基于PDPA 分離器分離參數(shù)及分離性能的試驗(yàn)研究

劉 育，余 波，張 卿，陳凌平，卿 彪

(西華大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610039)

0 引言

氣液分離技術(shù)是從氣態(tài)流體中分離出霧滴或液滴的技術(shù)，在石油、化工(如合成氨、硝酸、甲醇生產(chǎn)中原料氣的凈化分離)、動(dòng)力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用．在特定的應(yīng)用場合能夠有著優(yōu)良的氣液分離效果是氣液分離技術(shù)追求的目標(biāo)，通常采用分離效率、濃度和粒徑等指標(biāo)表征，特別是分離效率，對降低設(shè)備的運(yùn)行成本有著顯著的效果．據(jù)統(tǒng)計(jì):分離效率在提高1%的情況下，能使壓縮機(jī)電耗降低1%，同時(shí)其成本僅相當(dāng)于設(shè)備半年節(jié)省的電費(fèi)，因此提高其分離效率是氣液分離中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-2］．

筆者以某重點(diǎn)項(xiàng)目所研制的一種基于PDPA的分離器為試驗(yàn)研究背景，驗(yàn)證了一種新型氣液分離設(shè)備的可行性及設(shè)備的性能指標(biāo)，并利用該設(shè)備進(jìn)行了不同參數(shù)下分離效率的試驗(yàn)，找出了各參數(shù)對氣液分離效率、LWC 液態(tài)水含量和粒徑的關(guān)系．

1 試驗(yàn)原理

傳統(tǒng)典型的分離器技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，但存在通用性差、設(shè)備使用局限性大的缺點(diǎn)［3］．本項(xiàng)目受中石油公司委托，采用的方案是在傳統(tǒng)旋流氣液分離器上，增加穩(wěn)流器和折流板這樣一種組合方式的氣液分離器．

該組合分離器的原理為:待分離氣液混合物先進(jìn)入旋流器實(shí)現(xiàn)氣液初步分離，并將分離出來的液滴排出旋流器;經(jīng)初步分離的氣液混合物再進(jìn)入穩(wěn)流器，該穩(wěn)流器由許多平行鋼板組成，經(jīng)穩(wěn)流器進(jìn)一步分離后的氣液混合物進(jìn)入折流板裝置再次分離，最后將液滴、霧沫去除后經(jīng)出氣口排出．由平行鋼板構(gòu)成的穩(wěn)流器是依靠增大了氣液混合物與鋼板的接觸面積，減少其沉降距離，以使得混合物中的液滴沉降在平行鋼板上，并沿著平行鋼板表面流到液相區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示．

圖1 分離器結(jié)構(gòu)Fig．1 Separator structure

在該穩(wěn)流器中，由液滴沉降過程中液滴力的平衡關(guān)系可推導(dǎo)出允許的氣液混合物流速．

液滴的重力表述為［4］

式中:FG為液滴重力;Mp為液滴質(zhì)量;ρL為液體密度;ρV為氣體密度;g 為重力加速度;gc=32．17(1bm/ft)．同時(shí)，其平衡曳力為

式中:FD為曳力;CD為曳力系數(shù);DP為液滴直徑;ρV為氣體密度;UV為氣體速率;gc=32． 17(1bm/ft)．在氣液混合物中，較重的液滴將以終端沉降速度UT運(yùn)行，該速度UT為一恒值，且滿足:

只要當(dāng)氣體速率低于終端沉降速度UT時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)氣液分離．通常，兩者存在這樣的關(guān)系:UV=0．75UT，結(jié)合式(1)和(2)的平衡關(guān)系，從而便可導(dǎo)出Saunders-Brown 方程［5］:

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig．2 The test system

試驗(yàn)設(shè)備中，為保證氣液混合物的流動(dòng)狀態(tài)，在分離器進(jìn)口、出口測試段來流方向均保證具有不小于10 倍管徑的直管．

2 試驗(yàn)方案

由于PDPA 是利用多普勒效應(yīng)來測量運(yùn)動(dòng)粒子的相關(guān)特性，具有不干擾流場，測量精度高等特點(diǎn)，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)利用美國TSI 公司生產(chǎn)的PDPA對分離器進(jìn)行測試． 其中，PDPA 測試原理如圖2所示．

在相位多普勒粒子分析儀中，依靠PDPA 產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的頻率正比于粒子通過測量體的速度來確定粒子速度，利用設(shè)定接收角度和間距的兩個(gè)光電倍增管多普勒信號(hào)間的相位差測定粒子的粒徑大?。?］． 通過測量分離器進(jìn)、出口氣液混合物中液態(tài)水的濃度(即液態(tài)水含量)來確定分離器的分離效率，其粒子濃度C 和分離效率η分別由式(5)和式(6)得到．

圖3 PDPA 測試原理Fig．3 The test principle of PDPA

式中:N 是測量時(shí)間t 內(nèi)經(jīng)過測量體的粒子數(shù);v為粒子的平均速度;A 是相應(yīng)的測量體的有效橫截面積;d 為粒子粒徑;ρ 為所測粒子的密度．

C1，C2分別為進(jìn)口、進(jìn)口處氣液混合物中液態(tài)水含量．

由于本試驗(yàn)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)量測試，故本試驗(yàn)的方案選用離散點(diǎn)分別重復(fù)測試，具體試驗(yàn)工況為:股液的加注量為30 m3/d 和50 m3/d，噴霧量為10．44 L/h，試驗(yàn)段內(nèi)壓力為0．055 MPa，氣體流量分別為10，20，33，40，53，64 Nm3/h．

3 試驗(yàn)結(jié)果及處理

在完成儲(chǔ)氣罐加氣、股液加注后，當(dāng)氣體流量接近指定試驗(yàn)工況時(shí)，就對分離器模型進(jìn)出口相關(guān)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量和觀察，并記錄到達(dá)指定工況時(shí)的參數(shù)值，若試驗(yàn)進(jìn)行中氣體流量下降以使得運(yùn)行工況偏離，則進(jìn)行補(bǔ)氣以維持運(yùn)行工況．試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別測試4 次，最后取其平均值．

由表1、表2 和表3 可以得出:在股液量為30 m3/d 和50 m3/d 時(shí)，組合分離器出口液滴粒徑、LWC、分離效率與氣體流量關(guān)系曲線見圖4 ～6．

從圖4 可以看出，該分離器能有效控制出口粒子粒徑，平均粒徑基本在13 μm 左右． 當(dāng)氣體流量大于20 m3/h 時(shí)，分離器出口處粒子粒徑隨股液量的增大而減小．出口粒子粒徑減小，說明大粒徑粒子被分離器分離．

表1 股液量30 m3/d 時(shí)分離器實(shí)測數(shù)據(jù)及分離效率Tab．1 Shares of liquid 30 m3/d and separation efficiency of separator

表2 股液量50 m3/d 時(shí)分離器實(shí)測數(shù)據(jù)及分離效率Tab．2 Shares of liquid 50 m3/d and separation efficiency of separator

表3 不同股液量時(shí)進(jìn)口LWC 計(jì)算值Tab．3 The different shares liquid solution inlet LWC value

圖4 不同股液量下粒徑隨氣體流量的變化Fig．4 The different shares liquid solution particle size and the gas flow rate

圖5 不同股液量下LWC 隨氣體流量的變化Fig．5 The different shares liquid solution LWC and the gas flow rate

由圖5 可以看出，分離器出口處，在相同股液量加注方式下，隨著氣體流量的增加，液態(tài)水含量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢;在相同的氣體流量下，隨著股液量的增加，液態(tài)水含量減小．

在股液量為30 m3/d 和50 m3/d 下，組合分離器分離效率與氣體流量關(guān)系曲線如圖6 所示．

圖6 不同股液量下分離效率和氣體流量的關(guān)系Fig．6 The different shares liquid solution separation efficiency and the gas flow rate

根據(jù)圖6 可知，該分離器對于股液添加方式具有相當(dāng)高的分離效率，都在99．9%以上． 在相同的氣體流量下，隨著股液量的增加，分離器器分離效率隨之增大．當(dāng)股液量一定時(shí)，分離器分離效率隨氣體流量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢．

4 結(jié)論

通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了該組合式氣液分離器能夠在期望的分離效果下良好運(yùn)行，并從工程實(shí)際的角度證明了基于PDPA 對液滴粒徑、分離效率檢測和計(jì)量的準(zhǔn)確性和可行性． 通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集研究分析，可以得出以下結(jié)論．

(1)分離器出口氣體中LWC 很低，且平均粒徑也較小(13 μm 左右)，該分離器對于股液加注方式在各試驗(yàn)氣體流量下都能達(dá)到99．9%以上的分離效率．

(2)分離器出口處粒子粒徑隨股液量增大而減小，隨著氣體流量的增大粒子粒徑基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)氣體流量為50 m3/h 左右時(shí)達(dá)到最大．

(3)分離器出口LWC 隨股液量增大而減小，隨著氣體流量的增大LWC 呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢．

(4)分離器分離效率隨股液量的增大而增大;而當(dāng)股液量一定時(shí)，隨著氣體流量的增加分離器分離效率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢．

［1］ 馮健美，楊鑫，高翔，等．旋風(fēng)式油氣分離器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］． 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(7):55 -59．

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