0 引言

重力式气液分离器是石油化工等行业普遍使用的气液分离设备^[1]，其内部构件对分离效率的提高具有显著效果。气液分离器内部构件主要包含入口构件、整流构件和除雾构件等。分离器入口构件吸收或控制进入分离器的快速气液流的动量，使入口混合物的动量减小，完成气液相的初分离，并使气液在各自的流通面积上有均匀的流速，减少进口射流对流场的冲击。为了获得更好的分离效果，有必要对分离器入口构件进行研究。

气液分离器常用的入口构件有入口挡板、入口旋流构件、半开口管和叶片式构件等^[2-3]。陆耀军等^[4]通过粒子图像测速技术发现，离心式入口构件的预分离作用和流动特性较碟形入口构件和挡板式入口构件好。王学平等^[5]通过数值模拟发现，球壳形挡板入口构件对液-液分离器内部流场的稳定作用比方形平板入口构件强。邓志安等^[6]发现凹形板入口构件的分离效率优于凸形板，而凸形板入口构件减少漩涡的作用优于凹形板。原广庆等^[7]通过数值模拟发现，加入入口构件能有效缓冲入口流体对初始流场的冲击，加入稳流构件后，能明显减小并抑制流场内部漩涡和返混。传统入口构件的主要作用是完成初步分离和降低进口流体动能，对于入口构件后方出现的涡流和返混现象并没有相应的解决措施。

本文提出一种新型叶片式入口构件，不仅能够进行初步分离和降低流体动能，还具有整流作用。笔者对新型叶片式入口构件整流效果进行三维数值模拟，分析了折弯角度、水平板长度和斜板长度对流场整流效果的影响规律。研究结果可为气液分离器的进一步优化设计提供依据。

1 数值模拟

合理选取与设计分离器的内部构件，不仅能够提高分离效果以及气体处理能力，还能减小分离器尺寸，减少投资，维持下游关键设备的安全运转。无论是设计新的分离器，还是改造现有分离器，都需要全面了解分离器内部构件的工作原理及其性能特点^[8]。

1.1 几何模型与网格划分

根据工程实际中采用的气液分离器尺寸构建几何模型，圆筒部分长度4 000 mm，直径800 mm。分离器气体进口和气体出口均设置在分离器筒体上部，距离圆筒部分边缘200 mm。

新型叶片式入口构件不仅具有入口构件的功能，还兼具整流构件的功能，因此仅在筒体入口处设置入口构件，不再另设整流构件。液面控制在半满处^[9]，气液混合物的流动区域为容器的上半部分，仅对上半部分的流通区域进行建模。计算区域如图 1所示。

新型叶片式入口构件为一系列带折弯角的叶片叠加而成^[9-10]，其模型如图 2所示。其原理为：气液混合物打在前端倾斜向下的斜板上，一部分气体随着斜板间的间隙而流出，另一部分气体由于斜板的阻挡作用而向下流动，在向下流动的过程中，气体逐渐通过入口构件，以达到平均气流的作用。

新型叶片式入口构件单叶片的尺寸参数如图 3所示。入口构件结构参数如表 1所示。为了探究新型叶片式入口构件整流效果的影响因素，以入口构件的折弯角度α、水平板长度l₁和斜板长度l₂为变量，对加入新型叶片式入口构件的分离器内部流场进行数值模拟。

模拟的入口构件分3组，其中第1组为水平板长度和斜板长度相同，折弯角度不同；第2组为斜板长度和折弯角度相同，水平板长度不同；第3组为水平板长度和折弯角度相同，斜板长度不同。

油气分离器内部几何结构复杂，为了适应其几何结构特点，气液分离器的网格划分采用四面体非结构网格^[11]，在气液分离器进出口及入口构件处进行加密处理。网格划分如图 4所示。图 4中a、b、c、d和e为流场速度的观察截面。

1.2 数学模型 1.2.1 基本假设及边界条件

为简化计算，节省时间和空间，对分离器内部流场的设置做如下假设：①模拟气体为空气；②内部流场气体流动为连续流动；③气体为不可压缩流体；④流场恒温。

入口设为速度入口，入口速度20 m/s，出口设为自由出流，分离壁面按照无滑移条件处理，气液交界面视为壁面。因流场为恒温，故不考虑热边界条件。

1.2.2 湍流模型

RNG k-ε湍流模型通过修正湍动黏度，考虑平均流动中的旋转及旋流流动情况，可以更准确地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动^[12-13]。文献资料表明，RNG k-ε模型对于弯管流^[14]、冲击射流^[15]和旋转流^[16]等流动类型都具有较高精度，因此选用RNG k-ε湍流模型对分离器流场进行模拟。RNG k-ε湍流模型主要由湍流动能方程和湍流耗散率方程组成，方程的主要形式如下：

(1)

(2)

式中：k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率；t为时间，s；x_i为方向矢量；ρ为密度，kg/m³；α_k、α_ε分别为湍动能和耗散率的有效湍流普朗特数的倒数；μ_eff为湍流黏度系数；G_k为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；G_b为由于浮力影响引起的湍动能产生；Y_M为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C_1ε、C_2ε和C_3ε均为常量。

2 模拟结果与分析

通过对比入口构件后方200 mm处a截面的轴向速度分布^[17]和入口构件后方不同距离截面的速度不均匀度，分析折弯角度、水平板长度和斜板长度对入口构件整流效果的影响规律。

2.1 折弯角度对入口构件整流效果的影响

为了研究相同水平板长度和斜板长度情况下，不同折弯角度的入口构件对流场的影响，取入口构件后方200 mm处的a截面进行分析，其轴向速度分布如图 5所示。图 5b中的“150-10-5”分别表示折弯角150°、水平板长10 cm、斜板长5 cm，下同。由图 5可见：新型叶片式入口构件对于流场速度分布具有明显的改善作用，无入口构件时等速线密集而且速度大小跨度范围大，中部有大片逆流区域；安装入口构件后，等速线分布变得稀疏且速度大小跨度明显缩小，逆流现象基本消除；从横向上看，当水平板长度和斜板长度相同，且当折弯角分别为150°、140°和130°时，流场速度分布有明显差别，140°等速线分布较130°和150°等速线更为稀疏，说明速度梯度较小，变化更加平缓，整流效果较好，这有利于沉降分离。

为更准确地比较新型叶片式入口构件对流场的梳理作用，将截面上各点流速的标准差定义为速度不均匀度S_n^{[7, 18-20]}，其表达式为：

(3)

式中：u_i为截面各点速度，m/s；为截面平均速度，m/s；S_n为截面速度分布的均方差，即不均匀度。

S_n越小，则速度分布越均匀，流场越稳定，越有利于分离。取图 3中a、b、c、d和e截面的速度求取截面速度不均匀度，得到安装不同结构尺寸入口构件后气液分离器内截面速度不均匀度的变化曲线，如图 6所示。由图 6可见：随着距离的增加，截面速度不均匀度呈下降趋势，说明分离器内部流场越靠后，速度分布越均匀；无入口构件时，其各截面速度不均匀度远远高于有入口构件的截面；当折弯角度为140°时，各截面速度不均匀度均达到最小，其结果与图 5分析结果基本一致，故当折弯角度为140°时整流效果最好。

2.2 水平板长度对入口构件整流效果的影响

建立斜板长度、折弯角度相同而水平板长度不同的气液分离器几何模型。对流场进行求解，入口构件后200 mm的a截面的轴向速度分布云图如图 7所示。由图 7可见，不同水平板长度对流场的梳理作用同样较为明显，不同平行板长度对流场速度分布的梳理作用也不相同，但差别不明显。沿程截面的速度不均匀度的变化情况如图 8所示。由图 8可见：随着距离入口越远，速度不均匀度越小；从横向上看，不同水平板长度的速度不均匀度变化曲线基本重合，差异较小，故水平板长度对流场梳理作用影响较小。

2.3 倾斜板长度对入口构件整流效果的影响

建立水平板长度、折弯角度相同而倾斜板长度不同的气液分离器几何模型。对流场进行求解，入口构件后200 mm的a截面轴向速度分布云图如图 9所示。由图 9可见，不同斜板长度对流场的梳理作用同样较为明显，不同斜板长度对流场速度分布的梳理作用也不相同。沿程截面的速度不均匀度的变化情况如图 10所示。

从图 10可见：随着距离入口越远，速度不均匀度越小；从横向上看，斜板长度分别为50和70 mm的速度不均匀度变化曲线几乎重合，整体上低于斜板长度为90 mm的速度不均匀度，说明斜板长度不宜过长，长度为50或70 mm时效果较好。

3 结论

(1) 通过数值方法模拟气液分离器内部流场，与试验方法相比，能够便捷地掌握气液分离器内速度分布，直观地评价不同结构参数入口构件的整流效果。

(2) 对安装新型叶片式入口构件的气液分离器内部流场进行数值模拟，发现分离器各截面的速度不均匀度显著降低，说明新型叶片式入口构件具有较好的整流效果。

(3) 模拟折弯角度、水平板长度和斜板长度等因素对整流效果的影响，发现折弯角度对整流效果的影响最为突出，入口构件折弯角度过大或过小、斜板长度过长均不利于流场的梳理，而水平板长度对整流效果的影响不明显。