兩種擋液板內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與除液效率分析

陳 寧，王首寶，許慶合，常 佳

(1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000； 2.中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

利用擋液板去除蒸發(fā)過程中氣相夾帶的液滴，是提高氣相干度、防止夾帶污染的有效技術(shù)手段。擋液板在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，其除液性能是影響整個系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。衡量擋液板性能優(yōu)劣有2個重要指標(biāo)：除液效率和進(jìn)出口壓降。影響除液效率的因素主要有擋液板葉片結(jié)構(gòu)、板間距、液滴直徑和氣流速度[1-2]。

目前，已有很多學(xué)者對擋液板進(jìn)行相關(guān)研究，如脫硫系統(tǒng)中的除霧器[3-6]，其工作原理與擋液板相同。擋液板的工作原理是根據(jù)擋液板葉片彎道所產(chǎn)生的慣性力來實現(xiàn)氣體與液滴的分離，液滴在慣性力的作用下，不能及時隨氣體改變流向而被葉片壁面捕集。擋液板內(nèi)流場較為復(fù)雜，實驗只能對其性能進(jìn)行粗略測量，而且花費大、耗時長。采用計算流體力學(xué)方法對擋液板進(jìn)行大量的參數(shù)分析，相比傳統(tǒng)的實驗手段，該方法具有經(jīng)濟(jì)成本低、簡單高效、優(yōu)化周期短的優(yōu)點。

國內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者運用計算流體力學(xué)方法對除霧器進(jìn)行數(shù)值模擬研究[7-11]。洪文鵬等[9]采用Fluent軟件對脫硫系統(tǒng)中除霧器內(nèi)氣液兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到加裝鉤片后的除霧器在不同液滴直徑和風(fēng)速下的除霧效率，并對比分析了不同鉤片形式的除霧器性能，得出鉤片長度的增加有助于除霧效率的顯著提高。劉麗艷等[11]利用Fluent軟件對帶與不帶輔助捕集結(jié)構(gòu)的折線型除霧器內(nèi)氣相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比引入液滴輔助捕集結(jié)構(gòu)前后流場變化、改變捕集結(jié)構(gòu)高度尺寸，研究了流場分布規(guī)律和高度、氣速對壓降的影響。

本文利用Fluent軟件，對擋液板內(nèi)氣液兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，擋液板內(nèi)氣相流動采用層流模擬，對液相采用基于Euler-Lagrange方法的DPM(離散相)模型模擬，分析了氣流速度、液滴直徑、板間距等對除液效率和進(jìn)出口壓降的影響，比較了相同工況條件下2種板型的除液效率。

1 數(shù)值計算模型

1.1 擋液板流道幾何模型

氣液兩相流體在擋液板彎曲通道內(nèi)的流動是三維、非定常復(fù)雜流動，為了提高計算速度和精度，在誤差允許范圍內(nèi)對模型進(jìn)行簡化[9]：①忽略流道的空間延伸，簡化流場為兩葉片間的二維平面流動；②將氣體視為不可壓縮氣體，并且氣體流動各參數(shù)與時間無關(guān)，將流動視為定常流動；③將液滴看作直徑不變的球體處理，計算中不考慮液滴之間的碰撞、聚合等現(xiàn)象，并忽略蒸發(fā)、摩擦、撕裂及熱效應(yīng)的影響；④液滴碰到壁面后即認(rèn)為被捕集，到達(dá)擋液板出口時，即認(rèn)為液滴逃逸，不考慮二次夾帶作用的影響。

通過借鑒現(xiàn)有常用的擋液板結(jié)構(gòu)，對2種擋液板結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行建模。由于擋液板結(jié)構(gòu)具有空間重復(fù)性，因此建立模型時，選擇2個葉片間的流體流動區(qū)域為模擬對象，模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。其中，P為擋液板間距。

圖1 波紋折線形擋液板二維截面Fig.1 Two-dimensional cross-sectional view of corrugated baffle

圖2 加鉤狀結(jié)構(gòu)折線型擋液板二維截面Fig.2 Two-dimensional cross-sectional view of hooked structure baffle

1.2 數(shù)值計算方法與網(wǎng)格劃分

采用商業(yè)軟件Fluent對所建立的擋液板模型進(jìn)行模擬計算，用前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖3、圖4所示。

圖3 波紋折線型擋液板網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic diagram of corrugated baffle grid division

圖4 加鉤狀結(jié)構(gòu)折線型擋液板網(wǎng)格劃分示意Fig.4 Mesh generation of broken line baffle with hook structure

對于連續(xù)相(氣相)，由雷諾數(shù)可知流動為層流，因此選用層流模型，對于離散相(液滴相)運用拉格朗日法進(jìn)行粒子追蹤計算，計算出液滴顆粒的運動軌跡。

本文取溫度為23.5 ℃時水蒸氣和液滴的物性參數(shù)進(jìn)行計算，入口條件定義為速度入口，出口條件定義為壓力出口。氣相和液相的物性參數(shù)見表1。

表1 23.5 ℃飽和水和水蒸氣的物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of saturated water and steam at 23.5 ℃

2 結(jié)果及分析

2.1 液滴運動軌跡

板間距P為25 mm，氣流速度v為2.642 m/s，被追蹤液滴直徑分別為10、20、30 μm時，采用Fluent軟件對波紋折線型擋液板進(jìn)行模擬得出速度云圖與運動軌跡圖。擋液板速度云圖如圖5所示，擋液板內(nèi)10 μm液滴運動軌跡如圖6所示。

圖5 擋液板速度云圖Fig.5 Speed cloud of the baffle

圖6 擋液板內(nèi)10 μm液滴運動軌跡Fig.6 Trajectory of 10 μm droplets in the baffle

從圖6中液滴運動軌跡可以看出，當(dāng)一定速度的氣流夾雜著液滴從下方入口進(jìn)入擋液板通道時，由于氣流的慣性作用，液滴會與擋液板葉片碰撞而被捕集，當(dāng)捕集的液滴不斷聚集形成較大液滴且大于自身產(chǎn)生的重力時，液滴就從擋液板表面上分離出來。

2.2 各參數(shù)對除液效率的影響

2.2.1 流速度對除液效率的影響

對于波紋折線型和加裝鉤狀結(jié)構(gòu)折線型擋液板，當(dāng)板間距P=25 mm時，不同液滴直徑下，進(jìn)口氣流速度對于擋液板除液效率的影響如圖7所示，進(jìn)口氣流速度對進(jìn)出口壓差的影響如圖8所示。

圖7 氣流速度對除液效率的影響Fig.7 Effect of airflow speed on liquid removal efficiency

圖8 氣流速度對進(jìn)出口壓差的影響Fig.8 Effect of airflow velocity on pressure drop

從圖7中可以看到，隨著氣流速度的增加，2種擋液板的除液效率增加，這是由于隨著氣流速度的增加，氣流的慣性力增大，而液滴的密度比氣體的密度大很多，從而使液滴在慣性力的作用下被擋液板壁面捕集，增強了除液效果。并且隨著液滴直徑的增大，2種擋液板除液效率顯著提高。對于液滴直徑為10 μm時，波紋折線型擋液板的除液效果較差，并且氣流速度增加也對除液效率的提升有限，而對于加裝鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板，流速較小時，10 μm粒徑的液滴除液效率很低，但隨著流速增加，除液效率提升顯著。

從圖8中可以看到，2種擋液板的進(jìn)出口壓差隨著氣流速度的增加而提高。擋液板內(nèi)的壓力損失主要分為擋液板轉(zhuǎn)折處的局部阻力損失和通道沿程阻力損失。隨著氣流速度增加，擋液板的局部阻力和沿程阻力都將增大。

2.2.2 擋液板間距對除液效率的影響

當(dāng)氣流速度v為2.642 m/s時，板間距變化對于2種擋液板除液效率和進(jìn)出口壓差的影響如圖9和圖10所示。

圖9 板間距對除液效率的影響Fig.9 Influence of distance between baffle plates on the liquid removal efficiency

圖10 板間距對進(jìn)出口壓差的影響Fig.10 Influence of distance between baffle plates on pressure difference between inlet and outlet

從圖中可以看出，當(dāng)速度一定時，波紋折線型擋液板除液效率隨著擋液板間距增大而降低，氣流在擋液板內(nèi)部流道內(nèi)的進(jìn)出口壓差(即流動阻力)會隨之減小。這是由于板間距的增大使得擋液板內(nèi)的流通面積變大，液滴對氣流的跟隨性也更好，從而降低擋液板除液效率。同樣條件下，擋液板板間距越小，葉片數(shù)量會增大，增加材料成本，并且也會增加后期清洗維護(hù)難度。對于加裝鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板，隨著板間距增大，擋液板除液效率略有降低，這是由于擋液板間距增大，對于擋液板內(nèi)部流道的流體流動方向改變較小，從而造成對于擋液板除液效率的影響也較小。

2.2.3 2種擋液板除液性能比較

當(dāng)板間距P=25 mm時，液滴直徑為10 μm，氣流速度對2種擋液板除液效率與進(jìn)出口壓差影響如圖11和圖12所示。

圖11 兩種擋液板除液效率對比Fig.11 Comparison of liquid removal efficiency of two types of baffles

圖12 兩種擋液板進(jìn)出口壓差對比Fig.12 Comparison of inlet and outlet pressure difference between two types of baffles

從圖中可以看到，不同氣流速度條件下，加鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板的除液效率更高，但其進(jìn)出口壓差也更大，這是由于加鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板內(nèi)的流場更加復(fù)雜，流體流動方向改變更大，液滴更容易被葉片捕集，同時造成其葉片通道內(nèi)的局部阻力損失更大。

3 結(jié)論

本文通過計算流體力學(xué)方法對2種擋液板內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較分析了不同氣體流速、不同液滴直徑和不同板間距對擋液板除液效率和進(jìn)出口壓降的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明，擋液板的除液效率受氣流速度、板間距、液滴直徑、擋液板葉片結(jié)構(gòu)因素影響，隨著氣流速度和液滴直徑增大，除液效率增強；隨著板間距增大，波紋折線型除液效率降低，壓降降低，而對于加鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板除液效率變化較小，壓降降低。

因此，在選取擋液板時，需綜合考慮除液效率和進(jìn)出口壓降。當(dāng)系統(tǒng)對壓降要求嚴(yán)格時，尤其是在負(fù)壓狀態(tài)蒸發(fā)對壓降損失極其敏感的場合，應(yīng)選取波紋折線型擋液板；當(dāng)系統(tǒng)對除液效率要求嚴(yán)格時，可選取加鉤狀結(jié)構(gòu)擋液板。