天然氣脫蠟旋風分離器分離效率的模擬

袁惠新，方毅，付雙成

（常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213016）

天然氣脫蠟旋風分離器分離效率的模擬

袁惠新，方毅，付雙成

（常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213016）

旋風分離器分離效率高，不易堵塞，用于天然氣脫蠟效果顯著。通過CFD軟件Fluent模擬CYG-S型天然氣脫蠟旋風分離器的兩相流場，得到了旋風分離器內的壓力、切向速度、軸向速度分布。對比了不同入口速度下的模擬與理論計算的分割粒徑x50，發現具有很好的吻合度，兩相模擬有一定的可靠性。結果表明：在旋風分離器錐段底部靠近壁面處的石蠟液滴質量濃度較高；隨著進口流量的增加，旋風分離器分離效率提高，當進口流量為1000 m3/h時，x50可以達到5.3 μm；大粒徑液滴的分離效果明顯，但在所研究的進口流量范圍內，進口流量的變化不能明顯地影響粒徑小于5 μm液滴的分離效率；柱段和錐段長度的增加使得旋風分離器的整體長度增加，延長了液滴在旋風分離器內的停留時間，提高了旋風分離器的分離效率。

旋風分離器；數值模擬；分離效率；進口流量；柱段和錐段長度

石蠟是由正構烷烴、帶支鏈（或異構）烷烴和環烷烴的組成的復雜混合物，有很多品種的熔點范圍在常溫范圍（2～36 ℃）[1]，以固態和半固態的的形式存在于天然氣中。由于石蠟具有黏結和流動性差的特性，極易在管道內壁沉積，甚至堵塞設備，所以對于天然氣中石蠟的分離，傳統的過濾分離會非常容易堵塞過濾器，嚴重影響生產效率，存在安全隱患。

袁惠新[2]發明的天然氣凈化裝置，對天然氣加熱至石蠟熔點以上，使石蠟以液滴狀態存在于天然氣中，再利用旋風分離器進行氣液分離，具有分離效率高、處理能力大、投資小、操作簡便可靠等優點，可有效防止堵塞的發生。目前該設備已在江漢油田投產應用，效果顯著。

為了進一步優化天然氣旋流脫蠟過程，考察旋流分離器內兩相流動特性，推動該技術發展，本文作者選用CYG-S型天然氣脫蠟旋風分離器，使用CFD軟件Fluent模擬旋風分離器的內部流場，并對不同入口流量、不同柱段和錐段長度下的分離效率進行了模擬。

1 模擬方法

隨著計算機以及算法的不斷發展，數值模擬方法已成為重要的研究手段。目前常用的幾種湍流計算模型有標準k-ε模型[3]、RNG模型、雷諾應力模型（RSM） 以及代數應力模型（ASM）。RSM可以計算出雷諾應力分量，因而更適用于強旋流旋風分離器流場[4]，已有不少學者采用了該模型并取得了較好的效果：王海剛等[5]通過對比3種模型的計算結果與實驗數據，發現以RSM模型的預報結果最為合理。葛坡等[6]利用RSM模型，使用SIMPLEC算法，對對稱多入口型旋風分離器進行數值模擬，得到了不錯的模擬效果。

當石蠟液滴的體積分數低于5%時，可采用離散相模型（DPM）模擬石蠟液滴的分離過程。將分散相的石蠟液滴看做離散顆粒，求解每一個離散顆粒的運動方程；連續相運動則通過N-S方程求解獲得；顆粒與連續相之間通過相互作用力模型耦合，具體步驟如下所述[7]。

（1）計算連續相流場（此時計算域中不存在離散相）。

（2）計算從每個噴射源開始的顆粒軌道，從而在計算域中引入離散相。

（3）使用已經得到的顆粒計算結果中的相間動量、質量交換項重新計算連續相流場。

（4）計算修正后的連續相流場中的顆粒軌跡。

（5）重復上述兩個步驟，直到獲得收斂解。

由此可知，DPM模型的計算過程是一個從單相的流場模擬（即第一步計算連續相流場）到兩相耦合計算的過程，而且單相模擬可得到旋風分離器的內部氣相的壓力、切向和軸向速度分布。將之與前人理論與實驗研究結果比較，可間接驗證模擬的可靠性，為接下來的兩相DPM模擬研究提供保障。

旋風分離器的分離效率計算方法見式（1）[8]。

式中，Mo為該直徑顆粒在溢流口的質量流率，kg/s；Mi為該直徑顆粒在進料口的質量流率，kg/s。通過Fluent模擬可監測旋風分離器入口和溢流口的液滴質量流率，從而得出旋風分離器的分離效率。

1.1 幾何模型的建立及網格劃分

圖1 模擬模型

圖1(a)為天然氣脫蠟旋風分離器的結構簡圖，表1為旋風分離器的主要結構參數，旋風分離器直徑為300 mm，其入口形式為斜切式，提高了旋流器的流場穩定性，減小了壓力損失。

圖1(b)為gambit建立的模擬模型，整個三維模型的網格劃分采用六面體結構化網格如圖1 (c)，劃分了32698個網格。

表1 旋風分離器的主要結構參數

1.2 計算方法

在流場的數值模擬中對于各個通用方程的離散，目前比較常用的差分格式主要有一階迎風格式、二階迎風格式、QUICK格式和中心差分格式等。當流動具有強旋轉特性時，QUICK差分格式明顯具有較高的精度，能最準確地預報旋流器內的流場[9]。采用Fluent Pressure Based隱式求解器；計算模型選用RSM模型，控制方程中的壓力-速度耦合項選用協調一致的SIMPLEC算法。

1.3 邊界條件及部分物性參數

1.3.1 流體相的邊界條件

（1）進口邊界 旋風分離器入口為流場的速度入口，速度方向垂直于入口界面指向入口內側，壓力為該處靜壓。

（2）出口邊界 旋風分離器的溢流口，為自由出口。底流口設為壁面，為液滴捕集面之一。

（3）壁面 在旋風分離器的近壁區，湍流輸運性質會發生急劇的變化，應用壁面函數法進行近壁處理，解決計算精確度的問題。

（4）基礎物性 旋風分離器內的流體為天然氣，分散相為石蠟液滴，其組成及相關的物性參數如表2所示。

1.3.2 分散相邊界條件

液滴粒徑分布通過對液滴尺寸進行Rosin-Rammler分布擬合[10]，所有的顆粒尺寸范圍被劃分為離散的尺寸組，每個尺寸組由該組射流源中的單個顆粒所代表，在計算運動軌跡的時候所采用的就是這個平均直徑。圖2 為模擬采用的液滴的粒徑分布。

溢流口設置為逃逸出口，當液滴運動到溢流口的時候會逃逸，此時停止對顆粒的追蹤，終止對該顆粒軌道的計算。

壁面和底流口均設置為捕集面，液滴接觸壁面或到達底流口就認為液滴得到分離，終止對該顆粒軌道的計算。

表2 物料及相關物性參數

圖2 Rosin-Rammler分布

2 結果與分析

2.1 壓力分布

圖 3(a)為旋風分離器在進口流量Qi為500 m3/h的縱截面壓力分布云圖；圖3(b)為距離底流口900 mm處橫截面上的壓力分布。壓力呈對稱分布，由外至內逐漸減小，壁面處壓力最高，軸心處壓力最低，有負壓產生。壓力分布比較穩定，可以看出流場比較穩定，有利于兩相分離。

2.2 速度分布

2.2.1 切向速度

切向速度反映了流體在旋風分離器內旋轉的快慢，決定了離心力的大小，是使液滴沉降的驅動力。圖4（a）為旋風分離器在進口流量Qi為500 m3/h時的縱截面切向速度分布云圖；圖4（b）為距離底流口900 mm處橫截面上的切向速度分布。

模擬發現切向速度滿足一般旋風分離器的準自由渦規律：從邊壁開始隨著半徑的減小，切向速度緩慢增大，在某一徑向位置達到最大值，然后急劇降低，在整個直徑范圍內，呈現“M”形駝峰分布。

2.2.2 軸向速度

軸向速度反映了流體向兩個軸向出口的流動情況。圖5(a)為旋風分離器在進口流量Qi為500 m3/h時的縱截面上的軸向速度分布云圖和零軸速包絡面；圖5(b)為距離底流口900 mm處橫截面上的軸向向速度分布。靠近外壁的為向下的外旋流，速度逐漸減小；零軸速包絡面內側則是向上的外旋流，軸向速度逐漸增大。在溢流管中心處軸向速度為負，出現回流。

圖3 壓力分布（Qi=500m3·h-1）

圖4 切向速度分布(Qi=500 m3·h-1)

圖5 軸向速度分布（Qi=500 m3·h-1）

模擬所得的流場分布規律——壓力、切向和軸向速度分布規律，符合一般旋風分離器的流場分布規律[11-12]，說明了模擬的可靠性，為接下來的兩相模擬和分離效率的研究提供了保障。

2.3 兩相分布

當石蠟液滴的體積濃度低于5%時，可采用離散相模型（DPM）模擬旋風分離器內石蠟液滴的分離過程。天然氣和石蠟液滴的混合流體由進料口進入旋風分離器，在腔內高速旋轉產生離心力場。在離心力的作用下，石蠟液滴發生離心沉降，遷移到四周，沿著壁面向下流動，最后經底流口被分離出去。一些小粒徑的液滴這隨著氣相由溢流口排出。圖6為進口流量Qi為500 m3/h時旋風分離器內部的石蠟液滴的質量濃度分布，發現在其錐段底部靠近壁面處的液滴濃度較高，符合實際規律。

2.4 分離效率

分離效率是旋風分離器最主要的性能參數。對于一個分離器，若分離某種物料的效率為95%，也許效率很高，但如果換一個細一點的進料，效率就達不到95%；反之，若分級粗一些的物料效率就會高于95%。因此，一個分離器的分離性能應當用分離效率和粒度一起考慮，即得出粒級效率曲線。

在粒級效率曲線上對應于50%分離效率的粒度被定義為分割粒度，用x50表示。標準型旋風分離器的分割粒度x50可用式（2）計算[13]。

圖6 石蠟液滴質量濃度分布（Qi=500m3·h-1）

式中，D為旋風分離器直徑，m；Vi為入口速度，m/s；μ為氣體黏度，Pa·s；ρp、ρg分別為液滴和氣體的密度。

圖7是模擬的入口速度不同時的旋風分離器的分割粒度和根據式（2）理論計算所得的分割粒度，可以發現兩者之間的誤差較小，且分布規律一致：隨著入口速度的增大，旋風分離器的分割粒徑在減小。故兩相模擬具有一定的可靠性。

2.4.1 進口流量對分離效率的影響

進口流量Qi是旋風分離器重要操作參數，直接影響切向速度和壓力降。圖8是距離底流口900 mm截面上不同進口流量Qi下的切向速度；圖9為不同進口流量Qi下旋風分離器的級效率曲線。

圖7 不同入口速度下的理論和模擬的分割粒度

圖8 z=900 mm截面處不同進口流量下的切向速度分布

圖9 不同進口流量下的級效率曲線

隨著進口流量Qi的增加，級效率曲線向左偏移，分割粒徑x50減小，分級效率提高。這是因為隨著進口流量Qi的增加，旋風分離器內流體的切向速度增大，產生更大的離心分離作用，使得液滴更快靠近邊壁而被分離出。

在所研究的進口流量范圍內，對于小于5 μm的液滴，流量的增加沒有顯著增加其分離效率。這是由于粒度小的液滴沉降速度小，來不及完成沉降，被直接夾帶出溢流口，未實現分離。

當進口流量Qi大于800 m3/h后，級效率曲線變化不是很顯著。這是由于在此時旋流器內的湍流強度增大，不利于液滴的分離，同時，湍流加速了液滴的破碎，使液滴粒徑變小，增加了分離難度。

2.4.2 段長度L1和錐段長度L2對分離效率的影響

柱段長度和錐段長度增加，增加了旋風分離器的長度，延長了液滴在旋風分離器內的停留時間。流體在旋風分離器內的停留時間決定于流體在旋風分離器內運動的速度和經過的路徑長短，或流體的軸向速度W和路徑的軸向距離即旋風分離器的長度L。旋風分離器內的物料的平均停留時間可以表達為式（3）。

由式（3）可知，停留時間與進口流量Qi、旋風分離器直徑D和柱段長徑比L1/D以及錐段長徑比L2/D等有關。加大D、L1/D或L2/D，或者減小Qi都能延長停留時間，使更小的液滴完成沉降，從而提高分離效率。但是，加大D或減小Qi都會顯著地降低離心加速度，使得液滴沉降的驅動力不夠。因此，只有增加旋風分離器的長度才是增加停留時間的有效手段。

通過對不同柱段和錐段長度的旋風分離器的DPM兩相模擬，增加旋風分離器的長度可有效提高旋風分離器的分離效率。

保持錐段長度L2不變，圖10為不同柱段長徑比L1/D的旋風分離器的級效率曲線。旋風分離器的級效率曲線隨著柱段長徑比L1/D的增大向左偏移，x50減小，分離效率提高。

保持柱段長度L1不變，隨著錐段長度L2的增加，如圖11，級效率曲線向左偏移，x50減小，分離效率增大。

在實際工程中，更長的旋風分離器的設計和制造成本更高，需要綜合考慮合適的長徑比。

圖10 不同柱段長度L1的級效率曲線（Qi=500 m3·h-1）

圖11 不同錐段長度L2的級效率曲線（Qi=500 m3·h-1）

3 結 論

（1）使用RSM湍流模型模擬天然氣脫蠟旋風分離器，所得的流場分布規律符合一般旋風分離器的流場分布規律：旋風分離器內部壓力呈對稱分布，由壁面向中心逐漸減小，在中心軸處壓力最低并有負壓產生；切向速度符合準自由渦分布規律，呈現“M”形駝峰分布；軸向速度分布反映了向下的外旋流和向上的內旋流的流動規律。

（2）使用DPM模型模擬旋風分離器內的兩相流動，隨著進口流量的增加，旋風分離器的級效率曲線向左移動，x50減小，分離效率提高，與理論計算相符。當入口流量為1000 m3/h時，x50可以達到5.3 μm。大粒徑液滴的分離效果明顯，但在所研究的處理量范圍內，處理量的變化不能明顯地影響小于5 μm液滴的分離效率。

（3）柱段和錐段長度的增加增長了旋風分離器的的總長度，延長了液滴在旋風分離器內的停留時間，旋風分離器的級效率曲線向左偏移，x50減小，分離效率增大。

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Numerical simulation of the separation efficiency of natural gas dewaxing cyclone separator

YUAN Huixin，FANG Yi，FU Shuangcheng
（School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

The cyclone separator has high separation efficiency and is not easy to be blocked，it has good effect on the natural gas dewaxing. Numerical simulation of the two-phase flow of the CYG-S natural gas dewaxing cyclone separator was studied by using CFD software Fluent，and get the internal pressure，tangent and axial velocity distributions. The simulation and calculated cut size x50in different inlet velocity are contrasted，the results has a good degree of agreement，so the two-phase simulation are reliable. The results show that the mass concentration of paraffin droplet is higher at the bottom of the cone section. With the increasing of the inlet flow，the separation efficiency of cyclone separator was improved，under the 1000 m3/h inlet flow，the x50can reach 5.3 μm. However，in the studied range of inlet flow，the increase rate of the drop less than 5μm is not obvious. The lengthened of column and taper section increases the length of cyclone separator，extents the residence time of the droplets in the cyclone separator，and improves the separation efficiency of the cyclone separator.

cyclone separator；numerical simulation；separation efficiency；inlet flow；column and taper section length

TQ 051.8

A

1000-6613（2014）01-0043-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.008

2013-07-16；修改稿日期：2013-08-20。

及聯系人：袁惠新（1957—），男，教授，博士生導師，從事分離技術與設備研究。E-mail yuanhuixin2000@163.com。