流线型盘式气液分离器分离效率数值模拟

摘要

基于柱塞流模型所衍生出的一种数学模型可以用来计算流线型盘式气液分离器的分离效率，本次研究通过实验和模拟的方法对该模型结果进行论证。本次实验，通过由德国帕拉斯公司研制Promo-3000气溶胶谱仪测量系统来检测进出口水滴的粒径分布和质量流量，进一步得出各级分离效率，然后通过改变气体流速对此分离器分离性能进行分析评估。在模拟过程中，基于Fluent14.5，运用加强壁面处理的Realizable kappa;-模型，模拟参数和实验参数设置保持一致。研究表明：关于分离效率的变化趋势实验结果和模拟结果有着良好的吻合性，出口的在空间上转角角度和宽度是影响流线型盘式气液分离器的两个主要因素，增加凹型或者凸形流道的转角角度或者减少其宽度可以明显地提高分离效率。为设计和优化波纹板模型提供了一种新型普遍的理论指导。根据研究结果和理论，提出一种既经济又高效的可变盘式气液分离器，对于工业设备发展有着深远的意义。

1.简介

波纹板式气液分离器具有结构简单、压力损失低的特点，被广泛用于石油化工和过程制造工业，其通过气体和液体两者不同的惯性力来实现液滴从气体中分离。例如，气液分离器通常被安装在蒸汽涡轮机前端用来分离蒸汽中的液滴。另外，溶解在水滴中的钙镁化合物和无机盐会在蒸汽涡轮叶片形成沉淀，造成机械振动。波纹板也总是作为填料版或者塔板被安装在除硫塔顶部或者排气管前端，移除液相以满足废气排放标准。波纹板是气液分离器的关键部件，并且在安装是保持一定的横向间距。当气体伴随着分散的液滴在两个波纹板之间的曲线管道流动时，液滴碰撞在板面形成液膜并且在重力的作用下滑落。

近十年来，波纹板分离器的机理和性能已经被广泛的研究和分析。Monat等人[1]利用激光粒径分析仪在1986年早期对V型除雾器的性能进行了分析评估，波纹板最初的形状几乎接近120°角具有多弯曲段的三角板。在1998年，NaKao等人[2]利用相位差风速计发现超过90％的液滴在通过四个弯曲阶段的波纹板的前两个弯曲阶段能被分离。随后，他设计出新型简化、具有两个弯曲阶段的波纹板，并且把弯曲角度减少到90°。Wang等人[3]发现基于低雷诺数的kappa;-ε湍流模型的效率预测比基于标准kappa;-ε湍流模型的效率预测和实验结果具有更好的吻合性。然而，在超过一定范围粒径时模拟和实验结果之间仍然存在着大的差异。他们运用CFX软件中的EIM发现除了对于非常小的液滴，基于修正EIM的计算结果和实验结果有着良好的吻合[4]。在2003年，James等人[5]通过数值模拟发现在波纹板上设置引流钩流道能提高分离性能。Galletti等人[6]发现EIM因其分离效率误差超过100％，所以不适用于调研，表明基于可变EIM预测结果和实验数据有着更好的一致性，并且低雷诺数湍流模型能更好的描述气体流场分布和液体运动轨迹。Rafee等人[7]基于RSTM和EIM进行数值模拟发现加强壁面处理能提高分离效率的预测能力，特别是对于小液滴，基于标准壁面函数的RSTM对于这些小液滴的分离效率低于50%，并且预测不准确。近年来，Venkatesan等人[8]发现Spalart-Almaras模型和Realizablekappa;-ε模型适合预测闭合湍流的分离效率，并且Saffman升力不会对结果产生大的影响。

分离效率和压降是评价波纹板式气液分离器分离性能的两个关键参数。为了获得更高的效率和分离较小的液滴，列举三个主要措施：调整操作条件、替换波纹板材料、优化几何结构。增大气体流速能提高分离效率，然而，高气体流速会导致压降增大，甚至发生夹带[9]。优化波纹板几何形状是提高效率最常见的方法。最初的三角型波纹板已经具有更多形状，比如叶片型、梯形、排水型和钩型。Kavousi等人[10]通过调整流道角度、高度和长度对排水型分离器效率进行了数值研究。Venkatesan等人[11]利用Taguchi理论建立一组25个设计因素的阵列对曲片式除雾器多个几何形状参数进行优化。在2014年，Koopman等人[12]比较了圆形连续曲板和直尖角板的效率和压降。

总的来说，早期的数值模拟通常关注CFD模型的准确性。研究人员为了提高分离性能也关注波纹板的几何形状的优化。由于缺乏液滴分离效率的探测方法，所以在开放文献中很难找到实验结果。而且相对于分级效率，研究人员更加关注总效率。预测板式气液分离器性能的数学模型是特别稀少的。目前在实际应用中，流线型板作为一种常见的波纹板已经取代传统的三角型板。此次研究，采取一种流线型板作为研究对象，建立一个数学模型计算其分离效率。进行实验和数值模拟，对模型预测结果和实验结果进行比较。基于这个模型和关键参数对几何结构提出优化。

2.模型建立

2.1.现有模型

在1989年，Buuml;rkholz[13]通过在stokes条件下定义通过曲面时间和末端径向液滴速度的乘积作为液滴径向迁移距离提出效率计算方程。方程（1）展示如下：

（1）

delta;_R—连续流道宽度，St—斯托克数，—弯曲角度。

对于n级叶片式分离器，液滴分离效率方程（2）如下：

（2）

Buuml;rkholz方程适用于由旋转体组成的分离空间，如图1（左）。Oka Ero[14]研究三角型板得出其效率计算方程（3）和（4）

（3） （4）

在2003年，Leber[15]建立单级直叶片式分离器的效率分析模型并且通过实验测量0.5-5m/s范围内的六个不同气体流速的效率得到方程（5），流速在2-5m/s范围内，分析模型和实验数据有着好的一致性。

（5）

一些研究人员已经在努力尝试着修正这些方程[16]，Narimani等人[17]和Zhao等人[18]也提出了基于反映曲面分类研究法叶片式除雾器分离效率的预测模型。然而，这些基本的模型不能适用于新型板式分离器。

图1. Buuml;rkholz模型（左）和Oka模型

2.2．模型建立

如图二（左）所示，波纹板以一定的横向间距被安装，形成一条流道，每个板的厚度为d,有两个不同的弧长部分。气液和分散的液滴从左入口进入流道。横向间距一般为30mm，因此这个平面流域能被建立如图二（右）所示。根据早期的数值模拟和实验研究，大多数液滴在,,,发生碰撞并生成液膜，基于波纹板的几何形状，在圆弧的顶部和底部可以建立这些点，鉴于流道的凸凹形状，P1必须被分成两个单向平面流域。

如图三所示，S1和S2是P1所分割的两个平面流域，和分别是是H点和I点圆弧的法线,G点是和的交点，Ф和psi;分别是、和、的夹角。整个流域的空间能被认为两个串联的旋转平面。假设eta;₁和eta;₂分别为S1、S2流域的分离效率，那总效率的计算公式如方程6所示

（6）

液滴通过流道的运动轨迹能在S1和S2中被分析，如图四所示。通过这两个平面（见附录A），分离效率能够用下列公式进行计算得到。一旦给出等量直径，分级效率也能通过这个模型被计算得出。

（7）

（8）

图2. 波纹板放置方式（左）和平面流域（P1）（右）

图3. S1和S2平面流域

图4. S1和S2流域液滴运动轨迹

2.3．模型特征

在方程（7）和（8），仅Q_i为操作参数，其他参数为液体和波纹板几何结构的物理特性,分离效率能通过增加转角角度和psi;，减小出口（r_e-r_s）和（R_m-R_n）的宽度得到提高，这些参数能够通过调整几何尺寸得到优化。下面笔者通过实验和模拟的方法对该模型进行验证。

3.数值模拟

3.1.CFD模型

选用ANSYS Fluent14.5中的Realizable k-ε模型处理连续相，这个模型的流动方程如下所示。

（9）

（10）

连续相的初始参数为空气在法向上的温度和大气压力。选择DPM模型处理液相（水），若液体质量流率非常小且体积分数在10%以内，水滴能被简化成理想的球状颗粒，因此根据Refs[8]和[10]的研究结果，Saffman升力、压力梯度力以及其他的力可以被忽略。液滴从入口被喷入，与连续相一起流动。选择SIMPLE算法的压力速度耦合和二阶精度的离散格式进行求解。

3.2.模型创建和划分网格

如图5所示，建立2D的几何模型作为计算流域，为了和实验模型的预测结果比较，忽略重力的影响。为了流体能在流道中充分流动，入口和出口均延长160mm。近壁面处理参考Ref[19]。第一个节点距边界高度为0.1mm，且单元尺寸成长因子为1.1，设置在壁面法向。然后选择四边形网格形式对模型进行划分，形成非结构网格，网格数为244205，如

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资料编号：[1048]

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