分离器在整个石油天然气行业中有着广泛的应用，其可将产液分离为石油、天然气和水（以及污染物）等组成部分。在海上设施中，整个流程的许多部分都使用了该设备。最前端的分离器，一般称为第一级，可用于将初始流分离为不同的天然气、石油和水流。这些流体随后单独进行加工处理。较差的分离性能会阻碍整个生产，比如在某些情况下，因为分离质量低，平台的产量只能达到设计容量的50%。
该行业一直广泛采用计算流体动力学(CFD)技术以及多种不同方法，来解决分离设备的性能问题。最常见的是隔离单相仿真，其将气相和液相单独进行分析。多相流体体积(VoF)仿真非常适合对固定在移动平台上的分离器中的液体晃动行为进行分析。这种晃动分析一般与用户定义的、能够调节重力并施加三种惯性力的函数结合使用，这三种惯性力包括：科氏力、欧拉力和离心力。在过去，流体从未进入或离开容器。
新型分离设备的体积更小，流速也超过现有设备的设计容量。因此，最终用户对于隔离单相方法以及用于晃动分析的VoF法的准确性提出了质疑。随着计算机能力的改进和 A N S Y S Fluent功能的发展，多相仿真的广泛使用现在已变成现实。软件改进已经减少了运行时间：多相和湍流模型能够更好地处理一次相和二次相。
多相方法克服了隔离单相法和VoF法的局限。它还能够详细地分析相间的相互作用，提供更加逼真的结果。Swift科技集团研究了两种采用多相方法的分离设备。该公司是一家以技术为发展动力的组织机构，为飞机、海洋、汽车、油气和可再生能源等行业提供完整的端到端的产品研发。
液滴分离是良好分离的基础。最常用的液滴分离设备是使用重力作为驱动力的垂直或水平容器。更紧凑的分离设备往往使用气旋分离器。通过采用标准的切向入口来旋转流体或使用更精细的涡旋单元，气旋分离器能产生多次重力加速，在更紧凑的空间内提供更高效率的分离。但是也必须研究许多其他考量因素。
在过去，气旋设备需要详尽的原型构建和试验工作，以确保最终产品没有包含许多负面效应，而这是一项耗时而且成本高昂的工作。在近期的一个旋风分离器研发项目中，Swift研究人员发现每个设计变更周期的时间大约是八周，成本约为4.5万英镑（约合7.3万美元），需要做七次变更。通过使用CFD，每项变更的建模工作都能在两个星期内完成，并且只需要进行一次实际测试，节省的总成本超过了30万英镑（约48.5万美元）。但是请注意，我们很难量化每个案例中具体的仿真效益。
设计用于从进料流中分离散装液体的垂直气旋容器的仿真。一次气相的迹线显示了液体浓度超过25%的位置。
固定在旋风分离器中的涡旋单元
在很多实例中，混合多相模型被用于分析气旋设备中的分离行为。该模型适用于稀释到中等密度的容积负荷、低到中等的微粒浓度以及Stokes数小于1的情况。该简化模型可用于水力旋流器，该设备的主要功能是在进行海洋废物处理之前从水中分离出最后的油滴。
全面的欧拉多相模型适用于最常见的分离设备（可用于去除体相和再次夹带的微滴）中存在的复杂流。用户无需限制所有的一次相和二次相，使用雷诺应力湍流模型就能改进气旋流的分析。分离器分析中经常被忽略的一个重要方面是：上游管道的影响。该系统对容器中液体的分布有显著的影响。这里提供的仿真实例包括水平和垂直重力驱动的分离器以及气旋分离器，其中考虑了上游管道的影响。
我们很难对已经安装的垂直气旋分离器的仿真结果进行准确验证。仿真已经显示准确地捕获了在实验室中和试点测试台上的流场和分离性能。[请参阅参考资料。] 凭借这些建模策略以及多年来开展的大量试验工作，研究人员已正确求解出流体的所有关键方面，并得出了主要的性能特征。因此，Swift正在根据仿真结果更换许多容器的内部组件。
水平三相分离器的主要功能是把进料流分为不同的天然气、石油和水流。正常情况下，气体为一次相，而两种液相为二次相。这些来自微滴的液相是气相中夹带的，它们会在通往分离器的管道壁面上形成一层薄膜。分离器中的第一个组件是入口设备，其主要功能是提供气相和液相的粗分离。气相会沿着容器顶部继续往上，而液体会滴落到分离器的底部。在容器底部，两种液相分离，水位于最底部，石油形成水和气相之间的中间层。
由入口管道、叶片式入口装置、大直径多孔挡板构成的水平三相分离器的内部多相仿真。较低层的流体是水，上面是油相，而进口装置位于容器的气相中。容器底部的粉色区域是水相中夹带的砂首先沉积的位置。
在大多数情况下，沿着水平容器的长度使用多孔挡板，以控制液相流并将它们均匀地分布在容器的可用横截面积上，从而最大限度地降低轴向速度和提高分离效果。由于流体状态变更的次数较多，这类仿真需要欧拉模型。
典型水平分离器的完整长度：蓝色层代表气相和油相之间的界面，而绿色层代表油和水之间的界面。垂直蓝色区域代表零件直径多孔挡板。沿容器长度的四条等值线显示了油相和水相中的速度分布。
在使用叶片式入口装置的垂直生产分离器实例中，天然气和液体是在通往分离器容器的管道起点送入的。管道路线会造成液体偏向容器的一侧，这样会导致不理想的分离，而且在某些情况下会通过容器的气体出口携带大量液体。
对使用叶片式入口装置的垂直生产分离器的分析显示，进口管道会让大量液体贴在容器的一侧，导致不理想的分离情况。
综上，Swift研究人员发现ANSYS Fluent软件能够以高度准确性，为行业中的众多分离器组合和排列情况进行建模。
注：本文来源于《ANSYS Advantage》杂志，版权归作者所有，旨在分享。
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