折流板除霧器分離特性的數(shù)值模擬研究

楊 琳

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

折流板除霧器分離特性的數(shù)值模擬研究

楊 琳

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

折流板除霧器是一種工業(yè)中廣泛使用的氣液分離設(shè)備，對(duì)折流板除霧器的研究目前主要集中在提高除霧效率、降低進(jìn)出口壓降、防止堵塞等方面。除霧效率和壓降是除霧器的兩個(gè)最重要性能，因而成為研究的重點(diǎn)。目前對(duì)除霧器的研究方法主要為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)方法因其投入高、周期長(zhǎng)、過程繁瑣而逐漸被數(shù)值模擬方法所取代。

除霧器；除霧特性；數(shù)值模擬

除霧技術(shù)是將氣流中的液滴或霧滴分離出來(lái)的技術(shù)。除霧技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、化工、柴油加氫尾氣回收、天然氣開采、儲(chǔ)運(yùn)及深加工、煙氣余熱利用、濕法脫硫、濕法除塵及發(fā)酵工程等工藝過程[1]。我國(guó)硫氧化物排放量巨大，因此，各大煉油廠、化工廠及燃煤電廠都使用了脫硫系統(tǒng)以控制二氧化硫的排放[2]。除霧器是脫硫系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，通常安裝在吸收塔頂部，用來(lái)捕集脫硫后被凈化的煙氣中的液滴，以保護(hù)其后續(xù)設(shè)備或管路不受腐蝕和玷污[3]。若除霧器發(fā)生堵塞或除霧效率過低，都會(huì)導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，所以其性能好壞對(duì)整個(gè)脫硫系統(tǒng)影響巨大。因此，對(duì)除霧器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和使用具有重要意義[4]。

1 折流板除霧器

1.1 工作原理

1.1.1 臨界氣流速度

臨界氣速的產(chǎn)生由二次攜帶所導(dǎo)致，在臨界氣速之內(nèi)除霧效率會(huì)隨著氣速的增大而增大，但超過臨界氣速除霧效率會(huì)隨著氣速的增大而大幅度下降。

1.1.2 臨界分離粒徑

折流板除霧器是利用慣性力來(lái)分離液滴的，所以粒徑大的液滴慣性力大而易被分離。當(dāng)液滴粒徑非常小時(shí)，除霧器將無(wú)法將其分離。臨界分離粒徑即是在某一氣速下，能夠被除霧器完全分離的最小液滴的直徑。

1.2 基本性能參數(shù)

1.2.1 除霧效率

除霧效率指在單位時(shí)間內(nèi)除霧器捕捉到的液滴質(zhì)量與進(jìn)入除霧器的液滴總質(zhì)量之比，是除霧器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。影響除霧效率的因素包括氣流流速、除霧器葉片板型、霧滴直徑、葉片間距、布置形式等。

1.2.2 壓力損失

氣流通過除霧器時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，即除霧器出口壓力值低于進(jìn)口壓力值，壓力損失越大則造成的能耗就越高。影響除霧器壓力損失的因素包括氣流速度、除霧器葉片板型、葉片間距以及除霧器的布置級(jí)數(shù)等。

2 數(shù)值求解計(jì)算

2.1 模型簡(jiǎn)化

在除霧器運(yùn)行時(shí)，其各除霧通道內(nèi)的流動(dòng)狀況基本相似，差異甚微，故本文僅對(duì)除霧器單通道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。含霧滴的氣流在除霧器通道內(nèi)的流動(dòng)實(shí)際上是一種三維、非定常、可壓縮性黏性流體的復(fù)雜流動(dòng)。在合理誤差范圍內(nèi)對(duì)流場(chǎng)做如下簡(jiǎn)化：

1）由于氣流的馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于 0.1，故可以把氣體視為不可壓縮氣體；

2）因?yàn)槌F器通道寬度、高度比較大，而且任意流動(dòng)截面相同，所以流場(chǎng)可簡(jiǎn)化為二維；

3）由于流動(dòng)中氣體各參數(shù)不隨時(shí)間而改變，所以可以視氣流為定常流動(dòng)；

4）由于液滴粒徑很小，故當(dāng)作球形來(lái)處理，不考慮液滴之間的碰撞、聚合等現(xiàn)象，且忽略蒸發(fā)、摩擦、撕裂及熱效應(yīng)的影響；

5）液滴接觸板面即認(rèn)為捕集。忽略壁面水膜撕裂及反彈，不考慮二次帶水；

6）不考慮氣液兩相的任何能量交換；

7）由于氣液兩相密度差很大，故不考慮虛假質(zhì)量力、Baseet力及Magnus力的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

本文網(wǎng)格采用GAMBIT 進(jìn)行分段劃分，近壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，選擇四邊形結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，其余部分選擇三角形平鋪網(wǎng)格。圖1為直角三角形板除霧器網(wǎng)格劃分局部放大圖。葉片間距為 20mm，進(jìn)口氣速為2m·s-1，整個(gè)流道共生成3738個(gè)節(jié)點(diǎn)，5934個(gè)單元體。近壁面第一層網(wǎng)格高度為 0.025mm，邊界網(wǎng)格設(shè)置5層。

連續(xù)相采用分離求解器求解時(shí)均為N-S方程、湍流附加方程和連續(xù)性方程，并將改進(jìn)的SIMPLE算法運(yùn)用到速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的耦合計(jì)算中。離散相使用二階迎風(fēng)格式。液滴運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算選用基于歐拉-拉格朗日方法的DPM模擬液滴的運(yùn)動(dòng)。在已收斂或部分收斂的氣體流場(chǎng)基礎(chǔ)上，可以求出液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

圖1 網(wǎng)格劃分局部放大圖

2.3 邊界條件

2.3.1 連續(xù)相介質(zhì)

邊界條件：密度為1.1 kg·m-3，動(dòng)力黏度為1.95456×10-5N·s·m-3的空氣。進(jìn)口條件：進(jìn)口氣流速度ux=0，uv=2、4、6、8、10m·s-1，在進(jìn)口截面氣速均勻分布。出口條件：出口表壓為零，操作壓力為1.01325×105Pa。壁面條件：壁面表面粗糙度設(shè)為零，無(wú)滑移，絕熱。

2.3.2 分散相介質(zhì)

液滴物性：密度為1000kg·m-3的水，氣流含水量為0.05kg·m-3；進(jìn)口條件與氣速相同。噴射類型為表面（surface），使液滴在進(jìn)口截面均勻分布。液滴直徑：計(jì)算了10、20、30、40μm的液滴直徑。液滴質(zhì)量流量：由Q=0.05upL計(jì)算，其中up為液滴速度，L為葉片間距，計(jì)算了10、15、20、25mm的4種葉片間距。壁面條件：選擇捕集（trap）類型，液滴碰撞到壁面即被捕集，不考慮反彈。

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)除霧器實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)每種參數(shù)選擇了合適的變量值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)及取值見表1，得到了每種情況下的除霧效率和壓降。

表1 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 折流板除霧器通道內(nèi)流場(chǎng)分布

圖 2為葉片間距為 15mm，氣速為 6m·s-1時(shí)折流板除霧器內(nèi)各種粒子的軌跡圖。

圖 2 折流板除霧器通道內(nèi)液滴軌跡圖

3.2 各參數(shù)對(duì)除霧效率的影響

3.2.1 液滴直徑對(duì)除霧效率的影響

間距為 15mm的折流板除霧器，各種液滴直徑的除霧效率計(jì)算結(jié)果見圖3。從圖3可知，當(dāng)氣速為 6m·s-1，液滴直徑達(dá)到30μm時(shí)除霧效率達(dá)到了100%，說明氣速為 6 m·s-1時(shí)，此種結(jié)構(gòu)參數(shù)的除霧器能除掉的最小液滴為30μm。

圖3 液滴直徑對(duì)除霧效率的影響

隨著液滴直徑增加，除霧效率效率增大，這是因?yàn)橐旱晤w粒的慣性力隨著直徑的增大而增大，其速度松弛時(shí)間會(huì)增大，因而更容易保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)氣流速度改變方向時(shí)，液滴顆粒會(huì)更易從氣流流線中分離出來(lái)，保持原有速度方向的液滴便會(huì)碰撞到除霧器葉片壁面而被捕集。

3.2.2 氣速對(duì)除霧效率的影響

液滴直徑20μm、葉片間距為 15mm的折流板除霧器，在各種進(jìn)氣速度下的除霧效率計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 氣速對(duì)除霧效率的影響

由圖4可以看出，對(duì)于直徑20μm的液滴，隨著氣速增大，除霧效率增大，但風(fēng)速為10m·s-1時(shí)除霧效率都沒達(dá)到100%。液滴直徑為10μm時(shí)，除霧效率隨氣速增大變得很平緩。因?yàn)楫?dāng)氣流湍動(dòng)程度增大時(shí)，亞微觀粒子所受的Saffman升力作用更明顯，細(xì)微粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，導(dǎo)致其更不容易被除去。由以上討論可知折流板除霧器適用于相對(duì)較大粒子的分離，對(duì)微小粒子的除霧效果不好。

3.2.3 葉片間距對(duì)除霧效率的影響

在液滴直徑為20μm、氣速為6m·s-1的情況下，6種不同間距的折流板除霧效率計(jì)算結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出，隨著葉片間距增大，除霧效率降低。這是由于葉片間距的增大使介質(zhì)的流通面積增大，氣流方向的改變變得平緩，顆粒隨氣流的跟隨性變得更好，故更不容易被捕集，從而除霧效率降低。

圖5 葉片間距對(duì)除霧效率的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著進(jìn)氣速度和液滴直徑的增大，除霧效率增大；隨板間距的增大，除霧效率減小?？偟膩?lái)說，折流板除霧器適用于相對(duì)較大粒子的分離，對(duì)微小粒子的分離效果不佳。提高除霧效率的有效途徑是減小葉片間距、增大進(jìn)氣速度和減小板片轉(zhuǎn)折角度，然而減小葉片間距會(huì)提高除霧器的制造成本，提高進(jìn)氣速度會(huì)增加能耗。除霧器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行參數(shù)的選取要綜合考慮這些因素。

3.3 各參數(shù)對(duì)壓降的影響

3.3.1 氣速對(duì)壓降的影響

圖6為葉片間距15mm、液滴直徑20μm，折流板除霧器在各種氣速下除霧器壓降的計(jì)算結(jié)果。從圖6中可以看出，除霧器壓降隨氣速的增大而增大且增大幅度較大，表明氣速對(duì)壓降的影響比較大。根據(jù)速度和壓力云圖的分析，其原因可能是：在除霧器通道第二個(gè)拐彎處的外凸側(cè)有流體漩渦區(qū)存在，此漩渦區(qū)是由氣流在通道內(nèi)受離心力作用從通道中心流向葉片外壁，再由外壁返回所造成的。而離心力隨著氣速的增大呈平方增大，所以會(huì)產(chǎn)生更大漩渦。流動(dòng)阻力由于漩渦區(qū)的存在而增加，從而使壓降變大。

圖6 氣速對(duì)壓降的影響

3.3.2 葉片間距對(duì)壓降的影響

圖7為葉片間距15mm、液滴直徑20μm，折流板除霧器在各種葉片間距下除霧器壓降的計(jì)算結(jié)果。從圖7可以看出，壓降隨葉片間距的增大而減小，但總體減小幅度并不大，且當(dāng)氣速減小時(shí)，壓降隨葉片間距的增大而減小的幅度更平緩。其原因是隨著葉片間距增大，氣流流通面積變大，使流動(dòng)方向的改變變得平緩，從而使漩渦區(qū)的存在變小，流動(dòng)阻力變小，導(dǎo)致壓降變小。相對(duì)于氣速對(duì)壓降的影響，葉片間距對(duì)壓降的影響還是很小的，其并不是影響壓降的關(guān)鍵因素。

圖7 葉片間距對(duì)壓降的影響

4 結(jié)論

折流板除霧器通道內(nèi)流場(chǎng)在轉(zhuǎn)角處發(fā)生變化，形成高壓低速區(qū)和低壓高速區(qū)。在高壓低速區(qū)湍動(dòng)能最大，湍流耗散最強(qiáng)烈，氣流產(chǎn)生回流，造成流通面積減小，流速增大，提高除霧效率。同時(shí)回流也造成了氣流流動(dòng)阻力的增大，使進(jìn)出口產(chǎn)生壓降。

其他參數(shù)固定的情況下，除霧效率隨葉片間距的增大而減小，隨進(jìn)氣速度的增大而增高，隨液滴直徑的增大而迅速增大。除霧器壓降隨葉片間距增大而減小，隨氣速增大而增大。當(dāng)間距不變時(shí)，不同進(jìn)氣速度下，除霧器能出去的小液滴極限直徑不同，但極限直徑并不與氣速成線性關(guān)系?？偟膩?lái)說，折流板除霧器對(duì)微小粒子的除霧能力不佳，其適用于相對(duì)較大粒子的分離。

[1] 李大明，蘭明安.超濾技術(shù)在高效氣液分離領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].河南化工，2000，24(4)：28-29.

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[3] 任相軍，王振波，等.氣液分離技術(shù)設(shè)備進(jìn)展[J].過濾與分離，2008(3)：43-47.

[4] 羅紹強(qiáng)，蔡振云.燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)展[J].浙江化工，2007，38(2)：13-17.

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Numerical Simulation Study on Separation Characteristics of Baffle Plate Demister

YANG Lin
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Baffle plate demister was widely used in the gas-liquid separation equipment industry, the present studies of baffle plate demister were focused on improving defogging efficiency, reducing the import and export drop and preventing clogging and so on. Base on defogging efficiency and pressure drop were the two most important performance of demister, so the research emphasis in these aspects was concerned. Current the research methods of demister were mainly included the experimental and numerical simulation. But result on high investment, long cycle, complicated process of experimental, it gradually replaced by numerical simulation.

mist eliminator; demisting characteristic; numerical simulation

TQ 015.8

A

1671-9905(2017)07-0060-05

楊琳(1991-)，女，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，E-mail: 18629579665@163. com，電話：18729183864

2017-04-12