（工程热物理专业论文）负压环境下高效气液分离器性能研究.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of energy numerical simulation; separation efficiency; pressure loss; two-phase flow 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题来源及意义 . 1 1.2 气液分离器的简介 . 1 1.3 气液分离器的国内外发展现状 . 4 1.4 本文的研究内容 . 7 第二章 气液分离器的设计与模拟方法 . 8 2.1 气液分离器的设计思路 . 8 2.2 数值模拟方法. 8 2.3 小结 . 11 第三章 双级分离器单相流场模拟 . 12 3.1 模型建立及网格划分 . 12 3.2 湍流模型选取. 15 3.3 模拟结果及分析 . 18 3.3.1 速度场. 18 3.3.1.1 第一级分离器 . 18 3.3.1.2 第二级分离器 . 20 3.3.2 压力场. 24 3.3.2.1 第一级分离器 . 24 3.3.2.1 第二级分离器 . 25 3.4 小结 . 26 第四章 双级气液分离器性能分析 . 27 4.1 压力损失p . 27 4.1.1 压力损失理论分析 . 27 4.1.2 压力损失计算结果分析 . 28 4.2 分离效率 . 30 负压环境下高效气液分离器性能研究 iv 4.2.1 dpm 模型介绍 . 31 4.2.2 液滴颗粒物性及分布 . 32 4.2.3 分离效率 . 33 4.2.4 分级分离效率i . 35 4.3 小结 . 40 第五章 改进结构气液分离器 dpm 模拟 . 41 5.1 性能指标 . 41 5.2 改变结构性能分析 . 42 5.2.1 改变结构形式 . 42 5.2.1.1 第一级添加不同长度升气管 . 42 5.2.1.2 第一级添加不同半径挡板 . 45 5.2.1.3 改变第一级进口结构 . 47 5.2.2 改变结构尺寸 . 49 5.3 优选结构 . 51 5.4 小结 . 53 第六章 总结与展望 . 54 6.1 对研究工作的总结 . 54 6.2 对研究工作的展望 . 55 参 考 文 献 . 56 攻读硕士学位期间取得的学术成果 . 61 致 谢 . 62 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 2. 1 雷诺平均法分类图 . 10 图 3. 1 双级分离器结构示意图 . 13 图 3. 2 气液分离器的网格划分图 . 14 图 3. 3 第一级分离器 y=0mm 截面上的速度分布云图 . 19 图 3. 4 第一级分离器不同高度上速度分布图 . 19 图 3. 5 第二级分离器 y=0mm 截面上的速度分布云图 . 21 图 3. 6 第二级分离器不同 z 截面上速度分布图 . 22 图 3. 7 第二级分离器不同 z 截面上速度分布图 . 24 图 3. 8 第一级分离器内部压力场分布 . 25 图 3. 9 第二级分离器内部压力场分布 . 26 图 4. 1 进口速度-模拟压降-计算压降关系图 . 29 图 4. 2 不同进口速度时单级与双级旋风分离器的压降对比 . 30 图 4. 3 不同进口速度时双级与单级旋风分离的压降差 . 30 图 4. 5 液滴体积累计率尺寸分布与拟合曲线 . 33 图 4. 6 20m/s 时液滴群在单级和双级旋风分离器内分离情况 . 34 图 4. 7 不同速度时单级与双级分离器总分离效率 . 34 图 4. 8 不同粒径液滴颗粒在双级分离器内分离情况 . 36 图 4. 9 单级和双级分离器对不同粒径液滴分离效率 . 37 图 4. 10 不同粒径液滴在分离器内的运动轨迹 . 38 图 4. 11 不同速度时双级旋风分离器对不同粒径液滴的分离效率 . 39 图 5. 1 在第一级分离器中添加升气管 . 42 图 5. 2 原结构与添加溢流管后第一级内部流场 . 43 图 5. 3 不同升气管插入深度下的压降和分离效率 . 43 图 5. 4 不同升气管插入深度下的 . 44 图 5. 5 第一级添加挡板示意图 . 45 图 5. 6 原结构与添加挡板后第一级内部流场 . 45 图 5. 7 不同直径挡板的压降和分离效率 . 46 图 5. 8 不同直径挡板的 . 47 图 5.9 矩形进口 . 47 图 5.10 圆形进口与矩形进口内部流场 . 48 图 5. 11 不同尺寸矩形进口的压降和分离效率 . 48 图 5. 12 不同尺寸矩形进口的 . 49 图 5. 13 第二级尺寸(h/r=5) . 49 图 5. 14 第二级不同尺寸时的压降和分离效率 . 50 负压环境下高效气液分离器性能研究 vi 图 5. 15 第二级不同尺寸时的 . 51 图 5. 16 优选结构示意图 . 52 图 5. 17 两种结构压降和分离效率对比图 . 52 表 3. 1 气液分离器几何尺寸（mm） . 12 表 4. 1 不同进口速度下的模拟压降与计算压降 . 29 表 4. 2 液滴粒径分布 . 32 表 4. 3 rosin-rammler 尺寸分布 . 32 表 4. 4 单级分离器与双级分离器分级效率 i . 37 表 5. 1 升气管尺寸. 42 表 5. 2 不同长度升气管的压降和分离效率 . 43 表 5. 3 3/4 圆环形挡板尺寸 . 45 表 5. 4 不同直径 3/4 圆环形挡板的压降和分离效率 . 46 表 5. 5 矩形进口尺寸 . 48 表 5. 6 不同尺寸矩形进口压降及分离效率 . 48 表 5. 7 第二级分离器尺寸 . 50 表 5. 8 第二级分离器尺寸不同时压降和分离效率 . 50 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 密度，kg/m3 dp 密度，kg/m3 vz 轴向速度，m/s dc50 50%临界颗粒直径，m vr 径向速度，m/s dc100 100%临界颗粒直径，m vt 切向速度，m/s p 颗粒密度，kg/m3 r 半径，m r 颗粒在 r 处的切向速度，m/s p 压力之差，pa 气体的粘度，pas qn 处理气量，m3/h qni 入口处的气体流量，m3/h qno 出口处的气体流量，m3/h ci 进口液体的质量流量，kg/h ct 捕集液体的质量流量，kg/h co 逃逸液体的质量流量，kg/h 总分离效率，% i 分级分离效率，% p 压损比，% pe 出口压力，mpa f 单位质量力 应力张量 e 单位质量流体所具内能，j 粘性耗散率 p 流体静压强 综合性能参数 q 热通量向量 物理量的瞬时值 物理量的时均值 物理量的脉动值 mp 颗粒的质量，kg f 颗粒所受力的合力，n d 筒体直径，mm dx 溢流管直径，mm h 溢流管插入深度，mm d 挡板直径，mm 负压环境下高效气液分离器性能研究 viii a 入口矩形的宽度，mm b 入口矩形的高度，mm h 第二级气液分离器总高，mm r 第二级气液分离器筒体半径，mm 脉动动能耗散率 k 单位质量流体脉动动能 gk 层流速度梯度产生的湍流动能 gb 浮力产生的湍流动能 ym 可压缩湍流脉动的耗散率响； c 经济指标 q 处理气量 s 进气管截面积，m2 k k方程湍流普朗特数 方程湍流普朗特数 dm 平均粒径，m i 阻力系数 i u 进口气流的速度，m/s g 气体密度，kg/m3 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题来源及意义 随着我国化工工业的不断发展，气液相的分离是许多领域的重要的操作单元 1-2。气液分离 器是工业过程中机械分离单元的重要组成部分，设置气液分离器一般具有以下作用：净化排 液尾气；控制环境污染；回收有用物质；分离腐蚀性物料，保护配套设备以及提高产品 纯度。在化工工业生产中，气液分离器的广泛应用有效的提高了生产效率，改善了物料的品质。 气液分离器的分离机理是利用气液两相流或多相流体的高速旋转运动 2，受到不同的离心 力的作用使液体颗粒从两相流或多相流体中分离出来的设备。它结构简单、设备紧凑、无相对 运动部件、价格低廉、操作维修方便，且可以满足不同生产中的特殊要求。气液分离器的应用 历史追溯到一百年前，但在气液分离器研究过程中生产实践走在理论研究的前面。气液分离器 的工作过程是一种涉及气液两相相互作用，并且伴随液体颗粒的凝聚和破碎等许多复杂的物理 现象的复杂的三维强旋转湍流运动。这些复杂的物理现象和复杂过程，使得国内外的学者在研 究中遇到了许多尚未解决的难题，因此无法全面掌握气液分离器内部气流液两相流或多相流体 的运动规律，更不能从理论上建立一套理论化、系统化的通用数学模型。这些困难的存在，使 得各国从事气液分离器研究开发工作的的学者都带有浓厚的经验主义。而工作在负压环境下的 气液分离器除了要求能够提高物料品质、 提高蒸发浓缩系统的整体效率以及降低生产成本之外， 还要要求有着较好的承压性和密封性，能够起到减小压缩机进气中液体的含量和保护压缩机等 作用。因此，工作于负压环境下的气液分离器设计、制造、安装及操作要求均和常压下的操作 不同。为此，本文在前人研究成果的基础上，寻求工作在负压环境的蒸发系统高效气液分离器 的结构，实现负压下气液高效分离，具有较高的分离效果及节能意义。 1.2 气液分离器的简介 气液分离器的分离机理是：利用气液两相流或多相流体的高速旋转运动 2，在气液混合运 动时受到不同的离心力的作用使液体颗粒从两相流或多相流体中分离出来的设备。气液分离器 的种类繁多，且有结构形式多种多样，按照不同的标准可分为不同的种类。根据物料进口结构 的不同可分为：圆形、蜗壳式、矩形以及导流旋叶片物料进口等；根据气液分离器不同的总体 结构可分为：筒直型和筒锥型两类；根据气液分离器物料进出的方向的不同可分为：逆流式分 离和直流式分离两种。在工业生产中最常用的气液分离器是切向筒锥形逆流式气液分离器，切 向筒锥形逆流式气液分离器的结构由上到下由物料进口、溢流管、底流管、圆柱筒体、圆锥筒 体等组成。 负压环境下高效气液分离器性能研究 2 (1) 气液分离器的原理 气液分离器中的气液混合流体主要是受到流体的曳力和各项不同离心力的作用而分离的。 气液分离器中的气液混合流体受到流体的曳力和内部的其他各种形式力的作用，其他各种形式 力包括颗粒与颗粒间的碰撞，颗粒与器壁和扩散等作用。为了研究气液分离器的分离机理，需 要引入临界粒径 c d的概念。 c d定义为气液分离器所能分离出的体颗粒的最小液粒径。 50%临界 直径定义为大于某一粒径的颗粒能够被分离器捕集 50%， 100%临界直径定义为大于某一粒径 的颗粒能够被分离器捕集 100%，分别用符号 50c d和 100c d表示。因为气液分离器内部属于强旋 流，流动情况非常复杂，所以至今没有完善的理论可以直接计算出气液分离器的分离效率。临 界粒径理论有三种，分别为转圈理论、筛分理论和湍流和层流的边界层分离理论。各国学者在 这些理论的基础上又进行出了一系列的研究3-6，提出了多种类型的分离模型。 转圈理论 转圈理论是类比重力沉降理论由 rosin 等人 7，8提出来的。 转圈理论的原理是： 液体颗粒进 入气液分离器后，在气液分离器内受到沿径向向外的离心速度，液体颗粒同时也受到旋转的切 向速度。 如果液体颗粒在气液分离器内停留的时间等于液体颗粒运动到气液分离器壁面的时间， 则液体颗粒就能被分离出来。 平衡轨道理论 气液分离器内的颗粒被 barth 等人 9，10假设为在径向受到两种力的作用：一种力为离心力， 另一种力为 stokes 力的作用。气液分离器内的液体颗粒受到离心力和 stokes 力的相互作用。离 心力使液体颗粒向外运动而stokes力使液体颗粒向内运动， 离心力和stokes力的作用方向相反。 多相流体旋转向外运动产生的离心力正比于液体颗粒质量，即 3 p d；而多相流体旋转向内运动 产生的 stokes 力则正比于 p d。 边界层分离理论 d.lieht 与 w.licht 11类比静电除尘器的分离机理而提出边界层分离理论。边界层分离理论 没有考虑湍流扩散等因素。对于细小液体颗粒来说湍流扩散等因素是不能被忽视的。边界层分 离理论认为在气液分离器中的任一截面任意时刻，多相流体中液体颗粒均匀分布，但在气液分 离器的近壁处边界层内的层流流动中，只要液体颗粒进入此边界层区域内，液体颗粒就能被捕 捉分离。由于该理论考虑了所有几何尺寸的影响，结果与实际相比较吻合，因此边界层分离理 论是比较完善的理论，目前已被广泛应用。 (2) 气液分离器的分类 气液分离器有很多种类 12-18，根据不同分离机理可分为以下几种： 重力沉降式 重力沉降式气液分离器的工作过程为：在多相流体一起流动时，由于气体流体与液体颗粒 南京航空航天大学硕士学位论文 3 具有不同的密度，因此气体流体与液体颗粒受到不同的重力的作用，液体颗粒受到较大的重力 的作用向下运动，而气体受到较小的重力的作用仍然朝着原来的方向运动，这样就实现液体与 气体在重力场中的分离。 折流分离式 折流分离式气液分离器的工作过程为：气体流体与液体颗粒具有不同的密度，当气体流体 与液体颗粒一起向前流动时，由于质量不同受到不同的惯性力。如果在流动过程中遇到阻挡， 由于液体惯性大，保持原来向前的速度，通过排放管排出。 离心分离式 离心分离式气液分离器的工作过程为：气体流体与液体颗粒具有不同的密度，由于质量不 同受到不同的惯性力。液体颗粒与气体流体混合一起旋转流向前运动时液体颗粒附着在阻挡壁 面上，由于重力的作用向下汇集，通过排放管排出。 丝网分离式 丝网分离式气液分离器的工作过程为：气体与液体的微粒大小不同，通过添加丝网，液体 与气体混合一起流动时，气体通过了而液体被拦截而留在丝网上，并在重力的作用下流至分离 器低流管排出。其阻挡收集表面积在单位体积内比填料更大，折流次数在单位体积内更多，并 且液体的表面张力使丝网孔径更小，从而起到了筛分作用。 填料分离式 填料分离式气液分离器的工作过程为：气体流体与液体颗粒具有不同的密度，由于质量不 同受到不同的惯性力，液体颗粒具有较大的惯性力。液体颗粒与气体流体混合一起流动时，遇 到填料的阻挡，气体会折流而走，液体颗粒被阻挡分离出来。 (3) 气液分离器的性能指标 表示气液分离器气液相分离的性能的指标有很多，但现在的研究中最常用的有三个 19,20。 处理气量 n q 处理气量 n q表示气液分离器气液相的处理气体的体积流量。在实际情况下，工作运行中 的气液分离器由于漏气等其他因素的作用进口与流体出口的气体的体积流量不等。为了更好的 衡量气液分离器的 n q， n q用气液分离器气液混合物进口与流体出口平均值来代表： 2 noni n qq q (1-1) 式中： n q处理气量，hm3； ni q入口处的气体流量，hm3； no q出口处的气体流量，hm3。 分离效率 负压环境下高效气液分离器性能研究 4 表示气液分离器内处理的气液相流体的分离效率的大小。 在气液分离器运行过程中需要 考虑三部分：进入、捕集和逃逸的液体颗粒。分别用 f m， c m和 e m表示液体颗粒的质量流 量。三部分的质量平衡关系为： f m= c m+ e m (1-2) 气液分离器的气液相流体的分离效率可用气液分离器壁面捕集的液体颗粒与进入气液分 离器内液体颗粒总质量的比值来表示： ec c f e f c mm m m m m m 1 (1-3) 式中： c m气液分离器的壁面捕集到的液体颗粒质量，/kg h； e m从气液分离器的溢流管逃逸的液体颗粒质量，/kg h； f m气液分离器的物料进口进入的混合气流所含液体颗粒的质量，/kg h； 一些学者提出了关于气液分离器的气液相流体的分离效率的统计计算的方法 21。 压力损失p 气液分离器压力损失p是表示气液分离器技术指标，是气液分离器能耗和运转费用的重 要参数的重要衡量尺度。 气液分离器表示耗能的压力损失p主要包括以下几点 22： (1) 混合物料与气液分离器的物料进口管处的摩擦损失； (2) 混合气流在进入气液分离器的分离腔后产生的局部能量损失； (3) 混合气体流体在气液分离器腔体内部与器壁等部位摩擦所引起的能量损失； (4) 气液分离器分离腔体内因耗散作用产生的动能损耗； (5) 流体流入溢流管和低流管时流通面积突然缩小造成的局部能量损失； (6) 溢流管和低流管内的能量损失等。 1.3 气液分离器的国内外发展现状 气液分离器的形式有各种各样，在现在化工工业中使用最多的是筒锥组合型，但筒锥组合 型容易使已分离的液体被旋转上升的气体撕开带走，这样降低了分离效率。在早期的研究中， 有人就将锥筒改为圆筒，并在底部加破漩止涡板，阻止液体产生漩涡，防止上升气流把液体卷 挟带走，提高了一定的分离效率。目前，国内外的学者对于气液分离器的研究主要通过理论计 算和仿真相结合的方法，并以室内实验验证，对比分析不同结构分离器的分离效率，并对仿真 计算气液分离器的结构改进。 (1) 国内发展现状 南京航空航天大学硕士学位论文 5 随着现代计算机水平和湍流模型的不断发展，计算流体动力学(computation fluid dynamics，简称 cfd)的的应用水平在不断的提高，近十多年来数值模拟在气液分离器中的应 用已经取得了丰硕的成果 23-29。 2003 年中国科学院工程热物理研究所的王海刚，刘石等学者 30采用标准 k模型， k模型和 rsm 模型，对旋风分离器中的单相流体的流场进行数值计算，计算结果与实验数 据对比分析得出标准k模型均对轴向速度和切向速度数值预报存在缺陷和不足。 2009 年孙兰义，崔铭伟，李军等 31 国内学者运用 fluent 流体仿真分析软件中的雷诺应力 湍流模型，对不同几何结构的循环旋风分离器单相气体流场进行数值计算，分析循环旋风分离 器的几何结构对循环旋风分离器内的流场影响。仿真计算结果表明，循环管可以减小于气、液 相分离的轴向速度，同时循环管也可以减小压降损失，增加防液罩可以增强气、液相分离的切 向速度。高士虎等 32研究表明在不增加压力损失，循环旋风分离器存在一个最佳入口直径。 2009 年孙福江,王永伟等 33 国内学者针对常规离心式气液分离器进行结构改进， 开发出一 种新型的气液分离器。与传统的气液分离器相比，结构改进的离心式气液分离器有以下特点： (1)在一定的情况下， 增加溢流管的插入深度起到保护内部流场稳定的效果， 能防止气体相中的 液体夹带现象，提高分离效率。(2)改进后的气液分离器分离效率可提高到 97%以上。(3)在气 液分离器溢流管出口处设计用来分离气体中掺杂的液体水分，可将分离效率从 93.36%提高到 97.62%。 2010 年中油辽河油田公司的朱斌等人 34对重力气液分离器进行了一系列的结构优化， 将单 侧流体进口改为双侧对称流体进口结构，将气液分离器下端改为筒锥型结构等，并通过实验研 究。通过对比结果表明，经改进的的气液分离器腔体内流场的轴对称性及气相浓度分布有了较 好的改善，锥形段的壁面和底流口附近的液体中含气量很低，大大提高了气液分离器的分离性 能。 单华伟75研究了不同结构的单级气液分离器的压降及分离效率， 提出了在分离腔内添加挡 板的新结构。数值及实验均证明该结构可提高对粒径较小液滴颗粒的分离效率。 (2) 国外发展现状 近年来，国外的学者在气液分离器内液滴变形、破碎和碰撞等方面做了一系列的研究，这 表明这个领域的研究逐渐升温和气液分离器内液滴运动的复杂性 35-46。 1982年boyson 47等国外学者提出了将 k模型与代数应力方程结合在一起的具有湍动各 相异性的代数应力模型，并用代数应力模型对旋流气液分离器进行了二维的数值计算。 dya-kowski 和 williams(1993)提出了修正k模型， griffiths 48和 boysan(1996)用 rng k 模型分别对旋流分离器进行的 cfd 模拟研究。 1995 年 engel 进行了不同表面的水滴的碰撞研究 49。通过研究 engel 发现表面粗糙度越大， 负压环境下高效气液分离器性能研究 6 液滴更容易在碰壁时形成二次液滴。 1998 年 douglas 和九大石油公司组成的工程小组，成功地安装和测试了一台两相涡轮分离 器，在运行中，分离效率均超过 99%。2000 年 9 月，douglas 又与 mppt 在陆上和海上油田对 三相旋转涡轮分离器进行了进一步的测试，该三相旋转涡轮分离器分离器解决了需要利用外在 能量进行三相分离的问题，而且大大降低了分离器的体积和重量 50。 1999 年 a.j.hoekstra 等分别采用k模 型 、rng k模 型 和 雷 诺 应 力 模 型 (reynolds-stress model，简称 rsm)对旋流分离器进行 cfd 模拟研究，并对旋流分离器进行了 实验验证。通过对比研究得出了三种模型在预测旋流分离器中的表现：湍流模型不能预测出实 验观察到的合成涡旋， 而标准k模型、 rngk模型预测的轴向速度和切向速度分布与实 际情况不符，而雷诺应力输运模型的预测与实验基本吻合。 2001 年 e.s.rosa，f.a.franca，g.s.ribeiro 等人 51为了改善旋风式气液分离器的性能，对 缩小的模型和多级分离装置的流场分析， 借助 cfd 软件计算与实验对比后得出， 旋风式气液分 离器除了具有体积小、结构简单，可以较好的进行多级分离等优势外，还对气液两相流和气液 固三相混合物具有的较好的分离能力。 2002 年 f.m.erdal 40等国外学者利用流体仿真软件， 对 glcc 进行气-液旋流流场分别用标 准k模型和 rsm 模型进行研究