固氣旋風(fēng)分離器分離效率影響的數(shù)值分析

劉向陽 (中石化江漢油田管理局勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430073)

劉向陽 (中石化江漢油田管理局勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430073)

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(Fluent)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)流體的流動(dòng)，分析了流量、溢流管深度和入口形式對(duì)分離效果的影響。研究表明：①在一定流速范圍內(nèi)，當(dāng)流速降低對(duì)大顆粒(d≧100μm)分離效果沒有太大的影響，但分離速度降低，分離效率減少；對(duì)中等粒徑(20μm

旋風(fēng)分離器；Fluent；流量；雷諾應(yīng)力模型(RSM)；溢流管深度；入口形式

分離器是石油化工行業(yè)必不可少的一種設(shè)備，分離技術(shù)是伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展而不斷的進(jìn)步，在20世紀(jì)80年代前主要采取的重力分離和碰撞聚結(jié)分離[1]。20世紀(jì)90年代后，離心分離得到快速的發(fā)展。旋風(fēng)分離器就是利用離心分離原理的分離設(shè)備，其因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，如今越來越廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)[2-4]。由于液固分離中固體顆粒分離效果受到多種工況和參數(shù)的影響，高效分離效率很難達(dá)到[5-7]，為此筆者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(Fluent)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析流量、溢流管深度和入口形式對(duì)分離效果的影響。

1 計(jì)算模型和邊界條件

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)的湍動(dòng)度較大以及流動(dòng)的各向異性特征，因此筆者采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)流體的流動(dòng)。其控制方程包括連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程，對(duì)固體顆粒組分采用DPM(歐拉-拉格朗日離散相模型)進(jìn)行顆粒追蹤。在旋風(fēng)分離器性能校核過程中，物理邊界條件如表1所示，邊界類型如表2所示。

采用結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格對(duì)所建立的幾何模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過多次設(shè)定計(jì)算，確定模型最佳網(wǎng)格單元數(shù)為35萬個(gè)，即能保證計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，又能保證計(jì)算速度。旋流器模型和網(wǎng)格分布圖如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1旋風(fēng)分離器處理量對(duì)性能的影響

當(dāng)入口速度分別為4m/s和8m/s時(shí)，其他條件不變，對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部不同大小粒徑(10、30、50、60、80、100、120μm)的顆粒進(jìn)行分離研究，如圖2所示。由圖2可知，固體顆粒的懸浮液在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸浮于流體中的固體顆粒及流體受到離心力的作用。對(duì)于固體顆粒，當(dāng)離心力大于顆粒運(yùn)動(dòng)所承受的向內(nèi)徑向阻力時(shí)，固體顆粒將克服阻力作用而向水力旋流器邊壁移動(dòng)，與流體分離開，并在后續(xù)液流的推動(dòng)下沿器壁向下運(yùn)動(dòng)。顆粒粒徑小于50μm的顆粒由于受到離心力較小，主要聚集在軸線附近，未能達(dá)到器壁和底部，不能有效分離，而粒徑大于80μm的顆粒大部分沉降到旋流除砂器底部，或部分直接被甩向器壁，最后沉降到底部，得到有效分離。

圖1 旋流器模型和網(wǎng)格分布圖

表2 邊界類型

圖2 顆粒的分離效果圖

表3 顆粒捕獲率對(duì)比分析表

通過表3分析可得，當(dāng)流體入口速度減小時(shí)，由于除砂器入口速度降低，多相流中混合的大粒徑顆粒不能很好進(jìn)行的預(yù)分離(大部分顆粒不能直接被甩向壁面)，大顆粒(d≧100μm)分離效果沒有太大的影響，但分離速度降低，分離效率減少；對(duì)中等粒徑(20μm

2.2溢流管插入深度對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響

其他的參數(shù)條件不變，只改變溢流管的插入深度(65mm(與入口底邊平行)、100mm、130mm)，對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值分析，并跟蹤粒子分析其軌跡，如圖3所示。由圖3可知，隨著溢流管插入深度的增加，顆粒都逐漸遠(yuǎn)離分離器中心軸，大粒徑顆粒更加迅速的到達(dá)壁面和沉砂口，分離速度增加，小粒徑顆粒分離效果增強(qiáng)，故可得溢流管插入深度的增加有利于固氣分離效率。

表4 溢流管插入深度對(duì)壓力降的影響

通過數(shù)值分析(見表4)，可得溢流管插入深度對(duì)壓力降的影響。溢流管插入深度對(duì)壓力降變化的影響不是很大。因?yàn)橹桓淖儾迦肷疃龋皇歉淖兞朔蛛x空間的大小，對(duì)于各部分阻力的影響不大，所以不會(huì)造成太多能量的損失。

2.3入口型式對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響

旋風(fēng)分離器的入口形式對(duì)其分離性能、壓降等產(chǎn)生較大的影響，由于矩形入口比圓形入口更有助于進(jìn)料沿水力旋流器擴(kuò)展，一般采用矩形入口。矩形入口可分矩形切向入口和矩形蝸殼式入口。筆者對(duì)工業(yè)常用的2種不同形式矩形入口進(jìn)行數(shù)值分析，得到其粒子軌跡分布(見圖4)，其他條件相同，不管是采用矩形切向入口還是矩形蝸殼式入口，旋風(fēng)分離器對(duì)于大粒徑顆粒(100，150μm)均產(chǎn)生了較好的預(yù)分離效果。但是蝸殼式入口相對(duì)于矩形切向入口型式，增大了旋風(fēng)分離器的入口半徑。這個(gè)入口半徑的增加，使得進(jìn)流量的增加(生產(chǎn)能力的增大)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)旋渦旋速度的增加，分離粒徑減小，分離效率提高。

圖3 溢流管插入深度對(duì)分離性能的影響

圖4 不同入口型式下顆粒的分離性能

3 結(jié) 論

1)在一定流速范圍內(nèi)，當(dāng)流速降低對(duì)大顆粒(d≧100μm)分離效果沒有太大的影響，但分離速度降低，分離效率降低；對(duì)中等粒徑(20μm

2)在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著溢流管插入深度的增加，大粒徑顆粒分離速度增加，小粒徑顆粒分離效果增強(qiáng)，溢流管插入深度的增加有利于固氣分離，并且溢流管插入深度對(duì)壓力降的影響不大。

3)蝸殼式入口相對(duì)于矩形切向入口型式，增大了旋風(fēng)分離器的入口半徑，使得進(jìn)流量的增加(生產(chǎn)能力的增大)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)旋渦旋速度的增加，有效分離粒徑減小，分離效率提高。

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2012-10-24

劉向陽(1970-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事高效分離設(shè)備方面的研究工作。

TE931.1

A

1673-1409(2013)01-0068-03

[編輯] 洪云飛