戰(zhàn)永平，羅明良，吳 軍，付春麗，馬宇奔

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 石油工程實驗教學(xué)中心，山東 青島 266580；2. 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266520）

油井生產(chǎn)中，沿井筒自下而上壓力逐漸降低，原油中溶解的天然氣不斷分離和膨脹，使井筒中的氣液混合物可能依次出現(xiàn)泡流、段塞流、環(huán)流、霧流等流型[1-2]。實驗室使用空氣、水分別替代天然氣、原油模擬氣液混合物壓降作用產(chǎn)生的不同流型，由于實驗流體與真實流體間的物理性質(zhì)（溶解度）差異，氣液混合器成為保障井筒流型的關(guān)鍵部件。而原有氣液混合器（見圖1）存在氣液混合面積小、氣泡分散效果差，氣泡聚并嚴(yán)重等問題，無法有效模擬泡流形態(tài)，嚴(yán)重制約著實驗效果。

氣液混合器是一種在有限空間內(nèi)，依靠某一結(jié)構(gòu)和作用方式，實現(xiàn)氣、液兩相混合，達(dá)到氣液兩相混合流作業(yè)需求的工具。目前常用的氣液混合器有渦輪式[3-5]、文丘里式[6-8]和塔式[9-11]等幾種類型，雖然這些混合器在應(yīng)用中均顯示出良好的氣液混合效果，但由于尺寸不匹配以及混合方式對井筒油氣流動的干擾，并不適用于井筒油氣兩相流模擬實驗教學(xué)裝置。因此，在裝置尺寸條件下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，研制一種新型氣液混合器，提升流型模擬效果，改善裝置性能，加強學(xué)生對流型特征和形成機理的理解，具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 原有氣液混合器

1 空氣與水的混合

混合是指不同物理和化學(xué)性質(zhì)的組分在未發(fā)生本質(zhì)變化情況下的細(xì)化和分布的過程，是一種趨向于混合物宏觀均勻性的操作[12-13]。常見的固-固、液-固、液-液混合機理可歸納為對流、剪切、擴散3種。對流是指各組分在外力作用下發(fā)生宏觀尺度的移動混合；剪切是指組分間相對運動形成滑移面發(fā)生的混合；擴散是指微觀相鄰組分位置改變或組分濃度驅(qū)使引起的局部混合[14-16]。

空氣和水的密度差異大，空氣氣泡在水的浮力作用下上升而分離出去，剪切、擴散對于降低空氣氣泡的上升分離作用不明顯。只有借助一定的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈的對流，減小空氣氣泡上升移動，增大橫向位置移動，使之重新發(fā)生有序的或者無規(guī)則的排列，才有可能實現(xiàn)空氣氣泡在水中的均化過程，即實現(xiàn)混合。對流過程中空氣氣泡越小，對流越充分，氣泡分布就越均勻，混合效果就越好。

2 氣液混合器對比

氣液混合器是氣液兩相流研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用范圍幾乎包含所有的工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們?nèi)粘５纳頪17]。本節(jié)對比分析各類混合器的結(jié)構(gòu)及混合方式，為新型氣液混合器設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2.1 渦輪式混合器

渦輪式混合器的工作原理是將氣體從進(jìn)氣口注入，渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流作用將氣體拉向液體，通過旋轉(zhuǎn)將拉入液體中的氣體攪動起來，打散氣泡進(jìn)而達(dá)到混合的目的，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 渦輪式混合器

2.2 文丘里式混合器

文丘里式混合器是一種常用的氣液混合設(shè)備，又可分為直流式和旋流式混合器，二者區(qū)別在于后者加裝了增強進(jìn)氣擾動的旋流器。

直流式混合器結(jié)構(gòu)如圖 3(a)所示，空氣通道被設(shè)計成縮放噴管形式，節(jié)流作用使喉管內(nèi)流速達(dá)到最大，形成壓力差，液體依靠壓力差的吸附作用被吸入實現(xiàn)混合。旋流式混合器結(jié)構(gòu)如圖 3(b)所示，由噴射器和旋流器組成，噴射器先霧化液體，旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流促進(jìn)油氣瞬間均勻混合。

圖3 文丘里式混合器

2.3 塔式混合器

塔式混合器根據(jù)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為填料塔和板式塔，是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。

填料塔結(jié)構(gòu)如圖 4(a)所示，將拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等實體填料或鞍形網(wǎng)、θ網(wǎng)環(huán)、壓延孔環(huán)等網(wǎng)體填料裝入帶有支撐板的填料層，液上氣下異向連續(xù)通過填料之間的孔隙，分散或切割液流和水流，實現(xiàn)氣液混合。

板式塔結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，將篩孔式、柵板式、波紋板式以及浮閥式等型式的塔板沿塔高按一定的間距設(shè)置若干層，液體自上而下逐板流動，氣體自下而上依次穿過各塔板液體層，氣液通過梯級式交互作用實現(xiàn)混合。

2.4 對比分析

由表1可見，渦輪式、文丘里式混合器都具有較好的氣液混合效果，但由于需要較大工作空間或高氣體流速，且存在較強流動干擾，不適用于井筒油氣兩相流實驗教學(xué)裝置；塔式混合器占用工作空間大，也不太適用，但其孔眼結(jié)構(gòu)和異向?qū)α鞯幕旌戏绞疆a(chǎn)生的流動干擾較弱。

圖4 塔式混合器

表1 氣液混合器對比

因此，以塔式混合器的結(jié)構(gòu)和混合方式為基礎(chǔ)，結(jié)合目前實驗裝置的尺寸，本文設(shè)計了一種新型氣液混合器，增強氣液混合效果，提升實驗裝置的性能。

3 同心管側(cè)向?qū)α魇綒庖夯旌掀髟O(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣液混合面積和氣泡分散度是影響氣液混合效果的兩個關(guān)鍵參數(shù)。氣液混合面積是指氣體與液體接觸面積，可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸計算；氣泡分散度是指氣泡在液體中分布狀態(tài)，可用氣泡比表面積來表示。假設(shè)氣泡連續(xù)、均勻，不考慮氣泡之間碰撞、聚并，則氣泡比表面積vα為

式中：A為氣泡總表面積，mm2；V為水的總體積，mm3。

氣液混合面積越大，氣泡分散度越高，氣液混合效果就越好。因此，在裝置尺寸不變條件下，從增大氣液接觸面積、提高氣泡比表面及降低氣體射流錐等方面入手，設(shè)計由四通和多孔噴管構(gòu)成的側(cè)向?qū)α魍墓芙Y(jié)構(gòu)。四通是一段壁厚為25 mm、內(nèi)徑為30 mm、長度為L1的圓管；多孔噴管是一段壁厚為3 mm、內(nèi)徑為 15 mm、長度為Lm的空心圓管，側(cè)面、頂面均布設(shè)孔眼，其中側(cè)面采用螺旋布設(shè)多組孔眼，如圖 5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3.2 多孔噴管參數(shù)設(shè)計

1）孔眼直徑d1、間距ΔL優(yōu)化。

楊輝等[18]指出雙噴嘴連續(xù)氣泡生成過程中存在Lc1、Lc2兩個臨界噴嘴間距。L≤Lc1，氣泡生成即聚并；Lc1＜L＜Lc2，氣泡上升后聚并；L≥Lc2，氣泡上升不聚并。而且噴嘴直徑增大，Lc1和Lc2也隨之增大，也就是說氣泡直徑越小，不聚并所要求的間距越小。王樂等[19]指出呈正三角分布的3個直徑6 mm氣泡在上下距離≤10 mm時易聚并，上下距離≥20 mm時不聚并。綜合上述研究結(jié)論，利用線性插值法可推斷孔眼直徑d1=1 mm，間距ΔL≥10 mm時，氣泡不聚并。因此，取孔眼直徑d1=1 mm，間距ΔL≥10 mm。

2）側(cè)面每組孔數(shù)優(yōu)化。

多孔噴管外半徑R=10.5 mm，內(nèi)半徑r=7.5 mm，圖6是每組孔眼分布截面。經(jīng)計算，每組均勻分布6個孔眼時，ΔL=10.5 mm，滿足ΔL≥10 mm。因此，側(cè)面每組孔數(shù)≤6。

圖6 每組孔眼分布截面

3）頂面孔數(shù)優(yōu)化。

多孔噴管頂面孔眼主要是用來降低多孔噴管側(cè)面孔眼中氣體壓力，以防產(chǎn)生氣體射流錐，同時也要注意氣泡聚并的問題。因此，孔眼間距也應(yīng)滿足ΔL≥10 mm。

如圖7所示，經(jīng)計算，當(dāng)頂面孔眼所在外接圓半徑r1=6 mm時，ΔL=10.4 mm，滿足ΔL≥10 mm。因此，頂面孔數(shù)≤3，本文取3。

圖7 頂面孔眼分布

4）側(cè)面孔眼分布長度Lm、組數(shù)n優(yōu)化。

根據(jù)圖 5所示結(jié)構(gòu)，同心管結(jié)構(gòu)下氣液混合面積為

由式（1）可計算氣泡最大比表面積為

式中：n為孔眼組數(shù)，且為每組孔眼數(shù)，a≤6；Lm≤L1。

由式（2）可知，氣液混合面積正比于Lm；由式（4）可知，氣泡最大比表面積正比于Lm、a、n。

取Lm=L1=88 mm，a=6。又有 ΔL≥10 mm，則因此，取n=8。

3.3 設(shè)計與優(yōu)化結(jié)果

多孔噴管壁厚3 mm、內(nèi)徑15 mm、長88 mm，孔眼直徑為1 mm，側(cè)向共分布8組孔眼，每組6個，每組孔眼按同一偏轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)8°，頂面均勻分布3個孔眼，與內(nèi)徑30 mm、長115 mm的四通組配而成同心管側(cè)向?qū)α魇交旌掀?，如圖8、9所示。

圖8 新型氣液混合器設(shè)計圖

圖9 新型氣液混合器實物圖

4 氣液兩相流型實驗

同心管側(cè)向?qū)α魇交旌掀鹘尤雰上嗔鲗嶒炑b置的井筒底部，以空氣、水為流體介質(zhì)，利用高速攝像機測試不同氣體流量下垂直井筒（內(nèi)徑30 mm）內(nèi)氣液兩相流流型，實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同氣體流量下的氣液兩相流型

圖10 中，當(dāng)氣體流量≤250 L/h時，氣體經(jīng)同心管側(cè)向?qū)α魇交旌掀鲀?nèi)多孔噴管側(cè)面小孔的分散作用，在垂直井筒中呈現(xiàn)出較高的分散度；由于多孔噴管幾何體積和過流截面積固定不變，隨著氣體流量增大，氣體分散成的氣泡的直徑逐漸變大，但氣泡直徑相比井筒直徑要小得多，未出現(xiàn)占據(jù)井筒斷面的大氣泡，且氣液兩相穩(wěn)定向上流動，屬于泡流形態(tài)。當(dāng)氣體流量達(dá)到300 L/h時，經(jīng)多孔噴管分散的氣體在垂直井筒中的分散度較低，不能清晰地觀察到氣泡間的界面，而是大量氣泡聚并在一起，出現(xiàn)占據(jù)井筒斷面的一團(tuán)大氣泡（見圖 10(e)紅色方框內(nèi)氣泡），形成一段水、一段氣的結(jié)構(gòu)，屬于段塞流。氣體流量繼續(xù)增大至800 L/h時，垂直井筒中的氣體不再是垂直向上流動，而是沿井筒中心波浪狀上升，出現(xiàn)小漩渦，屬于過渡流。

實驗結(jié)果表明，同心管側(cè)向?qū)α魇交旌掀骶哂休^大的氣液混合面積和氣泡最大比表面積，如表2所示，可保障井筒油氣兩相流模擬實驗教學(xué)裝置在 0～250 L/h的氣體流量范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的泡流流型，在300～800 L/h的氣體流量范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的段塞流流型，有效解決泡流難以模擬的問題，也不影響段塞流流型的模擬，切實提升了實驗裝置性能。實驗時，學(xué)生通過儀器操作更容易獲得穩(wěn)定的泡流、段塞流等流型，從而直觀地學(xué)習(xí)流型。

表2 影響混合效果參數(shù)對比

5 結(jié)語

本文設(shè)計開發(fā)了一種同心管側(cè)向?qū)α魇綒庖夯旌掀?，其結(jié)構(gòu)簡單、泡流模擬界限寬、穩(wěn)定性好、無氣體射流錐，不影響段塞流的模擬，方便學(xué)生操作和進(jìn)行流型學(xué)習(xí)。還提出了一種簡便的氣液混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)計算與優(yōu)化方法——氣泡最大比表面積法，實驗證明該方法是可行和可靠的，可推廣應(yīng)用。