image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2018

Эксплуатация и ремонт трубопроводов

01.03.2018 10:00 Об инерционном осаждении капель жидкости, впрыскиваемой в трубопровод центробежной форсункой
В статье рассмотрена проблема распыливания жидкости в трубопроводе малого диаметра. При работе центробежной форсунки, установленной в трубопроводе, возможно интенсивное осаждение на стенку трубы вылетающих из сопла капель вследствие действия инерционных сил, что может сделать процесс распыливания малоэффективным. В статье приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований, выполненных на двух стендах: низкого давления с трубопроводом DN 100 и высокого давления с камерой DN 75. Показано, что результаты расчетов инерционного осаждения по известным методикам довольно хорошо совпадают с экспериментальными данными при низком давлении, а при высоком давлении различия могут быть существенными. Испытания показали, что при низком давлении при всех исследованных форсунках (диаметр сопла от 0,4 до 0,8 мм) и режимах впрыска около половины или даже более половины всей распыливаемой жидкости осаждается на стенку в прифорсуночной зоне (на расстоянии до 0,25 м от форсунки). Интенсивность инерционного осаждения капель снижается при увеличении диаметра трубы, уменьшении диаметра сопла, увеличении перепада давления на форсунке и повышении давления газа в газопроводе. Применение форсунок с диаметром сопла 0,8 мм и более в трубопроводах малого диаметра представляется нецелесообразным. Сделан вывод, что во избежание инерционного осаждения капель впрыскиваемой жидкости следует предусмотреть в точке впрыска локальное увеличение диаметра газопровода до уровня не менее DN 150, а за счет геометрии распылителя форсунки и перепада давления на ней обеспечить высокое качество распыливания жидкости.
Ключевые слова: трубопровод, распыливание жидкости, центробежная форсунка, капли, осаждение.
Ссылка для цитирования: Ходырев А.И., Муленко В.В. Об инерционном осаждении капель жидкости, впрыскиваемой в трубопровод центробежной форсункой // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 3. С. 72–78.
Открыть PDF


При решении ряда технических проб- лем, например для предотвращения образования гидратов [1] или при реализации аэрозольного способа ингибиторной защиты газопроводов [2], рассматривается вопрос эффективности распыливания жидкости в трубопроводе малого диаметра. Обычно основной задачей распыливания жидкости является увеличение площади межфазной поверхности, которая растет с уменьшением размера образующихся капель. В большинстве случаев для распыливания жидкости применяют центробежные форсунки, гораздо реже – газожидкостные (пневматические). При этом следует учитывать, что при работе центробежной форсунки образуется так называемый факел распыла, размеры которого зависят от ряда параметров, характеризующих конструктивное устройство форсунки (диаметр сопла, диаметр и число входных тангенциальных каналов, плечо закручивания) и режим ее работы (перепад давления), а также от плотности и режима течения газа в трубопроводе. И так как производимые форсункой капли вылетают из сопла с высокой скоростью, возможно их интенсивное осаждение на стенку трубы вследствие действия инерционных сил. При борьбе с гидратами это может сделать процесс распыливания малоэффективным или даже практически бесполезным: после полного смачивания всей поверхности рабочего участка трубопровода площадь межфазной поверхности практически не будет зависеть от режима впрыска.

Данная проблема описана в работе [3], посвященной исследованию влияния распыливания метанола на эффективность предотвращения гидратообразования. Экспериментальные исследования проводились на стенде, содержащем трубу с внутренним диаметром 23 мм, в которую дозировочным насосом перпендикулярно газовому потоку на расстоянии 0,85 м до сепаратора подавался водометанольный раствор с относительным расходом около 4,5 л на 1000 м3 газа. Для выяснения влияния предварительного распыления метанольных растворов на эффективность перехода метанола в газовую фазу подача метанольных растворов проводилась как с помощью форсунки, т. е. с распыливанием, так и без нее (струйно). Из полученных экспериментальных данных следовало, что предварительное распыливание метанольного раствора хотя и приводит к некоторому повышению перехода метанола в газовую фазу, но этот эффект довольно мал. На основании этого авторами работы [3] был сделан вывод о нецелесообразности распыливания метанольных растворов, подаваемых в газовый турбулентный поток для предотвращения гидратообразования. Этот вывод был положен в основу многих проектов установок комплексной подготовки газа и в дальнейшем не проверялся.

На наш взгляд, это совершенно необос- нованный вывод, так как исследовать процесс формирования двухфазного потока необходимо с учетом соотношения размеров факела форсунки и диаметра трубы, в которой она установлена. И то, что справедливо для трубопроводов малого диаметра (DN 100 и менее), некорректно для трубопроводов большего диаметра.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ

Как известно, при истечении жидкости из сопла центробежной форсунки образуются капли разных размеров, движущиеся по инерции под некоторым углом к оси сопла, причем этот угол и начальная скорость движения первоначально одинаковы для всех капель. В дальнейшем в результате того, что сила аэродинамического сопротивления определяется площадью поперечного сечения частицы, а следовательно, интенсивность торможения о газовую среду капель разных размеров различна, происходит сепарация капель по размерам. Построить траектории движения капель некоторого размера можно по модели одиночной капли Д.Н. Вырубова [4], методика расчета центробежной форсунки по которой изложена в работе [5], при следующих допущениях:

• сила тяжести пренебрежимо мала по сравнению с силами инерции и аэродинамического сопротивления;

• турбулентность не оказывает влияния на движение капли;

• капля рассматривается как недеформируемый шар неизменного диаметра.

Пример результатов расчета по такой модели (положение форсунки – по потоку; скорость газа в трубе W = 1 м/с; угол вылета капли = 45°; начальная скорость капли V0 = 100 м/с, что соответствует перепаду давления на форсунке ΔР = 5 МПа) приведен на рис. 1.

Расчеты показывают, что удаление капель от оси сопла будет тем больше, чем выше их начальная скорость (определяемая перепадом давления на форсунке), больше размер капли и меньше плотность газовой среды. Но здесь следует иметь в виду, что в реальных условиях первые два фактора технологически взаимосвязаны: повышая перепад давления, мы увеличиваем начальную скорость, но уменьшаем размер производимых капель.

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПЫЛИТЕЛЯ ФОРСУНКИ И РЕЖИМА ВПРЫСКА НА ТРАЕКТОРИЮ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ

Влияние параметров распылителя форсунки и режима впрыска на интенсивность осаждения капель на стенку трубы при давлении, близком к атмосферному, исследовалось на стенде, схема которого показана на рис. 2. Горизонтальная труба с внутренним диаметром 94 мм, являющаяся частью всасывающего трубопровода поршневого компрессора 2М10-11/42-60, имеет узел для ввода форсунки 3 и специальные пленкосниматели 2, которыми труба разбита на пять контрольных участков 1 суммарной длиной 2 м. Расстояние между форсункой и пленкоснимателями, являющимися границей соответствующего контрольного участка, показано на рис. 2. Каждый пленкосниматель соединен с прозрачным мерным сосудом 4, в качестве которого использовался корпус ротаметра. При измерении объема капель, осевших на каждом контрольном участке, верхние вентили 5 были закрыты, а нижние вентили 6 – открыты. При отключении мерного сосуда от пленкоснимателя путем перекрытия верхнего вентиля жидкость с поверхности этого контрольного участка может перетекать на следующий участок и улавливаться соответствующим пленкоснимателем. При работе компрессора в трубопроводе организовывался поток со скоростью 13 м/с. Измерение расхода воздуха по трубе производилось с помощью диафрагмы 7 и водяного дифманометра 8.

В эксперименте применялись разработанные авторами экспериментальные центробежные форсунки тангенциального типа, имеющие один распылитель с диаметром сопла 0,4; 0,5; 0,6 и 0,8 мм.

Основные результаты по определению доли впрыскиваемой жидкости, осаждающейся на поверхность трубопровода при работе форсунки, приведены на рис. 3, 4. Испытания показали, что при всех исследованных форсунках и режимах впрыска около половины и даже более половины всей распыливаемой жидкости осаждается на стенку на расстоянии до 0,25 м от форсунки. Далее интенсивность образования пленки резко снижается.

Сравнение экспериментальных и расчетных кривых доли впрыскиваемой жидкости, выпавшей в пленку в прифорсуночной зоне (на расстоянии до 0,25 м) показывает (рис. 3), что расчет траекторий движения капель по модели движения одиночных капель дает несколько завышенное инерционное осаждение при низком давлении газа в газопроводе, но различие составляет не более 8 %. Продолжающийся постепенный прирост доли выпадающей в пленку жидкости на участке после прифорсуночной зоны свидетельствует о том, что осаждение капель на большем удалении происходит уже не по инерционному, а по гравитационному и турбулентно-миграционному механизмам [6].

Как и ожидалось, при увеличении диаметра сопла в пленку переходит бльшая доля впрыскиваемой воды при одном и том же перепаде давления (рис. 4). Происходит это потому, что при большем диаметре сопла размер производимых капель больше, тормозятся о газовую среду они медленнее, следовательно, дальше улетают от оси трубопровода и быстрее достигают стенки трубы. По этой причине применение форсунки с диаметром сопла 0,8 мм и более в трубопроводах малого диаметра представляется нецелесообразным.

При увеличении перепада давления на центробежной форсунке доля впрыскиваемой жидкости, осевшей на стенку, уменьшается (рис. 4). Таким образом, хотя начальная скорость капель выше при большем перепаде давления, происходящее при этом уменьшение размеров капель в факеле оказывает большее влияние на процесс осаждения. В связи с этим при увеличении перепада давления на центробежной форсунке объем жидкости, находящейся в капельном состоянии в каждом сечении трубопровода, увеличивается не пропорционально квадратному корню из перепада давления, как это следует из известного уравнения расхода, а в несколько большей степени.

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА НА РАЗМЕРЫ ФАКЕЛа ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ

Данное исследование производили на основании эксперимента на стенде, схема которого показана на рис. 5. Стенд содержит распылительную камеру 1, изготовленную из трубы с внутренним диаметром 75 мм длиной 0,6 м. В днище камеры ввернута центробежная форсунка 2, распылитель которой расположен на оси камеры. В нижнюю часть камеры из баллона через редуктор 3 подается сжатый воздух, который выходит через отверстие в верхнем днище. Скорость и давление создаваемого потока воздуха регулируются с помощью редуктора 3 и вентилей 4 и 5. После выхода из распылительной камеры воздух проходит участок измерения расхода 6 с диафрагмой 7 и стравливается в атмосферу. Жидкость на форсунку подавалась через фильтр 14 из нижней части сосуда 11, давление в котором создавалось баллоном со сжатым воздухом и регулировалось редуктором 12. Стенд позволяет создавать перепад давления на форсунке до 8 МПа.

Во время работы форсунки наиболее крупные капли достигают поверхности распылительной камеры и осаждаются на ней. Эта часть впрыскиваемой жидкости стекает по поверхности камеры и собирается в нижней ее части, а другая часть в виде аэрозольных капель (испарением можно пренебречь) выходит с воздухом через отверстие в верхней части камеры. Собранная жидкость из нижней части камеры периодически сливается в мерную емкость.

При исследованиях была применена центробежная форсунка тонкого распыла с одним распылителем, имеющим сопло диаметром 0,4 мм, два входных тангенциальных канала диаметром 0,3 мм и плечо закручивания 0,95 мм. Результаты измерений приведены в таблице.

Как видно из представленных данных, с увеличением перепада давления на форсунке в три раза (с 2,0 до 6,0 МПа) доля жидкости, осевшей на поверхности распыливающей камеры, благодаря уменьшению размеров образующихся капель уменьшается с 87,5 до 56,3 %. При этом доля жидкости, находящейся трубе в распыленном состоянии, возрастает в 3,5 раза (с 12,5 до 43,7 %).

Увеличение давления газа в распыливающей камере с 0,1 до 4,0 МПа (т. е. в 40 раз) при довольно высоком качестве распыла (при перепаде давления на форсунке 4,0 МПа) приводит к уменьшению доли осевшей жидкости примерно в два раза, при этом доля впрыскиваемой жидкости, уносимой из прифорсуночной зоны в виде аэрозольных частиц, увеличивается в 2,7 раза.

Следует отметить, что расчеты по модели инерционного осаждения одиночной капли показывают гораздо более существенное влияние давления газа на выпадение капель в пленку. Так, например, при давлении воздуха 4 МПа и перепа- де давления на форсунке 4 МПа расчетный диаметр факела не превышает 60 мм, т. е. по расчету осаждения в трубе диаметром 75 мм на этом режиме не происходит.

Сравнение результатов, полученных на режиме 2 (перепад давления 4 МПа), с данными, полученными на стенде низкого давления при схожем режиме (рис. 4, кривая 2, перепад давления 3,5 МПа), позволяет сделать вывод, что уменьшение диаметра трубы с 94 до 75 мм, т. е. на 25 %, приводит к повышению интенсивности осаждения в прифорсуночной зоне более чем на 50 %.

 

ВЫВОДЫ

Экспериментальные исследования показали, что инерционное осаждение капель в прифорсуночной зоне трубопроводов малого диаметра (DN 100 и менее) протекает весьма интенсивно.

Уменьшить интенсивность инерционного осаждения капель можно за счет увеличения диаметра трубы, уменьшения диаметра сопла, увеличения перепада давления на форсунке и повышения давления газа в газопроводе. Применение форсунок с диаметром сопла 0,8 мм и более в трубопроводах малого диаметра нецелесообразно.

Однако даже при работе форсунки тонкого распыла (с соплом диаметром 0,4 мм) в трубопроводе малого диаметра на стенку может выпадать более половины всей впрыскиваемой жидкости. Во избежание инерционного осаждения капель следует предусмотреть в точке впрыска локальное увеличение диаметра газопровода до уровня не менее DN 150, а за счет геометрии распылителя форсунки и перепада давления на ней обеспечить высокое качество распыливания жидкости.


Параметры режимов и результаты испытаний на стенде высокого давления

Mode parameters and test results at a high-pressure bench

Параметр 

Parameter

Номер режима 

Mode number

1

2

3

4

Давление газа, МПа 

Gas pressure, MPa

0,1

0,1

0,1

4,0

Давление жидкости, МПа 

Liquid pressure, MPa

2,1

4,1

6,1

8,0

Перепад давления на форсунке, МПа 

Injection-pressure drop, MPa

2,0

4,0

6,0

4,0

Расход впрыскиваемой жидкости, мл/мин 

Injected liquid consumption, ml/min

120

146

240

150

Объем жидкости, осевшей на поверхности, мл/мин 

Volume of liquid dropped on the surface, ml/min

105

112

135

56

Доля впрыснутой жидкости, выпавшей в пленку, % 

Proportion of injected liquid dropped into the fluid film,%

87,5

76,7

56,3

37,3

Доля жидкости в виде аэрозольных капель, % 

Proportion of liquid in the form of aerosol droplets, %

12,5

23,3

43,7

62,7

 




← Назад к списку


im - научные статьи.