孫 剛

（許昌學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 許昌461000）

0 引言

螺旋管復(fù)合氣液分離器作為能源輸送設(shè)備中比較關(guān)鍵的部件，其作用是將氣體和液體有效分離，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效果好、適應(yīng)大流量和含氣量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 螺旋管復(fù)合氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、分離性能的優(yōu)劣，對(duì)最終能源產(chǎn)品質(zhì)量有著不可忽視的影響。 所以，了解分離器的工作原理，研究其內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，將有著非常重要的意義。 本文則應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法和相關(guān)軟件模擬研究分離器內(nèi)流體流動(dòng)的規(guī)律，從而為分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的參考依據(jù)。

1 分離器工作原理

文章所設(shè)計(jì)的螺旋管復(fù)合氣液分離器的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，整個(gè)分離器外觀呈圓柱筒形，設(shè)計(jì)總高度為2400mm，桶內(nèi)徑為600mm，主要包括混合液流進(jìn)口、氣體出口、液體出口和底面排污口，可分為集氣部分、螺旋分離部分、集液部分三個(gè)組成部分。

集氣部分呈筒腔狀，設(shè)計(jì)高度400mm，內(nèi)徑600mm，主要用于對(duì)氣體攜帶少量油品的回收和對(duì)分離出的氣體進(jìn)行匯聚排空；螺旋分離部分主要由螺旋管分離元件組成，螺旋管部分設(shè)計(jì)總高600mm，由6圈螺旋構(gòu)成，螺距100mm，螺旋管內(nèi)徑30mm，旋轉(zhuǎn)半徑200mm。 集液部分由入口分離段、液體儲(chǔ)存段、液封段組成，主要用于對(duì)經(jīng)旋流分離得到的氣液部分進(jìn)行進(jìn)一步分離，經(jīng)此分離之后，液體靠重力進(jìn)入儲(chǔ)液部分，氣體上升進(jìn)入集氣部分，氣液開始進(jìn)入重力沉降分離過程。其中，入口分離段設(shè)計(jì)高度600mm，液封段設(shè)計(jì)高度400mm

圖1 螺旋管復(fù)合氣液分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spiratron Composite Gas-liquid Separator structure

分離器的工作原理是：氣液混合流體首先通過混合液流進(jìn)口進(jìn)入螺旋分離部分的螺旋管，產(chǎn)生離心加速度，在離心力和重力共同作用下，密度大的液體向管道外下側(cè)聚集，沉降到一定程度后經(jīng)下部的排液口排出。 密度小的氣體向管道內(nèi)上側(cè)聚集，通過螺旋管道內(nèi)上側(cè)開口排出，此過程即為旋流分離過程。 當(dāng)流體含氣量很少或總體流量較小時(shí)，分離器主要依靠集氣部分和集液部分進(jìn)行重力分離，即此時(shí)采用容積式分離技術(shù)。

2 分離器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 工作介質(zhì)參數(shù)

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，工作介質(zhì)為一定含氣量的液體，其有關(guān)參數(shù)如下：油的密度為860kg/m3，動(dòng)力黏度為0.048kg/m·s，天然氣密度為0.7 kg/m3， 動(dòng)力黏度為1e-06kg/m·s， 操作壓強(qiáng)1.01×105Pa， 重力加速度9.81m/s2，油氣混合物入口流速12m/s，天然氣體積分?jǐn)?shù)80%，螺旋管高度600mm，螺旋圈數(shù)為6，螺旋管半徑30mm，旋轉(zhuǎn)半徑200mm。

2.2 邊界條件設(shè)定

（3）壁面條件和近壁處理：旋流管壁面包括周向邊壁和頂端壁面，按照無滑移條件處理，即：u=v=ω=k=ε=0

（4）循環(huán)邊界條件：在旋流管的對(duì)稱面上設(shè)置循環(huán)邊界，使得液體能夠循環(huán)流動(dòng)，令各變量沿圓周方向的梯度為零，即：

2.3 分離器數(shù)值模擬

在AutoCAD 中對(duì)螺旋管進(jìn)行建模并輸出成ACIS 文件， 導(dǎo)入Fluent 的前處理器GAMBIT 中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，然后進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)模擬，結(jié)果如圖2-圖4 所示。

由圖2-圖4 可知，在進(jìn)口流速為12m/s，氣相體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，氣液兩相進(jìn)入螺旋管后，在離心力和重力的共同作用下，氣體向螺旋管內(nèi)上側(cè)聚集，液體向螺旋管外下側(cè)聚集。 螺旋管內(nèi)側(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到100%，并且內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)分布均勻、穩(wěn)定。 但液體能量損失較大，并且某些位置出現(xiàn)速度激增現(xiàn)象。

所以對(duì)流速應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，以保證氣液分離效果最佳，并盡可能較小能量損失。 實(shí)際應(yīng)用也表明對(duì)螺旋管主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行修改，也可有效提高分離效率，降低能量損失?；谝陨显?，應(yīng)對(duì)分離器螺旋分離部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 螺旋管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.2 gas phase volume point distribution

圖3 螺旋管內(nèi)部氣相體積分?jǐn)?shù)沿X、Y、Z 向剖切云圖Fig.3 gas phase volume sectioning figure in X,Y,Z coordinate

圖4 螺旋管內(nèi)部氣相速度矢量圖Fig.4 gas phase velocity vectorgraph inside spiratron

3 分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 螺旋分離部分運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化主要包括分離器進(jìn)口流速，最優(yōu)流速可以使氣液盡可能完全分離開，即內(nèi)壁氣體的體積分?jǐn)?shù)盡可能的大，而外壁氣體分?jǐn)?shù)盡可能的小，另一方面又可以使能量損失大大減小。

通過對(duì)高含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)80%）、中等含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)50%）、低含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)30%）3 組參數(shù)，進(jìn)口流速依次為2m/s、4m/s、8m/s、12m/s、16m/s 分別進(jìn)行數(shù)值模擬， 得出氣液的進(jìn)口流速為8m/s 最為合適。

3.2 螺旋分離部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑尺寸優(yōu)化

在入口氣體體積分?jǐn)?shù)80%、 氣液兩相流速均為8m/s 時(shí)對(duì)分離器的旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)置3 組對(duì)照模擬試驗(yàn)， 得出螺旋管最佳旋轉(zhuǎn)半徑在150～200mm 時(shí)氣液的分離效果最好，而且壓降損失無明顯增大，其氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)半徑為200mm 時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.5 gas volume point figure in 200mm turning radius

3.2.2 螺旋管高度的優(yōu)化

改變螺旋管的高度也可影響氣液分離效果，在入口流速仍為8m/s，入口氣體體積分?jǐn)?shù)為0.8 的條件下對(duì)螺旋管的高度進(jìn)行3 組對(duì)照模擬試驗(yàn)，得出螺旋管的最佳螺旋高度為400mm，其氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖6 所示。

圖6 螺旋高度為400mm 時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.6 gas volume point figure in 400mm spiralism height

3.2.3 螺旋管開孔的優(yōu)化

由上述模擬結(jié)果可知，在螺旋管內(nèi)壁處匯聚大量的氣體，在適當(dāng)流速下其體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到100%，所以在內(nèi)壁開孔排氣是必要的。根據(jù)每圈開孔流通面積與螺旋管截面積的正比原則，初步設(shè)計(jì)在中間兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開直徑為5mm 孔30 個(gè)，下面兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開直徑為10mm 孔10 個(gè)。 在螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑為200mm、 螺旋管徑30mm、螺旋管高度400mm、進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)為80%、進(jìn)口氣液流速為8m/s 時(shí)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)開孔處氣體體積分?jǐn)?shù)X-Y 分布圖如圖7 所示。 模擬結(jié)果表明此種開孔方式可有效提高氣液的分離效率，內(nèi)壁開孔處的開孔截面平均氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了97%，大量的氣體通過孔排出，液體出口處的平均液體體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到了75%以上。

圖7 內(nèi)開孔處氣體體積分?jǐn)?shù)X-Y 分布圖Fig.7 gas volume point distribution curve in inner open pore

4 結(jié)論

螺旋管復(fù)合氣液分離器作為能源輸送設(shè)備中關(guān)鍵的分離部件，其分離性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著直接的影響，研究螺旋管復(fù)合氣液分離器的工作原理，了解其性能，找出其最優(yōu)工作狀態(tài)和最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，有著非常重要的意義。本文則采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)螺旋管復(fù)合氣液分離器進(jìn)行了模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 通過模擬結(jié)果可知，在進(jìn)口流速為8m/s，氣相體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，氣液混合流體可通過螺旋管實(shí)現(xiàn)有效分離，其中螺旋管內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到100%，外壁液體體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到99%以上，螺旋管內(nèi)部氣液層狀分布，且分布情況穩(wěn)定、均勻。

［1］趙立新,朱寶軍.離心式氣液分離器內(nèi)流聲的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機(jī)械,2007,34(2):90-94.

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