（化工过程机械专业论文）垂直筛板型除沫器的除沫性能研究.pdf

河北二r 业大学硕士学位论文 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 摘要 本文以浙江大洋化工有限公司n h 。c l 回收中使用的垂直筛板型除沫器为背景，用实验 和数值模拟方法研究了这种除沫器的除沫性能。 对垂直筛板型除沫器的除沫性能进行了实验研究。实验采用喷雾来模拟工业应用中除 沫器的实际工作环境，在常温常压的条件下进行了实验，测定了在不同喷雾量下气流速度 与除沫器的压降以及分离效率的关系：在最佳喷雾量不同出口气速的条件下，粘度与分离 效率的关系。在本实验条件下的实验结果表明：分离效率先随出l y l 气速的增大而增大， 至临界点为最大值，然后随出口气速的增大而减小，并且分离效率随喷雾量的增大而提高。 分离效率随液滴粘度的增大而提高。压降随气速的增大而增大。 用计算流体动力学商用软件f l u e n t6 0 对除沫器中的气液两相流动进行了数值模拟。 首先用标准k 一模型模拟了除沫器通道中的气相流场，然后用f l u e n t6 0 中的离散相模型 模拟了气液两相流动。数值模拟结果与实验结果基本吻合。 本文的研究结果对该类型的除沫器的设计和应用具有重要的参考价值和指导意义。 关键词：除沫器，垂直筛板，压降，分离效率，气速，计算流体动力学，数值模拟 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 i n v e s t i g a t i o no fp e r i i l o r m a n c e o ft hev e r t i c a ls i e v et r a ym i s t e l i m i n a t o r a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , w i t ht h eb a c k g r o a n do fav e r t i c a ls i e v et r a ym i s te l i m i n a t o ri nz h e j i a n g d a y a n gc h e m i c a ll t d n h 。dr e c l a i m ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h em i s te l i m i n a t o rw a si n v e s t i g a t e d b ye x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft h em i s te l i m i n a t o rw a si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t u s i n gs p r a yt o s i m u l a t et h em i s te l i m i n a t o r sa c t u a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t , a tt h ec o n d i t i o no fn o r m a l t e m p e r a t u r ea n dn o r m a lp r e s s u r e ，t h er e l m i o nb e t w e e ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c y a n do u t l e tg a s v e l o c i t y , t h er e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ed r o pa n do u t l e tg a sv e l o c i t yw a si n v e s t i g a t e db y e x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tl i q u i df l u x a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nv i s c o s i t ya n d s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw a si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t t h i se x p e r i m e n t sr e s u l ts h o w e dt h a t ： t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e ds t e a d i i yw i t ht h eg a sv e l o c i t yu n t i li tr e a c h e dap e a kv a l u ea n d t h e r e a f t e rd i m i n i s h e dw i t hf u r t h e ri n c r e a s ei n g a sv e l o c i t y , a n dt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y i n c r e a s e dw i t ht h en o z z l e sl i q u i df l u x t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t ht h ed r o p v i s c o s i t y t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e dw i t ht h eg a sv e l o c i t y t h el i q u i d g a sf l o wi nm i s te l i m i n a t o rw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yc f d sc o m m e r c i a l s o f t w a r e f l u e n t6 0 f i r s t ，t h ef l o wf i e l di nm i s te l i m i n a t o rw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h e s t a n d a r dk 一占m o d e la n dt h e nt h el i q u i d g a sf l o ww a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n gf l u e n t 6 0 sd i s c r e t ep h a s em o d e l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tw a sb a s i c a l l ya c c o r dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t t h er e s u l to ft h ei n v e s t i g a t i o nw i l lb eh e l p f u lf o rd e s i g n i n ga n da p p l y i n gt h ev e r t i c a ls i e v e t r a ym i s te l i m i n a t o r k e yw o r d s ：m i s te l i m i n a t o r , v e r t i c a ls i e v et r a y , p r e s s u r ed r o p ，s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ，g a s v e l o c i t y ，c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 河北工业大学硕士学位论文 d 一颗粒直径，m 。 d 一平均直径，m 。 c f 因子，k g ”( m s 1 。 g 一重力加速度，m s 2 。 符号说明 瓯由于浮力产生的湍流动能，棚2 厶2 ；下标b - - 浮力。 瓯一由层流速度梯度而产生的湍流动能，脚2 s 2 。 k 。一雾沫携带因子，m s ；下标v 一蒸汽。 k 一湍流动能，m 2 厶2 。 吒一进入除沫器的液滴浓度，姆m 3 ；下标i n 一进口。 屯。一除沫器出口的液滴浓度，堙研3 ；下标o u t 一出口。 尸一压降，p a 。 一气速，叫j ；下标g 一气体。 u c 一流体相速度m s ；下标c 一连续相。 “。一颗粒速度，m s ；下标p 一离散相。 u 。一蒸汽速度，m s 。 v 河北工业大学硕士学位论文 第一章综述 悬浮液滴的分离是许多化工工艺过程的一个重要问题。除沫器即气液分离器能有效的从气流中分离 出所携带的微小液滴和固体颗粒，从而改善t 艺生产条件或减少环境的污染【1 】。垂直筛板型除沭器是一 种惯性式的气、液分离器，它通过改变气雾流的速度和方向，使被携带的雾滴由于惯性碰撞、直接拦截 和扩散的作用附着在器壁上集积后，靠重力流回集液槽中。此种除雾器结构简单，制造成本低，能耗低， 不易堵塞，处理量大。从而可以广泛地应用于冶金、化工、炼油等许多工业领域，如吸收塔、精馏塔、 蒸发器、除尘器、蒸汽锅炉等工艺设备中。 1 1 前言 众所周知，在精馏、吸收、解吸、增( 减) 湿等气( 汽) 液传质、传热单元操作以及一些工艺生产 中，无论通过何种设备，都是通过两相的密切接触和分离以促进相间组分的传递，达到液体或气体提纯、 增( 减) 湿等目的。在这些过程离开的气相中，必然夹带一定数量、大小不等的液滴或液沫；随后的冷 却、冷凝过程中，还会形成悬浮于气相的微小粒子：当所处理的物系比较复杂时，组分间的气相化学反 应亦可能生成更小的颗粒。通常，必须将被气流所夹带的液滴分离出去( 简称除沫) ，这可能有如下几 种情况，其目的是： ( 1 ) 控制排放。控制大气中的有害物质排放量。改善环境质量，如硫酸生产中控制塔后排放尾气 中的酸雾含量。 ( 2 ) 溶剂回收。当吸收剂( 溶剂) 价格昂贵时，要尽量减少其循环使用过程中的损失；或其本身 就是有价值的产品，皆需加以回收以降低生产成本。 ( 3 ) 精制产品。无论在精馏还是吸收操作过程，气体雾沫夹带量增大，必降低分离效率和产品的 纯度，这在精密分离中尤其突出，故它常对允许的夹带量有严格、甚至苛刻的控制指标。 ( 4 ) 保护设备。当雾洙被气流夹带到蒸发器后，静止、转动设备和它们间的联接管道、阀门、仪 表后会产生种种危害，如腐蚀、堵塞、催化剂中毒、破坏运转设备的动平衡等，故视工艺的不同特点， 对所允许的夹带量有一控制指标【4 0 】。 在许多过程如生产硫酸、氯、无机化肥，和炼油过程中，设计良好的除沫设备对于达到上述的几个 提到的目的是非常必须的。除沫器对于各种设备如吸收器、精馏塔、蒸发器和洗涤器等的正常操作是至 关重要的。除洙器广泛的应用_ 丁各种工业生产中【2 0 l 。 垂直筛板型除诔器的除冻性船骈究 1 2 除沫器简介 除沫技术是 门相对较老的科学。简单的撞击式的除沫器早在1 9 3 9 年就在一些文献中得到描述。 不少学者对气液分离进行了研究。从气体介质中分离悬浮的液体颗粒，其安质为气态非均相物系的 分离。从气体中分离雾滴的机理有重力沉降、惯性碰撞、离心分离、静电吸引、扩散等，依据这些 机理已经研制山许多实用的专利产品，如惯性除淋器、折流板除沫器、旋流板除洙器和丝网除沫器等。 1 2 1 除洙器分类 目前对除沫器的分类方法根据不同的应用场合各不相同。但对除沫器进行大的分类也就几种，下面 描述它们各自不同的应用范围和特点。 常用的除沫器有惯性式、折流式、旋流板式、丝网式和旋风式分离器等型式”1 。 比较常见的惯性式是改变汽流的速度与方向，使被携带的密度较大的液滴由于惯性附着在器壁上集 积后，靠重力流回集液槽。回流管设液封用以防止汽流的短路。惯性式除沫器主要是依靠惯性碰撞和 直接拦截机理来达到气液分离的。这种除沫器由于结构简单、处理量大，因此它在除诛器的发展初期被 广泛的采用。但是由于它本身的结构所致，惯性式除沫器所能分离的液滴直径比较大，不适于些要求 较高的场合1 1 1 。它的结构简图如图1 1 。 图1 1 惯性式除沫器结构简图 f 噜1 lt h es t u c t u t _ eo f 血ei n e r t i a lm i s te l i m i a a t o r e 4 折流板式与惯性式的作用原理相同，使二次蒸汽通过许多并联的曲折通道，液滴在曲折通道的垂直 壁面以及设在曲折处的陷阱中集结后，顺壁下流，得以分离。由于液滴与墅面的碰撞机舍多，分离效率 较高，而气流的压降较小忆它的结构徇图如图1 2 。 折流板式除蛛器是由大量平行柏v 型折流袄组成的一种气沫分离装置。除沫器中v 型折流扳组成的 弯道引起流体流动方向急剧变化，使具有较大惯性的液滴和固体颗粒与折流板壁碰撞而从流动的气体中 弯道引起流体流动方向急剧变化使具有较大惯性的液滴和固体颗粒与折流板壁碰撞而从流动的气体中 ， 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 1 2 除沫器简介 除沫技术是- - f 相对较老的科学。简单的撞击式的除沫器早在1 9 3 9 年就在一些文献中得到描述。 不少学者对气液分离进行了研究i ”1 。从气体介质中分离悬浮的液体颗粒，其实质为气态非均相物系的 分离”4 1 。从气体中分离雾滴的机理有重力沉降、惯性碰撞、离心分离、静电吸引、扩散等，依据这些 机理已经研制出许多实用的专利产品，如惯性除沫器、折流板除沫器、旋流板除沫器和丝网除沫器等”1 。 1 2 1 除沫器分类 目前对除沫器的分类方法根据不同的应用场合各不相同。但对除沫器进行大的分类也就几种，下面 描述它们各自不同的应用范围和特点。 常用的除沫器有惯性式、折流式、旋流板式、丝网式和旋风式分离器等型式“。 比较常见的惯性式是改变汽流的速度与方向，使被携带的密度较大的液滴由于惯性附着在器壁上集 积后，靠重力流回集液槽。回流管设液封，用以防止汽流的短路。惯性式除沫器主要是依靠惯性碰撞和 直接拦截机理来达到气液分离的。这种除沫器由于结构简单、处理量大，因此它在除沫器的发展初期被 广泛的采用。但是由于它本身的结构所致，惯性式除沫器所能分离的液滴直径比较大，不适于一些要求 较高的场合“】。它的结构简图如图1 1 。 图1 1 惯性式除沫器结构简图1 f i g 1 ，1t h es t r u c t u r eo f t h e i n e r t i a l m i s t e l i m i n a t o r 折流板式与惯性式的作用原理相同，使二次蒸汽通过许多并联的曲折通道，液滴在曲折通道的垂直 壁面以及设在曲折处的陷阱中集结后，顺壁。f 流，得以分离。由于液滴与壁面的碰撞机会多，分离效率 较高，而气流的压降较小。它的结构简图如图i 2 。 折流板式除沭器是由大量平行的v 型折流板组成的一种气沫分离装置。除沫器中v 型折流板组成的 弯道引起流体流动方向急剧变化，使具有较大惯性的液滴和固体颗粒与折流板壁碰撞而从流动的气体中 2 河北工业大学硕士学位论文 分离出来，而气体由于折流板之间构成的流道宽敞而畅通，因而能顺畅通过。这种结构不易结垢，并能 无限制的排污，体现出优越的性能。对于特定的t 艺要求，折流板的空间、通道的数量、通道拐角的大 小和结构、排污沟的个数都是重要的设计参数【2 1 0 折流板式除洙器有两种基本的分离流动方式：平行逆向流动和垂直流动。垂直流动的结构中一般在 折流扳凸起部，与流道垂直方向设有导流沟装置使分离的液体沿其流至装置底部，这种方式能允许更大 的工作容量，大量的液滴、吲体在第一次撞击时就被排出，接下来的撞击可使它们全部消除，从而提高 了工作效率【2 】。 公参氏 图1 2 折流板式除沫器结构简图 f 蟾1 2t h e s t r u c t u r eo f t h ew a v e - p l a t em i s te l i m i n a t o r 【1 旋流板式是借用传质的塔设备的外向旋流扳，使带液气流作螺旋上升运动，液滴被离心力甩到塔设 备的器壁，集结后在重力作用下下流，除沫效率高达9 8 9 9 。它的结构简图如图1 3 “。 i 杰 图1 3 旋流板式除沫器结构简图 f i g 1 3t h e s t r u c t u r eo f t h es w i r l v f l f l em i s te l i m i n a t o r 【 丝网式是使汽流通过多层细金属丝针织网。在雾沫量不是很大或雾滴不是特别细小的情况下，很容 易达到9 9 以上的除沫效率。适宜的设计气速是丝网除沫器取得高效率的重要冈素，如果气速过低， 雾滴呈漂浮状，没有撞击丝网，分离效果太差：如果气速过高，会产生二次携带。丝网适用于洁净气体 的除雾，不宜用于液滴中禽有或容易析出吲体物质的场合，以免液体蒸发后留下固体堵塞丝网，并应设 3 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 喷淋装置，经常冲洗”1 。现在丝网除沫器已经成为应用最为广泛的除沫器，所以在文献中见到最多也是 关于丝网除沫器的研究。国家已经对丝网除沐器制定了标准。它的结构简图如图1 4 。 图1 , 4 丝网式除沫器结构简图 f i g 1 4 t h es t r u c t u r e o f t h e w i r e m e s h m i s te l i m i n a t o r 【1 4 各种除沫器的特性见表1 1 。 表1 1 各种除沫器的特性 n l b l e l 1t h ec h a r a c t e r i s t i co f m i s te l i m i n a t o r 1 2 2 除沫器研究状况 i ：l 前对气液分离器的研究方法主要有两种，一种是模拟实验，另一种是计算流体力学( c f d ) 模拟。 对于处理量一定的除沫器，表征其性能最主要的指标是表示分离效果的分离效率和表示能耗指标的压 降。在模拟实验中，测量压降非常容易，但要准确测量分离效率则存在着很大的困难，主要是因为雾滴 不像蚓体颗粒那样在分离过程中保持粒径不变，雾滴的粒度和浓度密切关系到气液分离效率。因此在除 沫器的模拟实验中，必须解决准确测量分离效率的问题。 4 河北工业大学硕士学位论文 1 2 2 1 除沫器模拟实验研究状况 目前对除沫器的模拟实验研究，国内普遍采用冷态实验，即用空气辅助双流体雾化喷嘴喷雾模拟j 二 业上的气雾流来进行实验研究。而国外有采用热态实验，即用锅炉产生蒸汽来进行研究的。 除沫器的性能和经济性要用以下几个参数来评价：抗堵塞性能、压降、处理能力和分离效率。 k o c he n g i n e e r i n gc o ，i n c 公司的j a m i ee m o n a t 等人对波纹板式除沫器进行研究时，对于给定的除 沫器的干压降为 世* k , o g u ： 式中：a p 一压降，p a 。七一常数。乓一气体密度，培m 3 。u g 一气速，州s 。 这个常数k 根据波纹板不同形状因素而异“。除沫器的处理能力由二次携带现象所决定。j a m i er m o n a t 等人，通过考虑液滴发生二次携带时各种力平衡和液滴的破碎以及极限速度，用一个无因次的二次携带 系数r 来描述二次携带现象。 r ：旦 。碍g ( 1 2 ) 式中：z 一基于表观气速的f 因子= 万 式中： 一气体的表观气速，m j p g 一气谭密度，堍fm 3 盯一液滴的表面张力，m p t 一液体密霞。妇 衍 g 一重力加速度，j 2 当乜人于某临界值时，二次携带现象发生。r 的临界值【r 】。d 通过测量空气一水体系中波纹板除 沭器的临界速度来确定。由临界速度和空气一水体系的已知物性。可以确定 只 。和【r 。临 界二次携带系数b 可以用在其它体系或条件中来确定除沫器的最大处理能力2 。 e 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 还有石油大学中国石油天然气集团公司催化重点实验室的魏伟胜等人，以丙烯腈装置用的旋流板式 气液分离器为对象，对旋流板式气液分离器在3 种规模、1 8 种旋流板结构下进行了模型实验研究，考 察了旋流板结构参数( 径向角、仰角和叶片数量) 对分离效率和压降的影响，并建立了预测分离器压降 的关联式，为旋流板结构参数的确定提供了依据。工业应用的标定结果表明分离器压降预测式是准确的， 它可用于工业气液分离器的放大设计f ”】。魏伟胜等人对旋流板除沫器的分离性能进行了实验，他采用 的实验介质为空气一稀盐水物系，用空气辅助双流体雾化喷嘴产生雾滴，通过称出进入喷嘴的液滴质量 和捕集的液滴质量来计算分离效率。 科威特大学化学工程系的h i s h a m t e 1 d e s s o u k y 测量了丝网除沫器的性能，他为此做了热态实验， 通过除沫器的蒸汽由一个4 5 k w 的屯热锅炉供给，在除沫器进出口设置注射器式采样探头对蒸汽进行采 样，采样过程同时进行，然后用天平称量两个采样探头以计算分离效率。 1 2 2 2 除沫器计算流体力学( c f d ) 研究状况 目前用计算流体力学对除沫器进行研究的国外做的比较多，而国内相对的少一些。在国内，江苏大 学的朗方年用a n s y s 5 7 的c f d 模块，选用标准k 一湍流模型和r e - n o r m a l i z e dg r o u pt u r b u l e n c e 湍 流模型，模拟波纹板除洙器通道内的气相流场，选用轨道模型分析气流中的液滴运动，采用罗辛一拉姆 勒分布函数研究液滴尺寸分布，最后编制液滴轨迹跟踪程序计算分离效率1 3 “。在国外，普利茅斯大学 的王易和r w j a r n e s 用商业c f d 软件c f x 模拟了波纹板除沫器通道的的湍流流场并用e d d y - i n t e r a c t i o n m o d e l ( e i m ) 模型考虑了湍流对液滴运动的影响p 8 。英国曼彻斯特大学的d f e o r d 、e w i l c o c k 和 g a d a v i e s 用随机游走模型编制计算机程序数值模拟计算了丝网除沫器的分离效率田j 。 1 3 1c f d 技术发展概况 1 3c f d 技术及f l u e n t 6 0 应用 现代流体力学中新兴的学科分支一c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，即计算流体动力学，简称 c f d ) 在近2 0 年3 0 年中的发展非常迅速，是目前国际上强有力的研究领域，是进行“三传”( 传热、 传质、动量传递) 及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，1 + 泛应用于热能动力、航空航天、 机械、土水水利、环境化工等诸多：i ：程领域【“。 计算流体动力学的发展是伴随着计算机技术的发展而前进的后者是构成前者的基础。只有计算机 的速度、内存利外围设备达到一定程度时才会有计算流体动力学发展新阶段的出现。2 0 世纪6 0 年代出 6 河北工业大学硕士学位论文 现的“第三代”计算机及随后的改进发展，使计算流体动力学迅猛发展。并行化，大规模并行机和网络 并行机群已是9 0 年代中期，以致2 0 0 0 年以后人们研究的中心【2 6 j 。 计算流体动力学是多领域变叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算 几何、数值分析等学科。这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动着这些学科的深入发展【3 “。 1 3 2c f d 技术介绍 c f d 方法是对流场的控制方程组用数值方法将其离散到一系列网格节点上，并求其离散数值解的 一种方法。控制所有流体流动的基本规律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们可 以分别导出连续性方程、动量方程和能量方程，得到纳维一斯托克斯偏微分方程组，简称为n ，s 方程 组。n s 方程组是流体流动所必需遵守的普遍规律。在守恒方程组基础上，加上反映流体流动特殊性质 的数学模型( 如湍流模型、燃烧模型、多相流模型等) 和边界条件、初始条件，构成封闭的方程组来数 学描述特定流场、流体的流动规律。 c f d 数值求解方法主要有有限差分法、有限容积( 控制容积) 法、有限元法、边界元法、有限分 析法、谱分析法、数值积分变换法、格子- - b o l t z m a n n 法等，虽然后几种方法近几年来有很大的发展， 并已成功地解决了一些问题，但就方法的成熟程度、实施的难易及应用的广泛性等而言，有限容积法和 有限元法仍占相当优势。 1 3 3c f d 通用软件概述 c f d 通用软件包的出现与商业化，对c f d 技术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用。在当今 商用计算流体动力学软件市场上，虽然软件总数有5 0 多个，但占据垄断地位的只有四、五家，即 f l u e n t 、s t a r - - c d 、p h o e n i c s 、c f x 和f i d a p 等。从算法上看，它们大都是基于有限容积法的， 能够计算可压流、不可压流，甚至还能够计算非牛顿流体流动。主要区别在于软件的前后处理功能和友 好程度及开发公司的实力删。 1 3 4f l u e n t6 0 的应用简介 f l u e n t 6 0 是用于模拟具有复杂几何外形的流体流动以及传热的c f d 通用商业软件。它提供了完全 的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体，六面体，金字塔形 网格来解决具有复杂几何外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它还可根据计算结果调整网格， 这种网格的白适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作刚【”1 。 7 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 1 3 4 1 程序的结构 f l u e n t 6 0 包含有以下儿个部分组成 1 g a m b i t 2 0 一用于建立几何结构和网格的生成。 2 f l u e n t 6 o 一用于进行流动模拟计算的求解器。 3 p r e p d f 31 一崩于模拟p d f 燃烧过程。 4 t 盯i d 一用于从现有的边界网格来生成体网格。 5 f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) - - 用于导入由c a d c a e 软件如a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等生 成的面网格或体网格。 1 3 4 2 求解问题的步骤 利用f l u e n t 6 0 软件进行求解的步骤如下： t 创建几何模型和网格。 2 选择对应于2 d 或3 d 模型的解算器。 3 输入并检查网格。 4 选择解的格式。 5 选择求解的基本方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热模型等。确定其他 需要的模型，如风扇、热交换器、多孔介质等模型。 6 指定材料属性。 7 指定边界条件。 8 调整解的控制参数。 9 初始化流场。 1 0 求解计算。 1 1 检查结果。 1 2 保存结果，进行后处理m 。 1 4 本文研究任务 以浙江人洋化一r 有限公司n h a c i 回收中使用的垂直筛板型除沫器为背景，白行设计了一套实验装 置及流秤。首先，对该乖直筛板型除沭器的压降和分离效率进行了实验测试，找山对压降和分离效率主 8 河北工业大学硕士学位论文 要的影响因素。建立模型，从而求解除沫器通道气相流场的速度和静压力分布、气体通过它的乐降，建 立两相流模型计算分离效率。 本文的主要研究任务： 1 白行设计了一套实验装置和流程。 2 变换不同的影响因素测试除沫器的压降和分离效率，从而得出压降和分离效率随各主要影响因 素变化的规律。 3 利用f l u e n t6 0 的k 一占湍流模型求解除沫器通道中的气相流场，得出流场的速度分布和静压力 分布。 4 利用f l u e n t6 0 中的离散相模型求解除沫器的分离效率。 5 对于压降和分离效率，比较实验结果和数值模拟结果。 9 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 第二章实验流程及装置 2 1 实验流程 实验流程如图2 1 所示，由风机过来的空气通过管路输送至实验器1 1 底部，从水泵2 来的水与来 自空气压缩机5 的高压空气混合后经过雾化喷嘴喷射，水被雾化成小水滴，随风机来的气流一起向上经 过除淋器1 2 ，当气雾流碰撞到除沫器上的筛板外壁时，部分液滴由于惯性作用附着在筛板壁，顺壁下 流，流到集液槽：当气雾流穿过筛板与导气筒碰撞，部分液滴再次由于惯性作用附着在导气筒壁顺壁下 流，也同样流到集液槽，最后通过设置在集液槽上的降液管，捕集到的液体流出除沐实验器到计量筒 1 7 进行计量。含有微量雾滴的气流经过出气管排入大气。 卜储液桶2 一自吸管道泵3 一转子流量计4 ，7 ，1 0 一阀门5 一空气压缩机 6 一压力表8 ，1 4 u 型管压差计9 - 雾化喷头1 l 一除沫实验器1 2 - 垂直筛板型除沫器 1 3 一调节阀1 5 一风机1 6 一管道泵1 7 计量桶 图2 1 实验流程图 f i g 2 1t h ee x p e r i m e n t a lf l o wc h a r t 垂直筛板型除沫器 2 2 实验装置 5 垂直筛板型除沫器结构如图2 2 所示，三维躅如图2 3 所示，导气筒是一个圆柱筒，中空，底部有圆 底板其上有开孔，外沿设有挡水堰；筛板筒是圆柱筒其上开有许多小孔即筛孔，底部连有底板形成集液 槽，底板上设有降液管外沿有挡水堰。 o 河北工业大学硕士学位论文 2 除沫实验器 卜导气筒2 一筛板筒3 一挡水堰4 一环底板5 一降液管6 一底板 图2 2 除沫器结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f t h ev e r t i c a ls i e v et r a ym i s te l i m i n a t o r 图2 3 除沫器图 f i g 2 3t h ed i a g r a mo f t h ev e r t i c a ls i e v et r a ym i s te l i m i n a t o r 除雾实验器结构如闰2 4 所示，壳体分为上下两部分，除雾器安装在壳体的顶部。气雾流有一定 的动量，首先撞击在筛板筒上，然后再次撞击在导气筒上，由于惯性碰撞的作用使气雾流中夹带的雾滴 离开气雾流的流线，附着在筒壁集积后靠重力流同集液槽，由收集液体出口管流入计量筒中。另外惯性 碰撞还可以使雾滴进一步细化，对于这些粒径非常小( 通常指小于l “m ) 的液滴，由于粒子和气体分 子间的相互碰撞，它会显示出随机的布朗运动特性，即使气流处于静止状态，液滴的随机脉动也不会停 止。依靠这种脉动产生液滴和除雾器的碰撞，进而被捕捉；而气体由气雾流出口管流出。降液管内要设 液封，川以防i 气流短路；集液槽内积聚的液体不能过多，否则会造成气流对集渡槽内液体的二次夹带。 对于壳体一般有一定的要求，例如在蒸发器的实际应用中壳体的大小主要取决于气液分离所需要 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 的空问，包括直径和高度两个参数。直径的大小以能维持较低的气速为宜，在此速度下保证上升气流不 致携带过量的雾滴。蒸汽速度u ，可按式( 2 1 ) 估算： u 。= 、，【旦二刍1 “( 2 1 ) pv 式中u ，一蒸发室中蒸汽平均上升速度，m s p l 、尸r 一溶液和蒸气的密度，k g m 3 k 。一雾沫携带因子，对于水溶液可以接受的最大值( k 。) - 00 1 7 m s ” 壳体的高度，即自液面以上的高度，主要是为了防止大液滴从气雾流出口飞溅出去。其直径和高度 可以根据实验情况而定。本实验中取其内径为4 0 0 m r n ，高度约为6 8 0 m m 。 1 气雾流 1 一气雾流山口管2 一除沫器3 收集液体出口管4 一空气进口管5 一液体回流管6 一雾化喷 头7 一测压口8 一气液进口管9 一取压口 图2 4 除沫实验器结构图 f i g 2 4t h e s t r u c t u r eo f t h em i s te l i m i n a t o ri n s t a l l a t i o n 3 实验仪器 ( 1 ) 数字风速仪 实验中气速的测量是州转轮式风速仪a m 4 2 0 2 测量，此风速仪采用转动式叶轮来测量风速，准确 度比较高，而且可以同时测量气流的温度。 ( 2 ) n z 型锥板式粘度计 2 河北工业大学硕士学位论文 采用空气一水和空气一甘油溶液时，要用粘度计分别测量水和各浓度甘油溶液的粘度，以考虑粘度 对压降和分离效率的影响。 本粘度计采取的是下旋式结构，即试样杯旋转。试样杯放在载盘的中心，载盘转动由主轴连接变速 箱，变速分十档可获得不同的转数，锥体固定在表的动圈上通过补偿电流调节，产生电磁扭矩平衡装置， 用以检测，由液体粘滞力所产生的剪切力。测定时将测试样品注入试样杯中，锥体在悬空静止时指针指 示在中点即零点，将锥体下降到最底部浸入试样之中，当试样杯以不同速度旋转时，由于液体的粘滞阻 力，使锥体连同指针向左偏移角度，经补偿电流给一定的相反的电流通入动圈，而产生了电磁平衡，使 指针返回到静止时中点即零点，这时，液体粘滞阻力，所产生的扭矩和输入进动圈电流电磁扭矩相等。 这时数显表头显示出数字，即为补偿平衡电流数值( pa ) 这个数值，根据式( 2 2 ) 计算出被测液体的 粘度值。 刁= 圈办 ( 2 2 ) 式中，7 = 被测液体粘度 y = 切变率 1 = 补偿平衡电流 k = 本台仪器常数0 2 5 7 9 2 3 实验原理及实验方法 2 3 1 实验内容 实验内容为在常温常压的条件下，测定了不同喷雾量下气流速度与除沫器的压降和分离效率的关 系：以及在最佳喷雾量不同出口气速的条件下，粘度与分离效率的关系。 2 3 2 实验原理 本实验主要测试的是此垂直筛板型除沫器的压降和分离效率。在气流通过除沫器通道时，由于气流 方向的不断折转和气体的粘性，所以在除沫器进出k i 的静压力有差异，这个差值就是除沫器的压降。而 压降又分为干压降和湿压降，干压降就是在纯空气通过除沭器时产生的压降，湿压降就是气流中含有雾 滴时，它通过除涞器产生的压降。单位时间内，除洙器所能分离出来的液滴质量j j l 厶一m 。与进入除 沫器总的液滴质量m 。之比就是分离效率。分离效率根据式( 2 3 ) 计算。 垂直筛扳型除沫器的除沫性能研究 ”：m i - m o u , j m ， 2 3 3 实验方法 ( 2 3 ) 1 实验方法 通过对此垂直筛板型除沫器的分析可知，影响分离效率和压降的因素很多，本文主要讨论气速、喷 雾量和粘度对分离效率和压降的影响。因此实验中需要改变的量有：出口气速、喷嘴的进液量和溶液的 粘度。 本实验采用喷雾来模拟工业应用中除沫器的实际工作环境。气速是通过调节蝶阀来控制的：喷嘴的 进液量由转子流量计来计量，并通过阀门来控制；气速和压降分别由风速仪和u 型管压差计来测定；最 后通过称量的方法进行效率的评定。当采用空气一甘油物系时，甘油溶液的粘度由粘度计来测定。 2 实验测试 工艺流程如图2 1 所示，进行实验测试的步骤如下： 1 先给自吸管道泵2 灌泵并开泵抽液，然后再打开空气压缩机5 和风机1 5 ，最后打开管道泵1 6 ，用 测量液体将设备的接个过程润湿十分钟。 2 关闭自吸管道泵2 ，等回流液体回流完毕后关掉管道泵1 6 、空气压缩机5 和风机1 5 。 3 用电子秤称量盛有液体的储液桶1 ，并做记录。 4 关掉球阎4 ，打开空气压缩机5 和风机1 5 并调节蝶阀1 3 ，用风速仪测定实验时需要的出口气速，并 测定此气速下的温度。 5 打开自吸管道泵2 ，然后打开球阀4 并做调节使转子流量计指示到一定流量，最后打开管道泵1 6 使 液体回流。 6 读取压力表6 、u 型管压差计8 和1 4 及湿度计的读数，并做记录。 7 当计量筒1 7 中的收集液量在4 0 0 毫升左右时停【r 自吸管道泵2 ，然后关掉空压压缩机5 、风机1 5 和管道泵1 6 。 8 读取计量筒1 7 中液体的体积，并记录数据，再次秤量盛有液体的储液桶i ，记录数据。 9 调节蝶阀1 3 ，分别测定在同一流量不同气速下的数据，然后再调节球阀4 ，分别测定在不同流鼙下 的数据。 4 河北工业大学硕士学位论文 第三章实验数据的处理及结果分析 3 1 分离效率的计算及对它影响的主要因素 分离效率用式( 2 3 ) 进行计算。本文测试的影响分离效率的各因素有出口气速、喷雾量和溶液的 粘度。 3 1 1 出口气速和喷雾量对分离效率的影响 图3i 表示在喷嘴的进液量不同的情况下分离效率和出口气速间的关系，应该指出的是，在此除沫 器设备的条件下，不同的喷嘴的进液量可得到不同的液滴直径范围，而且流量越大液滴平均直径越大。 其中图3 i 反映了垂直筛板型除沫器在适宜的流量下分离效率随出口气速变化的规律，可知，三条曲线 有一类似的变化规律：分离效率先随气速的增大而增大至临界点即最大值，然后随气速的增大而减小。 并且分离效率随喷嘴的进液量的增大而提高。有三种不同的力控制聚积在除沫器筒壁上水滴的运动，即 拉力，重力和表面张力。当重力占主导地位时，液滴沿筒壁在重力的作用下流入集液槽排出。临界点的 出现是由于产生了雾沫的二次携带所致，即分离下来的雾沫再次被气流带走。其原因大致是：( 1 ) 气流 冲刷集液槽表面上的液膜，将其卷起、带走；( 2 ) 撞击在筒壁上的液滴由于自身的动量过大而破裂并从 气体出口飞溅出。( 3 ) 在高气速的情况下。可能使水滴进一步雾化，因而产生更细小的雾滴，很难被除 沫器捕集。而且，这些也可以解释为何在大的气速条件下分离效率会降低。 因此，为达到一定的分离效率，必须控制气速在一合适的范围：最高气速不能超过j 临界气速；最低 气速要确保达到所要求的最低分离效率。并且，由图可知在不同流量下气速临界点有所不同。 0l23456789 o u t l e tg a sv e l o c i t ym s 图3 1 分离效率与出口气速关联图 f i g 3 1t h e c a r v eo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yv so u t l e tg a sv e l o c i t y 1 5 翼舌矗百匠o co口霸导 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 从图3 1 可以看出，在每一个喷嘴进液量下，都存在一个临界气速，三个不用的喷嘴进液量下的临 界气速范围在3 m s 4 m s 之间。在实际工业应用中，比如在设计和操作过程中，这个临界气速是很重 要的，因为在这个气速下，效率达到了最高，除沫器到达最佳的状态。 3 1 2 液体粘性对分离效率的影响 气雾流中携带液滴的粘度也是影响垂直筛板型除洙器分离效率的重要因素，一般规律是粘度越高， 分离效果越好，如图3 2 所示。其原因是由于粘度越大，粘滞力越大，相对来说更易出现大直径液滴， 而且，粘滞力增大使得撞击在筒壁上的气雾流更易被捕集，被分离下来的液滴也不易发生二次携带，因 此使分离效果明显变好。 图3 2 分离效率与溶液粘度关联图 f i g 3 2t h e g i i i v eo f s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yv ss o l u t i o nv i s c o s i t y 3 2 对压降影响的主要因素 垂直筛板型除沫器的压降是非常重要的，气雾流通过除沭器的压强降的大小决定了除沫器的动力能 耗。操作压降由实验来测定，其值与除沫器结构和气液负荷有关。图3 3 为此除洙器的压降测量结果， 包括干压降和不同液体负荷下的总压降随气速变化的曲线。气流在除沫器内流动，湍流占优势，故压降 与气速的平方成正比。但一般米说，除沫器的干压降相对来说较低，随气速的上升也较平缓。干压降的 产生主要是由于流线变化而损失的动能。除雾时集液槽内及筒壁上有一层流动的液膜，使得气流通道减 小，压降增火，这压降称为湿压降。湿压降的图形与干压降有一些差别，可以分成三部分。第一部分发 生在低气速时，压降随气速吊线性变化并与干除沫器的压降线几乎平行；在第二部分压降随气速的增加 1 6 孙讳h他阳船融眈驰。i蛆 曼x口q氅o_口q口；静nu 河北工业大学硕士学位论文 上升很快：在第三部分，即使气速增大很小压降上升也很陡。湿压降是很复杂的，一是由于流线的变化 损失的动能而产生的压降；二是由于随着被分离下的液体的积聚使得气流通道减小，从而使气体加速造 成的压降，而且液体积聚量的逐渐增加，使气体自由流通面积减小导致流动阻力迅速增大；第三，可能 是雾沫的二次携带及其不断增大而造成的；另外还有重力的影响，这方面的影响相对于其它方面较小可 以忽略不计。 3 3 1 与波纹板除沫器比较 图3 3 压降与出口链关联图 f i g 3 3t h ec u r v eo f p r e s s u r ed r o pv so u t l e tg a sv e l o c i t y 3 3 与其它除沫器进行性能比较 江苏大学的朗方年通过建立实验台测试了一种波纹板除沫器的除沫性能。其中一个除沫器的实验结 果图示如下，如图3 4 所示p “。 风 一中的气 褒连庹f h ，匐 图3 , 4 除雾效率及压力差与气逮关联图1 3 0 f i g 3 4t h ec u r v eo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o p v s g a sv e l o c i t y 【3 0 j 17 2口芒j苣 垂直筛板型除沫器的除沫性能研究 从图3 4 可以看出，此种除沫器的分离效率的变