节能环保
多层复合T形管分离器分离液液两相流的研究
王珈浩 韩国鹏
中国核电工程有限公司，北京 100840
摘要：多层复合T形管分离器是待开发的最新型两相流分离器，兼具其他功能。以煤油和水为液液两相，在分层流和带混合界面的分层流流型下，实验研究了双层复合T形管内液液两相流的相分离和分离效果。结果表明，分层流时双层复合T形管分离器能按理想分离过程分离两相流，可以实现两相的完全分离。流型中混合程度增加对相分离不利，但总体而言，双层复合T形管分离器的分离效果依然好于简单T和单层复合T形管。在混合程度较高的流型时，水相占比也对双层复合T形管的相分离效果产生影响。
关键词：液液两相流；T形管；分离效率；流型；相分离 中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)26-0286-03
传统上液液两相流动体系往往利用重力和/或离心力原理加以分离，分离设备以大型的分离罐、沉降槽或旋流分离器为主，设备的体积相对庞大，投资也较高。生产设备的小型化和集约化是当今工业过程对工程技术发展的新要求。 T形管是近年来正在开发的一种新型的两相流分离器[1]
。简单T形管已经应用于化工过程中气液两相的初步分离[2]
。因其分离效率较低，大规模工业应用受到一定的。将几个T形管组合形成复合T[3-5]形管可以提高两相流的分离效率，甚至能完全分离两相流[6-7]
。这种复合T形管具有简单、集约、经济、高效、安全等特点，并且作为管流式的分离器，可以在线安装、更新和维护，也能耐受更高的压力。若与自动控制技术结合，可以很好地分离两相流[8]
。因此其工业应用的前景广阔。 开发出既具有相分离功能又兼具其他功能（如换热）的复合T形管分离器，可以使这种管流设备得到更大范围的工业应用。多层复合T形管分离器正是基于这一设想而开发的一种新设备。然而这种设备的许多性能还有待进一步研究发掘。
本文以煤油-水为液液两相介质，研究了主管水平放置、支管垂直向上时，双层复合T形管分离器对液液两相流的相分离情况，并用传统方法及分离效率[9]指标来评价双层复合T形管对分层流和带混合界面分层流的相分离结果。实验结果也与简单T形管及单层复合T形管进行比较，探讨不同因素对相分离的影响，优化操作条件，为T形管的工业化应用提供基础数据。 1 实验部分 在复合T形管内，液液两相流的入口相比、流型、混合物流速对相分离有着极大的影响，另外复合T形管的形状结构也会影响分离效率。这些影响因素都要用实验来考察。
1.1 实验流程及操作
图1 实验流程示意图
1-储水槽2-水泵3-储油槽 4-油泵5-液体玻璃转子流量计 6-混合器 7-T形管分离器 8-油水计量器 9-油水分离槽1 10-油水分离槽
图1为实验设备流程简图。煤油和水分别由油泵3和水泵4从储油槽1和储水槽2抽出后经校核的转子流量计计量流入混合器6，流量可通过管路上的阀门来调节。经混合的286 2015年26期
油水两相经过一段水平管道到达复合T形管分离器后分流，一部分流入油水计量器8后排入油水分离槽9，另一部分流向油水分离槽10。油和水在两个油水分离槽内静止分层分离后流入各自的储槽，循环使用。流体在T形管分离器两个出
口的分配比例由两个出口阀门调节。油水两相的两个出口流
量通过计量流入计量器8的体积和所需时间计算。 实验所用管道的内径在T形管周围及T形管内均为10mm。混合器到复合T形管分离器之间的距离为管径的250倍，以
便进入复合T形管前的流型充分发展。 1.2 T形管形状与结构 两相流相分离实验主要采用了双层复合形管形式，它为
特制的玻璃管，管道内径均为10 mm。所用双层复合T形管如图2所示，两个垂直连接管4中心线间的距离为25mm，入
口管和顶部或者底部汇集管间的距离为50mm。 图2 双层复合T形管示意图
1-入口 2，3-出口 4-连接管 5-密封口 1.3 流型的观察及实验点的选取
图4 Trallero流型图上的实验数据点
ST-分层流; ST＆MI-有混合界面的分层流; DO/W＆W-油滴分
散在水中; DW/O＆DO/W-双重分散; O/W-水包油; W/O-油包水
经过实验观察和测试，发现适用于低黏度油水两相流的Trallero 等[10]的液液两相流流型图与本实验的流型一致，因此继续沿用Trallero等的流型图。流型中混合程度越高，分离难度越大，故选择在分层流( ST) 和有混合界面的分层流( ST＆MI) 2 种流型范围内选取了实验点，并设计了水相体积分数（简称水相占比）分别为25%，50%和75%的三根水相占比线，即图4中的3根斜向线，以及混合物流速分别为0.24m/s( 图4中L7，L8，L9)和0.52 m/s( 图4中L4，L5，L6) 的相同混合物流速线，以考察液液两相流流过复合T形管分离器时水相占比、流型、混合物流速以及T形管构型对相分离行为的影响。
2 实验结果与讨论
针对所选取的条件点进行了大量的实验探索，以详细研究这种新型复合T形管的分离性能，寻找理想分离和完全分离的操作条件。
2.1 流型对相分离的影响
一般而言两相流的流型对流经T形管处的相分离会产生很大的影响。图5为双层复合T形管分离器在不同流型时液液两相流相分离的效果图。此时，水相占比均为50%，分层流（ST）的混合物流速为0.16m/s（L2），带混合界面的分层流(ST&MI)的混合物流速为0.52m/s（L5）。横坐标为油相采出分率，指从顶部出口管中采出的油相质量流量与主管入口中流入的油相质量流量的比值；纵坐标为水相采出分率，表示从顶部出口管中采出的水相质量流量与主管入口中流入的水相的质量流量的比值；对角线为两相均匀分布线，表示两相在两个出口中均匀分布，即油水两相在两个出口的含量与主管入口完全一样。
由图5中可以看出，当混合流速为0.16m/s（L2）时，入口流型为分层流，数据点均远离均匀分布线落在横纵坐标上，且过（1，0）点，说明此时油水两相能够完全分离；当混合流速增加到0.52m/s(L5)时，流型从分层流进入到有混合界面的分层流，数据点在（1，0）处逐渐远离该点并靠近均匀分布线，说明分离效率逐渐降低，不能够达到完全分离。
图5 不同流型对分离效率的影响
中国科技期刊数据库 工业C
图6 不同流型对油水两相的分离效率
图6为用分离效率表达的双层复合T形管分离器在不同
流型下液液两相流的分离效率图。其中横坐标为顶部出口管中采出的混合流体质量占入口总混合流体质量的质量分率，纵坐标为分离效率，两根斜向交叉的直线为两相依次从顶部出口管顺序采出时的理想分离线，顶点为最高分离效率，100%。图中我们可以更清晰地看出，当油水两相的混合物流速为0.16m/s，相分离的实验数据点均落在理想分离线上，油水两相进行的是完全理想分离，此时最大分离效率可达到100%；而当油水的混合物流速为0.52 m/s时，双层复合T的分离效率最大只有%。从结果我们可以看出分离效率受到流型变化的影响，分层流下分离效率要比高于有混合界面分层流下的。
在75% 和25%的水相占比下，我们同样进行了实验研究。实验发现，在这两个水相占比条件下，流型对相分离的影响趋势与50%水相占比下是一致的，也就是混合程度更低的分层流下的分离效率要高于混合程度较高的有混合界面分层流流型下的。实验条件下分层流时的最大分离效率均达到了100%。同样，用四层复合T形管分离器代替双层复合T形管分离器也得到了相似的实验结果。
2.2 混合物流速对相分离的影响
混合物流速的提高会影响两相的混合程度，进而改变流型。当混合物流速较小时，流型为分层流，此时多层复合T形管分离器都能对液液两相进行理想分离，所以在分层流流型下改变混合物流速，对这种分离器的分离效率没有影响。但当流型进入混合程度较高的带混合界面的分层流时，混合物流速对这种分离器的分离效率存在较大的影响。
带混合界面的分层流条件下，水相占比为50%，混合物流速分别为0.52 m/s（L5）和0.m/s（L11）。在采出质量分数接近入口油相质量分数处，即理想分离线顶点处，分离效率明显偏离理想分离。图7显示两者的最高分离效率分别为%和85%。表明在相同流型同一水相占比下，增大混合物流速对两相的相分离不利，混合物流速越小，分离效果越好。同时在其他两个水相占比条件下，趋势也相同。
2015年26期 287
节能环保
图7 有混合界面分层流下混合物流速对油水两相的分离效率
2.3水相占比对相分离的影响
除了流型，混合流速对相分离产生影响外，水相占比的变化对相分离同样有着复杂的影响。
图8 有混合界面的分层流下水相占比对油水两相的分离效率
图8是双层复合T形管分离器对入口流型为有混合界面的分层流时的相分离效率图。此时，混合流速为0.52 m/s，水相占比分别为25%（L4），50%（L5）及75%（L6)。由图可见，当水相占比分别为25%和50%时，实验数据点均偏离完全分离顶点，双层复合T对油水两相的最高分离效率分别为86%和%，说明双层复合T分离器对油水两相的分离效果较好，但不能实现完全分离。而当水相占比为75%时，实验数据点离完全分离顶点更远，最大分离效率仅有76%，两相的分离效果更差。这与Yang等[9]的结果不符。说明水相占比的影响很复杂，在50%的水相占比下为分离效率的一个顶点。
288 2015年26期
水相占比小于50%时，分离效率随着水相占比增大而增加，水相占比大于50%时，分离效率随着水相占比增大而减小。可能的原因是，随着水相占比的增加，在复合T形管的管节处出现了旋涡，导致这些管节处流体的返混，并使部分油相以液滴形式分散到水相中，参与返混，并从直形出口管流出，从而使此时的分离效果明显变差。
2.4 不同T形管形状对相分离的影响
分层流下，水相占比均为50%条件时，当油水两相的混合物流速为0.16m/s（L2）时，将所得的双层复合T形管分离器的分离效率数据与其他几种T形管比较。结果表明，当单层复合T形管的连接管数为3管以上时，液液两相流的相分离与双层复合T形管分离器一样，进行的是理想分离过程，最高分离效率可以达到100%。而简单T形管的最高分离效率为92%，说明复合T形管分离效率比简单T形管的分离效果好。
当流型为带有混合界面的分层流时，油水两相的水相占比为50%，混合物流速为0.52m/s（L5)。结果表明，简单T形管此时分离效率只有33%，而复单层合T形管3、5、7管及双层复合T形管分离效率分别为91%、95%、95%、%、95%。这说明复合T形管的分离效果明显优于简单T形管，但是复合T形管中连接管数的增加对提高分离效率的影响不显著。
当水相占比为75%，混合物流速为0.52m/s时，我们又可以看出，简单T形管此时的分离效率为46%，而单层复合T3、5、7管的分离效率分别为45.6%、45%、43%，与简单T形管相当，并没有提高分离效率。而双层复合T对液液两相的分离效率却可以达到76%，在较高混合流速，较高水相占比上大大提高了分离效率。
3 结论
以煤油和水作为液液两相工作介质，采用双层复合T形管作为两相流动的相分离设备，在分层流和带混合界面分层流流型下，实验研究了设备的相分离性能，得到如下结论：
（1）多层复合T形管入口处液液两相流的流型对复合T形管的分离效果存在显著的影响，流型中两相混合程度越低，越有利于两相分离。分层流时相分离完全按理想分离过程进行，最高分离效率可达到100%；带混合界面分层流时，相分离不能完全按理想分离过程进行，最高分离效率一般低于100%。
（2）与简单T和单层复合T相比，当两相处于混合程度较高流型时，多层复合T形管分离器的层数的增加有利于两相的分离。
（3）液液两相的水相体积分数对多层复合T形管分离器的相分离效果存在不同机理的影响。
参考文献
[1]牛晓峰, 方钊, 梁伟等. 基于充型过程金属液流动特点
的气一液两相流算法模型[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, (3):790-797.
[2]常亚, 黄志尧, 王保良等. 基于C~4D技术的气液两相流相含率测量新方法[J]. 工程热物理学报, 2014, (1). [3]高庆华, 李天太, 赵亚杰等. 井筒气液两相流流动特性模拟试验研究[J]. 长江大学学报自然科学版：石油/农学旬刊, 2014, (5):84-87.
