2. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院
2. College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum (Huadong)
0 引 言
柱状旋流分离器由于其结构简单、易于安装、分离效率高等优点,在石油化工行业获得了广泛的应用。旋流分离器的结构参数对内部流场分布和分离效率等有重要的影响。其中,排气管插入分离器内部的长度就是其中一项重要的结构参数[1],排气管对流场具有导向作用,它的加长可以对旋流器下端的流体运动起到带动作用;同时,排气管插入长度的增加也将有利于旋流器流场空气柱的消除。根据标准旋流器设计准则,排气管插入长度一般取为旋流器直径的0.50~0.80倍。
笔者将采用数值模拟和室内试验相结合的方法研究排气管插入长度对柱状旋流分离器内部旋流强度、压力损失、旋流不稳定性和高效运行区的影响规律。
1 数值模拟 1.1 物理模型及网格划分图1为倾斜切向入口柱状旋流分离器的结构示意图,其中入口管下倾角度θ为27°,入口管直径d、入口管长度l、筒体直径D、筒体上部高度H、筒体下部高度L和排气管直径Dc分别为220、1 000、370、1 500、1 100和110 mm,而排气管插入长度的模拟尺寸分别为0、115、155和195 mm。将分离器的入口管与分离筒体进行分区生成网格,根据琚选择等[2]的研究结果,采用Cooper技术在整个筒体生成非均匀密度非结构化的六面体网格。
1.2 边界条件与数值解法将入口边界设定为速度入口边界,给定与入口平面垂直的速度值,入口湍流参数设置给定计算出的入口处湍动能κ和湍动耗散率ε[3]。出口边界为流动出口,按湍流流动充分发展处理。使用无滑移边界条件作为计算模型中壁面的边界条件,选用标准壁面函数对近壁处进行计算。
在对湍流模型[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]、对流项离散格式[12, 13, 14]和压力插补格式详细分析的基础上,为提高计算速度,同时保证计算的收敛性、精度和稳定性要求,将计算过程分3步进行[15]:①首先在稳态条件下,采用RNG κ-ε湍流模型求解RANS,计算方法采用Simple算法,离散格式采用绝对稳定的一阶迎风格式,压力插补格式为默认的Standard格式,计算收敛时形成的初步涡旋流场;②以RNG κ-ε模型计算的流场作为初始条件,继续采用Simple算法,湍流模型改为RSM模型,离散格式采用Quick格式,压力差补格式采用Presto!格式;③以上步计算的流场作为初始条件,切换成非稳态计算,计算方法采用对瞬态问题有明显优势的Piso算法,离散格式仍用Quick格式。
2 模拟结果 2.1 流场分布特性图2为排气管插入长度h=0、115、155和195 mm时,在Z=600 mm与Z=1 600 mm 2个截面上的切向与轴向速度分布。
从图2中可以看出,随排气管插入长度不断增大,切向速度整体发生衰减,最大切向速度值衰减程度最大;同时,内旋流区的上行轴向速度减小。排气管插入长度增大,流体与排气管外壁的接触面积增大,使壁面摩擦损失增大,能量的损失造成切向速度和轴向速度随排气管插入长度的增大而逐渐衰减。
图3为不同排气管插入长度下分离器的压力损失曲线。由图可知,分离器的压力损失随着排气管插入长度的增加而增大。
根据Muschelknautz模型方法[16, 17],旋流分离器的压力损失主要包括2部分,分别为流体与分离器壁面的摩擦损失和分离器的内部旋转损失,而内部旋转损失占主要部分。分离器的内部旋转损失可以表示为:
从公式(1)可以看出,分离器压力损失与A和(vwvc)1.5成正比。由前面的切向速度分析可知,随排气管插入长度的变化,切向速度变化不大,因此A是影响压力损失的关键因素。排气管插入长度的增大造成分离器内部总面积A的增大,进而造成压力损失的增大。
2.2 流场不稳定性研究的柱状旋流分离器采用单向入口,而单向入口的非轴对称性使分离器分离筒体空间的流场呈现非轴对称性,具体表现为流场的摇摆特性,即流场的旋转中心偏离了柱状旋流分离器分离筒体的几何中心,在研究中将这种现象称为流场的不稳定性。因此,利用流场的非轴对称程度进行流场稳定性的分析。
为了更直观地表征分离器流场非轴对称的程度,采用截面旋转中心与几何中心的偏心距LO-O′定量的计算非轴对称程度,以方便不稳定特性的研究。其中,偏心距的计算公式如下:
当排气管插入长度h=0、115、155和195 mm时,得到的不同截面偏心距变化、平均值和宽度对比如图4所示。
图4显示,当排气管插入长度变化时,不同轴向截面处的偏心距变化趋势发生变化,即流场摇摆位置和方向不一致。在排气管插入长度从无到有的过程中,偏心距变化明显。当插入深度为0时,偏心距波动较大,平均偏心距在12.5 mm附近;当插入长度为115、155和195 mm时,偏心距波动变弱,平均偏心距分别在11.05、10.95和12.05 mm,说明排气管插入分离器内部能提升分离器的旋流稳定性;但偏心距平均值并没有随排气管插入长度的增加而减小,说明在模拟排气管插入长度范围内,流场稳定性并不随插入长度的增加而增强。排气管插入分离器内部起到对旋流进行导引控制的作用,进而提升了旋流稳定性。然而,在模拟范围内的插入长度下,排气管入口全部在分离器入口以上,并且插入长度并不大,因此不同排气管插入长度带来的导引作用差别不大,从而造成流场稳定性并不随插入长度的增加而增强。
图5为上述排气管插入长度下分离器纵向截面静压与切向速度分布云图,从图中能更直观地观察到这种变化规律。
3 试验研究 3.1 分离效率评价试验前加工制造了3种不同入口以上高度(700、950和1 200 mm)的分离器,每种分离器分别对应3种不同插入长度(40、70和110 mm)的排气管,试验确定了不同结构下分离器的高效运行区,通过对比高效运行区研究不同排气管插入长度对分离器分离性能的影响。
高效是指气相出口的气中含液量低,高效运行区是指能使分离器高效运行的气液相表观速度范围,其边界就是高效运行曲线。高效运行曲线由一系列临界高效点组成,临界高效点即不同气相表观速度下分离器能高效运行的最大液相表观速度,临界点按照丝网捕集器丝网上被捕集液滴的存在形式决定。捕集的液滴在丝网上聚结,当聚结到一定程度时,由于液滴的重力作用,丝网将不能继续承载该液滴,这时该液滴沿丝网滑落,不再以液滴的形式存在。试验中以液滴出现此种滑落为临界点,以该临界点作为分离器的高效临界点。通过试验找出不同结构参数下分离器的高效临界点,绘制出高效临界曲线,对比不同结构参数的高效运行区。
3.2 试验系统及主要设备分离器室内试验系统包括动力系统、测量系统、数据采集系统及试验样机,试验流程见图6。
如图6所示,采用Atlas螺杆压缩机和IH型单级耐腐蚀的单级单吸(轴向吸入)悬臂式离心泵提供精确的气相流量和液相流量;采用EJA115微小孔板流量计、DY015-DN15数字涡街流量计、质量流量计、Keller PA23与PA25压阻式压力变送器和Rosemount3595电容式压力变送器、RWBPA61型号温度传感器对试验过程中气、液相流量和分离器的运行温度、压力进行实时监控;采用NI PCI-6071E采集卡和LabVIEW采集程序对分离器入口气量、入口气速、标准气量、入口液量、入口液速、分离器进口压力和操作温度等参数进行采集记录。
不同试验工况的试验时间不同,以此保证在每个试验工况的试验时间范围内进入分离器的标况气量相同。确定高效临界点时,首先确定一个气相表观速度vsg,液相表观速度vsl从小到大依次变化,每次试验待运行到设定时间后,观察丝网捕集器上的液滴状况,直至出现液滴滑落现象,则找到该气相表观速度下的高效临界液相表观速度,完成一个高效临界点的确定。确定下一个气相表观速度,重复上述过程,直到找到不同气相表观速度下分离器对应的高效临界点。
3.3 试验结果在数值模拟中,排气管插入分离器是有利的,因此将研究插入长度对分离器分离性能的影响。图7为分离器入口以上高度H分别为700、950和1 200 mm时不同排气管插入长度(40、70和110 mm)下分离器的高效运行曲线。从图中可以看出,在试验工况范围内,随着排气管插入长度的增大,分离器高效运行区范围略有缩小。气流携带的液滴在随气流向上运动的同时会从分离器轴心往器壁运动,排气管插入分离器内部使分离器轴向分离距离缩短、液滴运动时间减少,从而造成部分液滴还未运动到壁面就随气流进入排气管,旋转直径的缩小使旋流强度增加,进而使液滴随气流流出,造成气相液体携带的增多,使分离器高效运行区缩小。但由于排气管插入并不深,所以其对高效运行区的影响不大。
由数值模拟和试验研究结果可知,在对流场分布特性的分析中,排气管插入长度增大,流体与排气管外壁的接触面积增大,使壁面摩擦损失增大,进而造成分离器内部旋流强度降低、压力损失升高;而在试验研究中,排气管插入长度的增加使分离器的高效运行区略有减小。通过以上分析,可以得到排气管插入分离器内部不利于分离器有效运行的结论,但考虑到实际应用中,当来流液量增大对分离器产生冲击的时候,不得不考虑液流的蹿升以及撞击飞溅的情况,而且排气管插入分离器内部可以提升分离器内部流场的稳定性。因此,为了扩大分离器的适用工况,排气管必须留有一定的插入长度,在本研究中,插入长度宜为分离器筒体直径的0.5倍。
4 结 论(1)排气管插入长度增大,流体与排气管外壁接触面积增大,使壁面摩擦损失增大,引起切向速度和轴向速度衰减,旋流强度降低,压力损失增加。
(2)排气管插入分离器内部会改善分离器内部流场的不稳定性,但插入长度对流场不稳定性的影响规律不明显。
(3)随着排气管插入长度的增大,分离器高效运行区范围略有缩小,规律性不是很明显。综合各种因素,排气管插入柱状旋流分离器内部可以提升其分离性能,但插入长度不宜过长,在本研究中,插入长度宜为分离器筒体直径的0.5倍。
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