变径式超音速气液分离器结构设计及实验和模拟研究

发布时间：2018-11-13 17:19

【摘要】：天然气的脱水处理是生产商品气的必备环节,其主要目的是防止后续处理和储运过程中出现水合物和液态水,以及防止酸性气体溶于游离水来腐蚀管路及设备。而超音速气液分离器是一种新型的气液分离设备,它具有具有低耗、安全高效和无污染等优点,对天然气矿场加工及集输具有重要意义。但目前国内理论研究尚不成熟,暂不具备商业使用价值。本文研究了超音速分离器的基本原理及其设计方法,利用Solidworks分别对拉瓦尔喷管、旋流管及旋流翼和扩压管等关键部件进行了三维设计。拉瓦尔喷管的收缩段采用五次曲线作为型线,喉部采用平角型直管的形式,渐扩段和扩压段设计为锥形,旋流翼采用基于飞机机翼的三角后掠翼。另外,由于在实验过程中研究喉部尺寸对超音速分离器分离效率的影响时,分离器喉部的安装过程繁琐且费时。所以本文设计了喉部变径可调结构。之后,根据变径式超音速分离器的型线结构及流场特点,对分离器的基本模型进行了模拟及分析。模拟结果表明:该装置具有低温制冷能力,可达到旋流分离的效果。同时在基本型结构的基础上,分别改变旋流翼位置、拉瓦尔喷管渐扩管锥角以及改变超音速分离器出口背压进行模拟计算并对比分析。得出如下结论:(1)旋流翼安装位置越靠近拉瓦尔喷管出口,旋流翼后超音速流动区域及低温、低压区域越长,气液分离效率越高。(2)拉瓦尔喷管渐扩管锥角影响分离器流场特性,过大或过小的锥角会使下游区域的流场特性变差,从而影响旋流管内气液的分离效率。特别是当锥角过大时,Laval喷管出口处容易产生较强的激波。(3)出口背压影响分离器内部流道内激波产生的位置,随着出口背压的增大,激波向超音速分离器的上游移动;且出口背压越小其整体流场特性较好,旋流管内气液分离效率越高。本文还对变径式超音速分离器的室内实验系统进行了研究,规划了安装调试的主要内容和方法;对测量仪表进行了选型。最后制定了较为详细的实验方案及流程。
[Abstract]:The dehydration of natural gas is an essential link in the production of commercial gas. Its main purpose is to prevent hydrate and liquid water from appearing in the course of subsequent treatment and storage and transportation, and to prevent acid gas from being dissolved in free water to corrode the pipeline and equipment. The supersonic gas-liquid separator is a new type of gas-liquid separation equipment, which has the advantages of low consumption, safety and efficiency and no pollution. It is of great significance to the processing and gathering of natural gas field. But at present the domestic theory research is not mature, not having the commercial use value for the time being. In this paper, the basic principle and design method of supersonic separator are studied. The three dimensional design of Laval nozzle, swirl tube, rotor wing and diffuser tube are carried out by using Solidworks. The contraction section of the Laval nozzle is shaped by a quintic curve, the throat is a straight pipe with a flat angle, the gradual expansion section and the expansion section are designed to be conical, and the rotor wing is a triangular swept wing based on the wing of an aircraft. In addition, when the influence of throat size on the separation efficiency of supersonic separator is studied in the experiment, the installation process of the throat of the separator is cumbersome and time-consuming. Therefore, the variable diameter adjustable structure of throat is designed in this paper. Then, according to the profile structure and flow field characteristics of the variable diameter supersonic separator, the basic model of the separator is simulated and analyzed. The simulation results show that the device has the capability of low temperature refrigeration and can achieve the effect of swirl separation. At the same time, on the basis of the basic structure, the rotor position, the tapered angle of the gradual expansion tube of the Laval nozzle and the back pressure of the supersonic separator outlet are simulated and analyzed respectively. The conclusions are as follows: (1) the closer the rotor is to the outlet of the Laval nozzle, the longer the region of supersonic flow and low temperature behind the rotor is, and the longer the low pressure region is. The higher the gas-liquid separation efficiency is, the (2) the conical angle of the gradual expansion tube of the Laval nozzle affects the flow field characteristics of the separator, and the too large or too small cone angle will make the flow field characteristic in the downstream region worse, thus affecting the separation efficiency of the gas and liquid in the swirl pipe. Especially when the cone angle is too large, strong shock waves are easily produced at the outlet of the Laval nozzle. (3) the exit back pressure affects the position of shock wave in the internal flow channel of the separator. With the increase of the outlet back pressure, the shock wave moves to the upstream of the supersonic separator; The smaller the outlet back pressure, the better the overall flow field characteristics and the higher the gas-liquid separation efficiency in the swirl tube. In this paper, the indoor experimental system of variable diameter supersonic separator is studied, the main contents and methods of installation and debugging are planned, and the measurement instruments are selected. Finally, a detailed experimental scheme and flow chart are worked out.
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE96

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本文编号：2329825