基于FLUENT軟件分析旋風分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 壘 金俊卿 陳 坤 汪文波 覃傳勇 伍修國

1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油昆侖燃氣有限公司西南分公司，四川 成都 610063；3.成都華潤燃氣設(shè)計有限公司，四川 成都 610045；4.中國石油西南油氣田公司川中氣礦，四川 遂寧 629000

0 前言

旋風分離器廣泛用于石油、化工、機械等高溫、高壓、耐腐蝕及流態(tài)化催化技術(shù)領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高等優(yōu)點，主要功能是盡可能去除輸送介質(zhì)氣體中攜帶的固體顆粒雜質(zhì)和液滴，達到氣固液分離，保證管道及設(shè)備的正常運行。旋風分離器的工作原理是：顆粒由于離心力作用克服氣流的阻力向壁面運動，到達壁面附近后，受邊界層內(nèi)的較小湍流作用，沿著壁面螺旋滑入分離器底部灰斗中，完成分離。而粒徑小于5μm的微細顆粒所受到的離心力小于氣流對其的阻力，因此很難分離。

目前，隨著對旋風分離器分離性能要求的提高，需要不斷改進旋風分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來滿足要求的分離效果。近年來計算流體力學 （Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)外學者越來越多地采用CFD技術(shù)來解決旋風分離器流體力學問題。GriffithsW D 等人［1］利用 FLUENT 軟件中 RNG k-ε 模型研究旋風分離器內(nèi)顆粒的分級效率，得到不同條件下顆粒的分離效率；潘傳九等人［2］借助FLUENT軟件研究了旋風分離器的螺旋導流和防返混問題；張建等人［3］應(yīng)用CFD技術(shù)軟件研究了旋風分離器的減阻性能。

本文以Stairmand型高效旋風分離器為基礎(chǔ)模型，借助FLUENT軟件中PNG k-ε模型對傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器進行數(shù)值模擬，分析螺旋導流裝置對旋風分離器分離性能的影響。

1 計算模型

本文在計算中以空氣作為連續(xù)相，顆粒作為離散相，根據(jù)離散相相對連續(xù)相的質(zhì)量，確定是否進行耦合計算。求解的方法是先求連續(xù)相流場，然后再加上離散相，根據(jù)離散相受力平衡求解顆粒的運動軌跡。

1.1 連續(xù)相模型

文獻中多采用k-ε模型來模擬旋風分離器中的連續(xù)相流場，得到了較好的結(jié)果。因此，本文連續(xù)相也采用RNG k-ε模型計算。其湍動能和耗散率方程［4］為：

其中：

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動能；Gb為由浮力影響引起的湍動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響，αε、αk分別為湍動能和耗散率的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)。

1.2 離散相模型及顆粒運動受力分析

本文采用隨機軌道模型對旋風分離器內(nèi)部的離散相顆粒進行追蹤，在拉格朗日坐標系下，顆粒在氣流中的受力方程［5］為：

其中：

式中：u為流體相速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；μ為流體動力黏度，Pa·s； ρ為流體密度，kg/m3； ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，mm； Re 為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；gx為X方向重力加速度，m/s2；Fx為X方向的其他作用力，N。

2 旋風分離器模型

本文以Stairmand型高效旋風分離器為基礎(chǔ)模型，增加了螺旋導流板，導流板圈數(shù)為2，厚度5 mm，寬度58mm，長度95mm，軸向間距40mm。強制流體進行螺旋運動，構(gòu)成新型旋風分離器。Stairmand型高效旋風分離器模型結(jié)構(gòu)［6］見圖 1。

2.1 模型網(wǎng)格劃分

對于模擬計算來說，網(wǎng)格的劃分直接影響計算結(jié)果，高質(zhì)量的網(wǎng)格是計算精度的重要保證。本文中傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器均采用相同的網(wǎng)格劃分原則。由于旋風分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，需要包含四面體、六面體、錐形和楔形等多種網(wǎng)格，故網(wǎng)格劃分采用體網(wǎng)格，Elements的類型為Tet/Hybrid，Type的類型為TGrid，網(wǎng)格密度采用Intervalsize類型，間距為10。傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 Stairmand型高效旋風分離器模型結(jié)構(gòu)/mm

圖2 旋風分離器網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

旋風分離器模型采用速度入口，速度設(shè)置為30m/s；出口設(shè)置為outflow；湍流強度設(shè)置為10%；流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，密度為 1.225 kg/m3，黏度為 1.789×10-5Pa·s；壓力-速度耦合方程采用SIMPLEC方程，離散格式采用QUICK格式。

在離散相設(shè)置中，顆粒與空氣同時進入旋風分離器，假設(shè)顆粒密度為1 000 kg/m3，每組顆粒質(zhì)量流率均為0.05 kg/s，計算采用隨機軌道模型。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 速度分析

旋風分離器內(nèi)部流體運動是復雜的三維螺旋運動，某一點的運動速度可以分為相互垂直的切向速度、軸向速度、徑向速度，其中切向速度和軸向速度是影響旋風分離器分離性能的主要因素，本文主要研究這兩種速度的分布規(guī)律。通過分析切向速度和軸向速度的運動規(guī)律，對比傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器的速度差異，進而證明螺旋導流裝置能夠提高旋風分離器的分離性能。

3.1.1 切向速度

顆粒隨著氣體在旋風分離器內(nèi)部做圓周運動，由于受到離心力作用，顆粒被甩向壁面。氣體的切向速度越大，顆粒被甩向壁面的概率也越大，旋風分離器的分離性能也越好。

旋風分離器內(nèi)部的切向速度分布規(guī)律見圖3，從圖3可看出：在流場內(nèi)部的強制渦旋區(qū)域中，隨著半徑增大，同一截面上的切向速度逐漸增大，顆粒受到的離心力作用也逐漸增大，有助于顆粒向壁面移動；在流場外部的準強制渦旋區(qū)域中，隨著半徑增大，同一截面上的切向速度逐步減小，顆粒受到的曳力作用減弱，有助于顆粒收集。

圖3 旋風分離器內(nèi)部Z=0.285截面切向速度分布圖

從圖3中兩種不同分離器在同一截面上的切向速度分布規(guī)律可以看出，在分離器內(nèi)部同一坐標位置，帶螺旋導流裝置的旋風分離器的切向速度偏大。因此，顆粒在帶螺旋導流裝置的旋風分離器內(nèi)部運動時，能獲得更大的離心力，增強了旋風分離器的分離性能。

3.1.2 軸向速度

旋風分離器軸向速度云圖見圖4。從圖4可以看出，氣體進入旋風分離器內(nèi)部后，在靠近壁面的區(qū)域，氣體的軸向速度向下，形成向下的氣流；在靠近旋風分離器軸心區(qū)域，氣體的軸向速度向上，形成向上的氣流。靠近壁面區(qū)域的下行氣流對旋風分離器的分離效果起著至關(guān)重要的作用，下行氣流可以將氣體中攜帶的顆粒帶入分離器下端的除塵裝置，起到分離作用。

圖4 旋風分離器軸向速度云圖

通過FLUENT軟件計算，可以得到旋風分離器零軸向速度云圖，見圖5。圖5中彩色部分為下行速度區(qū)域，旋風分離器內(nèi)部空白部分為上行速度區(qū)域，二者存在明顯的分界線。從圖5可看出，傳統(tǒng)旋風分離器的下行速度區(qū)域面積較小，在分離器底部壁面處出現(xiàn)了上行速度，嚴重影響分離效果；而帶螺旋導流裝置的旋風分離器的下行速度區(qū)域面積較大，且較為連貫，在分離器底部壁面處依然存在下行速度，增強了分離器的分離效果。

圖5 旋風分離器零軸向速度云圖

3.2 分離效率分析

分離效率［7］是衡量旋風分離器分離性能的重要指標。旋風分離器的分離效率是指除去的粉塵量占原含塵量的比率，公式為：

式中：η為旋風分離器的分離效率，%；C1為進入旋風分離器中的單位體積氣體所含的粉塵量，kg；C2為離開旋風分離器的單位體積氣體所含的粉塵量，kg。

在氣相場收斂后，加入離散相，對顆粒軌跡進行追蹤，最終得到直徑為5μm的顆粒在傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器中的軌跡圖，見圖6。

從圖6可看出，傳統(tǒng)旋風分離器中直徑為5μm的顆粒追隨性很好，隨氣流旋轉(zhuǎn)向下運動，部分顆粒到達底部灰斗后，又隨內(nèi)部的上升氣流螺旋上升，進入排氣管；部分顆粒沒有到達底部就進入上升氣流中，直接進入排氣管，分離效果較差。而相同直徑的顆粒在帶螺旋導流裝置的旋風分離器中運動時，受到較大的離心力作用，被甩向壁面，沿壁面螺旋下滑，最終到達分離器底部，并在底部沉積，完成分離過程，分離效果較好。

根據(jù)FLUENT軟件的模擬計算結(jié)果，得到了兩種不同旋風分離器的分離效率［8］隨顆粒直徑變化的關(guān)系，見圖7。從圖7可看出，隨著顆粒直徑增大，旋風分離器的分離效率提高，當顆粒直徑為8.25μm時，傳統(tǒng)旋風分離器的分離效率達到100%，而當顆粒直徑為4.26μm時，帶螺旋導流裝置的旋風分離器的分離效率就已經(jīng)達到了100%。由此可以看出，帶螺旋導流裝置的旋風分離器的分離性能強于傳統(tǒng)旋風分離器，而且能夠完成直徑小于5μm顆粒的分離任務(wù)。

圖6 旋風分離器內(nèi)部5μm顆粒軌跡圖

圖7 旋風分離器分離效率

4 結(jié)論

a）利用FLUENT軟件中RNG k-ε模型對旋風分離器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，得到了良好的模擬效果，說明該數(shù)值模擬方法可行。

b）研究傳統(tǒng)旋風分離器和帶螺旋導流裝置的旋風分離器內(nèi)部的速度分布規(guī)律，分別從切向速度和軸向速度兩方面證明帶螺旋導流裝置的旋風分離器分離性能強于傳統(tǒng)旋風分離器。

c）旋風分離器加上螺旋導流裝置后，分離效率得到較大提高，帶螺旋導流裝置的旋風分離器能夠完成部分微細顆粒（粒徑小于5μm）的分離任務(wù)。

［1］Griffiths W D， Boysan F.Computational Fluid Dynam ics（CFD） and Empirical Modeling of the Performance of Anumerical of Cyclone Samplers ［J］.Aerosol Science， 1996，27（2）：281-304.

［2］潘傳九，靳兆文，馮 秀.旋風分離器的螺旋導流和防返混［J］.化工進展， 2012，31（6）：1215-1219.Pan Chuanjiu，Jin Zhaowen，F(xiàn)eng Xiu.Research on the Spiral Guidingand the Back-m ixing PreventingofCycloneSeparating Devices［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31（6）：1215-1219.

［3］張 建，王亞瑩，金有海.基于CFD技術(shù)的旋風分離器減阻性能研究［J］.新技術(shù)新工藝，2007，（12）：46-49.Zhang Jian，W angYaying，Jin Youhai.Researchof Pressure Drop Reduction in Cyclone Separator Based on CFD Technology［J］.New Technology&New Process，2007，（12）：46-49.

［4］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.Zhu Hongjun，Lin Yuanhua，Xie Longhan.FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Course［M］.Beijing：Postsand Telecom Press，2010.

［5］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真［M］.北京：清華大學出版社，2011.Zhu Hongjun，Lin Yuanhua，Xie Longhan.Fluent 12 Fluid Analysis and Engineering Simulation ［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2011.

［6］于 勇，張俊明，姜連田.Fluent入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.Yu Yong， Zhang Junming， Jiang Liantian.Fluent Introductory and Advanced Tutorials［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2008.

［7］薄光學，蒲遠洋，劉 棋，等.凝析油穩(wěn)定裝置設(shè)計優(yōu)化［J］.天然氣與石油，2011，29（4）：37-40.Bo Guangxue， Pu Yuanyang， Liu Q i，etal.Design Optimization of Condensate O il Stabilization Unit［J］.Natural Gasand Oil，2011，29（4）：37-40.

［8］張 洲，上官昌淮，王 磊，等.克拉蘇氣田試采三相分離液乳化探討［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：58-61.Zhang Zhou，Shangguan Changhuai，Wang Lei， et al.Analysis on 3-phase Separation Fluid Emulsification in Crassus Kita Gas Field Production Test Project［J］.Natural Gasand O il，2012，30（4）：58-61.