周三平，蔡 嬋

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

新型除沫器的分離效率數(shù)值模擬

周三平，蔡 嬋

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

研制了一種新型帶鉤折流板除沫器。利用Fluent軟件，采用k-ε模型、低雷諾數(shù)流動(dòng)模型的RNG k-ε及DPM模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了波紋板的板間距、級(jí)數(shù)、角度和入口流速等各個(gè)因素對(duì)波紋板分離效率的影響。

除沫器；數(shù)值模擬；氣液分離

除沫器是塔設(shè)備不可或缺的組件之一，主要用于分離塔設(shè)備中氣體夾帶的液滴，提高塔設(shè)備的分離效率，降低生產(chǎn)物料損失，降低水含量、改善塔設(shè)備壓縮機(jī)的操作并延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命、減少液滴對(duì)管線和換熱器等的沖擊，防止異常事故的發(fā)生等。早先對(duì)除沫器的研究主要采用實(shí)驗(yàn)研究[1-2]，之后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法的成熟， CFD數(shù)值模擬方法便大量應(yīng)用于除沫器研究[3-4]，開發(fā)出了許多高性能的新型除沫器。

本文研制了一種新型的折流板除沫器，并運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)新型的折流板除沫器的板間距、級(jí)數(shù)、角度、入口流速等參數(shù)對(duì)折流板除沫器的分離效率的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，為除沫器的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 除沫器的幾何模型及網(wǎng)格劃分

除沫器由帶鉤的的折流板組成，如圖1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)包括折流板間距D、折流板轉(zhuǎn)折角度θ和折流板級(jí)數(shù)n。

圖1 新型除沫器結(jié)構(gòu)圖

除沫器由數(shù)塊折流板組成，每?jī)蓧K折流板組成一個(gè)流體流通通道，由于每個(gè)通道的流場(chǎng)基本相同，在此，只取一個(gè)通道進(jìn)行研究。通道的幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。網(wǎng)格劃分時(shí)，大部分的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格質(zhì)量，在拐彎處等流場(chǎng)變化較大的地方，進(jìn)行局部細(xì)化，以提高模擬精度。

圖2 折流板網(wǎng)格劃分圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 連續(xù)相數(shù)學(xué)模型

折流板除沫器中，氣體為連續(xù)相，其流動(dòng)遵循連續(xù)性方程(1)和動(dòng)量守恒方程(2)。

2.2 分散相數(shù)學(xué)模型

在此，分散相為液滴。由于液滴的體積分率為10%，比較稀疏，可以不考慮液滴之間的相互作用，可以用DPM模型模擬，并采用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行液滴的軌跡追蹤，求解過(guò)程考慮了離散相對(duì)連續(xù)相的影響。

2.3 初始條件和邊界條件

模擬對(duì)象為常溫下的水和空氣，連續(xù)相為空氣，密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.7894×10-5kg/(m·s)；離散相為水，密度為988.2 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.003×10-3kg/(m·s)。

連續(xù)相進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口；出口條件為壓力出口，絕對(duì)壓力為常壓；壁面為無(wú)滑移，近壁面對(duì)連續(xù)相采用Non-Equilibrium Wall Functions模型。分散相進(jìn)出口為逃逸邊界，壁面設(shè)置為trap，即液滴接觸壁面就被捕捉。

數(shù)值模擬中，連續(xù)相湍流模型選用RNG k-ε湍流模型，流體控制方程組采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度藕合選擇SIMPLEC算法。先求解連續(xù)相流場(chǎng)，收斂后，創(chuàng)建離散相噴射源，再進(jìn)行耦合流動(dòng)求解。

2.4 分離效率計(jì)算方法

對(duì)于除沫器分離效率的計(jì)算方法為：

3 結(jié)果與分析

3.1 板間距對(duì)分離效率的影響

為了分析板間距對(duì)除沫器分離性能的影響，分別對(duì)20、25、30 mm的折流板間距進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬時(shí)折流板轉(zhuǎn)折角度為120°，級(jí)數(shù)為2級(jí)，入口氣流速度為8m/s。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，圖3(a)、(b)、(c)分別示出了板間距分別等于20、25、30 mm的折流板內(nèi)液滴軌跡圖。

此外還對(duì)入口速度為2、4、6、8、10 m/s的除沫器進(jìn)行了數(shù)值模擬，以分析進(jìn)口速度對(duì)除沫器分離效率的影響。板間距及入口速度對(duì)液滴分離效率的影響結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同板間距液滴軌跡

由圖3、4可知，(1)板間距越窄，最后逃逸出折流板外的液滴越少，分離效率越高，反之，間距越大，分離效率越低。主要由于折流板間距越小，在流道的作用下，氣流緊跟流道頻繁變化方向，而液滴因慣性作用，脫離氣流撞向氣壁，從而產(chǎn)生分離；相反，板間距越大，因氣體橫向流動(dòng)余地較大，氣流方向變化較緩，液滴跟隨氣流的隨動(dòng)性較高，撞擊氣壁的概率大大降低，從而導(dǎo)致分離效率較低；(2)鉤子對(duì)液滴的攔截作用主要發(fā)生在第一級(jí)，后面鉤子對(duì)液滴的攔截作用不明顯；(3)板間距越大，主要產(chǎn)生攔截作用的第一級(jí)鉤子對(duì)液滴的攔截作用越小，這也是造成分離效率降低的原因之一。這些都可以在折流板的優(yōu)化作用中進(jìn)一步改進(jìn)，限于篇幅的限制，將另文刊出；(4)入口速度越大，分離效率越大，但是入口速度較小時(shí)，入口速度的影響程度較小，達(dá)到一定的速度后，分離效率急劇增大，即存在一個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之前的分離效率較低，拐點(diǎn)之后分離效率急劇上升。由于速度越大，壓降越大，為了同時(shí)兼顧分離效率和阻力降，在生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)該使入口速度剛過(guò)拐點(diǎn)；(5)板間距越小，拐點(diǎn)速度越小。

3.2 折流板轉(zhuǎn)折角度對(duì)分離效率的影響

為了分析折流板轉(zhuǎn)折角度對(duì)分離效率的影響，分別模擬了轉(zhuǎn)折角度為90°、100°、120°的折流板，模擬時(shí)折流板板間距為25 mm，級(jí)數(shù)為2級(jí)，入口流速為6 m/s。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，圖5(a)(b)(c)分別為轉(zhuǎn)折角度為90°、100°、120°折流板內(nèi)液滴軌跡圖。

通過(guò)如圖5中云圖液滴量的比較可知，當(dāng)折流板轉(zhuǎn)折角度越大，液相在通道內(nèi)流動(dòng)越平穩(wěn)，分離效率越低。主要是因?yàn)檎哿靼遛D(zhuǎn)折角度增大則液滴繞過(guò)折流板轉(zhuǎn)折角度的離心半徑越大，所受到的離心力越小，因而液滴隨著氣相在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)隨動(dòng)性越大，液滴不易與氣相分離，分離效率較低。但是轉(zhuǎn)折角不應(yīng)過(guò)低，否則將導(dǎo)致阻力降太大。

圖5 不同折流板轉(zhuǎn)折角度的液滴軌跡

3.3 折流板級(jí)數(shù)對(duì)分離效率的影響

為了分析級(jí)數(shù)對(duì)分離效率的影響，分別取級(jí)數(shù)為1、2、3的折流板進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬時(shí)取折流板間距為25 mm，轉(zhuǎn)折角度為120°，入口流速為2、4、6 m/s等進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 折流板級(jí)數(shù)對(duì)除沫器分離效率的影響

由圖6可知：(1)折流板級(jí)數(shù)越多，分離效率越高；(2)級(jí)數(shù)越多，進(jìn)入高效區(qū)的拐點(diǎn)速度越低，這對(duì)降低阻力降有好處。所以在設(shè)計(jì)除沫器時(shí)，級(jí)數(shù)不應(yīng)低于3級(jí)，當(dāng)然多少合適，應(yīng)該綜合考慮分離效率和阻力降確定。

4 結(jié)論

(1)新型除沫器的分離效率隨折流板板間距的減小而增大，且板間距越小，進(jìn)入分離高效區(qū)的拐點(diǎn)速度越小；

(2)新型除沫器的分離效率隨折流板轉(zhuǎn)折角度的減小而增大，但是轉(zhuǎn)折角不應(yīng)太小，否則將導(dǎo)致阻力降增大；

(3)新型除沫器的分離效率隨折流板級(jí)數(shù)的增多而增大，且級(jí)數(shù)越多進(jìn)入高效分離區(qū)的拐點(diǎn)速度越低。

[1] Jamie P Monat,Kenneth J McNulty.Accurate evaluation of chevron mist eliminators[J].Chemical Engineering Progress,1986:32-39.

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(本文文獻(xiàn)格式：周三平，蔡 嬋.新型除沫器的分離效率數(shù)值模擬[J].山東化工,2017,46(7):190-192.)

2017-03-15

周三平(1966—)，男，江西人，教授，主要從事化工機(jī)械設(shè)備研究。

TQ015.9

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1008-021X(2017)07-0190-03