新型除沫器的分離效率數值模擬

周三平，蔡 嬋

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

新型除沫器的分離效率數值模擬

周三平，蔡 嬋

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

研制了一種新型帶鉤折流板除沫器。利用Fluent軟件，采用k-ε模型、低雷諾數流動模型的RNG k-ε及DPM模型進行數值模擬，研究了波紋板的板間距、級數、角度和入口流速等各個因素對波紋板分離效率的影響。

除沫器；數值模擬；氣液分離

除沫器是塔設備不可或缺的組件之一，主要用于分離塔設備中氣體夾帶的液滴，提高塔設備的分離效率，降低生產物料損失，降低水含量、改善塔設備壓縮機的操作并延長壓縮機的使用壽命、減少液滴對管線和換熱器等的沖擊，防止異常事故的發生等。早先對除沫器的研究主要采用實驗研究[1-2]，之后隨著計算機技術的發展及計算流體力學(CFD)方法的成熟， CFD數值模擬方法便大量應用于除沫器研究[3-4]，開發出了許多高性能的新型除沫器。

本文研制了一種新型的折流板除沫器，并運用計算流體力學方法，對新型的折流板除沫器的板間距、級數、角度、入口流速等參數對折流板除沫器的分離效率的影響進行了數值模擬，為除沫器的工程應用提供依據。

1 除沫器的幾何模型及網格劃分

除沫器由帶鉤的的折流板組成，如圖1所示結構參數包括折流板間距D、折流板轉折角度θ和折流板級數n。

圖1 新型除沫器結構圖

除沫器由數塊折流板組成，每兩塊折流板組成一個流體流通通道，由于每個通道的流場基本相同，在此，只取一個通道進行研究。通道的幾何模型及網格劃分如圖2所示。網格劃分時，大部分的區域采用結構網格，以提高網格質量，在拐彎處等流場變化較大的地方，進行局部細化，以提高模擬精度。

圖2 折流板網格劃分圖

2 數學模型

2.1 連續相數學模型

折流板除沫器中，氣體為連續相，其流動遵循連續性方程(1)和動量守恒方程(2)。

2.2 分散相數學模型

在此，分散相為液滴。由于液滴的體積分率為10%，比較稀疏，可以不考慮液滴之間的相互作用，可以用DPM模型模擬，并采用隨機軌道模型進行液滴的軌跡追蹤，求解過程考慮了離散相對連續相的影響。

2.3 初始條件和邊界條件

模擬對象為常溫下的水和空氣，連續相為空氣，密度為1.225 kg/m3，動力粘度為1.7894×10-5kg/(m·s)；離散相為水，密度為988.2 kg/m3，動力粘度為1.003×10-3kg/(m·s)。

連續相進口邊界采用速度進口；出口條件為壓力出口，絕對壓力為常壓；壁面為無滑移，近壁面對連續相采用Non-Equilibrium Wall Functions模型。分散相進出口為逃逸邊界，壁面設置為trap，即液滴接觸壁面就被捕捉。

數值模擬中，連續相湍流模型選用RNG k-ε湍流模型，流體控制方程組采用二階迎風格式，壓力速度藕合選擇SIMPLEC算法。先求解連續相流場，收斂后，創建離散相噴射源，再進行耦合流動求解。

2.4 分離效率計算方法

對于除沫器分離效率的計算方法為：

3 結果與分析

3.1 板間距對分離效率的影響

為了分析板間距對除沫器分離性能的影響，分別對20、25、30 mm的折流板間距進行了數值模擬。模擬時折流板轉折角度為120°，級數為2級，入口氣流速度為8m/s。根據數值模擬結果，圖3(a)、(b)、(c)分別示出了板間距分別等于20、25、30 mm的折流板內液滴軌跡圖。

此外還對入口速度為2、4、6、8、10 m/s的除沫器進行了數值模擬，以分析進口速度對除沫器分離效率的影響。板間距及入口速度對液滴分離效率的影響結果如圖4所示。

圖3 不同板間距液滴軌跡

由圖3、4可知，(1)板間距越窄，最后逃逸出折流板外的液滴越少，分離效率越高，反之，間距越大，分離效率越低。主要由于折流板間距越小，在流道的作用下，氣流緊跟流道頻繁變化方向，而液滴因慣性作用，脫離氣流撞向氣壁，從而產生分離；相反，板間距越大，因氣體橫向流動余地較大，氣流方向變化較緩，液滴跟隨氣流的隨動性較高，撞擊氣壁的概率大大降低，從而導致分離效率較低；(2)鉤子對液滴的攔截作用主要發生在第一級，后面鉤子對液滴的攔截作用不明顯；(3)板間距越大，主要產生攔截作用的第一級鉤子對液滴的攔截作用越小，這也是造成分離效率降低的原因之一。這些都可以在折流板的優化作用中進一步改進，限于篇幅的限制，將另文刊出；(4)入口速度越大，分離效率越大，但是入口速度較小時，入口速度的影響程度較小，達到一定的速度后，分離效率急劇增大，即存在一個拐點，拐點之前的分離效率較低，拐點之后分離效率急劇上升。由于速度越大，壓降越大，為了同時兼顧分離效率和阻力降，在生產實際中，應該使入口速度剛過拐點；(5)板間距越小，拐點速度越小。

3.2 折流板轉折角度對分離效率的影響

為了分析折流板轉折角度對分離效率的影響，分別模擬了轉折角度為90°、100°、120°的折流板，模擬時折流板板間距為25 mm，級數為2級，入口流速為6 m/s。根據數值模擬結果，圖5(a)(b)(c)分別為轉折角度為90°、100°、120°折流板內液滴軌跡圖。

通過如圖5中云圖液滴量的比較可知，當折流板轉折角度越大，液相在通道內流動越平穩，分離效率越低。主要是因為折流板轉折角度增大則液滴繞過折流板轉折角度的離心半徑越大，所受到的離心力越小，因而液滴隨著氣相在通道內運動時隨動性越大，液滴不易與氣相分離，分離效率較低。但是轉折角不應過低，否則將導致阻力降太大。

圖5 不同折流板轉折角度的液滴軌跡

3.3 折流板級數對分離效率的影響

為了分析級數對分離效率的影響，分別取級數為1、2、3的折流板進行數值模擬，模擬時取折流板間距為25 mm，轉折角度為120°，入口流速為2、4、6 m/s等進行分析，模擬結果如圖6所示。

圖6 折流板級數對除沫器分離效率的影響

由圖6可知：(1)折流板級數越多，分離效率越高；(2)級數越多，進入高效區的拐點速度越低，這對降低阻力降有好處。所以在設計除沫器時，級數不應低于3級，當然多少合適，應該綜合考慮分離效率和阻力降確定。

4 結論

(1)新型除沫器的分離效率隨折流板板間距的減小而增大，且板間距越小，進入分離高效區的拐點速度越小；

(2)新型除沫器的分離效率隨折流板轉折角度的減小而增大，但是轉折角不應太小，否則將導致阻力降增大；

(3)新型除沫器的分離效率隨折流板級數的增多而增大，且級數越多進入高效分離區的拐點速度越低。

[1] Jamie P Monat,Kenneth J McNulty.Accurate evaluation of chevron mist eliminators[J].Chemical Engineering Progress,1986:32-39.

[2] 張春霖，張旭軍.新型油水分離器在油田污水處理中的應用實踐[J].石油化工環境保護, 2003, 26(1):30-33.

[3] 楊 柳，王世和，王小明.濕式脫硫塔除霧器流場的數值模擬[J].華東電力，2004，32(10)：634-636.

[4] 陳凱華，宋存義，李 強,等.濕法煙氣脫硫系統中折板式除霧器性能的數值模擬[J].環境工程學報，2007，1(7):91-96.

[5] 陳小榆，杜社教，朱忠喜,等.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，2015：65-93.

(本文文獻格式：周三平，蔡 嬋.新型除沫器的分離效率數值模擬[J].山東化工,2017,46(7):190-192.)

2017-03-15

周三平(1966—)，男，江西人，教授，主要從事化工機械設備研究。

TQ015.9

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1008-021X(2017)07-0190-03