錐芯式超音速旋流分離器流動及分離特性研究*

趙健華 劉曉敏 劉培啟 胡大鵬

(大連理工大學化工機械學院)

錐芯式超音速旋流分離器流動及分離特性研究*

趙健華**劉曉敏 劉培啟 胡大鵬

(大連理工大學化工機械學院)

通過數值模擬和實驗測試的方法，對錐芯式超音速旋流分離器內流體在小壓力比情況下的流動特性和分離性能進行研究。模擬結果表明：在一定壓力比條件下，隨著面積比的增大，噴管漸擴段中氣動激波強度越強并越靠近喉部；當壓力比在1.25～1.75范圍內，面積比為1.06時，噴管漸擴段不存在氣動激波，相應的分離性能最高。實驗結果也表明：當面積比為1.06、壓力比為1.75時，分離效率達到40.82%。數值計算結果與實驗結果相吻合。

超音速旋流分離器 拉瓦爾噴管 面積比 分離性能

采出天然氣中含有的大量水分和重組分，在集輸和處理過程中易凝結，對設備造成損壞。目前能夠實現天然氣與所含水蒸氣分離的設備主要有固體干燥脫水器、固定床吸附塔、吸收塔、膜分離器及透平膨脹機等。其中，透平膨脹機采用的是低溫冷凝法，雖然不需要較貴的吸收劑，但其等熵效率低、能耗大、運轉部件維護費用高、運行成本大，應用受到限制[1]。與傳統分離設備相比，超音速旋流分離器解決了上述缺點，該技術將空氣動力學原理與熱力學原理相結合，利用天然氣在拉瓦爾(Laval)噴管中的超音速流動產生低溫，同時結合旋流作用，實現天然氣中水蒸氣和重組分的冷凝分離。裝置集制冷、冷凝和分離過程于一體，制冷單元無轉動部件，結構簡單、占地面積小[2、3]。

本課題組研發出一種新型錐芯式超音速旋流分離器[4]，其特點是向流道內插入錐芯，形成環形漸縮、漸擴流道，易于加工和調節，且壓力損失小，分離效率較高。筆者通過數值模擬和實驗測試兩種方法，對錐芯式超音速旋流分離器在小壓力比情況下的流場特性和分離性能進行研究，著重分析了漸擴段出口面積與Laval噴管喉部面積之比對分離性能的影響。在自建的實驗平臺上，通過實驗測試驗證了數值計算結果。

1 控制方程

在超音速冷凝分離器內，氣體為可壓縮湍流流動，其數學模型需要建立質量、動量、能量守恒方程、湍流輸運方程和狀態方程，聯立這些方程可以計算各節點的溫度、壓力及速度等流動參數：

(1)

(2)

(3)

狀態方程p=p(ρ,T)

(4)

其中，ui(i=1，2)、p、T分別為流場的速度、壓力和溫度；ρ為流體的密度；k為流動介質的傳熱系數；cp為比熱容；h為流體的熱焓，是T的函數；ρgi為i方向上的重力體積力；Sm、Su、Sh分別為質量、動量、能量守恒方程源項。式(1)～(3)中等號左邊兩項為瞬態項和對流項，等號右邊為擴散項和源項。湍流輸運方程根據流體的流動工況、湍流模型的適用范圍和計算能力而選擇標準k-ε模型。

2 模型驗證

為檢驗模型方程的可行性，先做驗證性計算。對Laval噴管中的流動過程進行數值計算，噴管的幾何尺寸和實驗數據均取自文獻[5]，噴管的入口參數如下：

環境溫度 17.80℃

環境濕度 16.2%

噴管進口絕對壓力 0.46MPa

噴管進口溫度 14.95℃

噴管進口相對濕度 83%RH

噴管流量 33.8m3/h

噴管內壓力沿軸向分布的計算值與實驗值對比如圖1所示。由圖1可見，計算值與實驗值吻合較好，說明所建立的數學模型能夠正確反映超音速噴管內流場參數的分布特征，可用于其流場的模擬計算。

圖1 噴管內壓力沿軸線的分布

3 錐芯式超音速分離器內部流動的數值模擬

3.1結構及工作原理

錐芯式超音速旋流分離器主要由旋流發生器、直管殼體和錐芯構成的漸縮-漸擴噴管、排液器和擴壓器組成(圖2)。其中，噴管漸縮段長60mm，漸擴段長100mm，喉部軸向位置在x=60mm處，排液口軸向位置在x=160mm處。

圖2 錐芯式超音速旋流分離器三維結構示意圖

錐芯式超音速旋流分離器的工作原理為：含有濕分或重組分的高壓天然氣首先進入旋流分離器，之后進入錐芯式噴管，混合氣體膨脹至超音速，形成低溫環境，重組分開始冷凝，并從排液器中排出，干氣進入擴壓段，經過一道正激波面，速度降低，壓力回升，最后從干氣出口排出。

3.2模型及計算方法

分離器的幾何模型為軸對稱模型，其計算域的幾何邊界如圖3所示，文中的面積比AR是指噴管漸擴段出口面積(II-II截面)與噴管喉部面積(I-I截面)之比。

圖3 超音速噴管幾何模型

用Gambit軟件進行網格劃分，采用四邊形結構化網格，對喉部和排液口處進行加密處理，網格結構如圖4所示。

圖4 二維模型網格結構

進口和出口邊界均為壓力邊界條件，給定總壓、進口溫度；對稱邊界上給定對稱性條件；固體壁面給定無滑移、無滲透條件。數值計算模型參數如下：

壓力比pR=pin/pd1.5

干氣出口壓力pd0.1MPa

濕氣出口壓力pw0.1MPa

進口壓力pin0.15MPa

氣體進口溫度Tin300K

干氣出口溫度Td300K

濕氣出口溫度Tw300K

應用CFD流體計算軟件Fluent對模型進行離散求解，采用定常耦合隱式求解器，離散方法在空間上采用二階迎風有限體積離散格式。

3.3計算結果與分析

本模擬暫不考慮氣體在Laval噴管和擴壓器中的旋轉運動，重點研究其二維流動的基本特征。對4種面積比(1.03、1.06、1.18和1.23)下的流場進行數值模擬。由于邊界層和高速流體摩擦損失，流體并非理想的絕熱等熵流，流體的總壓、總溫沿流動方向(即x軸正向)均會下降，因此以馬赫數衡量流體的速度和流動狀態。面積比為1.06時流場的馬赫數、溫度和靜壓分布云圖分別如圖5～7所示。由分布云圖可以看出，噴管在喉部以后的漸擴段內，壓力、溫度隨著流道面積的逐漸增大而減小，為天然氣中水分的分離創造了低溫環境。由于噴管工作在過膨脹狀態且背壓較高，則在排液口處產生一道激波，流動參數發生突變，激波后溫度、壓力均回升。

不同面積比下噴管內流場的馬赫數、溫度和靜壓沿軸線的變化曲線分別如圖8～10所示。從圖8馬赫數的變化可以看出：當面積比為1.03、1.06時，激波產生于x=0.16m處，即在排液口處，此時，盡管到達此處的混合流體中已經冷凝的液滴會發生部分汽化，但是在強旋流作用下，含有液滴的濕氣會被直接甩出排液口，分離出去；當面積比為1.18、1.23時，激波位置分別產生于x=0.130m，x=0.145m處，均在排液口之前，這種情況下，激波后的混合流體中已凝結的液滴發生部分汽化，而又不能被及時甩出排液口，因此分離效率下降。由圖9可知：面積比為1.06時，噴管內所達到的冷凝溫度要比面積比為1.03時更低，冷凝效果更好，由此得出最佳面積比為1.06。

圖5 馬赫數分布云圖

圖6 溫度分布云圖

圖7 靜壓分布云圖

圖8 不同面積比下馬赫數沿軸線的變化曲線

圖9 不同面積比下溫度沿軸線的變化曲線

圖10 不同面積比下靜壓沿軸線的變化曲線

4 超音速旋流分離實驗

4.1實驗流程

本實驗通過錐芯式超音速旋流分離器將混合氣體中的重組分凝結分離。配制空氣-乙醇混合氣，經超音速旋流分離器(SGS)處理后，將混合氣體中的乙醇組分脫除。在其他結構參數保持不變的情況下，通過調節錐芯位置改變SGS設備噴管漸擴段的面積比AR，并在不同壓力比條件下進行實驗。測量并計算SGS設備各端口流量、氣體露點和乙醇的脫除率。

超音速旋流分離實驗工藝流程如圖11所示。空氣(流股1)經壓縮機壓縮后，通過噴嘴流量計計算入口空氣流量；高壓空氣與經水蒸氣加熱的乙醇蒸氣(流股4)混合，形成含有微量乙醇液滴的空氣-乙醇混合氣；經過立式旋流分離器和臥式濾芯分離器雙重分離除去混合氣中的液滴后，空氣-乙醇混合氣進入SGS設備；氣流經SGS處理，含有乙醇冷凝液的濕氣從SGS排液口排出，經絲網過濾器從6號出口排出，處理后的干氣由7號出口排出。測量SGS設備各端口流體的溫度、壓力、組成及流量等參數以進行性能評價。

圖11 錐芯式超音速旋流分離實驗流程

4.2實驗結果及分析

通過空氣-乙醇混合氣中重組分(乙醇)的脫除率δETH和經處理后的干氣較入口氣體的露點降ΔTd來考察SGS設備的分離性能。乙醇脫除率δETH的計算式為：

(4)

(5)

不同壓力比條件下，混合氣中乙醇脫除率和氣體露點降隨面積比的變化曲線分別如圖12、13所示。可以看出，3種壓力比情況下，曲線呈現相同的變化趨勢。隨著面積比的增加，脫除率與露點降均先增加后減小，當面積比為1.06時，δETH與ΔTd取得最大值。當壓力比為1.75、面積比為1.06時，脫除率為40.82%，露點降為12.04℃，分離效果最佳。

理論計算與實驗測試結果表明，在壓力比恒定的情況下，較大面積比會在漸擴段內產生激波，隨著面積比的增大，激波位置前移，且強度增強，激波所引起的總壓損失增大，波后馬赫數和溫度降減小，分離效率降低。減小面積比，激波位置向排液口移動，凝結區域的長度增加，同時液滴的沉降距離也隨之減小，有利于分離。但面積比過小，會導致噴管內馬赫數過小，溫降較小，也會使分離效率降低。因此，存在一個最佳面積比，在此最佳值下，分離器的分離效率最高。

圖12 重組分脫除率隨面積比的變化

圖13 露點降隨面積比的變化

5 結論

5.1在壓力比一定的條件下，超音速旋流分離器的面積比存在一個最佳值，在此最佳值下，才能保證氣流在噴管喉部達到音速，在漸擴段內加速為超音速，溫降大且激波強度小，波后馬赫數變化平緩，從而形成冷凝分離所需的穩定的低溫環境。在筆者設定的研究條件下，當壓力比在1.25～1.75范圍時，最佳面積比為1.06，此時相應的分離效率達到最大值。

5.2在面積比一定條件下，壓力比越大，分離效率越高。在面積比為1.06、壓力比為1.75時，相應的分離效率達40.82%。

[1] 高曉根，計維安，劉薔，等.超音速分離技術及在氣田地面工程中的應用[J].石油與天然氣化工，2011，40(1)：42～46.

[2] 張書平，吳革生，于志剛，等.含濕天然氣超音速凝結研究[J].工程熱物理學報，2008，29(11)：1875～1878.

[3] Okimoto F，梁書苓，范建敏.天然氣超聲速處理技術[J].國外油田工程，2003，19(3)：32～34.

[4] 胡大鵬，代玉強，鄒久朋，等.錐芯式超音速冷凝旋流分離器[P].中國：ZL 200810011258.6，2010-02-17.

[5] 蔣文明，劉中良，劉曉麗，等.濕空氣超音速凝結特性[J].化工學報，2011，62(z1)：97～102.

ResearchonFlowCharacteristicsandSeparationPerformanceofInner-conedSupersonicCycloneSeparator

ZHAO Jian-hua, LIU Xiao-min, LIU Pei-qi, HU Da-peng

(SchoolofChemicalMachinery,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

Basing on numerical simulation and experimental test, the study on flow characteristics and separation performance of inner-coned supersonic cyclone separator was carried out, including the area ratio’s effect on the separation performance under low pressure ratio conditions. The simulation results indicate that with an increase of the area ratio,the intensity of shockwave rises and closes to the throat; when the area ratio is 1.06 and the pressure ratio ranges from 1.25 to 1.75, the shockwaves are absent in the diverging nozzle and the separation performance of the gas separator becomes the highest. The experimental results also show that when the area ratio is 1.06 alongside with 1.75 pressure ratio, the separation performance becomes highest and it can reach 40.82%. The experimental results are in agreement with the numerical calculation results.

supersonic cyclone separator, Laval nozzle, area ratio, separation performance

*國家自然科學基金資助項目(21206013)。

**趙健華，女，1989年12月生，碩士研究生。遼寧省大連市，116023。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)01-0059-05

2014-01-18，

2015-01-12)