宋曉明

(承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

氣液分離技術(shù)主要是將滴狀液體從氣體介質(zhì)中分離，獲取高潔凈品質(zhì)的氣相流體介質(zhì)，以此來(lái)保證設(shè)備的穩(wěn)定、高效運(yùn)行[1]。目前，氣液分離技術(shù)主要有物理沉降式分離、過(guò)濾式分離、慣性力式分離和離心力式分離等，按所用填料及其結(jié)構(gòu)形式分為絲網(wǎng)氣液分離器、波紋板式氣液分離器、纖維床式氣液分離器和旋風(fēng)式氣液分離器幾種。目前，波紋板式氣液分離器廣泛應(yīng)用于石油、液化天然氣及煤電蒸汽的凈化和核電等能源戰(zhàn)略領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[2-3]。

我國(guó)針對(duì)波紋板填料氣液分離技術(shù)的研究起步較晚，而美、德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始了試驗(yàn)研究，高效分離技術(shù)已比較成熟[4-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始應(yīng)用數(shù)值模擬為實(shí)驗(yàn)研究提供方向性指導(dǎo)，研究方向主要集中在氣液分離性能的提高和波紋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。由于波紋板內(nèi)部流體流動(dòng)的復(fù)雜性，波紋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然主要依靠經(jīng)驗(yàn)和大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，耗費(fèi)大量的時(shí)間成本和人力成本，嚴(yán)重限制了波紋板填料氣液分離技術(shù)的推廣應(yīng)用[6]。

本文基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究波紋板內(nèi)部流體的流場(chǎng)特性，研究其分離性能的優(yōu)劣，為波紋板氣液分離技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 波紋板填料

氣液分離器是鉆井過(guò)程中對(duì)來(lái)自管匯中的液侵原氣進(jìn)行凈化處理，除去混入天然氣中的液滴，回收初步凈化的天然氣的專用設(shè)備，如圖1所示。波紋板填料作為氣液分離器中的核心零部件，實(shí)現(xiàn)氣液兩相高效分離，工程中常用波紋板結(jié)構(gòu)形式為梯形，如圖2所示。其工作原理為：波紋板板內(nèi)通道結(jié)構(gòu)曲折急轉(zhuǎn)，當(dāng)氣液兩相混合流體介質(zhì)流經(jīng)波紋板內(nèi)部通道時(shí)，復(fù)雜的內(nèi)部通道迫使氣流發(fā)生曲折運(yùn)動(dòng)并在轉(zhuǎn)角處制造氣流擾動(dòng)，致使離散相的液滴撞擊板壁而形成液膜，液膜不斷積聚增大到一定程度因自身重力作用流入疏水裝置達(dá)到氣液分離。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

氣液兩相在波紋板通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，連續(xù)相介質(zhì)為氣體、不連續(xù)的離散相介質(zhì)為液滴，屬于復(fù)雜的三維兩相的瞬態(tài)過(guò)程。本文中，氣液兩相介質(zhì)流經(jīng)波紋板通道時(shí)，液滴的重力及浮力垂直于流動(dòng)方向，且各通道結(jié)構(gòu)相同，可將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維單通道模型，計(jì)算區(qū)域由兩塊波紋板組成。

網(wǎng)格劃分采用icem專用劃分網(wǎng)格軟件，截取板長(zhǎng)200 mm的流場(chǎng)區(qū)域作為計(jì)算域，采用全四邊形網(wǎng)格單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)計(jì)算域內(nèi)的近壁面進(jìn)行局部加密處理以保證計(jì)算精度，網(wǎng)格數(shù)量控制在10萬(wàn)左右以保證計(jì)算精度和計(jì)算速度，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.2 邊界條件及求解設(shè)置

1)連續(xù)相邊界條件

介質(zhì)物性：空氣，密度1.29 kg/m3，動(dòng)力粘度1.79×10-5kg/(m·s)。

進(jìn)出口條件：速度入口，氣流速度在進(jìn)口截面均勻分布；壓力出口，操作壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

壁面條件：波紋板壁面光滑無(wú)滑移、無(wú)熱量交換。

2)離散相邊界條件

液滴物性：水，密度988.2 kg/m3，動(dòng)力粘度1.003×10-3kg/(m·s)。

進(jìn)出口條件：速度進(jìn)口，與連續(xù)相相同。

液滴平均粒徑：20 μm，液滴噴射類型為表面surface，在氣體中的體積含量為8.0%。

壁面條件：選擇捕集trap類型。

選擇Realizablek-ε湍流模型，計(jì)算過(guò)程接近流體介質(zhì)的真實(shí)流動(dòng)，流動(dòng)中的動(dòng)量、湍動(dòng)能等變量均選用二階迎風(fēng)插值格式。采用DPM模型中的顆粒隨機(jī)軌道模型追蹤液滴在波紋板內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，液滴初始分布采用隨機(jī)rosin-rammler分布，噴射模型選用隨機(jī)軌跡選擇方法，同時(shí)采用隨機(jī)模型追蹤(stochastic tracking)方法來(lái)模擬湍流效應(yīng)對(duì)液滴顆粒彌散的影響。

2.3 計(jì)算求解

通過(guò)材料設(shè)置、邊界條件設(shè)定以及模型選取等一系列操作后，為保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性、精確性及解的收斂性，還需設(shè)置求解器中的數(shù)值，正確選擇各通用方程的差分格式，以SIMPLEC為速度與壓力耦合方法，以各項(xiàng)參數(shù)的殘差小于0.000 1為收斂標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置完后開始運(yùn)行Fluent進(jìn)行數(shù)值迭代計(jì)算。

3 數(shù)值模擬分析

計(jì)算結(jié)束后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到波紋板內(nèi)部流場(chǎng)和液滴運(yùn)動(dòng)軌跡分布云圖(見(jiàn)圖4)。

由圖4可以看出，氣相介質(zhì)的流速大小和方向在通道內(nèi)不斷變化，進(jìn)口截面附近分布均勻，當(dāng)經(jīng)過(guò)斜通道時(shí)速度顯著增大、到達(dá)拐角處達(dá)最大值；氣相介質(zhì)在進(jìn)口壓力最高，在經(jīng)過(guò)斜通道后壓力降低，可見(jiàn)氣相介質(zhì)順利通過(guò)彎曲通道是以產(chǎn)生壓力損失為代價(jià)的；波紋板對(duì)氣相介質(zhì)中液滴的去除作用顯著，在進(jìn)口階段液滴含量較高，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)第一個(gè)彎通道時(shí)，大部分液滴由于慣性不能跟隨氣流通過(guò)彎通道而直接沖向波紋板壁面進(jìn)而被壁面所捕集，波紋板對(duì)液滴的捕集主要發(fā)生在通道內(nèi)沿氣流方向的斜面上，而在氣流的背向斜面幾乎沒(méi)有捕集。

3.1 性能分析

波紋板氣液分離性能優(yōu)劣的指標(biāo)主要是壓力損失與分離效率，其最優(yōu)的結(jié)構(gòu)是具有較高的分離效率和較低的壓力損失，分離效率是保證氣相介質(zhì)潔凈品質(zhì)的前提，而壓力損失過(guò)大會(huì)增加系統(tǒng)成本、降低氣相介質(zhì)品質(zhì)。

3.2 流場(chǎng)壓力損失

對(duì)fluent仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，得到不同入口流度下波紋板內(nèi)流場(chǎng)壓力損失情況，如表1所示。

從表1可以看出，不同板間距波紋板的壓力損失隨入口流速的增大而增大。由此可見(jiàn)，通過(guò)無(wú)限制的提高流速來(lái)提高波紋板氣液分離器的性能是不現(xiàn)實(shí)的。

3.3 波紋板分離效率

依據(jù)文獻(xiàn)[3]，在流場(chǎng)入口處以氣相同樣的速度(與氣流場(chǎng)入口速度相同)均勻分布噴入液滴相，這樣該直徑液滴的分離效率η由下式確定：

(1)

式中，N捕是被捕集的液滴數(shù)，N入是入口噴入的總液滴數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，波紋板在不同入口流速下對(duì)液滴的分離情況如表2所示。

表1 不同入口流度下波紋板內(nèi)流場(chǎng)壓力損失值

表2 不同入口流度下波紋板對(duì)液滴的分離效率

從表2可知：入口流速對(duì)氣液分離的影響顯著，隨著流場(chǎng)速度的增加，氣液分離效率逐漸增大，當(dāng)流場(chǎng)速度增大到6 m/s以上時(shí)，波紋板對(duì)液滴的分離情況的改善并不明顯。

4 結(jié)論

本文以波紋板填料作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究波紋板內(nèi)部流體的流場(chǎng)特性及其其分離性能，通過(guò)fluent仿真模擬分析，得出以下結(jié)論。

1)波紋板對(duì)氣相介質(zhì)中液滴的去除作用顯著的，對(duì)液滴的捕集主要發(fā)生在通道內(nèi)沿氣流方向的斜面上，同時(shí)介質(zhì)通過(guò)波紋板產(chǎn)生了一定的壓力損失。

2)入口流速對(duì)對(duì)波紋板分離性能的影響顯著，隨流速的增加，氣液分離效率逐漸增大，但壓力損失也在不斷增大；當(dāng)流場(chǎng)速度>6 m/s時(shí)，波形板對(duì)液滴的分離情況的改善并不十分明顯而壓力損失卻很大。