浮子閥型氣液分離器的設(shè)計(jì)與研究

張 碩，張安妮

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西 西安710302）

1 浮子閥型氣液分離器的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由分離器外殼、浮子及其他零部件組成。浮子閥由筒體、閥芯、閥座組成，筒體頂部有氣體加速口，下面排布有液體進(jìn)口；閥芯由浮子筒、上下錐閥體、上下柔性導(dǎo)向桿、浮力調(diào)節(jié)子組成，上下錐閥體連接于浮子筒兩側(cè)，柔性導(dǎo)向桿采用萬向節(jié)連接于錐閥體上，保證浮子筒可垂直運(yùn)動(dòng)；浮力調(diào)節(jié)子螺紋連接于浮子筒上，實(shí)現(xiàn)浮子閥的浮力可調(diào)；法蘭將上、下閥座分別連接到筒體上下兩端，閥座是與錐閥體相匹配的錐形孔[1-2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，浮子閥結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 浮子閥型氣液分離器結(jié)構(gòu)圖

圖2 浮子閥結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

氣液兩相流體在上部進(jìn)入氣液分離器后，對(duì)其進(jìn)行初步分離，在氣液分離器上部通過重力沉降后，進(jìn)入浮子閥進(jìn)行再次分離，分離器內(nèi)的浮子閥懸浮在浮子筒內(nèi)。分離后，氣體上升穿過氣體加速口進(jìn)入筒體，經(jīng)過捕霧器時(shí)，除去伴隨的小液滴，最后從出氣口出去。液體在下面經(jīng)進(jìn)液口再次回到筒體內(nèi)，再?gòu)某鲆嚎诹鞒?。隨著液體量不斷減少，浮子筒被不斷向下運(yùn)動(dòng)，通過柔性導(dǎo)向桿的作用，將下錐閥體壓向下閥座的第二錐孔，當(dāng)氣體接近出液口時(shí)，出液口關(guān)閉，阻止氣體從出液口流出。反之，隨著液體量增多，液體界面上升，浮子筒上升，通過柔性導(dǎo)向桿的作用，將上錐閥體壓向上閥座的第一錐孔，液體接近出氣口時(shí)，出氣口關(guān)閉，阻止液體從出氣口流出，從而成功解決了出液口出氣與出氣口出液的問題。

2 浮子閥型氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是浮子閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。浮子閥由筒體、閥芯、閥座組成，通過法蘭與外部管路連接[3]。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：筒體內(nèi)徑d1、長(zhǎng)度L1，浮子筒內(nèi)徑d2、長(zhǎng)度L2，錐閥體錐度φ，柔性導(dǎo)向桿直徑 d3、長(zhǎng)度 L3，浮力調(diào)節(jié)子直徑 d4、厚度 r。

利用伯努利方程對(duì)浮子閥內(nèi)部混合流體的湍流流動(dòng)問題進(jìn)行分析。

混合流體從進(jìn)口流入，流動(dòng)過程中浮子閥內(nèi)的閥芯受到重力與浮力的作用，使得出氣口和出液口的開啟度隨氣液比的不同而發(fā)生變化。浮子的重力和浮力相等時(shí)，得到以下計(jì)算公式：

式中，ρ1為有機(jī)玻璃的密度值，1.18g·cm-3；V1為柔性導(dǎo)向桿總體積；ρ2為尼龍66的密度值，1.15g·cm-3；V2為錐閥體總體積；V3為浮子筒的體積；ρ3為聚甲醛POM塑料的密度值，1.42g·cm-3；V4為浮力調(diào)節(jié)子的總體積；ρ0為液體的密度值，1g·cm-3；V0為力平衡時(shí)液體漫過浮子筒的總體積。

由式(2)計(jì)算得到V0后，再計(jì)算筒內(nèi)的液體到達(dá)浮子筒的高度，得到h=115.7mm，轉(zhuǎn)換后，可得下方應(yīng)有16個(gè)浮力調(diào)節(jié)子。

3 浮子閥型氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)分析

采用FLUENT軟件，對(duì)該新型氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。將劃分好的網(wǎng)格儲(chǔ)存為MASH格式文件，然后導(dǎo)入到FLUENT軟件，由于浮子閥內(nèi)為兩相流模型，選擇歐拉模型和k-ε兩方程模型，依次查看液相速度、氣相速度和體積分?jǐn)?shù)等的分布情況[4-5]。

在模擬過程中，進(jìn)出口的邊界條件依據(jù)實(shí)際工況條件得出的參數(shù)確定。該分離器的進(jìn)口設(shè)定為速度入口邊界，出口設(shè)定為壓力出口邊界，分別表示為Velocity-inlet和 Pressure-outlet。

在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，將殘差數(shù)量級(jí)定為萬分之一，迭代的次數(shù)設(shè)置為2000次。觀察殘差曲線的整體趨勢(shì)將要達(dá)到水平時(shí)，則計(jì)算接近收斂，流場(chǎng)的計(jì)算也就相對(duì)穩(wěn)定，流場(chǎng)內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)基本不會(huì)發(fā)生變化，就可以停止仿真計(jì)算。下面對(duì)該新型氣液分離器中的浮子閥部分進(jìn)行模擬分析，得到內(nèi)部閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中，浮子閥內(nèi)氣液兩相的體積和壓力的分布情況，以及內(nèi)部速度場(chǎng)的變化情況。

3.1 含氣量占80%的兩相流體的流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

當(dāng)浮子閥在出液口上方20mm時(shí)，由計(jì)算可知，此時(shí)兩相流體中氣體的含量占80%。圖3和圖4是浮子閥在出液口上方20mm時(shí)，兩相液體的體積分布情況；圖5~圖7分別是浮子閥在出液口上方20mm時(shí)，z=0時(shí)截面兩相液體的壓力和體積分布情況；圖8和圖9是浮子閥在出液口上方20mm時(shí)，出氣口位置處的氣液兩相的體積分布情況；圖10和圖11是浮子閥在出液口上方20mm時(shí)，出液口位置處氣液兩相的體積分布情況。

圖3 氣相體積分布云圖

圖4 水相體積分布云圖

圖5 水相體積分布云圖

圖7 混合流體壓力分布圖

圖8 出氣口氣體體積

圖9 出氣口液體體積

圖10 出液口液體體積

圖11 出液口氣體體積

觀察圖3~圖6可知，當(dāng)兩相流體中的氣體含量占80%時(shí)，浮子閥在出液口上方20mm位置處，氣液兩相有十分明顯的分層現(xiàn)象，氣體在上層分布，液體分布在下面。

圖6 氣相體積分布云圖

由圖7可以觀察到，在出氣口和出液口兩個(gè)位置處，混合流體所受到的壓力較大。由此，將對(duì)出氣口與出液口位置處的體積云圖作進(jìn)一步分析。

由圖8、圖9可以看出在出氣口位置處，氣液兩相流體的體積分布情況。貼近出氣口內(nèi)壁位置氣相所占最多，約為0.8~1，在中心位置的氣相所占分?jǐn)?shù)最低，約為0.7~0.75。在出氣口位置液相的分布情況剛好與氣相相反。

由圖10、圖11可以看出在出液口位置處氣液兩相的體積分布情況。水相在出液口底部所占比例最高，約為0.89~1，在出液口位置氣相的分布情況，剛好與液相相反，約占0~0.11。

從圖3~圖11可知，進(jìn)入浮子筒的氣液兩相流體，當(dāng)閥芯重力大于液體的浮力時(shí)，閥芯不斷向下直到閥門關(guān)閉。浮子閥在出液口上方20mm位置處，水相從出液口流出，氣相被阻擋，不能從出液口流出，避免出液口出氣?？梢钥闯龃私Y(jié)構(gòu)對(duì)氣體含量大的兩相流體能夠?qū)崿F(xiàn)較好的分離。

3.2 含氣量占50%兩相流體的流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

當(dāng)浮子閥在出氣口下方20mm時(shí)，由計(jì)算可知，此時(shí)兩相流體中氣體的含量占50%。圖12和圖13是浮子閥在出氣口下方20mm時(shí)，兩相液體的體積分布情況；圖14~圖16是浮子閥在出氣口下方20mm時(shí)，z=0截面兩相流體的壓力和體積分布情況；圖17和圖18是浮子閥在出氣口下方20mm時(shí)，出液口位置處的氣液兩相的體積分布情況；圖19和圖20是浮子閥在出氣口下方20mm時(shí)，出氣口處氣液兩相的體積分布情況。

圖12 三維氣相體積分布云圖

圖13 三維水相體積分布云圖

圖14 氣相體積分布云圖

圖17 出液口氣相體積

圖18 出液口水相體積

觀察圖12~圖15可知，兩相流體中的氣體含量占50%時(shí)，浮子閥在出氣口下方20mm位置處，氣液兩相有十分明顯的分層現(xiàn)象，氣體在上層分布，液體分布在下面。

由圖16可以觀察到，由于閥芯距離出氣口較近，出氣口所受壓力較大，因此對(duì)出氣口與出液口位置處的體積云圖作進(jìn)一步分析。

圖16 混合流體壓力分布圖

由圖17、圖18可以看出在出液口位置處，氣液兩相流體的體積分布情況，水相體積分?jǐn)?shù)為0.80~1，氣相所占較少，約為0~0.11。

由圖19、圖20可以看出在出氣口位置處的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)，氣相體積分?jǐn)?shù)約為0.80~1，水相約為0~0.11。

圖19 出氣口氣相體積

圖20 出氣口水相體積

進(jìn)入浮子筒后的氣液兩相流體，當(dāng)閥芯重力等于液體的浮力時(shí)，閥芯不斷向上直到閥門關(guān)閉。浮子閥在出氣口下方20mm位置處，氣相從出氣口跑出，液相被阻擋，不能從出氣口出去，避免出氣口出液?？梢钥闯龃私Y(jié)構(gòu)對(duì)液體含量大的兩相流體能夠?qū)崿F(xiàn)較好的分離。

3.3 浮子閥內(nèi)的速度場(chǎng)研究

氣液分離器內(nèi)部流體的流速對(duì)分離效果的影響很大。如果進(jìn)口速度較大，將會(huì)導(dǎo)致兩相流體在分離器內(nèi)停留的時(shí)間縮短，那么氣液分離就不徹底，導(dǎo)致液體摻雜著氣體一起流出。設(shè)置該模型中兩相流體在浮子閥處的入口速度為0.3m·s-1，對(duì)浮子閥內(nèi)的速度進(jìn)行模擬分析，同樣選取z=0截面、出氣口及出液口這3個(gè)位置處進(jìn)行研究，結(jié)果如圖21~圖23所示。

由圖21可以看出，在出液口貼近內(nèi)壁處，流體的流速偏大，約為1.6m·s-1。由圖22可以看出，在出氣口內(nèi)壁處幾乎沒有流體經(jīng)過，而在中心位置處的流速較大，約為1.3m·s-1。由圖23可以看出，閥芯上部的速度比下部快，上部速度約為1.67m·s-1。

圖21 出液口流體速度

圖22 出氣口流體速度

圖23 z=0截面的速度云圖

通過對(duì)內(nèi)部速度場(chǎng)的模擬，可知在浮子閥結(jié)構(gòu)中，閥芯所在位置附近的流體速度較快，但在出氣口、出液口和容器上端壁面附近位置的流體速度都很慢。分析可知，該浮子閥內(nèi)的兩相流體有充足的停留時(shí)間，可達(dá)到分離條件，實(shí)現(xiàn)更好分離。

4 結(jié)論

本文針對(duì)設(shè)計(jì)的浮子閥型氣液分離器進(jìn)行研究，依據(jù)伯努利方程，建立了新型氣液分離器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建了三維模型。利用FLUENT軟件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了浮子閥型氣液分離器可以基本解決“出氣口出液，出液口出氣”的實(shí)際工程難題。同時(shí)，流體在浮子閥內(nèi)有充分的停留時(shí)間進(jìn)行分離，能夠更好地滿足分離要求。