卧式气液分离器入口结构优化与分离效率

文永林; 冯定; 熊龙驰; 孙巧雷; 巨亚锋

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500530

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2385-2392 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500530

石油、天然气工业

卧式气液分离器入口结构优化与分离效率

文永林 ¹ ,
冯定 ¹^,^* ,
熊龙驰 ¹ ,
孙巧雷 ¹ ,
巨亚锋 ²

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Optimization of Inlet Structure and Separation Efficiency of Horizontal Gas-liquid Separator

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摘要

为了探究天然气卧式气液分离器的入口结构对分离效率的影响并针对入口结构进行优化设计,以提高分离效率和降低能耗。通过数值模拟研究,对分离器入口构件的导流板形状、高度、倾角和距入口距离4个基本参数进行对比,分析了不同入口构件结构对分离器内流场变化规律及其对分离性能的影响。结果表明,凹形导流板的分离效果优于其他形状;合理的导流板高度能有效得减缓入口速度,但当导流板高度过高时,分离器的内部流场稳定性得到破坏,反而降低了分离效率;导流板倾角为75°时,能有效减速入口流体,且能实现稳定旋流,增加流体在分离室的停留时间,从而提高分离效率;推荐导流板距入口距离应在不影响分离效率的前提下取较大值。并根据前述4个参数的模拟结果设计了一款新型入口构件的卧式气液分离器,分离效率对比初始结构提升7%。研究结果可为卧式气液分离器的进一步改进和实际工程应用提供科学的理论依据。

Abstract

In order to explore the influence of the inlet structure on the separation efficiency of a horizontal gas-liquid separator for natural gas and to optimize the design of the inlet structure to improve the separation efficiency and reduce the energy consumption. Through numerical simulation research, the four basic parameters of the inlet structure of the separator, namely the shape, height, inclination angle and distance from the inlet of the deflector, were compared, and the influence of different inlet structures on the flow field changes in the separator and their effect on the separation performance was analyzed. The results show that: the separation effect of concave deflector is better than other shapes. Higher height of the deflector can effectively slow down the inlet velocity, but when the height of the deflector is too high, the stability of the internal flow field of the separator is destroyed, which in turn reduces the separation efficiency. When the inclination angle of the deflector is 75°, it can effectively decelerate the inlet fluid, and create a stable cyclone to increase the retention time of the fluid in the separator chamber, thus improving the separation efficiency. It is recommended that the distance between the deflector and the inlet should be taken as large as possible without affecting the separation efficiency. Based on the simulation results of the aforementioned four parameters, a new type of horizontal air-liquid separator with an inlet structure was designed, and the separation efficiency was improved by 7% compared with the original structure. The research results can provide a scientific theoretical basis for the further improvement and practical engineering application of horizontal gas-liquid separators.

Graphical abstract

关键词

天然气 / 卧式分离 / 气液二相 / 结构优化 / 分离效率

Key words

natural gas / horizontal separation / gas-liquid two-phase / structural optimization / separation efficiency

引用本文

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文永林, 冯定, 熊龙驰, 孙巧雷, 巨亚锋. 卧式气液分离器入口结构优化与分离效率[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2385-2392 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500530

WEN Yong-lin, FENG Ding, XIONG Long-chi, SUN Qiao-lei, JU Ya-feng. Optimization of Inlet Structure and Separation Efficiency of Horizontal Gas-liquid Separator[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2385-2392 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500530

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天然气作为一种清洁、高效的能源,在全球范围内得到了广泛的应用。然而,天然气在开采和输送过程中,往往会伴随着液态水、固体粉尘等杂质的产生^[1-3]。在一定压力、温度条件下,天然气中的水分会与轻烃形成水合物(水合气体化合物),这些水合物会在管道中凝结成固体,造成管道堵塞,对天然气的输送和使用造成不利影响^[4],因此需要对天然气进行气液分离处理。卧式分离器具有结构简单、制造方便、能适应介质较脏的工况等特点,是用于处理天然气气液分离的重要设备之一^[5]。然而,现有的卧式分离器在分离效率和后续维护等方面仍存在一些不足,需要进行优化与改进。为此,中外学者开展了大量研究,以提升分离器的性能并解决相关技术难题。

孙巧雷等^[6-7]和钟林等^[8]分别对管中海水、高压气等流体的流场进行了研究,建立了流体流动模型,运用数值模拟的方法探究了流体在容器中的流动特性和运动轨迹,为分析分离器内部流场提供了理论指导。文献[9 -11]用数值模拟的方法,验证在分离器内部添加特定挡板,能有效优化流体的流动状态,起到提高分离效率的作用。文献[12-13]对气液分离现象中多项流模型和湍流模型进行了对比。结果表明,欧拉和VOF模型均能在较小的误差范围内预测实验结果,选取k-ε湍流模型的模拟结果更加吻合实验结果。文献[14 -16]分析了在不同工况下卧式气液分离器中的流动特性、湍流强度和相体积分数分布。该研究强调了理解流动特性并优化进出口条件对提高卧式气液分离器的分离效率的重要性。

目前,针对卧式气液分离器的研究主要集中在内部挡板数量与分离效率的关系和内部流场特性仿真方面,现重点研究在不增设内部构件的前提下,优化分离器的入口结构,实现分离效率与经济性的平衡,大幅降低分离器的制造与维护成本。对入口处导流板的形状、高度、倾角以及导流板距入口距离4个结构参数展开深入研究,用仿真方法剖析不同的导流板结构参数对流场特性的影响,确定最佳的入口导流板结构参数。以期为卧式气液分离器的进一步改进和实际工程应用提供科学的理论依据。

1 卧式气液分离器入口结构及分离原理

1.1 入口结构分离机理

常规卧式气液分离器的主体结构如图1所示,由一个长2 700 mm、直径300 mm的圆柱罐体组成,气液混合流体在罐体内部进行分离,带有液滴水的天然气从左端入口进入分离式室,首先冲击到入口导流板,降低混合流体流速,较大的液滴颗粒撞击聚集,其余液滴在分离器内部由于重力的作用下沉降,而气体直接从右上角出口流出,最终达到气液分离的效果。

卧式气液分离器的入口主要结构为入口导流板。它通过减缓并均匀分散气流,促进气体和液滴的分离,同时也能初步聚集较大的液滴,进而有效优化气液分离过程,有助于提升分离器的整体效率。导流板的结构形状主要分为直挡板、凸挡板和凹挡板,如图2所示。

1.2 建立气液分离数学模型

针对气液分离器入口导流板结构进行优化,首先对气液分离数学理论模型进行研究。

1.2.1 多相流模型的选择

气液分离中计算多相流问题常采用的模型包括VOF模型、混合模型(Mixture模型)和欧拉模型等,其中Mixture模型是一种简化的欧拉多相流模型,相比完整的欧拉多相流模型,Mixture模型求解的变量更少,计算效率更高,适用于低负荷颗粒流、气泡流、沉降和旋风分离器等场景^[17]。所以此处最适合的多相流模型为Mixture模型。

1.2.2 液滴沉降速度公式(Stokes定律)

Stokes定律用于描述小颗粒在黏性流体中的沉降速度,特别适用于雷诺数较低的情况(Re<0.1)。在气液分离器中,液滴在气体中的沉降速度可通过 Stokes 定律计算,具体公式为

(1)

$u=\frac{2}{9}\frac{({\rho }_{\mathrm{l}}-{\rho }_{\mathrm{g}})g{d}^{2}}{{\mu }_{\mathrm{g}}}$

式(1)中:u为液滴的沉降速度,m/s;ρ_l为液体密度,kg/m³;ρ_g为气体密度,kg/m³;g为重力加速度,m/s²;d为液滴直径,m;μ_g为气体的动力黏度,Pa·s。

准确计算液滴的沉降速度对于设计高效的气液分离器至关重要。通过确定液滴在分离器中的沉降速度,可以合理设计分离器的尺寸和操作条件,以确保有效的气液分离。

1.2.3 湍流模型的选择

湍流模型用于模拟流体的复杂湍流行为,以准确预测流场、压力分布和分离效率。常见的湍流模型包括k-ε模型、k-ω模型和雷诺应力模型(RSM)。其中,k-ε模型求解相对容易,大量的湍流计算表明,此模型具有较好的计算、稳定性和经济性,适用于大多数工程应用^[18]。该模型包括湍动能k和湍动能耗散率ε两个主要方程,公式为

(2)

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{{\partial }_{t}}\left({\rho }_{\mathrm{l}}k\right)+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left({\rho }_{\mathrm{l}}{u}_{i}k\right)=\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[\left({u}_{\mathrm{l}}+\frac{{u}_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{k}}\right)\frac{\partial k}{\partial {x}_{i}}\right]+\\ 　　G-{\rho }_{\mathrm{l}}\epsilon \end{array}$

(3)

$\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial t}\left({\rho }_{\mathrm{l}}\epsilon \right)+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left({\rho }_{\mathrm{l}}{u}_{i}\epsilon \right)=\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[\left({u}_{\mathrm{l}}+\frac{{u}_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial {x}_{i}}\right]+\\ 　　{C}_{1\epsilon }\frac{\epsilon }{k}G-{C}_{2\epsilon }{\rho }_{\mathrm{l}}\frac{{\epsilon }^{2}}{k}\end{array}$

式中:i和j为坐标方向;u_l为速度向量,m/s;u_t为湍流黏度,Pa·s;G为湍动能产生项;C₁_ε和C₂_ε为经验系数;σ_k和σ_ε为与湍流动能有关的湍流普朗特数。

湍流黏度u_t和湍流动能产生项G为

(4)

${u}_{\mathrm{t}}={C}_{\mathrm{u}}\rho \frac{{k}^{2}}{\epsilon }$

(5)

$G={u}_{\mathrm{t}}\frac{\partial {u}_{i}}{\partial {x}_{j}}\left(\frac{\partial {u}_{i}}{\partial {x}_{j}}+\frac{\partial {u}_{j}}{\partial {x}_{i}}\right)$

式中:C_u为常数。

1.3 分离效果评估

采用检测入口处和出口处液相的质量流量来评估计算气液分离器分离效率,公式为

(6)

$\eta =\frac{{G}_{1}-{G}_{2}}{{G}_{1}}\times 100\mathrm{\%}$

式(6)中:G₁为入口进入液相的质量流量,kg/s;G₂为出口排除液相的质量流量,kg/s。

分离腔内的流场特性主要依据流场内的流体流动均匀性、漩涡和返混产生量的多少、气液两相分界面处的流体是否稳定来评价。

2 数值模型

通过优化卧式气液分离器的入口构件从而提高分离器的分离效应,为减少计算成本,去除了分离室中计算量较大的折流板,仅对分离器整体及入口导流板结构进行数值分析。

2.1 仿真参数选取

在卧式气液分离器中,入口导流板结构参数主要包括入口导流板形状和导流板尺寸参数。导流板形状主要分为凹形板,直形板和凸形板^[19];导流板尺寸参数有导流板距入口距离L、导流板高度H及导流板倾角α。各结构参数在导流板的体现如图3所示。

根据王学平等^[20]针对挡板对液体流动特性的研究,导流板高度与分离室的比值≥0.27时,分离器的分离效果较好,导流距离入口距离与导流板高度的比值范围为0.33~0.53;导流板倾角则分别取60°、75°、90°、105°、120°。通过计算列变量如表1所示,取各组变量的中间值为对照组,分析各结构参数对分离器分离效率和流场特性的影响。

2.2 边界条件设置

使用workbench中Fluent模块对简化后的气液分离器进行数值模拟仿真,求解器类型选择基于压力求解,速度公式为绝对,时间格式为瞬态,添加重力加速度9.81 m/s²,求解方法采用Coupled算法压力插值格式采用PRESTO格式,动量、湍动能、湍流耗散率选择一阶迎风格式;湍流模型选取标准k-ε模型;近壁面处理采用标准壁面函数,由于Mixture模型计算相对稳定,且适合于模拟分散相体积分数较低的流动,最终选择Mixture模型作为本次多项流仿真模型。

为了优化分离器内部入口构件的结构参数以提高分离效率,因此,所模拟的材料选择fluent材料库中的水和默认的空气作为气、液两相介质进行模拟,其中气相密度为78 kg/m³,动力黏度为1.8×10^-5 kg/(m·s);液相密度为998.2 kg/m³,动力黏度为1.0×10^-3 kg/(m·s),液相体积分数为10%,液滴粒径为10 μm;进口处的气液混合流体速度为2.0 m/s。

2.3 网格划分及验证

采用程序控制网格,设置的最大尺寸为200 mm,特征清除尺寸、曲率最小尺寸和临近最小尺寸均设为10 mm,为了达到更高的计算精度,对入口网格进行细化。网格的无关性验证结果如表2所示,在其他参数设置保持不变的前提下,通过逐步提高网格精细化程度进行分析,发现当网格数量达到117 203以上时,分离器的分离效率趋于稳定,计算结果不再随网格数量的增加而发生明显变化。因此,为平衡计算精度与效率,后续分析采用网格数量为117 203进行计算。

3 分离特性分析

通过Fluent对气液分离情况进行数值模拟,得到气液分离器的内部速度流场、压降、液滴运动轨迹和分离效率等各项仿真结果。分析各项结果,得到入口导流板的各项设计参数对分离特性的影响。

3.1 入口导流板形状对分离特性的影响

图4为数值仿真得到的导流板形状与对应速度云图。从图4中可以看出,当气液混合流体由惯性碰撞到导流板时,流体流速显著降低且速度方向发生转变,其中凹形导流板的速度方向变化最大。

通过监测入口和出口处的质量流量,计算得到3种导流板形状的分离效率如图5所示,当含水天然气刚进入卧式气液分离器时,由于在仿真设置中分离器的内部存在一定干气,此时出口处排出气体的水含量较低,通过计算得出的分离效率偏高;当分离时间达到300 s时,分离器分离效率趋于稳定,此时分离器内部原有的干气全部排出,达到分离器最终准确的分离效率。仿真数据表明,凹挡板和凸挡板均有一定的提高分离效率的能力,相较于凸挡板,凹挡板的提升效果更加显著。

3.2 入口导流板尺寸参数对分离特性的影响

通过对凹形、直形、凸形导流板的分离特性分析,对入口导流板形状进行了的预选。仿真得出,使用凹形导流板的分离器具有最优的分离效果,因此选用凹形导流板为分析对象,分别探究导流板距入口距离、导流板高度和导流板倾角对分离特性的影响,试找出凹形导流板的最优尺寸参数。

3.2.1 导流板距入口距离分析

对导流板距入口距离分别为60、80、100、120、140 mm的分离器内部流场速度矢量进行分析求解,得到5种导流板距离入口处的流场速度矢量变化如图6所示。对比图6中5个图形可以看出,较近的导流板距离易在入口处产生回流,随着距离增加,回流的现象得到改善,但流体愈加分散,聚流效果变差。

通过监测入口和出口处的质量流量,计算得到5种导流板距入口距离的分离效率如图7所示,当挡板距入口距离小于100 mm时,分离器的分离效率稳定无较大变化,当距离大于120 mm后,随距离的增大出现了效率明显降低的趋势,结合图6推测,较远的距离削弱了导流板减速聚流的作用,使得进入分离器的流体速度仍较快且分散,以至效率降低;同时较近的距离可能导致流体回流,增加对入口的冲蚀,因此选用100 mm作为导流板距入口的距离最优,此时的分离效率为89.2%。

3.2.2 导流板高度分析

对导流板高度分别为120、160、200、240、280 mm的分离器内部流场速度矢量进行分析求解,得到5种导流板高度入口处流场速度矢量变化如图8所示。对比图8中5个图形可以看出,当导流板高度过低时起不到降低入口流速的作用;随着导流板高度的增加,减速聚流的效果越明显。

通过监测入口和出口处的质量流量,计算得到5种导流板高度的分离效率如图9所示,在分离时间小于250 s时,分离效率还未平衡,观察可发现导流板高度越高,分离效率越高;当分离时间达到300 s左右时,分离器分离效率趋于稳定,此时导流板高度为160 mm时的分离效果最高,为89.4%。结合图8不同导流板高度入口处速度矢量图可以推测,在分离初期,较高的导流板能捕获更多水滴,此时导流板高度越高,分离器的分离效率越高;当混合流体进入分离器的中间部分时,会因为导流板的存在产生涡流,此时较高的导流板由于阻拦了大部分流体,导致流体难以因涡流在分离器内部发生回流;当分离效率稳定时,由于高度为160 mm的导流板能产生较稳定的涡流,使得混合流体能稳定填充整个分离室,增加流体在分离器中的停留时间,进而间接提高了分离效率。

3.2.3 导流板倾角分析

对导流板倾角分别为60°、75°、90°、105°和120°的分离器内部流场速度矢量进行分析求解,得到5种导流板倾角入口处流场速度矢量变化如图10所示。对比图10中5个图形可以看出,随着导流板倾角的增大,对入口混合流体的减速效果越差,且越易产生速度较大的旋流。

通过监测入口和出口的质量流量并进行计算,得出了不同导流板倾角的分离效率如图11所示。当分离时间达到300 s时,分离器分离效率趋于平缓,此时便达到分离器的最终分离效率。观察对比可以发现,无论处于哪个分离阶段,导流板倾角为75°的分离效率始终优于其他角度,且当导流板倾角大于75°时,分离效率随导流板倾角增大而减小,由此可以得出,当导流板倾角为75°时,分离器的分离效率最佳,为90.9%。

4 结构参数优化

对比不同入口结构参数与分离效率的关系,发现导流板形状为凹形、导流板距入口距离L选取100 mm、导流板高度H选取160 mm、导流板倾角α选取75°时,分离器具有较好的分离效果。故选取上述参数对分离器入口导流板进行设计,如图12所示。

对上述优化入口结构后的分离器和初始对照结构分离器进行数值模拟仿真,仿真边界条件设置相同,并对比王梦阳^[11]改进后双导流板分离器效果,得到相同工况下,3种入口结构在不同进口速度下稳定后的分离效率对比,如图13所示。改进的结构对比初始对照结构在不同速度下的分离效率均有较大的提升,提升效果约7%;分离效率对比双导流板结构仅存在较小的差异。鉴于双板设计可能会在分离器的制造和维护过程中增加一定成本,综合经济性和分离效果的对比分析,证明了该结构优化方案的可行性。

5 结论

(1)对卧式气液分离器进行理论模型分析,发现其影响分离效率的主要入口结构参数,并建立了分离器的有限元模型。

(2)针对常见的3种分离器入口结构形状进行数值模拟仿真,分析了气液混合流体在导流板处的流动规律,当气液混合流体液相体积分数为10%,液滴粒径为10 μm,速度为2 m/s时,凹挡板和凸挡板均有一定提高分离效率的能力,相较于凸挡板,凹挡板的提升效果更佳。

(3)针对凹型入口导流板的3项关键参数——导流板距入口距离、导流板高度和导流板倾角,进行了数值模拟分析。通过对比不同参数组合对气液分离器分离效率的影响,最终确定了优化后的最佳结构参数:导流板距入口距离为100 mm、导流板高度为160 mm、导流板倾角为75°。

(4)通过研究不同入口导流板参数对分离效率的影响,设计了一种新型入口导流板结构,并对分离器在结构优化前后的性能进行了数值模拟仿真。通过对比仿真结果与相关文献数据,结果表明,改进后的入口导流板结构显著提升了分离器的分离效率,同时在经济性方面也具有明显优势,验证了结构优化的有效性和可行性。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Published	Revised
2025-01-21	2026-02-28	2025-11-19
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2026-05-30

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