天然气净化用旋风分离器气液固三相分离机理研究

针对天然气净化用旋风分离器含尘浓度低和要求同时除尘除液的特点，以水和轻烃作为液相实验介质，采用基于等动采样原理的滤膜称重和在线检测仪相结合测量旋风分离器的气液分离性能，分析含液浓度、液体粒径、粘度和表面张力等参数对气液分离性能的影响规律；采用热线风速仪测量液膜运动速度、高分辨率CCD图像分析仪测量液膜厚度和激光多普勒测速仪（LDV）测量液膜中颗粒浓度和粒径分布等测量方法相结合的手段系统研究气液固三相分离时旋风分离器内壁液膜的特性参数，分析液体和固体颗粒碰撞、团聚和分离的过程，揭示液固耦合机理；在实验的基础上，采用数值模拟的方法模拟气液固三相分离过程，进一步分析旋风分离器液固耦合机理。在分析旋风分离器耦合机理的基础上，完善天然气净化用旋风分离器的设计理论，设计新型天然气净化用旋风分离器，保证压降不升高的条件下，提高分离器的气液气固分离效率。

针对天然气净化用旋风分离器含尘浓度低和要求同时除尘除液的特点，采用基于等动采样原理的滤膜称重和在线检测仪相结合测量旋风分离器的气液分离性能，分析了含液浓度和入口气速对气液分离性能的影响规律；采用探针法测量液膜厚度和在线检测法测量三相分离中颗粒浓度和粒径分布等测量方法相结合的手段系统研究气液固三相分离时旋风分离器内壁液膜的特性参数，分析了液体和固体颗粒碰撞、团聚和分离的过程，揭示液固耦合机理；采用数值模拟的方法模拟旋风分离器内的熵产分布，分析旋风分离器内部能耗的关键部位。在分析旋风分离器耦合机理的基础上，完善了天然气净化用旋风分离器的设计理论，设计了新型天然气净化用旋风分离器，并成功应用与天然气输气管线。 研究结果表明：（1）旋风分离器气液分离规律和气固分离规律一样，分离效率都随着入口气速和液体浓度的增加而升高；但出口液滴数量多，粒级细小，不利于分离，对后续的过滤分离器和其他设备有较大影响。（2）液膜沿周向厚度较为均匀，但是液膜带边缘的液体容易由于气相湍流影响下摆脱表面张力束缚向外形成飞溅，厚度减小；在分离器筒体部位液体挥发较少，而在锥体部位挥发较大，并在中间偏下部位流量堆积，中间偏上部位液体挥发较大，液膜厚度在锥体中间偏上附近出现最低点。随着进液量的增加液膜带的带宽变大，厚度变厚；但随着入口速度的增加液膜带的带宽变大，厚度会减小，且随着入口速度的增加导致分离器内部湍流增加，液膜带厚度减小程度加剧。（3）在高含液量时固体颗粒容易粘附在器壁上造成分离器的堵塞；低含液时含湿量的增大会使得分离器进口处粉尘的平均粒径增大，这不仅可以有效地提高分离实验中粉尘的分离效率和分级效率，也能提高10μm以上颗粒的分离效率和在粉尘中所占的比例；在旋风分离器中存在强烈的切向力的作用，使得部分由液桥力作用相连的颗粒又重新分离成小颗粒，这些小颗粒更容易随着气流被带到出口处，这些因素所导致的结果就是较高含湿量的粉尘在较小粒径处颗粒的分级效率相对较低含湿量情况下粉尘的分级效率有所减小，但相同工况下和相同进口粉尘浓度的情况下，分离器出口处这些粒径处的粒子数变化不大。（4）芯管处的熵产最大，锥体部位熵产波动较大。在数值模拟和以上实验研究基础上，改进了旋风分离器芯管和锥体部位的结构，具有螺旋缝芯管的旋风分离器压降能降低70%以上，气固分离效率都提高9%以上。