趙健華 劉曉敏 劉培啟 胡大鵬

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院)

錐芯式超音速旋流分離器流動(dòng)及分離特性研究*

趙健華**劉曉敏 劉培啟 胡大鵬

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院)

通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)錐芯式超音速旋流分離器內(nèi)流體在小壓力比情況下的流動(dòng)特性和分離性能進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明：在一定壓力比條件下，隨著面積比的增大，噴管漸擴(kuò)段中氣動(dòng)激波強(qiáng)度越強(qiáng)并越靠近喉部；當(dāng)壓力比在1.25～1.75范圍內(nèi)，面積比為1.06時(shí)，噴管漸擴(kuò)段不存在氣動(dòng)激波，相應(yīng)的分離性能最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：當(dāng)面積比為1.06、壓力比為1.75時(shí)，分離效率達(dá)到40.82%。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

超音速旋流分離器 拉瓦爾噴管 面積比 分離性能

采出天然氣中含有的大量水分和重組分，在集輸和處理過程中易凝結(jié)，對(duì)設(shè)備造成損壞。目前能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣與所含水蒸氣分離的設(shè)備主要有固體干燥脫水器、固定床吸附塔、吸收塔、膜分離器及透平膨脹機(jī)等。其中，透平膨脹機(jī)采用的是低溫冷凝法，雖然不需要較貴的吸收劑，但其等熵效率低、能耗大、運(yùn)轉(zhuǎn)部件維護(hù)費(fèi)用高、運(yùn)行成本大，應(yīng)用受到限制[1]。與傳統(tǒng)分離設(shè)備相比，超音速旋流分離器解決了上述缺點(diǎn)，該技術(shù)將空氣動(dòng)力學(xué)原理與熱力學(xué)原理相結(jié)合，利用天然氣在拉瓦爾(Laval)噴管中的超音速流動(dòng)產(chǎn)生低溫，同時(shí)結(jié)合旋流作用，實(shí)現(xiàn)天然氣中水蒸氣和重組分的冷凝分離。裝置集制冷、冷凝和分離過程于一體，制冷單元無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小[2、3]。

本課題組研發(fā)出一種新型錐芯式超音速旋流分離器[4]，其特點(diǎn)是向流道內(nèi)插入錐芯，形成環(huán)形漸縮、漸擴(kuò)流道，易于加工和調(diào)節(jié)，且壓力損失小，分離效率較高。筆者通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種方法，對(duì)錐芯式超音速旋流分離器在小壓力比情況下的流場(chǎng)特性和分離性能進(jìn)行研究，著重分析了漸擴(kuò)段出口面積與Laval噴管喉部面積之比對(duì)分離性能的影響。在自建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

1 控制方程

在超音速冷凝分離器內(nèi)，氣體為可壓縮湍流流動(dòng)，其數(shù)學(xué)模型需要建立質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程、湍流輸運(yùn)方程和狀態(tài)方程，聯(lián)立這些方程可以計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力及速度等流動(dòng)參數(shù)：

(1)

(2)

(3)

狀態(tài)方程p=p(ρ,T)

(4)

其中，ui(i=1，2)、p、T分別為流場(chǎng)的速度、壓力和溫度；ρ為流體的密度；k為流動(dòng)介質(zhì)的傳熱系數(shù)；cp為比熱容；h為流體的熱焓，是T的函數(shù)；ρgi為i方向上的重力體積力；Sm、Su、Sh分別為質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程源項(xiàng)。式(1)～(3)中等號(hào)左邊兩項(xiàng)為瞬態(tài)項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)，等號(hào)右邊為擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。湍流輸運(yùn)方程根據(jù)流體的流動(dòng)工況、湍流模型的適用范圍和計(jì)算能力而選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头匠痰目尚行?，先做?yàn)證性計(jì)算。對(duì)Laval噴管中的流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，噴管的幾何尺寸和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自文獻(xiàn)[5]，噴管的入口參數(shù)如下：

環(huán)境溫度 17.80℃

環(huán)境濕度 16.2%

噴管進(jìn)口絕對(duì)壓力 0.46MPa

噴管進(jìn)口溫度 14.95℃

噴管進(jìn)口相對(duì)濕度 83%RH

噴管流量 33.8m3/h

噴管內(nèi)壓力沿軸向分布的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖1所示。由圖1可見，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠正確反映超音速噴管內(nèi)流場(chǎng)參數(shù)的分布特征，可用于其流場(chǎng)的模擬計(jì)算。

圖1 噴管內(nèi)壓力沿軸線的分布

3 錐芯式超音速分離器內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬

3.1結(jié)構(gòu)及工作原理

錐芯式超音速旋流分離器主要由旋流發(fā)生器、直管殼體和錐芯構(gòu)成的漸縮-漸擴(kuò)噴管、排液器和擴(kuò)壓器組成(圖2)。其中，噴管漸縮段長(zhǎng)60mm，漸擴(kuò)段長(zhǎng)100mm，喉部軸向位置在x=60mm處，排液口軸向位置在x=160mm處。

圖2 錐芯式超音速旋流分離器三維結(jié)構(gòu)示意圖

錐芯式超音速旋流分離器的工作原理為：含有濕分或重組分的高壓天然氣首先進(jìn)入旋流分離器，之后進(jìn)入錐芯式噴管，混合氣體膨脹至超音速，形成低溫環(huán)境，重組分開始冷凝，并從排液器中排出，干氣進(jìn)入擴(kuò)壓段，經(jīng)過一道正激波面，速度降低，壓力回升，最后從干氣出口排出。

3.2模型及計(jì)算方法

分離器的幾何模型為軸對(duì)稱模型，其計(jì)算域的幾何邊界如圖3所示，文中的面積比AR是指噴管漸擴(kuò)段出口面積(II-II截面)與噴管喉部面積(I-I截面)之比。

圖3 超音速噴管幾何模型

用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)喉部和排液口處進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 二維模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

進(jìn)口和出口邊界均為壓力邊界條件，給定總壓、進(jìn)口溫度；對(duì)稱邊界上給定對(duì)稱性條件；固體壁面給定無滑移、無滲透條件。數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)如下：

壓力比pR=pin/pd1.5

干氣出口壓力pd0.1MPa

濕氣出口壓力pw0.1MPa

進(jìn)口壓力pin0.15MPa

氣體進(jìn)口溫度Tin300K

干氣出口溫度Td300K

濕氣出口溫度Tw300K

應(yīng)用CFD流體計(jì)算軟件Fluent對(duì)模型進(jìn)行離散求解，采用定常耦合隱式求解器，離散方法在空間上采用二階迎風(fēng)有限體積離散格式。

3.3計(jì)算結(jié)果與分析

本模擬暫不考慮氣體在Laval噴管和擴(kuò)壓器中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)研究其二維流動(dòng)的基本特征。對(duì)4種面積比(1.03、1.06、1.18和1.23)下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。由于邊界層和高速流體摩擦損失，流體并非理想的絕熱等熵流，流體的總壓、總溫沿流動(dòng)方向(即x軸正向)均會(huì)下降，因此以馬赫數(shù)衡量流體的速度和流動(dòng)狀態(tài)。面積比為1.06時(shí)流場(chǎng)的馬赫數(shù)、溫度和靜壓分布云圖分別如圖5～7所示。由分布云圖可以看出，噴管在喉部以后的漸擴(kuò)段內(nèi)，壓力、溫度隨著流道面積的逐漸增大而減小，為天然氣中水分的分離創(chuàng)造了低溫環(huán)境。由于噴管工作在過膨脹狀態(tài)且背壓較高，則在排液口處產(chǎn)生一道激波，流動(dòng)參數(shù)發(fā)生突變，激波后溫度、壓力均回升。

不同面積比下噴管內(nèi)流場(chǎng)的馬赫數(shù)、溫度和靜壓沿軸線的變化曲線分別如圖8～10所示。從圖8馬赫數(shù)的變化可以看出：當(dāng)面積比為1.03、1.06時(shí)，激波產(chǎn)生于x=0.16m處，即在排液口處，此時(shí)，盡管到達(dá)此處的混合流體中已經(jīng)冷凝的液滴會(huì)發(fā)生部分汽化，但是在強(qiáng)旋流作用下，含有液滴的濕氣會(huì)被直接甩出排液口，分離出去；當(dāng)面積比為1.18、1.23時(shí)，激波位置分別產(chǎn)生于x=0.130m，x=0.145m處，均在排液口之前，這種情況下，激波后的混合流體中已凝結(jié)的液滴發(fā)生部分汽化，而又不能被及時(shí)甩出排液口，因此分離效率下降。由圖9可知：面積比為1.06時(shí)，噴管內(nèi)所達(dá)到的冷凝溫度要比面積比為1.03時(shí)更低，冷凝效果更好，由此得出最佳面積比為1.06。

圖5 馬赫數(shù)分布云圖

圖6 溫度分布云圖

圖7 靜壓分布云圖

圖8 不同面積比下馬赫數(shù)沿軸線的變化曲線

圖9 不同面積比下溫度沿軸線的變化曲線

圖10 不同面積比下靜壓沿軸線的變化曲線

4 超音速旋流分離實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)通過錐芯式超音速旋流分離器將混合氣體中的重組分凝結(jié)分離。配制空氣-乙醇混合氣，經(jīng)超音速旋流分離器(SGS)處理后，將混合氣體中的乙醇組分脫除。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變的情況下，通過調(diào)節(jié)錐芯位置改變SGS設(shè)備噴管漸擴(kuò)段的面積比AR，并在不同壓力比條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)量并計(jì)算SGS設(shè)備各端口流量、氣體露點(diǎn)和乙醇的脫除率。

超音速旋流分離實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖11所示?？諝?流股1)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，通過噴嘴流量計(jì)計(jì)算入口空氣流量；高壓空氣與經(jīng)水蒸氣加熱的乙醇蒸氣(流股4)混合，形成含有微量乙醇液滴的空氣-乙醇混合氣；經(jīng)過立式旋流分離器和臥式濾芯分離器雙重分離除去混合氣中的液滴后，空氣-乙醇混合氣進(jìn)入SGS設(shè)備；氣流經(jīng)SGS處理，含有乙醇冷凝液的濕氣從SGS排液口排出，經(jīng)絲網(wǎng)過濾器從6號(hào)出口排出，處理后的干氣由7號(hào)出口排出。測(cè)量SGS設(shè)備各端口流體的溫度、壓力、組成及流量等參數(shù)以進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

圖11 錐芯式超音速旋流分離實(shí)驗(yàn)流程

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過空氣-乙醇混合氣中重組分(乙醇)的脫除率δETH和經(jīng)處理后的干氣較入口氣體的露點(diǎn)降ΔTd來考察SGS設(shè)備的分離性能。乙醇脫除率δETH的計(jì)算式為：

(4)

(5)

不同壓力比條件下，混合氣中乙醇脫除率和氣體露點(diǎn)降隨面積比的變化曲線分別如圖12、13所示?？梢钥闯?，3種壓力比情況下，曲線呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。隨著面積比的增加，脫除率與露點(diǎn)降均先增加后減小，當(dāng)面積比為1.06時(shí)，δETH與ΔTd取得最大值。當(dāng)壓力比為1.75、面積比為1.06時(shí)，脫除率為40.82%，露點(diǎn)降為12.04℃，分離效果最佳。

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在壓力比恒定的情況下，較大面積比會(huì)在漸擴(kuò)段內(nèi)產(chǎn)生激波，隨著面積比的增大，激波位置前移，且強(qiáng)度增強(qiáng)，激波所引起的總壓損失增大，波后馬赫數(shù)和溫度降減小，分離效率降低。減小面積比，激波位置向排液口移動(dòng)，凝結(jié)區(qū)域的長(zhǎng)度增加，同時(shí)液滴的沉降距離也隨之減小，有利于分離。但面積比過小，會(huì)導(dǎo)致噴管內(nèi)馬赫數(shù)過小，溫降較小，也會(huì)使分離效率降低。因此，存在一個(gè)最佳面積比，在此最佳值下，分離器的分離效率最高。

圖12 重組分脫除率隨面積比的變化

圖13 露點(diǎn)降隨面積比的變化

5 結(jié)論

5.1在壓力比一定的條件下，超音速旋流分離器的面積比存在一個(gè)最佳值，在此最佳值下，才能保證氣流在噴管喉部達(dá)到音速，在漸擴(kuò)段內(nèi)加速為超音速，溫降大且激波強(qiáng)度小，波后馬赫數(shù)變化平緩，從而形成冷凝分離所需的穩(wěn)定的低溫環(huán)境。在筆者設(shè)定的研究條件下，當(dāng)壓力比在1.25～1.75范圍時(shí)，最佳面積比為1.06，此時(shí)相應(yīng)的分離效率達(dá)到最大值。

5.2在面積比一定條件下，壓力比越大，分離效率越高。在面積比為1.06、壓力比為1.75時(shí)，相應(yīng)的分離效率達(dá)40.82%。

[1] 高曉根，計(jì)維安，劉薔，等.超音速分離技術(shù)及在氣田地面工程中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2011，40(1)：42～46.

[2] 張書平，吳革生，于志剛，等.含濕天然氣超音速凝結(jié)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(11)：1875～1878.

[3] Okimoto F，梁書苓，范建敏.天然氣超聲速處理技術(shù)[J].國外油田工程，2003，19(3)：32～34.

[4] 胡大鵬，代玉強(qiáng)，鄒久朋，等.錐芯式超音速冷凝旋流分離器[P].中國：ZL 200810011258.6，2010-02-17.

[5] 蔣文明，劉中良，劉曉麗，等.濕空氣超音速凝結(jié)特性[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(z1)：97～102.

ResearchonFlowCharacteristicsandSeparationPerformanceofInner-conedSupersonicCycloneSeparator

ZHAO Jian-hua, LIU Xiao-min, LIU Pei-qi, HU Da-peng

(SchoolofChemicalMachinery,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

Basing on numerical simulation and experimental test, the study on flow characteristics and separation performance of inner-coned supersonic cyclone separator was carried out, including the area ratio’s effect on the separation performance under low pressure ratio conditions. The simulation results indicate that with an increase of the area ratio,the intensity of shockwave rises and closes to the throat; when the area ratio is 1.06 and the pressure ratio ranges from 1.25 to 1.75, the shockwaves are absent in the diverging nozzle and the separation performance of the gas separator becomes the highest. The experimental results also show that when the area ratio is 1.06 alongside with 1.75 pressure ratio, the separation performance becomes highest and it can reach 40.82%. The experimental results are in agreement with the numerical calculation results.

supersonic cyclone separator, Laval nozzle, area ratio, separation performance

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21206013)。

**趙健華，女，1989年12月生，碩士研究生。遼寧省大連市，116023。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)01-0059-05

2014-01-18，

2015-01-12)