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        浮子閥型氣液分離器的設(shè)計與研究

        2021-10-27 07:39:00張安妮
        化工技術(shù)與開發(fā) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:出氣口浮子氣液

        張 碩,張安妮

        (1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;2.西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司,陜西 西安710302)

        1 浮子閥型氣液分離器的總體設(shè)計方案

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該系統(tǒng)由分離器外殼、浮子及其他零部件組成。浮子閥由筒體、閥芯、閥座組成,筒體頂部有氣體加速口,下面排布有液體進口;閥芯由浮子筒、上下錐閥體、上下柔性導(dǎo)向桿、浮力調(diào)節(jié)子組成,上下錐閥體連接于浮子筒兩側(cè),柔性導(dǎo)向桿采用萬向節(jié)連接于錐閥體上,保證浮子筒可垂直運動;浮力調(diào)節(jié)子螺紋連接于浮子筒上,實現(xiàn)浮子閥的浮力可調(diào);法蘭將上、下閥座分別連接到筒體上下兩端,閥座是與錐閥體相匹配的錐形孔[1-2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,浮子閥結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖1 浮子閥型氣液分離器結(jié)構(gòu)圖

        圖2 浮子閥結(jié)構(gòu)圖

        1.2 工作原理

        氣液兩相流體在上部進入氣液分離器后,對其進行初步分離,在氣液分離器上部通過重力沉降后,進入浮子閥進行再次分離,分離器內(nèi)的浮子閥懸浮在浮子筒內(nèi)。分離后,氣體上升穿過氣體加速口進入筒體,經(jīng)過捕霧器時,除去伴隨的小液滴,最后從出氣口出去。液體在下面經(jīng)進液口再次回到筒體內(nèi),再從出液口流出。隨著液體量不斷減少,浮子筒被不斷向下運動,通過柔性導(dǎo)向桿的作用,將下錐閥體壓向下閥座的第二錐孔,當(dāng)氣體接近出液口時,出液口關(guān)閉,阻止氣體從出液口流出。反之,隨著液體量增多,液體界面上升,浮子筒上升,通過柔性導(dǎo)向桿的作用,將上錐閥體壓向上閥座的第一錐孔,液體接近出氣口時,出氣口關(guān)閉,阻止液體從出氣口流出,從而成功解決了出液口出氣與出氣口出液的問題。

        2 浮子閥型氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該系統(tǒng)設(shè)計的核心是浮子閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計。浮子閥由筒體、閥芯、閥座組成,通過法蘭與外部管路連接[3]。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:筒體內(nèi)徑d1、長度L1,浮子筒內(nèi)徑d2、長度L2,錐閥體錐度φ,柔性導(dǎo)向桿直徑 d3、長度 L3,浮力調(diào)節(jié)子直徑 d4、厚度 r。

        利用伯努利方程對浮子閥內(nèi)部混合流體的湍流流動問題進行分析。

        混合流體從進口流入,流動過程中浮子閥內(nèi)的閥芯受到重力與浮力的作用,使得出氣口和出液口的開啟度隨氣液比的不同而發(fā)生變化。浮子的重力和浮力相等時,得到以下計算公式:

        式中,ρ1為有機玻璃的密度值,1.18g·cm-3;V1為柔性導(dǎo)向桿總體積;ρ2為尼龍66的密度值,1.15g·cm-3;V2為錐閥體總體積;V3為浮子筒的體積;ρ3為聚甲醛POM塑料的密度值,1.42g·cm-3;V4為浮力調(diào)節(jié)子的總體積;ρ0為液體的密度值,1g·cm-3;V0為力平衡時液體漫過浮子筒的總體積。

        由式(2)計算得到V0后,再計算筒內(nèi)的液體到達浮子筒的高度,得到h=115.7mm,轉(zhuǎn)換后,可得下方應(yīng)有16個浮力調(diào)節(jié)子。

        3 浮子閥型氣液分離器的內(nèi)部流場分析

        采用FLUENT軟件,對該新型氣液分離器的內(nèi)部流場進行仿真分析。將劃分好的網(wǎng)格儲存為MASH格式文件,然后導(dǎo)入到FLUENT軟件,由于浮子閥內(nèi)為兩相流模型,選擇歐拉模型和k-ε兩方程模型,依次查看液相速度、氣相速度和體積分?jǐn)?shù)等的分布情況[4-5]。

        在模擬過程中,進出口的邊界條件依據(jù)實際工況條件得出的參數(shù)確定。該分離器的進口設(shè)定為速度入口邊界,出口設(shè)定為壓力出口邊界,分別表示為Velocity-inlet和 Pressure-outlet。

        在進行仿真計算時,將殘差數(shù)量級定為萬分之一,迭代的次數(shù)設(shè)置為2000次。觀察殘差曲線的整體趨勢將要達到水平時,則計算接近收斂,流場的計算也就相對穩(wěn)定,流場內(nèi)部的各項參數(shù)基本不會發(fā)生變化,就可以停止仿真計算。下面對該新型氣液分離器中的浮子閥部分進行模擬分析,得到內(nèi)部閥芯在運動過程中,浮子閥內(nèi)氣液兩相的體積和壓力的分布情況,以及內(nèi)部速度場的變化情況。

        3.1 含氣量占80%的兩相流體的流場數(shù)值模擬分析

        當(dāng)浮子閥在出液口上方20mm時,由計算可知,此時兩相流體中氣體的含量占80%。圖3和圖4是浮子閥在出液口上方20mm時,兩相液體的體積分布情況;圖5~圖7分別是浮子閥在出液口上方20mm時,z=0時截面兩相液體的壓力和體積分布情況;圖8和圖9是浮子閥在出液口上方20mm時,出氣口位置處的氣液兩相的體積分布情況;圖10和圖11是浮子閥在出液口上方20mm時,出液口位置處氣液兩相的體積分布情況。

        圖3 氣相體積分布云圖

        圖4 水相體積分布云圖

        圖5 水相體積分布云圖

        圖7 混合流體壓力分布圖

        圖8 出氣口氣體體積

        圖9 出氣口液體體積

        圖10 出液口液體體積

        圖11 出液口氣體體積

        觀察圖3~圖6可知,當(dāng)兩相流體中的氣體含量占80%時,浮子閥在出液口上方20mm位置處,氣液兩相有十分明顯的分層現(xiàn)象,氣體在上層分布,液體分布在下面。

        圖6 氣相體積分布云圖

        由圖7可以觀察到,在出氣口和出液口兩個位置處,混合流體所受到的壓力較大。由此,將對出氣口與出液口位置處的體積云圖作進一步分析。

        由圖8、圖9可以看出在出氣口位置處,氣液兩相流體的體積分布情況。貼近出氣口內(nèi)壁位置氣相所占最多,約為0.8~1,在中心位置的氣相所占分?jǐn)?shù)最低,約為0.7~0.75。在出氣口位置液相的分布情況剛好與氣相相反。

        由圖10、圖11可以看出在出液口位置處氣液兩相的體積分布情況。水相在出液口底部所占比例最高,約為0.89~1,在出液口位置氣相的分布情況,剛好與液相相反,約占0~0.11。

        從圖3~圖11可知,進入浮子筒的氣液兩相流體,當(dāng)閥芯重力大于液體的浮力時,閥芯不斷向下直到閥門關(guān)閉。浮子閥在出液口上方20mm位置處,水相從出液口流出,氣相被阻擋,不能從出液口流出,避免出液口出氣。可以看出此結(jié)構(gòu)對氣體含量大的兩相流體能夠?qū)崿F(xiàn)較好的分離。

        3.2 含氣量占50%兩相流體的流場數(shù)值模擬分析

        當(dāng)浮子閥在出氣口下方20mm時,由計算可知,此時兩相流體中氣體的含量占50%。圖12和圖13是浮子閥在出氣口下方20mm時,兩相液體的體積分布情況;圖14~圖16是浮子閥在出氣口下方20mm時,z=0截面兩相流體的壓力和體積分布情況;圖17和圖18是浮子閥在出氣口下方20mm時,出液口位置處的氣液兩相的體積分布情況;圖19和圖20是浮子閥在出氣口下方20mm時,出氣口處氣液兩相的體積分布情況。

        圖12 三維氣相體積分布云圖

        圖13 三維水相體積分布云圖

        圖14 氣相體積分布云圖

        圖17 出液口氣相體積

        圖18 出液口水相體積

        觀察圖12~圖15可知,兩相流體中的氣體含量占50%時,浮子閥在出氣口下方20mm位置處,氣液兩相有十分明顯的分層現(xiàn)象,氣體在上層分布,液體分布在下面。

        由圖16可以觀察到,由于閥芯距離出氣口較近,出氣口所受壓力較大,因此對出氣口與出液口位置處的體積云圖作進一步分析。

        圖16 混合流體壓力分布圖

        由圖17、圖18可以看出在出液口位置處,氣液兩相流體的體積分布情況,水相體積分?jǐn)?shù)為0.80~1,氣相所占較少,約為0~0.11。

        由圖19、圖20可以看出在出氣口位置處的氣液兩相體積分?jǐn)?shù),氣相體積分?jǐn)?shù)約為0.80~1,水相約為0~0.11。

        圖19 出氣口氣相體積

        圖20 出氣口水相體積

        進入浮子筒后的氣液兩相流體,當(dāng)閥芯重力等于液體的浮力時,閥芯不斷向上直到閥門關(guān)閉。浮子閥在出氣口下方20mm位置處,氣相從出氣口跑出,液相被阻擋,不能從出氣口出去,避免出氣口出液。可以看出此結(jié)構(gòu)對液體含量大的兩相流體能夠?qū)崿F(xiàn)較好的分離。

        3.3 浮子閥內(nèi)的速度場研究

        氣液分離器內(nèi)部流體的流速對分離效果的影響很大。如果進口速度較大,將會導(dǎo)致兩相流體在分離器內(nèi)停留的時間縮短,那么氣液分離就不徹底,導(dǎo)致液體摻雜著氣體一起流出。設(shè)置該模型中兩相流體在浮子閥處的入口速度為0.3m·s-1,對浮子閥內(nèi)的速度進行模擬分析,同樣選取z=0截面、出氣口及出液口這3個位置處進行研究,結(jié)果如圖21~圖23所示。

        由圖21可以看出,在出液口貼近內(nèi)壁處,流體的流速偏大,約為1.6m·s-1。由圖22可以看出,在出氣口內(nèi)壁處幾乎沒有流體經(jīng)過,而在中心位置處的流速較大,約為1.3m·s-1。由圖23可以看出,閥芯上部的速度比下部快,上部速度約為1.67m·s-1。

        圖21 出液口流體速度

        圖22 出氣口流體速度

        圖23 z=0截面的速度云圖

        通過對內(nèi)部速度場的模擬,可知在浮子閥結(jié)構(gòu)中,閥芯所在位置附近的流體速度較快,但在出氣口、出液口和容器上端壁面附近位置的流體速度都很慢。分析可知,該浮子閥內(nèi)的兩相流體有充足的停留時間,可達到分離條件,實現(xiàn)更好分離。

        4 結(jié)論

        本文針對設(shè)計的浮子閥型氣液分離器進行研究,依據(jù)伯努利方程,建立了新型氣液分離器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,并構(gòu)建了三維模型。利用FLUENT軟件對其內(nèi)部流場進行了分析,驗證了浮子閥型氣液分離器可以基本解決“出氣口出液,出液口出氣”的實際工程難題。同時,流體在浮子閥內(nèi)有充分的停留時間進行分離,能夠更好地滿足分離要求。

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