气液旋流分离器结构改进及数值模拟

２０１２年第１期　甘肃石油和化工　２０１２年３月　气液旋流分离器结构改进及数值模拟　闰一野　（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安　７１００２１）　摘要：通过对气液旋流分离器内部复杂三维流场内液滴的聚集、破碎机理以及着壁液滴流动情　况的分析，从而得出液膜不能及时排出是影响提高分离效率的重要因素。在此基础上提出了　在气液旋流分离器圆筒内壁和锥筒上进行简单的开口和钻孔改进，同时利用液体本身离心力　的作用使着壁液体及时排出；并且利用ＣＦＤ通用软件ｆｌｕｅｎｔ进行了模拟计算。模拟结果显示　改进后的结构确实有利于液体及时排出。　关键词：气液旋流分离器；流场分析；结构改进；Ｆｌｕｅｎｔ；数值模拟　１前言　气液旋流器是诸多分离设备中的一种，它是一种高效的多相流体分离设备。因其结构简单、分　离效率高、体积小、质量轻及操作方便等诸多优势，在化工、石油、食品、造纸等行业有相当广泛的应　用。随着近年来能源问题日渐突出，旋流分离在石油化工等行业凸显更为广阔的应用前景。因此对　如何提高旋流分离器分离效率的研究显得非常有实用价值。本文主要进行对主体结构提出改进设　想与分析，并且利用Ｆｌｕｅｎｔ６．３进行了内部流场的模拟和颗粒运动轨迹的模拟。　２旋流分离器的原理　旋流分离器一般由一个短圆柱体和一个单锥或者双锥筒体形成一个旋流腔体，进料口一般设　置在简体上部并且呈倾斜状。工作时，混合物料由入口切向送人旋流器的腔体内，由于进料速度的　原因，混合原料在腔体内形成高速的螺旋回转运动，从而产生离心力场。在离心力的作用下，混合物　料中质量较大的液体会发生离心沉降，被抛甩到器壁而失去动能，在重力的作用及气体旋转运动的　综合作用下向下旋动，沉降到圆筒壁上并下滑到锥形筒中，然后从底部排液口排除；质量轻的气体　由于离心力小而旋流于分离器的中心处。随着气流做旋转运动形成上升的低压气旋，最后从上部的　排气口排出。　３设备现状及问题　气液旋流分离器的主要优点是分离效率高，设备体积小，可以在很多场合使用。但是气液分离　器也有制约其分离效率的瓶颈，通常情况下单位时间内通人混合物料的流量越大，则混合物在空腔　内的旋转速度越快，从而离心力增大，有利于分离效率的提高。但是实际的情况是当进料流量到达　一定值时，分离效率达到最高值，然后随着进料流量的继续增加，分离效率反而急剧下降，分离后气　体中的二次返混液滴增多，也就是说旋流分离器存在着一个临界流量，该结论在中国石油大学金向　红等人的实验中也得到了相应的验证。其实气液旋流分离器的内部流场是复杂的三维强旋湍流，流　场内有复杂的气液两相流动以及液滴之间的碰撞、团聚、破碎等过程的存在。对于气液旋流分离器　的内部三维流动结构，由于测试手段的限制，一直没有实质性的进展，目前大都集中在内部流场数　收稿日期：２０１１－１０—１３　作者简介：闫一野（１９８６一），男，甘肃平凉人，在读硕士研究生，主要从事化工过程机械的研究。　４６　２０１２年第１期　闰一野：气液旋流分离器结构改进及数值模拟　实用技术　学模型和旋流ＣＤＦ模拟等理论和经验结合的研究阶段。　实验表明，气液两相流、液滴间的碰撞、团聚和破碎等不仅和流场有关，还和溶液密度、黏度、含　液浓度等很多物性密切相关［１］。本文仅就液滴在速度场的碰撞情况来分析着壁液体对旋流分离器分　离效率的影响。　４问题的分析　大量研究都已经证明分离器空腔内的流动分布可以看作外部的准自由涡和内部的准强制涡。　轴向速度在外围向下，在内部向上，在速度的交界上存在着一个速度为零的包络面。在旋流分离器　的内部流场中，液滴的大小不同而使得它们的离心沉降速度不同；同时在准自由涡区流体的径向具　有一定的角速度，这样邻近的颗粒便会有机会碰撞，碰撞的结果是液滴聚集为更大或者破碎为更小　的液滴。如果聚集为大液滴，则有利于液滴的着壁并下流；如果破碎为更小的液滴，那么小液滴更容　易随着气流流动而被夹带出去，对分离过程不利［２－－，４］。　液滴在旋流分离过程中，气液两相之间存在着较大的速度差。气体绕微粒运动时。这个速度差会　在微粒的前后驻点处导致压差的产生，这个压力可以使液滴变形甚至破碎。对于轻质的气液两相混　合物，两相的速度差不是很大，这时候造成微粒破碎的主要原因是高速气体流动所形成的湍动能［５Ｉ６］。　有研究者对三维流场做了ＬＤＶ测定ｕ，８］，其结果表明，分离过程中轴心处湍流强度最大，随着半　径　的增大，湍流强度急剧降低；当Ｒ继续增大时，湍流强度不再有大的变化；当Ｒ趋近于筒壁内　壁时，湍流强度急剧上升。通过以上分析可知：在中心部位，微粒的离心力小且湍流强度大，故液滴　容易被气体带走，这会导致分离效率的降低。由于在筒壁附近处速度梯度急剧增大且湍流强度增　大，液滴受气动压力、湍动、壁面粗糙度及大液滴本身不稳定性等因素的综合影响，液滴破碎的可能　性非常大。如果大液滴再次破碎为小液滴，则又会被气体带入内部旋流，这又降低了分离效率。鉴　于此，笔者对简体结构提出改进的想法，并进行了数值模拟研究。　５结构改进的探讨及其模拟　５．１结构改进　从以上分析可以看到加大进料流量时，制约分离效率提高的因素（不是唯一因素）是对已着壁　液体的及时排出问题。鉴于此，笔者认为可以对旋流分离器的圆筒段和锥筒段进行改进。具体做法　是：①沿着混合物旋流的轨迹对圆筒壁切割很多个较小的开Ｅｌ，形如百叶窗；②对下部的锥体部分　进行钻孔；③在整个圆筒和锥筒外加一个相同形状的套筒，内筒和外筒可用法兰连接。如此改进后　的工作过程：气液旋流时，液滴着壁形成液膜后，沿圆筒内壁自上向下旋流，在离心力和其他因素的　推动下，液体通过开Ｉ：１从内筒进入夹套内，这样有利于内壁液体及时排出，同时利于没有着壁的液　滴着壁；开口后势必会有气体进入夹套，由于夹套内的空间比和液体一起进来的气体体积大很多，　所以带有液滴的气体速度会瞬间减小，这又有利于气体中夹带的液滴重力沉降；在旋流分离器底部　负压的作用下，夹套内的气体和液体向下运动，最后气体从锥筒的圆孔中进入内筒并和中心的主体　旋流气体一起从顶部排出。　５．２数值模拟　为了简化模拟过程的复杂性，笔者只对内筒及圆筒上的开口结构内流场进行模拟。因为从圆筒　开口溢出的液体会在重力作用下自由下流，气体也会在锥筒底部的负压处被吸入，所以没有必要模　拟该环隙处增加计算的复杂性。　利用前处理器Ｇａｍｂｉｔ进行建模、划分网格及定义边界条件，具体的内筒尺寸参考了文献［９］中　的尺寸，同时在圆筒壁两侧加上２个切向小出口，具体模型如图１所示。　４７　２０１２年第１期　闫一野：气液旋流分离器结构改进及数值模拟　实用技术　参考文献：　［１］金向红，金有海，王建军，等．气液旋流器的分离性能．中国石油大学学报（自然科学版），２００９，３３（５）：ｌ２４～１２８．　［２］金有海，王建军，王宏伟，等，ＰＳＣ型旋风管内气相流动的实验与数据研究．中国石油大学学报（自然科学版），　２００６，３０（６）：７１～７６．　［３］　赵立新，蒋明虎，孙德智．旋流分离技术研究进展．化工进展，２００５，２４（１０）：１　ｌ１８～１　１１９．　［４］　金向红，金有海，王建军，等．气液旋流分离技术的研究．新技术新工艺，２００７，（８）：８５￣８８．　［５］　任相军，王振波，金有海．气液分离技术设备进展．过滤与分离，２００８，ｌ８（３）：４３￣４６．　［６］　靳国辉．气液分离器．国外油田工程，１９９８，（５）：４０￣４１．　［７］　ＨＯＥＫＳＴＲＡ　Ａ　Ｊ，ＤＥＲＫＳＥＮ　Ｊ　Ｊ，ＷＡＮ　Ｄｅｎ　Ａｋｋｅｒ　Ｈ　Ｅ　Ａ．Ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃＭ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｓｗｉｒｌｉｎｇ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｇａｓ　ｃｙｃｌｏｎｅｓ．ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，５４（１）：２０５５￣２０６５．　［８］　胡栎元，时铭显．蜗壳式旋风分离器全空间三维时均流场的结构．化工学报，２００３，５４（４）：５４９￣５５６．　［９］　于勇，张俊明，姜连田．Ｆｌｕｅｎｔ人门与阶进教材．北京：北京理工大学出版社，２００８．　［１０］　韩占忠，王敬，兰小平．Ｆｌｕｅｎｔ一流体工程仿真计算实例与应用．北京：北京理工大学出版社，２０１０．　（上接第１９页）　［１７］ＬＩＮＧ　ＬＵ，ＰＯ－ＨＳＵＡＮ　ＷＥＩ，ＣＨＵＮＧ—ＮＩＮＧ－Ｆａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｂｅｎｚｏｔｏｒｉａｚｌｅ．ＵＳ　７　６５５　８０５　Ｂ２，　２Ｏ１０—０２—０２．　［１８］　ＬＩＮＧ　ＬＵ，ＰＯ－ＨＳＵＡＮ　ＷＥＩ，ＣＨＵＮＧ—ＮＩＮＧ—Ｆ叭，ｅｔ　ｏ１．Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｂｅｎｚｏｔｏｒｉａｚｌｅ．ＵＳ　２ＯＤ９／０２７Ｏ６３２Ａ１，　２００９－１０—２９．　［１９］　ＴＨＥＲＥＳＡ　Ａ　ＣＯＬＬＩＮＳ，ＪＯＨＮ　Ｔ　ＭＵＬＬＶＨＩＨＬＬ．Ｏｃｃｕｌａｒ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ　Ａ　ＵＶ—Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｏｌｅｓ　ｈａｖｉｎｇ　Ａ　ｓｔｙｒｅｎｅ　ｇｒｏｕｐ．ＵＳ　５　７２９　３２２，１９９８－０３－１７．　［２０］　ＭＩＵＲＡ　ＴＳＵＴＯＭＵ．Ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｏｌｅ　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ａｎｄ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｏｆｒ　ＵＶ　ａｂｓｏｒｂｅｒｓ．ＪＰ　９２－０５２９１，１９９２－０６－０９．　２ｌ　赵义．聚合型紫外线吸收剂的制备、高分子量化及对高分子材料的防护作用．成都：四川大学，２００６．　２２　赵义，淡宜．反应型紫外线吸收剂的制备及高分子化．高分子材料科学与工程，２００６，（５）：７４￣７７．　２３　ＲＥＳＮＩＣＫ　ＢＲＵＣＥ　Ｍ．ｂｅｎｚｏｐｈｎｏｎｅ　ａｎｄ　ｈｔｅｉｒ　ｕｓｅ　ｓａ　ｆｕｎｇｉｃｉｄｅｓ．ＵＳ　４３２９３６０．１９８２－０５－１　１．　２４　ＬＯＵＩＳ　ＨＯＲＴＯＮ　ＲＯＢＥＲＴ．１ｉｇｈｔ－ｓｔｂａｉｌｉｚｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｉｎ　ａｎｄ　２－ｈｙｄｒｏｘｙ－４－ａｅｒｙｌｏｘｙｅｔｏｘｙ　Ｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅｓ　ａｎｄ　ｈｏｍｏｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｔｈｅｒｏｆ．ＵＳ　３　３１３　８６６．１９６７一Ｏ４—１１．　［２５］　ＫＵＭＡＧＡＩ　ＳＨＩＮＩＣＨＩ．ｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅｓ　ａｎｄ　ｈｔｅｉｒ　ｈｏｍｏｐｅｌｙｍｅｒｓ．ＪＰ　９０－１８０９０９，１９９０－ｊｕｌ－１３．　［２６］　ＡＮＴＨＯＮＹ　ＢＬＡＩＲ．ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｒｅｓｉｎｓ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｎｉｔｒｉｌｅｓ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ａ　２－ｈｙｄｒｅｘｙｂｅｚｚｏｐｈｅｎｏｎｅ　ｇｒｏｕｐ．ＵＳ　４３６６２０７，　１９８２—１ｌ一２８．　［２７］　安秋风，路得诗．含有二苯酮类紫外线吸收剂基团的聚硅氧烷的合成．精细化工，２００５，（１０）：７２４￣７２８．　［２８］　ＭＹＥＲＳ　ＴＥＲＲＹ　ＮＥＤ．２－ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅ　Ｈｙｄｒａｚｉｄｅｓａｎｄ　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　Ｔｈｅｒｅｏｆ　ｓａ　Ｓｔｂｉｌｉｚｅｍ　ｏｆｒ　Ｐｏｌｙｍｅｒｓ．ＥＰ　３０３２８３，　１９８９－０２—１５．　［２９］　ＶＬＡＤＩＭＩＲ　ＢＯＪＩＯＮＯＶ．Ｓｓｔｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆｎｅｗ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　２，２，６，６－ｔｅｔｒａｍｅｔｈｌｙｐｉｅｐｒｉｄｉｎｅ－２－ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅ１，３，５一　ｔｒａｚｉｎｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ａｓ　ｐｈｏｔｏｓｙａｂｉｌｉｚｅｒｓ　ｆｏｒ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｐｈｏｔｏｂｉｏｌｏｇｙ　Ａ，２００２，１４６：　１９９～２０５．　［３Ｏ］　ＶＬＡＤＩＭＩＲ　ＢＯＪＩＯＮＯＶ．Ｓｓｔｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　２，２，６，６－ｔｅｔｒａｒｎｅｔｈｌｙｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅ一２一ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎ—　ｚｏｐｈｅｎｏｎｅｌ，３，５－ｔｒａｚｉｎｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ａｓ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｓｆｏｒｐｏｌｙｍｅｒ．ＰｏｌｙｍｅｒＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ａｎｄＳｔａｂｉｌｉｔｙ，２００１，７４：５４３￣５５０．　［３１］　ＣＡＲＬ－ＥＲＩＣ　ＭＩＩＥＮ　ＷＩＬＥＮ．Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｅｐｌｙａｌｋｙｌｐｅｒｉｎｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｓ．ＧＢ　２３５１７３２　Ａ，２０００－０６－１９．　【３２］　ＧＲＡＳ　ＲＡＩＮＥＲ，ＷＯＬＦ　ＥＬＭＡＲ．Ｃｏｎｆｉｎｇ　ｐｏｌｙｉｓｏｃｙａｎｔｅｓ　ｈａｖｉｎｇ　ｂｕｉｌｔ－ｉｎ　ＨＡＫＳ　ｓｔａｂｉｉｌｚｅｒｓ．ＣＡ　２　２１９　８３２，１９８８－０５－２０．　［３３］　刘晓暄，杨建文，黄劲涛，等．光固化聚氨酯丙烯酸酯涂层的固化动力学及其光稳定化研究．功能高分子学报，　２００１，（４）：：：７～３９２．　［３４］　沈华，郭玉良，杨勇，等．反应型受阻胺紫外线吸收剂的应用性能研究．印染助剂，２００８，（４）：１９￣２２．　［３５］　崔国士，赵红英，沈新元．新型反应性Ｂ区紫外线吸收剂的合成及性能．石油化工，２００７，（１）：６７￣７２．　５１