油-水-氣三相旋流器分離驗證及氣-液腔結構優化

鄭小濤，龔 程，徐紅波，喻九陽，林 緯，徐 成

1.化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室(武漢工程大學)，湖北 武漢 430205；2.廣州民航職業技術學院飛機維修工程學院，廣東 廣州 510470

0 引 言

油-水-氣三相旋流分離與水力旋流分離器的原理相同，都是利用高速旋轉流體產生的離心力使存在密度差互不相容的兩相產生分離.油-水-氣三相旋流分離技術主要涉及到氣-液旋流分離技術和液-液旋流分離技術.常用的氣-液旋流分離器主要有管柱式氣-液分離旋流器[1]、旋流板式氣-液分離旋流器[2]、軸流式氣-液分離旋流器[3]、內錐式氣-液旋流分離器[4]以及螺旋片導流式氣-液分離旋流器[5].液-液旋流分離技術前人已經有較深入的研究，筆者依據氣-液旋流分離理論和液-液旋流分離的理論，將兩種分離技術相結合，設計出一種油-水-氣三相旋流分離器[6].采用CFD技術，能夠對新型油水旋流分離器進行分離驗證及優化設計.

1 建立模型

圖1為油-水-氣三相旋流分離器的模型圖，其設計的基本原理在于油-水-氣三相混合液體由油-水-氣三相旋流分離器入口以一定的速度切向進入氣-液分離腔，混合流體在旋流腔內部做高速旋流運動，旋流運動所產生的離心力使比油和水密度小得多的氣體聚集在氣-液分離器腔內部的錐體壁面處，由于徑向壓力的擠壓和錐角向上的推力，使得氣體向氣相出口溢出，完成氣-液分離過程.完成氣-液分離的油水混合物，由于氣-液分離腔的底部的截面積變小，仍保持較高的速度由螺旋導管進入液-液旋流分離腔，其分離原理和文獻[7]研究的油-水分離原理相同.

圖1 油-水-氣三相旋流分離器模型圖

圖2為將油-水-氣三相旋流分離器氣-液分離腔與液-液分離腔的拆分圖，其中液-液旋流分離腔采用雙錐液-液旋流分離器，其初始計算尺寸如表1所示.

圖2 氣-液分離腔與液-液分離腔計算模型圖

符號尺寸符號尺寸Lg/mm230Lc/mm40Dg/mm60D/mm40Dgo/mm30α/(mm)20Li/mm10β/(mm)4DtiDs/mm10DiDu/mm5Di/mm7Lci/mm10

2 油-水-氣三相分離驗證

油-水-氣三相物理性質如表2所示，為驗證三相旋流分離器分離的可行性，油相和氣相均采用適中粒徑50 μm.

表2 油-水-氣三相物理性質

采用數值模擬方法，將模型導入Fluent軟件中，設置相關邊界條件[8]和介質物理性質，驗證此油-水-氣三相旋流分離器氣-液分離的可行性.液-液分離腔的入口初始條件為氣-液分離腔出口條件，其速度和含油濃度與氣-液分離器出口相一致.

圖3 油-水-氣三相體積分數分布云圖

圖3為三相介質的體積分數分布云圖，由圖3可知水相進入氣-液分離腔后沿著壁面向下聚集，氣-液分離腔中圓筒壁面附近和底部的水相濃度為90%以上，證明90%以上的水-油混合液經底流口排除；油相的體積分數分布云圖與水相一致，幾乎全部由液相底流口排除，油滴進入液-液分離腔后，與水進行油水兩相分離，分離過程與普通油水旋流分離器相一致.而氣相的分布與油相和水相相反，氣體進入氣-液分離腔后向中心聚集，其中氣相溢流口濃度最高，并沿著錐角向上聚集.油-水-氣三相的體積分布說明了氣-液旋流腔中的氣液分離成功，其中油和水由底流口排除，而氣體由溢流口排除，實現了氣-液分離，同時也驗證了新型油-水-氣三相旋流分離器的可行性.

圖4為入口速度為10 m/s時的氣-液旋流分離的氣體遷移效率圖，也就是不同粒徑氣泡的分離效率.由圖4可知氣-液分離相對液-液分離來說更為簡單.當氣泡粒徑為50 μm時，分離效率就能夠達到99%以上，當氣泡粒徑小于40 μm時，分離效率開始下降，小于30 μm時急劇下降，當氣泡粒徑小于10 μm時，分離效率幾乎為零.氣體的遷移效率不僅能夠反映出旋流分離器對氣體的分離能力，而且能夠對數值模擬研究和實驗研究氣泡粒徑的選擇有一定的指導意義.

圖4 氣體遷移效率分布圖

3 氣-液分離腔優化設計

油-水-氣三相旋流分離器涉及氣-液分離和液-液分離兩個過程，而液-液旋流分離器眾多學者已經對其進行了充分的研究與優化設計[7].本文將采用CFD技術對新型油-水-氣三相旋流分離器中的氣-液分離腔進行優化設計，以達到提高分離性能的目的.

圖5為不同氣-液旋流腔長度下氣-液分離的遷移效率對比圖，由圖5可知，旋流腔長度對氣泡的分離效率有一定的影響，其中特別在粒徑區間為20～40 μm之間.在此區間，隨著旋流腔長度的增加，分離效率逐漸增大，當Lg=203 mm時分離效率最高，這是由于隨著旋流腔長度的增加，氣泡停留時間增加，氣相在中心聚集的濃度增加，因此分離效率也提高；當旋流腔長度進一步增大時，分離效率降低，當Lg=230 mm分離效率最低，這是由于旋流器長度的增加，切向速度減小，并且較長的旋流器會導致大量的循環渦流存在，影響氣泡的分離，降低分離效率.

圖5 不同氣-液旋流分離腔長度下遷移效率對比圖

圖6為不同氣-液旋流腔長度下的壓降對比圖，由圖6可知底流口壓力降隨著旋流腔長度增加而增加，這是由于當旋流腔長度增大后，流體在氣-液旋流腔的停留時間增加，導致底流口排除的流體能量損失過多，壓力降增大，而溢流口的壓力降隨著氣-液旋流腔的長度增加而減小，并且減小的梯度與溢流口增加的梯度相接近.綜合分離效率和壓降分析，氣-液旋流腔長度Lg選擇為203 mm.

圖6 不同氣-液旋流分離腔長度下壓降對比圖

圖7為不同氣-液旋流分離腔直徑下的氣相遷移效率對比圖，由圖7可知,Dg對分離效率有一定的影響，其中Dg為60 mm時分離效率最高，并隨著分離腔直徑的增大而降低.在氣泡粒徑為25 μm至40 μm區間，分離腔直徑每增大10 mm，分離效率評價下降10%左右.因此直徑較小的氣-液旋流分離腔有助于小粒徑的氣泡分離.

圖7 不同氣-液旋流分離腔直徑下遷移效率對比圖

圖8為不同氣-液旋流分離器直徑下壓降對比圖，由圖8可知隨著分離腔直徑的增大，底流口和溢流口的壓力降都降低.由于當旋流腔直徑增大后，流體切向速度減小，造成湍動能耗散率減小，從而導致分離效率降低和壓力降降低.綜合分析，將選擇氣-液旋流分離腔直徑Dg為60 mm.

圖8 不同氣-液旋流分離腔直徑下壓降對比圖

圖9為溢流口直徑和分流比關系，其中Fo為溢流口分流比.由圖9可知，分流比與溢流口直徑呈線性關系，最小分流比為16%，最大為25%.分流比的確定對入口含氣濃度和分離效率有著重要的影響.本文中初始條件入口含氣體積分數為20%，因此選擇分流比為20%的溢流口直徑30 mm.

圖9 溢流口直徑與分流比關系

圖10為不同溢流口插入長度Lci下的遷移效率對比圖，由于Lci對分離效率的影響很小，在大尺度氣泡粒徑下分離效率影響不明顯，因此選擇粒徑為18～28 μm區間進行分析.由對比圖可知，當Lci為20 mm時分離效率最高，Lci為30 mm時分離效率最低.

圖10 不同溢流口插入長度下遷移效率對比圖

4 結 語

設計了新型的油-水-氣三相旋流分離器，并進行了可行性驗證和優化設計，得到以下結論：

a. 通過數值模擬計算方法，證明了油-水-氣三相旋流分離器分離的可行性，并且得到了其氣體的遷移效率.當氣泡粒徑為50 μm時，分離效率就能夠達到99%以上，當氣泡粒徑小于40 μm時，分離效率開始下降，并當氣泡粒徑小于10 μm時，分離效率幾乎為零.

b. 對氣-液分離腔的相關關鍵尺寸進行優選設計，得到其最佳氣液旋流腔長度為203 mm，最佳氣-液旋流分離腔直徑為60 mm，最佳溢流口插入長度為20 mm；并且得到了溢流口直徑與分流比之間的關系式 .

致 謝

本文研究工作得到了湖北省自然科學基金項目(2012FFB04707)、武漢工程大學研究生教育創新基金項目(CX2013080)和武漢工程大學科學研究基金項目資助，在此一并表示衷心感謝.

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