基于CFD的入口管對氣液旋流分離器的影響研究

吳允苗　朱朝鴻

摘要：通過CFD方法研究入口管長度、入口管傾斜度對氣液旋流分離器溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)、氣相出口壓力降的影響.結(jié)果顯示，氣相出口壓力降變化與入口管長度的增加正相關(guān).溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)則是隨著入口管長度的增加呈現(xiàn)先降再升的趨勢，最后保持在一個較穩(wěn)定的水平.入口管傾斜度的增加，對于提高溢流管口的氣相體積分?jǐn)?shù)是可取的，但是以能耗的增加作為代價.綜合考慮，若兼顧最大限度分離氣相的目標(biāo)和節(jié)能環(huán)保的要求，則入口管的長度應(yīng)取100mm較為合適，入口管的傾斜度取10°為宜.

關(guān)鍵詞：CFD;氣液旋流分離器;數(shù)值模擬;入口管

中圖分類號：O359.1;TQ051.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0025-02

旋流分離是一種多相流的分離技術(shù)，通常在旋流分離器中進(jìn)行.在這一分離過程中，互不相溶的兩種或多種物質(zhì)在離心力的作用下，通過物質(zhì)之間的密度差來實現(xiàn)分離，即密度小的物質(zhì)，往旋流分離器的軸心方向運動，形成內(nèi)旋流;密度大的物質(zhì)則往壁面運動，形成外旋流，內(nèi)外旋流最終通過不同的出口導(dǎo)向通道進(jìn)行排出，完成分離的過程.氣液旋流分離器是常見的旋流分離器的一種，因其分離效率高、設(shè)備體積小、能適合長周期運轉(zhuǎn)等諸多優(yōu)點，在石油化工、污染治理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.而入口管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣液旋流分離器性能的影響不容忽視.而如果全部依靠實驗來研究氣液旋流分離器入口管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，則需要耗費大量的設(shè)備加工成本、實驗測試成本和人力時間成本.[1-10]本研究通過CFD（Computational Fluid Dynamics，即計算流體力學(xué)）手段，考查入口管長度、入口管傾斜度對氣液旋流分離器溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)、氣相出口壓力降的影響.這對于氣液旋流分離器分離性能的提高和設(shè)備能耗的降低具有重要的參考價值.

1 數(shù)值計算

本研究所建立的氣液旋流分離器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其尺寸大小、網(wǎng)格劃分、邊界條件、模型參數(shù)參照文獻(xiàn)[11]中的設(shè)置.

2 入口管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

入口管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化帶來的影響，主要是通過改變混合物在到達(dá)旋流分離區(qū)域之前的物理狀態(tài)來實現(xiàn)的.本文從入口管長度和入口管傾斜度兩方面著手，對入口管結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對旋流分離造成的影響進(jìn)行了研究.

2.1 入口管長度的影響

筆者主要通過對溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)和氣相出口壓力降的分析，來研究入口管長度對氣液旋流分離器分離性能的影響.溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)主要體現(xiàn)氣液兩相分離的效果，而氣相出口壓力降則能體現(xiàn)氣液旋流分離設(shè)備的能耗損失.

2.1.1 對溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)的影響

如圖2所示，在所有的操作條件保持不變的情況下，入口管長度的增加，等同于延長了旋流分離時間，此時溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢是先降后升.當(dāng)入口管長度處在120～140mm區(qū)間內(nèi)時，氣相體積分?jǐn)?shù)下降速度最快;100～120mm區(qū)間內(nèi)最小，當(dāng)入口管長140mm時出現(xiàn)最小值.當(dāng)入口管長度繼續(xù)增大時，氣相體積分?jǐn)?shù)開始上升，且上升的速度逐步放緩.至入口管長度為200mm，氣相體積分?jǐn)?shù)時穩(wěn)定在92%附近，入口管長度在100mm和180mm時的氣相體積分?jǐn)?shù)值大小接近.

綜上所述，隨入口管長度的增大，氣相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先降后升變化趨勢.從分離更多氣相的目的出發(fā)，這里入口管的長度可以取100mm或180mm.

2.1.2 對氣相出口壓力降的影響

在相同的操作條件下，入口管長度的增加，則氣液旋流分離所花費的時間也會增加，由圖3可知，氣相出口壓力降也在一直上升.入口管長度處在120～140mm區(qū)間內(nèi)時，氣相出口壓力降的上升速度最快;100～120mm區(qū)間內(nèi)上升速度最慢.當(dāng)入口管長度在140～200mm范圍內(nèi)變化時，氣相出口壓力降的上升速度大致接近，并在200mm出現(xiàn)最大值.

壓力降的增加，表明能耗的增加.綜上所述，從節(jié)能的角度出發(fā)，同時兼顧最大限度分離氣相的目標(biāo)之后，入口管的長度取100mm較為合適.

2.2 入口管傾斜度的影響

入口管傾斜度的影響主要通過對溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)和氣相出口壓力降的分析來進(jìn)行.

2.2.1 對溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)其他操作條件保持一致時，入口管傾斜度增加有利于混合物的分層.隨著入口管傾斜度加大，溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化是先降后升.由圖4可知，當(dāng)入口管從水平位置傾斜3°時，溢流管口的氣相體積分?jǐn)?shù)下降，并出現(xiàn)最低值.6°～9°區(qū)間氣相體積分?jǐn)?shù)變化平穩(wěn).之后隨著入口管傾斜度的不斷增大，氣相體積分?jǐn)?shù)開始上升，9°～12°區(qū)間上升速度最快，并且在12°時達(dá)到峰值;6°～9°區(qū)間次之.當(dāng)入口管傾斜角度超過12°時，氣相體積分?jǐn)?shù)開始下降.

綜上所述，隨著入口管傾斜度增大，氣相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先降后升變化趨勢.從分離更多氣相的目的出發(fā)，這里入口管的傾斜度以12°為宜.

2.2.2 對氣相出口壓力降的影響

如圖5所示，氣相出口壓力降隨入口管傾斜度的變化情況，大致與溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢接近，都是先升后降.當(dāng)入口管的傾斜度在0°增加到6°時，壓力降的大小逐漸下降，其中3°～6°區(qū)間下降最為明顯，0°～3°區(qū)間次之，并且在傾斜度為3°時出現(xiàn)最小值.之后隨著入口管傾斜度的持續(xù)增加，氣相出口壓力降的值開始快速上升，至傾斜度為12°時達(dá)到峰值.當(dāng)入口管的傾斜度大于12°時，氣相出口壓力降開始下降.

壓力降的多少，與能耗的大小正相關(guān).綜上所述，從節(jié)能的角度出發(fā)，同時兼顧最大限度分離氣相的目標(biāo)之后，入口管的傾斜度取10°較為合適.

3 結(jié)論

氣相出口壓力降變化與入口管長度的增加正相關(guān).溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)則是先降再升，最后保持在一個較穩(wěn)定的水平.在實際生產(chǎn)中，若入口管長度過長，也會造成安裝檢修上的不便.由對比可知，若兼顧最大限度分離氣相的目標(biāo)和節(jié)能環(huán)保的要求，則入口管的長度應(yīng)以取100mm為宜.

增加入口管傾斜度，對二者的影響也是相近的，但溢流管口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢要較為溫和些.總體上看，從旋流分離所要達(dá)到的效果來說，入口管傾斜度的增加，對于提高溢流管口的氣相體積分?jǐn)?shù)是可取的，但是是以能耗的增加作為代價的.由對比可知，若兼顧最大限度分離氣相的目標(biāo)和節(jié)能環(huán)保的要求，則入口管的傾斜度取10°較為合適.

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