旋風分離器三維數值模擬分析

李璇，回濤，王政文，高艷，張紅星

(1.蘭州寰球工程有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060；3.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近些年，隨著我國石化領域大型化的快速發展，隨之也帶來污染的問題。為了不影響人們的生活環境，各大石化企業建設為“綠色”化工廠成為了當前的首要任務。建設成為“綠色”化工廠裝置上要設置一套除塵系統，旋風分離器是除塵系統中最重要的設備之一。

旋風分離器(又名旋風除塵器)是起分離作用的一種設備，主要用于氣固或液固系統中。在工作時，它通過利用氣體混合物在分離器內部高速旋轉所產生的離心力，使顆粒分離出來。由于顆粒受到的離心力遠遠大于重力和慣性力，在較大的離心力和切向氣體混合物的作用下，顆粒被分離到了外壁，達到了分離的效果。旋風分離器的特點是結構簡單、操作彈性大、效率高、維護方便、價格低廉等等。因此在石化、制藥等領域得到廣泛的應用，此外在凈化領域也有廣泛的應用。旋風分離器采用立式筒體結構，主要包括進氣管、排塵管、排氣管、筒體、錐體、灰斗等結構組成，并采用進口面積較大、處理能力較強的180 蝸卷式進口[1-5]。旋風分離器結構簡圖，如圖1 所示。

圖1 旋風分離器結構簡圖

1 數學模型

1.1 三維建模

為便于旋風分離器三維數值模擬求解，首先對分離器內部流場作一些的簡化假設，分別為：(1) 進入分離器的氣體混合物均為穩態流動；(2) 氣體混合物在分離器的進氣口處流速均勻，處于湍流狀態；(3)進入分離器的氣體混合物為不可壓縮流體；(4)分離器內部流場為恒溫狀態；(5) 分離器下部出口處無氣體流出[6-10]。

基于以上假設，對旋風分離器建立的三維模型，如圖2(a)所示。

圖2 旋風分離器三維模型、網格劃分

1.2 網格劃分

網格劃分是數值模擬分析前處理階段中最為關鍵的一步，因為網格的好壞會對數值模擬計算造成直接的影響。為了達到更高的網格質量，決定采用結構化網格劃分，劃分結果如圖2(b)所示，網格劃分后總數為695 334 個，且單元網格均為四面體結構。結構化網格不僅能加快運算速度，還能避免網格扭曲導致的數值擴散等問題，降低計算誤差[11-13]。

1.3 模型計算

(1)顆粒受力分析

顆粒在分離器內主要受三種力[14-17]：重力P1、分離時的介質阻力P2、浮力P3。假設顆粒為球形，則P1、P2可分別由式(1)、式(2)表示：

當顆粒向下運動時，顆粒所受重力與分離方向一致，此時顆粒所受浮力與顆粒分離阻力方向相反，受到的介質阻力會不斷增加，直到與分離力數值相等。即：

(2)顆粒分離速度計算

當顆粒的所受的分離力與介質阻力相等時，顆粒會勻速下降，此時顆粒的速度即為分離速度。根據《除塵設備設計手冊》所知，顆粒分離速度vc與內部氣體流速v的關系見式(4)所示[18-20]：

已知旋風分離器設計的外形尺寸為：L=5 m，H=8.85 m，v=0.18 m/s

則通過計算可以得出顆粒分離速度為：vc=0.32 m/s。

(3)顆粒大小計算

通過查閱文獻可知，顆粒分離速度vc也可由式(5)表示：

由于顆粒的流動可以近似為層流流動，則雷諾數Re與阻力系數ζ可分別由式(6)、式(7)表示：

將其代入式(5)中，得：

當旋風分離器的結構一定時，理論上顆粒分離速度vc≥的顆粒都能從尾氣中分離出來。因此可以計算出當分離速度為vc=時，分離下來的顆粒粒徑d，由式(9)表示[21]：

已知：

ρc=1 050 kg/m3，ρ=0.28 kg/m3，g=9.8 m/s2，μ=7.0×10-6kg·s/m2，vc=0.32 m/s

則：

式(1)～式(10)中：P1為顆粒所受重力(N)；P2為分離時的顆粒所受的介質阻力(N)；P3為顆粒所受浮力(N)；d為顆粒的直徑(m)；ρc為顆粒的密度(kg/m3)；g為重力的加速度(m/s2)；ζ為流體的阻力系數；F為顆粒的投影面積(m2)；vc為顆粒的沉降速度(m/s)；ρ為進入分離器的氣體密度(kg/m3)；L為分離器的長度(m)；H為分離器的高度(m)；v為氣體流速(m/s)；Re為雷諾數；μ為黏度(1×103Pa·s)。

1.4 邊界條件

在旋風分離器的內部流場中，由于進入的氣體混合物中所占固相體積分數較小，因此決定采用氣體不可壓縮的定常流動進行模擬計算。旋風分離器模擬計算的邊界條件設定如下[22]：

(1)進口邊界。針對旋風分離器進口邊界條件的設定：首先認為氣體混合物進入分離器內部做湍流運動；其次假定混合物的法向速度是以勻速進入進口截面，定義進口邊界為inlet。

(2)出口邊界。在設定出口邊界條件時，假定氣體混合物在出口處做湍流運動，定義出口邊界為outlet。

(3)壁面邊界。設定壁面邊界條件為無滑移邊界，并采用標準壁面函數近似處理近壁區的邊界流動問題，定義壁面邊界為wall。

2 模擬分析

2.1 對分離器內部速度分布的研究

圖3 為旋風分離器中間截面上的速度分布云圖、速度矢量圖。從圖3(a)中可以看出：在分離器的中心部位，形成一個突出區域，且在排氣管底部氣體混合物的速度達到最大值，這說明此區域的紊流狀態是最大的。少部分氣體混合物進入分離器后沒有向下流動，而是直接流入排氣管。另一小部分氣體混合物從出口處返回至分離器內部，進入分離器內部后做內旋流動。結合圖3(b)，綜合分析可以看出：氣體混合物進入旋風分離器后，受到了分離器壁面的制約，氣體混合物開始向下運動，外層出現了渦旋流動[23-25]。

圖3 旋風分離器中間截面上的速度分布云圖、速度矢量圖

2.2 對分離器內部壓力分布的研究

圖4 為旋風分離器中間截面上的靜壓分布云圖、動壓分布云圖、總壓分布云圖。從圖4(a) 可以看出，旋風分離器中間截面上的靜壓分布情況較為均勻，分離器內部的靜壓比壁面處的靜壓低，進氣口處的靜壓分布最大，而分離器中心軸線上的靜壓分布最小。這說明出口處可能存在“返流”的現象，因此決定在分離器的底部設計一種全翼閥裝置，以防止此類現象的發生。從圖4(b)可以看出，旋風分離器中間截面上的動壓分布情況非常不平穩，分離器進氣口處的動壓分布最大，而分離器中心軸線上的動壓分布最小。在強制渦流區，動壓隨著分離器半徑的減小而減小，而在自由渦流區，動壓隨著分離器半徑增大而減小。經綜合分析，這可能是由于氣體混合物在分離器內部的切向速度不對稱造成的動壓分布不對稱。從圖4(c) 可以看出，旋風分離器中間截面上的總壓(即為靜壓與動壓之和)分布情況，總壓在分離器內部分布的對稱性較好，進氣口處的總壓分布最大，分離器中心軸線上的總壓分布最小，且總壓隨著分離器半徑的減小而減小。在分離器內部中心區域出現了一些扭曲現象，這是因為受到了“二次渦流”的沖擊影響所導致的[26-27]。

圖4 旋風分離器中間截面上的靜壓分布云圖、動壓分布云圖、總壓分布云圖

2.3 對分離器內部顆粒運動軌跡的研究分析

本節主要研究在旋風分離器內部顆粒大小對顆粒運動軌跡的影響，特定的選擇粒徑為1 μm 與30 μm的顆粒，并追蹤分析兩種不同粒徑的顆粒在進入分離器內部的運動情況。并觀察兩種不同粒徑的顆粒在旋風分離器內部的分離過程，從而得出分離效率規律。

圖5 為1 μm 與30 μm 顆粒的運動軌跡。從圖5(a)中可以看出，1 μm 粒徑的顆粒緊跟隨外旋流向下旋轉，之后又隨內旋流從出口流出，只有一小部分顆粒從出口處逃逸。從圖5(b)中可以看出，30 μm 粒徑的顆粒在分離器內部運動時，由于受到離心力的作用，沿壁面旋轉向下運動，沒有從出口處逃逸，而是全部從出口處流出，隨后被分離。

圖5 不同粒徑的顆粒在旋風分離器內部的運動軌跡

通過對比分析不同粒徑的顆粒在旋風分離器內部的運動軌跡，可以發現，顆粒的粒徑越大，分離效果越好，分離效率越高。這主要是因為較小粒徑的顆粒，所受的離心力較小，容易在出口處逃逸，而較大粒徑的顆粒，所受的離心力較大，相比于較小粒徑的顆粒會更早碰撞到壁面，因此會全部從出口處流出，不會從出口處逃逸[28-29]。

3 結論

對分離器內部速度場的分析：(1)排氣管底部區域的紊流程度最強；(2) 氣體混合物受到分離器內部復雜流場的作用，一小部分氣體混合物出現了“短路流”的現象，另一小部分氣體混合物進入分離器內部后做內旋流動；(3)氣體混合物進入分離器后，受到了器壁的制約，氣體混合物開始向下運動，外層出現了渦旋流動。

對分離器內部壓力場的分析：(1) 分離器內部靜壓分布較為均勻。靜壓比壁面處的靜壓低，進氣口處的靜壓分布最大，而分離器中心軸線上的靜壓分布最小，說明出口處存在“返流”的可能；(2)分離器內部動壓分布非常不平穩。在強制渦流區，動壓隨著分離器半徑的減小而減小；在自由渦流區，動壓隨著分離器半徑增大而減小，這可能是由于氣體混合物在分離器內部的切向速度不對稱造成的；(3)總壓在分離器內部分布的對稱性較好，且隨著分離器半徑的減小而減小，在中心區域出現了一些扭曲現象，這是因為受到了“二次渦流”的沖擊影響所導致的。

對分離器內部顆粒運動軌跡的分析：(1) 粒徑較小的顆粒所受的離心力較小，跟隨性較好，容易在出口處被帶出逃逸；(2)粒徑較大的顆粒離心力較大，跟隨性較差，與粒徑較小的顆粒相比較會較早地碰撞到器壁，從而較快地落入底部被捕集分離；(3)顆粒粒徑越大，分離效率越高。