錐度對天然氣凈化用旋風(fēng)分離器流場影響

李 琦，羅 敏，韓傳軍，楊 雪，管西旗

（1.西南油氣田分公司輸氣管理處，成都610213；2.西南石油大學(xué)，成都610500）

錐度對天然氣凈化用旋風(fēng)分離器流場影響

李 琦1，2，羅 敏1，韓傳軍2，楊 雪2，管西旗2

（1.西南油氣田分公司輸氣管理處，成都610213；2.西南石油大學(xué)，成都610500）

基于計(jì)算流體力學(xué)，采用RNG k-e湍流模型和離散相模型，研究了錐度在163～175°的天然氣凈化用旋風(fēng)分離器的壓力場、速度場分布以及分離效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，升氣管入口附近的部分區(qū)域速度和壓力變化最大；錐度對筒體及小錐體區(qū)域幾乎沒有影響，而對升氣管和大錐體的影響很大，但是并不改變流場的整體分布規(guī)律。隨著錐度的增加，壓降呈遞減趨勢。氣體總速度與切向速度的變化趨勢相同，均隨錐度的增大而減小。在最小粒徑為5μm時(shí)，不同錐度下旋風(fēng)分離器的分離效率均為100%，但是在頂板附近有不同程度的顆粒堆積現(xiàn)象。錐度為163°和166°時(shí)，顆粒返混現(xiàn)象很嚴(yán)重，極易造成旋風(fēng)分離器的頂板腐蝕穿孔，因此不適于工程實(shí)際。在剩余的3種結(jié)構(gòu)中，速度變化相差小，從壓降和體積方面考慮，172°的錐角結(jié)構(gòu)最優(yōu)，可較大程度減少材料耗損，節(jié)約制造成本。

旋風(fēng)分離器；錐度；流場

旋風(fēng)分離器是一種利用離心力分離氣流中固體顆?；蛞旱蔚脑O(shè)備。由于其結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，無運(yùn)動(dòng)部件，操作范圍廣，受溫度、壓力限制小，分離效率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為輸氣站場上應(yīng)用廣泛的氣固分離設(shè)備。然而，從近年清管的污物、下游設(shè)備運(yùn)行情況來看，輸氣站場的旋風(fēng)分離器除塵效果并不是十分理想。例如，在智能檢測前期的清管通球過程中，排出了大量的污物；同時(shí)，由微粒粉塵沖刷作用造成的下游調(diào)壓、計(jì)量設(shè)備失效，運(yùn)行壽命減短等問題普遍存在。因此，研究旋風(fēng)分離器的流場，提高其分離效率顯得尤為重要。

影響旋風(fēng)分離器流場的因素包括內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部的環(huán)境條件，近年來許多學(xué)者對其中的一些方面進(jìn)行了研究。例如，曹晴云等［1］系統(tǒng)研究了不同的入口面積、排氣管直徑比、排塵管直徑比對旋風(fēng)分離器的速度和壓降的影響；趙宏強(qiáng)等［2］利用大渦模擬，詳細(xì)介紹了分離器的三維速度場；萬谷軍等［3］對不同溫度和壓力下的旋風(fēng)分離器速度場進(jìn)行了分析；谷瑞青等［4］等研究了升氣管插入深度對分離器流場的影響；葛坡［5］等提出了一種對稱多入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器，并對其流場進(jìn)行了研究；朱小兵［6］等提出了一種用于鉆井柴油機(jī)尾氣凈化的旋風(fēng)分離器，完成了現(xiàn)場試驗(yàn)。

目前，涉及到旋風(fēng)分離器錐體結(jié)構(gòu)的研究也有很多。Xiang Rong Biao等［7］研究了錐體尺寸對用于大氣采樣的小型旋風(fēng)分離器的影響情況；王清華等［8］總結(jié)了不同的錐體結(jié)構(gòu)及其影響；查文煒、李昌劍等［9-10］的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中涉及到了錐體的相對尺寸。但是并沒有涉及到錐度對其流場的具體影響。錐度是旋風(fēng)分離器的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它連接著圓筒體和錐體，是結(jié)構(gòu)突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此對流場的影響不可忽視。

本文以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，利用FLUENT的RNG k-epsilon湍流模型和DPM離散相模型，研究不同錐度下旋風(fēng)分離器的流場分布情況及分離效率。旨在找出最佳錐度，為旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算方法

旋風(fēng)分離器的流場計(jì)算模型一般由氣相流場和兩相流場［11］組成。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流體所做的是強(qiáng)旋流的湍流運(yùn)動(dòng)，其雷諾數(shù)很高，因此在計(jì)算過程中，連續(xù)相選擇RNG k-epsilon湍流模型，離散相采用DPM模型。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用文獻(xiàn)［12］中的幾何模型，是1個(gè)直切式入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器。其筒體直徑為0.36 m，入口尺寸為0.18 m×0.09 m，排塵口直徑為0.10 m，排氣管直徑為0.144 m，錐度為172°，升氣管底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，減少網(wǎng)格數(shù)量，提高質(zhì)量。圖1為旋風(fēng)分離器的幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型。

圖1 旋風(fēng)分離器的分析模型

1.3 邊界條件設(shè)置

由于是模擬輸氣站場上用旋風(fēng)分離器的流場，因此氣相設(shè)置為甲烷，粉塵用與天然氣輸氣管道所含粉塵粒徑分布接近的800目的滑石粉，其密度為2 700 kg／m3［13］。流場計(jì)算時(shí)采用SIMPLE算法、PRESTO壓力插補(bǔ)格式和QUICK差分格式。氣相入口邊界條件選擇Velocity_inlet，速度為20 m／s。氣相出口設(shè)置為outflow，直接與大氣相連。顆粒的進(jìn)入設(shè)置為面射流源，其入口速度與氣相相同，可以避免產(chǎn)生相對速度滑移。顆粒加入量0.03 kg／s，粒徑分布滿足Rossin-Rammler，中位粒徑取10μm。升氣管出口設(shè)置為逃逸（escaped），錐底灰斗出口設(shè)置為捕捉（trapped）［14］。

理論上，不同的錐度會(huì)對旋風(fēng)分離器的壓力場和速度場造成影響。保持其他條件不變，選擇不同的錐度進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到流場隨錐度的變化規(guī)律，找出最佳錐度。

文獻(xiàn)［11］中給出了16種旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)，通過測量可以得到其錐度取值為163～175°。對文獻(xiàn)［1］～［15］所取的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，可以知道錐度均在這一范圍內(nèi)。表1列出了本文所取的錐度，并通過調(diào)整旋風(fēng)分離器的錐體總長度來改變其大小。

表1 旋風(fēng)分離器的錐度及對應(yīng)長度

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型驗(yàn)證

數(shù)值求解和分析的結(jié)果需要與實(shí)際的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)比較，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇院瓦m用性，這對模型是否有用非常關(guān)鍵。為了驗(yàn)證本文的模型，將氣相流場的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，用不同氣相入口流量（控制在950～1 350 m3／h）下總壓降的變化與文獻(xiàn)［14］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖2所示。從圖2中可以看出，模擬壓降與試驗(yàn)壓降的值基本吻合。

圖2 模擬壓降與試驗(yàn)壓降對比

2.2 錐度對壓力場的影響

壓降是衡量旋風(fēng)分離器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越小，則能量損失越小。圖3給出了不同錐度對旋風(fēng)分離器壓力場的影響。

在圖3a中可以看出動(dòng)壓是通過旋流運(yùn)動(dòng)，由靜壓轉(zhuǎn)化而成的。在軸向位置z＝0 m（軸向向下為正）即升氣管入口附近，動(dòng)壓最大，靜壓最小，說明此處旋流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈。

圖3 錐度對壓力場的影響

不同的錐度下，壓力分布走向一致，但是數(shù)值上有較大差異，尤其是在升氣管和錐體部分。z＞0.5 m以后的分離區(qū)域，由錐度引起的動(dòng)壓大小交替變化，規(guī)律不明顯，如圖3b所示，說明錐體分離空間長度的改變使流體旋流中心發(fā)生不規(guī)則變化。從圖3c和圖3d可以看出，靜壓和總壓的分布比較規(guī)律，其值總體上隨錐度的增加而降低。在分離器升氣管出口處，175°錐度下的靜壓最小，表2給出了5個(gè)錐度下旋風(fēng)分離器的壓降?？梢姡S著錐度的增加，壓降逐漸減小。

表2 不同錐度下旋風(fēng)分離器的壓降值

2.3 錐度對速度場的影響

流體在旋風(fēng)分離器內(nèi)部做的是三維強(qiáng)旋流的湍流運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)速度越高，顆粒被離心力送到壁面的概率越高，分離效率也越好。圖4給出了不同錐度下旋風(fēng)分離器內(nèi)部速度場的分布。

從圖4可以看出，總速度和動(dòng)壓的分布相似，進(jìn)一步說明了動(dòng)壓是由旋流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。切向速度最大，占據(jù)主導(dǎo)地位，其走向與總速度近似一致；徑向速度在零點(diǎn)上下波動(dòng)，正負(fù)交替變化，表現(xiàn)出較強(qiáng)的不穩(wěn)定性。

隨著錐度的變化，旋風(fēng)分離器的三維速度場發(fā)生了較大的變化。在z＝0 m（即升氣管入口處）的附近區(qū)域，總速度和切向速度有最大值。錐度增加，在z＞0.5 m（軸向向下為正）的區(qū)域，速度變化規(guī)律性不強(qiáng)，總速度出現(xiàn)多個(gè)波峰、波谷。163°時(shí)升氣管出口的總速度最大，為31.68 m／s，而175°時(shí)最小，為28.61 m／s。切向速度與總速度的分布規(guī)律相似，隨著錐度的增加而減小，從163°的23.94 m／s降低到175°的19.63 m／s。從圖4d可以看出，在前面4個(gè)錐度下，軸向速度的變化很接近。

圖4 錐度對速度場的影響

3 錐度對分離效率的影響

分離效率是衡量旋風(fēng)分離器性能的最重要的指標(biāo)。通過設(shè)置最小粒徑為5μm，最大粒徑為10 μm，得到不同錐度下旋風(fēng)分離器的分離效率均為100%。同時(shí)追蹤了不同錐度下顆粒的流動(dòng)軌跡，如圖5所示?？梢钥闯觯讦龋?63°和θ＝166°時(shí)，顆粒出現(xiàn)了返混現(xiàn)象，在頂板附近和錐底一直做旋流運(yùn)動(dòng)，而其余3種情況顆粒軌跡相差不大。

雖然沒有顆粒隨氣體流出升氣管，但是分離器內(nèi)部有不同程度的顆粒堆積，這種情況在旋風(fēng)分離器的頂板附近最為嚴(yán)重，即大量的顆粒在此處做旋流運(yùn)動(dòng)，并未向下排出，會(huì)對旋風(fēng)分離器的使用性能造成影響，增加頂板的腐蝕率，減短分離器的使用壽命。可以看出，錐度越小，頂板附近的返混現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖5 錐度對顆粒軌跡的影響

4 結(jié)論

1） 錐度的變化對升氣管和錐體部分區(qū)域流場的影響很大，而分離器筒體部分受錐度的影響相對較小。

2） 隨著錐度的增加，壓降呈遞減趨勢。

3） 旋風(fēng)分離器流場的總速度與切向速度的變化趨勢相同，均隨錐度的增大而減小。

4） 粉塵粒徑為5～10μm的情況下，不同錐度下旋風(fēng)分離器的分離效率均為100%，但是在頂板附近有不同程度的顆粒堆積現(xiàn)象，錐度為163°和166°時(shí)最嚴(yán)重，極易造成旋風(fēng)分離器的頂板腐蝕穿孔，因此該錐度結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器不適用于工程實(shí)際應(yīng)用。

5） 錐度為169°、172°、175°結(jié)構(gòu)的3種旋風(fēng)分離器，速度變化僅相差1～2 m／s，故主要從壓降方面考慮。172°的錐角結(jié)構(gòu)最優(yōu)，能較大程度減少材料耗損，節(jié)約成本。

［1］ 曹晴云，姬廣勤，金有海，等.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋風(fēng)分離器氣相流場的數(shù)值研究［J］.流體機(jī)械，2008，36（6）：34-38.

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Effect of Taper Angle on Fluid Field in Cyclone Separator of Natural Gas Purification

LI Qi1，2，LUO Min1，HAN Chuan-jun2，YANG Xue2，GUAN Xi-qi2
（1.Office of Gas Transfer，The Southwest Oil and Gas Field，Chengdu 610213，China；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The computational fluid dynamic（CFD）was conducted to analyze the effect of taper angle between 163°to 175°on fluid field in cyclone separator，which was utilized for natural gas purification by using RNG k-epsilon turbulent model and discrete phase model in FLUENT fluid analysis software platform.Some conclusions could be received from the numerical simulation.The greatest changes of velocity and pressure were occurred near the entrance of riser；and there was almost no influence on cylinder and some cone area with different tapers；however，the impact of taper on the riser and most cone area was significant.On the other hand，the distribution of flow field would not be affected by taper as a whole.The separation efficiency of gas-solid is 100%due to the 5μm minimum particle size，but there is stacked phenomenon inside the cyclone separator which is serious near the roof.Finally，the best structure of cyclone separator was chose with 172° taper what meant a 0.925 m cone length.This structure had the lowest pressure drop and less material consuming.

cyclone separator；taper angle；flow field

TE931.101

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.003

1001-3482（2014）12-0008-05

2014-07-10

李 琦（1982-），女，四川邛崍人，工程師，碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)和裝備方面的研究和技術(shù)管理工作，E-mail：l_qi＠petrochina.com.cn。