油-水-氣三相旋流器分離驗證及氣-液腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄭小濤，龔 程，徐紅波，喻九陽，林 緯，徐 成

1.化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室(武漢工程大學(xué))，湖北 武漢 430205；2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510470

0 引 言

油-水-氣三相旋流分離與水力旋流分離器的原理相同，都是利用高速旋轉(zhuǎn)流體產(chǎn)生的離心力使存在密度差互不相容的兩相產(chǎn)生分離.油-水-氣三相旋流分離技術(shù)主要涉及到氣-液旋流分離技術(shù)和液-液旋流分離技術(shù).常用的氣-液旋流分離器主要有管柱式氣-液分離旋流器[1]、旋流板式氣-液分離旋流器[2]、軸流式氣-液分離旋流器[3]、內(nèi)錐式氣-液旋流分離器[4]以及螺旋片導(dǎo)流式氣-液分離旋流器[5].液-液旋流分離技術(shù)前人已經(jīng)有較深入的研究，筆者依據(jù)氣-液旋流分離理論和液-液旋流分離的理論，將兩種分離技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一種油-水-氣三相旋流分離器[6].采用CFD技術(shù)，能夠?qū)π滦陀退鞣蛛x器進(jìn)行分離驗證及優(yōu)化設(shè)計.

1 建立模型

圖1為油-水-氣三相旋流分離器的模型圖，其設(shè)計的基本原理在于油-水-氣三相混合液體由油-水-氣三相旋流分離器入口以一定的速度切向進(jìn)入氣-液分離腔，混合流體在旋流腔內(nèi)部做高速旋流運(yùn)動，旋流運(yùn)動所產(chǎn)生的離心力使比油和水密度小得多的氣體聚集在氣-液分離器腔內(nèi)部的錐體壁面處，由于徑向壓力的擠壓和錐角向上的推力，使得氣體向氣相出口溢出，完成氣-液分離過程.完成氣-液分離的油水混合物，由于氣-液分離腔的底部的截面積變小，仍保持較高的速度由螺旋導(dǎo)管進(jìn)入液-液旋流分離腔，其分離原理和文獻(xiàn)[7]研究的油-水分離原理相同.

圖1 油-水-氣三相旋流分離器模型圖

圖2為將油-水-氣三相旋流分離器氣-液分離腔與液-液分離腔的拆分圖，其中液-液旋流分離腔采用雙錐液-液旋流分離器，其初始計算尺寸如表1所示.

圖2 氣-液分離腔與液-液分離腔計算模型圖

符號尺寸符號尺寸Lg/mm230Lc/mm40Dg/mm60D/mm40Dgo/mm30α/(mm)20Li/mm10β/(mm)4DtiDs/mm10DiDu/mm5Di/mm7Lci/mm10

2 油-水-氣三相分離驗證

油-水-氣三相物理性質(zhì)如表2所示，為驗證三相旋流分離器分離的可行性，油相和氣相均采用適中粒徑50 μm.

表2 油-水-氣三相物理性質(zhì)

采用數(shù)值模擬方法，將模型導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)置相關(guān)邊界條件[8]和介質(zhì)物理性質(zhì)，驗證此油-水-氣三相旋流分離器氣-液分離的可行性.液-液分離腔的入口初始條件為氣-液分離腔出口條件，其速度和含油濃度與氣-液分離器出口相一致.

圖3 油-水-氣三相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖3為三相介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)分布云圖，由圖3可知水相進(jìn)入氣-液分離腔后沿著壁面向下聚集，氣-液分離腔中圓筒壁面附近和底部的水相濃度為90%以上，證明90%以上的水-油混合液經(jīng)底流口排除；油相的體積分?jǐn)?shù)分布云圖與水相一致，幾乎全部由液相底流口排除，油滴進(jìn)入液-液分離腔后，與水進(jìn)行油水兩相分離，分離過程與普通油水旋流分離器相一致.而氣相的分布與油相和水相相反，氣體進(jìn)入氣-液分離腔后向中心聚集，其中氣相溢流口濃度最高，并沿著錐角向上聚集.油-水-氣三相的體積分布說明了氣-液旋流腔中的氣液分離成功，其中油和水由底流口排除，而氣體由溢流口排除，實現(xiàn)了氣-液分離，同時也驗證了新型油-水-氣三相旋流分離器的可行性.

圖4為入口速度為10 m/s時的氣-液旋流分離的氣體遷移效率圖，也就是不同粒徑氣泡的分離效率.由圖4可知?dú)?液分離相對液-液分離來說更為簡單.當(dāng)氣泡粒徑為50 μm時，分離效率就能夠達(dá)到99%以上，當(dāng)氣泡粒徑小于40 μm時，分離效率開始下降，小于30 μm時急劇下降，當(dāng)氣泡粒徑小于10 μm時，分離效率幾乎為零.氣體的遷移效率不僅能夠反映出旋流分離器對氣體的分離能力，而且能夠?qū)?shù)值模擬研究和實驗研究氣泡粒徑的選擇有一定的指導(dǎo)意義.

圖4 氣體遷移效率分布圖

3 氣-液分離腔優(yōu)化設(shè)計

油-水-氣三相旋流分離器涉及氣-液分離和液-液分離兩個過程，而液-液旋流分離器眾多學(xué)者已經(jīng)對其進(jìn)行了充分的研究與優(yōu)化設(shè)計[7].本文將采用CFD技術(shù)對新型油-水-氣三相旋流分離器中的氣-液分離腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到提高分離性能的目的.

圖5為不同氣-液旋流腔長度下氣-液分離的遷移效率對比圖，由圖5可知，旋流腔長度對氣泡的分離效率有一定的影響，其中特別在粒徑區(qū)間為20～40 μm之間.在此區(qū)間，隨著旋流腔長度的增加，分離效率逐漸增大，當(dāng)Lg=203 mm時分離效率最高，這是由于隨著旋流腔長度的增加，氣泡停留時間增加，氣相在中心聚集的濃度增加，因此分離效率也提高；當(dāng)旋流腔長度進(jìn)一步增大時，分離效率降低，當(dāng)Lg=230 mm分離效率最低，這是由于旋流器長度的增加，切向速度減小，并且較長的旋流器會導(dǎo)致大量的循環(huán)渦流存在，影響氣泡的分離，降低分離效率.

圖5 不同氣-液旋流分離腔長度下遷移效率對比圖

圖6為不同氣-液旋流腔長度下的壓降對比圖，由圖6可知底流口壓力降隨著旋流腔長度增加而增加，這是由于當(dāng)旋流腔長度增大后，流體在氣-液旋流腔的停留時間增加，導(dǎo)致底流口排除的流體能量損失過多，壓力降增大，而溢流口的壓力降隨著氣-液旋流腔的長度增加而減小，并且減小的梯度與溢流口增加的梯度相接近.綜合分離效率和壓降分析，氣-液旋流腔長度Lg選擇為203 mm.

圖6 不同氣-液旋流分離腔長度下壓降對比圖

圖7為不同氣-液旋流分離腔直徑下的氣相遷移效率對比圖，由圖7可知,Dg對分離效率有一定的影響，其中Dg為60 mm時分離效率最高，并隨著分離腔直徑的增大而降低.在氣泡粒徑為25 μm至40 μm區(qū)間，分離腔直徑每增大10 mm，分離效率評價下降10%左右.因此直徑較小的氣-液旋流分離腔有助于小粒徑的氣泡分離.

圖7 不同氣-液旋流分離腔直徑下遷移效率對比圖

圖8為不同氣-液旋流分離器直徑下壓降對比圖，由圖8可知隨著分離腔直徑的增大，底流口和溢流口的壓力降都降低.由于當(dāng)旋流腔直徑增大后，流體切向速度減小，造成湍動能耗散率減小，從而導(dǎo)致分離效率降低和壓力降降低.綜合分析，將選擇氣-液旋流分離腔直徑Dg為60 mm.

圖8 不同氣-液旋流分離腔直徑下壓降對比圖

圖9為溢流口直徑和分流比關(guān)系，其中Fo為溢流口分流比.由圖9可知，分流比與溢流口直徑呈線性關(guān)系，最小分流比為16%，最大為25%.分流比的確定對入口含氣濃度和分離效率有著重要的影響.本文中初始條件入口含氣體積分?jǐn)?shù)為20%，因此選擇分流比為20%的溢流口直徑30 mm.

圖9 溢流口直徑與分流比關(guān)系

圖10為不同溢流口插入長度Lci下的遷移效率對比圖，由于Lci對分離效率的影響很小，在大尺度氣泡粒徑下分離效率影響不明顯，因此選擇粒徑為18～28 μm區(qū)間進(jìn)行分析.由對比圖可知，當(dāng)Lci為20 mm時分離效率最高，Lci為30 mm時分離效率最低.

圖10 不同溢流口插入長度下遷移效率對比圖

4 結(jié) 語

設(shè)計了新型的油-水-氣三相旋流分離器，并進(jìn)行了可行性驗證和優(yōu)化設(shè)計，得到以下結(jié)論：

a. 通過數(shù)值模擬計算方法，證明了油-水-氣三相旋流分離器分離的可行性，并且得到了其氣體的遷移效率.當(dāng)氣泡粒徑為50 μm時，分離效率就能夠達(dá)到99%以上，當(dāng)氣泡粒徑小于40 μm時，分離效率開始下降，并當(dāng)氣泡粒徑小于10 μm時，分離效率幾乎為零.

b. 對氣-液分離腔的相關(guān)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，得到其最佳氣液旋流腔長度為203 mm，最佳氣-液旋流分離腔直徑為60 mm，最佳溢流口插入長度為20 mm；并且得到了溢流口直徑與分流比之間的關(guān)系式 .

致 謝

本文研究工作得到了湖北省自然科學(xué)基金項目(2012FFB04707)、武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項目(CX2013080)和武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金項目資助，在此一并表示衷心感謝.

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