同心管侧向对流式气液混合器设计与实验

战永平，罗明良，吴 军，付春丽，马宇奔

（1. 中国石油大学（华东） 石油工程实验教学中心，山东 青岛 266580；2. 中国石油集团海洋工程有限公司，山东 青岛 266520）

油井生产中，沿井筒自下而上压力逐渐降低，原油中溶解的天然气不断分离和膨胀，使井筒中的气液混合物可能依次出现泡流、段塞流、环流、雾流等流型[1-2]。实验室使用空气、水分别替代天然气、原油模拟气液混合物压降作用产生的不同流型，由于实验流体与真实流体间的物理性质（溶解度）差异，气液混合器成为保障井筒流型的关键部件。而原有气液混合器（见图1）存在气液混合面积小、气泡分散效果差，气泡聚并严重等问题，无法有效模拟泡流形态，严重制约着实验效果。

气液混合器是一种在有限空间内，依靠某一结构和作用方式，实现气、液两相混合，达到气液两相混合流作业需求的工具。目前常用的气液混合器有涡轮式[3-5]、文丘里式[6-8]和塔式[9-11]等几种类型，虽然这些混合器在应用中均显示出良好的气液混合效果，但由于尺寸不匹配以及混合方式对井筒油气流动的干扰，并不适用于井筒油气两相流模拟实验教学装置。因此，在装置尺寸条件下，通过结构设计与优化，研制一种新型气液混合器，提升流型模拟效果，改善装置性能，加强学生对流型特征和形成机理的理解，具有重要的现实意义。

图1 原有气液混合器

1 空气与水的混合

混合是指不同物理和化学性质的组分在未发生本质变化情况下的细化和分布的过程，是一种趋向于混合物宏观均匀性的操作[12-13]。常见的固-固、液-固、液-液混合机理可归纳为对流、剪切、扩散3种。对流是指各组分在外力作用下发生宏观尺度的移动混合；剪切是指组分间相对运动形成滑移面发生的混合；扩散是指微观相邻组分位置改变或组分浓度驱使引起的局部混合[14-16]。

空气和水的密度差异大，空气气泡在水的浮力作用下上升而分离出去，剪切、扩散对于降低空气气泡的上升分离作用不明显。只有借助一定的结构产生强烈的对流，减小空气气泡上升移动，增大横向位置移动，使之重新发生有序的或者无规则的排列，才有可能实现空气气泡在水中的均化过程，即实现混合。对流过程中空气气泡越小，对流越充分，气泡分布就越均匀，混合效果就越好。

2 气液混合器对比

气液混合器是气液两相流研究领域中的关键设备，其应用范围几乎包含所有的工业领域、农业生产及人们日常的生活[17]。本节对比分析各类混合器的结构及混合方式，为新型气液混合器设计奠定基础。

2.1 涡轮式混合器

涡轮式混合器的工作原理是将气体从进气口注入，涡轮旋转产生涡流作用将气体拉向液体，通过旋转将拉入液体中的气体搅动起来，打散气泡进而达到混合的目的，结构如图2所示。

图2 涡轮式混合器

2.2 文丘里式混合器

文丘里式混合器是一种常用的气液混合设备，又可分为直流式和旋流式混合器，二者区别在于后者加装了增强进气扰动的旋流器。

直流式混合器结构如图 3(a)所示，空气通道被设计成缩放喷管形式，节流作用使喉管内流速达到最大，形成压力差，液体依靠压力差的吸附作用被吸入实现混合。旋流式混合器结构如图 3(b)所示，由喷射器和旋流器组成，喷射器先雾化液体，旋流器产生旋转气流促进油气瞬间均匀混合。

图3 文丘里式混合器

2.3 塔式混合器

塔式混合器根据气液接触部件的结构型式，可分为填料塔和板式塔，是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。

填料塔结构如图 4(a)所示，将拉西环、鲍尔环、阶梯环等实体填料或鞍形网、θ网环、压延孔环等网体填料装入带有支撑板的填料层，液上气下异向连续通过填料之间的孔隙，分散或切割液流和水流，实现气液混合。

板式塔结构如图4(b)所示，将筛孔式、栅板式、波纹板式以及浮阀式等型式的塔板沿塔高按一定的间距设置若干层，液体自上而下逐板流动，气体自下而上依次穿过各塔板液体层，气液通过梯级式交互作用实现混合。

2.4 对比分析

由表1可见，涡轮式、文丘里式混合器都具有较好的气液混合效果，但由于需要较大工作空间或高气体流速，且存在较强流动干扰，不适用于井筒油气两相流实验教学装置；塔式混合器占用工作空间大，也不太适用，但其孔眼结构和异向对流的混合方式产生的流动干扰较弱。

图4 塔式混合器

表1 气液混合器对比

因此，以塔式混合器的结构和混合方式为基础，结合目前实验装置的尺寸，本文设计了一种新型气液混合器，增强气液混合效果，提升实验装置的性能。

3 同心管侧向对流式气液混合器设计

3.1 结构设计

气液混合面积和气泡分散度是影响气液混合效果的两个关键参数。气液混合面积是指气体与液体接触面积，可根据结构尺寸计算；气泡分散度是指气泡在液体中分布状态，可用气泡比表面积来表示。假设气泡连续、均匀，不考虑气泡之间碰撞、聚并，则气泡比表面积vα为

式中：A为气泡总表面积，mm2；V为水的总体积，mm3。

气液混合面积越大，气泡分散度越高，气液混合效果就越好。因此，在装置尺寸不变条件下，从增大气液接触面积、提高气泡比表面及降低气体射流锥等方面入手，设计由四通和多孔喷管构成的侧向对流同心管结构。四通是一段壁厚为25 mm、内径为30 mm、长度为L1的圆管；多孔喷管是一段壁厚为3 mm、内径为 15 mm、长度为Lm的空心圆管，侧面、顶面均布设孔眼，其中侧面采用螺旋布设多组孔眼，如图 5所示。

图5 结构设计示意图

3.2 多孔喷管参数设计

1）孔眼直径d1、间距ΔL优化。

杨辉等[18]指出双喷嘴连续气泡生成过程中存在Lc1、Lc2两个临界喷嘴间距。L≤Lc1，气泡生成即聚并；Lc1＜L＜Lc2，气泡上升后聚并；L≥Lc2，气泡上升不聚并。而且喷嘴直径增大，Lc1和Lc2也随之增大，也就是说气泡直径越小，不聚并所要求的间距越小。王乐等[19]指出呈正三角分布的3个直径6 mm气泡在上下距离≤10 mm时易聚并，上下距离≥20 mm时不聚并。综合上述研究结论，利用线性插值法可推断孔眼直径d1=1 mm，间距ΔL≥10 mm时，气泡不聚并。因此，取孔眼直径d1=1 mm，间距ΔL≥10 mm。

2）侧面每组孔数优化。

多孔喷管外半径R=10.5 mm，内半径r=7.5 mm，图6是每组孔眼分布截面。经计算，每组均匀分布6个孔眼时，ΔL=10.5 mm，满足ΔL≥10 mm。因此，侧面每组孔数≤6。

图6 每组孔眼分布截面

3）顶面孔数优化。

多孔喷管顶面孔眼主要是用来降低多孔喷管侧面孔眼中气体压力，以防产生气体射流锥，同时也要注意气泡聚并的问题。因此，孔眼间距也应满足ΔL≥10 mm。

如图7所示，经计算，当顶面孔眼所在外接圆半径r1=6 mm时，ΔL=10.4 mm，满足ΔL≥10 mm。因此，顶面孔数≤3，本文取3。

图7 顶面孔眼分布

4）侧面孔眼分布长度Lm、组数n优化。

根据图 5所示结构，同心管结构下气液混合面积为

由式（1）可计算气泡最大比表面积为

式中：n为孔眼组数，且为每组孔眼数，a≤6；Lm≤L1。

由式（2）可知，气液混合面积正比于Lm；由式（4）可知，气泡最大比表面积正比于Lm、a、n。

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

3.3 设计与优化结果

多孔喷管壁厚3 mm、内径15 mm、长88 mm，孔眼直径为1 mm，侧向共分布8组孔眼，每组6个，每组孔眼按同一偏转方向偏转8°，顶面均匀分布3个孔眼，与内径30 mm、长115 mm的四通组配而成同心管侧向对流式混合器，如图8、9所示。

图8 新型气液混合器设计图

图9 新型气液混合器实物图

4 气液两相流型实验

同心管侧向对流式混合器接入两相流实验装置的井筒底部，以空气、水为流体介质，利用高速摄像机测试不同气体流量下垂直井筒（内径30 mm）内气液两相流流型，实验结果如图10所示。

图10 不同气体流量下的气液两相流型

图10 中，当气体流量≤250 L/h时，气体经同心管侧向对流式混合器内多孔喷管侧面小孔的分散作用，在垂直井筒中呈现出较高的分散度；由于多孔喷管几何体积和过流截面积固定不变，随着气体流量增大，气体分散成的气泡的直径逐渐变大，但气泡直径相比井筒直径要小得多，未出现占据井筒断面的大气泡，且气液两相稳定向上流动，属于泡流形态。当气体流量达到300 L/h时，经多孔喷管分散的气体在垂直井筒中的分散度较低，不能清晰地观察到气泡间的界面，而是大量气泡聚并在一起，出现占据井筒断面的一团大气泡（见图 10(e)红色方框内气泡），形成一段水、一段气的结构，属于段塞流。气体流量继续增大至800 L/h时，垂直井筒中的气体不再是垂直向上流动，而是沿井筒中心波浪状上升，出现小漩涡，属于过渡流。

实验结果表明，同心管侧向对流式混合器具有较大的气液混合面积和气泡最大比表面积，如表2所示，可保障井筒油气两相流模拟实验教学装置在 0～250 L/h的气体流量范围内获得稳定的泡流流型，在300～800 L/h的气体流量范围内获得稳定的段塞流流型，有效解决泡流难以模拟的问题，也不影响段塞流流型的模拟，切实提升了实验装置性能。实验时，学生通过仪器操作更容易获得稳定的泡流、段塞流等流型，从而直观地学习流型。

表2 影响混合效果参数对比

5 结语

本文设计开发了一种同心管侧向对流式气液混合器，其结构简单、泡流模拟界限宽、稳定性好、无气体射流锥，不影响段塞流的模拟，方便学生操作和进行流型学习。还提出了一种简便的气液混合器结构参数计算与优化方法——气泡最大比表面积法，实验证明该方法是可行和可靠的，可推广应用。