紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟

《紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟（77页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟摘要与西方发达国家相比，天然气在我国能源消费结构中所占的比例相对较低， 随着国内大型天然气气田的不断开发，天然气在工业领域和城市生活中将会扮演越来越重要的角色。刚从气井中开采出来的天然气必须经过脱水、脱硫、除尘等一系列净化处理工序之后方能进入输气干线，常规工业脱水方法有低温冷凝脱水法、固体干燥剂吸附法、溶剂吸收法、膜分离法等，超音速分离、离心分离则是两种相对新颖的方法。高温、高压的两相流中蕴藏着巨大的、可利用的能量，而在目前的脱水设备中，混流通过节流阀降温降压后所释放出的能量在节流阀处全部被释放，造成了能量的浪费。紧凑型天然气离心脱水设备克服了常

2、规分离方法中存在的种种不足，是一种高效的天然气脱水设备，它主要是利用离心的原理来实现气液分离，并且在工作过程中很好的利用了混流降温降压时所释放出来的能量，既节能又环保，具有广阔的发展前景。本题目将在查阅调研大量文献的基础上，借鉴荷兰 Eindhoven 大学的相关研究基础，细致深入地分析研究紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计细节和关键技术要点，借助旋转式两相离心分离机的设计方法，提出了天然气离心脱水设备的两种可行方案，并对其进行深入分析，提出了一种紧凑的高效的设计方案。在具体工作过程中着重于转子和过滤单元的设计以及整个天然气离心脱水设备理论体系的建立，并对轴承、轴承端盖等重要零部件进行了设计分

3、析，最后对整体结构进行了三维实体模拟。关键词：天然气脱水，离心分离，结构设计，强度校核，三维实体模拟IIAbstractCompared with the Western developed countries，the proportion of natural gas in our countrys energy consumption structure is relatively low. With the continuous development of the large-scale gas field，gas will play an increasingly important

4、 role in the industrial areas and urban life. After a series of purification processes in order to enter the gas line， and the conventional methods of industrial dehydration condensation are at low temperature dehydration，solid desiccant adsorption，solvent absorption and Membrane separation and so o

5、n. Supersonic separation and Centrifugal separation are two relatively new methods. The energy available in high-pressure and high-temperature，two-phase production streams can be very large. In current gas and liquid separation systems，this energy is dissipated as the pressure and temperature are le

6、t down across the throttle，and cause the waste of energy. Compact centrifugal separator of dispersed phases from natural gas overcomes all the shortages of the conventional methods of separation，and it is a high-efficient separator of dispersed phase from natural gas. It mainly used the principle of

7、 centrifugal to achieve the separation of gas-liquid. In the work process，it has a very good use of the energy which reliefed from the cooling and bucking of the mixed-flow ， so it has the advantages of both energy-saving and environmentally-friendly and has broad prospects for development.Based on

8、the large number of available research literature and the Eindhoven University of the structural desigh details and the key technical points，with two-phase rotary machine centrifuge design method，it carries out two available design projects of centrifugal separation of gas-liquid. After making an in

9、-depth analysis，it gets a compact and efficient design. It focuses on the design of rotor and the filter element of the completely theories method of the centrifugal separator of gas-liquid during the whole design process. It also analyses the important parts of the separator，such as bearing，bearing

10、 cover and sealing structure and so on. And finally，it process the simulation of three-dimensional entities.Key words：Natural gas dehydration，centrifugal separation，structural design， strength check，simulation of three-dimensional entities目录第一章 绪 论11.1 工程背景11.2 常规的天然气脱水方法21.3 本文的工作内容11第二章 紧凑型天然气离心脱水

11、设备的结构方案探讨122.1 移动液膜概述122.2 两种可行的安装方案162.3 结构方案的确定31第三章 紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计333.1 设计参数333.2 主体结构设计333.3 辅助元件设计46第四章 技术经济分析及计算辅助设计三维实体模拟584.1 技术经济成本核算584.2 计算机辅助设计604.3 安装过程说明63第五章 结论与建议695.1 结论695.2 建议69设计小结71参考文献72致谢75声明76III第一章绪 论1.1 工程背景中国沉积岩分布面积广，陆相盆地多，形成了优越的多种天然气储藏地质条件。根据 1993 年全国天然气远景资源量的预测，天然气总资源

12、量达38 万亿 m3 ，陆上天然气主要分布在中部和西部地区，分别占陆上资源量的43.2%和 39.0%。中国天然气探明储量集中在 10 个大型盆地，依次为：渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海-琼东南、柴达木、吐-哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。中国气田以中小型为主，大多数气田的地质构造比较复杂，勘探开发难度大。1991-1995 年间，中国天然气产量从 160.73 亿 m3 增加到179.47 亿 m3 ，平均年增长速度为 2.33%。经过十几年的艰苦勘探，成果已清晰地展现在世人面前。随着科技的发展，在未来的世界里人类也许会找到比天然气更为理想的能源。但不管将来谁取代天然气，天然气都将起到向新能

13、源迈进所不可替代的重要桥梁作用。天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。由于天然气属埋藏于地下的烃类资源，新开采出的天然气，经脱水、脱砂与分离凝析油后，再根据气体组成情况进行进一步的净化、分离、加工。天然气从地层采出至消费的各个处理环节，水是最常见的杂质组分，通常处于饱和状态。处于液相状态的水，在天然气的集输过程中，通过分离器就可以从天然气中分离出来。但天然气中含有的饱和水气，不能通过分离器分离。水在天然气中的溶解度

14、随压力升高或温度降低而减少，因而对天然气进行压缩或冷却处理时，要特别注意估计其中的水含量，因为液相水的存在对处理装置及输气管线十分有害，主要表现在以下几个方面：74（1） 冷凝水的局部积累将限制管线中天然气的流动，降低输气量，而且水的存在（不论气相或液相）使输气增加了不必要的动力消耗，也给有关处理装置（如轻烃回收装置）上的机泵和换热设备带来了一系列棘手的问题。（2） 天然气中的二氧化碳或硫化氢与液相水混合会引起常见的电化学腐蚀，硫化氢溶于水后生成的 HS - 既能促使阴极放氢加快，又能阻止原子氢结合为分子氢，这样既造成大量氢原子聚集在钢材表面，又导致钢材氢鼓泡、氢脆及硫化物应力腐蚀破裂。此时，

15、管道必须采用价格昂贵的特殊合金钢，如果天然气中不含游离水则可采用普通碳钢，这样就大大节约了成本。（3） 处理含水天然气经常遇到的另一个棘手问题是，其中所含水和小分子气体及其混合物可能在较高压力和较低温度的条件下，生成一种外观类似冰的固体水合物，可能导致输气管线或其他处理设备堵塞，给天然气的净化、储运造成很大困难。因此，天然气一般都应先进行脱水处理，使之达到规定的指标后才进入输气干线。各国对管线天然气中水分含量的规定有很大不同，这主要由地理环境而定。含水量指标有“绝对含水量”和“露点温度”两种表示方法，前者指单位体积天然气中水的含量；后者指一定压力下，天然气中水蒸气开始冷凝结露的温度。通常管输天

16、然气的露点温度应比输气管线沿途的最低环境温度低 5以上1。1.2 常规的天然气脱水方法天然气脱水净化是保证天然气传输和使用的首要和基本环节，只有有针对性地选择“先进、经济、高效”的净化技术工艺和开发方案,才能使天然气得到有效的开发和利用。有一系列方法可用于天然气脱水，并使之达到管输要求。天然气工业常用的脱水方法按其原理可分为低温冷凝脱水法、固体干燥剂吸附法、溶剂吸收法、膜分离法、超音速分离法和离心分离法等。1.2.1 低温冷凝脱水法低温冷凝脱水法是把高压天然气节流降压致冷，用低温分离法从天然气中回收凝析液。这种方法是国内气田中除三甘醇法外应用较多的天然气脱水工艺，长庆采气二厂、塔里木克拉二处理

17、场（图 1-2-1 所示）等均采用此方法2。图 1-2-1 克拉二处理厂的低温分离脱水装置J-T 阀和透平膨胀机是低温冷凝脱水设备常用的设备，图 1-2-2 所示为透平膨胀机。对于高压天然气，冷却脱水非常经济。例如，大庆油田目前采用很多透平膨胀机脱水，四川的卧龙河和中坝气田则使用了 J-T 阀脱水。采用这些设备脱水的缺点是：循环脱水的一部分水处于水合物生成范围内，容易生成水合物， 因此需要采取添加抑制剂等防止水合物生成的措施，以及相应配套的抑制剂回收系统；需要深度脱水时需配备制冷设备，这样会引起工程投资和使用成本的提高；透平膨胀机有高速运动部件，制造难度大、可靠性差2。图 1-2-2 透平膨胀

18、机1.2.2 固体干燥剂吸附法固体干燥剂吸附法是利用固体干燥剂对水蒸气的吸附能力，将天然气中的水蒸气吸附下来；固体干燥剂丧失能力后，用高温气流对干燥剂进行再生，再生的干燥剂可以重复利用。常用的干燥剂主要有活性氧化铝、硅胶和分子筛（图 1-2-3 所示），气体中的水蒸气吸附在分子筛、硅胶等吸附剂上达到脱水的目的3。图 1-2-3 分子筛脱水装置与甘醇吸收法相比，吸附法脱水对进料气温度、压力和流量变化不敏感，小流量脱水较经济4。其缺点主要是：对于大装置，设备投资和操作费用都比较高；吸附剂易中毒和破碎，增大气体压降；干燥器下层的吸附剂需要经常更换；分子筛脱水的再生过程能耗比较大，且回收率较低。因此除

19、小规模天然气脱水外，吸附法脱水目前在天然气领域应用较少。图 1-2-4 所示为吸附式干燥器装置图。图 1-2-4 吸附式干燥器1.2.3 溶剂吸收法溶剂吸收法是利用溶剂（或溶液）对水蒸气的吸收能力，将天然气中的水蒸气吸收下来。吸收水蒸气后的溶剂或溶液（生产上称为富液）经再生后，溶剂或溶液可循环使用。用溶剂吸收法脱水，虽然有多种溶剂（或溶液）可以选用，但绝大多数装置都用甘醇类溶剂。甘醇类化合物具有很强的吸水性，其溶液冰点较低，所以广泛应用于天然气脱水装置。20 世纪 30 年代最先用于天然气脱水的是二甘醇，但和三甘醇（TEC）相比，后者的热稳定性好，易再生，蒸汽压低，携带损失量更小， 而且对相同

20、质量浓度的甘醇溶液而言，三甘醇易获得更大的露点降，因而 20 世纪 50 年代后三甘醇逐步取代二甘醇成为最主要的脱水溶剂1。图 1-2-5 所示为三甘醇脱水装置。图 1-2-5 三甘醇脱水装置三甘醇溶液脱水存在的主要问题有：系统比较复杂；三甘醇溶液再生过程的能耗比较大；三甘醇溶液会损失和被污染，因此需要补充和净化；三甘醇与空气接触会发生氧化反应, 生成有腐蚀性的有机酸。1.2.4 膜分离法气体膜分离技术是 20 世纪 70 年代开发成功的新一代气体分离技术，其原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离。天然气膜法脱水是近年来

21、发展起来的新技术，它克服了传统净化的许多不足，表现出较大的发展潜力。以膜分离为主要技术内容的天然气干法净化技术近年来在美国等发达国家发展迅速。美国气体产品公司的柏美亚部(Permea)是气体分离膜的开拓者，利用专业技术力量从20 世纪 80 年代中开始对天然气脱水膜进行研究，至 1999 年已经实现天然气脱水膜的商业化，所使用的膜为新型普里森(Prism)气体分离膜，分离系统在 48MPa 的压力下，并辅以原料气流量的 2%5%干燥气作为返吹气的条件下，可以脱除天然气中 95%的水分，从而得到含水量达到管线输送标准的干燥天然气。美国Separex、Grace 和 Air Product 等公司

22、相继研制开发出了适合其市场需求的膜技术、膜产品及工艺装置，并进行了大量的工业性试验，在美国、加拿大、日本等国家已进入工业应用。膜法脱水材料主要有聚砜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等，制备成中空纤维或卷式膜组件。美国 Separex 公司开发了醋酸纤维素螺旋卷式膜组件，用于海上开发平台天然气脱水，其 H2O/CH4 分离因子为 500，在 7.8MPa、38下脱水后的天然气的水露点温度可达-48，水蒸气含量在 10- 4 时，可以除去 97%的水分, 这对天然气的输送过程中避免管道腐蚀十分有利。由于膜分离法天然气脱水装置体积小、结构紧凑、重量轻，减少了海上采油平台建设的投资费用。美国 Grace 公司利

23、用卷式膜组件开发了天然气水分和酸性气体脱除的工业试验装置，并在加拿大等地现场进行了现场试验，取得了良好效果。近几年来， 挪威 Air Products 公司已经开发出适用于海洋开发平台的天然气脱水装置。膜分离法在天然气脱水应用中有其内在的优点，潜力非常大，但是从目前应用角度来看，至今尚未在工业上被广泛采用，膜法天然气脱水的应用范围还较窄， 而且规模不大。存在的主要问题有：烃的损失。由于在渗透过程中必然有部分烃类(主要是 CH4)随 H2O 进入渗透气中，现场试验中测得的烃损失率一般为5%6%，损失率随原料气压力升高而增大；膜的塑化和溶胀性。碳氢化合物、水分子与聚合物膜间有较强相互作用，水分子对

24、聚合物膜会产生塑化与溶胀作用，使水分子在聚合物膜中成簇迁移。Stern 和 Fang 实验验证了水汽的这一性能；浓差极化。所谓浓差极化是由于膜的选择透过性造成膜面水汽浓度高于被处理天然气水汽浓度的现象。浓差极化有可能导致传质分离过程的恶化；一次性投资较大。复杂的制膜工艺使得膜系统造价昂贵，还有在现有工业条件下，膜的性能存在着不稳定性。以现有的研制水平，膜分离技术无法在任何情况下使天然气的脱水纯度达到管输标准5 。图 1-2-6 所示为大连欧科新源公司的Ultra-Flux55 组件结构图，其很好的利用了膜进行分离。图 1-2-6 膜分离应用装置1.2.5 超音速分离法超音速法天然气脱水系统是低

25、温冷凝法气体脱水的方法之一。超音速分离器的主要部件是拉瓦尔喷管。拉瓦尔喷管（图 1-2-7 所示）是一种具有精确几何形状的收缩-扩张管道，可以将气流的速度提高到超音速水平，并导致温度急剧下降6。通过喷管过程中，气体绝热膨胀，没有热量损失或增加，近似于 90%的等熵过程。温度急剧下降的过程会产生尺寸非常小的液滴，不会导致天然气水合物的形成。在超音速分离器中，因为流体停留时间特别短(只有几 ms)，所以这是一个不平衡的瞬态过程。因此不会形成水合物，整个过程不需化学药剂。图 1-2-7 拉瓦尔喷管结构示意图超音速分离的基本原理是利用拉瓦尔喷管，使气体在一定压力的作用下加速到超音速，这时气体的温度和压

26、力会大幅度下降，以致气体中的水蒸汽冷凝成小液滴，然后在超音速条件下产生的气流旋转将小液滴分离出来。同时，在干气的排出过程中对干气进行再压缩2。超音速分离技术是荷兰的Twister 公司于2000 年推出的一种全新的天然气处理技术。它利用天然气在超音速状态下的蒸汽冷凝现象进行天然气脱水，在热力学原理和系统构成上与传统的天然气脱水方法有显著的区别。天然气超音速脱水将膨胀机、分离器和压缩机的功能集中到一个管道中，大大简化了脱水系统,提高了系统的可靠性，降低了脱水系统的投资、运行费用和环境污染。2000 年 11 月，位于尼日利亚的试验装置开始运转，成功地将 815105m3/d 的天然气脱水到管线要

27、求的标准。Twister 公司为马来西亚的 Sarawak 气田设计了一套超音速分离天然气处理装置，该项目已于 2004 年 2 月投入生产。该系统采用 6 个60MMcfd(1MMcfd=2183171010Nm3/d)的超音速分离管，垂直安装7。图 1-2-8 所示的超音速分离器(Super Sonic Separator)，它是俄罗斯专家团将航天技术的空气动力学成果应用于油气田天然气处理、加工领域而研发的新型、高效分离设备，简称 3S。3S 的工作原理是，天然气首先进入旋流器旋转，产生加速度为 106m/s2 的旋流，该旋转气流在超音速喷管入口表面的切线方向产生一个或多个气体射流，并在喷

28、管内降压、降温和增速。由于天然气温度降低，其中的水蒸汽和 NGL 组分凝结成液滴，在旋转产生的切向速度和离心力的作用下， 液滴被“甩”到管壁上从而实现气液分离。然后，液体通过专门设计的工作段出口流出，气体则进入扩散器，减速、增压、升温后流出。在超音速喷管中不会生成水合物8。图 1-2-8 3S 超音速分离器结构示意图3S 设备（图 1-2-9 所示）的研究和测试始于 1996 年。俄罗斯专家团的研究人员对超音速气流中液滴的形成过程进行了全面的分析研究，测定了液滴沿喷管径向和轴向的分布，并开发了一种用光学方法测定液滴的技术，建立了超音速喷管中的天然气旋流的计算程序，反映了天然气的固有属性和过渡阶

29、段的状态。图 1-2-9 3S 超音速分离设备装置简图该公司在俄罗斯建立了天然气日处理量为 30104m3(2.5kg/s)的工业性实验装置，还在国外建立了天然气日处理量为 110104m3(9kg/s)的更大的工业性实验装置，对 3S 装置的各项技术性能进行验证。实验装置可以测量天然气在 3S 设备中不同点的流速、压力和温度。用了近 4 年的时间，在不同温度、压力和不同天然气气体组分的条件下，对 3S 设备进行了 400 多次测试，包括对次音速、近音速和超音速分离状况的测试，取得了大量数据和经验，并验证了 3S 设备的设计计算模型。2004 年 9 月，该公司第一套工业用 3S 装置在俄罗斯

30、一座处理能力超过 4108m3/a 的天然气工厂的低温系统中成功投运，完成了从实验研制到工业化应用的整个过程。3S 技术及其装置的工业化设计已经成熟并已经在俄罗斯、美国、德国、意大利、法国、荷兰、英国、挪威、澳大利亚、巴西等国和欧亚专利联盟获得专利。国际专利组织已向这些国家正式推荐使用 3S 技术。开展天然气超音速技术的研究和应用可以紧跟国外天然气脱水的技术前沿， 彻底改变我国现有的天然气脱水系统复杂、体积大、操作复杂、污染大、运行费用高的不足。为此，中国石油集团科技发展部于 2003 年立项，由江汉机械研究所与有关单位联合开展天然气超音速脱水技术的研究，取得了一系列成果，推出了几项关键技术9

31、。目前该技术已在长庆油田采气二厂进行了现场试验。1.2.6 离心分离法从技术原理上来讲，离心分离是实现天然气脱水的一种可行的方法，其基本工作原理是：密度不同的物质在相同离心力的作用下，偏离中心的程度不同。利用这种离心分离的原理来实现气-液的分离。但是，由于常规的离心分离设备存在分离效率低、装置庞大、成本较高等不足，目前尚未在实际中得到很好的应用。CDS Engineering 公司推出了一种在线分离设备（图 1-2-10（a）所示），主要是利用旋流分离的原理来实现不同相的分离的。该装置的优点有：外形简单， 只是充当输送管线的一部分，不占用设备以外的空间，结构紧凑10。但是，此设备尚未专门应用于

32、天然气脱水。图 1-2-10（b）所示为在线分离设备的工作示意图11。（a）工作原理；（b）试验装置图 1-2-10 CDS Engineering 公司在线分离设备荷兰Eindhoven 大学于20 世纪90 年代末期开始对离心式分离设备进行研究， 提出了一种紧凑型离心式气-液分离装置，该装置主要分为膨胀室，冷凝室和分离室三部分。Swanborn 通过测量、计算发现，从气井中开采出来的天然气的压力在 600bar 左右，温度在 80100之间12，因此在对天然气进行处理和输送前必须要对其降压、降温。此过程主要在膨胀室和冷凝室进行。传统的膨胀方法主要是利用节流阀使气体膨胀，但气体膨胀降压后释放

33、出的大量能量在节流阀处被释放掉了，造成了浪费。实验表明，如果用透平机代替节流阀，就避免了能量的浪费。冷凝室的另一个作用是使天然气中直径很小的液滴凝结变大。此步关键是确定凝结后液滴的尺寸，当气体压降过大时，气体中会形成大量直径很小的液滴， 因此在冷凝过程中要保证有足够的时间使小液滴凝结变大。分离室中主要进行气-液两相分离，根据密度不同的物质在相同的离心加速度作用下，偏离中心程度不同的原理来实现气-液分离。但是，此套装置目前虽然已经设计成形，但仍处于实验室的研究阶段，尚未有效应用到实际当中。1.3 本文的工作内容随着地球上能源数量的不断减少，人们对新能源的开发越来越感兴趣。天然气作为一种新型清洁能

34、源，受到了人们更加密切的关注，天然气脱水技术也逐渐成为人们研究的重点。经过相关研究及实验表明，传统的天然气脱水方法还存在一定的不足，如分离效率低、污染严重等，因此不能够满足人们的要求。本文将在查阅大量文献资料的基础上，以 Eindhoven 大学的紧凑型离心式分离设备为切入点，掌握其结构设计过程中的全部技术细节，建立可行的紧凑型天然气离心脱水设备的结构方案模型，根据设计参数进行总体结构设计以及各零部件的具体结构设计，根据工作条件对相应零部件进行强度校核，用 CAD 绘制出整套设备的装配图以及重要零部件的零件图，最后对整体结构进行三维实体模拟。第二章 紧凑型天然气离心脱水设备的结构方案探讨2.1

35、 移动液膜概述2.1.1 结构介绍本文所设计的紧凑型天然气离心脱水设备主要分为预分离室、旋转过滤单元和后分离室三个部分，如图 2-1-1 所示。预分离室中装有一个旋转叶轮，含有杂质气体的天然气首先进入预分离室，在旋转叶轮的带动下，气体具有一定的角动量，天然气中含有的直径较大的微粒在旋转离心力作用下从预分离出口分离出， 此过程称为粗分离。然后，具有一定角动量的气体进入到过滤单元中，在离心力作用下，密度较大的蒸气开始向过滤单元的外管壁运动，在外管壁上形成液膜， 沿着管壁向前运动。在过滤单元出口处，液膜破碎成许多直径较大的小液滴，进入到后分离室中，从后分离室出口排出。需要注意的是，在过滤单元处已被分

36、离出的一部分液体在离心力的作用下会重新进入到预分离室中，因此，离开过滤单元进入预分离室的液体的量必须要测量出。图 2-1-1 天然气离心分离装置结构示意图当混有液体的天然气通过预分离室进入旋转过滤单元分离管道后，在离心力作用下，密度大的液滴被甩到管壁上，聚集凝结形成液膜。如图 2-1-2（a）表示过滤单元绕着一个固定轴旋转；图 2-1-2（b）表示液滴在过滤单元管道中运动形成液膜的过程。（a）（b）图 2-1-2 液滴在过滤单元内运动形成液膜过程的示意图当液膜到达过滤单元管道末端时，破碎成许多小液滴。在位于下游的后分离室里，气流仍在做旋转运动，在这种旋转力的作用下，液滴沿着后分离室的管壁运动。

37、但是，在离心力作用下，大液滴会分裂成许多尺寸很小的液滴。另外，在过滤单元内壁的延伸处有可能会重新生成液膜，重新进入到气体中，这两种情况均会降低分离器的分离效率。为了使分离效率降低的程度最小，过滤单元可以垂直安装，主要的气体流从下口进入，净化的气体从顶口排出。这样的分离方法，可将重力作用在液膜上， 使大部分液滴在流经过滤单元时被分离出。但是，在离心力作用下，部分液膜又会向上运动。这就是说，一部分液体又会重新进入到到净化气体中，这仍会导致分离效率的降低。为了避免效率降低，必须先测量出未过滤出的液体量。这个量可以通过在管壁中形成的液体膜的形态估算出。由于我们不知道液体膜的形态，因此必须确定RPS 中

38、的过滤单元内某一特定情况与液体膜形态之间的关系。本章将建立一种液膜模型，通过这个模型可以确定能够分离出的液体量以及决定能够分离出的液体量的参数。2.1.1 流体流动的例子由于管道内的饱和蒸汽冷凝，使得在冷却的壁面上形成液膜。Nusselt 通过实验首次得出膜厚与板垂直长度之间的函数关系14。他假设膜中冷凝的流体是层流流动，而且平板和蒸汽具有恒定的温度，分别为Tw 和Ts ，如图 2-1-3 所示。图 2-1-3 管壁冷凝形成液膜示意图首先，假设流体的性质不变，而且蒸汽是静止的，不会影响下游冷凝处的流体的运动状态。由于壁面上形成的液膜是细长的，因此可以假设膜厚 比膜的长度 L 要小很多。这样，由

39、 x 方向和 y 方向的冷凝液体动量守恒得：x 方向动量守恒u u + v u= - 1 P +n2u+g(2-1-1)y 方向动量守恒xyr xy20 = - 1 P(2-1-2)r y式中，x 与圆盘平行的方向；Y 与圆盘垂直方向；U 与圆盘平行方向的速度； v 与圆盘垂直方向的速度； P 作用在液体膜上的压力； G 作用在液体膜上的重力； 流体的密度； 流体的动力黏度系数。由于液体膜可以看作是细长膜，因此可以假设垂直方向的压力梯度与周围蒸汽的压力相等，即 P = rxvg ，其中 rv 是蒸汽的密度。将这个关系式代入到式（2-1-1）得：ruu 2u(u+ v) = hxyy 2+ (r

40、 - rv )g（2-1-3）其次，假设和液膜流动时产生的摩擦力相比，液膜的惯性力很小，也就是说式（2-1-3）左侧的值可以忽略为零。对式（2-1-3）关于 y 积分两次，加上两个边界条件：y=0 时 u=0；y= 时， u =0，于是可得液体沿着 x 方向的速度为y2u = g (r - r )(dy - y )hv2（2-1-4）对于体积为d dx 的微元流体，假设在管道入口处液体膜厚为 0（即u =0 时d =0），利用热力学第一定律可以计算出液膜的温度和厚度15,16，还可以得出液膜厚度d 的增加值是经向长度 x 的 1/4 次方。在上面的计算分析过程中，Nusselt 忽略了液膜的惯

41、性力。Sparrow 和 Gregg 在考虑了液膜惯性力的情况下对同样的问题进行了分析， 他们发现，在考虑了液膜惯性力的作用后，并不会改变膜厚d 的增加值是经向长度 x 的 1/4 次方的关系17。另外，他们还发现，对于普朗特数大于 1 的情况，当考虑惯性力作用时，对传送的热量值也几乎没有影响。但是，对于普朗特数大于1 的情况，当冷凝的液膜比较厚时，考虑了惯性力作用后，对结果就会有很大影响。2.2 两种可行的安装方案这种结构主要分为预分离室、过滤单元和后分离室三部分。在预分离室中装有一个旋转电动机，含有杂质气体的天然气首先进入预分离室，在旋转电动机的带动下，气体具有一定的角动量，天然气中含有的

42、直径较大的微粒在旋转离心力作用下从预分离出口分离出，此过程称为粗分离。然后，具有一定角动量的气体进入到过滤单元中，在离心力作用下，密度较大的蒸气开始向过滤单元的外管壁运动，在外管壁上形成液膜，沿着管壁向前运动。在过滤单元出口处，液膜破碎成许多直径较大的小液滴，进入到后分离室中，从后分离室出口排出。需要注意的是，在过滤单元处已被分离出的一部分液体在离心力的作用下会重新进入到预分离室中，因此离开过滤单元进入预分离室的液体的量必须要测量出。根据相关文献介绍，主要有两种可行方案，第一种是将过滤单元垂直放置， 即立式离心分离器；第二种是将过滤单元水平放置，即卧式离心分离器。下面分别对这两种结构方案进行分

43、析对比。在分析两种可行方案前，需要对液膜作如下共性假设：(1) 假设两种模型中液滴均随气体沿着管道运动，从而为壁面上的液膜提供了液体，在此过程中对气-液分界面处的速度产生的影响可以忽略。另外，液膜的一些物理性质性，如粘度和密度等均假设恒定不变。(2) 在静止的情况下，认为整个出口管表面都是湿润的，而且向膜内注入的液体量在管道长度方向上一定。事实上，对于大小各异的液滴进入过滤单元的情况，这种假设是不科学的。因为大液滴比小液滴要先到达管壁，因此通常大液滴数量要比小液滴数量多，从而导致进口处的流速要比下游快，但这对液膜的形态几乎没有影响18。2.2.1 立式安装方案含有水蒸气的气体进入垂直安装的旋转

44、过滤单元后，在重力和离心力的作用下，液滴开始被从气体中分出，向壁面移动，在壁面上形成流动液膜，如图 2-2-1 所示19。图 2-2-1 过滤单元内液膜形态示意图为了描述液膜的分布，主要对过滤单元的单根管内液膜的形态进行分析。首先，假设过滤单元的各个环形管道都同轴。成膜的离心液滴、气体、液膜均以相同的轴向速度移动。同心管壁可看成是长为 L 宽为无限大的平板（图 2-2-2cc所示），液滴沿着管道长度方向以恒速v0 均匀地流动。假设膜厚d 远远小于管半径 R，因此可以认为作用在液体膜上的离心力 g 是恒定的，且有 g = 2r 。由于作用在液膜上的雷诺数很小，这样液膜就可当作是薄层膜，其惯性力可

45、以忽略。另外，膜的流动可当作边界层流动。以上这些是描绘细长膜最基本的假设。图 2-2-2 过滤单元垂直安装时管道中的液膜形态示意图利用垂直平板上不可压缩细长膜在重力和离心力作用下质量和动量守恒，得质量守恒u + v = 0（2-2-1）x 方向动量守恒0 = -xy1 P +n 2u+g（2-2-2）r xy 2y 方向动量守恒0 = - 1 P - 2 r（2-2-3）r y式中， x 与平板平行的方向；y 与平板垂直的方向；u 与平板平行方向的速度； v 与平板垂直方向的速度； P 液膜内的压力；g 作用在液膜上的重力； 液体的密度；2 r 动力黏度系数； 作用在液膜上的离心力。对（2-2

46、-3）式积分得到液膜的传送压力为P(x, y) = -r2 ry + K (x)积分常数 K ( x ) 由等式 y = d 可以求出。（2-2-4）由于管道内的气流是细长的，而且d R ，因此管道边界上气体流动的速度可以忽略不计。当管道内的压力降也可以忽略时，管道边界上气体的压力就等于静压 P0 ，且有Pg (x,d ) = P0（2-2-5）通过建立等式 Pg (x,d ) = P(x,d ) ，得出积分常数 K ( x ) 为K (x) = P0+ r2 rd (x)（2-2-6）x 方向的压力梯度可以表示为P = r2 r dd（2-2-7）xdx将（2-2-7）式代入到（2-2-2）

47、式中得n 2 u = 2y 2r dd - g dx（2-2-8）对上式积分两次，加上边界条件：（1） 气-液交界面处气体内部剪力为零：y=， u = 0y（2-2-9）（2） 在管壁处气体速度为零：y=0，u=0（2-2-10）得出沿着 x 方向气体的速度为u = 1 y 2 - 2 yd 2 r dd- g（2-2-11）2vdx在这种情况下，只有重力会影响液膜的厚度，在假设气体的密度与液体相比可以忽略的条件下，计算出气体沿着平板方向的速度为u = g 2 yd - y 2 2v（2-2-12）由于没有与重力相平衡的力，因此，液膜由于重力的作用会在 x = L处离开平板，但同时还有离心力作

48、用在液膜上，所以部分液体会被迫向上运动。也就是说存在一个回转点 x 0 ，在此点处流体沿着 x 方向的速度 u 等于零，流体的流动方向在此点处将要改变。由（2-2-11）式可以得出在此点处 dddx=g2 r。由在回转点处液膜速度为零可以推断出并非所有的液体都流回了下游，而是有一部分液体运动到了上游，并停留在了顶部，记在此处 x = 0。膜厚d 可以通过质量守恒定律计算得出。在一个相对稳定流动的条件下，流进液膜的质量一定等于流出液膜的质量。如图 2-2-2 所示，从右侧进入控制体的流体是补充液膜的，这部分流体的质量为 rv0 x 。在 y 方向上，假设流体的速度d恒定，为v0 。由于重力作用，

49、管道内从控制体顶部流回到控制体中的液体的质量为 rU ，U 是单位长度的体积流量，定义为U = U (x) = 0 udy图 2-2-2 液膜内所选控制体质量守恒示意图（2-2-13）补充液膜的液体和从管道上方流回到控制体中的液体从控制体的底部排出。这些液体的质量为 rU + r dv x ，省略掉x 的高阶无穷小，由质量守恒得dxrU + rv x = rU + r dv x（2-2-14）式中，0dxv = du （为常量）（2-2-15）0dx将上式两边同时对 x 积分，得到膜厚d 的表达式。但必须强调的是，只有运动到 x0 以下的液体流才能留在平板底部，这样对上式积分后可得U (x)

50、= v0 (x - x0 )（2-2-16）由（2-2-13）和（2-2-11）式得，管壁上单位长度上局部流体的流动速度为U (x) = d udy = 1 d 3 g - 2 r dd （2-2-17）03vdx将（2-2-17）式代到（2-2-16）式中，得到膜厚与管道高度的函数关系表达式，即d 3 dddx+ a (x - x0) - bd 3 = 0（2-2-18）式中的系数和b 分别为a = 3vn 0w 2 rb =g2r（2-2-19）（2-2-18）式中的一些参数可用下面的变量表示d = dd0x = x-x0Le = d0 =1bLd2r gL（2-2-20）d0 是膜的最大

51、厚度。将这些变量代入到（2-2-18）式中，得e d3 dd + aL x-d3 =001dxbd 3（2-2-21）尽管离心力要比重力大很多，但在大多数情况下e1都小于 1，这使得对于小流量的流体，膜厚的最大值d0 要远远小于管道长度 L。对于e1 x0 的情况， 即只在远离回转点 x0 处才适用。从（2-2-21）式得出的另一个结论是，在 x x0 范围内，离心力不起任何作用，只有重力对液膜的运动状态有影响。原因是由于尽管离心力比重力要大很多，但是其作用在与管道垂直的方向上，作用的长度只dddd是膜的厚度 dx ，由于膜厚 dx 非常小，因此离心力在上面产生的影响也就非常小。从式（2-2-

52、11）可以得出，在回转点 x 处有 dd = g ，而且在此点处，流体0dx2r的速度u 和流量U 均为零。这就是说，在回转点以上的流体的运动方向是向上的， 回转点以下的流体是沿着管壁向下运动的。由式（2-2-11）还可以得出，在回转点以上，液膜的厚度d 和 x的比值要比重力和离心力的比值大很多，而在回转点以下则正好相反，即 dd dxg2r 。尽管大部分液体都从过滤单元的底部被分离出来，但是还有一小部分液体重新进入到净化了的气体中从过滤单元的顶部一起排出。因此，回转点 x0 值的确定对于测量从管道顶部离开平板的液体的量是非常重要的。为了得到在 x =0处（2-2-21）式的另一表达式，需要新

53、定义两个变量，即-3 h =e1 2 x将这两个变量代入（2-2-21）式中，得1 -f =e1 2 d（2-2-23）f 3 df +h- f 3 =0dh（2-2-24）为了解出这个等式，需要一个边界条件，即在平板顶部膜的厚度为零x =0d =0或者x = - x0Ld =0（2-2-25）需要强调的是，这个边界条件并不是说在平板顶部流体流速为零。由式（2-2-21）可以得出，在平板顶部流体的质量流量为d3 dd ，并不为零。利用和 f 表示出dx此边界条件为式中，h =h0f =0（2-2-26）-3 -x0h0 =e1 2L（2-2-27）图 2-2-4 描绘了沿着平板方向液膜厚度增加

54、的变化情况。在平板顶部，液膜的厚度为零，从这一点开始，沿着流体流动的方向，液膜的厚度开始增加，到 x = L 处，液膜厚度达到最大值。这就是说，在平板底部(即 x = L处)，有d =d0 。在平板顶部液膜厚度的变化量达到最大值，且有 x0 L。即当 x 1时，d =1。这样， 由（2-2-22）式可以得出最大液膜厚度的表达式为d 3 = aL = 3nv0L0bg（2-2-28）图 2-2-4 沿着过滤单元管道方向上液膜的形态示意图2.2.2 卧式安装方案1.只考虑离心力和重力作用的情况卧式离心分离器内部的过滤单元是水平安装的，过滤单元的管道可以看作是长为 L，宽为无限大的水平平板，流体沿着

55、平板长度方向流动。重力的作用方向可以认为和离心力的作用方向相同，而且非常大。图 2-2-5 描绘了流体在平板上的运动形态。图 2-2-5 在离心力的作用下液膜运动形态示意图假设液膜厚d 比管道的高度 R 要小得多，因此，作用在流体上的离心力可以认为是恒定的。由于液膜是细长的，因此又可以认为流体的流动是层流流动， 其所受的惯性力也可以忽略。在水平面上作旋转运动的液膜符合质量守恒定律， 在 x 和 y 方向上符合动量守恒定律，即质量守恒u + v = 0（2-2-29）xyx 方向动量守恒0 = -1 P +n 2u（2-2-30）r xy 2y 方向动量守恒0 = - 1 P - 2 r（2-2

56、-31）r y由此可以看出，y 方向动量守恒的表达式（2-2-31）式和垂直安装的 y 方向动量守恒的表达式（2-2-31）式完全相同。同样，假设在气-液交界面上的压力为 P0 ，因此，液膜内沿 x 方向的压力梯度也就和垂直安装的沿 x 方向的压力梯度一样了。将（2-2-7）式代入到（2-2-30） 式得 2u v y 2= w 2 r dddx（2-2-32）对上式进行积分，加上两个边界条件：在管壁处流体速度为零，即(2-2-10)式,以及在气-液交界面上剪切力为零，即(2-2-9)式，得u = 1 y 2 - 2 yd 2 r dd（2-2-33）2v从这个结果可以看出，当 dddxdx=

57、 0 时，流体沿着平板方向的速度也为零。这就是说在回转点 x0 处，液体膜的厚度为零。（2-2-33）式给出了液体膜中速度的分布，这里用离心力2 r 代替了重力 g。液膜厚度的表达式通过质量守恒定律可以求出。在稳定流动条件下，流进控制体的流体的质量应等于留出控制体的流体的质量，或者表示为U (x) = v0 (x - x0 ) （为常数）（2-2-34） 式中，U (x) 沿着管壁方向单位长度的液膜在水平方向上的体积流量；v0 y 方向上液体进入液膜的速度；x0 回转点。将（2-2-33）式代入到（2-2-13）式中，得到流体的体积流量为dU (x) = udy = -2 rd 3 dd（2-

58、2-35）03vdx将（2-2-34）式代入到（2-2-33）式中得到沿着平板水平旋转方向液膜厚度的表达式为d 3 dddx+ a (x - x0) = 0（2-2-36）其中， 是由（2-2-19）式确定的常量。将（2-2-36）式中的d 和 x 分别用（2-2-20） 式所示的变量d 和 x 替换，得3 ddaL2 0d +x = 0（2-2-37）由上式可以得出d xd 4d = (-2aL2 2dx1+ C1 ) 4（2-2-38）40上式中的C1 是积分常数，它的值可以通过将已有的边界条件代入到（2-2-38）紧凑型天然气离心脱水设备的结构设计与三维实体模拟式中确定。在回转点 x 处，有 dd = 0 。由此可以推出，在回转点 x 处，液膜厚0dx0度达到最大值或最小值。但是，在沿着管壁的任何位置液膜厚度都不可能达到最小值。假设在某一点处膜厚度达到最小，在此点左侧 dd 为负，在此点右侧 dd 为dxdx正。由（2-2-35）式可以得出U (x) 与- dddx成正比。这样，左侧膜厚的最小值点就和右侧相同膜厚对应点对称，这实际上是不存在的。因此，只存在一个回转点， 如图 2-2-6 所示，在此点处膜厚达到最大值。图 2-2-6 水平平板上液膜厚度分布情况示意图为了确定积分常数C1 的值，在平板尽头处的边界条件需要知道。这可以通过液膜内的传输压力来确定。（2-2-4）式