新式波形板除霧器氣液分離性能評價和流場分析

馬巍威，吳小林，姬忠禮

(1.中國石油大學(北京) 化學工程學院，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

在常見的工業生產過程中，氣流中夾帶液滴的情況時常發生，這些液滴會對后續的裝置設備造成損壞，同時會消耗大量的輸送能量，從而對整個工藝過程造成消極的影響；因此，應及時去除這些液滴。以慣性撞擊作為主要分離機理的波形板除霧器具有壓降低、處理量大、結構簡單和可實現性能再生等特點，對粒徑在幾十微米數量級的液滴具有較好的分離作用；因此，波形板除霧器在煙氣脫硫、核電、天然氣凈化以及海上風電等工業場所得到了越來越廣泛的應用[1-4]，其相關性能也成為國內外學者的研究熱點。

波形板除霧器的屈角、折彎次數、流道寬度以及分離氣速等結構參數和操作參數是影響其性能的最主要因素，國內外學者對波形板的常規結構參數進行了大量的研究。劉麗艷等[5]研究了波形板結構對其內部液滴運動軌跡、速度、壓力和漩渦分布的影響規律。郝雅潔等[6]分析了除霧器的板型、板間距以及分離氣速對不同粒徑霧滴的除霧效率的影響。NAKAO等[7]和Estakhrsar等[8]分別采用試驗和數值計算的方法分析了波形板折彎次數對其壓降和效率的影響。Banitabaei[9]試驗研究了波形板壓降與板間距的關系。然而，由于二次夾帶現象[10-11]的存在，常規結構的波形板往往性能較差，因此增加排液結構的波形板是目前應用廣泛的形式。國內一些學者[12-13]將增加排液結構之后的波形板與常規結構的波形板做了對比，研究了排液結構對波形板效率和壓降的影響。國外的學者對排液結構本身的參數做了研究和優化設計，James等[14]對帶有鉤式排液結構的波形板的內部流場進行了分析，并考慮了排液鉤寬度的影響。Estakhrsar等[15]和Kavousi等[16]給出了鉤式排液結構的長、寬和彎角的最佳取值范圍。Venkatesan等[17]研究了波形板內部不同位置的排液鉤對其性能的影響。在上述研究的基礎上，很多學者提出了各種波形板優化設計方法[18-20]，在實際工業應用中也出現了一些新式的波形板結構。

目前，針對波形板的研究大多以常規結構或具有簡單排液結構的舊式波形板為主，鮮有對應用廣泛的新型波形板的研究，且在已有研究中所涉及的液滴粒徑往往比較單一，不符合實際應用場合液滴粒徑分布范圍較大的情況，另外，實際應用過程中所分離的液滴濃度往往是存在變化的，加液濃度對波形板性能影響的相關研究也較少。本文采用試驗方法，在10～200 μm液滴粒徑分布范圍較大的條件下，將工業生產中廣泛應用的新型波形板與舊式波形板進行性能對比評價，研究氣速和加液濃度的變化對波形板的壓降和效率的影響，并采用數值模擬計算的方法對波形板內部流場進行分析。

1 試驗裝置

試驗裝置由霧化噴嘴混合室、沉降段、分離室、稱重水箱、空壓機、霧化噴嘴、流量計、水泵、差壓變送器和離心風機等設備組成(見圖1)。裝置內部由離心風機帶動空氣流動，可在1～6 m/s內自由調節氣速。在空壓機提供的0.4 MPa壓縮空氣和水泵提供的0.4 MPa水壓條件下，空氣霧化噴嘴產生的液滴首先進入混合室，空氣和液滴充分均勻混合之后，由混合室經由沉降段進入分離室。沉降段的作用能夠使通過波形板的氣水混合物更加均勻，同時有效地減少了液滴在進入分離室前由于沉降產生的試驗誤差。沉降段和分離室分別與2個水箱連通，用于收集計量被分離水和沉降水。

圖1 波形板除霧器試驗裝置示意圖

2 試驗方法

試驗中對4種具有不同結構特征的波形板進行性能測試，尺寸如圖2所示，A、B為舊式波形板，C、D為新式波形板。4種波形板均由1 mm厚不銹鋼壓制而成，長度和高度均分別為0.16和0.44 m，流道寬度為0.03 m，每組波形板具有4個流道。

圖2 波形板結構尺寸

利用裝置出口處的文丘里流量計直接測得試驗管道內的空氣流量Q，根據波形板流道面積，計算可得波形板內氣速為：

(1)

利用天平分別測出裝置中3個水箱(加液水箱m1、沉降水箱m2、分離水箱m3)在試驗前后的質量變化，計算出實際進入波形板內部的液滴質量min(min=m1-m2)，并且進一步可得波形板的分離效率為：

(2)

試驗中記錄測試時間t(h)，則可求出單位時間內的加液量為：

(3)

進而可求出進入波形板內部氣液混合物中液滴的質量濃度為：

(4)

利用丹麥Dantec公司生產的Fiber flow型相位多普勒粒子分析儀(粒徑測量范圍為0.5～2 000 μm，精度等級1級)對霧化噴嘴混合室中液滴的粒徑分布進行標定，測得試驗中所加入液滴的粒徑分布如圖3所示。

圖3 液滴粒徑分布

3 數值模擬方法

3.1 物理模型簡化

在實際應用過程中，波形板流道內的流動是三維粘性的非定常流動，其過程非常復雜，因此需要在計算時對流場進行適當簡化。由于波形板的高度遠大于其寬度，并且各流道的形態一致，因此可將計算區域簡化為單一流道的二維模型。由于波形板流道內部氣速≤6 m/s，可將氣相視為不可壓縮氣體。網格劃分整體采用非結構化四邊形網格，在近壁面處以及對波形板性能有顯著影響的區域進行網格加密，生成邊界層網格。調整網格密度，將y+值控制在1～5。

3.2 計算模型

計算中采用Realizablek-ε模型，相較于其他形式的k-ε模型，它可以更精確地預測平板的耗散率，并且對于旋轉流動、流動分離和二次流具有更高的計算精度。控制方程如下。

連續性方程：

(5)

Navier-stokes方程：

(6)

(7)

k-ε方程：

(8)

(9)

3.3 邊界條件

將氣相在入口界面的速度視為均勻分布，采用速度入口條件、出口條件為自由出口，壁面無滑移。近壁面模型采用增強壁面處理，考慮壓力梯度的影響。為保證求解精度，壓力插值格式采用PRESTO！，動量、湍流動能和湍流耗散率的插值格式均為二階迎風。

4 試驗結果分析

4.1 壓降分析

波形板內部的壓降是由與其進出口相連接的壓差變送器直接測得。4種波形板壓降對比如圖4所示。從圖4可以看出，4種波形板的壓降均隨氣流速度的增大而上升，但新式波形板C和D的壓降增長率要遠低于舊式波形板A和B，壓降分別保持在壓降最高的波形板A的50%和25%。由于4種波形板的流道長度和寬度相同，因此影響壓降變化的最主要因素是流道內部的結構特征。波形板A和B的結構相似，但A的壓降高于B，原因在于氣流在波形板A流道內部轉向的次數更多，轉向角更大，因此會產生更大的摩擦損失，所以壓降上升的更快。新式波形板C和D相較于舊式波形板A和B，流道內部的氣流轉向角更小，并且調整了流道進出口鉤式排液結構的位置，使其對流道中心區域氣流的影響減弱，減緩了壓降的增長。波形板D采用后續的袋式排液結構替代了鉤式排液結構，進一步減小了壓降，其原因是袋式結構使波形板內部流道的有效流通面積增大，減小了氣流的流通阻力。

圖4 4種波形板壓降對比

4.2 效率分析

在氣流含液濃度為30 g/m3條件下，4種波形板的分離效率曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著氣速的增大，波形板的分離效率上升，當超過臨界氣速時，分離效率開始隨氣速的增大而下降，這是由于發生了二次夾帶現象，被分離的液滴再次被氣流帶走，主要原因是氣流橫掠波形板壁液膜，使液膜破碎，以及液滴自身動量過大，撞擊波形板后發生破裂、飛濺。在氣速為1和2 m/s時，各波形板效率差別不大，這是由于低氣速時，液滴的慣性較小，只有較大的液滴被分離，而大部分小液滴跟隨氣流逃逸出了波形板，因此，波形板內部結構的不同對分離效率的影響并不明顯。舊式波形板A和B的臨界氣速出現在3～4 m/s，而新式波形板C和D的臨界氣速出現在4～5 m/s，因此波形板C和D在實際應用中能夠高效處理更大的氣量。在各波形板達到最高效率時，新式波形板C和D的效率比舊式波形板A和B高出約5%～15%。此外，當氣流速度超過臨界氣速后，波形板A、B和C的效率出現明顯下降，而波形板D的效率仍然能夠保持在較高的范圍，下降幅度<5%，說明波形板D所特有的袋式排液結構比其他3種波形板的鉤式結構更有利于減弱二次夾帶現象對波形板分離性能的影響。

圖5 在氣流含液濃度為30 g/m3條件下4種波形板的分離效率隨氣速變化曲線

在14～30 g/m3內調節裝置入口加入液滴的濃度，研究液滴濃度對波形板分離效率的影響，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，在5 m/s氣速條件下，4種波形板的分離效率均隨氣流含液濃度增大而升高，這是由于當氣流中含有的液滴增多時，加劇了液滴間的相互作用，更多的小液滴團聚成為大液滴，更加容易被分離。當氣流含液濃度由30 g/m3降至15 g/m3時，氣流中小液滴比重增大，波形板A、B和C的分離效率均<50%，波形板B和C的分離效率下降幅度達到25%，此時波形板D的分離效率僅下降10%，對含有較多小液滴的氣流，仍能保持較高的分離效率，說明波形板D的袋式排液結構對小液滴的分離效果比鉤式排液結構更好。

5 流場分析

在1～6 m/s氣速內對4種波形板流道內部流場進行模擬。為了驗證本文在模擬計算中采用的模型及方法的準確性，將波形板壓降的試驗測量值和模擬計算值進行對比(見圖7)。從圖7可以看出，各波形板壓降的試驗值與模擬值吻合較好，驗證了本文模擬計算結果的可靠性。

圖6 在5 m/s氣速條件下4種波形板的分離效率隨氣流含液濃度變化曲線

圖7 波形板壓降模擬值與試驗值對比

氣速為1 m/s時，A、B、C和D這4種波形板流道內部的氣相速度云圖如圖8所示。從圖8可以看出，在舊式波形板A和B流道內部存在2個回流區域，其中一個出現在流道折彎處，另一個出現在排液結構附近。在鉤式排液結構處出現了明顯的邊界層分離現象，使得鉤式排液結構頂部外側產生高速流，同時鉤式排液結構后部存在低速區，氣體流經此區域時產生回流，是波形板壓降的主要來源。波形板A和B的內部流動特征相似，但由于波形板B的轉向角小，高速流集中在更小的范圍內；波形板C表現出與波形板A、B不同的流動特征。第1個鉤式排液結構位置由流道折彎處的頂部后移至折彎下游段，使鉤式排液結構避開了氣流的中心流域，在鉤式排液結構的頂部并未出現氣流加速的情況，同時在鉤式排液結構的后部也未出現低速區域，有效地減小了氣流的摩擦損失，減緩了壓降的增長。在波形板C的后段，在第3個和第4個鉤式排液結構的共同作用下，流道的中心區域產生了明顯漩渦，加強了液滴的分離。波形板D內部呈現出比其他3種波形板更穩定的流動特征和更多的回流區。第1個鉤式排液結構在波形板C的基礎上加寬加深，其內部形成了明顯的漩渦，增強了對液滴的分離效果。袋式排液結構內部出現了明顯的漩渦，小液滴在流經此處時很容易隨氣流進入袋式排液結構中被分離，并且袋式排液結構對附近流場的干擾遠小于鉤式排液結構。同時，在波形板D的出口附近的凹槽結構也可使氣流在此處產生小范圍的回流，對波形板前段未能分離的液滴具有一定的分離作用。

隨著氣流速度增大，氣流的慣性增大使波形板流道內部結構對流場的影響更加明顯，氣速6 m/s時4種波形板流道內部氣相速度云圖如圖9所示。與氣速1 m/s時的云圖相對比，波形板流道內部的高速流更集中，回流區范圍擴大。回流區一方面能夠使液滴在通過該區域時更加容易被板壁捕捉，從而增強分離作用；另一方面，當氣速超過臨界氣速時，回流氣流會將板壁上的液滴再次卷回氣流中，產生二次夾帶，回流區的擴大使二次夾帶更容易發生，這就是在6 m/s氣速下，波形板效率降低的主要原因。波形板A、B和C具有的鉤式排液結構開口較大，內部的液滴容易被高速氣流再次帶走，但是當液滴被卷入波形板D的袋式排液結構之后，液滴大多集中在內部的死角區域，很難再進入到中心氣流中，能夠有效避免二次夾帶。

圖9 氣速為6 m/s時4種波形板流道內部的氣相速度云圖

6 結語

通過上述研究，可以得出如下結論。

1)相同氣速條件下，新式波形板比舊式波形板的壓降更低；在1～2 m/s低氣速下，新舊波形板效率差別不大，當氣速繼續增大時，新式波形板的效率更高，且臨界氣速大于舊式波形板，因此新式波形板更適于較大處理氣量的工況。

2)其他工況條件不變，通過波形板的液滴濃度增大，由于液滴碰撞、聚合作用，大液滴比重增大，波形板的分離效率升高。新式波形板D在液滴濃度變低時，效率相對保持穩定，適用于低液滴濃度工況。

3)鉤式排液結構在波形板流道中的位置由折彎處頂部后移至下游段，可有效降低波形板的壓降，減小對流場的干擾；袋式排液結構相比于鉤式排液結構，對流場的干擾更小，對小液滴分離效果更好，同時能夠減小二次夾帶現象對波形板分離性能的影響。

4)類似于新式波形板D的非前后均一結構比舊式波形板的前后均一結構，更適于實際應用中液滴粒徑分布范圍廣、濃度變化不定等復雜工況。

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