錐度對天然氣凈化用旋風分離器流場影響

李 琦，羅 敏，韓傳軍，楊 雪，管西旗

（1.西南油氣田分公司輸氣管理處，成都610213；2.西南石油大學，成都610500）

錐度對天然氣凈化用旋風分離器流場影響

李 琦1，2，羅 敏1，韓傳軍2，楊 雪2，管西旗2

（1.西南油氣田分公司輸氣管理處，成都610213；2.西南石油大學，成都610500）

基于計算流體力學，采用RNG k-e湍流模型和離散相模型，研究了錐度在163～175°的天然氣凈化用旋風分離器的壓力場、速度場分布以及分離效率。結果發現，升氣管入口附近的部分區域速度和壓力變化最大；錐度對筒體及小錐體區域幾乎沒有影響，而對升氣管和大錐體的影響很大，但是并不改變流場的整體分布規律。隨著錐度的增加，壓降呈遞減趨勢。氣體總速度與切向速度的變化趨勢相同，均隨錐度的增大而減小。在最小粒徑為5μm時，不同錐度下旋風分離器的分離效率均為100%，但是在頂板附近有不同程度的顆粒堆積現象。錐度為163°和166°時，顆粒返混現象很嚴重，極易造成旋風分離器的頂板腐蝕穿孔，因此不適于工程實際。在剩余的3種結構中，速度變化相差小，從壓降和體積方面考慮，172°的錐角結構最優，可較大程度減少材料耗損，節約制造成本。

旋風分離器；錐度；流場

旋風分離器是一種利用離心力分離氣流中固體顆粒或液滴的設備。由于其結構簡單，造價低廉，無運動部件，操作范圍廣，受溫度、壓力限制小，分離效率高等特點，已經成為輸氣站場上應用廣泛的氣固分離設備。然而，從近年清管的污物、下游設備運行情況來看，輸氣站場的旋風分離器除塵效果并不是十分理想。例如，在智能檢測前期的清管通球過程中，排出了大量的污物；同時，由微粒粉塵沖刷作用造成的下游調壓、計量設備失效，運行壽命減短等問題普遍存在。因此，研究旋風分離器的流場，提高其分離效率顯得尤為重要。

影響旋風分離器流場的因素包括內部的結構參數和外部的環境條件，近年來許多學者對其中的一些方面進行了研究。例如，曹晴云等［1］系統研究了不同的入口面積、排氣管直徑比、排塵管直徑比對旋風分離器的速度和壓降的影響；趙宏強等［2］利用大渦模擬，詳細介紹了分離器的三維速度場；萬谷軍等［3］對不同溫度和壓力下的旋風分離器速度場進行了分析；谷瑞青等［4］等研究了升氣管插入深度對分離器流場的影響；葛坡［5］等提出了一種對稱多入口結構的旋風分離器，并對其流場進行了研究；朱小兵［6］等提出了一種用于鉆井柴油機尾氣凈化的旋風分離器，完成了現場試驗。

目前，涉及到旋風分離器錐體結構的研究也有很多。Xiang Rong Biao等［7］研究了錐體尺寸對用于大氣采樣的小型旋風分離器的影響情況；王清華等［8］總結了不同的錐體結構及其影響；查文煒、李昌劍等［9-10］的結構優化設計中涉及到了錐體的相對尺寸。但是并沒有涉及到錐度對其流場的具體影響。錐度是旋風分離器的一個重要結構參數，它連接著圓筒體和錐體，是結構突變的轉折點，因此對流場的影響不可忽視。

本文以計算流體力學為基礎，利用FLUENT的RNG k-epsilon湍流模型和DPM離散相模型，研究不同錐度下旋風分離器的流場分布情況及分離效率。旨在找出最佳錐度，為旋風分離器的結構優化提供參考。

1 計算模型

1.1 計算方法

旋風分離器的流場計算模型一般由氣相流場和兩相流場［11］組成。由于旋風分離器內流體所做的是強旋流的湍流運動，其雷諾數很高，因此在計算過程中，連續相選擇RNG k-epsilon湍流模型，離散相采用DPM模型。

1.2 幾何模型及網格劃分

采用文獻［12］中的幾何模型，是1個直切式入口結構的旋風分離器。其筒體直徑為0.36 m，入口尺寸為0.18 m×0.09 m，排塵口直徑為0.10 m，排氣管直徑為0.144 m，錐度為172°，升氣管底面中心為坐標原點。采用非結構網格對計算區域進行劃分，減少網格數量，提高質量。圖1為旋風分離器的幾何結構和計算模型。

圖1 旋風分離器的分析模型

1.3 邊界條件設置

由于是模擬輸氣站場上用旋風分離器的流場，因此氣相設置為甲烷，粉塵用與天然氣輸氣管道所含粉塵粒徑分布接近的800目的滑石粉，其密度為2 700 kg／m3［13］。流場計算時采用SIMPLE算法、PRESTO壓力插補格式和QUICK差分格式。氣相入口邊界條件選擇Velocity_inlet，速度為20 m／s。氣相出口設置為outflow，直接與大氣相連。顆粒的進入設置為面射流源，其入口速度與氣相相同，可以避免產生相對速度滑移。顆粒加入量0.03 kg／s，粒徑分布滿足Rossin-Rammler，中位粒徑取10μm。升氣管出口設置為逃逸（escaped），錐底灰斗出口設置為捕捉（trapped）［14］。

理論上，不同的錐度會對旋風分離器的壓力場和速度場造成影響。保持其他條件不變，選擇不同的錐度進行數值模擬，從而得到流場隨錐度的變化規律，找出最佳錐度。

文獻［11］中給出了16種旋風分離器的結構，通過測量可以得到其錐度取值為163～175°。對文獻［1］～［15］所取的旋風分離器結構進行驗證，可以知道錐度均在這一范圍內。表1列出了本文所取的錐度，并通過調整旋風分離器的錐體總長度來改變其大小。

表1 旋風分離器的錐度及對應長度

2 計算結果分析

2.1 計算模型驗證

數值求解和分析的結果需要與實際的現象、數據比較，檢驗模型的合理性和適用性，這對模型是否有用非常關鍵。為了驗證本文的模型，將氣相流場的數值計算結果與試驗結果進行對比，用不同氣相入口流量（控制在950～1 350 m3／h）下總壓降的變化與文獻［14］中的試驗數據進行比較，如圖2所示。從圖2中可以看出，模擬壓降與試驗壓降的值基本吻合。

圖2 模擬壓降與試驗壓降對比

2.2 錐度對壓力場的影響

壓降是衡量旋風分離器性能的一個重要指標，其值越小，則能量損失越小。圖3給出了不同錐度對旋風分離器壓力場的影響。

在圖3a中可以看出動壓是通過旋流運動，由靜壓轉化而成的。在軸向位置z＝0 m（軸向向下為正）即升氣管入口附近，動壓最大，靜壓最小，說明此處旋流運動最強烈。

圖3 錐度對壓力場的影響

不同的錐度下，壓力分布走向一致，但是數值上有較大差異，尤其是在升氣管和錐體部分。z＞0.5 m以后的分離區域，由錐度引起的動壓大小交替變化，規律不明顯，如圖3b所示，說明錐體分離空間長度的改變使流體旋流中心發生不規則變化。從圖3c和圖3d可以看出，靜壓和總壓的分布比較規律，其值總體上隨錐度的增加而降低。在分離器升氣管出口處，175°錐度下的靜壓最小，表2給出了5個錐度下旋風分離器的壓降。可見，隨著錐度的增加，壓降逐漸減小。

表2 不同錐度下旋風分離器的壓降值

2.3 錐度對速度場的影響

流體在旋風分離器內部做的是三維強旋流的湍流運動，流動狀態相當復雜。旋轉速度越高，顆粒被離心力送到壁面的概率越高，分離效率也越好。圖4給出了不同錐度下旋風分離器內部速度場的分布。

從圖4可以看出，總速度和動壓的分布相似，進一步說明了動壓是由旋流運動產生。切向速度最大，占據主導地位，其走向與總速度近似一致；徑向速度在零點上下波動，正負交替變化，表現出較強的不穩定性。

隨著錐度的變化，旋風分離器的三維速度場發生了較大的變化。在z＝0 m（即升氣管入口處）的附近區域，總速度和切向速度有最大值。錐度增加，在z＞0.5 m（軸向向下為正）的區域，速度變化規律性不強，總速度出現多個波峰、波谷。163°時升氣管出口的總速度最大，為31.68 m／s，而175°時最小，為28.61 m／s。切向速度與總速度的分布規律相似，隨著錐度的增加而減小，從163°的23.94 m／s降低到175°的19.63 m／s。從圖4d可以看出，在前面4個錐度下，軸向速度的變化很接近。

圖4 錐度對速度場的影響

3 錐度對分離效率的影響

分離效率是衡量旋風分離器性能的最重要的指標。通過設置最小粒徑為5μm，最大粒徑為10 μm，得到不同錐度下旋風分離器的分離效率均為100%。同時追蹤了不同錐度下顆粒的流動軌跡，如圖5所示。可以看出，在θ＝163°和θ＝166°時，顆粒出現了返混現象，在頂板附近和錐底一直做旋流運動，而其余3種情況顆粒軌跡相差不大。

雖然沒有顆粒隨氣體流出升氣管，但是分離器內部有不同程度的顆粒堆積，這種情況在旋風分離器的頂板附近最為嚴重，即大量的顆粒在此處做旋流運動，并未向下排出，會對旋風分離器的使用性能造成影響，增加頂板的腐蝕率，減短分離器的使用壽命。可以看出，錐度越小，頂板附近的返混現象越嚴重。

圖5 錐度對顆粒軌跡的影響

4 結論

1） 錐度的變化對升氣管和錐體部分區域流場的影響很大，而分離器筒體部分受錐度的影響相對較小。

2） 隨著錐度的增加，壓降呈遞減趨勢。

3） 旋風分離器流場的總速度與切向速度的變化趨勢相同，均隨錐度的增大而減小。

4） 粉塵粒徑為5～10μm的情況下，不同錐度下旋風分離器的分離效率均為100%，但是在頂板附近有不同程度的顆粒堆積現象，錐度為163°和166°時最嚴重，極易造成旋風分離器的頂板腐蝕穿孔，因此該錐度結構的旋風分離器不適用于工程實際應用。

5） 錐度為169°、172°、175°結構的3種旋風分離器，速度變化僅相差1～2 m／s，故主要從壓降方面考慮。172°的錐角結構最優，能較大程度減少材料耗損，節約成本。

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Effect of Taper Angle on Fluid Field in Cyclone Separator of Natural Gas Purification

LI Qi1，2，LUO Min1，HAN Chuan-jun2，YANG Xue2，GUAN Xi-qi2
（1.Office of Gas Transfer，The Southwest Oil and Gas Field，Chengdu 610213，China；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The computational fluid dynamic（CFD）was conducted to analyze the effect of taper angle between 163°to 175°on fluid field in cyclone separator，which was utilized for natural gas purification by using RNG k-epsilon turbulent model and discrete phase model in FLUENT fluid analysis software platform.Some conclusions could be received from the numerical simulation.The greatest changes of velocity and pressure were occurred near the entrance of riser；and there was almost no influence on cylinder and some cone area with different tapers；however，the impact of taper on the riser and most cone area was significant.On the other hand，the distribution of flow field would not be affected by taper as a whole.The separation efficiency of gas-solid is 100%due to the 5μm minimum particle size，but there is stacked phenomenon inside the cyclone separator which is serious near the roof.Finally，the best structure of cyclone separator was chose with 172° taper what meant a 0.925 m cone length.This structure had the lowest pressure drop and less material consuming.

cyclone separator；taper angle；flow field

TE931.101

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.003

1001-3482（2014）12-0008-05

2014-07-10

李 琦（1982-），女，四川邛崍人，工程師，碩士研究生，主要從事油氣儲運技術和裝備方面的研究和技術管理工作，E-mail：l_qi＠petrochina.com.cn。