螺旋管復合氣液分離器的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計

孫 剛

（許昌學院 電氣工程學院，河南 許昌461000）

0 引言

螺旋管復合氣液分離器作為能源輸送設(shè)備中比較關(guān)鍵的部件，其作用是將氣體和液體有效分離，具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效果好、適應大流量和含氣量范圍大等優(yōu)點。 螺旋管復合氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、分離性能的優(yōu)劣，對最終能源產(chǎn)品質(zhì)量有著不可忽視的影響。 所以，了解分離器的工作原理，研究其內(nèi)部流場運動規(guī)律，進而優(yōu)化分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，將有著非常重要的意義。 本文則應用計算流體力學方法和相關(guān)軟件模擬研究分離器內(nèi)流體流動的規(guī)律，從而為分離器的優(yōu)化設(shè)計提供有力的參考依據(jù)。

1 分離器工作原理

文章所設(shè)計的螺旋管復合氣液分離器的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，整個分離器外觀呈圓柱筒形，設(shè)計總高度為2400mm，桶內(nèi)徑為600mm，主要包括混合液流進口、氣體出口、液體出口和底面排污口，可分為集氣部分、螺旋分離部分、集液部分三個組成部分。

集氣部分呈筒腔狀，設(shè)計高度400mm，內(nèi)徑600mm，主要用于對氣體攜帶少量油品的回收和對分離出的氣體進行匯聚排空；螺旋分離部分主要由螺旋管分離元件組成，螺旋管部分設(shè)計總高600mm，由6圈螺旋構(gòu)成，螺距100mm，螺旋管內(nèi)徑30mm，旋轉(zhuǎn)半徑200mm。 集液部分由入口分離段、液體儲存段、液封段組成，主要用于對經(jīng)旋流分離得到的氣液部分進行進一步分離，經(jīng)此分離之后，液體靠重力進入儲液部分，氣體上升進入集氣部分，氣液開始進入重力沉降分離過程。其中，入口分離段設(shè)計高度600mm，液封段設(shè)計高度400mm

圖1 螺旋管復合氣液分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spiratron Composite Gas-liquid Separator structure

分離器的工作原理是：氣液混合流體首先通過混合液流進口進入螺旋分離部分的螺旋管，產(chǎn)生離心加速度，在離心力和重力共同作用下，密度大的液體向管道外下側(cè)聚集，沉降到一定程度后經(jīng)下部的排液口排出。 密度小的氣體向管道內(nèi)上側(cè)聚集，通過螺旋管道內(nèi)上側(cè)開口排出，此過程即為旋流分離過程。 當流體含氣量很少或總體流量較小時，分離器主要依靠集氣部分和集液部分進行重力分離，即此時采用容積式分離技術(shù)。

2 分離器內(nèi)流場數(shù)值模擬

2.1 工作介質(zhì)參數(shù)

進行數(shù)值模擬時，工作介質(zhì)為一定含氣量的液體，其有關(guān)參數(shù)如下：油的密度為860kg/m3，動力黏度為0.048kg/m·s，天然氣密度為0.7 kg/m3， 動力黏度為1e-06kg/m·s， 操作壓強1.01×105Pa， 重力加速度9.81m/s2，油氣混合物入口流速12m/s，天然氣體積分數(shù)80%，螺旋管高度600mm，螺旋圈數(shù)為6，螺旋管半徑30mm，旋轉(zhuǎn)半徑200mm。

2.2 邊界條件設(shè)定

（3）壁面條件和近壁處理：旋流管壁面包括周向邊壁和頂端壁面，按照無滑移條件處理，即：u=v=ω=k=ε=0

（4）循環(huán)邊界條件：在旋流管的對稱面上設(shè)置循環(huán)邊界，使得液體能夠循環(huán)流動，令各變量沿圓周方向的梯度為零，即：

2.3 分離器數(shù)值模擬

在AutoCAD 中對螺旋管進行建模并輸出成ACIS 文件， 導入Fluent 的前處理器GAMBIT 中，進行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，然后進行內(nèi)流場模擬，結(jié)果如圖2-圖4 所示。

由圖2-圖4 可知，在進口流速為12m/s，氣相體積分數(shù)為80%時，氣液兩相進入螺旋管后，在離心力和重力的共同作用下，氣體向螺旋管內(nèi)上側(cè)聚集，液體向螺旋管外下側(cè)聚集。 螺旋管內(nèi)側(cè)氣體體積分數(shù)可以達到100%，并且內(nèi)壁氣體體積分數(shù)分布均勻、穩(wěn)定。 但液體能量損失較大，并且某些位置出現(xiàn)速度激增現(xiàn)象。

所以對流速應進行調(diào)整，以保證氣液分離效果最佳，并盡可能較小能量損失。 實際應用也表明對螺旋管主要結(jié)構(gòu)尺寸進行修改，也可有效提高分離效率，降低能量損失。基于以上原因，應對分離器螺旋分離部分進行優(yōu)化設(shè)計。

圖2 螺旋管內(nèi)氣相體積分數(shù)分布云圖Fig.2 gas phase volume point distribution

圖3 螺旋管內(nèi)部氣相體積分數(shù)沿X、Y、Z 向剖切云圖Fig.3 gas phase volume sectioning figure in X,Y,Z coordinate

圖4 螺旋管內(nèi)部氣相速度矢量圖Fig.4 gas phase velocity vectorgraph inside spiratron

3 分離器優(yōu)化設(shè)計

3.1 螺旋分離部分運行參數(shù)優(yōu)化

運行參數(shù)優(yōu)化主要包括分離器進口流速，最優(yōu)流速可以使氣液盡可能完全分離開，即內(nèi)壁氣體的體積分數(shù)盡可能的大，而外壁氣體分數(shù)盡可能的小，另一方面又可以使能量損失大大減小。

通過對高含氣率（氣體體積分數(shù)80%）、中等含氣率（氣體體積分數(shù)50%）、低含氣率（氣體體積分數(shù)30%）3 組參數(shù)，進口流速依次為2m/s、4m/s、8m/s、12m/s、16m/s 分別進行數(shù)值模擬， 得出氣液的進口流速為8m/s 最為合適。

3.2 螺旋分離部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑尺寸優(yōu)化

在入口氣體體積分數(shù)80%、 氣液兩相流速均為8m/s 時對分離器的旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)置3 組對照模擬試驗， 得出螺旋管最佳旋轉(zhuǎn)半徑在150～200mm 時氣液的分離效果最好，而且壓降損失無明顯增大，其氣體體積分數(shù)分布云圖如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)半徑為200mm 時的氣體體積分數(shù)云圖Fig.5 gas volume point figure in 200mm turning radius

3.2.2 螺旋管高度的優(yōu)化

改變螺旋管的高度也可影響氣液分離效果，在入口流速仍為8m/s，入口氣體體積分數(shù)為0.8 的條件下對螺旋管的高度進行3 組對照模擬試驗，得出螺旋管的最佳螺旋高度為400mm，其氣體體積分數(shù)分布云圖如圖6 所示。

圖6 螺旋高度為400mm 時的氣體體積分數(shù)云圖Fig.6 gas volume point figure in 400mm spiralism height

3.2.3 螺旋管開孔的優(yōu)化

由上述模擬結(jié)果可知，在螺旋管內(nèi)壁處匯聚大量的氣體，在適當流速下其體積分數(shù)可達到100%，所以在內(nèi)壁開孔排氣是必要的。根據(jù)每圈開孔流通面積與螺旋管截面積的正比原則，初步設(shè)計在中間兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開直徑為5mm 孔30 個，下面兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開直徑為10mm 孔10 個。 在螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑為200mm、 螺旋管徑30mm、螺旋管高度400mm、進口氣體體積分數(shù)為80%、進口氣液流速為8m/s 時進行模擬實驗，其內(nèi)開孔處氣體體積分數(shù)X-Y 分布圖如圖7 所示。 模擬結(jié)果表明此種開孔方式可有效提高氣液的分離效率，內(nèi)壁開孔處的開孔截面平均氣體體積分數(shù)達到了97%，大量的氣體通過孔排出，液體出口處的平均液體體積分數(shù)也達到了75%以上。

圖7 內(nèi)開孔處氣體體積分數(shù)X-Y 分布圖Fig.7 gas volume point distribution curve in inner open pore

4 結(jié)論

螺旋管復合氣液分離器作為能源輸送設(shè)備中關(guān)鍵的分離部件，其分離性能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)的正常運行有著直接的影響，研究螺旋管復合氣液分離器的工作原理，了解其性能，找出其最優(yōu)工作狀態(tài)和最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，有著非常重要的意義。本文則采用數(shù)值模擬的方式，對螺旋管復合氣液分離器進行了模擬分析和優(yōu)化設(shè)計。 通過模擬結(jié)果可知，在進口流速為8m/s，氣相體積分數(shù)為80%時，氣液混合流體可通過螺旋管實現(xiàn)有效分離，其中螺旋管內(nèi)壁氣體體積分數(shù)可達到100%，外壁液體體積分數(shù)可達到99%以上，螺旋管內(nèi)部氣液層狀分布，且分布情況穩(wěn)定、均勻。

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