旋流式液气分离器的设计【含6张CAD图纸、三维模型】
毕业设计开题报告题 目 名 称 旋流式液气分离器的设计 院 (系) 机械工程学院 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 开题报告日期 年 4 月 19 日 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: 1 题目来源生产实践。2 研究目的和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。3 阅读的主要参考文献及资料名称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.2008,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任相军,王振波,金有海.轴流式气液旋流分离器分离性能试验研究J.石油化工设备.2009,第38卷第3期:162012寇杰,宫敬,曹学文.圆柱式气液旋流分离器的性能评价J.中国石油大学学报(自然科学版).2008,第32卷第4期:9910213王振波,金有海.导叶式气液旋流分离器试验研究J.流体机械.2006,第34卷第3期:71014金向红,金有海,王振波,王建军.导叶角度对轴流式气液旋流器分离性能的影响J.石油机械.2008,第36卷第2期:1515张智勇,崔旭阳,刘文,周芳德.圆管气-液旋流分离器的数值模拟J.油气储运,2012,第31卷第6期:43544016E.S.Rosa F.A.Franc G.S.Ribeiro The cyclone gasliquid separator: operation and mechanistic modeling J.Petroleum Science and Engineering.32 (2001) 8710117Movafaghian S. Jaua-Marturet J A. Mohan R S The effects of geometry,fluid properties and pressure on the hydrodynamics of gas-liquid cylindrical cyclone separatorsJInternational Journal of Multiphase Flow 26 (2000) 999101818M.Creutz,D.Mewes A novel centrifugal gas-liquid separator for catching intermittent flowsJInternational Journal of Multiphase Flow 24 (1998) 1057107819Cristobal Cortes, Antonia Gil Modeling the gas and particle flow inside cyclone separatorsJProgress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 40945220Atakan Avci, Irfan Karagoz Effects of flow and geometrical parameters on the collection effciency in cyclone separatorsJAerosol Science 34 (2003) 9379554 国内外现状和发展趋势旋流分离器,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。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4.1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。4.2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,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。4.3研究的主攻方向本课题主要方向为,旋流式液-气分离器的设计。5 主要研究内容及研究思路5.1 主要研究内容:设计旋流式液-气分离器。主要包括:设计方案设计设备定尺计算(分离器直径、高度、性能、液面高度等)结构设计及强度计算(入口、主体结构、出口管设计分析)液气分离器分离性能预测壳体的有限元分析5.2 需重点研究的关键问题及解决思路:需重点研究的问题为,入口管的设计,由于管柱式旋流分离器主要以高旋流产生的离心力来实现气液的高效分离,而入口结构决定了分离器的气液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口结构和尺寸是影响管柱式旋流分离器实现气液分离的关键。管柱式旋流分离器的入口主要由入口管、喷嘴和入口槽3 部分组成。 在曹学文等新型管柱式旋流气液分离器的设计与应用提出用倾斜向下的入口管替代传统的垂直结构,指出入口管倾角以-27为宜。同时指出在入口喷嘴分析中,不同入口开槽结构(矩形、同心圆形及新月形) ,同心圆形喷嘴(缩口管)结构的分离特性最差,而矩形结构喷嘴的分离效果最佳,新月形结构喷嘴的分离效果与矩形喷嘴接近,由于矩形槽结构加工困难,推荐采用新月形结构。金向红等的气液旋流分离性能中,认为气液旋流分离过程是旋流场中液滴离心沉降和碰撞聚结、破碎的复合过程。加强液滴的聚结,降低液滴的破碎几率是增大分离效率的有效途径。液体的黏度对液滴的破碎有很大的影响,液滴黏度越大越不易破碎,其分离效率和临界流量都越大。气液旋流分离过程有一个临界流量,当流量低于这一值时,流场湍流度较低,液滴破碎几率较低,分离效率随流量的增加而上升。当流量高于这一值后,筒壁处的剧烈湍流导致大量聚结后的液滴破碎,分离效率急剧下降。在旋流器的实际应用中,应该找出其分离性能的临界点,使其处理量,物料的浓度与压力降等几个参数达到一个最好的集合点,才能发挥出旋流器最大的分离性能。可以通过查阅资料以及相关的经验公式,借鉴一些好的旋流器方面的应用,来解决相关的问题。6 完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决办法6.1 必须具备的工作条件6.1.1 资料旋转流分离理论水力旋流器流场理论分离机械化学工程手册压力容器与化工设备实用手册化工容器及设备简明设计手册化工容器及设备6.1.2 原始数据日处理液量:8600m 3/d日处理气量:860m 3/d工作压力:0.8MPa最大压力:1.2Mpa可分离气泡直径:0.8mm6.1.3 软件Ansys、Autocad6.2 解决的办法去图书馆借阅相关书籍,在网上查找相关资料。7 工作的主要阶段、进度与时间安排第六周 (4 月 1 日-4 月 7 日) 查阅资料第七周 (4 月 8 日-4 月 14 日) 撰写开题报告翻译外文第八周 (4 月 15 日-4 月 21 日) 修改开题报告第九周 (4 月 22 日-4 月 28 日) 设计方案设计 第十周 (4 月 29 日-5 月 5 日) 设备定尺计算第十一周 (5 月 6 日-5 月 12 日) 结构设计及强度计算第十二周 (5 月 20 日-5 月 26 日) 结构设计及强度计算 第十三周 (5 月 27 日-6 月 2 日) 壳体的有限元分析第十四周 (6 月 3 日-6 月 9 日) 绘制零件图装配图第十五周 (6 月 10 日-6 月 16 日) 撰写毕业论文及修改第十六周 (6 月 17 日-6 月 23 日) 审查及评阅8 指导教师审查意见 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: 院 (系): 专业班级: 指导教师: 辅导教师: 时 间: 目录第 0 页 (共 45 页)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旋流式液气分离器的设计第 1 页 (共 45 页)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 .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旋流式液气分离器的设计第 2 页( 共 45 页)旋流式液气分离器的设计学 生:指导老师:【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 设计绪论第 3 页 (共 45 页)The design of the Gas-liquid cyclone separatorStudent: Di Lei, Yangtze University, School of Mechanical EngineeringInstructor: 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 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, 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 drilling 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 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,manhole 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旋流式液气分离器的设计第 4 页( 共 45 页)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。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,液体被驱向筒壁绪论第 5 页 (共 45 页)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。 旋流式液气分离器的设计第 6 页( 共 45 页)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,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。方案论证第 7 页 (共 45 页)2.2 旋流式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。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 旋流器结构简图旋流式液气分离器的设计第 8 页( 共 45 页)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srGGLGdmrr 222t 18mdsr (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Gsr 速度。假设旋流为强迫漩涡,即 。则上式可写为:rsrGLt drdsr 2218(2)解得:c 为常数 rcedGLtdGG2182sr 2分离器的总体设计第 9 页 (共 45 页)(3)初始条件: 0,r0ts时 ,旋流式液气分离器的设计第 10 页( 共 45 页)r182G1802sr tdGLe设 为时间常数, ,式中第一项0,故2L retdG21802sr趋于终端沉降速度: 。sr 02sr2sr r, 时 ,故, 又 ttrtr若不考虑旋转式的能量损失,则 为 切 向 入 口 速 度0rtrrdrt 20220,解 得 :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2020mint(4)一般气泡从边壁到中心的平均移动速度 ,即 sm/1smr/1t0in(5)分离器的处理量为 Q,则分离器内液体占据的最小体积V20mininrtQV(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,mint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:mint2minmintg1l(7)即旋流器的最小长度为 。minl参数:旋流式液气分离器的设计第 11 页 (共 45 页)旋流式液气分离器的设计第 12 页( 共 45 页)0847.18/1805./4912/095./86Q204333dsmPakgmsdGLGL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1.r0,相应的, 。m20 mls6.0,3.tinmin3.2 分离器结构设计3.2.1 分离器总体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分离器的总体设计第 13 页 (共 45 页)行旋流式液气分离器的设计第 14 页( 共 45 页)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第 15 页 (共 45 页)3.2.2 脱气结构设计气液分离器的关键就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)mQD9.125.08146.395w3.2.4 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,所以采用垂直旋流式液气分离器的设计第 16 页( 共 45 页)于旋流式液气分离器的设计第 17 页 (共 45 页)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:D 1=126mm溢流管直径:D 2=100mm底流管直径:D 3=150mm旋流器直径:D=400mm其余尺寸如图 4 所示:图 4 旋流器尺寸旋流式液气分离器的设计第 18 页( 共 45 页)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第 19 页 (共 45 页)3.2.6 接口管设计1、 进口管 根据给定的日处理量(8600m 3/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 进口管旋流式液气分离器的设计第 20 页( 共 45 页)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06Cr19Ni10,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第 21 页 (共 45 页)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 法兰尺寸旋流式液气分离器的设计第 22 页( 共 45 页)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 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第 23 页 (共 45 页)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:t2pD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,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)t2pD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)t2pi)(解出上式中的 ,得到内压圆筒的计算壁厚:(11)p-ti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)Cp-2Dti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 06Cr19Ni10 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。旋流式液气分离器的设计第 24 页( 共 45 页)筒体壁厚计算:(13)21tiCp-2DDi=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:m1.632.08-5.320pD21ti(14)封头壁厚计算:321ti C0.5p-2D(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。m7. 23.015.6328.0p-D21ti(16)根据 JB/T4746-2002,椭圆形封头的直边部分不得存在纵向皱折。当封头公称直径 时,直边高度宜为 25mm;当封头公称直径 时,直20DN 20mDN主要零部件的设计及校核计算第 25 页 (共 45 页)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第 26 页( 共 45 页)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)21tiCp-2DDi=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)m63.5418.0.1240p-D21ti封头壁厚计算:(19)321ti C0.p-2D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,封头加工钢板的厚度减薄量取为 C3=2mm,其他参数同筒体。(20)m4.72418.05.1632.p-D21ti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第 27 页 (共 45 页)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/T21517-2005 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/T21517-2005RF 是人孔与法兰盖的密封形式,突面。
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