徐孝 翻译
本文是气液柱的分离性能关于研究旋风分离器(GLCC)石油工业的利益气液柱的分离性能的实验。全球GLCC 中的流体动力学行为的特点是各种流入操作条件下流动可视化。通过使用三种不同的喷嘴的影响研究了进口喷嘴设分离器的性能,并且它被证明是一个关键参数。低涡流强度的流动由于喷嘴的限制不足。由于离心效果不足, 液体过早被洪水发生在分离器上方气体的。大量的气体也流出因为液体流。另一方面, 由于过于严重的喷嘴收敛, 气体会导致液体的重要阻力应用“短路”旋风向气体出口流动。除了喷嘴设计, 分离器性能的影响等现象像液体桥接或弹状流的发生政权在气旋入口。本文将更好的解读流体动力学GLCC 及其操作限制之间的联系的,这将要成为更加的可靠工具。
1. 介绍
基于石油行业主要依赖传统重力vessel-type 分隔符来处理从石油/天然气井产生的气液混合物。经过几十年的使用, 他们的技术已经达到了一个先进的成熟程度并且他们的设计很好掌握。然而, 它们笨重, 沉重的和昂贵的生产和运营。离岸开发的不断增加和减少设备成本促使石油产业寻找新的和紧凑的气液分隔符: 在这个平台上, 空间是有限的, 所以设备大小是关键。此外, 紧凑的分隔符是有益的从“流保证”的角度来看, 和北极很有趣, 水下和井下操作。以下研究, 大量的替代传统的分隔符被提出和发展。这些新兴的分隔符遵循“逆流式旋风”概念, 例如VASPS,CS2和GLCC 将要得倒解决。
GLCC 是一个简单的分离器,没有移动部件内部设备。它由一个位于大约在分离器上的身体垂直管向下斜切向入口和和两个出口管的顶部和底部组成。切向入口提供旋转运动传入的混合物,相分离过程产生的离心力增强。在正常操作中,气体从顶部进入在液体收集从底部流出。
大多数研究GLCC 的一直是TUSTP4塔尔萨大学的团队。一些应用程序的GLCC pre-separator(增强主分隔符或slug-catchers) 或部分分离器已报告。但是现在最常见的GLCC 控制气体/液体比上游流米或其他设备如水泵或de-sanders 的利用率较高,这提高了设备精度, 降低了它们的大小和成本。对于最后一个应用程序, 可以调配的出口管道。目标是让一种自我调节流循环, 保持液面在其最优(即略低于进口) 没有一个主动控制系统。当然, 如果分离器安装在线路的流量随时间变化很多那么这个解决方案并不够充分。在这种情况下,GLCC 控制阀门必须安装在出口的奴役; TUSTP 是这样的反馈控制系统研究和开发的团队。尽管它的简单性和它的许多优点,GLCC 尚未普遍成功。事实上, 尽管其操作单元和操作条件的变化呈现其性能预测非常困难。, 它的广泛使用, 尤其是在一个完整的分离器(Shoham Kouba,1998) 是最大的障碍。绝大多数相对于分离效率GLCCs 处理其独立的配置的研究(Kouba Shoham,1996;Movafaghian et al .,2000;chirino et a l .,2000;戈麦斯,2001) 。这些结果并不能使GLCC 效率作为一个完整的分离器, 因为其最佳液位变化太多, 重要的进口流量的变化。此外, 进口喷嘴尺寸的影响, 这是一个至关重要的参数, 还没有研究。本文试图克服这些缺乏详细的设备性能试验研. 流体动力学和旋风分离器的工作原理是在第二节概述。我们的实验装置和流动模式GLCC 进气道分别在3和4部分。实验结果在我们的实验室试验提出和讨论部分5(液体遗留) 和6(气体carry-under) 。对几何形状 (尤其是入口喷嘴的尺寸) 和物理化学性质对液体分离器的性能的影响进行了研究。下面的现象发生, 当GLCC 经营或超出其限制可视化操作条件。这些视觉观察和实验结果的分析使我们能够识别关键机制, 管理操作系统的限制。这将更好的理解GLCC 的流体动力学和性能限制之间的联系, 这是至关重要的, 将是设计的广大工具更加精确。
2。水动力学流GLCC 和分离过程
在本节中, 我们简短的给GLCC 如何操作和主要特性和发生机制一个简短的描述。粗分离的第一步是通过扩张时, 气液混合物进入GLCC 主要船是由于重力: 液体倾向于朝着气旋下部拖累气泡, 而气体占据上方。
在这个级别, 一定有波动在两个阶段进气道流阻尼, 之后, 设备运行更加顺畅(Rosa et al .,2001年) 。独立的系统, 液体漩涡(我们仅仅参考通过涡) 高度将取决于整个系统的压降。奴役系统, 漩涡将保持在一个小距
离低于进口喷嘴水平。
GLCC 上方, 液体液滴被离心力推动向墙壁, 并联合起来形成液膜。随着液膜与单个水滴相比更忌紧凑, 天然气将从开始到出口将会很困难。液体从墙上由重力摔倒之后到液体漩涡。然而, 如果气体流速增加超过系统一定阈值, 液体与气体流会一起转GLCC 出口。这种限制的现象称为液体遗留(LCO)。
我们可以注意到, 即使在常规操作, 一定量的液体形状的一个环形薄膜遇到略高于入口喷嘴(图。1。参见视频上旋转液膜) 。这个环形液膜的结果影响进口喷气和墙之间, 并且它由离心力将液体滴推向墙。液体的数量通常随着高于进口和环形薄膜的厚度液体流量增加。我们将参考这个上层USLF 旋转液膜。
一个独立的系统, 液体流率高, 涡流水平高于进口喷嘴的水平: 液体变弱, 甚至破坏了气相的涡旋运动。从入口气体到达被迫通过液体会导致液体喷洒, 启动初期LCO 。出于这个原因, 从实验中获得的数据在独立的系统不会帮助我们理解和预测LCO 奴役GLCC 触发。
为了改善隔膜的性能,所述入口由约27的角度向下倾斜?与水平所推荐的库巴等。(1995年)。这种倾向通过两种机制降低了LCO 。首先,倾斜角度促进了分层机制,这有利于相分离在入口level.Second ,它引导入口下方的液体流,从而防止它从阻住并阻塞气体移向系统上部。
在GLCC 下部,如果漩涡强度是足够高的,则可以观察到游离气液界面被划分出和涡流。从入口喷嘴的涡流在薄回旋薄膜(图1)中,液体流过,我们将参考作为下旋流液膜,LSLF 。由于浮力大气泡迅速向着自由界面移动。而较小的气泡,向下通过液体被拖动,径向推向涡流中心。它们形成了一个活泼丝,它允许一个不错的旋涡核心。这些气泡都应该上升到自由界面和脱离。实际上,根据实验数据从管上获得单相漩涡流文献中,头纱理解,在GLCC 下部,最有可能的流动轮廓具有围绕涡流中心(头纱,1998年)的流动反转。这种类型的典型的平均轴向速度分布绘制在管径所示。 Mantilla 的结论是稍后通过在单相流LDV5测量一个GLCC 型几何结构(ERDAL 和Shirazi 的,2002)证实。由于这种流动状态,一旦气泡已达到流动逆转的区域中,它们将被向上移动液体进行回空闲接口。然而,目前在GLCC 气泡部分不能在时间取出,并与液体流离开:这种现象被称为气进位下(GCU )。
3. 实验设施
在全分离器配置中的实验室规模GLCC 的设计和建造(图3a )。它的主要尺寸示于图3B 。所述GLCC 体是透明的,以允许可视化,并在聚甲基丙烯酸甲酯制(称为有机玻璃?)。所述GLCC 的内径为72毫米,其高度为2.5微米。管由多个部分组成,允许入口喷嘴位置的高度和修改。它有几个螺纹孔来安装压力传感器,或引入测量探针。旋风器的下部分由矩形柱充满水,以减少光学畸变由于GLCC 管的圆度环绕。这是为光学或LDV 的测量是有用的。在GLCC 涡流高度可以通过安装在下部出口的阀来控制。的离心泵由贮槽送入提供含水流体以20立方米/小时的最大流量。在一个封闭的环路中的液体流动。贮存槽允许除去夹带的气泡,从而保护泵。液体流速由一个校准的转子流量计测量。三种不同的流体已经用于我们的实验:自来水,0.3%CMC6的水溶液充当增粘剂和带来的粘度,以3.6帕秒10帕秒3帕秒,吐温80,7泡沫生成的表面活性剂是降低约70的表面张力的0.05%水溶液? 10牛顿/米 3牛顿/米为自来水至30N/m ,10N/m,3 N / m以下。
气相为空气。离心式风扇提供空气以0.8巴的最大相对压力下,和550立方米/小时的标准条件的最大流速。因此GLCC 操作几乎在大气压力下。空气流量和温度是由质量流量计(MF50S ,布鲁克斯?)的基础上的热测量技术测量。气体出口被连接到一个常规分离器与除雾器捕获该液体时在GLCC LCO 条件下运行。
这两个阶段的流速调节得益于几个阀门。传入液体和气体管线被连接到A Y 结GLCC 入口通道。入口通道具有一个正方形横截面的建议Hreiz 等。 (2011年)。入口通道的倾斜角为27向下,它的长度1.5米到其截面尺寸53 平方毫米。两相混合物进入GLCC 体通过一个会聚喷嘴。三种不同的喷嘴被用于本研究中(图3b )。垂直尺寸仍然沿着三个喷嘴(53毫米恒定,因为入口通道高度)。在第一和第二聚光喷嘴结了的约12毫米,在其与气旋主体交点分别为7毫米的水平尺寸,而第三喷嘴的入口通道(53平方毫米)
没有任何收敛的简单扩展。后者将被称为入口而没有喷嘴。
在以下部分中,除非另外指定,该数据对应到空气 - 水体系作为工作混合物。
4. 入口的空气水的流态
在入口通道中的气 - 液流动状态可能显著的影响GLCC 内的流体动力学。因此,我们的研究开始于发生在入口通道中的不同的空气 - 水流动状态的标识。该转换是通过直接观察或以上所采取的一个高速相机照片识别。相应的流量图形的地图为气 - 水混合物是代表在图4. 空气的表观速度被计算假定为1.2千克/立方米的空气密度不变。这个数据被收购与安装在GLCC 喷嘴1。过渡限制略有不同,如果另一个喷嘴时,由于在入口处的操作压力(并因此气体的密度)将被略加修改。
黑虚线曲线对应于最大空气流量和水流量的大小,可以在我们的实验装置来达成。当在入口通道中的表面液体速度,Vs 时,I ,L ,超过0.35米/秒,一个水跃形式在喷嘴的水平和传播上游的入口通道,除非一个最小气体流速保持(相应限被画成与连续的垂直黑线在图4中)。实际上,进入GLCC 液体进行沿着旋风分离器壁的完整旋转流动低于喷嘴水平之前,并且因此影响了水离开喷嘴。而且额外的压力导致水跃的发生。
四种不同的流动模式已经确定:分层畅通,分层波状流,弹状流和环形流。在层流模式中,液体在通道的下部流动,而气体在上部流动。分层体系已被确定为平滑时的两相是完全隔离的,并已被鉴定为波状当气泡和小滴存在。从分层到环形流动的过渡时在通道的侧面,液体运输变得随之被识别(侧表面变湿,由于液滴的过渡识别以及之前)。蛞蝓制度包括一个间歇的流动状态,与液体塞之间截留大气穴,并连续液相在通道的下部。对这些流量的更多细节可以在(Hreiz ,2011)被发现。
需要注意的是,在GLCC 入口通道的流动没有完全建立由于其短的长度。这应该牢记,如果在报道本段数据进行比较,以其他报道(其中包括尼亚(1987))在斜管充分发展的气液流动状态的数据。
5. 液体结转(LCO )
为了确定给定的液体流速的LCO 的发作,一系列实验完成在一个固定的液体流量的气体流率被选择,该混合物被引入GLCC ,它是观察到的液体是否达到上出口。一旦实验完成后,旋风壁由注入空气(不含水)到单元干燥。如果LCO 是(分别是未)在前面的实验中达到了,一个更小(分别为大)的气体流速注入,所以通过继续二分法,LCO 阈值精确地确定。在这些实验中,涡流水平保持远低于入口。事实上,涡流电平不影响LCO 的发作,其是不是太接近入口的水平,如通过王(2000)中所示的实验。
流速的耦合对应于LCO 的发作定义GLCC 操作信封相对于液体残留,对此,我们将通过公开引用的区域,以该曲线的左侧对应于正常工作条件系列的实验中,其中喷嘴1被使用时,超出的OPEN 限制LCO 流动模式进行了研究。相应的LCO 流动状态图被表示在图5。
在接下来的段落中,不同的LCO 流动模式观察被提出并讨论,而OPEN 曲线的形状进行了分析。
5.1翻腾流LCO 政权
流失的流动(图6a )是一个非常混乱的紊流态特征,可以发生对中度到高液体流速的流动不稳定垂直振荡。根据我们的视觉观察,超出一定的空气流量,USLF (上层液体旋流膜)变得不稳定,主要是因为尝试将其提起的空气流。因此,USLF 失去其完整性,这将导致一个搅动流态与剧烈振荡的正上方入口水平(见视频'' 流失流1'' )。液滴从流失流动区域喷出,并可能飞溅到气体出口,由此开始LCO 如果气体流量进一步增加时,更多的液体被气体解除,并使流失流态侵入GLCC 的所有的上部(参见视频' 流失流2'' )。
当空塔液速在旋风状态时(Vs 时,C ,L 小于0.4米/秒,在LCO 上(其对应于在OPEN
极限),液体通过云层的液滴喷出在高输送朝向上出口速度从流失流动区域对于更高的表观液体速度,LCO 开始与小液滴旋风分离器的湿表面上的反弹而要向上:气态涡流旋流强度是 没有高到足以导致他们在墙上飞溅。作为下搅动流动条件的结果的LCO 从液滴周围的打开限制气体流速,液体输送到上部出口的量小,但是不是可忽略不计,对于较高的气体流速,随着搅动流型侵入GLCC 的上部,液体结转量变得非常重要(见Hreiz2011更多细节)
人们可以从图5观察到,对于一液体空塔速度0.2米/秒和0.3米/秒之间LCO 的非常急剧的增加,而减小液体速度是为了对这一现象的原点更近的视图中,LCO 阈值和在入口通道中的蛞蝓制度的发作已经绘制在一个可以观察到相同的图上 7.,蛞蝓在入口通道中的爆发利于LCO 的启动。事实上,我们观察到实验上蛞蝓的快速连续强烈动摇USLF ,导致云高速液滴的一个暴喷射。
另一个原因可能是早期LCO 液体桥接。正如在第3节为Vs 时,C ,L 以上0.25米/秒(或等价Vs 时, - I,L 以上0.35米/秒),该液体进行整圈中GLCC 和影响传入混合物然后该气体被强制通过液体吹穿过去,什么可能导致此观察到早熟LCO 。
5.2顶叶LCO 模式
壁层LCO 对应于环形的LCO (图6b )中所述色的LCO (图6c 参见视频' 丝带流LCO'' )的流动图案:将液体输送到沿GLCC 壁的气体喷出口; 没有喷射的液滴。壁层LCO 制度与在气态涡流一个非常重要的漩涡强度相关联。通过在液体涡流的轴向速度分布(图2),但在平均流去向上,我们认为,该涡旋运动引起围绕涡流中心的流动反转,这导致重要轴向速度靠近壁。由于这些重要邻近壁轴向速度的结果是,在气体向上拖动以环形薄膜形式的液体。该液体保持在GLCC 由离心力的墙壁上。对于更高气体流速,作为流体的不对称性变得更加明显,气态涡流驱动液体槽优先路径:这些路径与近壁区域具有高气体向上速度分量重合(参照图2)。因此,环形LCO 切换到色带流动的LCO 。可以注意到,根据壁的LCO 图案,液体与气体的流速输送到GLCC 气体出口的增加只是缓慢的量(见Hreiz 2011的详细信息)。
临时丝带或环形LCO 制度是短暂的LCO 运输现象:出现稳态条件下没有LCO ,但一些液体穿过短暂执政期间的GLCC 上部出口。事实上,当气体 - 液体混合物进入GLCC ,即使气体流速高到不足以诱导LCO ,然而液体色带拖动向上(上述ELF )。往上下游,摩擦减少了涡流强度的气态涡流(这样的平均轴向速度分布趋于变平,从而壁附近的上升速度的大小被减小),并且由于带子的增加的静水压力。其结果是,该气体已不再能够驱动此外该减慢的色带,并形成薄的涡旋液体膜。作为膜通过到达液体丝带与它合并送入,它变得更重,并开始下井逆流(参照视频' 落漩膜'' ),直到达到USLF 和与它合并。对于某些气体流速,一部分色带到达上部出口,诱导倒下之前LCO (等等LCO 停止):这种现象是暂时的彩带流动。临时环状流是类似的,但LCO 的发生是由于一个环形薄膜,而不是色带到达上出口。它发生时,在气体涡流的漩涡强度不够高浓缩的液体被拖向上成带。
根据图_5,当发生LCO 流失流动模式下,增加足够气体流量变换LCO 图案在环型制度。实际上是气态涡流漩涡强度与气体流率增加,从而导致的一个稳定流和减少混乱离心力推动液体朝向壁,所以不受液体限制运动的气体会向上流的核心:LCO 流动图案成为环形。
5.3相对于运行包线的形状分析LOCK (OPEN )
根据LCO 文献(奇里诺斯等人,2000; Movafaghian 等人2000_5),在OPEN 具有单调演进:必要以引发LCO 气体流量液体流量的递减函数,我们的实验证明的OPEN 限制更为复杂的行为。与更严重的限制比,在以前的研究中所使用的那些喷嘴的解释这种分歧对我们将采取的OPEN 限制这种非传统形状的优势,了解流体力学在GLCC 上的行为,以便更好地了解在分离过程中的导入喷嘴的影响。
正如我们已经看到的前面的段落,在GLCC 的LCO 通过飞沫直接从朝上方出口喷嘴不会启动。实际上,由于其惯性而在气态涡流的涡流运动,所有这些液滴将合并与回旋膜(USLF 或LSLF )。 LCO的是由液体从USLF 抢走发起的,与液滴或剪切力的膜的图案。因此,在GLCC 的LCO 是在管道中垂直向上顺流气液流的一种特殊形式。如在GLCC 的向上的空气流具有高的平均方位角的速度分量,因为从涡流运动产生的重要邻近壁轴向速度,并且,相应的相互作用的气相和液相之间的应力会比常规更高(非-swirling ),垂直向上顺流气液流在相同的直径GLCC 主体的管道。由于这个原因,可以说在理论上,该LCO 的启动限制不能超过发生常规向上顺流的阈在相同直径的垂直管环状流(库巴等人,1995)。一旦相应的空气表观速度达到在GLCC 。由于重要界面剪切,所述USLF 会不可避免地由气体拖动朝向上出口。
如可以在图5中观察到。16米/秒的空气的表观速度不能超过,而不在GLCC 触发LCO 这个速度大约对应于从其中一个正规向上环状流发生在一个垂直管,其直径可比我们GLCC 的,用于空气 - 水体系中的标准条件下的阈值(Taitel 等人,1980; 巴尔内亚,1987 )根据上面提出的分析,这速度的GLCC 的性能的理论极限,因此,可以得出的结论是,对于中间水的流速,喷嘴1驱动GLCC 性能到其最大值。这当然是由于高漩涡强度气态涡流,入口喷嘴1的严重限制暗示。
但是,对于小的液体的流速,在高涡流强度流动导致了GLCC 的分离效率降低。实际上,图5表明,对于小的液体的流速,该LCO 阈不如的GLCC 的性能的理论极限。事实上,对于小的液体的流速,因为有水在USLF 只有很少量,在气态涡流的漩涡强度只有很少衰减。重要的漩涡强度意味着邻近的壁中的气体涡流高的轴向速度,因为流动逆转靠近漩涡中心的(如在图2中看到的)。这导致USLF 的过度剪切。因此,天然气撕下USLF 的液体丝带。这些色带拖累由沿高向上的轴向速度在气体流线如在第5.2解释的那样,在某种程度上' 短路'' 的朝向上出口GLCC (这种现象被认为是一个' 短路' ,因为液体通过向上输送优惠的路径)。这种效果可以在图7中观察到。 对于较小的液体的流速,LCO 发生在GLCC 即使两个阶段都在入口通道,其中,工作方式是分层光滑完全隔离。
为了证实上述说法,新的测试已经完成对LCO 启动。此时,对于一个给定的液体流速,空气流速逐渐增大至阈LCO ,不像以前的实验,其中GLCC 壁正在探索新的燃气流量。当气体流率低于OPEN 限制,空气拖动从USLF 的一些液体朝向GLCC 的上出口。然而,如在第5.2阐释瞬态效应,该液体达不到上出口,而落回到向下与USLF 合并,然后变重。入口上面这个更大的量的水引起的气态涡流,从而降低了向上的气流速度,接近所述壁的幅度的漩涡强度更高的衰减。空气流量然后稍微增加,再次和上述所取地方的现象,导致较重USLF 。因此,与实验系列,其中GLCC 被引入气 - 液混合之前进行干燥,因为近壁空气速度的幅度被减少,液体' 短路' 朝向防止了上出口,而OPEN 限制为低的液体流速(图8)的改善。没有改进观察中间或高液体流速下,作为没有液体' 短路' 发生于GLCC 在这些条件下,这最多约16米/秒的空气的表观速度。超出该限制,则USLF 是不稳定和在GLCC 上部的流动变成一个流失制度。这些观测结果也证实,在我们的GLCC 16/米气表观速度总是导致一个LCO 。请注意,在现场操作GLCC ,开启极限将位于图8所示的两个极限之间。
对于低的液体流速,图5示出了气体速度开始要与液体流速的LCO 增加。实际上,较高的液体的流速,液体由LCO (Hreiz ,2011)进行,更重要的量。这是由于这样的事实,即水流量是重要的,还有在美国更多的液体,因此,更多的水很可能被结转。为低液体流速下,LCO 通过从USLF 剪切液体色带(或薄液膜)发起。所以,在较高的液体流量(同时保留在小的水流量的范围内),随着越来越多的液体进行过,气体需要更多的能量,以补偿所产生的压头损失。此外,对于增加的液体流量,所述USLF 变重,导致涡流强度的气态涡流更大衰减:需要较高的气体流速以引发液'' 短路' 朝向GLCC 上出口。这两个原因解释这一事实,对于低的液体流速,气体流量发起与液体流量的LCO 增加。
用于高液体流速,气体流量需要发起LCO 的减小具有增加液体流速(图5)。因为所述USLF 的厚度与液体流速增加,可用于气体流动的有效横截面减小。这增加了有效的气体轴向速度,从而更容易使USLF 动摇,因而导致在所述入口上方的流动区域流失。如在第5.1已经指出的,用于高液体流速下,LCO 的发作似乎强烈相关液体桥接和一个带塞制度在入口通道的存在。对于这个范围内的液体流量,似乎GLCC 将需要一个较大直径移动至在OPEN 至其理论最大限制。这将增加气体流量的有效横截面,并防止液体桥接。然而,应该记住的是,一个更大的旋流器直径将意味着更少离心作用:喷嘴必须重新设计,以保持足够的涡流强度的水平,以便保存在GLCC 良好的分离效率。
最后一个系列实验喷嘴1已经进行,同时减少了GLCC 上部30厘米高度,除去系统的两个部分。结果状态时(图9)表明,该打开限制仅稍微改变相比于全尺寸GLCC 。他们表明,超过一定的长度,高度GLCC 只起到次要作用。它们与我们的分析是一致的:旋风分离器直径和旋流强度是影响GLCC 分离性能的主要参数。
最后,本节讨论,LCO 在GLCC 启动由液体从自沿扫过,根据液滴或剪切力的膜的图案。因此,为了提高相对于LCO 的GLCC 效率,建议向它提供的环形膜器中提取。这种装置已被Molina 等人开发。 (2008),以改善GLCC 效率相对于LCO 在湿气体的应用程序。环形膜提取被放置在入口上方一段距离,并且提取液带或环形膜由气体向上拖动。莫利纳和同事表明,该单元提高了液体分离效率低的液体流速结合高气体流速。然而,我们认为,这样的设备,甚至可以用来改善GLCC 性能在高液体流速。如果放在正上方的入口层,它会阻止自我的增厚连续地从膜中除去液体。因此,天然气将有足够的横截面流过,并不会动摇USLF ,这将扩大GLCC 的OPEN 限制。
5.4喷嘴设计的影响
对于GLCC 设计,除了旋风直径,喷嘴几何形状可能是最重要的参数,因为它控制直接在流动漩涡强度然而,就我们所知,其对GLCC 性能影响至今从未被研究。在调查打开限制喷嘴尺寸的效果,一系列的实验已经进行了与喷嘴2和3(图3b )垂直尺寸是恒定的两个喷嘴(53毫米,相同于入口通道高度)。喷嘴2约7毫米的水平尺寸,在其交叉点以气旋主体,同时喷嘴3是入口通道(53平方毫米)没有任何收敛的简单扩展结果显示在图10中。
当喷嘴3的情况下,在收敛压头损失被降低。因此,最大的气体,并且可以在系统达到液体流速的范围被扩大。由于其不充分的限制,喷嘴3只发送低涡流运动的流动。由于漩涡强度低时,LCO 总是从流失流动模式通过比较GLCC 的性能与喷嘴1和喷嘴3以下观察可以作出结论:
所述GLCC 执行更好时具有收敛喷嘴的情况下,因为离心效果增加,因此分离效率提高。,对于非常低的液体流速用喷嘴3提供的优异的结果,因为液体' 短路' ,以不发生GLCC 上出口由于在流量低旋流强度。
用于高液体流速下,从LCO 来讲GLCC 的性能通过使用收敛喷嘴仅略有改善这一结果在与由在第5.3左右,对于高液体流速下,在OPEN 极限主要取决于GLCC 直径(和在入口通道中的流动状态的事实的讨论一致。然而,即使在OPEN 限制仅略有改善,液体输送到当GLCC LCO 的条件下操作该上出口的量减少了很多,当喷嘴1被使用状态时(见Hreiz2011的详细信息)。
在低到中间液体流速,精心设计的喷嘴(喷嘴1在这种情况下,因为它赋予足够的涡流强度到流)对GLCC 的性能产生巨大的影响。
当管嘴2被使用时,由于其狭窄的出口部分,该流程经历强烈的压力可能损失减少气液流率的范围。因此,GLCC 表演的研究仅限于低流速的液体。除了研究的最高液体流量的情况下,该LCO 开始于短暂色带制度。对于这些流速,相比喷嘴1,通过喷嘴2恩惠液' 短路'
涉及到GLCC 上部出口越高漩涡强度。对于最高调查液体流速,LCO 开始于搅动流态,和喷嘴2报价也较低的性能。实际上,我们认为,该喷嘴2的严重收敛导致液体喷射出来的旋风分离器壁的喷嘴的更大的影响。其结果是,该USLF 将含有更多的水,这将降低用于气体的有效流动截面。此外,强大的涡流强度介入带来更高的近壁上升气流速度。这两种效应倾向于动摇USLF 等等,使LCO 的发作更容易。
本节中入口喷嘴的设计实验表明,有喷嘴的最佳收敛未经足够严重会聚的喷嘴不会赋予足够的涡流强度与流动,以确保良好的分离。另一方面一个太严重收敛利于液体' 短路' 以及USFL 的不稳定。
5.5液体粘度的影响
原油的粘度都依赖于他们的起源非常不同。油的粘度通常与油的密度状态有关(阿诺德和斯图尔特_2008年)光原油通常具有的粘度为1.0毫帕秒(水的粘度)。重质原油的粘度会从1.0到10.0帕秒之间。因此,以确定如何将液体粘度可以影响GLCC 表演,以更好地预测在现场操作旋风分离器的行为是重要的。
增粘剂已被添加到水中,以增加其粘度。对于CMC 的0.3%的浓度,将得到的溶液是
3.6times 比水更粘稠,并保持一个牛顿字符。从其表面张力下降 10牛顿/米3牛顿/米为自来水至50牛顿/米10牛顿/米3 N / m 以下。图11表示在OPEN 限制水和水的CMC 溶液时喷嘴1被使用。因为它可以被预期的,由于较高的相互作用的应力,液相的粘度增加,导致较早发病的LCO 。图11还示出了用于水的CMC 溶液中的入口通道的团状流动状态的发作。这些结果证实,在入口通道中的LCO 引发和团状流动状态之间的密切联系的存在,在第5.1讨论。需要注意的是,当粘稠溶液被使用时,LCO 总是启动作为流失制度。事实上,在气体涡流的漩涡强度由于高界面剪切迅速减小应力。因此,即使对于低的液体流速,在该LCO 发病,离心力不再足以维持该液体的墙壁上。
6. 发泡影响
因为原油含有杂质和表面活性剂,气/油分离自带往往与不必要的泡沫。如果泡沫没有被正确处理,它会严重改变常规重力分离器的性能,并且将与LC 和GCU 状态(阿诺德和斯图尔特,2008; 霍夫曼和Stein ,2008)相关联。旋风分离器是1除其他可能的方法来控制foa5m 他们实验了极大的商业成功,因为它们的有效性_它们的低成本和简单的结构状态时(霍夫曼和Stein_2008)。
为了表征GLCC 消散泡沫的能力,产生泡沫的表面活性剂吐温80已被添加到水中的浓度为0.05%,这高于临界胶束浓度,将所得溶液的表面张力降低到30_ 10_3 N/ m时,而在粘度变化不大。
图12代表OPEN 限制空气(水吐温80)解决方案。对于最低的调查液体流速,LCO 被启动,如丝带。这些条带所构成的透明的液体,没有泡沫在表面,所以LCO 的阈值实际上是相同的用纯水。对于所有的其它液体的流速,LCO 被触发作为搅动泡沫流动状态(参照图13),并与纯水的情况下,在OPEN 限值显著降低。泡沫在GLCC 上部形成主要在USLF (入口流一般含有没有或很少的泡沫)。由于USLF 振荡和变形,在其空气 - 水界面混合增强:产生的气泡和由表面活性剂的存在下是稳定的。该泡沫振荡USLF 弹出' 水滴'' 这是主要构成泡沫。由于其低质量,这些粒子都不能有效地离心旋风墙壁,并轻松达到GLCC 上部出口。可以注意的是,泡沫在USLF 产生量与液体的流速急剧增加。
高的气体流速,泡沫耗散在GLCC 上部(图12)如已经报道的Movafaghian 等 (2000),用于独立GLCC 此时,LCO 不再形成了泡沫,但被输送到上部出口形成清亮液体。根据我们
的观察,气体的量需要迅速消散的泡沫随液体流量。
可以在图5中观察到。泡沫在美国空军主要形成于从入口喷嘴一定距离,在那里的离心力变低点附近的喷嘴中,重要的漩涡强度防止泡沫形成,甚至消散状态时(部分或完全)先前存在于该混合物中的泡沫。因此,具有短上部的GLCC 更有效的为泡沫耗散:ULSF 可以得到不稳定并产生泡沫之前到达上出口。
最后,在本节中涉及的液体携带过度的现象,我们注意到在分隔表演的压力效应是一个非常重要的参数。因为,在石油行业,加压油气混合出来的井要经过一系列不同操作系统分隔符 - 减少 - 压力。不幸的是,该实验设置在这项工作中使用不允许我们能够控制的操作压力。在GLCC 操作信封的工作压力相对于液体结转的效果已得到解决通过实验Movafaghian 等。 (2000年),空气 - 水单机系统(图1b )上。根据其结果,增加了在操作压力改变GLCC 中的气体体积流量计算处理能力,同时旋风分离器中的气体的质量流率方面的处理能力得到提高。然而,必须指出的是,由Movafaghian 等人获得的大多数数据。 (2000)对应于相对高的液体流速。作为其GLCC 是一个独立的系统,对于这种液体的流速,液体平衡电平高于入口的水平。因此,它不能说,同样的效果将在GLCC 操作观察在一个完整的分隔体构型。
6. 燃气送修状态(GCU )
在GLCC 戈麦斯状态时以下的流动是相当复杂的(2001年),我们将首先定义涡流图案和细节的流体力学后来,GCU 现象将描述并链接到涡流的宏观行为。
6.1涡街流量模式
一系列的实验调查关于喷嘴1不同涡流流动模式在GLCC 的下部。该研究仅限于下面的OPEN 极限气液流速。涡流,冠,顶部部分保持21厘米导入喷嘴下方(该位置是容易识别的,由于凸缘的存在下),通过安装在GLCC 下出口(图3a )的阀。涡流水平未设置靠近入口水平的原因有两个。第一个原因是,在野外条件下,气体和液体的流速波动的时间。因此,在GLCC 涡流水平必须保持在从入口有一定的距离,因此,该控制系统有足够的时间在的液体流量的突然增加的情况下进行反应,并防止涡流超过入口水平和导致一个早熟的LCO 。第二个原因是,当该涡流水平太靠近入口处,我们观察到的流动被打乱了。由于注意到了Shoham 和库巴(1998年),有一段距离从入口是要实现一个最佳的旋流强度。
基于视觉的观察,四涡街流量模式被定义(参照图14)。相应的流型图被表示在图15. 绘制过渡边界是近似的:不同的制度之间的过渡是平滑的,因而难以分辨准确图。图15示出该涡流图案主要取决于液体的流速。气体流量的增加对流动模式的影响不大,但会增加在流动的气泡的量。不同确定流动状态讨论如下:
重力流为主:这一制度出现低液体流速。相应的离心力较弱,所以自由界面几乎是平的或略微弧形微小气泡(大约100-300流明直径)在整个GLCC 的下部存在。但是,泡沫密度仍然很低,在遇到附近自由界面较大的气泡(约1毫米直径)从自由界面的距离泡沫套牢降低,因为浮力推动气泡约0.03米/秒的速度向上和它们分开以上为液体空塔(VS ,C ,L ),气泡的一部分重新加入漩涡中心由于离心力,并形成一个气泡灯丝,从而使涡流核心成为的一个很好的可视化。当流动政权重力为主,灯丝稍纵即逝,往往失去了它的完整性。它往往会成为随液体流量较稳定。
泡状涡流(图14A ):在此情况下,游离的界面是仍然几乎平坦,但涡流活动的存在是通过比较大的气泡的存在(在1-3毫米直径的范围内),该得到一起在下面的自由界面圆锥体的形状显露。泡沫套牢要比重力流为主更高。漩涡强度仍然是不充分的,集中所有在单丝的气泡,一个几百微米的微小气泡是无处不在GLCC 。这种流动模式促进了相对较高的气泡
分散,随着液体流速增加而增加。当气旋工作接近从气泡涡流来挖掘涡流过渡的最高密度的泡沫观察。挖掘涡流(图14B ):这种流动模式的特点是重要的离心力,因此,自由接口成为中空用旋涡深度不超过15厘米。当液体流速增加时,气泡往往较小,并作为漩涡强度变高,大部分的气泡集中在灯丝和气泡分散减小。深刻挖掘涡街流量(图14C ):与此流型相关的离心力作用是激烈。旋涡变得深刻出土。涡流的翘曲来自利用独特的入口喷嘴,其诱导在流显不对称。涡流(中空接口的底部)中的“”鼻子“' 通常是尖锐而窄,与类似的灯丝部的尺寸。极少气泡周围的区域外发现泡状长丝与邻近涡流界面的区域。它们的尺寸是非常小的,并且它们不是清晰可见。它们的存在是在流动的直接照明的情况下,揭示的小光反射在其表面上。
其它系列的实验中已进行,而涡旋的冠下保持远从入口喷嘴超过21厘米涡流水平,更广泛的,其中低漩涡强度涡流态存在流速的范围内。该LSLF (下袅袅的液膜_参见图1)是由重力向下加速,击中涡冠吞没时,大气泡气泡在GLCC 量上升。这些实验的细节和结果可以在状态时(Hreiz ,2011)中找到。
6.2泡状细丝
泡状细丝提出了一个非常复杂的流体力学,并受不同类型的浪潮,其中一些旅游上游的长丝经历通过数值模拟获得的作为一个连贯进动运动(进动涡旋芯不稳定)(Hreiz 等人,2011年)。许多实验研究得出的结论是旋涡核心是受到高湍流强度(除其他外,ERDAL 和Shirazi 的(2002)的研究,谁进行的LDV 测量)。然而,我们的视觉观察显示相反。事实上,如果紊流是高在涡流核心,气泡将被分散与起泡灯丝就不能形成正确的。湍流动能被证明是围绕涡流中心最小(Hreiz 等人,2011年)。在报道的上述作品涡流核心的高湍流水平是由于平均流速的周期性变化是相关的旋进涡流核心的不稳定和不为'' 真'' 紊流。
每当涡丝的形式是Vs 时,它伸出到下出口。其中在GLCC 气泡密度非常低,例如,当流模式是深深挖掘涡流甚至观察。在这些情况下,由于气泡周围的液体密度非常低,在泡状灯丝的形成不能从气泡(通过离心)的径向传输起源。因此,对于高液体流速下,即高漩涡强度的情况下,可以得出结论,意味着围绕涡流中心点的轴向速度向下。在灯丝气泡向下从朝向GLCC 下出口的自由界面运送。因此,假设承认到目前为止,在GLCC 典型平均轴向速度是由图中所示的剖面进行说明。 2不成立的高漩涡强度的情况下。对于这些情况,气泡中的灯丝并不带回自由界面和脱开,但被运送朝向GLCC 下出口,并导致GCU 。这些不同的结论也得到了GLCC 下部(Hreiz ,2011)LDV 测量的支持。
6.3GCU 的定性描述
我们的观察表明,对于所有的液体和气体流量的大小,气泡的部分最多只有一个非常小的气体的量相对应 ,到达液体出口,并导致GCU 因此,GCU 现象必须在GCU 的水平,而不是GCU 阈方面加以解决。由于根据在GLCC 携带的气体的量最经常非常小,而且没有适当的测量技术_它尚未能够量化GCU 相反,该段是基于视觉观察在GLCC 下出口抬出气泡。
在GLCC ,气泡的一部分在入口喷嘴级中产生时,由于重要局部剪应力。事实上,水会在喷嘴的出口处出现“”白“”(见视频'' 上旋流液膜'' )。然而,由于自薄,并由于离心力的影响,大部分这些气泡的脱离,在入口区域中的液体,以前LSLF 到达液体涡流。大部分在将LSLF 满足涡旋冠区域的液体涡流形式的气泡。
当重力支配的流动,即对于低的液体流速,或当涡流电平被保持远低于入口水平,LSLF ,向下通过重力加速,吞噬相对较大的气泡,当它到达涡流冠。对于重要的气体流速流动,界面剪切产生的微小气泡在自由界面。这些生成的气泡的密度增加与气体流速。对于重力主导的流动模式,泡沫密度在
GLCC 是低的,除非所述涡流的水平比入口喷嘴低得多。作为关联于这个流动状态的液体流速低,在旋风分离器的液体的停留时间是很重要的,并且它的表面速度低,所以是液体和气泡之间的曳力。因此,浮力足以带回大部分气泡向着自由界面在那里他们可以分离从液体。所得GCU 低。
当液体流速增加时,重力和离心效果增加以及和气泡旋涡流态稳定下来。较高的重力效应增加气泡吞噬速率在自由界面。在GLCC 的下部的混合物中的停留时间减少了。的离心力增加,但没有足够的补偿这些影响。这就是为什么最高GCU 度已经在泡状涡流态被观察到。对于此流型,这两种气泡的液体涡流量和GCU 增加与液体流量,并达到最高约的过渡限制出土漩涡水流流态,在那里他们开始下降。
对于挖掘涡街流量模式,旋涡变得空洞。所以,在涡流冠水平,作为液体流动的有效横截面减小时,局部液速度是重要的。因此,液体流速在USLF 并在涡流冠之间的差减小。这导致较低的剪切应力在所述LSLF 满足涡流的区域中,并通过,以降低气泡发生率。因此,对于这种流动模式,在GLCC 气泡滞留在液体流速增加时减小。此外,这种涡街流量制度下,离心效应开始占据主导地位从而提高气泡分离的流动。因此,关联于这个流动状态的GCU 与液体流量减小。在过渡限制了深刻挖掘涡流时,GCU 水平低。
对于调查最高液体流速,流动状态是在深深挖掘涡流。气泡密度极低绕活泼灯丝的区域和邻近的涡流界面的区域之外。相应GCU 非常low.The GCU 的发生是由于在气泡灯丝到达下GLCC 插座。如我们可以从上面露出的结果得出结论,在GCU 水平直接相关,以在液体涡旋气泡密度。根据我们的观察,如果涡流水平保持21厘米下面的入口喷嘴,即发生在最大GCU 在GLCC 还很低。所述抬出气体量是远离引起下游装置的故障:在GLCC 分离效率被认为是非常好的。在GCU 变为仅当涡流的水平位于低于60厘米以下的入口的问题。在这些情况下,LSLF 击中涡流时吞噬更多的气泡。两个旋流强度,并在旋流器减少液体停留时间。这些因素导致更高水平的GCU 。
6.4。喷嘴的效果
设计上的旋涡流体力学和在GCU 已经研究用的喷嘴2和3在这些实验中,入口喷嘴设计的效果,涡流水平保持21厘米低于入口的水平。
当喷嘴3被使用时,所述液体喷射出来的喷嘴的影响的猛烈旋风壁,而失去它的角动量。其结果是,在涡流的漩涡强度总是很低:游离界面是平的,而气泡的只有一小部分到达起泡长丝。碰壁之后,液体落下并吞没大气泡,当它到达涡流。掺入气泡的量与液体的流速急剧增加。为Vs 时,C ,在0.1和0.2米/秒升时,GLCC 的整个下部分变得由大气泡(3-5毫米直径)占据。在GCU 高得多时喷嘴1被使用比最大GCU 观察。为Vs 时,C ,0.2和0.4米/秒之间升,该气体含率变得非常重要,因此一种' 团状流动方式' 的发生在GLCC 下部:所述液体移向所述下出口的同时携带气泡,同时,从气泡产生的大量气体的口袋凝聚起来的自由界面。对于较高的液体的流速,气泡是由这防止了塞政权流的发生的液体迅速拖动。在GCU 水平变得更加激烈。这些结果表明,具有差的入口设计,GLCC 工作更象是一个混合器,而不是作为一个分隔符。当管嘴2被使用时,在GLCC 旋流强度比当喷嘴1被用于更重要,因此,在高强度的涡流制度发生在更广阔的范围内的流速。气泡产生率和气泡滞留在GLCC 以及GCU 都降低。相比于喷嘴1和2提供一个轻微改善尽可能GCU 而言,但意味着非常重要头损失,并导致早期的LCO5.4所示。由此可以得出结论,喷嘴1是最合适的喷嘴为GLCC 。
6.5。液体粘度的影响
当液体粘度通过加入CMC 的增加,所述液体涡流具有较低的旋流强度相比于使用的,因为在旋风器壁高粘滞摩擦水的实验。低漩涡强度涡流图案观察到更大的范围内的液体流量。气泡发生在GLCC 增加由于较高的剪切应力。由此,GCU 比与空气 - 水的情况下更高。
6.6。泡沫的影响
与喷嘴1显示进行的实验是,除了非常低的液体流速,在GLCC 下部产生大量泡沫的(参照图13)是产生泡沫的添加剂。泡沫产生的GLCC 下部发生在那里的LSLF 符合漩涡冠。泡沫产生的GCU 的量,以及,迅速增加与液体的流速,并在旋风分离器的分离效率非常不好。泡沫的大量的存在使得不可能以可视化的自由界面和不同的流型特征。
7. 结论
在这项研究中,入口喷嘴设计上,气液圆柱形旋风(GLCC 的)的表演影响工作在一个完整的分隔体构型已被实验研究。操作所述气旋在所述边缘和高于其操作限制是有益的,以确定该限制系统的正常运作的范围不同的密钥的机制。一些这些机制都没有考虑或在由TUSTP 团队开发的机械模型中没有描述(G ómez 等人,2000)来设计和预测玻璃(Hreiz ,2011年)的表演。
我们的实验结果表明,一个简单喷嘴设计严重改变GLCC 的分离效率。如果喷嘴收敛 并不严重到足以赋予适当的方位角运动到该混合物中,液体结转可以发生过早,并且气 - 液相可混合,而不是在GLCC 下部分离。另一方面,过大的收敛导致高水头损失,有利于液体' 短路' 朝向GLCC 上出口。