固气旋风分离器分离效率影响的数值分析

刘向阳 (中石化江汉油田管理局勘察设计研究院，湖北 武汉 430073)

刘向阳 (中石化江汉油田管理局勘察设计研究院，湖北 武汉 430073)

采用计算流体动力学软件(Fluent)对旋风分离器进行数值模拟计算，采用雷诺应力模型(RSM)模拟旋风分离器内流体的流动，分析了流量、溢流管深度和入口形式对分离效果的影响。研究表明：①在一定流速范围内，当流速降低对大颗粒(d≧100μm)分离效果没有太大的影响，但分离速度降低，分离效率减少；对中等粒径(20μm

旋风分离器；Fluent；流量；雷诺应力模型(RSM)；溢流管深度；入口形式

分离器是石油化工行业必不可少的一种设备，分离技术是伴随着石油工业的发展而不断的进步，在20世纪80年代前主要采取的重力分离和碰撞聚结分离[1]。20世纪90年代后，离心分离得到快速的发展。旋风分离器就是利用离心分离原理的分离设备，其因结构简单、分离效率高等优点，如今越来越广泛应用于石油化工行业[2-4]。由于液固分离中固体颗粒分离效果受到多种工况和参数的影响，高效分离效率很难达到[5-7]，为此笔者采用计算流体动力学软件(Fluent)对旋风分离器进行数值模拟计算，分析流量、溢流管深度和入口形式对分离效果的影响。

1 计算模型和边界条件

表1 旋流器结构参数

由于旋风分离器内部流动的湍动度较大以及流动的各向异性特征，因此笔者采用雷诺应力模型(RSM)模拟旋风分离器内流体的流动。其控制方程包括连续性方程、运动方程和雷诺应力输运方程，对固体颗粒组分采用DPM(欧拉-拉格朗日离散相模型)进行颗粒追踪。在旋风分离器性能校核过程中，物理边界条件如表1所示，边界类型如表2所示。

采用结构四边形网格对所建立的几何模型计算区域进行网格划分。通过多次设定计算，确定模型最佳网格单元数为35万个，即能保证计算结果的网格无关性，又能保证计算速度。旋流器模型和网格分布图如图1所示。

2 计算结果分析

2.1旋风分离器处理量对性能的影响

当入口速度分别为4m/s和8m/s时，其他条件不变，对旋风分离器内部不同大小粒径(10、30、50、60、80、100、120μm)的颗粒进行分离研究，如图2所示。由图2可知，固体颗粒的悬浮液在分离器内旋转时，悬浮于流体中的固体颗粒及流体受到离心力的作用。对于固体颗粒，当离心力大于颗粒运动所承受的向内径向阻力时，固体颗粒将克服阻力作用而向水力旋流器边壁移动，与流体分离开，并在后续液流的推动下沿器壁向下运动。颗粒粒径小于50μm的颗粒由于受到离心力较小，主要聚集在轴线附近，未能达到器壁和底部，不能有效分离，而粒径大于80μm的颗粒大部分沉降到旋流除砂器底部，或部分直接被甩向器壁，最后沉降到底部，得到有效分离。

图1 旋流器模型和网格分布图

表2 边界类型

图2 颗粒的分离效果图

表3 颗粒捕获率对比分析表

通过表3分析可得，当流体入口速度减小时，由于除砂器入口速度降低，多相流中混合的大粒径颗粒不能很好进行的预分离(大部分颗粒不能直接被甩向壁面)，大颗粒(d≧100μm)分离效果没有太大的影响，但分离速度降低，分离效率减少；对中等粒径(20μm

2.2溢流管插入深度对旋风分离器性能的影响

其他的参数条件不变，只改变溢流管的插入深度(65mm(与入口底边平行)、100mm、130mm)，对旋风分离器进行数值分析，并跟踪粒子分析其轨迹，如图3所示。由图3可知，随着溢流管插入深度的增加，颗粒都逐渐远离分离器中心轴，大粒径颗粒更加迅速的到达壁面和沉砂口，分离速度增加，小粒径颗粒分离效果增强，故可得溢流管插入深度的增加有利于固气分离效率。

表4 溢流管插入深度对压力降的影响

通过数值分析(见表4)，可得溢流管插入深度对压力降的影响。溢流管插入深度对压力降变化的影响不是很大。因为只改变插入深度，只是改变了分离空间的大小，对于各部分阻力的影响不大，所以不会造成太多能量的损失。

2.3入口型式对旋风分离器性能的影响

旋风分离器的入口形式对其分离性能、压降等产生较大的影响，由于矩形入口比圆形入口更有助于进料沿水力旋流器扩展，一般采用矩形入口。矩形入口可分矩形切向入口和矩形蜗壳式入口。笔者对工业常用的2种不同形式矩形入口进行数值分析，得到其粒子轨迹分布(见图4)，其他条件相同，不管是采用矩形切向入口还是矩形蜗壳式入口，旋风分离器对于大粒径颗粒(100，150μm)均产生了较好的预分离效果。但是蜗壳式入口相对于矩形切向入口型式，增大了旋风分离器的入口半径。这个入口半径的增加，使得进流量的增加(生产能力的增大)，同时会导致内旋涡旋速度的增加，分离粒径减小，分离效率提高。

图3 溢流管插入深度对分离性能的影响

图4 不同入口型式下颗粒的分离性能

3 结 论

1)在一定流速范围内，当流速降低对大颗粒(d≧100μm)分离效果没有太大的影响，但分离速度降低，分离效率降低；对中等粒径(20μm

2)在一定长度范围内，随着溢流管插入深度的增加，大粒径颗粒分离速度增加，小粒径颗粒分离效果增强，溢流管插入深度的增加有利于固气分离，并且溢流管插入深度对压力降的影响不大。

3)蜗壳式入口相对于矩形切向入口型式，增大了旋风分离器的入口半径，使得进流量的增加(生产能力的增大)，同时会导致内旋涡旋速度的增加，有效分离粒径减小，分离效率提高。

[1]A.C.霍夫曼，[美]L.E.斯坦因.旋风分离器一原理、设计和工程应用[M].彭维明，姬忠礼译.北京：化学工业出版社，2004.

[2]张劲松，赵勇，冯叔初.气-液旋流分离技术综述[J].过滤与分离，2002，12 (1)：113-116.

[3]曹学文，林宗虎，黄庆宣，等.新型管柱式气液旋风分离器[J].天然气工业，2002，22(2)：71-75.

[4]Movafaghians，Jaua-Marturet J A，Mohan R S，et al.The effects of geometry,fluid properties and pressure on the hydrodynamics of gas-liquid cylindrical cyclone separators[J]. International Journal ofMultiphase Flow,2000，26：999-1018.

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[6] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值模拟计算方法研究明[J].郑州大学学报(工学版)，2005，26(1)：57-59.

[7]王海刚.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较[J].热能动力工程，2003，18(4)：237-243.

2012-10-24

刘向阳(1970-)，男，工程师，现主要从事高效分离设备方面的研究工作。

TE931.1

A

1673-1409(2013)01-0068-03

[编辑] 洪云飞