旋流式液气分离器的设计

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1、旋流式液气分离器的设计毕业论文(设计)题目名称： 旋流式液气分离器的设计 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 狄磊 院 (系)： 机械工程学院 专业班级： 装备10901班 指导教师： 张琴 辅导教师： 时 间： 2013.3 至 2013.6 目录毕业论文（设计）任务书.开题报告.指导教师审查意见.评阅教师评语.答辩会议记录.中文摘要.外文摘要.1 绪论51.1 选择旋流式液气分离器的意义51.2 国内外现状和发展趋势51.2.1国外现状和发展趋势51.2.2国内现状和发展趋势72 方案论证72.1 旋流式液气分离方案的可行性72.2旋流式分离器的结构及工作原理73 分离器的总体设计93.1旋

2、流器的直径和长度的计算93.2分离器结构设计113.2.1分离器总体结构设计113.2.2脱气结构133.2.3钻井液进口的尺寸133.2.4旋流器的结构设计133.2.5外筒体的设计153.2.6接口管设计163.2.7外部结构194、主要零部件的设计及校核计算204.1筒体和封头的壁厚计算20第 53 页 （共 45 页）旋流式液气分离器的设计4.2外容器筒体、封头壁厚计算204.3旋流器筒体封头壁厚计算224.4人孔234.4.1人孔选择234.4.2人孔补强244.5支座244.5.1分离器的总质量244.5.2支座的选用及安装要求265 分离器的安装265.1 焊接265.2安装顺序

3、276 壳体的有限元分析287 总结32参考文献34致谢36附录一37附录二40摘要旋流式液气分离器的设计学 生：狄磊，长江大学机械工程学院指导老师：张琴，长江大学机械工程学院【摘要】旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向四周，并顺着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出。这样就达到了分离的目的。旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。本文设计的旋流器用于石油钻井中钻井液的气液分离。在工作原

4、理的基础上，进行了气液分离器的结构设计，包括，总体结构、脱气结构、内部旋流器结构、外筒体结构以及分离器外部结构。根据相关数据对进口管、排气排液管、侧开口、以及相对应的法兰进行设计选取。并且进行了筒体和封头壁厚的计算，估算了分离器的质量，支座的负荷估算及选用，人孔的选用及补强，对外壳体进行了有限元的分析,说明了分离器的安装顺序。【关键词】钻井液 旋流分离器 气液分离器 设计绪论The design of the Gas-liquid cyclone separatorStudent: Di Lei, Yangtze University, School of Mechanical Enginee

5、ring Instructor: Zhang Qin, Yangtze University, School of Mechanical Engineering【Abstract】Cyclone separator is a kind of mechanical separation equipment which use centrifugal sedimentation principle to separator the heterogeneous mixture with different density of phase separation.The mixture having

6、a density difference in a certain way and speed from the inlet into the cyclone separator, under the action of the centrifugal force field, the dense phase is thrown around and downwardly along the wall, as a bottom flow discharge; density opposite the middle of a small migration of upward movement,

7、 and finally as an overflow discharge.This achieves the purpose of separation.Cyclone separation technology can be used for liquid-liquid separation, gas-liquid separation, solid-liquid separation and gas-solid separation and so on.In this paper,design of the cyclone separator is used in oil drillin

8、g in the drilling fluid of gas and liquid separation.Based on the principle of work, carried out the structural design of the gas-liquid separator,Including, overall structure, degassing structure, the internal structure of the cyclone separator , the separator outer cylinder structure, and external

9、 structure. According tothe relevant data of inlet tube, exhaust drainage pipe, side opening, and the corresponding flange design selection. And has carried on the cylinder head and the calculation of wall thickness, estimating the quality of the separator, bearing load calculations and selection,ma

10、nhole selection and reinforcement,external shell finite element analysis was conducted, illustrates the installation sequence of separator.【Key words】oil drilling ，Cyclone separator， gas-liquid separator，design绪论1 绪论1.1 选择旋流式液气分离器的意义随着环保法规的逐步健全和人们环保意识的不断提高，环境问题日益得到关注，污水、污泥、废气等的处理也越来越受到政府部门、生产单位的重视。另

11、外，在企业生产过程中，也不可避免地涉及到混合介质的分离处理过程，在石油石化工业中，为了满足计量，加工储存和长距离输送的需要，必须将石油按液体和气体分开，这个过程通常在分离器和塔器中进行，因此气液分离器是油田和炼油厂中使用最多、最重要的压力容器设备之一。气液旋流分离技术作为一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离技术，具有阻力小，耗能少，分离效率高等优点，已成为工业新型气液分离技术的热点。正成为石油、天然气开采工业井口、井下油气分离的重要设备，并被广泛应用于压缩空气中的油水分离、生物发酵以及食品工业的尾气处理、工业废气的净化处理、化工生产以及环境工程中的气液分离等工艺中，显示了良好的工程应用前景

12、。1.2 国内外现状和发展趋势目前，对于气一液旋流分离的研究主要可分为4类，即：1.气一液旋流分离技术应用试验研究，包括1 管柱式气-液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone简写GLCC)2 螺旋片导流式气液分离器(Cyclone Gas-Liquid Separator简写CS)3 轴流导叶式气液旋流分离器4 管道式气液旋流分离器2.旋流分离器内部气液两相流场的测量研究 3.气-液两相流动数学模型理论研究 4.旋流器CFD模拟研究1.2.1国外现状和发展趋势气-液旋流分离技术应用的试验研究1979年，Davies和Watson研制了管柱式气-液旋流分离器，是

13、由垂直的筒形容器，安装了一个向下倾斜27切向进口管，上部出气管，下部排液管。切向进口给混合物提供了一个涡旋运动，气-液两相由于重力和离心力的综合作用，液体被驱向筒壁并向下从底部流出，气体径向向旋流器的中心流动并从顶部排气管离开分离器。海上采油代替传统的分离器，在改善分离性能的同时降低了成本。1995年，Kouba等将GLCC用于多相流量计量，经过GLCC分离后的气液两相分别用单相流量计计量，然后再合并，避免了多相流测量中的问题；GLCC在地面和海上油气分离、井下分离、便携式钻井设备、油气泵、多相流量计、天然气输送以及火炬气洗涤等具有巨大的潜在应用。1996年，Franca等研制了螺旋片导流式气

14、一液旋流分离器，直接在井口将气液进行分离，增加了采油同收率，分离后的气体和液体用不同的管道输送各相，使石油和气体分别经过各自的管道进入储油罐和储气罐，降低了多相流输送时易出现的断续流、堵寒和沉积等典型问题。旋流分离器内部气液两相流场的测量研究 这一领域最早的研究之一是Nissan和Bressan，1961年他们用2个切向人口将水注入管子，其切向动量与轴向动量之比为8，用探针对管内涡旋流场进行了测量，发现在管子核心区域有一个逆向流动区。 Erdal(2002)采用多普勒激光测速仪对GLCC内的重相气液两相旋流的流场进行了测量研究，他的测量显示对于单切向进口的旋流器，由于进口效应的影响，其流场是非

15、轴对称的，中心强制涡流区绕旋流器中心线呈螺旋状。而双进口结构的流场比单进口结构呈现更好的对称性。气-液两相流动数学模型理论研究 对于单相流动的机理模型对应于场控制方程用公式表达，在连续力学上已经建立得很好，主要由质量守恒、动量守恒和能量守恒三大控制方程构成。而两相流的系统研究从上世纪40年代才开始，60年代以后，越来越多的学者开始对关于描述两相流运动规律的基本方程进行探讨，描述两相流动的数值模型也从简单到复杂。 2002年，Gomez采用离散颗粒模型计算GLCC中的气泡运动轨迹，预报分离时液相出口中的气体央带(GCU)现象以确定GLCC的操作范围。经CFD计算结果与LDV实验测定结果列照，能够

16、较好的预报GLCC巾的流动特性。旋流器CFD模拟研究L.EGomez(2003)在颗粒轨迹模型的基础上对重相气液两相旋流分离巾颗粒运动轨迹分布进行了数值模拟计算，并预测了GLCC中气泡夹带和操作性能的情况。 方案论证1.2.2国内现状和发展趋势气一液旋流分离技术应用的试验研究 2005年，中国石油大学多相流实验室研制了轴流导叶式气液旋流分离器，与切向进口的GLCC和CS相比其采用轴向进料，旋转流由导向叶片产生，从而使旋转流保持稳定，并有助于维持层流特性，而且其显著特点是阻力损失较小。当采用轴向进料时，结构更加紧凑，适宜于井下狭长空间环境的安装操作。旋流分离器内部气液两相流场的测量研究2007年

17、，中国石油大学多相流实验室采用APV(Adaptive PhaseDoppler Velocimmer)对轴流导叶式旋流分离器内轻相气液两相流场进行了测定。所有测定结果都得到了相似的流场分布趋势，即旋流器内部切向速度呈准Rankine涡结构，且沿轴向衰减。轴向速度将流动区域分为向上的内旋流和向下的外旋流，当进口涡旋强度较高时，在中心会出现向下的流动区。湍流强度分布是涡旋核心湍流强度最大，外区趋于定值，而在边壁处升高。流场实验测定数据和CFD模拟研究都证实，由于核心强制涡的影响，旋流器的湍流脉动是各相异性的。2 方案论证2.1 旋流式液气分离方案的可行性 目前分离器的种类繁多，分类方法也很多，主

18、要按分离介质不同可分为固液分离器、气液分离器和液液分离器，按分离原理可分为重力式分离器、管式分离器和旋流式分离器。现阶段对分离器的理论和实践研究已经比较升入，对内部流动规律也了解很多。经过不断的研究，在常规式分离器的基础上，又出现了很多适用于各种场合的新型分离器。 旋流分离器（简称旋流器）的发明、应用已经有约一个半世纪了。开始，只用于选矿过程中的固液分离和固固分离，后来发展到固气分离、液气分离等。到20世纪80年代末，这种旋流分离器被用于石油工业中的产出水除油，取得了满意的效果。虽然旋流分离技术在气液分离方面的应用要晚的多，但已显示出了其体积小、快速、高效、连续操作等方面的优越性。2.2旋流式

19、分离器的结构及工作原理旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。基本构成为一个分离腔。一到两个入口和两个出口。分离腔主要有圆柱形、圆锥形、柱-锥形三种基本形式。入口有单入口和双入口。入口的分离腔的的连接形式来分，入口有切向入口，和渐开线入口两种。出口一般为两个，而且是轴向出口，分布在分离器的两端。靠近进料口的为溢流口，原理进料端的为底流口。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向四周，并顺着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出。这样就达到了分离的目的。

20、旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。本设计的旋流分离器用于石油钻井中钻井液的气液分离。图1 旋流器结构简图分离器的总体设计3 分离器的总体设计3.1旋流器的直径和长度的计算设计要求：日处理液量：8600m/d日处理气量：860m/d工作压力：0.8Mpa最大压力：1.2Mpa可分离气泡直径：0.8mm 旋流中的气泡受力如图所示：相对运动微分方程：图2 受力图 （1）式中：为气泡质量，为相对滑移速度，d为气泡直径，为半径r处的旋流速度。假设旋流为强迫漩涡，即。则上式可写为： （2）解得： c为常数 （3）初始条件：旋流式液气分离器的设计设为时间常数，式中第一项0，故趋于终

21、端沉降速度：。若不考虑旋转式的能量损失，则一般的，当r=0.1mm时，近似认为气泡已迁移到中心，对应的时间为最小驻留时间 （4）一般气泡从边壁到中心的平均移动速度，即 （5）分离器的处理量为Q，则分离器内液体占据的最小体积 （6）式中为旋流器的容积。计算在最小驻留时间内混合体运动的距离时，可忽略气泡与液体的相对滑移，认为气泡随液体一起在重力的作用下向下运动，可得在内，气泡下降的距离： （7）即旋流器的最小长度为。参数：分离器的总体设计 由以上参数和式（4）（5）（6）（7）计算可得：旋流器的半径，根据实际情况和压力容器标准，将旋流器的半径定为，相应的，。3.2分离器结构设计3.2.1分离器总体

22、结构设计分离器的总体结构设计如图所示。图中所示方案中，1、 封头；2、 外筒体；3、 导流板；4、 旋流器；5、 进口接管；6、 封头；7、 螺栓；8、 螺母；9、 垫圈；10、 支撑板；11、 支架； 气体混合物从进口接管进入，在旋流器中进行离心分离，然后流到导流板上进行旋流式液气分离器的设计重力分离。最后，液体从1处的接管流出，气体从6的接管排出。混合体主要通过旋流器进行分离，容器下面的导流板加强了分离效果。图中所示旋流器为偏置式，相比于旋流器轴线与外筒体轴线重合的中置式，偏置式可以减小进口管的长度，同时也便于安装。图3 分离器结构图分离器的总体设计3.2.2脱气结构设计气液分离器的关键就

23、是进行脱气结构的设计。分离器的总结构图如图3所示，本设计的主要脱气结构为内部的旋流器，具有密度差的气液混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向四周，并顺着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出。这样就达到了分离的目的。通过旋流器，混合物中的液体和气体实现了绝大部分分离，从旋流器出来的液体会流到外容器的导流板，也称为脱气板，由于导流板上的液体层很薄，气体很容易从薄液层中分离出来。为了使钻井液走曲径，而不是垂直下落，重力脱气结构设计为孔板交叉排列，脱气板与水平方向成10夹角，便于液体在重力作用下流动，为了使脱离气体

24、及时排出，脱气板上设有排气孔，自上而下连通构成了排气通道，脱气板对称分布，共三块。钻井液在分离器内的流动路线：混合物以一定的初速度由垂直切向入口进入旋流器内做螺旋运动，在旋流器的长度内大部分气体和液体实现分离，分理出的气体从旋流器上部的溢流口排出，进入外筒体，最后从外容器的排气口排出。液体则是从旋流器的底部作为底流排出，进入外容器，流经导流板，进一步分理出少量气体，分离出的气体从导流板上面的脱气孔排出，最后到达外容器的排气口而排出，液体最后由外容器的排液口排出。3.2.3钻井液进口的尺寸旋流器要求有一定的进口初速度才能实现离心分离，进口速度设计为8m/s，为了使混合物到达此速度，可在进口管上面

25、安装增压泵，增压泵的型号应根据现场的安装管线长度，安装高度以及筒内压力0.8Mpa来确定。入口管的直径与入口速度和日处理量有关。根据日处理液量8600m/d和进口速度8m/s，根据公式： （8）3.2.4旋流器的结构设计 为了加强气液混合物的在旋转腔中的旋转能力和减少能量损失，所以采用垂直于旋流式液气分离器的设计筒体的切向入口。为了有效地将气体和液体分离，旋流器的腔体需要具有相应的高度和截面积，主腔体高度决定脱气效果，主腔容积决定瞬间脱气与储气的能力。参照水力旋流器的相关设计经验，旋流器的上部为圆筒体，根据上面处理要求的计算，将旋流器的直径定为D=400mm。下部为倒锥形，目的是为了加强旋转能

26、力和减少能量损失，从而提高分离效率，由于进入圆锥段之后，由于分离器的内径逐渐缩小，液体旋转速度加快，螺旋流对锥体器壁的冲击力和压力增大，对器壁的磨损也大，同时锥角过大也会导致阻力增大，故应选取适宜的锥角，此处选取锥角为30。根据实际的处理能力，以及前面得出的旋流器直径，有效分离长度，入口管直径等，借鉴水力旋流器的直径设计范围，得出具体的设计尺寸。入口管直径：D1=126mm溢流管直径：D2=100mm底流管直径：D3=150mm旋流器直径：D=400mm其余尺寸如图4所示:图4 旋流器尺寸分离器的总体设计3.2.5外筒体的设计由脱气结构可知，加入外筒体的目的是为了加大处理的流量以及使分离更加彻

27、底。参照重力分离器，外筒体设计为圆筒体结构，筒体内安装有导流板。根据内部旋流器的结构要求，以及现场布置，连接要求等，将外筒体设计成总高度为3600mm，直径为1000mm的圆柱体结构。内部安装的导流板的结构如图。气液分离器的外筒体有两个出口，上部排气口，通径设计为250mm；下部的排液口，通径设计为250mm。图5 导流板旋流式液气分离器的设计3.2.6接口管设计1、 进口管 根据给定的日处理量（8600m3/d）和进口速度（8m/s），由上计算可得进口管径D=125.9mm，公称直径126mm，故采用134的低中压锅炉无缝钢管(热轧管)，材料06Cr19Ni10，标准号GB3087-08。配

28、用具有凸面密封的带颈对焊法兰，材料0Cr18Ni9。法兰标记PN1.6 DN125 HG20595-97。进口管如图6.图6 进口管分离器的总体设计2、 排气管 筒体排气口通径250mm。排气管采用2738的低中压锅炉用无缝钢管（热轧管），材料06Cr19Ni10，标准号GB3087-08。配用具有凸面密封的带颈对焊法兰，材料06Cr19Ni10，法兰标记符号：PN1.6 DN250 HG20597-97。排气管如图7.3、 排液管 设计同排气管，排气管采用2738的低中压锅炉用无缝钢管（热轧管），材料06Cr19Ni10，标准号GB3087-08。配用具有凸面密封的带颈对焊法兰，材料06Cr

29、19Ni10，法兰标记符号：PN1.6 DN250 HG20597-97。图7 排气管旋流式液气分离器的设计4、 侧开孔 公称直径50mm，采用573.5的低中压锅炉用无缝钢管，标准号GB3087-08。配用具有凸面密封的带颈对焊法兰，材料06Cr19Ni10，法兰标记符号：PN1.6 DN50 HG20597-97，法兰尺寸见图8。图8 DN50法兰尺寸分离器的总体设计3.2.7外部结构 主要有以下几个方面：1 为了便于现场工作中与其他管道等设备的连接，以及便于拆卸，应该采用法兰连接方式。2 使用时为了便于进行检测和内部清洗，设有侧开口，为了便于清除主腔内沉淀物、杂质及简单检修，设有人孔。3

30、 为了现场施工和日常维护的需要，设有支架，支架上面有护栏和人梯。为了便于运输，设计了竖立与放倒的机构；竖立后由底座支座支承，放倒后由支架支承。 支架结构图如图9。图9 支架结构图旋流式液气分离器的设计4、主要零部件的设计及校核计算4.1筒体和封头的壁厚计算为了保证筒体强度，筒体内较大的环向应力应不高于材料的许用应力，即。在实际的设计中，还应该考虑如下因素：焊缝系数 容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利的影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近金属的强度可能低于钢板本体的强度。因此，钢板的许用应力应该用强度较低的焊缝许用应力来代替，

31、因此应该把钢板的许用应力乘以焊缝系数，1，于是上式可写成： （9） 工艺设计中确定的是容器的内径Di，在制造过程中测量的也是筒体的内径，而受力分析中的D指的确实筒体中的外直径，所以用内径代替上式的中面直径更为方便，06Cr19Ni1于是有： （10）解出上式中的，得到内压圆筒的计算壁厚： （11） 考虑到钢板厚度不均匀及介质对筒壁的腐蚀作用，在确定筒体所需厚度时，还应在计算壁厚的基础上，增加壁厚附加量C。 综合以上三个因素，内压圆筒壁厚的计算公式为： （12）由于设备处理的混合物中含有H2S气体，因此本容器筒体和封头的制作均选用抗H2S气体腐蚀的材料。查阅相关压力容器用钢标准，采用06Cr19

32、Ni10不锈钢，板材料执行标准:GB/T24511-2009。4.2外容器筒体、封头壁厚计算作为欠平衡钻井配套用的液气分离器，外容器设计承受内压强度为0.8Mpa。主要零部件的设计及校核计算筒体壁厚计算： （13）Di=1000mmP=0.8Mpa=163Mpa=0.85 双面对接焊，局部探伤C1=0.2mm 钢板负偏差C2=3mm 腐蚀裕量和磨损量代入得： （14）封头壁厚计算： （15） 直径为1m的封头可由整块钢板冲压而成，因此取=1，根据制作工艺，封头加工钢板的厚度减薄量取为C3=2mm，其他参数同筒体。 （16） 根据JB/T4746-2002，椭圆形封头的直边部分不得存在纵向皱折。

33、当封头公称直径时，直边高度宜为25mm；当封头公称直径时，直边高度宜为40mm。 确定用n=8mm厚的06Cr19Ni10钢板来制作外筒体和外筒体封头，封头直边高度旋流式液气分离器的设计为25mm，封头类型为EHA。4.3旋流器筒体封头壁厚计算 旋流器内部压力应比外容器腔的压力高，设计承受压力为1.0Mpa。筒体壁厚计算： （17）Di=400mmP=1.0Mpa=163Mpa=0.85 双面对接焊，局部探伤C1=0.18mm 钢板负偏差C2=4mm 腐蚀裕量和磨损量代入得： （18）封头壁厚计算： （19） 直径为0.4m的封头可由整块钢板冲压而成，因此取=1，根据制作工艺，封头加工钢板的厚

34、度减薄量取为C3=2mm，其他参数同筒体。 （20） 确定用n=8mm的06Cr19Ni10钢板来制作外筒体和外筒体封头，直边高度为主要零部件的设计及校核计算25mm，封头类型为EHA。4.4人孔4.4.1人孔选择压力容器开设人孔是为了检查设备内部空间以及安装和拆卸设备内部装置。当设备的直径超过900mm时，应开设人孔，人孔的形状有圆形和椭圆形两种，对椭圆形人孔的短轴与压力容器的筒身轴线平行，圆形人孔的直径一般为450-600mm。图10 人孔 人孔主要有短筒、法兰、盖板和手柄组成。容器是在常温及最大压力1.2Mpa条件下工作，故人孔应该按公称压力为1.6Mpa的等级选取。人孔系列标准HG/T

35、21517-2005中，公称压力为1.6Mpa的类型,设计考虑人孔盖较重，为了检修方便，选用回转盖带颈平焊法兰人孔。人孔标记符号：人孔RF b-8.8（NM-XB350）A 450-1.6 HG/T21517-2005 RF是人孔与法兰盖的密封形式，突面。旋流式液气分离器的设计 b-8.8（NM-XB350）A，是材料类别，表示筒节材料16MnR，法兰材料16Mn，螺栓材料35CrMoA，螺母材料30CrMo，其中采用六角头螺栓、非金属垫片（不带内包边的XB350石棉橡胶板），A型盖轴耳。450-1.6表示人孔的公称压力1.6Mpa，人孔的公称直径（即内径）450mm。HG/T21517-20

36、05是人孔标准号。4.4.2人孔补强承压容器开孔以后，将引起器壁开孔边缘处的压力增大，这话现象叫做应力集中，开孔边缘处的最大应力叫做峰值应力比平均应力高出数倍，许多破坏都是从开孔边缘处开始，为了降低峰值应力需要在孔的边缘考虑补强，即用在开孔边缘附近，增加金属截面的方法来分担这里的高应力。本设计选用的人孔筒节内径d=450mm，厚n=8mm。补强圈的尺寸确定如下：内径：D1=484mm；外径：D2=760mm；补强圈的厚度按下式估算： （21）根据补强圈尺寸标准JB/T4736-2002，补强圈取8mm厚。4.5支座4.5.1分离器的总质量 Q=Q1+Q2+Q3+Q4 其中： Q1 筒体质量 Q

37、2 封头质量 Q3 气液体质量 Q4 附件质量1 筒体质量：主要零部件的设计及校核计算06Cr19Ni10不锈钢的密度为DN=1000mm，长度为2.6m的筒体质量为： （22）DN=400mm，。长度为0.95m的筒体质量为 （23）故： （24）2 封头质量根据JB/T4746-2002，EHA椭圆形封头，DN=1000mm，n=8mm，直边高度h=25mm的椭圆形封头，内表面积为，其质量为：； （25）DN=400mm，n=8mm，直边高度h=25mm的椭圆形封头，内表面积为，其质量为： （26）故 （27）3 气液体质量 （28） 式中，-装料系数，取0.4 -容器容积，（29） -泥

38、浆的密度，旋流式液气分离器的设计代入得： （30）4 附件质量 人孔质量171kg，进口接管、出口接管、法兰及其它附件质量按500kg计，故。设备总质量： （31）4.5.2支座的选用及安装要求 由于容器下部要安装管线，须留一定空间，故选用腿式支座（JB4713-2007）。所谓腿式支座就是将角钢或钢管直接焊接在容器筒体的外圆柱面上，在筒体与支腿之间可以设置加强垫板，也可以不设置加强垫板。本设计用B型支腿，钢管做支腿，带加强垫板。 标准：JB4712.2-2007，支腿BN3-1000。由于容器上部同时有支架固定，支腿可根据安装尺寸适当加长。装配图中按标准画出。 安装要求：1 支柱应平直，且无

39、凹坑和损伤等明显缺陷，支柱直线度允许误差LH/1000。焊接采用电弧焊，所有角焊缝尺寸均等于较薄件厚度，且为连续焊。焊缝表面不得有裂纹、弧坑和夹渣等缺陷。2 支柱或垫板组焊时，凡被覆盖的壳体焊缝应先进行无损检测，垫板与壳体的焊接在最低处留10mm不焊。3 各个支脚底板应在同一水平面上，其最高与最低相差不得超过3mm。4 支脚与容器焊后，应与容器中心轴线平行，其允差H/500，且不得大于2mm。5 分离器的安装5.1 焊接该分离器属于压力容器，其大部分连接方式为焊接，因此在焊接过程中应该注意以下问题。分离器各个部件的焊接采用电弧焊。电弧焊是利用电弧作为热源的熔化焊方法。对于钢铁材料的熔化焊来讲，

40、一般都要经历四个过程：加热过程、冶金过程、结晶过分离器的安装程和固态相变过程，最后形成焊接接头。电焊条的种类繁多，目前国产电焊条已有360余种，其分类方法也很多。在压力容器制造中，根据压力容器常用金属材料，其常用的焊条的标准为碳钢焊条、低合金焊条和不锈钢焊条。电焊条选用原则等强度原则 即选用与母材同强度等级的焊条。一般用于焊接低碳钢和低合金钢。 同成分原则 即选用与母材化学成分相同或相近的焊条。一般用于焊接耐热钢、不锈钢等金属材料。 抗裂纹原则 选用抗裂性好的碱性焊条，以免在焊接和使用过程中接头产生裂纹。一般用于焊接刚度大、形状复杂、使用中承受动载荷的焊接结构。 抗气孔原则 受焊接工艺条件的限

41、制，如对焊件接头部位的油污、铁锈等清理不便，应选用抗气孔能力强的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。 低成本原则 在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、成本低和效率高的焊条。对压力容器所用焊条初步选定后，应根据相应产品的工艺规程进行焊接工艺评定，以考虑所选焊条是否合理。焊接结构，焊接接头的结构包括三要素:接头型式、坡口型式和焊缝型式。筒体和封头、接管与法兰采用对接接头，采用V型坡口，焊缝为单面对接焊缝，接头型式代号为DU3（HG20583-1998）：筒体与接管、封头与接管采用角接接头，接头型式代号为G1（HG20583-1998）。5.2安装顺序为了安装的方便，分离器的

42、安装应参考以下步骤进行： 1、 将旋流器的筒体和封头焊接，便接好溢流管、底流管和进口管，进口管不接法兰，并在外筒壁上焊接支撑板。2、 在外容器筒体内焊接好安装旋流器的支架，然后将旋流器放入外筒体内部的支架上，调整好方位和尺寸后用螺栓将旋流器支撑板和支架固定紧，最后焊接进口管法兰。3、 在外筒体内部焊接导流板，共三块。4、 将筒体分别与带有接管的上下封头焊接。5、 用方钢管焊接好分离器支架。6、 用方钢管焊接好分离器支腿，然后将分离器和支架焊接，并焊接好护栏。7、 将排气管、排液管分别和上下管法兰连接。壳体的有限元分析6 壳体的有限元分析 在传统的压力容器设计中，为了保证容器的安全性，设计者总是

43、尽量增大容器的壁厚，以增大容器的承压能力。随着分析设计概念的提出，设计者越来越多的对压力容器的结构进行优化设计，通过这一过程，可以提高产品设计刚度，满足技术指标及结构轻量化的目标。本分析通过对压力容器壁厚的优化设计，最终在满足给定的刚度和强度要求下使得容器的重量达到最小。由于建模过程中，做出了近似处理，故此有限元分析仅作参考。具体过程参见附录一。图11 建立模型图旋流式液气分离器的设计运行程序，列出迭代结果：图12 迭代结果壳体的有限元分析图13 壁厚变化图14 应力变化旋流式液气分离器的设计7 总结 将近三个月的毕业设计即将画上句号，毕业的日子也要来临。毕业设计是我们学业生涯的最后一个环节，

44、不仅是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，更是对我们所学知识的一种检测与丰富，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对我们的学习能力、独立思考及工作能力也是一个培养。虽然以前每个学期都有相应的课程设计，像大三的减速器设计，大四上的甲醇制氢课设，但是毕业设计要求更严格，任务更多，时间也更长。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

45、我们设计毕业论文就是运用已有的专业基础知识，独立进行科学研究活动，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。毕业设计是对我们的知识和相关能力进行一次全面的考核，是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。我认为，毕业设计也是对在校大学生最后一次知识的全面检验，是对学生基本知识、基本理论和基本技能掌握与提高程度的一次总测试。毕业论文不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查学生运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。毕业设计还能培养我们的科学研究能力，使我们初步掌握进行科学研

46、究的基本程序和方法。我们大学生毕业后，不论从事何种工作，都必须具有一定的研究和写作能力，要学会收集和整理材料，能提出问题、分析问题和解决问题，并将其结果以文字的形式表达出来。我们当代大学生应该具有开拓精神，既有较扎实的基础知识和专业知识，又能发挥无限的创造力，不断解决实际工作中出现的新问题毕业论文的过程是训练我们独立地进行科学研究的过程。撰写毕业论文是学习怎么进行科学研究的一个极好的机会，有指导教师的指导与传授，可以减少摸索中的一些失误，少走弯路，而且直接参与和亲身体验了科学研究工作的全过程及其各环节，是一次系统的、全面的实践机会。撰写毕业论文的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、

47、更切实、更深入的专业知识的学习。毕业设计论文是结合科研课题，把学过总结的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。同时，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，学生在毕业论文写作过程中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的研究，会培养学习的志趣，这对于我们今后确定具体的专业方向，增强攀登某一领域科学高峰的信心大有裨益。所以毕业设计的研究对我们来说，意义非凡。在选定设计题目之后，通过对工作原理的了解，方案论证，参考一些计算设计公

48、式，结合老师给定的任务书，大致确定出旋流器内径，长度，参照重力分离器，加上了一个外筒体，并且在旋流器下部安装了3块与水平方向成10导流板，进行二次分离，提高了分离的效率。又根据旋流器和外筒体的直径，根据标准选取相应的封头，结合相应的公式算出封头的厚度，选定合适的封头。结合外筒体的高度，选取支架。加设人孔之后，估算出整个分离器工作时候的重量，选取了相应了支座。完成了分离器大体上的设计。 在开始进行设计之前，笔者查阅了一些管柱状液气分离器的相关的设计，此种分离器体积更小，分离效率高，成本低，安装灵活方便，工作连续可靠，操作维护方便。但日处理液量比较小，如果增大处理量，直径也会相应的增大，对分离效率

49、有一定的影响，笔者认为可以借鉴一些相关的设计经验应用到以后分离器的改进之中。 由于专业知识水平有限，也缺乏相应的实践，所以设计当中难免有不足之处，还有待在以后的工作实践当中不断地完善和创新。 旋流式液气分离器的设计参考文献1金向红,金有海,王建军,王正方.气液旋流分离技术的研究J.新技术新工艺.2007，第8期：85882倪玲英,尹兆娟,张新军,陆诗建,刘晓成.气-液旋流分离器流场数值模拟研究J.过滤与分离.2010，第20卷第2期：24253金向红,金有海,王建军,孙治谦,陈新华.气液旋流器的分离性能J.中国石油大学学报（自然科学版).2009，第33卷第5期：1241284蒋明虎.旋流分离

50、技术研究及其应用J.大庆石油学院学报.2010，第34卷第5期：1011085寇杰.柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景J.石油机械.2006，第34卷第4期：71736汪秀敏,金向红.气-液旋流分离器内气相时均流场的试验研究J.石油机械2009，第37卷第5期：9117曹学文,林宗虎,黄庆宣,寇杰,王胜利.新型管柱式旋流气液分离器的设计与应用J.油气田地面工程.2001，第20卷第6期8金向红，金有海，王振波, 王建军.筒体结构对轴流式气液旋流器分离性能的影响J.流体机械.2008，第36卷第01期：10139孙磊磊，袁惠新，马璨，杨振东.旋流式液-气分离器性能的研究 J.矿山机械.200

51、8，第36卷第23期：9710010王红玲,一种新型的气液旋流分离器设计J.机械设计与制造.2009，第8期：353811国家经济贸易委员会. JB/T4746-2002. 钢制压力容器用封头S.2002.8.2212中华人民共和国国家发展和改革委员会. HG/T21517-2005. 回转盖带颈平焊法兰人孔. S.2006.1.113国家经济贸易委员会. JB/T4736-2002. 补强圈钢制压力容器用封头.S.2003.03.0114褚良银. 旋转流分离理论M.石油工业出版社.200215徐继润.水力旋流器流场理论M. 科学出版社.199816孙启才.分离机械M. 化学工业出版社. 19

52、93参考文献17时钧等. 化学工程手册M. 第二版. 化学工业出版社. 199618王抚华. 化学工程实用专题设计手册M. 学苑出版社. 2002旋流式液气分离器的设计致谢 毕业设计已经接近了尾声，这也意味着我的大学生活就要结束了，回首走过的岁月，心中倍感充实和感激。在大学阶段，我在学习和思想上都受益匪浅，这除了自身的努力之外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。首先，我要特别感谢我的指导老师张琴老师。做设计的过程是艰辛的，但是在老师的指导和我的努力之下还是完成了。在这个过程中张老师给了我很大的的帮助，没有她的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先

53、做的就是向张老师寻求帮助，而张老师每次不管忙或闲，都会放下手中的事解答我提出的各种问题，然后一起引导我想出解决的办法。张老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，开题报告的撰写，方案设计，具体设计参数的选择，后期装配零件图的修改等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，张老师在学业上给我以精心指导，在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。其次，还要感谢这四年来教我知识的每位老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。最后，要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。附录一附录一Ansys 命令流程序如下：/FILN, OPTIMIZ

54、ATION/TITLE,OPTIMIZATION OF TANK1H1=800B1=125T2=8B2=B1+T2R1=500T1=8R2=R1+T1DENS=7.93E-6/PREP7ET,1,PLANE82KEYOPT,1,3,1MP,EX,1,195E3MP,NUXY,1,0.3K,1,B1,H1K,2,B2,H1K,3,B1,SQRT(R1*R1-B1*B1)K,4,B2,SQRT(R2*R2-B2*B2)K,5,R1,0K,6,R2,0K,7,0,0K,8,R1,-2000+H1K,9,R2,-2000+H1K,10,0,H1L,1,2L,1,3L,2,4L,5,8L,8,9旋流式液气分离器的设计L,6,9LARC,5,3,7,R1LARC,6,4,7,R2LFILLT,2,7,63,LFILLT,3,8,40,AL,ALLDL,5,SYMMSFL,2,PRES,1.2,SFL,4,PRES,1.2,SFL,7,PRES,1.2,SFL,9,PRES,1.2,SFL,1,PRES,-0.1,ESIZE,5AMESH,1FINISH!/SOLUSOLVEFINISH/POST1PLNSOL,S,EQVETABLE,EVOL,VOLUSSUM*GET,VTOT,SSUM,ITEM,E