海上凝析气田气井出砂现象广泛存在,严重威胁下游生产设备的正常运行。传统的分离设备很难被直接移植到狭小的平台。本文对传统段塞流捕集器进行结构改进,在入口设置旋流预分离,内部设置挡砂板,使得砂粒在捕集器内被分离。以旋流分离和沉淀池理论为指导,利用数值模拟方法研究旋流分离器分离机制,通过实验测试方法对捕集器的分离性能进行系统评价。主要内容和结论如下:旋流器内旋流场切向速度分为壁面区、准自由区和强制涡区。径向上最大切向速度分布在排气管径约2/3处。轴线方向上,最大切线方向速度呈“U”形分布,中间低两端高。轴向速度分为轴中心处上行流和外围下行流。随着轴向能量的衰减,上行流中心处出现缓慢流、滞止流等现象。零包络面的空间扭曲度和螺旋半径可以反映流场的稳定性和旋流强度。增大旋流器锥角高度、收缩距离和降低筒体高度,旋流器内切向流速增大,颗粒分离效率增大;零包络面径向收缩,螺旋化增强,呈现圆台状、圆柱状和柱锥状并在不同状态之间的转化,能量损失升高。极差分析法表明影响捕集器分离性能的因素强弱依次是颗粒粒径、捕集器液位高度和入口液流量。正交实验分析表明颗粒粒径影响最为显著,其他两项不显著。挡板设置在距离比L₁/L₀>0.55,高度比值H₁/D>0.37位置时,捕集器工作在高效区,分离效率达到约95%,临界粒径降低至约10μm。旋流器能够有效地分离气体携带的液滴和砂粒,压降系数增量仅为0.0415。气流量波动±20%范围内,捕集器分离稳定性良好。液流量波动±20%范围内,分离恶化,临界粒径增大至约40μm。只有在第一挡板偏离高效区时,第二挡板分离作用才会突显。段塞流捕集器内砂粒堆积成一定倾角的砂床。随着液位的升高,倾角逐渐增大。通过差分优化法分别建立捕集器内的积砂量和质量分离效率关于挡板参数的关系式。根据连续性方程,推导出清砂估算时间,为捕集器设备和其他类似结构的容器设备及时清砂提供指导。