为1.225kg/m3，动力粘度为0.183μPa·s。分离器直径50mm，长度660mm，分离器全部采用有机玻璃制成。

通过改变实验操作参数，测量底流带气体积，分析液相带气的原因。为了研究分离器下部两相流的运动机理，采用高速摄影仪拍摄两相流的流动形态。

2.1实验系统

整个实验系统由水泵、空气压缩机、静态混合器、电磁流量计、转子流量计和气体收集器组成。实验流程如图2所示，气相和液相由水泵和压缩机输出，经电磁流量计和转子流量计后进入静态混合器充分混合。气液两相流从气液分离器入口进入分离器，在离心力的作用下，气相沿径向运动汇集到分离器中心，并向上随内旋流由溢流出口排出；液相由底流口流出后进入气体收集器，夹带的气相被分离并计量，液相流入水槽进入下个循环。

图2 气液旋流分离实验流程简图

2.2测量方案

采用气体收集器测量底流液相带气体积Qg-d，用液相带气体积与入口两相流中气相的体积Qg-i的比值(P=Qg-d∕Qg-i)为分离器液相带气的判别标准。P值越大说明从底流口排出的气相的体积越大，液相带气现象越严重。

3 实验结果分析

图3显示了液相带气量随分离器内液相速度的变化曲线。从图3可以看出，在一定的气相流速vsg下，分离器的液相带气量随着液相流速提高而先升高而后降低。同时可以看出，在一定的液相流量下，气相携带量随着气相流速的升高而变大。当液相速度小于0.15m/s时，液相带气量很小；当液相速度在0.15～0.25 m/s变化时，液相带气量均比较大；当液相速度超过0.25 m/s后，液相带气量又开始下降。

图3 液相带气量随液相速度变化曲线

分析认为当分离器内液相速度小于0.15m/s时，液相的入口切向速度很小，旋流的强度弱，离心力作用微小，气相的离心分离效果差。然而这种情况下，液相的轴向速度同样也很小，使得两相流在分离器中有充足的驻留时间，气相在重力沉降作用下得到分离。因此，在这个区域内，液相带气量很小。当液相速度逐渐从0.15m/s上升到0.25m/s时，旋流强度不断增大，离心分离作用增强。但在这种条件下，漩流的强度还不足以产生稳定的中心气核和强大的气相逆流区。与此同时，液相的轴向速度较大，驻留时间短，分散的气泡在液相的曳力的作用下流出分离器。在上述两种因素的综合作用下，导致在这个区域内液相带气严重。当液相速度大于0.25m/s时，入口切向速度进一步升高，促使旋流强度增强。在高强度的离心力场的作用下，气泡运动到分离器中心汇合成稳定的中心气核，形成了强大的气相逆流区，气相的分离效率得到了提高，液相带气量显著减少。

图4显示了液相带气率随液相流速的变化。在不同的气相流速下，液相带气率随着液相速度先增高而后减小。气相速度为1.2m/s时液相带气率明显高于另外两种实验条件，在液相速度从0.15m/s升高到0.25m/s的过程中，液相带气率达到了0.062%的最大值。

图4 液相带气率随液相速度变化曲线

4 气液旋流的可视化研究

从图5中可以看出中心气核是由气泡聚集融合而成，由于操作参数的不同，气核的形态和强弱也处于不断的变化当中，这些变化必定会影响分离器的液相带气。

图5 气液两相旋流流型

稳定气核：气核波动幅度很小，稳定性好而且旋转强度高，气核一直延伸到分离器的底部。在此种流动状态下，可以观察到气核与周围液相分界面明显，旋转运动中没有向周围液相释放出气泡。然而，仍有少部分气相随液相排出分离器，这是由于气核延伸到底流出口处，气相由于液相出口的卷吸作用而被携带排出分离器。

扭曲气核：气核波动幅度较大，旋转强度适中，气核呈扭曲状延伸到分离器底部。在此种形态下，气核不够稳定，随着气核的旋转，气核与周围分散在液相中的气泡融合的同时也分裂出气泡释放到液相中。这种情况下，液相中夹带的气相由两部分组成，一部分是由于气核向底流出口分裂释放出气泡；另一部分则是因为气核延伸到底流口处导致部分气相的损失。两种原因综合作用造成气相夹带量较稳定气核状态下要高。

微弱气核：两相流旋转强度较小，气核微弱而且波动幅度较大。这种流动状态下，大量气泡由气核中释放出来，与已经分散在周围的液相中较大粒径的气泡相结合，气核没有延伸到分离器的底部，而是随着旋流强度的衰减在分离器底部便消散了。在此种流动形态下，液相带气更为严重。一方面，在靠近分离器入口的上部液相区存在大量的分散的大粒径气泡，液相的气相携带严重；另一方面，在分离器的底部液相区，观察到小粒径的气泡。

无气核：这种情况下没有观察到任何漩涡的自由液面，这是因为旋流强度很小，基本接近与零。因此，分离器中心没有形成气核。这种流动状态下，仅观察到有微量的气相夹带。虽然此种条件下离心力作用微小，但是液相中的气相在重力沉降的作用下实现了分离。因而液相带气量微小。

通过对上述4种气核形态的特性分析可以发现，气核是引起液相带气的主要原因，气核的稳定性决定了分离器下部气液两相流的流动状态，对分离器液相带气有着显著的影响。气核的稳定性越高，捕集并融合的气泡也就越多，液相带气量就越少；反之，则液相带气严重。虽然无气核时液相带气也很少，但是单纯依靠重力沉降作用会失去柱状气液分离器运行的高效性。

5 结论

5.1液相带气量随液相速度升高先增加而后变少。在一定的液速下，气相速度越大，带气量越多。液相带气量在液速0.15～0.25m/s这个区间内较大，在两边的区域内则较小。

5.2液相带气率随液相速度增大先升高而后减小，在气相速度为1.2m/s时达到最大值0.062%。

5.3分离器下部气相的运动形态分为稳定气核、扭曲气核、微弱气核以和无气核4种，气核是造成液相带气的主要原因，随着气核稳定性的降低，液相带气量逐渐升高，无气核时由于重力沉降作用液相带气量较小。

[1] 元爱红.管柱式旋流分离器[J].油气田地面工程，2005，24(3)：62.

[2] 金向红，金有海，王建军，等.气液旋流分离技术的研究[J].新技术新工艺，2007，(8)：85～88.

[3] 胡艳华，龙斌.小型柱式气液旋流分离器在海洋平台的应用前景分析[J].中国造船，2009，50(z)：509～512.

[4] Mantilla I，Shirazi S A，Shoham O.Flow Field Prediction and Bubble Trajectory Model in Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC) Separators[J].Transactions-american Society of Mechanical Engineers Journal of Energy Resources Technology，1999，121(1)：9～14.

[5] Marti S，Erdal F，Shoham O，et al.Analysis of Gas Carry-under in Gas-Liquid Cylindrical Cyclones[C].Presented at the Hydrocyclones.London：London & Bury Saint Edmunds，1996：399～421.