波紋板填料氣液分離器分離性能數值研究

宋曉明

(承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北 承德 067000)

氣液分離技術主要是將滴狀液體從氣體介質中分離，獲取高潔凈品質的氣相流體介質，以此來保證設備的穩定、高效運行[1]。目前，氣液分離技術主要有物理沉降式分離、過濾式分離、慣性力式分離和離心力式分離等，按所用填料及其結構形式分為絲網氣液分離器、波紋板式氣液分離器、纖維床式氣液分離器和旋風式氣液分離器幾種。目前，波紋板式氣液分離器廣泛應用于石油、液化天然氣及煤電蒸汽的凈化和核電等能源戰略領域，具有廣闊的市場應用前景[2-3]。

我國針對波紋板填料氣液分離技術的研究起步較晚，而美、德、日等發達國家于20世紀60年代就已經開始了試驗研究，高效分離技術已比較成熟[4-5]。隨著計算機技術的飛速發展，國內外學者開始應用數值模擬為實驗研究提供方向性指導，研究方向主要集中在氣液分離性能的提高和波紋板結構優化等方面。由于波紋板內部流體流動的復雜性，波紋板的結構設計依然主要依靠經驗和大量的反復實驗來進行參數優化，耗費大量的時間成本和人力成本，嚴重限制了波紋板填料氣液分離技術的推廣應用[6]。

本文基于CFD數值模擬技術研究波紋板內部流體的流場特性，研究其分離性能的優劣，為波紋板氣液分離技術的推廣應用提供一定的理論依據。

1 波紋板填料

氣液分離器是鉆井過程中對來自管匯中的液侵原氣進行凈化處理，除去混入天然氣中的液滴，回收初步凈化的天然氣的專用設備，如圖1所示。波紋板填料作為氣液分離器中的核心零部件，實現氣液兩相高效分離，工程中常用波紋板結構形式為梯形，如圖2所示。其工作原理為：波紋板板內通道結構曲折急轉，當氣液兩相混合流體介質流經波紋板內部通道時，復雜的內部通道迫使氣流發生曲折運動并在轉角處制造氣流擾動，致使離散相的液滴撞擊板壁而形成液膜，液膜不斷積聚增大到一定程度因自身重力作用流入疏水裝置達到氣液分離。

2 數值模擬計算

2.1 計算模型和網格劃分

氣液兩相在波紋板通道內流動時，連續相介質為氣體、不連續的離散相介質為液滴，屬于復雜的三維兩相的瞬態過程。本文中，氣液兩相介質流經波紋板通道時，液滴的重力及浮力垂直于流動方向，且各通道結構相同，可將計算模型簡化為二維單通道模型，計算區域由兩塊波紋板組成。

網格劃分采用icem專用劃分網格軟件，截取板長200 mm的流場區域作為計算域，采用全四邊形網格單元的結構化網格進行劃分，對計算域內的近壁面進行局部加密處理以保證計算精度，網格數量控制在10萬左右以保證計算精度和計算速度，網格劃分結果如圖3所示。

2.2 邊界條件及求解設置

1)連續相邊界條件

介質物性：空氣，密度1.29 kg/m3，動力粘度1.79×10-5kg/(m·s)。

進出口條件：速度入口，氣流速度在進口截面均勻分布；壓力出口，操作壓力為標準大氣壓。

壁面條件：波紋板壁面光滑無滑移、無熱量交換。

2)離散相邊界條件

液滴物性：水，密度988.2 kg/m3，動力粘度1.003×10-3kg/(m·s)。

進出口條件：速度進口，與連續相相同。

液滴平均粒徑：20 μm，液滴噴射類型為表面surface，在氣體中的體積含量為8.0%。

壁面條件：選擇捕集trap類型。

選擇Realizablek-ε湍流模型，計算過程接近流體介質的真實流動，流動中的動量、湍動能等變量均選用二階迎風插值格式。采用DPM模型中的顆粒隨機軌道模型追蹤液滴在波紋板內的運動情況，液滴初始分布采用隨機rosin-rammler分布，噴射模型選用隨機軌跡選擇方法，同時采用隨機模型追蹤(stochastic tracking)方法來模擬湍流效應對液滴顆粒彌散的影響。

2.3 計算求解

通過材料設置、邊界條件設定以及模型選取等一系列操作后，為保證計算結果的穩定性、精確性及解的收斂性，還需設置求解器中的數值，正確選擇各通用方程的差分格式，以SIMPLEC為速度與壓力耦合方法，以各項參數的殘差小于0.000 1為收斂標準，設置完后開始運行Fluent進行數值迭代計算。

3 數值模擬分析

計算結束后，對計算結果進行后處理，得到波紋板內部流場和液滴運動軌跡分布云圖(見圖4)。

由圖4可以看出，氣相介質的流速大小和方向在通道內不斷變化，進口截面附近分布均勻，當經過斜通道時速度顯著增大、到達拐角處達最大值；氣相介質在進口壓力最高，在經過斜通道后壓力降低，可見氣相介質順利通過彎曲通道是以產生壓力損失為代價的；波紋板對氣相介質中液滴的去除作用顯著，在進口階段液滴含量較高，當氣流經過第一個彎通道時，大部分液滴由于慣性不能跟隨氣流通過彎通道而直接沖向波紋板壁面進而被壁面所捕集，波紋板對液滴的捕集主要發生在通道內沿氣流方向的斜面上，而在氣流的背向斜面幾乎沒有捕集。

3.1 性能分析

波紋板氣液分離性能優劣的指標主要是壓力損失與分離效率，其最優的結構是具有較高的分離效率和較低的壓力損失，分離效率是保證氣相介質潔凈品質的前提，而壓力損失過大會增加系統成本、降低氣相介質品質。

3.2 流場壓力損失

對fluent仿真結果進行后處理，得到不同入口流度下波紋板內流場壓力損失情況，如表1所示。

從表1可以看出，不同板間距波紋板的壓力損失隨入口流速的增大而增大。由此可見，通過無限制的提高流速來提高波紋板氣液分離器的性能是不現實的。

3.3 波紋板分離效率

依據文獻[3]，在流場入口處以氣相同樣的速度(與氣流場入口速度相同)均勻分布噴入液滴相，這樣該直徑液滴的分離效率η由下式確定：

(1)

式中，N捕是被捕集的液滴數，N入是入口噴入的總液滴數。

經計算，波紋板在不同入口流速下對液滴的分離情況如表2所示。

表1 不同入口流度下波紋板內流場壓力損失值

表2 不同入口流度下波紋板對液滴的分離效率

從表2可知：入口流速對氣液分離的影響顯著，隨著流場速度的增加，氣液分離效率逐漸增大，當流場速度增大到6 m/s以上時，波紋板對液滴的分離情況的改善并不明顯。

4 結論

本文以波紋板填料作為研究對象，重點研究波紋板內部流體的流場特性及其其分離性能，通過fluent仿真模擬分析，得出以下結論。

1)波紋板對氣相介質中液滴的去除作用顯著的，對液滴的捕集主要發生在通道內沿氣流方向的斜面上，同時介質通過波紋板產生了一定的壓力損失。

2)入口流速對對波紋板分離性能的影響顯著，隨流速的增加，氣液分離效率逐漸增大，但壓力損失也在不斷增大；當流場速度>6 m/s時，波形板對液滴的分離情況的改善并不十分明顯而壓力損失卻很大。