李 煌，任海波，閆 淵，魏利平

(1. 中國石化達州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠，四川 達州 636156； 2. 陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016； 3. 西北大學化工學院，陜西 西安 710069)

普光氣田是我國建設開發(fā)規(guī)模最大、豐度最高的高含硫氣田之一。從2010年全面投產(chǎn)到2017年4月底，該氣田已生產(chǎn)597.36億m3原料氣、423.18億m3商品氣和1 217萬t硫磺【1】。普光氣田地質(zhì)條件復雜，產(chǎn)氣中的含硫量高，這就使輸氣系統(tǒng)管道中易產(chǎn)生硫磺沉積現(xiàn)象，導致輸氣管道易發(fā)生堵塞，影響生產(chǎn)安全。因此降低硫顆粒在管道中的沉積對保證高含硫氣田穩(wěn)定、安全生產(chǎn)具有重要意義。

在井口采用旋流分離技術作為一級分離，除去水和硫磺顆粒，是保障下游集輸管線安全穩(wěn)定運行的重要途徑之一。旋風分離器作為一種被動旋流分離器，因結(jié)構簡單、操作性好、制造成本和運行維護費用低等優(yōu)點，被廣泛應用于能源、化工、食品、醫(yī)藥及冶金等行業(yè)的氣固兩相分離。它是一種基于離心沉降原理實現(xiàn)分離非均相混合流體的設備。其工作原理為，利用兩相或多相流體的密度差異，在離心力作用下實現(xiàn)分離。相較于重力分離器，流體旋流分離器工作時內(nèi)部的離心場可達到更好的分離效果。該類型分離器已被應用于天然氣脫出液滴的實際生產(chǎn)當中【2】，取得了良好的效果。同時，該類型分離器還可以有效地分離固體顆粒，在額定工況下，對微米級別的顆粒都有很好的分離效果。旋流分離技術發(fā)展至今，已相對成熟，然而針對普光氣田的特殊工況，其旋風分離器必須適應井口壓力及流動波動，因此需要對其進行結(jié)構優(yōu)化。前人曾在此方面進行過大量研究工作，如Pishbin等【3】將遺傳算法應用于旋風分離器的優(yōu)化設計；Safikhani等【4】對旋風分離器進行了多目標優(yōu)化，獲得內(nèi)部壓降及截止直徑，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法獲得目標函數(shù)值；王樹濤等【5】提出了無量綱參數(shù)Y作為優(yōu)化目標參數(shù)，用于旋流管分離性能的評價；李昊琦等【6】基于CFD數(shù)值計算研究了旋風分離器的圓筒直徑對分離效率的影響。但是，由于操作條件、工質(zhì)、顆粒的差異，往往需要對特定的分離器進行有針對性的結(jié)構優(yōu)化設計，以避免運行工況范圍過窄及在非額定工況下設備分離性能下降較快的問題。

本文采用CFD-DPM模型對針對高含硫天然氣凈化旋風分離器中的核心分離單元旋流管進行結(jié)構優(yōu)化設計，以期能夠在合理的壓降范圍之內(nèi)獲得高效的硫顆粒分離效率。

1 旋流管結(jié)構設計

1.1 旋流管結(jié)構參數(shù)

蝸殼式旋流管具有結(jié)構簡單、易加工制造以及安裝方便的優(yōu)點，且因良好的分離效率被廣泛應用于氣相除塵。典型結(jié)構的蝸殼式旋流管如圖1 所示，其結(jié)構主要包括：蝸殼、排氣管以及顆粒捕集管。本研究根據(jù)蝸殼式旋流管的結(jié)構尺寸進行參數(shù)的優(yōu)化，以使其達到最佳的分離效果。其結(jié)構優(yōu)化參數(shù)包括筒體直徑D、入口寬度a與高度b、排氣管直徑De與插入深度Hr、筒體長H0、總長H和料斗直徑D2。

圖1 旋流管分離器結(jié)構示意

1.2 結(jié)構參數(shù)均勻設計

蝸殼式分離器的結(jié)構尺寸是影響分離效率的直接因素。在本研究中，基于以往分離器的設計經(jīng)驗，首先設置分離器筒徑D=0.08 m，然后根據(jù)標準Stairmand旋風分離參數(shù)(見表1)對其進行初始結(jié)構設計【7】。由于分離器的排氣管直徑、排氣管插入深度以及蝸殼入口寬度對分離效率的影響較大，因此需針對其進行優(yōu)化設計。選取尺寸范圍De=0.01～0.03 m、Hr=0.12～0.17 m、b=0.08～0.12 m，并在此范圍內(nèi)設置不同的型號參數(shù)。為減少數(shù)值模擬次數(shù)、節(jié)約計算時間，建立3因素、5水平的結(jié)構型號范圍，將Stairmand旋風分離參數(shù)初始設計定義為型號1，根據(jù)均勻設計法，設計了U5(53，即3因素5水平)均勻設計表，完成了另外5種型號的初步設定(型號2～6)。型號的具體參數(shù)如表2所示。

表1 旋流管分離器結(jié)構尺寸 m

表2 歸一化均勻設計

2 數(shù)值模型

2.1 模型

流體的運動可通過求解N-S方程表示，基本的氣相質(zhì)量守恒方程為【3】：

(1)

式中：t——時間,s；

ρ——流體的密度，kg/m3；

動量守恒方程為：

(2)

式中：p——壓力,Pa；

(3)

式中：μ——粘度,m2/s；

T——溫度,K；

I——單位張量。

FD可表示為：

(4)

式中：FD——曳力系數(shù)；

ρp——顆粒密度,kg/m3；

dp——顆粒直徑,m；

CD——阻力系數(shù)，表達式見式(5)；

Re——相對雷諾數(shù)，表達式見式(6)。

(5)

式中：Rep——顆粒雷諾數(shù)。

(6)

本文所述分離器工作壓力約20 MPa，處于天然氣井出口的高壓流動狀態(tài)，忽略液滴在此工作壓力下的變形，并將其當成球形非變形液滴處理。根據(jù)牛頓第二定律建立顆粒受力方程，實現(xiàn)軌跡追蹤。液滴和硫磺顆粒的受力平衡方程為：

(7)

課題組通過實地采樣確定了入口顆粒質(zhì)量流量在1.11×10-3kg/min附近，其對應的固相體積分數(shù)小于1%，是典型的稀疏流兩相流，需要考慮氣相湍流的影響。本文采用雷諾應力模型計算湍流，該模型適合作為旋風分離器的湍流模型【5】。同時，使用SIMPLE算法進行壓力-速度耦合求解，壓力梯度項通過QUICK方法離散，此外，采用二階迎風離散對流項，采用中心差分格式離散擴散項。

2.2 模擬條件

單旋流管凈化氣量為3萬m3/d(標準狀態(tài))，除塵量為10 kg/d，工作壓力為20 MPa【4】?；诖?，設置數(shù)值模擬進氣初始條件。經(jīng)計算可知,旋流管入口的氣量為0.126 m3/min,入口顆粒流量為2.31×10-3kg/min，入口液相流量為2.28 kg/min。

在本模擬中，所有方程的收斂標準都默認殘差為10-3，利用非結(jié)構化網(wǎng)格的劃分方式對旋流管進行網(wǎng)格劃分，采用離散方法求解顆粒的受力平衡方程【8】，求解時的松馳因子采用默認值即可。對旋流管進行數(shù)值模擬的氣相邊界條件設置為：速度入口，垂直于入口截面，氣速可根據(jù)入口結(jié)構進行折算【9】；排氣管出口設置為自由流體出口；其余邊界全部設置為無滑移壁面，這有利于穩(wěn)定的計算。顆粒流入口邊界條件設置為質(zhì)量流量，將外管壁面和內(nèi)管外壁面條件皆設置為反彈邊界，在底部出口和溢流口設置逃逸邊界。

2.3 網(wǎng)格劃分

生成3種非結(jié)構化網(wǎng)格，數(shù)量分別為90.86萬、109.26萬和120.64萬。通過3種網(wǎng)格計算獲得的進出口壓降數(shù)值均非常接近，誤差在2.5%以內(nèi)，為節(jié)省計算量并保證精度，選擇109.26萬的網(wǎng)格劃分進行模擬，其典型網(wǎng)格尺寸為1.5 mm。該網(wǎng)格具有良好的預測一致性。圖2為旋流管典型型號網(wǎng)格劃分的正視圖和頂視圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 分離效率

圖3展示了上述6種不同結(jié)構參數(shù)的旋流管的數(shù)值模擬結(jié)果。在模擬計算時，對固相顆粒設置粒子跟蹤，并最終根據(jù)顆粒逃逸的數(shù)量計算不同粒度(1～10 μm)硫磺的分離效率。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：隨著顆粒粒徑的增加，分離效率逐漸提高；在典型工況下，所有型號的分離器對粒徑為10 μm及以上的顆粒的分離效率都可以達到100%。對比不同型號的分離效率曲線發(fā)現(xiàn)：標準Stairmand結(jié)構(即型號1)的分離效率最差，在顆粒粒徑為5 μm時分離效率僅為75%；型號3、5及6對5 μm顆粒的分離效率均達到100%；型號6 與型號5對2 μm顆粒的分離效率分別接近90%和100%；同樣，型號5和型號6對6 μm液滴的分離效率接近100%，顯示了良好的分離性能。

圖3 粒徑對分離效率的影響

3.2 壓降

圖4顯示了不同型號旋流管壓降的分析結(jié)果。從圖4中可以看出：標準Stairmand結(jié)構(型號1)的壓降在0.639 13 MPa；分離效果最好的型號5產(chǎn)生的壓降也最高，超過了2 MPa，這對于旋風分離器是難以承受的；而分離效率相對較高的型號6產(chǎn)生的壓降相對較小，在允許的范圍之內(nèi)。分離效率與壓降存在競爭的關系【10】，因此有必要僅以采用合適指標的方式綜合評價旋流管的性能。

圖4 旋流管分離器壓降

3.3 綜合性能評價指標

旋風分離器的壓降(ΔP)以及分離效率(η)是評估其綜合性能的重要因素，而阻力系數(shù)ξ是用于表示能量損失相對大小的無量綱參數(shù)。應充分考慮三者之間的關系以及其對綜合性能的影響。阻力系數(shù)ξ與壓降ΔP之間的關系如式(8)所示。

(8)

式中：ρg——氣體密度，kg/m3；

ui——進口氣速，m/s。

根據(jù)圖3找出6種不同型號分離器的分離效率達到70%時所對應的微粒粒徑 (分級粒徑X)，并用其表示各型號分離器的分離性能。由3.1節(jié)可知，分離器的分離效率隨著微粒粒徑的增大而增大，這說明當分級粒徑越小時，分離效率大于70%的微粒粒徑范圍越大，那么其分離效果也越好。因此希望旋風分離器應有更小的分級粒徑和更小的阻力系數(shù)。由此本文引進綜合參數(shù)Y=1/(ξ·X)評估分離器綜合性能。不同工況下硫磺顆粒的綜合參數(shù)計算結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知，型號6的綜合參數(shù)Y是最大的，因此其結(jié)構參數(shù)最優(yōu)。

3.4 最優(yōu)結(jié)構參數(shù)流動特性分析

建立最優(yōu)結(jié)構參數(shù)組合(型號6)的分離器模型，并進行數(shù)值模擬。

3.4.1 靜壓分布規(guī)律

圖6(a)展示了垂直于旋風分離器入口的中心平面上的靜壓分布。觀察圖6(a)發(fā)現(xiàn)，靜壓的分布沿徑向呈軸對稱，并且沿筒壁向中心呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，甚至在中心位置出現(xiàn)負靜壓。這說明在旋風分離器中向下運動的外旋渦靜壓要大于向上運動的內(nèi)旋渦靜壓。在分離器的中心位置，其靜壓最低且一直延伸至排料口，導致分離器底部極易出現(xiàn)返流現(xiàn)象。這主要是因為旋風分離器的旋轉(zhuǎn)氣流是由外旋渦以加速方式流向內(nèi)旋渦而形成的。此外，壓力分布在排氣管截面處急劇變化，這驗證了排氣管中存在強旋流。排氣管中的旋流是引起壓降的主要因素【11】。

圖5 旋流管分離器綜合分離效果評價

圖6(b)顯示了旋風分離器內(nèi)湍動能的分布。蝸殼式旋風分離器工作時， 會產(chǎn)生復雜的旋轉(zhuǎn)湍流流動， 而湍流則是在高雷諾數(shù)下的一種極其不規(guī)律的流體質(zhì)點脈動【12】。劇烈湍流通常會對分離效率造成負面影響， 因為它會將排氣管附近的粒子拖到出口處。模擬結(jié)果表明： 分離器錐形部分的湍動能較小， 且基本保持一致； 在圓筒部分， 隨著軸向高度的增加， 湍動能先增大后減小， 最大值出現(xiàn)在排氣管底部的近壁區(qū)域； 而在排氣管下端附近的環(huán)形區(qū)域湍動能達到最大值， 這說明在該區(qū)域的能量損失是最大的。流體流動中所受到的阻力是由流體質(zhì)點之間的相互碰撞產(chǎn)生的， 并且也是分離器中能量消耗的主要方面。

圖6 型號6旋流管分離器靜壓及湍動能分布

3.4.2 切向速度分布規(guī)律

圖7為旋風分離器在不同軸向距離橫截面上的切向速度(V)分布。在旋風分離器的總速度場中，切向速度分量是重要的組成部分【9】。當液滴被切向氣流所驅(qū)動時，會形成高速旋轉(zhuǎn)運動。由切向速度引起的離心力將液滴微粒甩向內(nèi)壁并將其從氣流中分離。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，切向速度在壁面和流場中心處為0。在旋風分離器中，每個不同的軸向斷面都存在一個速度渦的中心，切向速度圍繞速度渦的中心旋轉(zhuǎn)，形成了幾個同心圓。圖8為z=80 mm截面上切向速度分布曲線。由圖8可見：切向速度在徑向位置上呈明顯的“M”形狀的分布，具有良好的軸對稱性；切向速度隨著半徑減小先增大，隨后隨著半徑減小而減小，在半徑為0的中心位置達到最低值。

圖7 型號6旋流管分離器切向速度分布

3.4.3 不同直徑粒子軌跡分布規(guī)律

圖9(a)～圖9(c)為不同直徑的液滴微粒均勻進入旋風分離器后的運動軌跡。由于不同直徑的粒子所受到的離心力大小不同，較大的顆粒易集中在壁面附近，而較小的顆粒則更多地留在中心區(qū)域。1和3 μm的顆粒所受的離心力較小，因此它們大多從圓筒的底部流入排氣管中，隨氣相或被逆流攜帶出管口。同時其運動軌跡相對雜亂，這表明小顆粒的運動受到湍流的影響較大。當粒子直徑增大到5 μm時，則有越來越多的粒子螺旋向下流動到旋風分離器的底部，然后被收集起來并與氣體流分離。很明顯，隨著粒子直徑的增加，粒子完成的旋轉(zhuǎn)次數(shù)減少，行進路徑變短，螺距也相應增大，在旋風分離器中的停留時間縮短。

圖8 型號6旋流管分離器橫截面的切向速度沿徑向的分布(z=80 mm)

圖9 型號6旋流管分離器粒子軌跡分布

圖10為蝸殼式旋風分離器在不同入口速度條件下對液滴的分離效率。由圖10可見，分離效率隨著入口速度的增大而增大，流速越大則氣體內(nèi)液滴微粒產(chǎn)生的離心力越大，分離效率越高。在切向氣流的作用下，液滴顆粒產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運動，同時受離心力的影響，顆粒從內(nèi)到外做離心移動，并且靠著入口氣流的初始動量及重力的作用沉降下來,直至被捕集。當入口速度為20 m/s時，旋風分離器對于4 μm及以上微粒的分離效率在95%左右，對于2～4 μm的液滴微粒的分離效率超過68%，對于1～2 μm的液滴微粒的分離效率超過55%。

圖10 型號6旋流管分離器不同入口速度對液滴微粒的分離效率的影響

4 結(jié)語

開發(fā)了一種氣、液、固三相旋風分離器，用于在高含硫酸性氣田的集輸中將硫磺顆粒及液滴分離出來。以Stairmand標準旋風分離器參數(shù)為基準，計算了20 MPa時進口流量及含固含液條件下的硫磺分離效率及液滴分離效率，獲得了初步的設計數(shù)據(jù)，同時采用均勻設計法獲取選定參數(shù)范圍內(nèi)的最優(yōu)設計參數(shù)。最后，采用CFD-DPM方法對旋風分離器進行了全流場的數(shù)值模擬研究。得到的結(jié)論如下：

1) 旋風分離器內(nèi)部的靜壓沿徑向呈軸對稱分布，其內(nèi)部外旋流靜壓較高，內(nèi)旋流靜壓卻較低。流場的湍動能在排氣管下端附近環(huán)形區(qū)域內(nèi)最大，說明在此區(qū)域能量損失最大。

2) 切向速度對于粒子的分離與收集起著主導作用，其在徑向位置上的分布具有良好的軸對稱性。較大的粒子易集中在壁面附近，而較小的粒子則更多地留在中心區(qū)域。

3) 在一定范圍內(nèi)，蝸殼式旋風分離器的分離效率隨入口速度的增大而增大。